高强铝合金应力腐蚀研究进展
铝和铝合金的大气腐蚀机理优选稿
铝和铝合金的大气腐蚀 机理
1铝和铝合金的大气腐蚀机理 铝和铝合金的表面氧化膜是铝合金具有耐大气腐蚀性的主要原因.铝的氧化膜(γ- Al 2O 3)在室温的大气中就可以生成,而且非常迅速和致密,厚度为25~30.也就是说,氧化膜在 大气环境中具有自修复功能.若有水存在或者暴露在大气中几个月以后,最初形成的γ-Al 2O 3的外层转变为一薄层γ-AlOOH.然后,在γ-AlOOH 上又会覆盖上一层Al(OH)3(也可写 成Al 2O 3·3H 2O).从铝-水体系的电位-pH 图可知,Al(OH)3在较大的pH 范围内都会保持稳 定.Al(OH)3从pH=4开始溶解;当pH=2.4时,认为Al(OH)3会完全溶解(事实上,即使pH=2.0 时,铝表面的腐蚀类型仍然是孔蚀.).大部分的降雨、差不多所有的雾、表面蒸发浓缩的液层和铝表面小孔内的电解质都会使铝处于腐蚀状态.环境因素对铝的大气腐蚀的影响和其它金属相似,与环境大气的相对湿度、温度、大气中SO 2的浓度、Cl -的含量以及降水的数 量、酸度相关性较大,同时也受到O 3,NO x 及CO 2等污染组分的轻微影响.大气污染物通过干 湿沉降,使得金属表面存在着和大气中同样丰富的化学组分.暴露在大气中的铝合金表面可分为三层:铝合金及其氧化膜、腐蚀产物层和大气污染物形成的污染层或薄液膜.根据大气化学组分对铝和铝合金化学、电化学反应的不同及形成的腐蚀产物的性质不同,存在着不同的腐蚀机制. １.氯离子的存在是引起铝和铝合金大气腐蚀的重要原因.由于铝的氯化物具有可溶性,在户外暴露的铝表面上并没有大量的氯化物层存在,只有少量的氯离子进入到腐蚀产物层.Cl -通过竟争吸附,逐渐取代Al(OH)3表面上的OH -生成AlCl 3,如方程式(1)~(3)所示: Al(OH)3+Cl -→Al(OH)2Cl+OH -(1) Al(OH)2Cl+Cl -→Al(OH)Cl 2+OH -(2) Al(OH)Cl 2+Cl -→AlCl 3+OH -(3)
铝合金应力腐蚀理论研究现状
经过一个多世纪的研究，对于引起SCC的机理学术界仍然存在分歧。目前被普遍接受的机理是氢致开裂和阳极溶解机理。 1、氢致开裂 七十年代中期以来,较多实验表明,7×××系高强铝合金的SCC属于氢致开裂机理。该理论认为:(1)氢通过位错迁移到晶界,积聚在析出相附近,使晶界的结合强度大大降低,弱化晶界,造成沿晶断裂;(2)由于氢积聚在裂纹内,形成的氢气压促使合金断裂;(3)氢促进合金形变而致使断裂;(4)形成的氢化物促使合金断裂.目前提出的氢致开裂机理主要有如下理论: (a)氢压理论:当金属中存在过饱和H时,将在各种显微缺陷处结合成H2,室温是不可逆反应,即H2不会再分解成H.随着缺陷处H2浓度增加,氢压也增大.当氢压大于屈服强度时就会产生局部塑性变形,使表层鼓起,形成氢气泡. (b)弱键理论:金属中的氢降低原子键结合力,当局部应力集中等于原子键结合力时原子键破裂,微裂纹形核. (c)氢降低表面能理论:氢降低键合力的同时必然降低表面能,反之亦然.氢吸附在金属裂纹内表面,使表面能降低,导致裂纹失稳扩展所需的临界应力下降.由于没有考虑塑性变形功,故对金属材料不适用. (d)氢致开裂综合机理:此机理综合考虑了氢促进局部塑性变形、氢降低原子键合力以及氢压作用. 2、阳极溶解 阳极溶解理论[7~9]认为阳极金属的不断溶解导致SCC裂纹的形核和扩展,造成合金结构的断裂.铝合金SCC的阳极溶解理论的主要观点如下: (1)阳极通道理论:腐蚀沿局部通道发生并产生裂纹,拉应力垂直于通道,在局部裂纹尖端上产生应力集中.铝合金中预先存在的阳极通道由晶界析出相与基体电位差引起,而应力则使裂纹张开暴露出新鲜表面.在此情形下,腐蚀沿晶界加速进行. (2)滑移溶解理论:发生SCC的铝合金表面氧化膜存在局部薄弱点,在应力作用下合金基体内部位错会沿滑移而产生移动,形成滑移阶梯.当滑移阶梯大、表面膜又不能随滑移阶梯的形成而发生相应变形时,膜就会破裂并裸露出新鲜表面,与腐蚀介质接触,发生快速阳极溶解. (3)膜破裂理论:腐蚀介质中金属表面存在保护膜,由于遭受应力或活性离子的作用而引起破裂,裸露的新鲜表面与其余表面膜构成小阳极大阴极的腐蚀电池,导致新鲜表面发生阳极溶解. 3、阳极溶解与氢致开裂共同作用 阳极溶解与氢致开裂是两个不同的概念,单纯的阳极溶解可通过阴极保护进行预防,而对
电化学腐蚀与防护
电化学腐蚀与防护 姓名：吴三（09化学） 学号：0909401069金属腐蚀现象在日常生活中是司空见惯的，在腐蚀时,在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应,使金属转入氧化(离子)状态.这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能,破坏金属构件的几何形状,增加零件间的磨损,恶化电学和光学等物理性能,缩短设备的使用寿命,甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故.美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元,占当年国民经济生产总值的 4.2％.据统计,每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10~20%.