金屬第四章 自然條件下的腐蝕

第四章在自然條件下的腐蝕第一節(jié)大氣腐蝕一、大氣腐蝕基本概念二、大氣腐蝕機理三、影響大氣腐蝕的因素四、防止大氣腐蝕的措施一、大氣腐蝕（占總腐蝕量的1/2）1、定義2、分類--參與腐蝕的主要組成

1）干腐蝕I區(qū)域(化學腐蝕)2）潮腐蝕II(電化學腐蝕－陽極控制)3）濕腐蝕III(電化學腐蝕－陰極控制)二、大氣腐蝕機理大氣腐蝕是金屬處于表面薄層電解液下的腐蝕過程，因此可應(yīng)用電化學腐蝕的一般規(guī)律，又要注意大氣腐蝕電極過程的特點。

一般來說，在大氣中長期暴露的鋼鐵，其腐蝕速度是漸漸減慢的，因為：1)銹層的增厚會導(dǎo)致銹層電阻的增加和氧氣滲入的困難，使銹層的陰極去極化作用減弱；2)附著性好的銹層將減小活性的陰極面積，增加陰極極化，使腐蝕速度降低。三、影響大氣腐蝕的因素

1、臨界濕度

2、溫度

3、大氣成分

1)SO2—Fe/Zn/Cd2)海鹽顆粒(NaCl)3)固體顆粒（灰塵）2)海鹽顆粒(NaCl)(1)吸濕作用，增大了薄膜液膜層的電導(dǎo)；

(2)Cl-有很強的侵蝕性。

3)固體顆粒（灰塵）(1)本身具有腐蝕性：銨鹽，提高電導(dǎo)、酸度；(2)無腐蝕性但能吸附腐蝕性物質(zhì)：碳顆粒吸附SO2，在水膜中形成H+溶液；(3)無腐蝕性也不吸附腐蝕性物質(zhì)：沙粒落在金屬薄膜形成縫隙而凝聚水分，形成氧濃差腐蝕。四、防止大氣腐蝕的措施1、提高材料的耐腐性能鋼中加入Cu、P、Cr、Ni等，可改變銹層特點，生成具有保護性的銹層。我國：銅系、磷釩系、磷稀土系、磷鈮稀土系、仿Corton系等16MnCu、09MnCuPTi、15MnVCu、10PCuRe2、使用涂層和金屬鍍層－油漆、鋅鍍層3、氣相緩蝕劑、暫時性保護涂層亞硝酸二環(huán)己胺、凡士林4、降低大氣濕度-加熱空氣、冷凍除水、吸濕劑(活性炭、硅膠、氯化鈣)RH<50%，～30％，尤其庫房中5、合理設(shè)計，減少大氣污染等第二節(jié)土壤腐蝕一、土壤腐蝕的特征二、影響土壤腐蝕的因素三、土壤腐蝕常見的幾種形式四、防止土壤腐蝕的措施一、土壤腐蝕的特征

1、土壤是具有特殊性質(zhì)的電解質(zhì)多相性；毛細管多孔性；不均勻性；相對固定性。土壤作為腐蝕性介質(zhì)的這些特性將影響其電化學腐蝕過程的特征。2、土壤腐蝕的電極過程金屬在土壤中的腐蝕與在電解液中的腐蝕本質(zhì)一樣。大多數(shù)的金屬在土壤中的腐蝕是氧去極化腐蝕，只有在強酸性土壤中才發(fā)生氫去極化腐蝕。

