Der Forschungsstand der Spannungskorrosionstheorie von Aluminiumlegierungen

Nach mehr als einem Jahrhundert Forschung gibt es in akademischen Kreisen immer noch Meinungsverschiedenheiten über den Mechanismus, der Plattenepithelkarzinome verursacht. Die derzeit akzeptierten Mechanismen sind wasserstoffinduziertes Cracken und anodische Auflösung.

1. Wasserstoffinduziertes Cracken

Seit Mitte der 1970er Jahre haben viele Experimente gezeigt, dass der SCC der hochfesten Aluminiumlegierung der 7er-Serie zum wasserstoffinduzierten Rissmechanismus gehört. Die Theorie geht davon aus, dass: (1) Wasserstoff durch Versetzungen zur Korngrenze wandert und sich in der Nähe der ausgefällten Phase ansammelt, was die Bindungsstärke der Korngrenze stark verringert, die Korngrenze schwächt und intergranulare Brüche verursacht; (2) Aufgrund der Ansammlung von Wasserstoff im Riss fördert der entstehende Wasserstoffdruck den Bruch der Legierung; (3) Wasserstoff fördert die Verformung der Legierung und verursacht den Bruch; (4) Das gebildete Hydrid fördert den Bruch der Legierung. Der derzeit vorgeschlagene wasserstoffinduzierte Crackmechanismus basiert hauptsächlich auf den folgenden Theorien:

(a) Wasserstoffdrucktheorie: Wenn im Metall übersättigtes H vorhanden ist, verbindet es sich an verschiedenen mikroskopischen Defekten zu H2. Bei Raumtemperatur handelt es sich um eine irreversible Reaktion, d. h. H2 zerfällt nicht mehr in H. Beim Defekt H2 steigt mit steigender Konzentration auch der Wasserstoffdruck. Wenn der Wasserstoffdruck größer als die Streckgrenze ist, kommt es zu einer lokalen plastischen Verformung, die die Oberfläche anschwellen lässt und Wasserstoffblasen bildet.

(b) Theorie der schwachen Bindung: Der Wasserstoff im Metall verringert die Bindungskraft der Atombindung. Wenn die lokale Spannungskonzentration gleich der Bindungskraft der Atombindung ist, bricht die Atombindung und es entstehen Mikrorisse.

(c) Wasserstoff verringert die Oberflächenenergietheorie: Wasserstoff verringert die Bindungskraft und verringert gleichzeitig zwangsläufig die Oberflächenenergie und umgekehrt. Wasserstoff wird an der Innenfläche des Metallrisses adsorbiert, wodurch die Oberflächenenergie verringert wird, was zu der kritischen Spannung führt, die für die Instabilität und Ausbreitung des Risses erforderlich ist. Da plastische Verformungsarbeit nicht berücksichtigt wird, ist sie nicht auf Metallwerkstoffe anwendbar.

(d) Umfassender wasserstoffinduzierter Rissmechanismus: Dieser Mechanismus berücksichtigt umfassend die Rolle von Wasserstoff bei der Förderung lokaler plastischer Verformung, von Wasserstoff bei der Reduzierung der atomaren Bindungskraft und des Wasserstoffdrucks.

2, Anodenauflösung

Die Theorie der anodischen Auflösung [7–9] geht davon aus, dass die kontinuierliche Auflösung des Anodenmetalls zur Keimbildung und Ausbreitung von SCC-Rissen führt, was zum Bruch der Legierungsstruktur führt. Die Hauptpunkte der anodischen Auflösungstheorie von SCC aus Aluminiumlegierungen sind wie folgt:

(1) Anodenkanaltheorie: Entlang des lokalen Kanals tritt Korrosion auf und es entstehen Risse. Die Zugspannung verläuft senkrecht zum Kanal und an der Spitze des lokalen Risses entsteht eine Spannungskonzentration. Der bereits vorhandene Anodenkanal in der Aluminiumlegierung wird von der ausgefällten Korngrenzenphase und dem Substratpotential getrennt. Der Unterschied wird durch den Unterschied verursacht, und die Spannung führt dazu, dass sich der Riss öffnet und die frische Oberfläche freilegt. In diesem Fall beschleunigt sich die Korrosion entlang der Korngrenze.

(2) Gleitauflösungstheorie: Es gibt lokale Schwachstellen im Oberflächenoxidfilm der Aluminiumlegierung, an denen SCC auftritt. Unter Einwirkung von Spannung bewegt sich ein Teil der Legierungsmatrix entlang der Gleitschiene und bildet eine Gleitleiter. Wenn der Oberflächenfilm groß ist und sich bei der Bildung der Gleitleiter nicht entsprechend verformen kann, reißt der Film und legt die frische Oberfläche frei, es kommt zu Kontakt mit korrosiven Medien und es kommt zu einer schnellen anodischen Auflösung.

(3) Filmbruchtheorie: Auf der Metalloberfläche befindet sich im korrosiven Medium ein Schutzfilm, der durch Stress oder aktive Ionen verursacht wird. Die freiliegende frische Oberfläche und der verbleibende Oberflächenfilm bilden eine kleine Anoden- und eine große Kathodenkorrosionsbatterie, was zu einer frischen anodischen Auflösung auf der Oberfläche führt.

3. Zusammenwirken von Anodenauflösung und wasserstoffinduziertem Cracken

Anodische Auflösung und wasserstoffinduziertes Cracken sind zwei verschiedene Konzepte. Eine reine anodische Auflösung kann durch kathodischen Schutz verhindert werden. Bei wasserstoffinduzierter Rissbildung fördert die kathodische Polarisation tendenziell die Rissbildung. Einige Systeme basieren auf der anodischen Auflösung, und bei einigen handelt es sich hauptsächlich um wasserstoffinduziertes Cracken. Die SCC von Aluminiumlegierungen umfasst häufig diese beiden Prozesse gleichzeitig, und es ist tatsächlich schwierig, diese beiden Phänomene klar zu unterscheiden.

Najjar et al. [10] fanden heraus, dass die SCC der 7050-Aluminiumlegierung in 3 %iger NaCl-Lösung das Ergebnis des kombinierten Effekts von anodischer Auflösung und wasserstoffinduzierter Rissbildung ist. Zu Beginn löst sich die Anode aufgrund der Potentialdifferenz der Partikel an der Korngrenze der Legierung lokal auf, wodurch der Passivierungsfilm reißt, kritische Defekte entstehen und Mikrorisse entstehen. Mit der Zunahme der lokalen anodischen Auflösung an der Korngrenze diffundieren reduzierende H-Atome in die Prozesszone und interagieren mit der mikroskopischen charakteristischen Struktur, der Rissspitzenspannung und der plastischen Dehnung und verursachen Schäden.

Zusätzlich zum oben erwähnten SCC-Mechanismus untersuchten die Forscher den SCC-Mechanismus auch aus anderen Perspektiven, hauptsächlich unter Einbeziehung der Migrationstheorie der SCC-Oberfläche, der Theorie der versetzungsfreien Zone des SCC und des semiempirischen Modells des Risswachstums