金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算.所以金属的防腐蚀意义重大。 1.金属腐蚀的分类 金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏的现象或过程称为腐蚀。介质中被还原物质的粒子在与金属表面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物覆盖在金属表面上，这样一种腐蚀过程称为化学腐蚀；不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀最突出的例子。在金属腐蚀中最为严重的就是电化学腐蚀。 金属电化学腐蚀一般分为两种：（1）析氢腐蚀；（2）吸氧腐蚀。 (1)析氢腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较强时) 负极(Fe)：Fe－2eˉ=Fe2+ Fe2++2H2O= Fe(OH)2+2H+ 正极(杂质)：2H++2eˉ=H2 电池反应：Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑ 由于有氢气放出，所以称之为析氢腐蚀。
(2)吸氧腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较弱时) 负极(Fe)：Fe－2eˉ=Fe2+ 正极：O2+2H2O+4eˉ=4OHˉ 总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 由于吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。 析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成的4Fe(OH)3脱水生成Fe2O3铁锈。 反应式：4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。 Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑ O2+2H2O+4eˉ→4OHˉ 2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 2H++2eˉ→H2 析氢腐蚀主要发生在强酸性环境中，而吸氧腐蚀发生在弱酸性或中性环境中。 2.金属腐蚀的防护 从腐蚀角度保护金属材料最简单易行的方法是将材料与腐蚀环境隔离。 例如有机涂料、无机物的搪瓷等涂覆金属表面以使材料与环境隔绝。当这些保护层完整时是能起到保护作用的。这里主要介绍已经广为人们采用的电化学防腐蚀的方法。 （1）.金属镀层 在钢铁底层上常用电镀一薄层更耐腐蚀的金属（如Cr、Ni、Pb等）的方法来保护钢铁制品。如果用金属Zn、Cd等作镀层，构成腐蚀电池的极性则与上述相反，镀层微孔内裸露的钢为阴极，Zn或Cd的镀层为阳极，通过牺牲阳极，使钢得到阴极保护。镀Sn的Fe（马口铁）广泛用于食品罐头，虽然Sn的标准电极电位高于Fe，但在食品有机酸中却低于Fe,也可起牺牲阳极的作用。镀层如为贵金属（Au、Ag等）、易钝化金属（Cr、Ti）
铝金属腐蚀报告
研究报告 教学院：化工与材料工程学院 班级： 姓名： 学号：
铝合金研究报告 摘要 铝合金的现今生活中有很大的用途，给我们带来了很多方便，此文通过对铝合金的基本性质（化学性质和物理性质）、铝合金的分类、铝合金的用途以及铝合金的防护等方面知识的介绍，系统的概括了铝合金的在我国工业产业中的重要地位。 关键字：铝合金、铝合金分类、铝合金用途、铝合金防护
铝合金定义 铝合金艺术栏杆 以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。 纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。 铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。铝
探究金属的电化学腐蚀
探究金属的电化学腐蚀 一、设计理念 “金属的腐蚀与防护”始终是一个世界性异常棘手的科技难题。本节课着重讨论金属的电化学腐蚀机理，阐述吸氧腐蚀和析氢腐蚀的反应原理，指出金属电化学腐蚀的本质是金属表面形成了微型原电池，使金属失去电子而被氧化。通过模型建构促进学生对金属电化学腐蚀原理的理解；通过实验探究，帮助学生主动建构，促进认知发展。设计过程体现“从具体性知识传授到核心观念建构、从知识为本到基于学生认识发展”的理念，让学生体验科学探究的过程，转变学习方式。同时借助手持技术，控制变量、数据采集、绘制成图，师生通过“观察-讨论-解释”曲线变化趋势来分析判断金属腐蚀类型，更准确的得出不同环境条件下金属的电化学腐蚀类型不同。全课从“宏观-微观-符号-曲线”四重表征引导学生学习金属电化学腐蚀的工作原理，实现教学既定目标。 二、教学背景 （一）教材分析 金属的电化学腐蚀是人教版选修4《化学反应原理》第4章第四节内容。人教版教材必修1已经重点介绍了氧化还原反应原理，必修2学习了简单原电池的工作原理和形成条件。选修4第四章前3节重点学习原电池、化学电源、电解池知识。