鋼的腐蝕、磨損失效

及其分析方法上海材料研究所耐蝕材料與環境敏感斷裂試驗室鄭文龍鋼的腐蝕、磨損失效

及其分析方法鄭文龍1鋼的腐蝕失效金屬與環境介質之間的化學或電化學作用而引起的變質或破壞過程稱為金屬的腐蝕金屬腐蝕破壞所見到的統計報道：1922年，15億美元/年1937年，760公斤的鐵/5秒1975年，700億美元/年直接損失間接損失？鋼的腐蝕失效金屬與環境介質之間的化學或電化學作用而引起的變質2世界有關國家對腐蝕造成經濟損失的統計國別統計時間損失金額（億美元）占國民經濟收入G.N.P（%）美國194919661973197519865510015070017004.2

英國1957196912.527.53.5日本194919741.1921～2西德1969197652.396.3加拿大197510澳大利亞19734.71.5瑞典19754荷蘭19680.7前蘇聯1987907～1059世界有關國家對腐蝕造成經濟損失的統計國別統計時間損失金額占國3我國因腐蝕造成經濟損失我國雖然沒有就腐蝕所引起的損失做過系統的調查和統計，但腐蝕現象的嚴重已相當驚人的：1979年某燃氣公司的液化氣廠的400M2液化氣罐因腐蝕開裂所爆炸，當場炸死30余人，重傷50多人，僅1次損失650萬元。70年代隨著石油氣田的開發，某氣田由于天然氣中硫化氫腐蝕造成設備突然破壞，引起天然氣的井噴，發生重大的火災事故，其損失不可估量；汽輪發電機的葉輪應力腐蝕開裂而飛裂，造成重大事故，且現在還有許多葉輪和葉片發生開裂事故，這樣的例子不勝枚舉。目前我國每年腐蝕掉的鋼材已超過500萬噸。我國因腐蝕造成經濟損失我國雖然沒有就腐蝕所引起的4金屬腐蝕的分類按機理電化學腐蝕非電化學腐蝕按形態均勻腐蝕局部腐蝕點蝕縫隙腐蝕電偶腐蝕晶間腐蝕應力腐蝕氫脆、氫致開裂、氫鼓泡和氫蝕疲勞腐蝕選擇性腐蝕金屬腐蝕的分類按機理5美國杜邦公司因各類腐蝕引起的685起事故的統計破壞形式比例，%1968196919701971累計平均機械破壞總和39.543.547.545.244.8破壞形式氣蝕1.00.50.00.00.13冷壁腐蝕1.01.00.00.00.4腐蝕疲勞0.01.42.71.71.5引力腐蝕13.111.511.515.513.1縫隙腐蝕1.11.00.90.70.9脫合金腐蝕0.01.00.50.70.6材質不當1.00.50.00.70.4磨損腐蝕6.13.33.24.23.8微動磨損1.00.00.50.00.3均勻腐蝕18.118.115.29.215.2電偶腐蝕0.00.01.40.40.4石墨化腐蝕0.00.00.00.70.1高溫腐蝕0.01.91.41.31.3熱壁腐蝕1.00.00.00.00.1氫鼓泡0.00.00.50.00.1氫脆斷裂0.00.50.50.70.4晶間腐蝕7.15.12.79.25.6點腐蝕10.18.68.84.27.9焊接腐蝕0.01.91.86.32.5總和65.556.552.154.855.2美國杜邦公司因各類腐蝕引起的685起事故的統計破壞形式比例，6均勻腐蝕

GeneralCorrosion發生腐蝕的基本條件腐蝕特征防止措施均勻腐蝕

GeneralCorrosion發生7電偶腐蝕

GalvanicCorrosion電偶序及影響因素腐蝕特征防止措施

大陰極/小陽極

不同金屬直接聯接

絕緣、涂料、緩蝕劑電偶腐蝕

GalvanicCorrosion電偶序及8縫隙腐蝕

CreviceCorrosion發生腐蝕的基本條件腐蝕特征防止措施縫隙腐蝕

CreviceCorrosion發生腐蝕的9點腐蝕

PittingCorrosion發生腐蝕的基本條件腐蝕特征防止措施點腐蝕

PittingCorrosion發生腐蝕的10晶間腐蝕

IntergranularCorrosion發生腐蝕的基本條件腐蝕特征防止措施晶間腐蝕

IntergranularCorro11選擇性腐蝕

SelectiveCorrosion發生腐蝕的基本條件常見腐蝕形式：

黃銅脫鋅石墨化腐蝕高溫氧化及熔融鹽腐蝕選擇性腐蝕

SelectiveCorrosion發12磨耗腐蝕

ErosionCorrosion發生腐蝕的基本條件兩種特殊形式氣蝕微動磨損腐蝕腐蝕特征防止措施選擇耐磨蝕材料合理設計改變環境涂層陰極保護磨耗腐蝕

ErosionCorrosion發生13應力腐蝕開裂

StressCorrosionCracking發生腐蝕的基本條件腐蝕特征防止措施應力腐蝕開裂

StressCorrosionCracki14腐蝕疲勞

CorrosionFatigue發生腐蝕的基本條件腐蝕特征防止措施腐蝕疲勞

CorrosionFatigue發生腐蝕15氫損傷

HydrogenDamage發生腐蝕的基本條件

氫腐蝕、氫脆、脫碳、氫鼓泡氫損傷

HydrogenDamage發生腐蝕的基本16化學工業中各類腐蝕損壞所占的比例化學工業中各類腐蝕損壞所占的比例17磨損失效構件與其摩擦副摩擦過程產生的失效行為典型的磨損過程磨損失效構件與其摩擦副摩擦過程產生的失效行為典型的磨損過程18粘著磨損

