耐蚀性是指给定的腐蚀体系内,环境引起金属腐蚀的能力。不锈钢的耐腐蚀性能一般随铬含量的增加而提高。其基本原理是,当钢中有足够的铬时,在钢的表面形成非常薄且致密的氧化膜,它可以防止进一步的氧化或腐蚀。氧化性的环境可以强化这种膜,而还原性环境则必然破坏这种膜,造成钢的腐蚀。金属腐蚀是金属在介质作用下逐渐破坏的过程。在同一介质中,不同不锈钢的锈蚀速度不同;而同一不锈钢在不同腐蚀性介质中,锈蚀情况也不一样。金属的腐蚀,按腐蚀机理分为化学腐蚀与电化学腐蚀。
化学腐蚀是指在介质中直接发生的化学作用,即金属同介质中的离子直接交换电荷。钝化防护薄膜之所以能阻止金属再受腐蚀,其重要的一个方面是阻碍其离子交换和电荷交换的速度。
电化学腐蚀是金属在电介质中,由于电极反应而发生的腐蚀。在许多电化学腐蚀过程中,有一种金属与另一种金属共同参与,或者金属内部各不同相的组成物共同参与,即形成所谓的电偶腐蚀。此种情况下,一种金属构成阳极受腐蚀而发生溶解;另一种金属构成阴极而发生还原反应,工程中的金属腐蚀,绝大多数属于电化学腐蚀。
不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀(表面腐蚀)和局部腐蚀,局部腐蚀又分为点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等。据分析不锈钢的腐蚀破坏,90%以上为局部腐蚀造成的。
1. 均匀腐蚀
均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金属截面不断减少,对于被腐蚀的受力零件而言,会使其承受的真实应力逐渐增加,最终达到材料的断裂强度而发生断裂。
评定均匀腐蚀的方法是在试验条件下,测出单位面积上经一定时间腐蚀以后所损失的质量[g/(㎡·年)],即腐蚀速率,若以被腐蚀的深度(mm/年)计,则更便于计算设备的耐蚀寿命。表1-12 为耐蚀性分级。
2. 点腐蚀
点腐蚀是指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微,而分散发生高度的局部腐蚀,常见蚀点的尺寸小于1.0mm,深度往往大于表面孔径,轻者为较浅的腐蚀坑,严重的点腐蚀会形成穿孔。
点腐蚀是不锈钢常见的腐蚀破坏类型之一。它是在介质作用下,由于表面有一些缺欠,如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表面暴露出来,使钝化膜在这些地方被破坏,接触腐蚀介质后形成腐蚀坑,然后从外向内发展,从而遭到严重的阳极腐蚀。点腐蚀属于局部腐蚀,不锈钢在含有氯离子(Cl-)的介质中,最易引起点腐蚀。
在不锈钢中加入钼、锰、硅、钒或稀土合金元素,降低钢中碳的含量,提高铬、镍含量均能有效地提高抗点蚀能力。现有的超低碳高铬镍含钼的奥氏体不锈钢和超高纯低碳低氮含钼的高铬铁素体不锈钢均有较高的耐点腐蚀性能。
3. 缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是指由于金属表面或非金属表面形成狭缝或间隙,在狭缝内或近旁发生的局部腐蚀。缝隙腐蚀为斑点状或溃疡形状的宏观腐蚀坑。缝隙腐蚀主要是介质的电化学不均匀性引起的。
缝隙腐蚀常发生在垫圈、铆接、螺钉连接的接缝处,搭接的焊接接头、阀座、堆积的金属片间等处。由于连接的缝隙处被腐蚀产物覆盖以及介质扩散受到限制等原因,导致该处的介质成分和浓度与整体相比有很大差别,形成“闭塞电池腐蚀”作用。
部分奥氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢和马氏体型不锈钢在海水中均有不同程度的缝隙腐蚀倾向。在钢中适当地增加铬、钼含量,可以改善抗缝隙腐蚀能力。
4. 晶间腐蚀
沿着或紧挨着金属晶界产生的腐蚀,称之为晶间腐蚀。
晶间腐蚀是一种有选择性的腐蚀破坏,它与一般选择性腐蚀的不同之处在于,腐蚀的局部性是显微尺度的,而宏观上不一定是局部的。这种类型的腐蚀发生以后,有时从外观上不易被察觉,但晶界区因腐蚀已遭到破坏,晶粒间的结合强度几乎完全丧失。腐蚀深度较大者可失去金属声,构件有效承载截面大减而导致过载断裂。受腐蚀严重的金属甚至成为粉末,从构件上脱落下来。这是一种危害性很大的腐蚀破坏。
奥氏体型不锈钢会发生晶间腐蚀是由于这类钢加热到600~800℃温度区间会发生敏化,其机理是过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散,与晶界附近的铬结合形成铬的碳化物(CrFe)23C6并在晶界沉淀析出;由于碳比铬的扩散快得多,铬来不及从晶内补充到晶界附近,因而晶界区贫铬而形成晶间腐蚀。在某些超低碳含钼奥氏体型不锈钢中,在敏化温度区间的晶界析出铬含量很高的σ相,其邻近区也会贫铬,贫铬的金属在腐蚀介质作用下,首先被腐蚀溶解。这些都是金属出现晶间腐蚀的原因。铁素体型不锈钢也有形成晶间腐蚀的倾向。
5. 应力腐蚀
应力腐蚀是指金属在某种特定环境与相应水平应力(拉应力)的共同作用下,以裂纹扩展方式发生的与腐蚀有关的断裂。特定环境下无应力或应力水平太低,不会引起应力腐蚀。同样的,有相当水平应力而无特定环境也不会发生应力腐蚀。所谓特定环境,是指只有当介质的成分和浓度范围适当时,才能导致某种相应金属的应力腐蚀。
不锈钢焊接构件应力腐蚀断裂,断口呈脆性断裂特征。常在未发现的情况下发生断裂,而且是瞬间断裂,往往造成灾难性事故,其危害性极大,因此,不锈钢焊接构件应力腐蚀问题应当引起高度重视。