本节知识是对前面所学知识的重组、加工、细化的过程，也是将前面学习过的理论知识，在具体社会生活环境中进行实践应用的过程。 学生对金属腐蚀的现象和危害，对金属防腐措施，有着较为丰富的生活经验，但存在的主要问题是对知识的学习只注重表面现象，缺乏一定的综合思维能力。通过本节内容的学习，有助于学生将所学知识整合、应用，指导生产、生活和社会实践，达到学以致用的目的，体会化学学习的价值，更有利于培养学生发现问题、分析问题、联系实际解决问题的能力。 （二）学情分析 本节内容紧密联系实际，学生学习兴趣浓厚，具备了主动探究的原动力。高二学生具备了一定的实验设计能力、实验操作能力，具备了一定的分析问题、解决问题能力和比较归纳能力。根据教材所呈现的内容和学生学习的思维规律及特点，学生虽然有一定的生活经验，但要将感性认识与相关理论联系起来，清晰区分钢铁发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀的原理及发生条件，并用化学用语准确表达出来，仍存有一定困难。针对学生实际，制定了以下教学目标。 三、教学目标 1．认识钢铁吸氧腐蚀和析氢腐蚀发生的条件，掌握其原理，学会书写电极反应式和总反应式。 2．设计实验定性探究钢铁在不同条件下发生电化学腐蚀的类型，提升对实验现象的观察能力和分析解决问题能力。
铝合金应力腐蚀开裂ASTM G139(中文翻译版)
用断裂负荷法测定热处理铝合金制品抗应力腐蚀开裂性的标准试验方法（等同采用ASTM G139-05(R2011)）（中文翻译版） 编制: 日期: 审核: 日期: 批准: 日期: 修订历史 修订序号对应的条号修订内容修改人批准人日期
1. 目的Purpose 本标准试验方法涵盖了通过断裂荷载试验方法评估抗应力腐蚀开裂（SCC）性的程序，该方法使用剩余强度作为损伤演化（在这种情况下为环境辅助开裂）的测量方法。包括试样类型和复制、试验环境、应力水平、暴露时间、最终强度测定和原始残余强度数据的统计分析。 2. 范围Scope 本标准试验方法适用于热处理铝合金，即2XXX合金和7XXX，含1.2%至3.0%铜，且试样的取向与晶粒结构相关，横向较短。然而，用于分析数据的残余强度测量和统计数据并非针对可热处理铝合金，可用于其他试样取向和不同类型的材料。 3. 职责Responsibility 程序执行：实验室授权制样人员 程序监督：实验室技术负责人及相关责任人 4. 原理Principle 4.1本试验方法描述了使用暴露于腐蚀环境后的残余强度评估热处理铝合金产品形式（如板材、板材、挤压件、锻件和棒材）的应力腐蚀开裂敏感性的程序。这些产品通常在板材的长横方向、板材、挤压件和锻件的短横方向以及棒材和棒材的横方向上最易发生应力腐蚀开裂。在本试验中，根据规程G49制备的拉伸钢筋或直接拉伸板试样暴露于3.5重量%的氯化钠水溶液（规程G44）中，在其失效前移除，并进行拉伸试验，以确定已发生的腐蚀损伤量。然后计算平均剩余强度，并使用Box-Cox变换对结果进行统计分析。 4.2该程序要求暴露无应力试样，用于排除点蚀、晶间腐蚀和一般腐蚀的影响。这些现象会降低残余强度，但不
电化学腐蚀
2）电化学腐蚀速率的测定 金属的腐蚀速度可用腐蚀失重或腐蚀深度表示，也可用腐蚀电流密度表示。在电化学腐蚀过程中，一般以自腐蚀电流密度i corr的大小来衡量金属的腐蚀速度。测定腐蚀电流密度的方法很多，本实验用塔费尔直线外推法来测定金属电化学腐蚀过程中的腐蚀电流密度，来衡量金属的腐蚀速度。如图2-1为塔费尔直线。 图2-1极化曲线外延法测得金属腐蚀速度 极化曲线的这一区段称为塔费尔区，也叫强极化区。在极化曲线中，塔费尔直线延长线的交点处，金属阳极溶解的速度和阴极的去极化反应的速度相等。金属的腐蚀达到相对稳定，这时的电位即是自腐蚀电位，自腐蚀电位的高低反应了材料发生腐蚀的难易程度，自腐蚀电位越高，材料越不容易发生腐蚀，自腐蚀电位越低，材料就越容易发生腐蚀；所对应的电流就是金属腐蚀电流，腐蚀电流反应了金属发生腐蚀的快慢程度，腐蚀电流越大，金属发生腐蚀的速度就越大，腐蚀电流越小，金属发生腐蚀的速度就越小。根据这一原理，测定金属的极化曲线。将阳极或者阴极的塔费尔直线外推到与过电位为零的直线相交，交点对应的电流为腐蚀速度。 3）实验设备及条件 ①实验设备 实验采用电化学测量系统对各试样进行电化学腐蚀性能测试实验。其装置如图2-2所示：
图2-2 电化学极化曲线测量装置示意图 实验装置中三电极体系中以饱和甘汞（SCE）电极作为参比电极（reference electrode）；Pt 电极作为辅助电极（auxiliary electrode）；代测试样为研究电极（research electrode）。参比电极和研究电极间用盐桥连接，鲁金毛细管（capiliary）距研究电极1～2毫米。 电化学工作站部分参数如下： 初始电位(V)：-2；终止电位(V)：2.2；扫描段数：1；终止电位处保持时间：0；静置时间：2s；电流灵敏度(A/V)：1.e-0.04。 ②实验条件 a．腐蚀试样：对1#到12#试样进行蜡封，即：在试样上用油性笔取1cm×1cm 的面积，并在其上放置橡皮，而后将烧化的蜡汁快速滴于试样表面，即蜡封处理。 b．腐蚀溶液：3.5%的NaCl水溶液（与浸泡实验相对应）
材料失效分析课程思考题
