ĂN MÒN DƯỚI ỨNG SUẤT

Chơng 3
Ăn mòn dới ứng suất
Đây là trờng hợp thờng gặp nhất trong thực tiễn, tổn thất gây ra lên tới
28% tổng thiệt hại do ăn mòn. Hai tác nhân cùng phối hợp, thúc đẩy lẫn nhau
làm phá huỷ vật liệu nhanh hơn. ứng suất và ăn mòn đợc xem xét trong điều
kiện: môi trờng ăn mòn có hoạt tính trung bình, không đổi và ứng suất kéo
hoặc uốn nằm trong vùng đàn hồi.
3.1. ý nghĩa của ăn mòn dới ứng suất
ứng suất tác dụng đồng thời với ăn mòn thì cả hai đều đợc khuếch đại và
gây nên phá huỷ nhanh chóng chi tiết (hình 3.1a, b, c).
Ví dụ điển hình là: vỏ đạn bị ăn mòn ứng suất làm mất tác dụng.
Ví dụ khác là bình chứa nhiên liệu N
2
O bằng hợp kim titan bị vỡ gây tai
nạn nguy hiểm do hiện tợng ăn mòn ứng suất.
Môi trờng: Mỗi loại vật liệu có những môi trờng điển hình làm nhạy cảm
với ăn mòn dới ứng suất.
ứng suất có thể là: các ứng suất d hình thành trong quá trình chế tạo,
hoặc do đặc điểm của chi tiết (vỏ đạn và đầu đạn) trong ví dụ trên vỏ đạn
chịu kéo. Tuy các ứng suất này còn nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn đàn hồi
của vật liệu chi tiết.
3.2. Các phơng pháp nghiên cứu
Hình 3.2 trình bày sơ đồ mẫu thử với độ biến dạng không đổi, hình 3.3 với
tải trọng không đổi và hình 3.4 cho thấy cơ chế phá huỷ khi xảy ra ăn mòn
ứng suất.
3.3. Cơ chế phá huỷ do ăn mòn ứng suất
Cơ chế phá huỷ trình bày trên hình 3.4 cho phép quan sát sự phát triển
của vết nứt theo thời gian trong điều kiện tải trọng và tốc độ ăn mòn không
đổi.

Hình 3.1. Hình ảnh phá huỷ do ăn mòn ứng suất
a. Vết nứt xuất hiện và cắt ngang hạt tinh thể; b. Vết nứt đi qua biên giới hạt,
xuất hiện các vết nứt trong; c. Các vết nứt phát triển

Hình 3.2. Ăn mòn ứng suất với độ biến dạng không đổi
mẫ u
mẫ u
mẫ u
a)
b
)

c)
Oxit
Nứt ngoài
Nứt trong
Oxit
Nứt ngoài
Oxit
Nứt trong
Nứt ngoài

Hình 3.3. Ăn mòn ứng suất với tải trọng không đổi









Hình 3.4. Cơ chế phá huỷ do ăn mòn ứng suất

3.3.1. Quan hệ giữa tốc độ ăn mòn và cờng độ ứng suất K
I
Trên hình 3.5 trình bày quan hệ giữa cờng độ ứng suất K
I
và tuổi bền của
chi tiết (hoặc ngợc lại).

Hình 3.5. Quan hệ giữa cờng độ ứng suất K
I
và tuổi bền của vật liệu
P
P
Nứt
mẫ u thử
K
I
,
MPa.m
1/2
Tuổi bề n,




(phút)
1000

100 10
(a)
K
ISCC

K

IC

50
100
(b)
Phá huỷ với trị số K
I
> K
IC
, trong đó K
IC
là độ dai phá huỷ của vật liệu khi
có vết nứt.
K
ISCC
là hệ số cờng độ ứng suất tới hạn để vết nứt bắt đầu phát triển. Giá
trị tới hạn K
ISCC
giảm khi cờng độ ứng suất K
I
và tốc độ ăn mòn tăng.
Tốc độ phát triển của hệ số cờng độ ứng suất tăng khi trị số K
I
ban đầu
lớn.
Trên hình 3.6 là mẫu thử cho thấy giá trị của K
I
phụ thuộc vào các yếu tố
cơ học (M), hình học (B, D và

). Ngoài ra, sự biến đổi của K
I
còn phụ thuộc
vào tốc độ ăn mòn, thông qua chiều dài vết nứt (a). Các đờng nét đứt trên
giản đồ chỉ ra khi tốc độ ăn mòn lớn hơn.







