耐蝕性是指給定的腐蝕體系內(nèi),環(huán)境引起金屬腐蝕的能力。不銹鋼的耐腐蝕性能一般隨鉻含量的增加而提高。其基本原理是,當(dāng)鋼中有足夠的鉻時,在鋼的表面形成非常薄且致密的氧化膜,它可以防止進(jìn)一步的氧化或腐蝕。氧化性的環(huán)境可以強(qiáng)化這種膜,而還原性環(huán)境則必然破壞這種膜,造成鋼的腐蝕。金屬腐蝕是金屬在介質(zhì)作用下逐漸破壞的過程。在同一介質(zhì)中,不同不銹鋼的銹蝕速度不同;而同一不銹鋼在不同腐蝕性介質(zhì)中,銹蝕情況也不一樣。金屬的腐蝕,按腐蝕機(jī)理分為化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕。
化學(xué)腐蝕是指在介質(zhì)中直接發(fā)生的化學(xué)作用,即金屬同介質(zhì)中的離子直接交換電荷。鈍化防護(hù)薄膜之所以能阻止金屬再受腐蝕,其重要的一個方面是阻礙其離子交換和電荷交換的速度。
電化學(xué)腐蝕是金屬在電介質(zhì)中,由于電極反應(yīng)而發(fā)生的腐蝕。在許多電化學(xué)腐蝕過程中,有一種金屬與另一種金屬共同參與,或者金屬內(nèi)部各不同相的組成物共同參與,即形成所謂的電偶腐蝕。此種情況下,一種金屬構(gòu)成陽極受腐蝕而發(fā)生溶解;另一種金屬構(gòu)成陰極而發(fā)生還原反應(yīng),工程中的金屬腐蝕,絕大多數(shù)屬于電化學(xué)腐蝕。
不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕(表面腐蝕)和局部腐蝕,局部腐蝕又分為點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。據(jù)分析不銹鋼的腐蝕破壞,90%以上為局部腐蝕造成的。
1. 均勻腐蝕
均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。均勻腐蝕使金屬截面不斷減少,對于被腐蝕的受力零件而言,會使其承受的真實應(yīng)力逐漸增加,最終達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。
評定均勻腐蝕的方法是在試驗條件下,測出單位面積上經(jīng)一定時間腐蝕以后所損失的質(zhì)量[g/(㎡·年)],即腐蝕速率,若以被腐蝕的深度(mm/年)計,則更便于計算設(shè)備的耐蝕壽命。表1-12 為耐蝕性分級。
2. 點腐蝕
點腐蝕是指在金屬材料表面大部分不腐蝕或腐蝕輕微,而分散發(fā)生高度的局部腐蝕,常見蝕點的尺寸小于1.0mm,深度往往大于表面孔徑,輕者為較淺的腐蝕坑,嚴(yán)重的點腐蝕會形成穿孔。
點腐蝕是不銹鋼常見的腐蝕破壞類型之一。它是在介質(zhì)作用下,由于表面有一些缺欠,如夾雜物、貧鉻區(qū)、晶界、位錯在表面暴露出來,使鈍化膜在這些地方被破壞,接觸腐蝕介質(zhì)后形成腐蝕坑,然后從外向內(nèi)發(fā)展,從而遭到嚴(yán)重的陽極腐蝕。點腐蝕屬于局部腐蝕,不銹鋼在含有氯離子(Cl-)的介質(zhì)中,最易引起點腐蝕。
在不銹鋼中加入鉬、錳、硅、釩或稀土合金元素,降低鋼中碳的含量,提高鉻、鎳含量均能有效地提高抗點蝕能力。現(xiàn)有的超低碳高鉻鎳含鉬的奧氏體不銹鋼和超高純低碳低氮含鉬的高鉻鐵素體不銹鋼均有較高的耐點腐蝕性能。
