腐蚀失效

图1 航空发动机不锈钢叶片上的点蚀，表面有镍镀层
这种形态的腐蚀通常发生在具有钝性的或有保护膜的金属上，而且环境的均匀腐蚀性相对较弱。点蚀难以发现，用常规的无损检测手段也难以检测，有时蚀孔的孔口被腐蚀产物覆盖，仅表现为一点微小的锈红色，很显然，这种情况下彩色照片比黑白照片更能显示蚀点。确认点蚀的方法是沿蚀孔深度方向制备金相磨片。沿纵深发展的蚀孔可能在材料绝大部分尚完整的情况下造成穿孔，引起泄漏，而危险物品的泄漏可能引发灾难性事故。蚀孔处的应力集中也可能导致断裂，图2所示是航空发动机的不锈钢叶片在蚀孔处萌生的疲劳裂纹。由于许多蚀孔弥散分布，可采用ASTMG46《点蚀的检查和评价》对腐蚀损伤进行定量评估。点蚀的生长具有自催化能力，一旦开始生长，会加速生长。蚀孔内介质与外界的介质相比，氯化物浓缩，对蚀孔内进行成分分析，通常会发现明显的氯存在。发生点蚀时，环境介质通常是静止的。
1 腐蚀失效的分类
Байду номын сангаас
金属是最重要的工业材料。但是，金属在外界环境影响下常遭受化学和电化学的作用而引起腐蚀失效。从热力学的观点来看，除少数的贵金属(如金、铂)外，各种金属都有与周围介质发生作用而转变成离子的倾向。也就是说，金属受腐蚀是自然趋势。因此，腐蚀失效现象是普遍存在的，钢铁结构在大气中生锈，海船外壳在海水中腐蚀，地下金属管道穿孔，热电厂锅炉损坏，化工厂金属容器损坏等等，都是金属腐蚀失效的例子。据统计，1998年美国因腐蚀带来的经济损失高达2760亿美元，占美国GDP的3%以上。世界航空业因腐蚀原因造成的民航飞机的破坏占总破坏量的40%～60%，其中不乏因腐蚀失效造成的航空事故。
图4 飞机货舱中7075铝合金结构件的剥蚀
可能发生晶间腐蚀的金属有不锈钢、镍合金、铝合金和铜合金。一般地讲，含有常规碳含量(>0.04%)、且不含碳化物稳定元素钛、铌的不锈钢对晶间腐蚀敏感，把碳含量降低至0.03%以下，或添加一定量的钛、铌，则可降低敏感性。
变形铝合金有一种特殊形式的晶间腐蚀———剥层腐蚀或简称剥蚀。当铝合金被轧制、锻压或挤压成型材时，晶粒变形成为长条状，大量的晶界相互平行，并平行于材料的长度方向。当晶间腐蚀沿着长度方向进行时，材料被一层一层地分离。腐蚀产物堆积在晶界上，如同在晶界上打入了无数的小楔子，使构件在厚度方向发生膨胀，因此，构件表面鼓包和铆钉头断掉都是剥层腐蚀的症状。对剥蚀的确认方法仍然是金相检验。
腐蚀变粗变黑的晶界(图3)。
图3 航空发动机排气管1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀
发生晶间腐蚀的原因常常是在金属的热经历中曾经在某一温度段停留过一定时间，在此期间合金成分或杂质元素在晶界上富化或贫化，或者出现晶界析出物，使得晶界或晶界附近相对于晶内为阳极优先腐蚀，晶内为阴极。这种热经历称为敏化。消除敏化的措施是进行所谓稳定化处理，让晶界析出物重新溶解。焊接中焊缝两侧一定距离处的材料会正好处于敏化温度范围，接触腐蚀介质后，会在这个平行于焊缝的狭长区域中发生晶间腐蚀，称为焊缝腐蚀。构件发生晶界腐蚀后，很难用肉眼发现，但构件的强度已大大降低，在一个小载荷下就可能发生沿晶分离。
由于材料表面与环境介质发生化学或电化学反应而引起的材料的破坏或变质称为材料的腐蚀。腐蚀的分类方法很多，以下是两种常见的分类方法。
1.1 按腐蚀机理分类