（1）陽極過程根據(jù)金屬在潮濕、透氣不良、含有氯離子的土壤中的陽極行為，分為四類：a)Mg/Al/Zn/Mn/Sn：無明顯陽極極化b)Fe/Cu/Pb/碳鋼：陽極極化率低，決定于超電勢；c)Cr/含Cr或Ni的不銹鋼：陽極鈍化起始極化率高，但氯離子破壞嚴重d)Ti、Ta：不發(fā)生陽極極化（2）陰極過程：鋼鐵氧去極化腐蝕（為主）氫去極化腐蝕（強酸性土壤中）微生物參與二、影響土壤腐蝕的因素1、孔隙度（透氣性）2、含水量3、電阻率4、酸度5、含鹽量6、雜散電流7、微生物－－有50%~80%可歸于此三、土壤腐蝕常見的幾種形式1、由于充氣不均勻引起的2、由雜散電流引起的3、由于微生物引起的1、由于充氣不均勻引起的2、由雜散電流引起的3、微生物腐蝕---在微生物生命活動參與下所發(fā)生的腐蝕過程。凡是與水、土壤或濕潤空氣相接觸的金屬都可能發(fā)生。1）微生物腐蝕的特征

--微生物生長繁殖需適宜的環(huán)境條件；

--微生物腐蝕不是微生物直接食取金屬；

--微生物往往是多種微生物共生、交互作用的結(jié)果。2）微生物參與腐蝕的四種方式：

--微生物新陳代謝的產(chǎn)物有腐蝕性；無機酸、有機酸、硫化物、氨等

--促進腐蝕的去極化過程；

--改變金屬周圍環(huán)境；如氧濃度、鹽濃度、pH值等形成局部腐蝕電池；

--破壞金屬表面有保護性的非金屬覆蓋層或緩蝕劑的穩(wěn)定性。有機纖維覆蓋層被破壞。3）與腐蝕有關(guān)的主要微生物--*嗜氧性細菌---硫氧化菌、鐵氧化菌；--*厭氧性細菌---硫酸鹽還原菌。*硫酸鹽還原菌--分布廣，局部腐蝕(點蝕)

腐蝕產(chǎn)物為黑色帶有難聞氣味的硫化物

硫酸鹽還原菌在海泥中對金屬的影響K(mg/dm2·d)

碳鋼鑄鐵不銹鋼無菌1.72.0微量有菌37.047.5微量

*硫氧化菌－－改變腐蝕環(huán)境*鐵氧化菌－－促進陽極過程四、防止土壤腐蝕的措施1、金屬材料在土壤中的耐蝕性

鋼鐵CuPbZn平均D(mm/年)0.0210.0030.0020.015Dmax(mm/年)0.14<0.02<0.07<0.12土壤種類44292112埋設(shè)時間(年)12812112、非金屬覆蓋層保護：瀝青、聚乙烯涂層、環(huán)氧樹脂漆3、金屬鍍層：Zn、Cr4、改變土壤環(huán)境：堿性環(huán)境5、陰極保護：硫酸鹽還原菌6、使用殺菌劑或抑菌劑：鐵細菌--氯氣第三節(jié)海水腐蝕一、海水的性質(zhì)二、海水腐蝕電化學過程的特征三、防止海水腐蝕的措施四、淡水腐蝕一、海水性質(zhì)海水--天然腐蝕劑中腐蝕性最強的介質(zhì)之一。表：海水中主要鹽類的含量成分克數(shù)/100克海水占總鹽度的百分數(shù)成分克數(shù)/100克海水占總鹽度的百分數(shù)NaCl2.721377.8K2SO40.08632.5MgCl20.380710.9CaCO30.01230.3MgSO40.16584.7MgBr20.00760.2CaSO40.12603.6合計3.51001、鹽度S‰氯度Cl‰S‰=1.80655Cl‰2、導(dǎo)電性強3、含氧量大4、溫度5、流速6、海洋生物7、海水pH值

海水環(huán)境中的諸因素化學因素：溶解氣體(O2/CO2)、化學平衡(鹽度/pH/碳酸鹽溶解度)物理因素：流速(空氣泡、浮懸泥沙)、溫度T、壓力P生物因素：生物污染--動物/植物生活O2的產(chǎn)生CO2的消耗以鐵為例：1O2是加速腐蝕的主要因素；2pH有利于形成保護性水垢(碳酸鹽型)；3流速越快，腐蝕越快；4溫度越高，腐蝕越快；5海水深處(P/pH)不易形成保護層6生物吸附--局部腐蝕二、海水腐蝕電化學過程的特征