材料失效分析课程 思考题 第一章材料失效分析概论 1. 概述失效分析学科有哪些特点。 2. 失效是什么？它与事故、事件、故障有什么区别？ 3. 失效分析的作用和意义是什么？ 4. 简述失效模式、失效机理、失效缺陷和失效起因的的物理含义；举例说明它 们之间的相互关系。 5. 简要说明材料失效分析涉及的“六品”、“五件”和“四化”的物理含义。 6. 一个结构件的失效分析，一般需考虑哪几个主要因素？ 7. 简述失效分析过程中的主要步骤及其任务。 8. 一辆自行车是由许多零部件组装而成，你认为哪些最容易发生失效，它们的 失效模式是什么？ 9. 设想一下有没有永远不会失效的材料。如有，请举例并从失效模式和失效机 理出发叙述其理由。 第二章材料的断裂失效形式与机理 1. 工程结构件的强度设计，一般选取σs或σb二者中的最小值，许用应力的安 全系数是如何选取的？ 2. 材料的强度设计准则、刚度设计准则和变形设计准则有什么区别？试用生活' 中的实例来说明它们各自的重要意义。 3. 韧性断裂和脆性断裂有什么区别？它们的断口形貌有什么不同？ 4. 概述强度设计和断裂设计的区别，并谈谈如何防止脆性断裂。 5. 什么叫断裂力学？ KI和KIC两者有什么关系？ 6. 疲劳断口有什么特征？如何确定疲劳裂纹的起裂点？ 7. 材料的抗断裂设计，有哪几个断裂参量可以选用？ 8. 哪些参数可以用来表征材料的韧性？ 9. 硬度测定有哪些方法？金属、陶瓷和聚合物的硬度测定方法为什么大多数不 能互用？ 10.简述金属材料在不同失效模式下有哪些不同的失效机理。 第三章材料的腐蚀失效形式与机理 1. 什么叫腐蚀？化学腐蚀和电化学腐蚀有什么不同？请各举一例说明。 2. 在电化学腐蚀中，金属的损失伴随的是还原反应还是氧化反应？腐蚀发生在
铝合金防护
一．引言 1.1 金属防腐蚀的重要意义 金属材料是现代最重要的工程材料，人类社会的文明和发展与金属材料的使用、发展与进步有着极为密切的联系。 但是金属材料及其制品会受到各种不同形式的损坏，其中最重要、最常见的损坏形式腐蚀。金属腐蚀问题存在于国民经济的各个领域，而且随着经济建设和科学技术的 发展，腐蚀的危害越来越严重，对于国民经济的发展的制约作用越来越突出。使得腐蚀科学在国民经济中所处的地位越来越重要。据统计，人们每年冶炼出来的金属约有1/10 被腐蚀破坏， 相当于每年约有1/10 的冶炼厂因腐蚀的存在而做了无用功；而1/10 被腐蚀破坏的金属所殃及的金属制品的破坏，其损失要远远大于金属本身的价值。据美国国家标准局(NBS)调查， 1975 年美国因腐蚀造成的损失高达700 亿美元，即当年国民经济总产值(GNP)的4.2%;《光明日报》1999 年 1 月20 日报道，1997 年因腐蚀给我国国民经济带来的损失高达2800 亿人民币。 以上所说仅就经济损失而言，在有些领域，尤其在化学工业、石油化工、原子能等工业中，由于金属材料腐蚀造成的跑、冒、滴、漏，不仅造成大量的、宝贵而有限的资源与能源的严重浪费， 还能使许多有害物质甚至放射性物质泄漏而污染环境，危害人民的健康，有的甚至会长期造成严重的后果；而由于金属腐蚀所造成的灾难性事故严重地威胁着人们的生命安全；
许多局部腐蚀引起的事故，如氧脆和应力腐蚀断裂这一类的失效事故，往往会引起爆炸、火灾等灾难性恶果，在一定程度上威胁着人类的生存与发展，所以对于金属腐蚀问题的研究显得尤为 重要。 1.2 铝合金及其腐蚀机理 铝合金是近代发展起来的一类重要的金属材料。铝合金具有强度高、密度小、导电导热性强、力学性能优异、可加工性好等优点而广泛应用于化学工业、航空 航天工业、汽车制造业、食品工业、电子、仪器仪表业以及海洋船舶工业等领域。但是铝合金与其他金属一样，也面临着严重的腐蚀问题。虽然在自然条件下，铝合金表面容易形成一层厚约 4 nm 的自然氧化膜，但是这层膜多孔、不均匀且抗蚀性差，难以抵抗恶劣环境的腐蚀的。为了解决上述问题，有必要对铝合金的腐蚀机理有所了解。一般而言，金属在满足以下 5 个基本条件下 就会受到腐蚀:(1)阳极;(2)阴极;(3)阴一阳之间存在着连续接触;(4)电解质溶液;(5)阴极反应物(如氧气、水或氢气)。铝合金的腐蚀电化学反应为：Al A l3++ 3e( 1) O2 + 2H20 + 4 e 4 0H (中性/碱性) (2) + 2H + 2 e H 2（g）(酸性) (3) 由于原电池作用加速了铝腐蚀，有机或无机阻隔层和钝化剂可避免合金与电解质接触而发生阴极反应，与此同时也抑制腐蚀电子向金属界面的 传导;另外钝化剂(如铬酸盐)形成的不溶性氧化物沉积在受腐点，使活性腐蚀点(如晶界、晶族、凹坑、沉淀析出处)减少，从而阻挡水、
ZL101铝合金应力腐蚀特性研究_李晨
第32卷第3期 2011年9月 力 学 季 刊 CHINESE QUART E RLY OF MECHANIC S Vol.32No.3 Sep.2011 ZL101铝合金应力腐蚀特性研究 李 晨,孟祥琦,刘 畅,许金泉 (上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系,上海200240) 摘要:研究了初始应力对于ZL101铝合金应力腐蚀的影响。采用自制载荷传感器确定试样加载线上的载荷从而确定其应力强度因子。通过ZL101铝合金在腐蚀溶液中的应力腐蚀实验,测定了不同应力状态下的起裂时间,分析了初始应力与起裂时间的关系。结果表明:ZL101铝合金在拉伸状态下的腐蚀裂纹扩展比较剧烈,而压缩状态下的裂纹扩展比较缓慢平稳。压缩应力状态下的起裂时间比拉伸应力状态下的要长,拉伸状态下材料对于应力腐蚀更为敏感。 