腐蝕環(huán)境金屬彈簧失效分析

腐蝕環(huán)境金屬彈簧失效分析(上)
1　腐蝕失效的分類
金屬是最重要的工業(yè)材料。但是,金屬在外界環(huán)境影響下常遭受化學和電化學的作用而引起腐蝕失效。從熱力學的觀點來看,除少數(shù)的貴金屬(如金、鉑)外,各種金屬都有與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而轉(zhuǎn)變成離子的傾向。也就是說,金屬受腐蝕是自然趨勢。因此,腐蝕失效現(xiàn)象是普遍存在的,鋼鐵結(jié)構(gòu)在大氣中生銹,海船外殼在海水中腐蝕,地下金屬管道穿孔,熱電廠鍋爐損壞,化工廠金屬容器損壞等等,都是金屬腐蝕失效的例子。據(jù)統(tǒng)計,1998年美國因腐蝕帶來的經(jīng)濟損失高達2760億美元,占美國GDP的3%以上。世界航空業(yè)因腐蝕原因造成的民航飛機的破壞占總破壞量的40%～60%,其中不乏因腐蝕失效造成的航空事故。
由于材料表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應而引起的材料的破壞或變質(zhì)稱為材料的腐蝕。腐蝕的分類方法很多,以下是兩種常見的分類方法。
1.1　按腐蝕機理分類
(1)化學腐蝕　金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學作用而引起的破壞,其特點是在作用過程中沒有電流產(chǎn)生。金屬在干燥氣體中的腐蝕,金屬在非電解質(zhì)中的腐蝕都屬于化學腐蝕。
(2)電化學腐蝕　金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學作用而引起的破壞。其特點是介質(zhì)中有能導電的電解質(zhì)溶液存在,腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。這類腐蝕最普遍,包括:大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、電解質(zhì)溶液腐蝕和熔融鹽腐蝕。
1.2　按腐蝕破壞的形式分類
(1)均勻腐蝕　在全部或大部分暴露的表面上發(fā)生的相對均勻的腐蝕,例如鋁合金在堿性溶液里發(fā)生的腐蝕。這類腐蝕容易分析和進行壽命預測,容易防護。
(2)局部腐蝕　腐蝕主要局限于微小區(qū)域中。局部腐蝕的腐蝕速度通常比均勻腐蝕大幾個數(shù)量級,而且難以發(fā)現(xiàn),可能導致災難性失效,因此它的危害要比均勻腐蝕大得多。局部腐蝕又可分為以下幾類:點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕、氫損傷和腐蝕疲勞。
還可以按腐蝕環(huán)境分類,如前所述的海水腐蝕、土壤腐蝕、大氣腐蝕、電解質(zhì)溶液腐蝕、熔融鹽腐蝕,以及生物腐蝕、非電解質(zhì)溶液的腐蝕、雜散電流腐蝕和高溫腐蝕(氧化、硫化)等等。
2　金屬腐蝕的形貌和分析方法
2.1　均勻腐蝕
前面已介紹了均勻腐蝕的特點,它是從腐蝕的外觀來定義的,因此僅憑外觀觀察就可以做出判斷。均勻腐蝕(UniformCorrosion)中“均勻”一詞并不很恰當,有人稱為全面腐蝕(GeneralCorrosion),當然“全面”應該指被暴露的面。均勻腐蝕是最常見的、也是最簡單的一種腐蝕形態(tài)。耐候鋼、鎂合金、鋅合金和銅合金常發(fā)生均勻腐蝕,而鈍化金屬如不銹鋼、鋁合金或鎳2鉻合金則通常發(fā)生局部腐蝕,鋁合金在堿溶液中會發(fā)生均勻腐蝕。發(fā)生均勻腐蝕的金屬在化學成分、顯微組織和受力狀況方面在宏觀尺度上是均勻的。腐蝕介質(zhì)通常也是均勻的,而且可以無障礙地接觸金屬表面.彈簧
取決于腐蝕產(chǎn)物是附著在金屬表面還是脫離開金屬表面,發(fā)生腐蝕后的材料厚度在外觀上可以增厚,也可以減薄,但剩余的金屬厚度總是減薄的,有時候需要通過截面金相來測定。因此金屬材料的厚度損失經(jīng)常用來表征均勻腐蝕的程度。