1氯離子--海水腐蝕的陽極極化阻滯對大多數(shù)金屬(Fe/Zn/Cu/)是很小的；不銹鋼腐蝕嚴重，極少數(shù)易鈍化金屬Ti。

2海水腐蝕是氧去極化過程控制環(huán)節(jié)；

3海水具有良好的導(dǎo)電性；

4易發(fā)生局部腐蝕--點蝕、縫隙腐蝕。三、防止海水腐蝕的措施1、電化學保護法--陰極保護法外加電流法犧牲陽極的陰極保護法2、合理選材普通碳鋼、

NiCr(Mo)合金鋼、Ti合金鋼3、合理設(shè)計4、涂層保護四、淡水腐蝕--陰極過程控制

1、pH值的影響

2、溶解氧的影響

3、水溫

4、流速

5、淡水中的成分促進腐蝕：Cu2+/Fe3+/Cr3+/Cl-/SO42-減緩腐蝕：Ca2+/Zn2+/Fe2+/PO33-/SiO42-第四節(jié)晶間腐蝕

一、概述

二、晶間腐蝕的機理

三、影響晶間腐蝕的因素

四、防止晶間腐蝕的措施

一、概述

沿著金屬的晶粒邊界發(fā)生的局部選擇性腐蝕稱為晶間腐蝕。

通常的金屬材料為多晶結(jié)構(gòu)，因此存在著大量晶粒邊界，晶界物理化學狀態(tài)與晶粒本身不同，是原子排列比較疏松而紊亂的區(qū)域，相對于晶粒來說有較大的活性，在特定的使用介質(zhì)中，由于微電池作用而引起加速的局部破壞，沿晶界向內(nèi)發(fā)展，嚴重時整個金屬由于晶界破壞而完全喪失強度，在表面還看不出破壞時，實際晶粒間已失去了結(jié)合力。喪失了強度與塑性，敲擊金屬時已喪失金屬聲音，會造成金屬結(jié)構(gòu)突發(fā)性破壞，因此這是一種危害性很大的局部腐蝕。

晶間腐蝕是由于晶界和晶粒之間存在電化學的不均一性而造成的。金屬或合金本身晶粒與晶界在化學成分、晶界結(jié)構(gòu)、元素的固溶性質(zhì)、沉淀析出過程、固態(tài)擴散等方面存在差異，導(dǎo)致電化學性質(zhì)的不均勻，引發(fā)局部腐蝕電池作用。很多金屬和合金都有晶間腐蝕的傾向，如不銹鋼、鋁合金、鎳基合金等。在有應(yīng)力作用下，晶間腐蝕往往可能成為應(yīng)力腐蝕開裂的先導(dǎo)，甚至發(fā)展成為晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

二、晶間腐蝕的機理在腐蝕介質(zhì)中，金屬及合金的晶粒與晶界顯示出明顯的電化學的不均一性，這種變化或是由金屬或合金在不正確的熱處理時產(chǎn)生的金相組織變化引起的，或是由晶界區(qū)存在的雜質(zhì)或沉淀相引起的、因此，有關(guān)晶間腐蝕的理論主要有如下兩種。

1、貧化理論貧化理論認為晶間腐蝕原因是由于在晶界析出新相，造成在晶界的合金成分中某一種成分貧乏，進而使晶粒和晶界之間出現(xiàn)電化學性質(zhì)上不均勻，晶界因而遭受嚴重腐蝕。造成奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因是由于晶界析出碳化鉻而引起晶界附近鉻的貧化。目前貧化理論也可以用來解釋鐵素體不銹鋼、Al-Cu合金以及Ni-Mo合金等的晶間腐蝕問題。