收稿日期:2011-01-11 作者简介:李晨(1986-),男,上海人,硕士研究生.研究方向:金属应力腐蚀与腐蚀疲劳. 关键词:铸造铝合金;ZL101;应力腐蚀 中图分类号:O346.4 文献标识码:A 文章编号:0254-0053(2011)03-338-05 Research on Stress Corrosion Cracking of ZL101Alumin um Alloy LI Chen,MENG Xiang-qi,LIU Chang,XU Jin-quan (School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,S hanghai Jiaoto ng University,Shanghai200240,China) Abstract:The influence of initial stress on stress corrosion cracking of ZL101aluminum alloy was re-searched.The force of specimen loading line was measured by self-made loading sensors which could re-present the stress intensity factor.The stress corrosion cracking time at different stress state was tested and the relation between initial stress and cracking time was analyzed through stress corrosion cracking tests of ZL101.The results indicate that the crack growth is severe under tension stress and it is slow and gentle under pressure stress.The cracking time under pressure stress is later than which under tension stress and it is more sensitive to stress corrosion under tension stress. Key words:cast aluminum alloy;ZL101;stress corrosion ZL101铝合金具有良好的铸造性能、可热处理强化性能、流动性好、热裂倾向低等优点,成为汽车、航空领域广泛应用的Al-Si系铸造铝合金。近年来,关于铝合金成分、组织与性能之间的关系做了大量研究,以提高铝合金的力学性能[1～4],但对于ZL101铝合金抗腐蚀性能研究较少。 有研究表明,ZL101铝合金腐蚀的主要原因是共晶硅沿晶界分布,共晶硅和基体之间存在电位差,形成大阳极小阴极的腐蚀电池,基体作为阳极被腐蚀。晶界腐蚀敏感性低,但是内应力或杂质偏聚会增加晶间腐蚀敏感性,增大晶间腐蚀级别。另外,ZL101铝合金在3.5%NaCl水溶液中应力腐蚀敏感性较高,其应力腐蚀强度因子K1SC C=8.45MPa·m1/2。应力腐蚀开裂时阳极溶解和机械损伤共同作用的结果,以阳极溶解为主,其断口为穿晶脆断形貌[5,6]。 本文为了研究初始应力对ZL101铝合金应力腐蚀的影响,对不同初始应力状态下的试样进行应力腐蚀试验。在GB/T15970的基础上使用自制的螺栓传感器测量试样所受载荷。确定腐蚀溶液对ZL101铝合金破坏行为的影响,包括缺口处的起裂时间和开裂过程。试验结束后用扫描电镜观察断口形貌。 D OI:10.15959/https://www.360docs.net/doc/147886285.html, ki.0254-0053.2011.03.003
铝合金的腐蚀与防护
一．引言 1.1金属防腐蚀的重要意义 金属材料是现代最重要的工程材料，人类社会的文明和发展与金属材料的使用、发展与进步有着极为密切的联系。但是金属材料及其制品会受到各种不同形式的损坏，其中最重要、最常见的损坏形式腐蚀。 金属腐蚀问题存在于国民经济的各个领域，而且随着经济建设和科学技术的发展，腐蚀的危害越来越严重，对于国民经济的发展的制约作用越来越突出。使得腐蚀科学在国民经济中所处的地位越来越重要。据统计，人们每年冶炼出来的金属约有1/10被腐蚀破坏，相当于每年约有1/10 的冶炼厂因腐蚀的存在而做了无用功；而1/10 被腐蚀破坏的金属所殃及的金属制品的破坏，其损失要远远大于金属本身的价值。据美国国家标准局(NBS)调查，1975年美国因腐蚀造成的损失高达700亿美元，即当年国民经济总产值(GNP)的4.2%;《光明日报》1999年1月20日报道，1997年因腐蚀给我国国民经济带来的损失高达2800亿人民币。 以上所说仅就经济损失而言，在有些领域，尤其在化学工业、石油化工、原子能等工业中，由于金属材料腐蚀造成的跑、冒、滴、漏，不仅造成大量的、宝贵而有限的资源与能源的严重浪费，还能使许多有害物质甚至放射性物质泄漏而污染环境，危害人民的健康，有的甚至会长期造成严重的后果；而由于金属腐蚀所造成的灾难性事故严重地威胁着人们的生命安全；许多局部腐蚀引起的事故，如氧脆和应力腐蚀断裂这一类的失效事故，往往会引起爆炸、火灾等灾难性恶果，在一定程度上威胁着人类的生存与发展，所以对于金属腐蚀问题的研究显得尤为重要。 