2.2　點蝕
點蝕也是一種很常見的腐蝕形態(tài),圖1是某型航空發(fā)動機不銹鋼葉片上的點蝕坑的剖面金相。這種形態(tài)的腐蝕通常發(fā)生在具有鈍性的或有保護膜的金屬上,而且環(huán)境的均勻腐蝕性相對較弱。點蝕難以發(fā)現(xiàn),用常規(guī)的無損檢測手段也難以檢測,有時蝕孔的孔口被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,僅表現(xiàn)為一點微小的銹紅色,很顯然,這種情況下彩色照片比黑白照片更能顯示蝕點。確認點蝕的方法是沿蝕孔深度方向制備金相磨片。沿縱深發(fā)展的蝕孔可能在材料絕大部分尚完整的情況下造成穿孔,引起泄漏,而危險物品的泄漏可能引發(fā)災難性事故。蝕孔處的應力集中也可能導致斷裂,圖2所示是航空發(fā)動機的不銹鋼葉片在蝕孔處萌生的疲勞裂紋。由于許多蝕孔彌散分布,可采用ASTMG46《點蝕的檢查和評價》對腐蝕損傷進行定量評估。點蝕的生長具有自催化能力,一旦開始生長,會加速生長。蝕孔內(nèi)介質(zhì)與外界的介質(zhì)相比,氯化物濃縮,對蝕孔內(nèi)進行成分分析,通常會發(fā)現(xiàn)明顯的氯存在。發(fā)生點蝕時,環(huán)境介質(zhì)通常是靜止的。不銹鋼彈簧
鋼鐵、銅、鎂、不銹鋼、耐熱合金、鋁合金和鈦合金等在大多數(shù)含有氯離子的介質(zhì)中都有可能發(fā)生點蝕。含有氧化性金屬陽離子的氯化物如三氯化鐵、氯化銅和氯化汞等屬于強烈的點蝕促進劑。
2.3　晶間腐蝕
晶間腐蝕是指晶界相或與之緊鄰的區(qū)域作為陽極優(yōu)先溶解,而晶內(nèi)很少或沒有腐蝕。發(fā)生晶界腐蝕后從材料的外觀上有可能看不出任何變化。確認晶間腐蝕的方法是金相檢驗,拋光后無需侵蝕即可看到因腐蝕變粗變黑的晶界(圖3)。發(fā)生晶間腐蝕的原因常常是在金屬的熱經(jīng)歷中曾經(jīng)在某一溫度段停留過一定時間,在此期間合金成分或雜質(zhì)元素在晶界上富化或貧化,或者出現(xiàn)晶界析出物,使得晶界或晶界附近相對于晶內(nèi)為陽極優(yōu)先腐蝕,晶內(nèi)為陰極。這種熱經(jīng)歷稱為敏化。消除敏化的措施是進行所謂穩(wěn)定化處理,讓晶界析出物重新溶解。焊接中焊縫兩側(cè)一定距離處的材料會正好處于敏化溫度范圍,接觸腐蝕介質(zhì)后,會在這個平行于焊縫的狹長區(qū)域中發(fā)生晶間腐蝕,稱為焊縫腐蝕。構(gòu)件發(fā)生晶界腐蝕后,很難用肉眼發(fā)現(xiàn),但構(gòu)件的強度已大大降低,在一個小載荷下就可能發(fā)生沿晶分離。
可能發(fā)生晶間腐蝕的金屬有不銹鋼、鎳合金、鋁合金和銅合金。一般地講,含有常規(guī)碳含量(>0.04%)、且不含碳化物穩(wěn)定元素鈦、鈮的不銹鋼對晶間腐蝕敏感,把碳含量降低至0.03%以下,或添加一定量的鈦、鈮,則可降低敏感性。
變形鋁合金有一種特殊形式的晶間腐蝕———剝層腐蝕或簡稱剝蝕。當鋁合金被軋制、鍛壓或擠壓成型材時,彈簧廠,晶粒變形成為長條狀,大量的晶界相互平行,并平行于材料的長度方向。當晶間腐蝕沿著長度方向進行時,材料被一層一層地分離。腐蝕產(chǎn)物堆積在晶界上,如同在晶界上打入了無數(shù)的小楔子,使構(gòu)件在厚度方向發(fā)生膨脹,因此,構(gòu)件表面鼓包和鉚釘頭斷掉都是剝層腐蝕的癥狀。對剝蝕的確認方法仍然是金相檢驗。
3　應力腐蝕斷裂的失效分析
3.1　應力腐蝕的條件
應力腐蝕斷裂(簡稱SCC或應力腐蝕)是對SCC敏感的材料在環(huán)境和拉應力的同時作用下發(fā)生的脆性斷裂。這里特別強調(diào)共同作用,先受拉應力再去掉應力單純受腐蝕或先腐蝕后再去除腐蝕環(huán)境單純受拉應力所引起的破壞都不是應力腐蝕斷裂。應力腐蝕斷裂是一種亞臨界裂紋生長現(xiàn)象,分為裂紋萌生、裂紋亞臨界擴展和剩余截面最終過載斷裂三個階段。發(fā)生SCC時,環(huán)境的腐蝕性較弱,應力水平也低于材料的屈服強度,因此材料表面一般沒有明顯的腐蝕現(xiàn)象,材料也沒有塑性變形,加之SCC裂紋很纖細,很難被發(fā)現(xiàn),從而易發(fā)生突發(fā)性的斷裂,造成災難性后果。工程實踐表明,SCC是很常見的同時也是很危險的一種斷裂失效模式。