2、晶界區(qū)雜質(zhì)或第二相選擇溶解理論在不銹鋼的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，含碳量很低的高鉻、高鉬的不銹鋼在一定敏化溫度下能夠在強氧化性介質(zhì)中發(fā)生晶間腐蝕，研究表明是由于在敏化溫度下晶界析出了-相的緣故。-相是FeCr的金屬間化合物，只有在很強的氧化性介質(zhì)中，不銹鋼的電位處于過鈍化區(qū)時，它才能發(fā)生溶解。晶界發(fā)生了-相在強氧化性介質(zhì)中的選擇性溶解，從而造成了不銹鋼晶間腐蝕，因而檢測這種類型的腐蝕也必須使用強氧化性的65％沸騰硝酸，以使不銹鋼腐蝕電位達到過鈍化區(qū)。另外若在晶界上有雜質(zhì)元素P、Si等的晶界偏析，也能夠產(chǎn)生晶間腐蝕。

上述兩種晶間腐蝕理論并不矛盾，它們各自適用于一定的合金組織狀態(tài)和介質(zhì)條件。貧化理論通用于氧化性或弱氧化性介質(zhì)；

-相選擇溶解理論適用于強氧化性介質(zhì)，金相中有-相的高鉻、高鉬不銹鋼；晶界區(qū)雜質(zhì)選擇溶解理論適用于強氧化性介質(zhì)條件。

三、影響晶間腐蝕的因素1、加熱溫度與時間的影響晶間腐蝕傾向與加熱溫度和時間關(guān)系的曲線，也叫做溫度一時間一敏化圖（TTS曲線）。利用TTS曲線對制定正確的不銹鋼熱處理制度及焊接工藝、避免產(chǎn)生晶間腐蝕傾向、研究冶金因素對晶間腐蝕傾向的影響等有很大幫助。

2、合金成分的影響奧氏體不銹鋼中含碳量愈高，晶間腐蝕傾向愈嚴重，不僅產(chǎn)生晶間腐蝕傾向，而且使TTS曲線中的溫度和時間范圍擴大，增加晶間腐蝕敏感性；Cr、Mo含量增高，有利于減弱晶間腐蝕傾向；Ni、Si等不形成碳化物的元素可促進碳的擴散及碳化物析出；Ti和Nb可以在高溫時形成穩(wěn)定的碳化物TiC和NbC，從而大大降低了鋼中的固溶碳量，使鉻的碳化物難以析出。

四、防止晶間腐蝕的措施（1）降低含碳量降低固溶體的含碳量，可以減少碳化鉻的形成和沿晶界的析出，從根本上降低晶間腐蝕的敏感性，如采用超低碳不銹鋼（碳含量小于0.03％）。（2）添加合金元素加入與碳親和力大的元素如Ti、Nb等，它們能夠和鋼中的碳生成TiC和NbC，極其穩(wěn)定，能夠抑制固溶體中碳向晶界的擴散。但需要經(jīng)過穩(wěn)定化處理，即把含Ti、Nb的鋼加熱到850～900℃，保溫數(shù)小時，使Cr23C6沉淀中的碳充分轉(zhuǎn)變生成TiC、NbC。防止晶間腐蝕的措施（3）進行合理的熱處理對于奧氏體不銹鋼，要在1050～1100℃進行固溶處理，使析出的碳化物溶解，快速冷卻，能夠使碳化物不析出或少析出。對于鐵素體不銹鋼，可以在700－800℃進行退火處理，對含Ti、Nb的鋼要進行穩(wěn)定化處理。（4）調(diào)整鋼的成分改變化學成分，使奧氏體鋼中存在少量的鐵素體，構(gòu)成雙相鋼。能夠有效抵抗晶間腐蝕。由于鐵素體在鋼中大多沿晶界形成，含鉻量高，因而在敏化溫度區(qū)間不至于產(chǎn)生嚴重的貧化。

第五節(jié)應(yīng)力作用下的局部腐蝕一、應(yīng)力腐蝕開裂

二、氫損傷三、腐蝕疲勞

金屬材料在使用過程中，通常是在各種應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作用下工作的，因此導(dǎo)致的腐蝕稱為應(yīng)力作用下的局部腐蝕。它既不同于沒有應(yīng)力作用下的純腐蝕，也不同于沒有腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的純的力學斷裂。腐蝕介質(zhì)和機械應(yīng)力的共同作用并不是簡單的疊加作用，而是一個互相促進的過程，這兩個因素的共同作用遠遠超過單個因素作用后簡單加和的作用，能夠使金屬產(chǎn)生嚴重的局部腐蝕，金屬材料可以在遠遠低于材料的屈服強度或抗拉強度的條件下發(fā)生突然的、沒有預(yù)兆的腐蝕破壞。