Hình 3.6. Mẫu thử ăn mòn ứng suất Hình 3.7. Tuổi bền phụ thuộc
vào ứng suất và tốc độ ăn mòn
K
I
phụ thuộc vào hình dạng chi tiết và đặc tính của tải trọng. Với dầm tiết
diện chữ nhật chịu tải trọng uốn (hình 3.6), ta có:
K
I
=
2/3
2/1
3
3
D.B

1
.M.12,4

với

= 1


D
a

trong đó: M là mômen uốn [kg.mm];
a là độ dài vết nứt (thay đổi theo thời gian) [mm];
B, D lần lợt là chiều rộng và chiều cao của dầm.
Hình 3.7 biểu thị tuổi thọ của vật liệu khi bị ăn mòn ứng suất phụ thuộc
vào môi trờng ăn mòn. Với cùng ứng suất, mẫu thử bị phá huỷ nhanh hơn
trong môi trờng làm vật liệu nhạy cảm với ăn mòn ứng suất.
3.3.2. Tốc độ phát triển vết nứt
Quan hệ giữa tốc độ phát triển vết nứt với hệ số cờng độ ứng suất K
I

(hình 3.8) cho thấy ba giai đoạn nối tiếp nhau:
M
Vế t nứ t
B
D

a




Chiều tốc độ
ă n mòn tăn
g

Giai đoạn I. Phát triển vết nứt: Tuy tốc độ phát triển lớn nhng giá trị nhỏ,
hệ số cờng độ ứng suất ở thời điểm này có giá trị xấp xỉ K
ISCC
cho nên không
xảy ra bất kỳ sự phá huỷ nào của vật liệu.
Giai đoạn II.
Tốc độ phát triển vết nứt không đổi, qua đây ta có thể xác
định đợc thời gian tơng ứng với mỗi trị số cờng độ ứng suất để có vết nứt
có chiều dài là l (t = l /V). Ngợc lại biết l và t ta có thể xác định đợc
tốc độ phát triển vết nứt V = l /t.
Giai đoạn III. Phá huỷ xảy ra tức thời vì tốc độ phát triển vết nứt quá lớn
không xác định đợc.








Hình 3.8. Sự phát triển vết nứt khi Hình 3.9. Phát triển vết nứt trong

ăn mòn ứng suất hợp kim làm tuabin TiAl6V4

Đờng 1:1000 mV; Đờng 2: 500 mV (phân cực anôt); Đờng 3: 0 mV; Đờng
4: 1000 mV; Đờng 5: 1500 mV (phân cực catôt)
Hình 3.9 trình bày tốc độ phát triển vết nứt theo hệ số cờng độ ứng suất
và tốc độ ăn mòn của hợp kim TiAl6V4.
3.3.3. Quan hệ giữa ứng suất và sự thụ động ăn mòn
Trên bề mặt thép lớp oxit làm thụ động ăn mòn, có độ dai phá huỷ rất nhỏ
(1-5 MPa.m
1/2
). Dới tác dụng của ngoại lực, vật liệu có thể biến dạng nhng
lớp oxit sẽ bị phá huỷ

nứt. Đáy vết nứt là anôt do đó ăn mòn sẽ u tiên xảy
ra ở đáy vết nứt (hình 3.10).