1.2铝合金及其腐蚀机理 铝合金是近代发展起来的一类重要的金属材料。铝合金具有强度高、密度小、导电导热性强、力学性能优异、可加工性好等优点而广泛应用于化学工业、航空航天工业、汽车制造业、食品工业、电子、仪器仪表业以及海洋船舶工业等领域。但是铝合金与其他金属一样，也面临着严重的腐蚀问题。虽然在自然条件下，铝合金表面容易形成一层厚约4 nm 的自然氧化膜，但是这层膜多孔、不均匀且抗蚀性差，难以抵抗恶劣环境的腐蚀的。 为了解决上述问题，有必要对铝合金的腐蚀机理有所了解。一般而言，金属在满足以下5个基本条件下就会受到腐蚀:(1)阳极;(2)阴极;(3)阴一阳之间存在着连续接触;(4)电解质溶液;(5)阴极反应物(如氧气、水或氢气)。 铝合金的腐蚀电化学反应为： Al 3++ 3e-( 1) O2 + 2H20 + 4 e - -(中性/碱性) (2) 2H ++ 2 e-H 2（g）(酸性) (3) 由于原电池作用加速了铝腐蚀，有机或无机阻隔层和钝化剂可避免合金与电解质接触而发生阴极反应，与此同时也抑制腐蚀电子向金属界面的传导;另外钝化剂(如铬酸盐)形成的不溶性氧化物沉积在受腐点，使活性腐蚀点(如晶界、晶族、凹坑、沉淀析出处)减少，从而阻挡水、氧或电解质的进一步渗透，降低腐蚀速率。
腐蚀品事故案例分系
第八类腐蚀品 1、硝酸惹祸的两起事故 [案情介绍] 案例一1973年11月3日，欧罗巴帕美国航空公司的一架喷气式货运飞机自纽约机场起飞。数分钟后，机场的地面指挥系统就接到飞机机长的报告：机上发生异常状况，机舱内着火。尽管采取了自救措施仍未见效果。35分钟后，飞机坠毁于波士顿机场，三名机组人员全部死亡。经有关部门对事故进行深入调查发现：在所装的货物中有一批硝酸。其包装不符合运输要求，是桶装容器外套木板箱，中间用木屑作衬垫。货物在装上飞机时，作业人员没有注意箱顶上“该面朝上”的指示标志，而是随意堆放。由于箱内货物倒置，硝酸自桶中渗漏出来，与木屑相混，自燃而引起火灾。 案例二1989年2月6日下午4时20分，从西安开往济南的207次列车行至三门峡铁门路段时，8号车厢尽头的行李架上突然冒出一股呛人的烟雾，旅客纷纷夺路而逃。车上秩序顿时大乱。这时列车员与乘警不顾个人安危，冲上去抓起那只冒烟的手提包，打开车窗扔到窗外，接着又拉下紧急刹车的制动阀。经现场展开的调查，查实了手提包的主人是河南省灵宝县程村乡的一个叫朱红军的农民。他携带了一瓶硝酸，逃过车站的检查后自以为没事了，没想到手提包在行李架上倾倒，硝酸自瓶口渗出，险些酿成大祸。就是这样，奋不顾身扔包的女列车员的手背已被多次灼伤，身上的衣服也被腐蚀后发脆、变色。这个肇事者当即受到治安拘留的处理。 [事故原因分析] 硝酸，联合国编号为2031，属第八类·腐蚀品，是具有严重危险性的物品。硝酸透明、无色，通常因溶有二氧化氮而呈红棕色。有独特的窒息性气体。硝酸的化学性能相当活泼，具有极强氧化性，几乎可以与一切
金属、非金属起反应。硝酸中溶有的二氧化氮越多，其氧化能力越强，腐蚀性就越大。硝酸在发生腐蚀反应时一般总会生成有毒气体一氧化氮或二氧化 氮，从而对人体生成危害。 硝酸的氧化能力能引起木材和其他纤维素物品燃烧。一般常见的有机物如松节油、醋酸、丙酮、乙醇等与浓硝酸相混即发生爆炸。在案例一中，航空运输的硝酸在渗出后遇木屑而发生自燃。案例二中，硝酸渗出后出现浓烟，若遇布质或皮革之类的物品，也可能燃烧。幸亏列车员处理果断，没有酿成大祸。 由于硝酸在工业中用途相当广泛，化肥、冶金、化工、化纤、染料、制药等产品均需硝酸作原料。因此投入运输的量也相当大。因硝酸的腐蚀性强，所以在包装材料的选用上难度就很大，通常用玻璃瓶、陶制的耐酸坛、铝桶或不锈钢桶包装，外用木箱、内隔衬垫。这些包装，或者有易碎特性，或者仅仅是耐腐蚀性较其他材料略强，所以运输中存在的隐患较大，稍有不慎，容易造成容器内的硝酸泄漏，甚至大量外流，对人体、周围的环境和其他设备等造成危害。 [案例评议] 在工业生产中发挥重要作用，需求量最大的产品是：硫酸、硝酸、盐酸和烧碱(氢氧化钠)、纯碱，俗称“三酸二碱”。此中前四类为腐蚀性危险物品。腐蚀性危险品是九大类危险货物中最为混杂的一类。腐蚀品往往还兼有易燃性、氧化性、毒害性等副危险性质。当我们着重注意腐蚀品对人体的伤害性时，也不能忽视其其他危险性质的危害性。 在腐蚀品中，有酸性腐蚀与碱性腐蚀之分，又有无机腐蚀品和有机腐蚀品之区别，它们对于作业要求、个人防护、应急救援方面所采取的措施区别也很大。一旦搞错，有可能防护反而加重了危害，救援反而制造出险情，这是需要
铝合金具体腐蚀