根據(jù)金屬受力狀態(tài)的不同，如拉伸應(yīng)力、交變應(yīng)力、摩擦力以及振動力等，與環(huán)境介質(zhì)共同作用，可造成金屬材料的不同腐蝕形態(tài)。如應(yīng)力腐蝕開裂、氫致開裂、腐蝕疲勞、沖刷腐蝕、腐蝕磨損以及摩振腐蝕等。在材料斷裂學科中，通常把這些由化學環(huán)境因素引起的開裂或斷裂過程稱為環(huán)境斷裂。

一、應(yīng)力腐蝕開裂1、概述應(yīng)力腐蝕開裂是指受固定拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的腐蝕介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象，英文簡稱SCC（StressCorrosionCracking）。一般情況下，金屬的大多數(shù)表面未受到破壞，但一些細小的裂紋已貫穿到材料的內(nèi)部，因為這種細微裂紋檢測非常困難，而且其破壞也很難被預(yù)測，往往在整體材料全面腐蝕量極小的情況下，發(fā)生不可預(yù)見的突然開裂，因此SCC被歸為災(zāi)難性的局部腐蝕類型。

應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生發(fā)展過程一般是：構(gòu)件表面產(chǎn)生裂紋源，并隨著時間的延長做緩慢的亞臨界擴展，經(jīng)過較長時間當裂紋擴大到臨界尺寸時產(chǎn)生快速斷裂，具有裂紋形成較慢、斷裂較快的特點。這種類型的斷裂一般被稱為延滯斷裂。

應(yīng)力腐蝕裂紋主要特點是：裂紋起源于表面；裂紋的長寬不成比例，相差幾個數(shù)量級；裂紋擴展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向；裂紋一般呈樹枝狀。斷口呈脆性斷裂形貌，在微觀組織上，這些裂紋呈晶間或穿晶發(fā)展的結(jié)構(gòu)，斷口的裂紋源及亞臨界擴展區(qū)因介質(zhì)的腐蝕作用呈黑色或灰黑色。沿晶應(yīng)力腐蝕斷口具有冰糖狀形貌，還能觀察到二次活晶裂紋特征，在晶界有較多腐蝕坑。穿晶應(yīng)力腐蝕斷口上?？捎^察到河流狀花樣和羽毛狀花樣，也可觀察到腐蝕坑。

通過對黃銅的氨脆、鍋爐鋼的堿脆、低碳鋼的硝脆、奧氏體不銹鋼的氯脆等應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的研究，總結(jié)出產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂需具備三個基本條件，即：敏感材料；特定環(huán)境；拉伸應(yīng)力。

而且它們具有如下一些共同的特征。①每種合金的應(yīng)力腐蝕開裂只是對某些待定的介質(zhì)敏感，而在其他的介質(zhì)中可能就不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象。②發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂必須要有應(yīng)力存在，特別是拉伸應(yīng)力。拉伸應(yīng)力越大，則斷裂所需時間越短。斷裂所需應(yīng)力一般都低于材料的屈服強度。③應(yīng)力腐蝕開裂是一種典型的滯后破壞，腐蝕裂紋要在固定拉伸應(yīng)力與環(huán)境介質(zhì)共同作用下，并經(jīng)過一定的時間才能形成、發(fā)展和斷裂。

隨著金屬或合金所承受的張應(yīng)力的增加，由應(yīng)力腐蝕開裂引起的斷裂時間通常會縮短。整個斷裂時間與材料、環(huán)境、應(yīng)力有關(guān)，短的幾分鐘，長的可達數(shù)年之久。在材料、環(huán)境一定的條件下，隨應(yīng)力降低，斷裂時間延長。在大多數(shù)腐蝕體系中存在一個門檻應(yīng)力或臨界應(yīng)力，低于這一臨界值，則不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。2、應(yīng)力腐蝕機理由于金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的因素非常復(fù)雜，研究的理論涉及電化學、斷裂力學、冶金學等幾個學科方向，因此諸多研究者提出很多種機理來解釋應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，但迄今還沒有得到被公認的統(tǒng)一的機理，下面介紹普遍被接受的陽極快速溶解理論。

