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金屬是最重要的工業材料。但是，金屬 在外界環境影響下常遭受化學和電化學的作用而引起腐蝕失效。從熱力學的觀點來看，除少數的貴金屬(如金、鉑) 外，各種金屬都有與周圍介質發生作用而轉變成離子的傾向。也就是說，金屬受腐蝕是自然趨勢。因此，腐蝕失效現象是普遍存在的，鋼鐵結構在大氣中生銹，海船 外殼在海水中腐蝕，地下金屬管道穿孔，熱電廠鍋爐損壞，化工廠金屬容器損壞等等，都是金屬腐蝕失效的例子。據統計，1998年美國因腐蝕帶來的經濟損失高 達2760億美元，占美國GDP的3%以上。世界航空業因腐蝕原因造成的民航飛機的破壞占總破壞量的40%～60%，其中不乏因腐蝕失效造成的航空事故。
由於材料表面與環境介質發生化學或電化學反應而引起的材料的破壞或變質稱為材料的腐蝕。腐蝕的分類方法很多，以下是兩種常見的分類方法。
1.1 按腐蝕機理分類
(1)化學腐蝕金屬表面與周圍介質發生化學作用而引起的破壞，其特點是在作用過程中沒有電流產生。金屬在乾燥氣體中的腐蝕，金屬在非電解質中的腐蝕都屬於化學腐蝕。
(2)電化學腐蝕金屬表面與周圍介質發生電化學作用而引起的破壞。其特點是介質中有能導電的電解質溶液存在，腐蝕過程中有電流產生。這類腐蝕最普遍，包括：大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、電解質溶液腐蝕和熔融鹽腐蝕。
1.2按腐蝕破壞的形式分類
(1)均勻腐蝕在全部或大部分暴露的表面上發生的相對均勻的腐蝕，例如鋁合金在鹼性溶液裡發生的腐蝕。這類腐蝕容易分析和進行壽命預測，容易防護。
(2) 局部腐蝕腐蝕主要局限於微小區域中。局部腐蝕的腐蝕速度通常比均勻腐蝕大幾個數量級，而且難以發現，可能導致災難性失效，因此它的危害要比 均勻腐蝕大得多。局部腐蝕又可分為以下幾類：點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕、氫損傷和腐蝕疲勞。
還可以按腐蝕環境分類，如前所述的海水腐蝕、土壤腐蝕、大氣腐蝕、電解質溶液腐蝕、熔融鹽腐蝕，以及生物腐蝕、非電解質溶液的腐蝕、雜散電流腐蝕和高溫腐蝕(氧化、硫化)等等。
2 金屬腐蝕的形貌和分析方法
2.1 均勻腐蝕
前 面已介紹了均勻腐蝕的特點，它是從腐蝕的外觀來定義的，因此僅憑外觀觀察就可以做出判斷。均勻腐蝕(UniformCorrosion)中「均 勻」一詞並不很恰當，有人稱為全面腐蝕(GeneralCorrosion)，當然「全面」應該指被暴露的面。均勻腐蝕是最常見的、也是最簡單的一種腐蝕 形態。耐候鋼、鎂合金、鋅合金和銅合金常發生均勻腐蝕，而鈍化金屬如不銹鋼、鋁合金或鎳2鉻合金則通常發生局部腐蝕，鋁合金在鹼溶液中會發生均勻腐蝕。發生均勻腐蝕的金屬在化學成分、顯微組織和受力狀況方面在宏觀尺度上是均勻的。腐蝕介質通常也是均勻的，而且可以無障礙地接觸金屬表面。