序号腐蚀环境腐蚀方法结果（腐 蚀电位 /V） 文献 LF6M 海水腐蚀（平均 温度13.6℃，溶 解氧浓度5.6ml， 盐度32‰，， pH8.2,海水平流 速度0.1m／s 三个样品的平行试验。以三 个平行样品的腐蚀电位平均 值作为材料的腐蚀电位，以 腐蚀一天的腐蚀电位值作为 初始电位，电流趋于稳定的 时间作为稳定时间，稳定后 平行样品的腐蚀电位平均值 作为材料稳定腐蚀电位，趋 于稳定后腐蚀电位变化范围 称为稳定电位范围 -0.80~-0.85 黄桂祥，铝合 金在海水中的 耐蚀性， LF21M -0.69~-0.76 LF2Y2 -0.67~-0.72 180YS -0.84~-0.94 L4M -0.68~-0.71 LD2CS -0.68~-0.70 LC4CS -0.66~-0.69 L Y12CZ -0.61~-0.63 Cu-Zn-Al -Ni-As-B NaCl(3.5%)溶液制样，测量抛光后的样品的 表面积，然后依次用蒸馏水、 丙酮、酒精清洗后干燥称量。 将样品全浸入腐蚀液并静置 腐蚀30d。 采用是SI1287电化学工作站 测量实验黄铜在NaCl(3.5%) 溶液中的极化曲线 -0.2638 含稀土HAl77-2 铝黄铜的腐蚀行 为 中国有色金属学 报2007年第8期 程建奕李周唐 宁汪明朴曹建 国赵学龙杨天 足 Cu-Zn-Al -Ni-B-Ce -0.3456 Cu-Zn-Al -Ni-As-B- Ce -0.2964 Ti2448 PBS溶液（NaCl 8.0g,KCl0.2g,Na 2HPO4?12H2O 2.9g，KH2PO4 0.2g，蒸馏水1L， 用HCl和NaOH 溶液将pH调节 为7.4），电解质 自然充气，保持 实验温度为 37℃采用2273型恒电位仪 （EG&G PAR）测定试样电化 学腐蚀性能，极化曲线测量 以0.667mV/s的扫描速率从 -1.0V（vs OCP）到3.0V（vs OCP） -0.452 磷酸盐缓冲溶 液中 Ti-24Nb-4Zr-8 Sn合金的电化 学腐蚀行为 白芸李述军 郝玉琳杨锐 郭正晓 中国有色金属 学报2010年第 z1期(下册) CP Ti -0.533 TC4 -0.597
腐蚀事例
第二章： 电偶腐蚀： 实例1：六十年代初，美国破冰船壳上的焊缝很快腐蚀，比船壳钢板腐蚀还更严重，原因是焊接金属对船壳是阳极。加之船壳的涂层系统被冰擦伤，阴极保护系统的阳极也被冰刮落，失去了保护作用。 Eg：焊缝是阳极，船壳是阴极，这就构成了小阳极大阴极的电偶腐蚀电池。在“制造”部分已经讲到，由于焊缝高温熔化和冷却过程中成分和组织的变化，如果焊条选择不当，很容易造成焊缝耐腐蚀性低于母体，使焊缝发生优先腐蚀。如果焊缝的电位比母体低得多，那么焊缝与母材组成电偶腐蚀电池，焊缝的腐蚀将大大的加速。所以在选择焊接金属时一个基本的原则：焊缝相对于母材应是阴极性的。///对于船舶来说，船壳上都有涂层，大多数还使用阴极保护。涂料层如果完整致密，将船体和海水隔开，而阴极保护又将船壳控制在同一个保护电位，消除了电位的差异。所以只要涂层和阴极保护正常。那么焊缝与母材的电偶腐蚀问题是不会发生的。 实例2：某发电厂凝汽器的管束材质为黄铜，花板未碳钢。原来使用河水作凝汽器的冷却水，后来因为缺水，便掺入了一些海水。结果许多设备的腐蚀都加剧了，特别是凝汽器的花板，膨接处的腐蚀率达到20-25mm/a。 Eg：黄铜管束与碳钢花板组成了电偶对，碳钢作为阳极而黄铜作为阴极。由于黄铜管束面积比碳钢面积大得多，这又是一个小阳极大阴极的组合。因而天花板可能遭到电偶腐蚀。///在使用河水作冷却水时电偶腐蚀问题并不明显，没有引起注意；而在河水中掺入海水是电偶腐蚀问题突出了。这是因为河水的电阻率大，导电性不好，而海水的导电性很好。腐蚀电池的电流回路包括溶液的欧姆电阻，欧姆电阻大则电池工作阻力大，腐蚀电流小。海水电阻率小，腐蚀电池电流回路的欧姆电阻笑，因而阳极碳钢花板的电偶腐蚀大大加剧。 实例2：某啤酒厂的大啤酒罐，用碳钢制造，表面涂覆防腐涂料，用了20年。为了解决罐底涂料层容易损坏的问题，新造贮罐采用了不锈钢板作罐底，筒体仍用碳钢。认为不锈钢完全耐蚀就没有涂覆涂料。几个月后，碳钢罐壁靠近不锈钢的一条窄带内发生大量蚀孔泄漏。 Eg：碳钢罐壁和不锈钢罐底组成了电偶腐蚀电池，碳钢作为阳极，可能发生加速腐蚀破坏。失误（碳钢罐壁表面涂覆了涂料，而不锈钢罐底表面没有涂覆涂料。如果当初在不锈钢罐底也涂漆的话，碳钢罐壁是不会发生这么迅速的腐蚀破坏的）。涂料层由于薄，很难避免空隙。空隙中裸露出的碳钢变成为小小的阳极区；而罐底不锈钢作为很大的阳极区。根据阳极对阳极的面积比估计，空隙内碳钢的腐蚀率可达到25mm/a，难怪在几个月之内将碳钢罐壁出了很多小孔。 应力腐蚀： 事例1：某轻油制氢装置再生塔底重沸器为U型管换热器。管程走低变气167℃，壳程走本菲尔溶液117 ℃，其中加有V2O5作为缓蚀剂。换热管为1Cr18Ni9Ti不锈钢，管板为16Mn钢。使用两年后，发现管子与管板连接处的缝隙内发生腐蚀。 分析：V2O5是一种钝化剂，能使16Mn钝化，表面生成保护膜。使用钝化剂的基本要求是：钝化剂的浓度必须超过临界致钝浓度。 Eg：这里考虑奥氏体不锈钢的氯化物溶液中的scc，冷去水中氯化物含量控制很低，但仍然发生了scc破坏。///设备为热交换器，结构为管壳式。工艺介质走管程，水走壳程，进行热交换。因此，不锈钢管子外面接触的的介质都是水而不是氯化物溶液。水中所含氯化物只是一种杂志，其含量是很低的。应该不会发生scc的。问题主要发生在氯化物浓缩富集。对管壳式热交换器来说，当壳程走水时，氯化物浓缩主要部位是高温端管子与管板连接部位，即管头。//氯化物浓缩原因是气化，浓缩。//改进方法：a改进管子和管板的联结结构以消除缝隙，如采用深孔封焊。在用胀联结时一定要用胀满，以尽量减少缝隙。也可以用涂料将缝隙封闭。b对立式热交换器，在结构上作出改进，提高壳程水位，使管束完全被水浸没，不形成汽液界面，可大大减轻管头部位的腐蚀破坏。C管板采用不锈钢-碳钢复合板，以碳钢为牺牲阳极，对不锈钢管头起阴极保护作用，对降低scc破坏也有效。 实例一：一条碳钢管道输送98%浓硫酸，原来的流速为0.6m/s，输送时间需1小时。