陽極溶解型機理認為，在發(fā)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境里，金屬通常是被鈍化膜覆蓋，不與腐蝕介質(zhì)直接接觸，只有鈍化膜遭受局部破壞后，裂紋才能形核，并在應(yīng)力作用下裂紋尖端沿某一擇優(yōu)路徑定向活化溶解，導(dǎo)致裂紋擴展，最終發(fā)生斷裂。因此，應(yīng)力腐蝕經(jīng)歷了膜破裂、溶解、斷裂這三個階段。

①膜局部破裂導(dǎo)致裂紋核心的形成表面膜因電化學作用或機械作用發(fā)生局部破壞使裂紋形核，另外也可以通過點蝕、晶間腐蝕等誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋面形核。

②裂尖定向快速溶解導(dǎo)致裂紋擴展

只有在裂紋形核后裂尖才高速溶解，而裂紋壁保持鈍態(tài)的情況下，裂紋才能不斷地擴展。裂紋構(gòu)成了一個閉塞區(qū)，存在著勢尖快速溶解的電化學條件，而應(yīng)力與材料為快速溶解提供了擇優(yōu)腐蝕的途徑。裂紋一旦形成，裂紋尖端附近的應(yīng)變集中強化了裂紋尖端的溶解，其原因可能是裂尖局部出現(xiàn)了極多的化學活性點，或降低了溶解的活化能，即應(yīng)變產(chǎn)生活性溶解途徑。

3、防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施由于應(yīng)力腐蝕涉及到環(huán)境、應(yīng)力、材料三個方面，因而防止應(yīng)力腐蝕也應(yīng)從這三個方面來考慮。①控制環(huán)境每種合金都有其敏感的腐蝕介質(zhì)，盡量減少和控制這些有害介質(zhì)的數(shù)量；控制環(huán)境溫度，如降低溫度有利于減輕應(yīng)力腐蝕；降低介質(zhì)的氧含量及升高pH值；添加適當?shù)木徫g劑，如在油田氣中可以加入吡啶；使用有機涂層可將材料表面與環(huán)境隔離，或使用對環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層等。

②控制應(yīng)力首先應(yīng)該改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計時應(yīng)按照斷裂力學進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免或減小局部應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)形式；其次進行消除應(yīng)力處理。在加工、制造、裝配中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，并可采取熱處理、低溫應(yīng)力松弛法、過變形法、噴丸處理等方法消除應(yīng)力。

③改善材質(zhì)

首先是合理選材。在滿足性能、成本等的要求下，結(jié)合具體的使用環(huán)境，盡量選擇在該環(huán)境中尚未發(fā)生過應(yīng)力腐蝕開裂的材料，或?qū)ΜF(xiàn)有可供選擇的材料進行試驗篩選，應(yīng)避免金屬或合金在易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境介質(zhì)中使用。其次開發(fā)新型耐應(yīng)力腐蝕合金。還可以采用冶金新工藝減少材料中的雜質(zhì)、提高純度或通過熱處理改變組織、消除有害物質(zhì)的偏析、細化晶粒等方法，都能減少材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。

④電化學保護金屬或合金發(fā)生SCC和電位有關(guān)，有的金屬／腐蝕體系存在臨界破裂電位，有的存在敏感電位范圍。例如，對于發(fā)生在兩個敏感的電位區(qū)間的SCC，可以進行陰極或陽極保護防止應(yīng)力腐蝕。但注意的是，某些合金的SCC與氫脆相關(guān)，陰極保護電位不能低于析氫電位。

