应力腐蚀断裂(SCC)的原理与机理

SCC是一个非常复杂的问题,影响因素众多,目前关于SCC的机理有着多种不同的看法,但至今仍没有统一的说法。SCC的机理不同腐蚀体系观点不一,就是同一体系见解也不一致。目前已提出的十几种机理中,提得较多的有电化学快速溶解理论、滑移-溶解-断裂机理(膜破裂理论)、氢脆理论及应力吸附理论等。

1.电化学快速溶解理论

Hoar和Hines首先提出快速溶解理论,认为在腐蚀介质中,金属表面上形成具有保护能力的表面膜。由于金属组织结构上存在缺陷,钝化膜总会存在薄弱点,该处电极电位比其他部位负,是个活性点,在应力作用下引起破坏或减弱,结果暴露出新鲜表面。此新鲜表面在电解质溶液中成为阳极,它与成为阴极的完整表面膜组成一个大阴极和小阳极的腐蚀电池,阳极的电流密度很大,结果就被腐蚀成为沟状裂纹。

裂纹一旦形成,由于该尖端处应力集中,使附近区域发生变形屈服,加速了阳极区溶解,进而阻止了膜的再钝化(图3.16中A )。据报道,裂纹尖端的进展速度约为0.5~2.5mm·h -1 ,相当于阳极电流密度约为1.5A·cm -2 ,而裂纹两侧仅为10 -5 A·cm -2 ,相比之下,裂纹尖端的溶解速率约大10 倍。同时在裂纹两侧因为有效应力很快消失,继续发展着的裂纹的侧面及金属整个表面是阴极,而裂纹尖端作为有效的阳极,在应力不断作用下,强化了电化学过程,裂纹继续发展、传播,像尖刀形那样向前延伸,最终导致金属发生破裂。

该理论强调在合金中存在一条易于腐蚀的大致连续的活性通路,在电化学环境中,此通路为阳极,电化学反应沿着这条通路进行。

Hoar等认为在金属表面存在的晶界、亚晶界、露头的位错群、滑移带上的位错堆积区,淬火、冷加工造成的局部应变区,异种杂质原子造成的畸变区及堆垛层错区,这些区域在一定条件下都可能构成裂纹源,优先产生阳极溶解,向纵深发展。

2.滑移-溶解-断裂机理(膜破裂理论)

该理论可以看成是电化学快速溶解理论的衍生流派,着重解释膜破裂对于合金表面裂缝扩展的作用。

3.闭塞电池腐蚀理论

该理论认为在设备的某些部位上存在特殊的几何形状(如裂缝或蚀孔),使得在其内部出现闭塞电池,在应力和介质的联合作用下,腐蚀加速。该闭塞电池作用与前面点蚀和缝隙腐蚀中介绍的类似,也是一个自催化的腐蚀过程,在拉应力作用下使裂纹不断地扩展,直至破裂。

4.应力吸附理论

Unling提出应力吸附断裂理论,是一种以机械方式导致SCC的理论。该理论认为SCC一般并不是由金属的电化学溶解所引起的,而是由于环境中某些侵蚀性物质对金属内表面的吸附,削弱了金属原子间的结合力,在拉应力下引起了断裂。

5.氢脆理论

这个理论最早由Evans和Edeldanu提出,强调氢在SCC中起的重要作用,裂纹尖端溶液酸化,H 浓度提高,在裂纹尖端微阴极上被还原以后,变成吸附氢原子向金属内部扩散,使这一区域发生脆化,在拉应力作用下发生脆断。

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