第四章腐蝕磨損

1、第四章 腐蝕磨損4.1 概述4.2 基本原理、模型及影響因素4.3 試驗研究方法4.4 典型零件的失效分析 目目 錄錄4.1 4.1 概述概述 1、定義 腐蝕磨損是指摩擦副對偶表面在相對滑動過程中，表面材料與周圍介質發(fā)生化學或電化學反應，并伴隨機械作用而引起的材料損失現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損通常是一種輕微磨損，但在一定條件下也可能轉變?yōu)閲乐啬p。 實際工況中，腐蝕磨損往往受限于材料因素實際工況中，腐蝕磨損往往受限于材料因素( (材料的材料的成分、組織、力學性能、物化性能等成分、組織、力學性能、物化性能等) )、電化學因素、電化學因素( (腐腐蝕介質的種類、濃度、蝕介質的種類、濃度、pHpH

2、值等值等) )、力學因素、力學因素( (載荷、速度載荷、速度等等) )和環(huán)境因素和環(huán)境因素( (溫度及壓力等溫度及壓力等) )等的影響。腐蝕磨損行為等的影響。腐蝕磨損行為與純腐蝕行為和純磨損行為均有很大差異。與純腐蝕行為和純磨損行為均有很大差異。危害：在農機、礦冶、建材、石油化工及水利電力部門的許多機械設備中工作的零件，不僅受到嚴重的磨料磨損或沖蝕磨損，還要受到環(huán)境介質的強烈腐蝕破壞。據文獻報道，受到無機肥料或農藥強烈腐蝕磨損作用的噴撒機械，其使用壽命只達到設計指標的40 %-60%；在水田土壤中耕作的拖拉機履帶板只有旱田使用壽命的五分之一左右,-。美國每年約育23萬噸鋼材，全世界約有45萬噸

3、鋼材消耗于選礦設備的腐蝕磨損，其價值約為1一2億美元。4.2 4.2 基本原理、模型及影響因素基本原理、模型及影響因素（一）腐蝕磨損的基本原理 腐蝕磨損是腐蝕介質和磨料或硬質微凸體共同作用于表面引起材料損失的過程，在此過程中，金屬可以離子形式及整體方式脫離材料表面，其特點與單獨作用有顯著不同，腐蝕磨損量也遠不是兩者的簡單疊加。1. 腐蝕對磨損的影響 在腐蝕磨損過程中，由于腐蝕介質的作用，材料表面的機械性能將受到影響，從面降低材料的耐磨性。如果腐蝕介質在材料表面生成的腐蝕產物是疏松的或脆性的，隨后在磨料或其它微凸體的作用下就很容易破碎去除，從而導致材料磨損的增加。即使材料表面不形成這種腐蝕產物，

4、腐蝕過程也會導致材料表面組織結構的惡化，如產生晶間腐蝕。2磨損對腐蝕的影響 腐蝕磨損的電化學試驗表明，磨損過程可對腐蝕的陽極過程和陰極過程產生極大影響，腐蝕速度平均可增加2-4個數量級，最大可增加68個數量級。 大多數耐蝕金屬都是通過在表面形成可阻止腐蝕進一步發(fā)展的表面膜（鈍化膜）而具有良好的耐蝕性，但在磨損過程中，表面膜要受到不同程度的破壞，與作用力的大小，磨粒形狀等因素有關。由于表面膜的破壞材料裸露出的新鮮表而直接與介質發(fā)生電化學反應，會使陽極溶解速度急劇提高。 在腐蝕磨損過程中，材料表面的介質溶液不斷受到機械攪拌作用，其成分與溶液本體保持一致，從而消除了濃差極化現(xiàn)象，使腐蝕得以加速進行。

5、圖9.1示意地說明了這一現(xiàn)象。(二)腐蝕磨損的模型根據腐蝕介質的性質，可將腐蝕磨損分為兩大類：化學腐蝕磨損：金屬材料在氣體介質或非電解質溶液中的磨損。電化學腐蝕磨損：金屬材料在導電性電解質溶液中的磨損。 1.化學腐蝕磨損 在氣體介質中的腐蝕磨損實際上以氧化磨損為主，其過程主要是金屬表面與氣體介質發(fā)生氧化反應在表面生成氧化膜，隨后在磨料或微凸體作用下被去除的過程。對于鋼鐵材料，表面氧化膜的成長一般遵從拋物線規(guī)律。根據膜的機械性質RabZnowLch提出了兩個氧化磨損的模型。（1）脆性氧化膜的氧化磨損模型 在一定的氣體介質中，金屬材料表面會氧化生成臆性氧化膜，由于這種膜的物理機械性能與基體差別很大