为了缩短输送时间，安装了一台大马力的泵，流速增加到1.52m/s，输送时间只需要15分钟。但管道在不到一周时间内就破坏了。 Eg：对于接触流体的设备来首，流速是一个重要的环境因素，但流速对金属材料腐蚀速度的影响是复杂。当金属的耐腐蚀性是依靠表面膜的保护作用时，如果流速超过了某一个临界值的时候，由于表面膜被破坏就会使腐蚀速度迅速增大。这种局部腐蚀称为磨损腐蚀。是介质的腐蚀和流体的冲刷的联合作用造成的破坏。流体冲刷使表面膜破坏，露出新鲜金属表面在介质腐蚀作用下发生溶解，形成蚀坑。蚀坑形成识液流更急急乱，湍流又将新生的表面膜破坏。这样子使设备更快穿孔。 ///在选择流速时面临两个方面的因素。一方面，流速较低则管道直径就要较大，（对一定的流量）,设备费用增加。另一方面，流速较高，管道腐蚀速度增大，使用寿命缩短，甚至可能造成更大的事故。这样需要考虑金属材料的临界流速，进行适当的选择。同时，在设计管道系统的工作中，应尽量避免流动方向突然变化，流动截面积突然变化，减小对流动的阻碍，以避免形成湍流和涡旋。 事例1…某化工厂生产氯化钾的车间，一台SS-800型三足式离心机转鼓突然发生断裂，转鼓材质为1Cr18Ni9Ti。经鉴定为应力腐蚀破裂。 Eg：在氯化钾生产中选用1cr18Ni9Ti这种奥氏体不锈钢转鼓是不当的。氯化钾溶液是通过离心机转鼓过滤的。氯化钾浓度为28be，氯离子含量远远超过了发生应力腐蚀破裂所需的临界氯离子的浓度，溶液ph值在中性范围内。加之设备间断运行，溶液与空气的氧气能充分接触。这就是奥氏体不锈钢发生应力腐蚀破裂提供特定的氯化物的环境。/// 保护，如停用期间使之完全浸与水中，与空气隔离；定期冲洗去掉表面氯化物等，尽量减轻发生应力破裂的环境条件，以延长使用寿命，不过，发生这种转鼓断裂飞出的恶性事故可能有一定的偶然性，但这种普通的奥氏体不锈钢用于这种高浓度氯化物环境，即使不发生这种恶性事故，其寿命也不长，因为除应力腐蚀还有，孔蚀，缝隙腐蚀等。 实例1：北方一条公路下蒸气冷凝回流管原用碳钢制造，由于冷凝液的腐蚀发生破坏，便用304型不锈钢（00Cr18Ni9）管更换。使用不到两年出现泄漏，检查管道外表面发生穿晶型应力腐蚀破裂。 Eg：在北方冬季公路上撒盐作防冻剂，盐渗入土壤使公路两侧的土壤中氯化钠的含量大大提高，而选材者却不了解没有对土壤腐蚀做过分析。就决定更换不锈钢管。将奥氏体不锈钢用在这种含有很多氯化钠的潮湿土壤中，不锈钢肯定表现不佳，也需还不如碳钢呢。 实例二：高压聚乙烯车间反应器R－4240及产品冷却器E－4219，在运行过程中出现多处夹套水泄漏现象，2004年10月出现多处夹套水泄漏现象后，停车对夹套泄漏点周边1米范围进行了超探检查，发现夹套进口处内侧的夹套壁厚由δ8mm减小到δ3mm左右，夹套其他位置的壁厚减小至δ7.3mm左右（见图A中夹套泄漏点）。 提示：由于入水处死角内的水过热造成了局部汽化，引起汽蚀冲刷减薄 第六章： 事例一：某公司选用不锈钢管作地下输油管道。安装后大约一年准备投入使用，油从一端泵入，在另一端却未见油出现。检查发现管道上因腐蚀形成了许多小孔，油全部漏掉了。又发现该管道附近有一条碳钢管道实施了阴极保护，认为不锈钢是耐蚀材料，并没有将不锈钢连接到阴极保护系统。 Eg：对埋地管道和其他设施，效果最好的防护技术是涂层加阴极保护。对于大面积的设备来说，如果表面没有涂层（裸金属），需要的电流还是很大。另一方面，被保护设备表面的电流分布是不均匀的（电流分布均匀性称为分散力），对于长的管道，一个阳极站保护的管道长度比较短，使阳极站的设计很复杂。///阳极保护电机从埋地阳极通过土壤流向被保护的管道。当附近有其他管道时，电流可能从一个部位流出。电流流出的部位成为阳极区，使该处管道遭到腐蚀。即使是不锈钢也一样会发生杂散电流腐蚀。///为了避免阴极保护造成的杂散电流腐蚀，可采如下方法：a最好的方法在设计将附近的管道和设施都纳入阴极保护系统，一道进行保护。b提高管道相交段的表面绝缘等级，或涂覆新的绝缘层，以避免杂散电流流入。涂覆长度一般10m左右。c在多管道地区，最好采用多个阳极站，每个站的保护电流较小，阳极站离被保护管道较近，以缩小保护电流范围。D在地下设施密集的城市地区，可采用深井埋置阳极（井深15m以上），阳极在井中垂直方向安装。 事例二：海边一座混凝土石油装运码头，混凝土台面支撑在钢管上。钢管表面涂漆并加阴极保护。电源负极连在钢筋上。阳极是镀铂钛悬挂在海水中。在石油装卸过程中，码头受到周期性机械应力，引起混凝土某些物理破坏。使用12年后发现，平台的混凝土台面出现严重胀裂，钢筋暴露出来。 Eg：在阴极保护实施中电连接十分重要，被保护设备和电影负极用导线连通，被保护设备和电极负极用导线连通，导线直径要和保护电流相匹配，以减小线路电压降；导线与设备要连接牢固，电接触良好，不存在大的电阻，特别要防止在使用过程中短线，使保护失效。///施工时将导线接到混凝土钢筋上而不是支撑钢管上，可能是图方便。因为钢筋与平台支撑钢管是导通的，所以开始不会出现问题。但随着码头的运行，混凝土平台发生某些物理破坏。钢筋之间的电连接减弱甚至中断。某些钢筋脱离了阴极保护系统，电流不能通过电路排出，就会发生杂散电流腐蚀。腐蚀产物体积一般大于被腐蚀金属，腐蚀产物膨胀产生很大应力。腐蚀严重时，混凝土覆层被胀裂。///对混凝土中的钢筋也可以采用阴极保护，为了保证电路通畅，避免某些钢筋因脱离而受到杂散电流腐蚀，钢筋绑扎后还需焊接。