物理學(xué)在金屬焊接接頭的腐蝕中的研究應(yīng)用

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

近幾年來，由于除金屬以外的材料、合成材料等大量使用以及實(shí)用環(huán)境的苛刻，使得材料腐蝕、失效對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。材料的腐蝕現(xiàn)象是自發(fā)產(chǎn)生的，從熱力學(xué)角度分析，材料在腐蝕過程中，其體系結(jié)構(gòu)的自由能會(huì)隨之逐漸降低[1]。金屬焊接接頭腐蝕的產(chǎn)生原因，主要是受到周圍環(huán)境因素的影響，發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，金屬焊接接頭腐蝕是一種常見的腐蝕現(xiàn)象之一。在現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，由于其運(yùn)行環(huán)境之間惡劣，加之高溫、高壓的影響，金屬焊接接頭很容易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。焊接是將兩種或兩種以上材料，通過加熱或加壓的方式將其結(jié)合，并達(dá)到原子級(jí)上的永久性連接。焊接工藝的基本原理是采用外部施加能量的方式完成，以此促進(jìn)兩個(gè)分離的材料實(shí)現(xiàn)原子接近，并形成原子鍵[2]。因此，金屬焊接接頭既涉及到化學(xué)領(lǐng)域，又涉及到物理學(xué)領(lǐng)域。隨著新工藝的產(chǎn)生，人們對(duì)于不同構(gòu)成結(jié)構(gòu)的性能提出了更高的要求，為保證金屬焊接接頭結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，本文開展物理學(xué)在金屬焊接接頭的腐蝕中的研究應(yīng)用，對(duì)工程施工企業(yè)的安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)工程意義。

1 金屬焊接接頭腐蝕物理學(xué)應(yīng)用研究

1.1 明確發(fā)生物理學(xué)腐蝕條件

根據(jù)金屬焊接接頭常見的應(yīng)用環(huán)境，明確發(fā)生物理學(xué)腐蝕條件。造成金屬焊接接頭產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象的主要原因，是由于受到物理學(xué)中的靜應(yīng)力影響，當(dāng)金屬焊接接頭的靜應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕[3]。在工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，周圍環(huán)境當(dāng)中含有大量潮濕的介質(zhì)時(shí)，金屬焊接頭也極易發(fā)生腐蝕破壞，這一腐蝕現(xiàn)象的物理學(xué)原因是由于殘留拉應(yīng)力所造成，這種腐蝕現(xiàn)象可以通過應(yīng)力退火的方式避免。除此之外，金屬焊接接頭發(fā)生物理學(xué)腐蝕條件還包括以下幾點(diǎn)：

第一，只有金屬焊接接頭含有特殊的合金成分，并且在特定高介質(zhì)條件當(dāng)中，才會(huì)發(fā)生物理學(xué)腐蝕，例如某種工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中常見的黃銅金屬材料焊接接頭，在氨溶液當(dāng)中會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，但在水溶液當(dāng)中便會(huì)直接發(fā)生破裂現(xiàn)象；

第二，通常情況下，金屬焊接接頭的腐蝕擴(kuò)展速率可達(dá)到10-8～10-5m/s，并且腐蝕擴(kuò)展是漸進(jìn)緩慢的，因此只有在其達(dá)到一種亞臨界狀態(tài)時(shí)，并且其余斷面無法再承受更大的外載力時(shí)，才會(huì)突然出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

第三，只有在金屬焊接接頭的表面蝕坑位置才會(huì)產(chǎn)生物理學(xué)的腐蝕現(xiàn)象，而在光滑的表面基本不會(huì)產(chǎn)生，并且裂紋在擴(kuò)展過程中會(huì)伴隨著垂直方向上的拉力影響。

第四，只有破壞斷口表現(xiàn)為暗灰色，并且由腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生時(shí)才能說明金屬焊接接頭發(fā)生了腐蝕。當(dāng)破壞斷口表面光滑，并且顏色具有一定金屬光澤時(shí)，則通常情況下為疲勞斷口。

第五，金屬焊接接頭處發(fā)生穿晶斷裂或晶間斷裂時(shí)，基本可以認(rèn)為是物理學(xué)腐蝕。同時(shí)，若為穿晶斷裂結(jié)構(gòu)，則其接頭位置上會(huì)產(chǎn)生平滑的平面，并且裂紋會(huì)呈現(xiàn)出“人”字形[4]。

1.2 物理學(xué)腐蝕抗力指標(biāo)及檢測(cè)

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，判斷金屬焊接接頭的物理學(xué)腐蝕特性。圖1為金屬焊接接頭受到物理學(xué)腐蝕時(shí)，被破壞時(shí)間與初始應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系對(duì)應(yīng)圖。

