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不锈钢的耐腐蚀能力 分析

什么是腐蚀

腐蚀是一种电化学过程,其中金属与周围环境发生反应,所导致的降解引发材料性能(例如机械强度,外观以及对液体和气体的不渗透性)的损失。腐蚀的原因是金属及其天然矿石的能量差异。从矿石中提取任何金属都需要能量。这种“过剩的能量”推动腐蚀,因为金属将试图恢复到其自然状态。

从电化学上讲,腐蚀是电子的释放。释放电子的过程称为氧化反应或阳极反应。然而,这些电子需要在某处被消耗,因此需要发生还原反应或阴极反应。

易氧化的金属(例如镁)被称为非贵(活性)金属,而最耐腐蚀的金属(例如金和铂)被称为贵(惰性)金属。在两者之间,我们找到了工程用途的大多数金属,例如铁和铜。


不锈钢和钝化

从本质上讲,不锈钢不属于金或铂这样的贵金属。不锈钢的耐腐蚀性是来自于铬,铁的氧化物和氢氧化物构成的看不见而且不溶的薄层,通常称为钝化膜(图1)。

1:不锈钢钝化膜的两层模型


即使钝化膜只有几纳米的厚度,它也可以有效地使下方的金属与周围环境隔离开来,有效地减缓了引起腐蚀的电化学反应,腐蚀速率较没有钝化膜时的腐蚀速率远远降低。其他金属(例如铬,铝和钛)也表现出钝化性,不锈钢是利用铬钝化的能力。

在含有足够氧化剂的环境中,不锈钢表面的钝化膜会自发形成。此外,如果钝化膜下面的金属由于机械损伤(例如刮擦)而暴露在外,它会自发地重新钝化。空气以及大多数水溶液中的氧气含量足以形成和维持不锈钢钝化膜。如果能有效的保留住钝化膜,不锈钢几乎可以永久使用。


均匀腐蚀

在钝化膜不稳定的环境中会发生均匀腐蚀,未保护的金属表面或多或少地均匀减少,如图2所示。在酸或热碱性溶液中,不锈钢的均匀腐蚀是最常见的。另外,氯化物和氟化物的熔盐也可以导致均匀腐蚀。

2:暴露于硫酸的蒸汽管的均匀腐蚀


在温度和化学成分恒定的环境中,期望以合理的恒定速率发生均匀腐蚀。通过在一定表面积测量单位时间内的重量损失,可以确定腐蚀速率。这通常表示为厚度随时间的损失,例如毫米/年。根据定义,如果腐蚀速率不超过0.1毫米/年,则通常认为不锈钢在特定环境中具有耐均匀腐蚀的能力。


点蚀和缝隙腐蚀

均匀腐蚀会引起钝化膜的广泛破坏,但点蚀和缝隙腐蚀是由钝化膜的局部破坏引起的。在实际情况中,不锈钢的腐蚀失效通常是局部腐蚀,而不是均匀腐蚀的结果,请参见图3。在这种情况下,不锈钢表面局部形成电偶,这会导致快速的腐蚀蔓延。与均匀腐蚀相比,局部腐蚀的重量损失可能很小,作为腐蚀严重程度指标的腐蚀速率与局部腐蚀无关。相反,点蚀和缝隙腐蚀被认为是一种非此即彼的情况,一旦局部腐蚀开始,很快就会穿透材料,因此需要避免

3:管子外部的点蚀


在含卤素离子的环境中,例如氯化物,不锈钢特别容易出现点蚀和缝隙腐蚀。因此,存在局部腐蚀风险的环境包括含大量氯化物的液体,例如海水和各种工业溶液。

缝隙腐蚀(见图4)发生在缝隙和其他密闭空间中,以及在使用过程中形成的沉积物下。在水性环境中,不锈钢表面自然发生的化学反应会消耗氧气。在缝隙内部停滞的溶液中,新氧化剂的供应受到限制。缝隙内溶液的成分逐渐变得不同于周围溶液的成分。当形成浓差电池时,这种成分差异就增加了腐蚀的风险。

4:暴露于氯化海水的法兰密封下的缝隙腐蚀


越来越强的腐蚀性环境最终会破坏缝隙内部的钝化膜,而小面积裸露的金属表面将充当缝隙周围更大钝化区域的阳极。

对于任何类型的腐蚀,点蚀和缝隙腐蚀的风险取决于环境因素和合金的耐腐蚀性。高氯化物浓度,低pH值和高温都会增加点蚀和缝隙腐蚀的可能性。其他卤化物(如溴化物和碘化物)也可能引起点蚀和缝隙腐蚀。


应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂(SCC)是一种脆性破坏模式,由机械应力和腐蚀环境共同作用引起。在预计不会出现点蚀、缝隙或均匀腐蚀的环境中,可能会导致机械强度快速损失,并可能导致破裂的灾难性故障,这使其成为隐蔽的腐蚀形式。应力腐蚀开裂的发生,必须满足三个要求:

•易感材料

•材料对应力腐蚀开裂敏感的环境

•足够的拉应力

 

如果除去这三个因素之一,则不会发生应力腐蚀开裂。与点蚀和缝隙腐蚀一样,不锈钢发生应力腐蚀最常见的原因是含氯化物的溶液和高温。随着氯化物浓度的增加,温度的升高和pH值的降低,应力腐蚀开裂的风险也随之增加。不锈钢的应力腐蚀通常以细小、分支裂纹的形式出现,见图5

5:不锈钢管的应力腐蚀开裂


由于裂纹的快速扩展,应力腐蚀开裂引起的失效通常会突然发生而没有预警。在最严重的情况下,组件的故障可能会在几天甚至几小时内发生。

 

腐蚀疲劳

当材料承受周期性载荷时,它能够在远远低于材料极限拉伸应力的载荷下失效。如果材料同时暴露在腐蚀性环境中,则即使在更低的负载下,也可能在较短的时间后发生失效。这是由一种称为腐蚀疲劳的腐蚀引起的,该腐蚀与应力腐蚀开裂相似、导致脆性破坏。但是因腐蚀疲劳而产生的裂纹分支较少,见图6。腐蚀疲劳通常发生在常温和中溶液中

6:造纸机吸水辊壳中的腐蚀疲劳裂纹

 

晶间腐蚀

晶间腐蚀是指材料晶界及邻近部位优先受到腐蚀, 而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻微的一种局部腐蚀,见图7。在不锈钢中,碳化铬或金属间相的沉淀可能导致晶间腐蚀。由于以前不锈钢的高碳含量(0.05-0.15%),这种腐蚀是潜在危险。现代不锈钢的生产过程中使用AOD(氩氧精炼炉),已使碳含量降低,因此晶间腐蚀在今天已很少成为问题。

图7:不锈钢管的晶间腐蚀


电偶腐蚀

电偶腐蚀是两种不同的金属相互接触而同时处于电解质中所产生的电化学腐蚀。通常,比较活泼的金属(阳极)会受到更严重的腐蚀,而惰性的金属(阴极)则受到保护。通常在两种金属的结合处附近最易发生这种电偶腐蚀,见图8

8:连接到不锈钢的镀锌螺栓的电偶腐蚀


只要不锈钢保持钝化状态,它们在大多数环境中都会比其他金属材料更有惰性,因此在大多数电偶中都是阴极。另一方面,与不锈钢的电阻偶合可能会增加诸如高碳钢、镀锌钢、铜和黄铜等非贵金属的腐蚀速率。不同不锈钢钢种之间的电偶腐蚀通常不是问题,前提是每种不锈钢在特定环境中都是钝化的。

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