二、氫損傷1、概述氫損傷是指金屬中由于含有氫或金屬中的某些成分與氫反應(yīng)，從而使金屬材料的力學性能變壞的現(xiàn)象。氫損傷導(dǎo)致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材料開裂或脆斷。氫損傷與氫脆的含義是不一樣的，氫脆主要涉及金屬材料脆性增加，韌性下降；而氫損傷含義要廣泛得多，除涉及韌性降低、開裂外，還包括金屬的其他物理性能下降。

根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機理和形態(tài)，氫損傷可分為氫鼓泡、氫脆、氫腐蝕三類。

氫鼓泡是由于氫進入金屬內(nèi)部而使金屬局部變形，嚴重時金屬結(jié)構(gòu)完全破壞。

氫脆是由于氫進入金屬內(nèi)部而引起韌性和抗拉強度下降。

氫腐蝕是指高溫下合金中的組分與氫反應(yīng)，如含氧銅在氫作用下的碎裂，含碳鋼的脫炭造成機械強度下降。

氫損傷是氫與材料交互作用引起的一種現(xiàn)象。氫的來源可分內(nèi)氫和外氫兩個方面。內(nèi)氫是指冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接等工藝過程中引入的氫。外氫或環(huán)境氫是指材料本身氫含量很小，但使用中或試驗中從能提供氫的環(huán)境吸收的氫。氫在金屬中的分布是不均勻的，易于在應(yīng)力集中的位錯、裂紋尖端等應(yīng)力集中的缺陷區(qū)域擴散和富集。

2、氫損傷機理關(guān)于金屬材料的氫損傷機理的理論較多，但是各具特點，且均存在局限性。下面簡要介紹氫脆、氫鼓泡及氫腐蝕的機理。①氫脆機理氫脆是指由于氫擴散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。氫脆機理，大多數(shù)認為是溶解氫對位錯滑移的干擾。這種滑移干擾可能是由于氫集結(jié)在位錯或顯微空穴的附近，但是精確的機理仍然沒有搞清楚。

氫脆機理的理論主要有以下幾種。第一是原子氫與位錯的交互作用機理。該理論認為，因各種原因進入金屬內(nèi)部的氫原子存在于點陣的空隙處，在應(yīng)力的作用下，氫原子會向缺陷或裂紋前線的應(yīng)力集中區(qū)擴散，阻礙了該地區(qū)的位錯運動，從而造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力，也叫做氫釘扎理論。因此，在外力作用下，能量只能通過裂紋擴展釋放，故氫的存在加速了裂紋的擴展。

第二是氫壓理論。該理論認為，當點陣中氫超過固溶度時，金屬中過飽和的一部分氫就會在晶界、孔洞或其他缺陷處析出，再結(jié)合成氫分子，結(jié)果在這些地方形成很高的氫氣壓，當壓力超過材料的破壞應(yīng)力時就會產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致脆性開裂。第三是氫化物形成理論。該理論認為，金屬或合金中某些元素與氫或氫化物發(fā)生反應(yīng)，生成新的氫化物，從而造成延展性和韌性的降低，以致造成脆性斷裂。

②氫鼓泡機理氫鼓泡是指過飽和的氫原子在缺陷位置析出后，形成氫分子，在局部區(qū)域造成高氫壓。引起表面鼓泡或形成內(nèi)部裂紋，使鋼材撕裂開來的現(xiàn)象，稱為氫誘發(fā)開裂或氫鼓泡。

由于腐蝕反應(yīng)或陰極保護，氫在內(nèi)表面析出，有許多氫擴散通過鋼壁，在外表面氫原子結(jié)合成氫分子。而有一定濃度的氫原子擴散到一個空穴內(nèi)，結(jié)合成氫分子。因為氫分子不能在空穴內(nèi)向外擴散，導(dǎo)致空穴內(nèi)的氫濃度和壓力上升。當鋼中氫濃度達到某個臨界值時，氫壓足以誘發(fā)裂紋，在氫源不斷向裂紋中提供H2的情況下，裂紋不斷擴展。