取決於腐蝕產物是附著在金屬表面還是脫離開金屬表面，發生腐蝕後的材料厚度在外觀上可以增厚，也可以減薄，但剩餘的金屬厚度總是減薄的，有時候需要通過截面金相來測定。因此金屬材料的厚度損失經常用來表徵均勻腐蝕的程度。
2.2 點蝕
點蝕也是一種很常見的腐蝕形態，圖1是某型航空發動機不銹鋼葉片上的點蝕坑的剖面金相。
圖1 航空發動機不銹鋼葉片上的點蝕，表面有鎳鍍層
圖2 航空發動機的不銹鋼葉片在蝕孔處萌生疲勞裂紋
2.3 晶間腐蝕
晶間腐蝕是指晶界相或與之緊鄰的區域作為陽極優先溶解，而晶內很少或沒有腐蝕。發生晶界腐蝕後從材料的外觀上有可能看不出任何變化。確認晶間腐蝕的方法是金相檢驗，拋光後無需侵蝕即可看到因腐蝕變粗變黑的晶界(圖3)。
圖3 航空發動機排氣管1Cr18Ni9Ti不銹鋼的晶間腐蝕
圖4 飛機貨艙中7075鋁合金結構件的剝蝕
變 形鋁合金有一種特殊形式的晶間腐蝕———剝層腐蝕或簡稱剝蝕。當鋁合金被軋制、鍛壓或擠壓成型材時，晶粒變形成為長條狀，大量的晶界相互平行， 並平行於材料的長度方向。當晶間腐蝕沿著長度方向進行時，材料被一層一層地分離。腐蝕產物堆積在晶界上，如同在晶界上打入了無數的小楔子，使構件在厚度方 向發生膨脹，因此，構件表面鼓包和鉚釘頭斷掉都是剝層腐蝕的症狀。對剝蝕的確認方法仍然是金相檢驗。
3 應力腐蝕斷裂的失效分析
3.1 應力腐蝕的條件
應 力腐蝕斷裂(簡稱SCC或應力腐蝕)是對SCC敏感的材料在環境和拉應力的同時作用下發生的脆性斷裂。這裡特別強調共同作用，先受拉應力再去掉 應力單純受腐蝕或先腐蝕後再去除腐蝕環境單純受拉應力所引起的破壞都不是應力腐蝕斷裂。應力腐蝕斷裂是一種亞臨界裂紋生長現象，分為裂紋萌生、裂紋亞臨界 擴展和剩餘截面最終過載斷裂三個階段。發生SCC時，環境的腐蝕性較弱，應力水平也低於材料的屈服強度，因此材料表面一般沒有明顯的腐蝕現象，材料也沒有 塑性變形，加之SCC裂紋很纖細，很難被發現，從而易發生突發性的斷裂，造成災難性後果。工程實踐表明，SCC是很常見的同時也是很危險的一種斷裂失效模 式。
發生SCC需要同時滿足兩個條件：
(1)拉伸應力雖然有學者認為在壓應力作用下也能發生SCC，但是絕大多數 SCC發生在拉應力作用下。應力可以來自工作載荷、冷加工或熱加工的殘 余應力、裝配應力及腐蝕產物的楔力等。對於光滑試樣或工件存在一個SCC門限應力，對於預裂試樣或工件，存在一個SCC門限應力強度因子KⅠSCC，低於 它們則不發生SCC。
(2)特定的材料/環境組合SCC的一大特點是需要材料和環境的特定組合。表1列出了常見的能發生SCC的材料/環境組合。SCC通常只發生在合金上，純金屬很少發生。
3.2 應力腐蝕斷口的特徵
SCC裂紋和斷口有一些獨特的特徵，按宏觀和微觀分別歸納如下，所謂宏觀是指靠肉眼或光學放大的尺寸範圍內，微觀是指應用掃瞄電子顯微鏡進行觀察的尺寸範圍內。需要注意的是，這些特徵只是多數SCC裂紋和斷口的一般規律，某些材料/環境組合發生SCC時，會有一些例外。
3.2.1 SCC的宏觀特徵
