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总体概况

  黄铜在许多行业中有着较为广泛的应用,常用于制作冷凝管、热交换管以及制糖、制盐的蒸馏管等。在服役状态下,会受到各种因素(应力的作用、含有侵蚀性离子的溶液、含氧量、流速、溶液pH值等)的影响发生多种形式的腐蚀。在常见的腐蚀类型中,黄铜经常会发生脱成分腐蚀、应力腐蚀、点蚀和冲刷腐蚀,其中最常见的是脱成分腐蚀(主要是脱锌腐蚀)和应力腐蚀(包括应力腐蚀破坏和腐蚀疲劳)。 

 
  应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成的金属破坏。在一定静应力作用下,称为应力腐蚀断裂(stress corrosion crack),记为SCC;在循环应力作用下,称为腐蚀疲劳(corrosion fatigue),记为CF.
 
        应力腐蚀断裂
 
  纯金属发生应力腐蚀断裂的情况极少,通常只有合金才会发生应力腐蚀断裂。合金发生应力腐蚀断裂需要在特定的环境下。只有拉应力才会引起应力腐蚀断裂,压应力反而阻止或延缓应力腐蚀断裂的发生。拉应力的来源包括载荷和残余应力,在设备加工、安装和焊接过程中造成的残余应力是拉应力的主要来源。除此之外,腐蚀产物体积膨胀的楔入也是一种应力来源。同时发生应力腐蚀断裂需要材料和环境的特殊组合,如铜和铜合金在氨蒸气、汞盐溶液、含SO2的大气中都会发生应力腐蚀断裂,特别是黄铜,其在含有NH4+的腐蚀介质中极易发生应力腐蚀断裂。发生应力腐蚀断裂需要三个必要条件:敏感的合金、特殊的介质和一定的静应力。
 
  应力腐蚀断裂的各种特征可以概括为力学特征和断裂特征两个方面。力学特征主要表现为三点:(1)是拉应力和水溶液协同作用引起的开裂;(2)是一种远低于屈服强度作用下发生的开裂;(3)是一种延迟(滞后)断裂。应力腐蚀断裂的断裂特征有:(1)外表面上的裂纹走向呈“树枝状”,树干为主裂纹,树根指向裂纹源;(2)裂纹扩展可以是穿晶型的,可以是沿晶型,也可以是混合型的;(3)穿晶扩展断口多半呈解理、准解理,有时混有少量沿晶或韧窝;(4)沿晶扩展断口呈冰糖状,有时也混有少量准解理或沿晶韧窝。对于α-黄铜而言,若腐蚀介质是具有氧化性的含NH4+的水溶液,则发生的应力腐蚀断裂是沿晶型的;然而在非氧化性的含NH4+的水溶液中,应力腐蚀断裂是穿晶型的。
 
  应力腐蚀断裂的机理主要有两种:阳极溶解机理和氢致开裂机理。阳极溶解机理认为金属内存在一定的活性区,这种活性区可以是预先存在的,也可以是应变所产生的,活性区在应力与腐蚀的协同作用下加速溶解,使裂纹不断扩展,当应力超过临界应力时材料发生应力腐蚀破坏。该机理有力的说明了应力腐蚀断裂的主要特征--腐蚀介质是特定的。因为只有在活化-钝化或钝化-再活化的很窄的电位范围内,才能产生应力腐蚀断裂,许多实验结果也证实了这种推论。氢致开裂机理(也称氢脆机理)认为蚀坑或裂纹内形成闭塞电池,局部平衡使裂纹根部或蚀坑底部具备低的pH值,满足放氢阴极反应的必要条件,使阴极反应进入金属的氢控制了应力腐蚀裂纹的形核和扩展过程,促进了黄铜的应力腐蚀断裂。氢促进应力腐蚀断裂可能是由于氢的存在降低了表面钝化膜的的稳定性,也可能促进原子的可动性,从而使腐蚀速率增加。
 
  对于铜合金应力腐蚀断裂的预防,通常是在设备或者部件表面引入压应力层避免裂纹源的扩展,或者消除环境中的敏感介质来进行预防。
  
        腐蚀疲劳(CF)
 
  腐蚀疲劳是重复的交变应力与化学介质协同作用下引起的材料破坏现象。黄铜部件发生腐蚀疲劳的现象在海洋工程中屡见不鲜,如船舶推进器、涡轮和涡轮叶片、船用螺旋桨和输水管路的弯管处等都常常发生腐蚀疲劳而破坏。腐蚀疲劳不像应力腐蚀破坏那样需要特定的材料-环境组合,任何金属在任何介质中都能发生腐蚀疲劳。材料的腐蚀疲劳极限几乎取决于材料在使用环境中的耐蚀性,在耐蚀性较强的环境中材料的腐蚀疲劳极限较低,其疲劳裂纹主要为穿晶型,发展速度较慢。
 
  一般用金属材料的疲劳机理和电化学腐蚀作用机理结合来说明腐蚀疲劳的机理。材料的疲劳裂纹起源于蚀孔或其他局部腐蚀。孔蚀或其他局部腐蚀造成缺口、缝隙,引起应力集中,造成滑移,滑移台阶的腐蚀溶解使逆向加载时表面不能复原,成为裂纹源。反复加载使裂纹不断扩展,腐蚀作用使裂纹扩展速度加快。