(1)化学腐蚀金属表面与周围介质发生化学作用而引起的破坏，其特点是在作用过程中没有电流产生。金属在干燥气体中的腐蚀，金属在非电解质中的腐蚀都属于化学腐蚀。
机械产品失效有四种模式：磨损、腐蚀、变形和断裂，广义的失效是材料、力学和化学三者交互作用的结果。材料与化学二者之间的交互作用引起材料(构件)的腐 蚀；材料与力学的交互作用引起材料的断裂、疲劳；材料、化学和力学三者之间的交互作用引起材料的磨损与腐蚀有关的断裂(如应力腐蚀、腐蚀疲劳、高温断 裂)。机械产品在实际制造和使用过程中，机械损伤和缺陷是难免的。是导致机械零件失效的主要原因。实践表明，大多数机械结构失效是由于存在原始缺陷或损伤 造成裂纹萌生，扩展，直至断裂的发展过程。但由于环境的突变，操作失误或管理不善也会造成偶然失效。偶然失效在机械产品失效占有较低的概率。判断机械失效 的性质、分析机械失效的原因、研究机械失效事故的处理方法和预防措施的技术活动及管理活动统称为机械失效分析。因此，机械失效分析是分析失效原因的思路与方法的总称。
3.2 应力腐蚀断口的特征
SCC裂纹和断口有一些独特的特征，按宏观和微观分别归纳如下，所谓宏观是指靠肉眼或光学放大的尺寸范围内，微观是指应用扫描电子显微镜进行观察的尺寸范围内。需要注意的是，这些特征只是多数SCC裂纹和断口的一般规律，某些材料/环境组合发生SCC时，会有一些例外。
3.2.1 SCC的宏观特征
(2)局部腐蚀腐蚀主要局限于微小区域中。局部腐蚀的腐蚀速度通常比均匀腐蚀大几个数量级，而且难以发现，可能导致灾难性失效，因此它的危害要比均匀腐蚀大得多。局部腐蚀又可分为以下几类：点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀、氢损伤和腐蚀疲劳。
还可以按腐蚀环境分类，如前所述的海水腐蚀、土壤腐蚀、大气腐蚀、电解质溶液腐蚀、熔融盐腐蚀，以及生物腐蚀、非电解质溶液的腐蚀、杂散电流腐蚀和高温腐蚀(氧化、硫化)等等。
失效分析的思路：指在思想中以失效规律(宏观表象特征和微观表象机理)为理论依据，通过调查、观察、试验获得的失效信息(失效现象、失效对象、失效环境) 分别加以考察，然后有机结合起来作为一个整体综合考虑，以获取的客观事实为证据，全面应用逻辑推理方法，判断失效事件的失效模式，推断失效原因。
通过合理的失效分析思路判断失效机制，解释失效模式。主要依据是失效的形貌特征、失效的应力状态、失效材料的实际强度、失效环节因素，失效相关因素(误用 性和受累性)。近代材料科学和工程力学对破断、腐蚀、磨损及其复合型的失效模式和失效机理作了十分深入的研究，积累了大量的统计资料，为失效模式的判断、 失效机理及失效原因的解释奠定了实践基础、技术基础和理论基础。
图2 航空发动机的不锈钢叶片在蚀孔处萌生疲劳裂纹
钢铁、铜、镁、不锈钢、耐热合金、铝合金和钛合金等在大多数含有氯离子的介质中都有可能发生点蚀。含有氧化性金属阳离子的氯化物如三氯化铁、氯化铜和氯化汞等属于强烈的点蚀促进剂。
2.3 晶间腐蚀
晶间腐蚀是指晶界相或与之紧邻的区域作为阳极优先溶解，而晶内很少或没有腐蚀。发生晶界腐蚀后从材料的外观上有可能看不出任何变化。确认晶间腐蚀的方法是金相检验，抛光后无需侵蚀即可看到因