6、，當它生長到一定厚度時，很容易被外部機械作用所去除并暴露出金屬基體。隨后在新鮮的金屬表面上又開始新的氧化一一磨損過程，如圖9.4所示。（2）韌性氧化膜的氧化磨損模型 如果生成的氧化膜是韌性的，并比基體金屬軟，當受外部機械作用時，可能只有部分氧化膜被去除，隨后的氧化過程仍是在氧化膜上進行。因此腐蝕磨損過程比脆性氧化膜的情況要輕微，如圖9. 5所示。2.電化學腐蝕磨損（特殊介質腐蝕磨損） 在摩擦副與酸、堿、鹽等特殊介質發(fā)生化學腐蝕的情況下而產生的磨損，稱為殊殊介質腐蝕磨損。其磨損機理與氧化磨損相似，但磨損率較大，磨損痕跡較深。金屬表面也可能與某些特殊介質起作用而生成耐磨性較好的保護膜。 人們提出了

7、一些特定條件下的模型。（1）材料的機械去除模型 如果在腐蝕磨損體系中，金屬材料在特定介質作用下發(fā)生均勻腐蝕，并可形成完整覆蓋的腐蝕產物，磨損的形成是由于磨料或硬質點的機械作用導致腐蝕膜（或氧化膜、鈍化膜）的去除，這種腐蝕磨損的特征可用圖9.6表示。 對于多相材料，尤其是具有碳化物相的耐磨材料，如高鉻白口鑄鐵，在酸性介質的磨損條件下，由于碳化物的電極電位大大高于基體組織，碳化物與基體之間可形成有效的腐蝕電池。從而產生相間腐蝕，嚴重削弱碳化物與基體的結合，在磨料或硬質點的機械作用下碳化物很容易從基體脫落或發(fā)生斷裂。如圖97所示。(2)材料的腐蝕去除模型 腐蝕磨損過程中，由于磨料的機械作用，材料表面

8、的電化學性質會發(fā)生變化，同時由于磨料也可參與形成腐蝕電池，使腐蝕磨損條件下的腐蝕過程大大加速。a.應變差異腐蝕電池模型 b金屬材料一磨料電偶腐蝕模型 前已述及，由了磨料的磨損作用，金屬材料表面產生不均勻的塑性變形，形成了“應變差異腐蝕電池，如圖98所示。塑性變形強烈的部位作為陽極首先受到腐蝕破壞，然后在磨料的繼續(xù)作用下很容易被去除形成所謂二次磨損。 如果磨料具有電活性，當它與金屬材料接觸時，也可形成金屬材料磨料電偶腐蝕電池，如圖99所示。在這種腐蝕電池中，金屬材料作為陽極會發(fā)生鐵的溶解，而贈料則作為陰極發(fā)生氧的還原反應。（三）腐蝕磨損的影響因素 對于某一特定材料，其腐蝕磨損取決于介質的腐蝕特性

9、和磨損過程的待點，并且它們之間還會互相影響，因此，腐蝕磨損的影響因素是十分復雜的。 材料的腐蝕磨損的影響因素較多，它既與腐蝕介質的材料的腐蝕磨損的影響因素較多，它既與腐蝕介質的種類，介質中固體顆粒特性、介質流速，以及固體顆粒對種類，介質中固體顆粒特性、介質流速，以及固體顆粒對基材沖擊角有關，也與材料本身的成分、組織結構、力學基材沖擊角有關，也與材料本身的成分、組織結構、力學機械性能有關，縱觀國內外研究工作都是圍繞著這些因素機械性能有關，縱觀國內外研究工作都是圍繞著這些因素開展的。開展的。1腐蝕介質的影響 對于鋼鐵材料，在靜態(tài)條件下、腐蝕隨PH值增加而減小。PH值主要是通過影響系統(tǒng)的電極過程和腐

10、蝕產物而影響材料的腐蝕。 由圖9.10可見，隨pH值增加，高鉻鑄鐵的腐蝕磨損量急劇減小1pH值達到5以后，基本上不再變化。這是由于在酸性介質中，容易發(fā)生氫的去極化過程，這時高鉻鑄鐵表面不能形成有效的保護膜，并且由于其復雜的多相結構，必使其容易在酸性介質中發(fā)生嚴重的相間腐蝕破壞。(2)介質成分的影響 圖911表示45鋼在幾種不同腐蝕介質中腐蝕磨損的比較。可見，在腐蝕性較強的H 2SO4和HCl組成的砂漿條件下。腐蝕磨損量是在堿性介質NaOH中的1416倍。在腐蝕性較弱的YaCl和自來水中，磨蝕量也為在NaOH中的1636倍。（3）介質濃度的影響 在靜態(tài)腐蝕條件下，材料的腐蝕速度隨介質濃度的變化一