Hình 3.10. Nơi xảy ra
ăn mòn ứng suất
Các trờng hợp cơ bản sau đây:
Ăn mòn
+





K
ISCC

K
IC
K
I

lgV
III II
I
10

5

10

4

10

3

10

2

Tốc độ ăn
mòn tăng
K
I
,MPa.m
1/2

5
4
3
2
30
20
10
1
V
1. Nếu môi trờng ăn mòn không nhạy cảm với ăn mòn ứng suất thì quá
trình tái lập lại lớp màng oxit thụ động sẽ xảy ra và thép sẽ đợc bảo vệ (hình
3.11a).
2. Nếu môi trờng ăn mòn có hoạt tính cao (thúc đẩy ăn mòn ứng suất) thì
không tạo lại đợc màng thụ động, cùng với ứng suất, quá trình ăn mòn sẽ dẫn
tới phá huỷ vật liệu (hình 3.11b).












a) b)
Hình 3.11. cơ chế ăn mòn ứng suất

Hình 3.12 mô tả cơ chế hỗn hợp giữa ăn mòn cơ học và điện hoá. Do tạo
thành MeOHCl
n+
.









3.4. Các yếu tố ảnh hởng tới ăn mòn ứng suất
Quá trình ăn mòn thờng khởi đầu ở vùng tinh giới, sự phát triển của quá
trình ăn mòn dới ứng suất không khác gì với việc phát triển vết nứt dới tác
M
ặ
t tr
ợ
t
Màng thụ động
Mặ t tr ợt
Màng thụ động
Kim loại trần

Màng thụ động
Mặ t tr ợt Mặ t tr ợt
Màng thụ động

Kim loại trần

Mặ t tr ợt
Màng thụ động
tá i thiế t lậ p
Mà ng thụ đ ộ ng
Kim loạ i trần
b
ị
ăn mòn
Màng thụ động

Mặ t tr ợt
Hì nh 3.12
. Vai trò của anion
Cl

làm cho màng thụ độ ng
không thể thiết lập đ ợc
Màng thụ động
Ăn mòn
Cl


Cl


Cl

Cl


Cl


dụng của tải trọng thay đổi. Hai yếu tố này khi đợc kết hợp với nhau sẽ làm
cho nguy hiểm tăng lên gấp bội.
3.4.1. ảnh hởng của ứng suất
ứng suất nén có tác dụng hạn chế ăn mòn ứng suất. Chỉ có ứng suất kéo
có tác dụng thúc đẩy ăn mòn ứng suất, do đó ở các thùng chứa vết nứt do ăn
mòn ứng suất chỉ phát triển ở mặt ngoài nơi chịu ứng suất kéo (hình 3.13). Để
làm giảm tác hại của ăn mòn ứng suất, ngời ta có thể tạo ứng suất nén d ở
mặt ngoài bằng phun bi hoặc phun cát.
Hai nhóm ứng suất cần quan tâm là ứng suất bên ngoài (ngoại ứng suất)
và ứng suất bên trong (nội ứng suất): ứng suất bên ngoài (ứng suất thô đại)
ngoại trừ các sự cố gây nên các tai nạn, nói chung ta có thể xác định cũng
nh chế ngự đợc. ứng suất bên trong không thể đo đạc đợc hoặc rất khó
đo đợc chính xác. Ngày nay ngời ta quan tâm nhiều đến nội ứng suất trên
lớp bề mặt. Nội ứng suất bề mặt thờng liên quan đến các công nghệ nhiệt
luyện và xử lý bề mặt nh tôi bề mặt, các công nghệ biến cứng bằng cơ học
nh: phun bi, phun cát làm sạch, lăn ép ứng suất do xử lý tạo lớp phủ bề
mặt có thể bằng điện hoá hoặc bằng các phơng pháp khác nhau, các xử lý
này đều có thể gây ứng suất cả ở lớp phủ cũng nh trong vật liệu chi tiết.
3.4.2. ảnh hởng của thời gian
Theo thời gian quá trình ăn mòn ứng suất trải qua các giai đoạn khác
nhau:
- Giai đoạn ủ bệnh: ở giai đoạn này cha xảy ra điều gì, thờng không xác
định đợc chính xác thời gian ủ bệnh dài bao nhiêu vì nó chịu ảnh hởng của
nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài, nhng khi kết thúc thì lại rất đột ngột.

