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      海洋材料(29):鋁的腐蝕形態(tài)

      2016年03月07日 9:57 4266次瀏覽 來源:   分類: 新材料前沿

        鋁及其合金除了在少數(shù)介質(zhì)中呈現(xiàn)全面腐蝕,如堿溶液和磷酸溶液外,一般都發(fā)生局部腐蝕。常見的腐蝕形態(tài):點(diǎn)腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、絲狀腐蝕、層狀腐蝕、應(yīng)力腐蝕形裂與腐蝕疲勞等,這些腐蝕形態(tài)在船舶艦艇與海洋設(shè)施中都可能發(fā)生。
        鋁合金的應(yīng)力腐蝕形裂與腐蝕疲勞是在應(yīng)力(拉應(yīng)力或交變應(yīng)力)與腐蝕聯(lián)合作用下發(fā)生的破壞,比較多見于高強(qiáng)度鋁合金。由于破壞發(fā)生比較突然,大多發(fā)生在受力的結(jié)構(gòu)中,具有極大的瞬間破壞危險(xiǎn),引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛興趣并進(jìn)行了比較細(xì)致深入的研究,形成了從實(shí)驗(yàn)研究到機(jī)里探討等大量著作。
        點(diǎn)腐蝕
        點(diǎn)蝕又稱孔蝕,是在金屬中產(chǎn)生針狀、點(diǎn)狀、小孔狀的一種極為局部的腐蝕形態(tài),它是陽極反應(yīng)的一種獨(dú)特形式。點(diǎn)蝕最早是由局部電池引起的,隨著時(shí)間延長,點(diǎn)蝕速度逐漸放慢。工業(yè)純鋁即1XXX系合金對點(diǎn)蝕有很高的抵抗能力,含有少量Cu的3003合金也有良好的抗蝕性。工業(yè)純鋁的點(diǎn)蝕速度隨其純度的提高而下降,特別是當(dāng)其Fe、Cu含量低時(shí);Al-Mg系的5XXX合金也有良好的抗點(diǎn)蝕性能,它們的艦船與海洋設(shè)施中用得較多,故可稱為海洋變形鋁合金。Al-Mg-Si系6XXX合金既有點(diǎn)蝕傾向又有晶間腐蝕傾向。硬鋁和超硬鋁薄板應(yīng)包覆鋁與Al-Zn-Mg合金,以防點(diǎn)蝕。
        鋁及鋁合金的點(diǎn)蝕程度隨介質(zhì)不同而異,田園大氣比工業(yè)大氣和海洋大氣中的輕,水中產(chǎn)生的點(diǎn)蝕比大氣中的嚴(yán)重,材料表面狀態(tài)不同點(diǎn)蝕程度也不同,有包鋁層的合金的點(diǎn)蝕比未包鋁合金的輕得多。
        在大氣、淡水、海水以及中性水溶液中都會發(fā)生點(diǎn)腐蝕,嚴(yán)重的點(diǎn)蝕可導(dǎo)致穿孔。幸運(yùn)的是腐蝕孔達(dá)到一定深度會停止發(fā)展。鋁的抗蝕性比鋼及鍍鋅鋼的高得多,鋼會一直腐蝕下去,而鍍鋅鋼在鍍鋅層破壞后會加速劇烈地腐蝕。點(diǎn)蝕程度還與介質(zhì)及合金有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明,鋁合金點(diǎn)腐蝕介質(zhì)中還必須存在破壞局部鈍態(tài)的陰離子,如氯離子、氟離子等。從鋁合金系來看,高純鋁不易發(fā)生點(diǎn)腐蝕,含銅的鋁合金對點(diǎn)腐蝕最敏感、而3XXX系及5XXX系合金有相當(dāng)強(qiáng)的耐點(diǎn)蝕性能。
        晶間腐蝕
        晶間腐蝕是沿著金屬晶粒邊界發(fā)生的選擇性腐蝕。晶界是金屬晶粒間的錯(cuò)接區(qū),是高能區(qū),有更強(qiáng)的化學(xué)活性,因而晶界大都比晶粒腐蝕得快,若晶界明顯地活潑得多,就會發(fā)生晶間腐蝕。
        2XXX系合金如2024在人工時(shí)效時(shí),晶間有CuAl2沉淀,在晶粒邊界形成貧Cu區(qū)域,該區(qū)電位最負(fù),于是腐蝕沿著晶界貧Cu區(qū)進(jìn)行,形成晶間腐蝕。7XXX系合金固溶處理后為均勻的固溶體,在經(jīng)過具有晶間腐蝕傾向的人工時(shí)效處理后,晶間會沉淀電位為-0.86V的MgZn2,在晶粒邊界形成電位為-0.57V的合金元素(Mg和Zn)區(qū),而晶粒本身為固溶體,其電位為-0.68V。顯然,由于MgZn2的電位最負(fù),于是腐蝕沿著晶間進(jìn)行。
        由于晶間腐蝕發(fā)生在金屬內(nèi)部,往往不易發(fā)現(xiàn)而會突然引起結(jié)構(gòu)破壞,甚至造成重大事故。1981年8月,中國臺灣省有一架波音737貨運(yùn)飛機(jī)在一次高空飛行中因晶間腐蝕而失事,事后檢查發(fā)現(xiàn),該機(jī)因常用于運(yùn)輸活魚和海產(chǎn)品,使機(jī)身鋁結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕。
        工業(yè)純鋁在大氣、淡水及中性溶液中發(fā)生點(diǎn)蝕,不產(chǎn)生晶間腐蝕;3XXX系合金和形成Mg2Si外無過剩Si的6XXX系合金無晶間腐蝕傾向,因?yàn)镸nAl6相和Mg2Si相各與其固溶體的電位相近,若有過剩Si存在則有晶間腐蝕敏感性。
        Al-Cu、Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg、Al-Zn-Mg-Cu、Mg含量>3%的Al-Mg系合金有晶間腐蝕傾向。熱處理不當(dāng)時(shí),在晶界上有CuAl2、AlxCuxMg、MgZn2、Al2ZnxMg、Mg2Al3等相沉淀,它們的電位與晶粒本身及晶界電位相差較大,形成微電池,引起晶間腐蝕。在含Cu的合金中,Al2Cu為陰極,晶界附近貧Cu區(qū)為陽極,發(fā)生溶解。
        可以通過材料的加工工藝、熱處理參數(shù)的合理搭配與選擇,以及控制引起晶間腐蝕的合金元素含量,能有效地控制晶間敏性程度或甚至消除。例如2A12合金板材的最佳人工時(shí)效規(guī)范為190℃/(6h~12h);型材的為190℃/(6h~12h);2A16合金板材的為190℃/18h或210℃/12h;2A10合金線材的為75℃/24h;2A16合金線材的為190℃/18h。
        2A12-T4合金經(jīng)190℃/12h人工時(shí)效后,再在125℃~170℃長時(shí)間穩(wěn)定化處理或在200℃以上穩(wěn)定化處理,可以消除晶間腐蝕;2A16合金經(jīng)190℃/18h人工時(shí)效和穩(wěn)定化處理可以消除晶間腐蝕敏感性;2A06-T4合金材料經(jīng)200℃、250℃或300℃穩(wěn)定化處理后無晶間腐蝕傾向。

      責(zé)任編輯:淮金

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