由 於SCC的發生需要腐蝕介質的參與，因此SCC裂紋多萌生於材料表面，裂紋源一般為局部腐蝕(比如點蝕或縫隙腐蝕)的蝕坑或其它類型的裂紋(如 焊接和熱處理裂紋)。SCC裂紋在宏觀上是脆性的，即使原本韌性很好的材料發生SCC時也是脆性的，宏觀上很少有塑性變形。微觀上裂尖塑性變形很小，裂尖 尖銳，導致很大的應力集中。許多SCC裂紋在宏觀上分叉，裂紋平面與主應力基本垂直。與疲勞斷裂相似，從裂紋亞臨界擴展區尺寸與過載瞬斷區尺寸的比例關係 可以推測應力水平的高低。由於環境條件的變化或SCC/過載的交替進行，SCC斷口上會出現海灘花樣，應與疲勞區分開來。由於SCC斷口常常由於腐蝕或介 質污染而變色，這為區分SCC與疲勞提供了一條途徑。
圖5 飛機不銹鋼液壓管中分叉的SCC裂紋
圖6 在斷裂的飛機4340M鋼輪軸上垂直於主斷口的剖面上的二次裂紋
SCC 裂紋在材料中的路徑有沿晶，也有穿晶，還有混合的，取決於材料、熱處理和環境。鋁合金、低碳鋼、高強鋼和α黃銅等材料的SCC斷口為沿晶 的，而鎂合金和γ不銹鋼出現穿晶分叉的SCC裂紋。沿晶斷口常被輕微腐蝕或被少量腐蝕產物覆蓋，以致電鏡下沿晶小刻面的平面不光滑、稜角不銳利(圖7)， 或者小刻面上有腐蝕坑，嚴重時小刻面上有腐蝕溝槽，即所謂「核桃紋」。
圖7T10鋼的沿晶SCC斷口
圖8 2024鋁合金SCC斷口上的泥紋花樣(3.5%NaCl水溶液)
4.1 氫損傷的特點和分類
氫 損傷指在金屬中發生的一些過程，這些過程導致金屬的承載能力因氫的出現而下降。氫損傷可以按照不同方式分類。按照氫損傷敏感性與應變速度的關係 可分為兩大類。第一類氫損傷的敏感性隨應變速度的增加而增加，其本質是在加載前材料內部已存在某種裂紋源，故加載後在應力作用下加快了裂紋的形成和擴展。 第二類氫損傷的敏感性隨應變速度的增加而降低，其本質是加載前材料內部並不存在裂紋源，加載後由於應力與氫的交互作用逐漸形成裂紋源，最終導致材料的脆性 斷裂。
4.1.1 第一類氫損傷
第一類氫損傷包括以下幾種形式：
(1) 氫腐蝕由於氫在高溫高壓下與金屬中第二相夾雜物或合金添加物發生化學反應，生成的高壓氣體，這些高壓氣體造成材料的內裂紋和鼓泡，使晶界結合力減弱，最終使金屬失去強度和韌性。
(2) 氫鼓泡過飽和的氫原子在缺陷位置(如夾雜)析出後，形成氫分子，在局部造成很高氫氣壓，引起表面鼓泡或內部裂紋。
(3) 氫化物型氫脆氫與週期表中ⅣB或ⅤB族金屬親和力較大，容易生成脆性的氫化物相，這些氫化物在隨後受力時成為裂紋源和擴展途徑。
氫在上述三種情況下造成了金屬的永久性損傷，使材料的塑性或強度降低，即使從金屬中除氫，這些損傷也不能消除，塑性或強度也不能恢復，故稱為不可逆氫損傷。
4.1.2 第二類氫損傷
第二類氫損傷包括以下幾種形式：
(1) 應力誘發氫化物型氫脆在稀土、鹼土及某些過渡族金屬中，當氫含量不高時，氫在固溶體中的過飽和度較低，尚不能自發形成氫化物。在加載後，由於應力作用，使 氫在應力集中處富集，最終形成氫化物。這種應力應變作用誘發的氫化物相變，只是在較低的應變速度下出現的。然而，一旦出現氫化物，即使去載荷除氫，靜止一 段時間後，再高速變形，塑性也不能恢復，故也屬於不可逆氫脆。