11、般遵循兩種規(guī)律。如圖914所示。a.在低濃度條件下，材料表面會與介質作用形成保護膜，隨濃度增加到一定值，保護膜被溶解，導致腐蝕速度迅速上升，如曲線A所示。 b.隨濃度增加，溶液中活化質點或溶解氧濃度增加，達到一定濃度時，溶液電離度減小，或氧溶解度下降，使腐蝕速度下降如曲線B及所示。（4）介質溫度的影響 溫度增加對金后腐蝕有兩方面的影響： a提高化學反應速度，從而增加腐蝕速度。 b減少氧溶解度，從而減小腐蝕速度。（5）緩蝕劑的影響 為減少腐蝕的影響，許多研究人員采取了在介質中添加緩蝕劑的方法。因為在腐蝕磨損過程中，機械作用主要是通過影響電極反應的陽極過程，增加陽極溶解速度來促進材料的腐蝕。采用緩

12、蝕劑就是通過在陽極上形成鈍態(tài)的保護膜來抑制陽極過程。2機械因素的影響 磨損過程的機械作用主要是通過破壞材料表面膜和改變樹料表面電化學活性來影響其腐蝕磨損速度。不同的工作參數表現(xiàn)了不問的影響。（1）砂漿速度的影響 砂漿沖擊速度決定了磨料在材料表面機械作用的強度。隨沖擊強度的增加，表面膜破壞程度和表面電化學活性增加，因而材料的磨損速度上升。由于機械作用導致磨損程度的增加更為迅速因而腐蝕在腐蝕磨損中所占的比例下降。（2）砂漿沖擊角度的影響 在砂漿速度一定的條件下，改變砂漿沖擊角度，材科去除的機制及表面磨損形貌都相應發(fā)生變化。在腐蝕介質中，由腐蝕和磨損過程的相互作用，材料的去除機制及磨損形貌的變化特有

13、別于純磨損的情況，材料腐蝕速度隨沖擊角度的會化也將與純磨損的情況有明顯不同。（3）載荷的影響 如圖937所示。腐蝕電位的負移是由于載荷的增加，促進了材料鈍化腹或保護膜的破壞，導致了裸露金屑表面的增加。 圖937中的AJ表示腐蝕電流在腐蝕磨損相對純腐蝕過程中的增量。AJ隨載荷增加而擴大的現(xiàn)象反映了磨損機械作用對腐蝕速度影響的相應增加。（4）載荷作用頻率的影響 在實際零部件的腐蝕磨損過程中。環(huán)境介質的作用往往是以磨損一腐蝕或腐蝕磨損腐蝕的方式反復進行，因此研究載荷或磨損作用的頻率具有實際意義。3. 3. 材料因素的影響材料因素的影響 在實際工況中，耐磨性能和耐蝕性能往往是互相矛盾在實際工況中，耐磨

14、性能和耐蝕性能往往是互相矛盾的，比如硬質碳化物及其它第二相硬質點，高硬度馬氏體的，比如硬質碳化物及其它第二相硬質點，高硬度馬氏體基體及細化晶粒等都可能通過改善材料硬度、韌性等機械基體及細化晶粒等都可能通過改善材料硬度、韌性等機械性能提高其耐磨性，但這些因素也將增加材料組織的不均性能提高其耐磨性，但這些因素也將增加材料組織的不均勻性，容易發(fā)生點蝕、晶間腐蝕、相間腐蝕等，因而對其勻性，容易發(fā)生點蝕、晶間腐蝕、相間腐蝕等，因而對其耐蝕性有害。耐蝕性有害。 因此在實際生產中，應該根據具體工況下體系中機械因此在實際生產中，應該根據具體工況下體系中機械作用和腐蝕作用的相對強弱程度，選擇合理的耐腐蝕磨損作用

15、和腐蝕作用的相對強弱程度，選擇合理的耐腐蝕磨損材料。材料。 任何一種材料的腐蝕磨損性能，出于受環(huán)境條件的影響很大，只能在特定的條件廠才有其確定性。如果根據腐蝕磨損體系中機械作用及腐蝕作用的相對強弱程度，將環(huán)境條件分為四種典型情況，可以看到條件不同，對材料的腐蝕磨損性能有不同的要求。（1）弱機械作用弱腐蝕作用工況 在這種工況條件下，環(huán)境因素的影響程度較小，普通材料即可勝任工作，因此對材料性能沒有特殊要求。（2）強機械作用弱腐蝕作用工況 耐蝕材料一般應具有兩個持點：表面可形成層保護膜或鈍化膜阻滯腐蝕的進程；組織盡可能均勻以減小表面的電化學不均勻性從而減小局部腐蝕發(fā)生的可能性。（3）弱機械作用強腐蝕