- Giai đoạn phát triển: ở giai đoạn này tốc độ phát triển có thể nhanh
chậm khác nhau tuỳ thuộc vào môi trờng, độ lớn và đặc điểm của ứng suất.
- Thời gian: Một mặt thời gian có thể ảnh hởng trực tiếp đến độ lớn và sự
phân bố ứng suất bên trong, do đó mà ảnh hởng đến ăn mòn dới ứng suất.
Đặc biệt là đối với các chi tiết bằng vật liệu kim loại sau khi tôi, khi ram và
hoá già. Các tổ chức không (giả) ổn định có xu hớng chuyển đến trạng thái
ổn định hơn, nội ứng suất sẽ thay đổi khi có các chuyển biến pha này.

3.4.3. Môi trờng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất
Bảng 3.1 trình bày một số loại vật liệu và các môi trờng làm vật liệu bị ăn
mòn ứng suất.
Bảng 3.1. Môi trờng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất của một số vật liệu
Vật liệu
Môi trờng nhạy cảm với
ăn mòn ứng suất
Vật liệu
Môi trờng nhạy cảm với
ăn mòn ứng suất

Hợp kim
Al
Dung dịch NaCl+H
2
O
2

Dung dịch NaCl
Nớc biển, thuỷ ngân (Hg)
Khí quyển, hơi nớc

Hợp kim Cu
Hơi và dung dịch NH
3

Dung dịch amin
Nớc và hơi nớc
Thuỷ ngân (Hg)

Hợp kim
Au

Dung dịch FeCl
3

Dung dịch axit axêtic
Dung dịch muối axêtat

Hợp kim
Mg
Dung dịch NaCl+K
2
Cr
2
O
7
Khí quyển, khí quyển biển
Nớc cất
Monel NaOH nóng chảy
Axit HF
Ni kim loại NaOH nóng chảy

Inconel Dung dịch NaOH Pb kim loại Axêtat Pb



Thép
cacbon
Dung dịch NaOH
Dung dịch NaOH+NaSiO
3

Dung dịch nitrat
Ca,(NH
4
,Na)
Hỗn hợp axit H
2
SO
4
+HNO
3

Dung dịch HCN
Dung dịc H
2
S
Nớc biển
Hợp kim lỏng NaPb

Hợp kim
Ti

Axit HNO
3
đặc khói đỏ
Nớc biển
Dung dịch chứa N
2
O
4
,
metanol + HCl



Thép
không gỉ
Dung dịch MgCl
2
, BaCl
2

Dung dịch NaCl+H
2
O
2

Nớc biển
H
2
S
Dung dịch NaOH+H

2
S
Nớc ngng tụ có chứa
muối clorua

3.4.4. ảnh hởng của thành phần hoá học của vật liệu
Các nguyên tố hợp kim thờng có trong thép trớc tiên là Ni, nguyên tố
hợp kim quan trọng trong thép không gỉ austenit. Hình 3.17 trình bày ảnh
hởng của hàm lợng Ni đến tuổi thọ của chi tiết (thời gian trớc khi bị phá
huỷ). Ta nhận thấy khi tăng hàm lợng Ni thì tuổi thọ của chi tiết tăng (với
ứng suất và môi trờng ăn mòn không đổi). Thực tế việc tăng hàm lợng Ni
trên 25% làm cho giá thành rất cao và thép trở thành hợp kim cơ sở Ni.






Hình 3.16. Ăn mòn ứng suất gây
nứt vùng chịu kéo
Hình 3.17
. ảnh hởng của Ni đến tuổi thọ của
vật liệu chịu ăn mòn ứng suất

Hợp kim cơ sở Ni có u điểm là không bị ăn mòn ứng suất ở mọi nhiệt độ,
do đó đợc sử dụng để chế tạo động cơ tuabin của máy bay, tàu thuỷ. Trong
thép, Ni còn có tác dụng tăng độ dẻo, độ dai cho nên vai trò của nó không
chỉ ở việc chống ăn mòn tinh giới.
Cabon nói chung làm tăng nhạy cảm của thép đối với ăn mòn ứng suất
Các nguyên tố khác nh Nb làm tăng ăn mòn ứng suất; Mo với hàm lợng

dới 1,5% làm tăng ăn mòn ứng suất, nhng trên 4,3% lại làm giảm ăn mòn
ứng suất. Crôm nói chung làm giảm ăn mòn ứng suất. Các nguyên tố hợp kim
làm tăng sai lệch mạng tinh thể đều làm tăng ăn mòn ứng suất do cản trở
chuyển động của lệch.
3.5. Chống ăn mòn ứng suất
Các biện pháp chống ăn mòn ứng suất có thể kể ra dới đây:

Tìm cách tạo ứng suất nén d trên bề mặt vật liệu;
Bảo vệ catôt vật liệu nhằm loại trừ khả năng phân cực anôt và do đó
giảm nguyên nhân gây ăn mòn;
Thay đổi vật liệu có thể đợc nh thay thép không gỉ austenit bằng thép
ferit

austenit, dùng các mác thép có chứa các nguyên tố cản trở ăn mòn
ứng suất nh Mo, Ni; trung hoà ảnh hởng xấu của anion Cl

và tạo màng
oxit không dẫn điện nh Al
2
O
3

Vùng khô ng bị
phá huỷ

%Ni 40 20
1
10
100
100

0

, h
Vùng
p
há hu
ỷ

nứt

Dùng chất ức chế.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng thép không gỉ austenit nhạy cảm với ăn mòn
ứng suất, do các loại thép này nhạy cảm với ăn mòn tinh giới đã đợc đề cập
ở chơng 3.
Các hợp kim nhôm nhạy cảm với ăn mòn ứng suất dạng này là: AlZnMg,
AlZnMgCu, AlMg, Khi chọn chế độ nhiệt luyện thích hợp có thể điều chỉnh
đợc sự phân bố các pha và do đó hạn chế đợc tác hại của ăn mòn ứng
suất.
Nói chung hợp kim đồng nhạy cảm với ăn mòn trong môi trờng có
amoniac, và môi trờng ẩm ở nhiệt độ cao. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng,
các hợp kim dới đây đợc xếp theo trình tự tăng dần nhạy cảm với ăn mòn
ứng suất:
Cu-Ni < Cu-Si < Cu-Sn < Cu-Al < Cu-Zn
Chiều ăn mòn ứng suất tăng
3.6. Hiện tợng giòn do hydro
3.6.1. Các nguồn đa hydro vào kim loại
- Hydro hoà tan: Khi nấu luyện
- Hydro bên ngoài: Hydro nằm bên ngoài (trong môi trờng) thờng là các
hydro phân tử, các vật liệu kim loại tiếp xúc với môi trờng khí hydro trong
các trờng hợp sau: các chai khí nén hydro, các công trình đợc bảo vệ catôt,

trong quá trình bảo vệ luôn tạo thành khí hydro trên bề mặt chi tiết.
3.6.2. Nguyên nhân gây giòn của hydro
Khí hydro hoà tan trong kim loại thờng tích tụ ở các vùng tập trung của
lệch, do đó làm ngăn cản chuyển động của lệch và vật liệu bị giòn: tính giòn
do hydro thờng thể hiện rõ nét trong khoảng nhiệt độ từ 100 đến 100
o
C.
Sơ đồ tác dụng gây giòn của hydro thể hiện trên hình 3.18. Hydro nguyên
tử thoát ra từ phản ứng khử catôt đáy vết nứt làm nứt tăng.





Hình 3.18. Cơ chế gây giòn hydro
catô t
anôt
H
H

H

H

3.6.3. Các biện pháp chống giòn hydro
Chọn vật liệu không nhạt cảm với giòn hydro đặc biệt là nơi thờng tiếp
xúc với khí hydro.
ảnh hởng của cấu trúc tế vi hợp kim. Sau khi tôi hợp kim ít bị giòn hydro.
Sử dụng chất ức chế: O
2

, H
2
O, SO
2
trung hoà ảnh hởng có hại của H
2
S, một
chất làm thúc đẩy quá trình giòn hydro.
3.7. Ăn mòn mỏi
Cùng với ứng suất thay đổi (thờng là theo chu kỳ), hiện tợng ăn mòn
làm cho giới hạn mỏi của vật liệu giảm đi nhiều. Sự phá huỷ vật liệu do ăn
mòn kết hợp với ứng suất thay đổi gọi là hiện tợng ăn mòn mỏi. ở đây chỉ xét
quá trình ăn mòn mỏi với tải trọng thay đổi theo chu kỳ (hình 3.19).