通过失效分析去发现新问题，认识新规律，发展新技术。现代摩擦学、腐蚀学、材料强度学、表面科学、电子断口学等学科的创立和发展与机械失效分析有着非常密 切的关系。随着科学技术的进步，新设备仪器的开发与应用，失效分析手段不断提高，失效分析的思路得到创新和拓展，正确应用失效分析思路和方法，可使得失效 分析的准确性不断提高。
(2)电化学腐蚀金属表面与周围介质发生电化学作用而引起的破坏。其特点是介质中有能导电的电解质溶液存在，腐蚀过程中有电流产生。这类腐蚀最普遍，包括：大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、电解质溶液腐蚀和熔融盐腐蚀。
1.2按腐蚀破坏的形式分类
(1)均匀腐蚀在全部或大部分暴露的表面上发生的相对均匀的腐蚀，例如铝合金在碱性溶液里发生的腐蚀。这类腐蚀容易分析和进行寿命预测，容易防护。
由于SCC的发生需要腐蚀介质的参与，因此SCC裂纹多萌生于材料表面，裂纹源一般为局部腐蚀(比如点蚀或缝隙腐蚀)的蚀坑或其它类型的裂纹(如焊接和热处理裂纹)。SCC裂纹在宏观上是脆性的，即使原本韧性很好的材料发生SCC时也是脆性的，宏观上很少有塑性变形。微观上裂尖塑性变形很小，裂尖尖锐，导致很大的应力集中。许多SCC裂纹在宏观上分叉，裂纹平面与主应力基本垂直。与疲劳断裂相似，从裂纹亚临界扩展区尺寸与过载瞬断区尺寸的比例关系可以推测应力水平的高低。由于环境条件的变化或SCC/过载的交替进行，SCC断口上会出现海滩花样，应与疲劳区分开来。由于SCC断口常常由于腐蚀或介质污染而变色，这为区分SCC与疲劳提供了一条途径。
(2)特定的材料/环境组合SCC的一大特点是需要材料和环境的特定组合。表1列出了常见的能发生SCC的材料/环境组合。SCC通常只发生在合金上，纯金属很少发生。
航空涡轮发动机高压涡轮段的材料主要是镍基或钴基高温合金，材料承受着高温、熔融态的氯化物或硫化物的腐蚀以及工作应力。在高温、腐蚀介质和应力三者的共同作用下，可能发生熔融盐的SCC。这一失效机理曾造成近年来某型发动机多次发生涡轮叶片断裂。
发生SCC需要同时满足两个条件：
(1)拉伸应力虽然有学者认为在压应力作用下也能发生SCC，但是绝大多数SCC发生在拉应力作用下。应力可以来自工作载荷、冷加工或热加工的残余应力、装配应力及腐蚀产物的楔力等。对于光滑试样或工件存在一
个SCC门限应力，对于预裂试样或工件，存在一个SCC门限应力强度因子KⅠSCC，低于它们则不发生SCC。
去发现新问题，认识新规 律，发展新技术。现代摩擦学、腐蚀学、材料强度学、表面科学、电子断口学等学科的创立和发展与机械失效分析有着非常密切的关系。随着科学技术的进步，新设 备仪器的开发与应用，失效分析手段不断提高，失效分析的思路经过创新和拓展，失效分析的准确性将不断提高。
取决于腐蚀产物是附着在金属表面还是脱离开金属表面，发生腐蚀后的材料厚度在外观上可以增厚，也可以减薄，但剩余的金属厚度总是减薄的，有时候需要通过截面金相来测定。因此金属材料的厚度损失经常用来表征均匀腐蚀的程度。
2.2 点蚀
点蚀也是一种很常见的腐蚀形态，图1是某型航空发动机不锈钢叶片上的点蚀坑的剖面金相。
机械失效原因分析基本程序：
1）失效现场信息调查(含背景材料收集)
2）失效事件初步研究
3）失效模式初步判断
4）确定具体分析思路和工作程序
5）实施工作程序查找失效原因
6）综合分析失效原因
正确建立机械产品失效分析思路十分必要。上述失效分析实例表明，按失效思路的分析程序进行分析是一种十分有效方法。通过失效分析