AdhesiveWearAB磨粒磨損

AbrasiveWear基體磨損面AB粘著磨損

AdhesiveWearAB磨粒磨損

Abras19腐蝕磨損

CorrosionWearBA微動磨損

FrettingWear微動磨損的三個特點：①不規則的切向振動使接觸部分產生滑移；②磨屑裹夾在相互接觸的兩摩擦面間；③循環應力作用產生疲勞裂紋核心。腐蝕磨損

CorrosionWearBA微動磨損

Fre20沖蝕和氣蝕

ImpactandCavitationErosionBAP′P沖蝕和氣蝕

ImpactandCavitationEr21疲勞磨損

FatigueCorrosionRRP接觸應力p=2P（α2-x2）1/2/（πα2）平面接觸區半寬度α=4PR（1-υ2）/（πE）圓柱體內部最大剪應力Τmax=（（σx-σz）2+4τ2xz）1/2/2最大剪應力位于接觸表面下部0.67α處，此處易形成裂紋核心疲勞磨損

FatigueCorrosionRRP接觸應力Τ22腐蝕、磨損失效

研究分析的手段和方法分析方法最大穿透深度，nm分辨率，nm磨損失效應用備注Auger電子譜0.1～1.55金屬轉移，表面積聚物在真空中分析K射線光電子譜1.5～7.55μm潤滑劑反應產物化學分析在真空中分析橢圓儀400～5001mm透明固體膜厚度在空氣中分析Roman譜400～50010有機膜厚度及化學分析在空氣中分析Rutherford背散射2μm10表面膜厚度及成分二次離子質譜濺射0.55μm表面化學分析在真空中分析在線掃描電鏡磨損試驗裝置5不斷變化的磨損表面顯微結構及轉移膜的元素分析在真空中分析光學顯微鏡200磨損形貌的特性及尺寸，表面膜顏色Normaski織構在空氣中分析Fourier轉換紅外光譜2000nm2000有機表面膜化學；高分子材料轉移和邊界潤滑在空氣中分析原子力顯微鏡0.1原子水平的摩擦力，原子水平的表面租糙度表面輪廓儀0.1～25μm用觸針法測量表面粗糙度·，加工表面和磨損表面的微觀形貌磨損失效研究的表面分析工具腐蝕、磨損失效

研究分析的手段和方法分析方法最大穿透深度，23腐蝕失效研究的表面分析工具儀器用途X射線衍射儀腐蝕產物的物相電子探針腐蝕產物的元素及相對含量俄歇電子能譜儀表面產物的元素及價態穆斯堡爾示譜儀腐蝕產物價態紅外吸收光譜儀有機產物分析失效分析步驟失效構件的現場調查→宏觀分析（材質、成型過程、熱處理、力學性能、失效形態）→微觀分析（組織形貌、開裂機理）→表面產物分析（腐蝕產物類型、組成及反應過程）→失效類型的確定→重演性試驗驗證腐蝕失效研究的表面分析工具儀器用途X射線衍射儀腐蝕產物的物相24腐蝕、磨損失效

實例分析煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析概況：揮發線水平放置膨脹節采用2mm厚的304不銹鋼縱向拼焊制造，經約10個月的運行發生開裂，開裂發生在水平下方內壁，裂紋有數十條，長度在30mm之內。部分裂紋已穿透管壁，裂紋開裂寬度達1mm。所有裂紋平行于膨脹節軸線，為縱向裂紋，主要分布在膨脹節的波谷內壁。內壁上有φ0.5mm以下的點蝕坑運行條件：介質：油+汽（含有Cl-、H2S，冷凝水Cl-測定為40ppm）；溫度：110～150℃壓力：0.02～0.15MPa腐蝕、磨損失效

實例分析煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹25煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析已有結論磁性檢查：膨脹節在成型中部分形成了馬氏體。金相檢查：裂紋呈穿晶擴展，有分叉，不象奧氏體不銹鋼Cl-中的SCC裂紋分支分叉典型斷口分析：穿晶解理斷口，有明顯雞爪形發紋，即與氫致開裂機理有關。腐蝕產物能譜分析：硫元素占重量的2.13%，未測出氯元素初步結論：硫化氫與水引起的濕硫化氫應力腐蝕開裂煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析已有結論26煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析宏觀分析膨脹節谷底開裂宏觀形貌

開裂從膨脹節波紋管的內壁谷底開始，為縱向裂紋煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析宏觀分析膨27煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析宏觀形貌內壁出現的點腐蝕煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析宏觀形貌內28煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析宏觀形貌內壁出現的點腐蝕煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析宏觀形貌內29煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析裂紋形態及擴展途徑裂紋的軸向截面形貌裂紋從點蝕坑開始，起始裂紋有一段較直，后出現分叉。點蝕坑煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析裂紋形態及30煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析裂紋形態及擴展途徑裂紋的擴展途徑裂紋起始沒有分叉，為穿晶裂紋；后裂紋出現穿晶分叉。煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析裂紋形態及31煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察膨脹節內壁裂紋與腐蝕坑煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描32煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察打開裂紋后膨脹節的斷口左下角為老斷口煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描33煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察裂紋開裂源處的放大形貌起源處煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描34煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察開裂源處的斷口形貌該圖是典型的脆性疲勞特征平行輝紋二次裂紋裂紋擴展方向煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描35煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察擴展區中的解理臺階及二次裂紋煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描36煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察擴展區中的解理刻面及臺階煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口的掃描37煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口上的產物分析膨脹節表面泥狀腐蝕產物腐蝕產物中有Cl、S煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節開裂原因分析斷口上的產38斷口上的產物分析斷口源處