(2) 可逆氫脆含氫金屬在緩慢的變形中逐漸形成裂紋源，裂紋擴展後最終發生脆斷。但在未形成裂紋前，去載荷除氫，靜止一段時間後再高速變形，材料的塑性可以得到 恢復，為可逆氫脆。加載之前材料若已含有氫則稱為內部氫脆，而在致氫環境中加載則稱為外氫脆。人們通常所說的氫脆主要是指可逆氫脆，這是氫損傷中最主要的 一種破壞形式，因此有時把氫損傷簡單地稱為氫脆。本文主要針對這種形式的氫損傷。
4.2 氫脆斷口的特徵
4.2.1 裂紋起源
工件如果不承受高水平的外加拉伸應力或殘餘拉伸應力，則氫脆裂紋通常起源於工件內部或近表面處。工件如果存在嚴重的應力集中，比如表面有尖銳的缺口，開裂可能起源於近表面處。
4.2.2 裂紋形貌
氫 脆斷口與其它脆性斷口很相似，容易混淆，因此在進行失效分析時應慎重對待斷口花樣。氫脆裂紋通常是單一裂紋，沒有明顯的分叉。裂紋可以是穿晶 的，也可以是沿晶的，還可以是混合的，有時隨擴展的進行從一種花樣轉變為另一種花樣。高強材料和有雜質的材料出現沿晶斷口的可能性大，這時的晶界面相對於 SCC的晶界面來講，非常乾淨光潔。在延性不太好的合金中(體心立方)，穿晶裂紋的花樣可能是解理或准解理。在延性好的低強度鋼或面心立方金屬中，斷口花 樣可能是韌窩，隨著延性下降，韌窩尺寸變小。
對於有預裂紋的高強度鋼的氫致延遲斷裂，斷口花樣與KⅠ/KⅠC的比值有關。比值大，機械斷裂的比重大，斷口呈現韌性花樣(韌窩、准解理)的可能性大；比值小，則氫有充分的機會起作用，斷口上出現脆性花樣(沿晶、解理)的可能性增加。
低碳鋼的氫致沿晶斷口很獨特。材料變形時空洞首先在FeC3上形核，但優先沿晶界擴展，這樣就獲得了所謂的「韌性沿晶斷口」，即斷口是沿晶的，但晶界面是由韌窩構成；或在沿晶小刻面上出現細小的、發育不完整的韌窩(圖9)，即所謂「雞爪痕」。
圖9 高強鋼電鍍充氫後拉伸時發生的氫脆沿晶斷口上的「雞爪痕」
圖10 高強鋼氫脆斷口上解理與韌窩帶共存
對於內部氫脆，斷口上沒有腐蝕產物，除非斷開後斷口接觸過腐蝕介質。斷口上的外來物質即使有也是痕量的，除非斷口被污染過。對於痕量的斷口表面物質，需要應用俄歇譜儀進行分析。
對於在水介質中發生的外氫脆，斷口和整個暴露表面通常發生程度不一的腐蝕，腐蝕的陰極過程為氫脆的發生提供了氫。
5 腐蝕疲勞的失效分析
5.1 腐蝕疲勞的特點
材 料在交變應力和腐蝕環境共同作用下發生的脆性斷裂稱為腐蝕疲勞。交變應力與腐蝕環境共同作用所造成的破壞要比單純的交變應力造成的破壞(即疲 勞)或單純腐蝕作用造成的破壞要嚴重得多。嚴格地講，除真空中的疲勞是真正的機械疲勞外，其它任何環境(包括大氣)中的疲勞都是腐蝕疲勞，但人們常把大氣 中的疲勞排除在腐蝕疲勞之外。腐蝕疲勞具有以下特點：
(1)任何金屬在交變應力和腐蝕介質的共同作用下都會發生腐蝕疲勞。換句話說，腐蝕疲勞不像SCC那樣需要材料與環境的特定組合。
(2)腐蝕疲勞裂紋很容易在材料表面形成，所以腐蝕疲勞的裂紋擴展壽命占總壽命的絕大部分，這一特點與SCC以及大氣中的光滑疲勞試驗正好相反。