發(fā)生SCC需要同時滿足兩個條件:
(1)拉伸應力　雖然有學者認為在壓應力作用下也能發(fā)生SCC,但是絕大多數(shù)SCC發(fā)生在拉應力作用下。應力可以來自工作載荷、冷加工或熱加工的殘余應力、裝配應力及腐蝕產(chǎn)物的楔力等。對于光滑試樣或工件存在一個SCC門限應力,對于預裂試樣或工件,存在一個SCC門限應力強度因子KⅠSCC,低于它們則不發(fā)生SCC。
(2)特定的材料/環(huán)境組合　SCC的一大特點是需要材料和環(huán)境的特定組合。表1列出了常見的能發(fā)生SCC的材料/環(huán)境組合。SCC通常只發(fā)生在合金上,純金屬很少發(fā)生。
航空渦輪發(fā)動機高壓渦輪段的材料主要是鎳基或鈷基高溫合金,材料承受著高溫、熔融態(tài)的氯化物或硫化物的腐蝕以及工作應力。在高溫、腐蝕介質(zhì)和應力三者的共同作用下,可能發(fā)生熔融鹽的SCC。這一失效機理曾造成近年來某型發(fā)動機多次發(fā)生渦輪葉片斷裂。
3.2　應力腐蝕斷口的特征
SCC裂紋和斷口有一些獨特的特征,按宏觀和微觀分別歸納如下,所謂宏觀是指靠肉眼或光學放大的尺寸范圍內(nèi),微觀是指應用掃描電子顯微鏡進行觀察的尺寸范圍內(nèi)。需要注意的是,這些特征只是多數(shù)SCC裂紋和斷口的一般規(guī)律,某些材料/環(huán)境組合發(fā)生SCC時,會有一些例外。
3.2.1　SCC的宏觀特征
由于SCC的發(fā)生需要腐蝕介質(zhì)的參與,因此SCC裂紋多萌生于材料表面,裂紋源一般為局部腐蝕(比如點蝕或縫隙腐蝕)的蝕坑或其它類型的裂紋(如焊接和熱處理裂紋)。SCC裂紋在宏觀上是脆性的,即使原本韌性很好的材料發(fā)生SCC時也是脆性的,宏觀上很少有塑性變形。微觀上裂尖塑性變形很小,裂尖尖銳,導致很大的應力集中。許多SCC裂紋在宏觀上分叉,裂紋平面與主應力基本垂直。與疲勞斷裂相似,從裂紋亞臨界擴展區(qū)尺寸與過載瞬斷區(qū)尺寸的比例關(guān)系可以推測應力水平的高低。由于環(huán)境條件的變化或SCC/過載的交替進行,SCC斷口上會出現(xiàn)海灘花樣,應與疲勞區(qū)分開來。由于SCC斷口常常由于腐蝕或介質(zhì)污染而變色,這為區(qū)分SCC與疲勞提供了一條途徑。
SCC主裂紋或主斷口附近常出現(xiàn)表面裂紋,這些表面裂紋基本平行于主斷口,其機理也是SCC。在主斷口上還會出現(xiàn)二次裂紋,圖6就是垂直于主斷口的剖面所看到的二次裂紋,仍然呈現(xiàn)分叉、沿晶的特點。因此精密彈簧,當主斷口因腐蝕無法觀察的情況下,打開表面裂紋或垂直于斷口作剖面也許可以發(fā)現(xiàn)SCC的特點。由于表面裂紋和二次裂紋沒有打開,不受試樣清洗的影響,裂縫里保存了在發(fā)生SCC時的介質(zhì)成分,某些組分還可能被濃縮,因此,對裂縫里進行微區(qū)成分分析可以較好地了解當時介質(zhì)的真實成分。
3.2.2　SCC的微觀特征
SCC裂紋在材料中的路徑有沿晶,也有穿晶,還有混合的,取決于材料、熱處理和環(huán)境。鋁合金、低碳鋼、高強鋼和α黃銅等材料的SCC斷口為沿晶的,而鎂合金和γ不銹鋼出現(xiàn)穿晶分叉的SCC裂紋。沿晶斷口常被輕微腐蝕或被少量腐蝕產(chǎn)物覆蓋,以致電鏡下沿晶小刻面的平面不光滑、棱角不銳利(圖7),或者小刻面上有腐蝕坑,嚴重時小刻面上有腐蝕溝槽,即所謂“核桃紋”。用AC紙粘取斷口表面的附著物后,可用電子探針、能譜或X射線熒光分析等進行成分分析,從中獲取環(huán)境成分信息。穿晶SCC的斷口呈現(xiàn)解理花樣。由于腐蝕,SCC斷口上有時會出現(xiàn)“泥紋花樣”,這實際是腐蝕產(chǎn)物干燥后的龜裂,應注意區(qū)分是斷裂后斷口的腐蝕還是在腐蝕和應力共同作用下的斷裂,后者才是SCC。