3. 縫隙腐蝕
縫隙腐蝕是指由于金屬表面或非金屬表面形成狹縫或間隙,在狹縫內(nèi)或近旁發(fā)生的局部腐蝕。縫隙腐蝕為斑點狀或潰瘍形狀的宏觀腐蝕坑。縫隙腐蝕主要是介質(zhì)的電化學(xué)不均勻性引起的。
縫隙腐蝕常發(fā)生在墊圈、鉚接、螺釘連接的接縫處,搭接的焊接接頭、閥座、堆積的金屬片間等處。由于連接的縫隙處被腐蝕產(chǎn)物覆蓋以及介質(zhì)擴(kuò)散受到限制等原因,導(dǎo)致該處的介質(zhì)成分和濃度與整體相比有很大差別,形成“閉塞電池腐蝕”作用。
部分奧氏體型不銹鋼、鐵素體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼在海水中均有不同程度的縫隙腐蝕傾向。在鋼中適當(dāng)?shù)卦黾鱼t、鉬含量,可以改善抗縫隙腐蝕能力。
4. 晶間腐蝕
沿著或緊挨著金屬晶界產(chǎn)生的腐蝕,稱之為晶間腐蝕。
晶間腐蝕是一種有選擇性的腐蝕破壞,它與一般選擇性腐蝕的不同之處在于,腐蝕的局部性是顯微尺度的,而宏觀上不一定是局部的。這種類型的腐蝕發(fā)生以后,有時從外觀上不易被察覺,但晶界區(qū)因腐蝕已遭到破壞,晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度幾乎完全喪失。腐蝕深度較大者可失去金屬聲,構(gòu)件有效承載截面大減而導(dǎo)致過載斷裂。受腐蝕嚴(yán)重的金屬甚至成為粉末,從構(gòu)件上脫落下來。這是一種危害性很大的腐蝕破壞。
奧氏體型不銹鋼會發(fā)生晶間腐蝕是由于這類鋼加熱到600~800℃溫度區(qū)間會發(fā)生敏化,其機(jī)理是過飽和固溶的碳向晶粒邊界擴(kuò)散,與晶界附近的鉻結(jié)合形成鉻的碳化物(CrFe)23C6并在晶界沉淀析出;由于碳比鉻的擴(kuò)散快得多,鉻來不及從晶內(nèi)補(bǔ)充到晶界附近,因而晶界區(qū)貧鉻而形成晶間腐蝕。在某些超低碳含鉬奧氏體型不銹鋼中,在敏化溫度區(qū)間的晶界析出鉻含量很高的σ相,其鄰近區(qū)也會貧鉻,貧鉻的金屬在腐蝕介質(zhì)作用下,首先被腐蝕溶解。這些都是金屬出現(xiàn)晶間腐蝕的原因。鐵素體型不銹鋼也有形成晶間腐蝕的傾向。
5. 應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力腐蝕是指金屬在某種特定環(huán)境與相應(yīng)水平應(yīng)力(拉應(yīng)力)的共同作用下,以裂紋擴(kuò)展方式發(fā)生的與腐蝕有關(guān)的斷裂。特定環(huán)境下無應(yīng)力或應(yīng)力水平太低,不會引起應(yīng)力腐蝕。同樣的,有相當(dāng)水平應(yīng)力而無特定環(huán)境也不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。所謂特定環(huán)境,是指只有當(dāng)介質(zhì)的成分和濃度范圍適當(dāng)時,才能導(dǎo)致某種相應(yīng)金屬的應(yīng)力腐蝕。
不銹鋼焊接構(gòu)件應(yīng)力腐蝕斷裂,斷口呈脆性斷裂特征。常在未發(fā)現(xiàn)的情況下發(fā)生斷裂,而且是瞬間斷裂,往往造成災(zāi)難性事故,其危害性極大,因此,不銹鋼焊接構(gòu)件應(yīng)力腐蝕問題應(yīng)當(dāng)引起高度重視。