(3)腐蝕疲勞的S2N曲線無水平段，即沒有疲勞極限，只得把人為規定的循環次數(107)所對應的應力稱為條件疲勞極限。在相同條件下腐蝕疲勞S2N曲線總是位於機械疲勞S2N曲線的下方。
(4)交變應力變化頻率對機械疲勞影響不大，但對腐蝕疲勞影響極大。如果循環次數一定，頻率越低，腐蝕介質與金屬作用的時間就越長，腐蝕疲勞就越嚴重。
(5)在海水中金屬的腐蝕疲勞強度與其抗拉強度之間沒有明顯的關係，或者說提高材料的強度水平並不能提高它的腐蝕疲勞強度，但在空氣中卻有明顯的關係。
(6)腐蝕疲勞對應力集中不及大氣中的疲勞敏感，尺寸因素對腐蝕疲勞的影響則與大氣中的疲勞相反。
5.2 腐蝕疲勞斷口的特徵
由 於機理上的關聯性，腐蝕疲勞斷口與機械疲勞、SCC和氫脆斷口有相似之處，應注意區分。在起源和擴展的不同階段，可能發生腐蝕疲勞與其它斷裂機 理之間的轉變，或者多種機理同時起作用。腐蝕疲勞裂紋起始於表面腐蝕坑或表面缺陷處，往往成群出現。腐蝕疲勞和機械疲勞都可能有多個起始點並擴展匯合成一 條單一裂紋，但有時可區分兩者：腐蝕疲勞經常有多條裂紋形成並同時平行擴展(圖11)；機械疲勞可能在工件的一個區域中的幾個點上萌生出多條裂紋，但常是 一條裂紋成為主裂紋，其它裂紋沒擴展多遠就匯入這條裂紋中。
圖11 飛機起落架作動筒上多條腐蝕疲勞裂紋平行擴展
圖12 2024鋁合金腐蝕疲勞斷口上模糊的疲勞條帶和腐蝕坑
飛 機主起落架輪軸(材料：4340M鋼)從中部斷裂，斷口圓周3點鐘位至10點鐘位區間腐蝕嚴重(圖13)，已無法進行斷口分析。對無腐蝕的10 點鐘位至3點鐘位區間進行的斷口分析結論為快速撕裂，人字紋的方向表明撕裂從10點鐘位以下順時針發展而來。根據輪軸承受三點彎曲載荷的特點，可以斷定斷 裂起源於6點鐘位附近。為弄清起源處的斷裂機理，在6點鐘位垂直於斷口做剖面磨製金相試樣，可見尖銳、沿晶、分叉的二次裂紋(圖6)，是典型的SCC特 點，由此可以確定斷裂的起源為SCC。飛機滑跑時輪軸承受動態三點彎曲載荷，但這個時間很短。飛機升空後輪軸即卸載。每天飛機地面停放的時間相當長，輪軸 承受長時間的靜態三點彎曲載荷，輪軸長度方向中部的6點鐘位承受最大的拉伸應力，該應力與積存於此處的腐蝕介質的共同作用，造成SCC。SCC裂紋從輪軸 底部沿兩側圓周向上擴展，達到臨界尺寸後發生輪軸的快速過載斷裂。輪軸開裂後繼續接觸腐蝕介質，造成斷口嚴重腐蝕。對斷口上的鐵銹和二次裂紋縫內進行 EDAX分析，發現除輪軸材料成分和氧外還有鈉、鉀、鈣、鋁、銅和磷，這些成分與飛機清洗水的成分相符。
圖13 飛機主起落架輪軸(4340M鋼)斷口
輪軸外表面有硬鉻鍍層，應該為輪軸基體提供良好的保護。但是，由於硬鉻鍍層在拉應力作用下開裂，腐蝕介質沿裂縫到達基體材料，由於鉻相對於鋼為陰極性鍍層，從而導致基體材料的腐蝕(圖14)。鉻不腐蝕，但基體的腐蝕導致鍍層的剝落。這一現象表明輪軸的防腐體系存在不足。
圖14 硬鉻鍍層(上)中的開裂導致腐蝕介質順裂縫到達基體材料(4340M鋼，下)並造成基體材料的腐蝕
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