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鈦的氫脆及應力腐蝕斷裂

是46億歲的老人了,鈦及鈦合金既能耐高溫,又能抗腐蝕,既有高強度,又有低密度,生物相容性又好,他作為萬能金屬一時獨占鰲頭,人們稱鈦為金屬中的戰(zhàn)斗機,生物金屬,未來金屬,這些名號令人眼花繚亂。

不過鈦是46億歲的老人了。在這些眼花繚亂的稱號背后,他清楚的知道隱藏著什么。他想提醒人類的是,多關注自然和宇宙,讓自己的欲望少一些,這其實是挺嚴肅的話題。是什么引起了他的這番思考呢,當然是他是冶煉過程。前已述及,鈦的冶煉異常困難,因為他的化學性質(zhì)太過活潑,跟元素周期表里的大多數(shù)元素都能反應。其實鈦的整個冶煉過程是一個復雜的化學反應過程,要想把他分離提煉出來可不是一件簡單容易的事情。拿鈦的金紅石礦來說,人類需要先用氯把他從TiO2那里拽出來,生成TiCl4,然后再用比鈦更活潑可愛的鎂,把他從TiCl4里還原出來,然后再在真空的環(huán)境中把蒸餾,鈦被蒸餾出來渾身疏松而多孔,形似海綿,這便是他名字的由來了。

的整個冶煉過程是個電解還原的過程,需要用到大量的電,從來沒有哪種金屬的冶煉用過如此之多的電,以至于他的價格幾乎是用電費堆出來的——每得到一頓海綿鈦,需要3000~4000 kW?h的電量,工業(yè)用電價格,1度電0.989元,僅僅電費都快趕上售價了,又因為所有過程都要在特殊設備,特殊環(huán)境(因為鈦很活波嘛)中進行,因此他的冶煉成本及其高昂,高昂的成本意味著鈦的冶煉對環(huán)境極不友好,其實鈦冶煉廠就是一個巨大的化工廠,高耗能,高排放,高污染。

金屬的應力腐蝕斷裂和氫脆是兩種既經(jīng)常相關而又不同的現(xiàn)象。在高溫高壓氫氣中結構件的開裂,既是HE,又是SCC;水溶液中應力腐蝕時,若陰極過程析出的氫對斷裂起了決定性作用,則這種破壞既是SCC,也是HE。

應力腐蝕斷裂(SCC) 是應力與腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用下引起的金屬斷裂現(xiàn)象(見金屬腐蝕)。它有三個主要特征:①應力腐蝕斷裂是時間的函數(shù)。拉伸應力越大,則斷裂所需時間越短;斷裂所需應力一般都低于材料的屈服強度。這種應力包括外加載荷產(chǎn)生的應力、殘余應力、腐蝕產(chǎn)物的楔形應力等。②腐蝕介質(zhì)是特定的,只有某些金屬-介質(zhì)的組合(見表)情況下,才會發(fā)生應力腐蝕斷裂。若無應力,金屬在其特定腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速度是微小的。③斷裂速度在純腐蝕及純力學破壞之間,斷口一般為脆斷型。

氫脆(HE) 又稱氫致開裂或氫損傷,是一種由于金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開裂或損傷的現(xiàn)象。所謂“損傷”,是指材料的力學性能下降。在氫脆情況下會發(fā)生“滯后破壞”,因為這種破壞需要經(jīng)歷一定時間才發(fā)生。氫的來源有“內(nèi)含”的及“外來”的兩種:前者指材料在冶煉及隨后的機械制造(如焊接、酸洗、電鍍等)過程中所吸收的氫;而后者是指材料在致氫環(huán)境的使用過程中所吸收的氫(見金屬中氫)。致氫環(huán)境既包括含有氫的氣體,如H2、H2S;也包括金屬在水溶液中腐蝕時陰極過程所放出的氫。

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