③氫腐蝕機理

氫腐蝕是指在高溫高壓條件下，氫進入金屬，發(fā)生合金組分與氫的化學反應(yīng)，生成氫化物等，從而導(dǎo)致合金強度下降，發(fā)生沿晶界開裂的現(xiàn)象。氫腐蝕中伴隨著化學反應(yīng)。如含氧銅與氫原子反應(yīng)，生成水分子高壓氣體；又如，碳鋼中滲碳體與氫原子反應(yīng)，生成甲烷高壓氣體。

2H＋Cu2O→2Cu＋H2O

4H＋Fe3C→3Fe＋CH4

在高溫高壓含氫條件下，氫分子擴散到鋼的表面，并產(chǎn)生物理吸附，被吸附的部分氫分子轉(zhuǎn)變?yōu)闅湓?，并?jīng)化學吸附。然后直徑很小的氫原子會通過晶格和晶界向鋼內(nèi)擴散。固溶的氫與滲碳體反應(yīng)生成甲烷，甲烷在鋼中擴散能力很低，聚集在晶界原有的微觀空隙內(nèi)。反應(yīng)進行過程中，降低了該區(qū)域的碳濃度，其他位置上的碳通過擴散給予不斷補充。這樣甲烷量不斷增多，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使該處發(fā)展為裂紋，當氣泡在晶界上達到一定壓力后，造成沿晶開裂和脆化。

3、影響氫損傷的因素（1）氫含量影響氫含量增加，氫損傷敏感性加大，鋼的臨界應(yīng)力下降，延伸率減小。當H2中含有適量O2、CO、CO2時，將會大大抑制氫損傷滯后開裂過程，因為鋼表面吸附這些物質(zhì)分子將會造成對氫原子的競爭吸附，阻止了對氫吸附。（2）溫度的影響隨著溫度的升高，氫的擴散加快，使鋼中含氫量下降，氫脆敏感性降低，當溫度高于65℃時，一般就不易產(chǎn)生氫脆了。當溫度過低，氫在鋼中的擴散速度大大降低，也使氫脆敏感性下降，故氫脆一般在-30～30℃范圍易于產(chǎn)生。但對于氫損傷，如氫與合金中成分的反應(yīng)如脫碳過程，則必須在高溫高壓下才會發(fā)生，這是由于高溫下化學反應(yīng)活化能會降低。（3）溶液pH值的影響酸性條件能夠加速氫的腐蝕，隨著pH值的降低，斷裂時間縮短，pH＞9時，則不易發(fā)生斷裂。（4）合金成分的影響一般Cr、Mo、W、Ti、V、Nb等元素，能夠和碳形成碳化物，因此可以細化晶粒，提高鋼的韌性，對降低氫損傷敏感性是有利的。而Mn能夠使臨界斷裂應(yīng)力值降低，故加入鋼中是有害的。

4、氫損傷的控制措施（1）選用耐氫脆合金（2）添加緩蝕劑或抑制劑（3）合理的加工和焊接工藝三、腐蝕疲勞1、概述機械部件在使用過程都會遇到疲勞的問題，若是由于腐蝕介質(zhì)而引起的疲勞性能的降低，則稱為腐蝕疲勞。它是指在循環(huán)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下發(fā)生的開裂現(xiàn)象，是疲勞的一種特例。

純的力學疲勞有疲勞極限，只有在疲勞極限以上的應(yīng)力才產(chǎn)生疲勞破裂。而在腐蝕介質(zhì)中很難找到真正的疲勞極限，只要循環(huán)次數(shù)足夠大，腐蝕疲勞將會在任何應(yīng)力下發(fā)生。在循環(huán)應(yīng)力作用下通常能起阻滯作用的腐蝕產(chǎn)物膜很容易遭受破壞，使新鮮金屬表面不斷暴露。

在工程技術(shù)上腐蝕疲勞是造成安全設(shè)計的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生突然破壞的最經(jīng)常原因。例如，由于油井鹽水的腐蝕作用，使從地下抽油的鋼制油井活塞桿只有很短的使用壽命。船用螺旋槳、礦山上用的牽引鋼絲繩、汽車彈簧、內(nèi)燃機連桿、汽輪機轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)盤等都會發(fā)生腐蝕疲勞。另外，在化學工