圖1 被破壞時(shí)間與初始應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系對(duì)應(yīng)圖

由圖1中金屬焊接接頭腐蝕過程中，被破壞時(shí)間與初始應(yīng)力強(qiáng)度曲線圖可得，當(dāng)τ值小于物理學(xué)腐蝕門檻值時(shí)，則在應(yīng)力的作用下，金屬焊接接頭能夠在長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕環(huán)境當(dāng)中不發(fā)生破壞；當(dāng)τ值大于物理學(xué)腐蝕門檻值時(shí)，則在腐蝕性的環(huán)境當(dāng)中，隨著應(yīng)力的作用，金屬焊接接頭產(chǎn)生裂紋，并逐漸呈現(xiàn)出亞臨界擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。隨著裂紋的不斷增加，在裂紋尖端的τ值會(huì)隨之不斷增加，進(jìn)而達(dá)到某一階段時(shí)發(fā)生斷裂，將該時(shí)段數(shù)值設(shè)為τc；當(dāng)τ值大于τc時(shí)，則受到初始載荷的作用，受到物理學(xué)腐蝕影響的金屬焊接接頭會(huì)立即發(fā)生斷裂。

1.3 影響物理學(xué)腐蝕因素分析

金屬焊接接頭的物理學(xué)腐蝕只會(huì)在一定的材料介質(zhì)組合的條件下才會(huì)產(chǎn)生，在某些特定情況下也會(huì)發(fā)生物理學(xué)腐蝕裂紋，例如在濃度很低的介質(zhì)當(dāng)中。通常情況下，介質(zhì)的濃度越高、周圍環(huán)境溫度越高，則金屬焊接接頭越容易發(fā)生物理學(xué)腐蝕。

在不同類型的介質(zhì)當(dāng)中，金屬焊接接頭具有不同的抗物理學(xué)腐蝕開裂能力，如表1所示。

表1 接頭發(fā)生物理學(xué)腐蝕的材料組成及介質(zhì)組成

通常情況下，當(dāng)不同類型介質(zhì)的濃度不斷增加時(shí)，金屬焊接接頭的臨界物理學(xué)腐蝕開裂相應(yīng)的應(yīng)力會(huì)隨之減小。

金屬焊接接頭所處環(huán)境溫度也是影響物理學(xué)腐蝕因素之一，當(dāng)金屬焊接接頭所處介質(zhì)的溫度不斷減小時(shí)，金屬材料受到熱脹冷縮的影響，其物理學(xué)腐蝕開裂發(fā)生的概率也會(huì)隨之增加[5]。在達(dá)到一定溫度的介質(zhì)環(huán)境當(dāng)中，由于受到金屬焊接接頭本身應(yīng)力的影響，由上文可知當(dāng)應(yīng)力不斷增加時(shí)，會(huì)加劇金屬焊接接頭裂紋的擴(kuò)展，因此會(huì)進(jìn)一步增加金屬焊接接頭物理學(xué)腐蝕開裂的敏感度。

除此之外，金屬焊接接頭的材料組成以及組織狀態(tài)對(duì)其物理學(xué)腐蝕的敏感度也有著較大的影響。金屬焊接接頭若為純金屬材料則不會(huì)發(fā)生物理學(xué)腐蝕現(xiàn)象，但隨著金屬焊接接頭使用時(shí)間的增加，其吸附的雜質(zhì)將逐漸增加，造成其物理學(xué)腐蝕的敏感性加大。當(dāng)金屬焊接接頭組成材料的晶粒不斷加粗，金屬焊接接頭的物理學(xué)腐蝕敏感度也會(huì)逐漸增加。金屬焊接接頭的物理學(xué)腐蝕敏感度越高，則越容易發(fā)生腐蝕并開裂。

2 結(jié)語

本文開展了對(duì)物理學(xué)在金屬焊接接頭的腐蝕中的研究應(yīng)用，對(duì)金屬焊接接頭在日常應(yīng)用中產(chǎn)生的物理學(xué)腐蝕現(xiàn)象影響因素提供了依據(jù)。通過研究得出，金屬焊接接頭的物理學(xué)腐蝕會(huì)受到介質(zhì)濃度、所處環(huán)境周圍溫度以及材料的組成狀態(tài)影響。因此，根據(jù)本文研究，在后續(xù)應(yīng)用金屬焊接接頭時(shí)，可通過控制周圍環(huán)境中的上述因素，實(shí)現(xiàn)金屬焊接接頭的防腐蝕性能，以此提升工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)行效率。