Hình 3.19. Đặc điểm của tải trọng trong ăn mòn ứng suất
Gọi T là chu kỳ đặt tải trọng, f là tần số đặt tải trọng, f =
T
1
, biên độ của tải
trọng là P
a
, ta có: P
a
=
2
P P

min max


Tải trọng trung bình P
tb
=
N2
P P
N
1
min
N
1
max









N là số chu kỳ đặt tải trọng (chú ý P
min
< 0).

Để tạo lớp thụ động ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn nh oxit, cacbonat,
hydroxyt, của kim loại phải bám chắc trên bề mặt. Khi các sản phẩm này
giòn, dễ bị nứt khi chịu tải trọng thay đổi thì vật liệu nhạy cảm với ăn mòn

mỏi. Nghĩa là ăn mòn tạo ra các vết nứt và thúc đẩy sự phá huỷ mỏi xảy ra
nhanh hơn, tải trọng làm phá huỷ lớp thụ động để ăn mòn xảy ra nhanh hơn.
Vật liệu điển hình nhạy cảm với ăn mòn mỏi trong môi trờng khí quyển là
nhôm (hình 3.20). Khi chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ, lớp oxit nhôm trên
bề mặt giòn, do vậy các vết nứt xuất hiện rất nhanh. Khi kim loại mất lớp oxit
bảo vệ thì lập tức bị oxy hoá, cứ nh vậy vật liệu nhanh chóng bị phá huỷ, số
chu kỳ đặt tải trọng cho phép nhỏ.
P
MIN
P
MA
X
P
a
T








Hình 3.20. Ăn mòn mỏi nhôm và thép trong không khí
Thép do ít nhạy cảm với ăn mòn mỏi, từ tải trọng trung bình tới hạn (P
th
)
trở xuống thép đợc coi là bền lâu trong môi trờng (N trên 10
9
). N đặc trng

cho thời gian phục vụ của vật liệu hay còn gọi là tuổi thọ của vật liệu. Đối với
các vật liệu nhạy cảm với ăn mòn mỏi, khi cờng độ của tải trọng tăng (lực
lớn hoặc tần số đặt lực tăng) thì tuổi thọ của vật liệu giảm (hình 3.21). Tơng
tự, khi tốc độ ăn mòn tăng thì tuổi thọ của vật liệu giảm (hình 3.22).







Hình 3.21. ảnh hởng của
tải trọng đến tuổi thọ của
vật liệu N
Hình 3.22. ảnh hởng của tốc độ
ăn mòn đến tuổi thọ của vật liệu N
3.8. Ăn mòn - xói mòn, mài mòn
Ăn mòn-xói mòn là hiện tợng tăng tốc độ ăn mòn do chuyển động tơng
đối giữa môi trờng ăn mòn và bề mặt vật liệu. Khi tăng tốc độ chuyển động
tơng đối thì tốc độ ăn mòn tăng. Quá trình xói mòn làm phá huỷ dần bề mặt,
ban đầu tạo ra các đờng rạch, các chỗ trũng, sau đến các hõm, các lỗ sâu
trên bề mặt và cuối cùng là phá huỷ từng mảng bề mặt.
Ăn mòn-mài mòn là một dạng phá huỷ màng thụ động do sự chà xát giữa
hai bề mặt rắn làm tăng tốc độ ăn mòn. Tơng tự nh khi ăn mòn-xói mòn,
khi tốc độ tạo lớp thụ động lớn hơn hoặc bằng tốc độ mài mòn thì vật liệu
không nhạy cảm với ăn mòn mài mòn.
P
tb
Thép
Nhô m

N
10
9
10
6
10
3
P
th
P
tb
N
10
9
10
6
10
3
Chiề u tả i tr
ọ
n
g
tă n
g

Chiều tố c đ ộ ă n mòn tă ng
N
10
9
10

6
10
3
P
tb