16、作用工況 要抵抗環(huán)境中介質的強烈腐蝕作用，材料首先必須具有優(yōu)良的耐蝕性能。機械作用較弱決定了磨損過程是在材料表面的保護膜或鈍化膜內發(fā)生，因此提高材料在這類工況下的耐蝕性主要是加強保護膜的致密性和穩(wěn)定性。（4）強機械作用強腐蝕作用工況 材料的耐蝕性主要依賴于其組織的電化學均勻性。提高材科硬度主要有兩條途徑：固灣強化；加工硬化。在材料中加入合金元素實現(xiàn)固溶強化時，往往還可提高其耐蝕性而加工硬化會引起表面電化學活性的增加，因而使耐蝕性有所下降。4.3 4.3 試驗研究方法試驗研究方法（一）腐蝕磨損的研究方法腐蝕磨損的試驗研究，主要是為解決以下問題：1評價材料的腐蝕磨損性能：2. 研究腐蝕介質對材料腐

17、蝕磨損的影響；3研究磨損機械作用對材料腐蝕過程的影響；4研究腐蝕因素與磨損因素的相互作用對材料腐蝕磨損性能的影響腐蝕磨損的研究方法都是從磨損研究和腐蝕研究兩個方面發(fā)展起來的。一方面，磨損工作者為了研究腐蝕介質對材料腐蝕磨損的影響，采用測定材料在介質中的腐蝕磨損系數K和在介質中加入緩蝕劑或對試樣進行陰極保護條件下的磨損量的方法，以二者之差確定材料在腐蝕磨損條件下的腐蝕量，又用表征腐蝕占總腐蝕磨損的比例，或腐蝕對材料去除的影響。 另一方面，腐蝕工作者為了研究應力腐蝕過程中裂紋在應力和介質作用下擴展的機理，測定了在介質中被連續(xù)摩擦的金屬新生表面的電化學極化曲線加。電極過程動力學的研究表明，摩擦作用使

18、材料的腐蝕速度增加了23個數量級。 （二）典型的腐蝕磨損試驗機 1、穩(wěn)態(tài)腐蝕磨損試驗機2.暫態(tài)腐蝕磨損試驗機3.料漿沖蝕試驗機 4. 腐蝕磨損試驗方法 早期研究金屬材料腐蝕磨損行為的試驗方法都是將早期研究金屬材料腐蝕磨損行為的試驗方法都是將樣品現(xiàn)在選定的腐蝕介質中浸泡或預氧化，即在靜態(tài)環(huán)樣品現(xiàn)在選定的腐蝕介質中浸泡或預氧化，即在靜態(tài)環(huán)境中制備腐蝕及高溫沖蝕試樣，再用這些試片去測定磨境中制備腐蝕及高溫沖蝕試樣，再用這些試片去測定磨損量。但是這種分離試驗方法與材料的服役工況相距太損量。但是這種分離試驗方法與材料的服役工況相距太大，磨損試驗一般要十幾分鐘，最多也只不過幾十個小大，磨損試驗一般要十幾分

19、鐘，最多也只不過幾十個小時，而腐蝕試驗中的浸泡或鹽霧試驗很難在如此短的時時，而腐蝕試驗中的浸泡或鹽霧試驗很難在如此短的時間內得到可信的結果，有的可能長達數周或數月。因此間內得到可信的結果，有的可能長達數周或數月。因此腐蝕磨損試驗中首先遇到的問題是正確選擇試驗參數，腐蝕磨損試驗中首先遇到的問題是正確選擇試驗參數，特別是如何使力學參數和化學參數互相匹配。特別是如何使力學參數和化學參數互相匹配。5. 試驗參數的選擇根據工程應用背景，實驗參數一般包括以下兩類：根據工程應用背景，實驗參數一般包括以下兩類： （1 1）磨損參數：摩擦副的接觸形式（點、線或面接）磨損參數：摩擦副的接觸形式（點、線或面接觸）、

20、運動方式（滑、滾或振動）、承受載荷或壓力的觸）、運動方式（滑、滾或振動）、承受載荷或壓力的方式（平穩(wěn)或脈動）和數值、運動速度等。方式（平穩(wěn)或脈動）和數值、運動速度等。 （2 2）腐蝕參數：介質的種類（酸、堿、鹽或自然界）腐蝕參數：介質的種類（酸、堿、鹽或自然界存在的其它介質）、濃度、溫度、壓力等。存在的其它介質）、濃度、溫度、壓力等。 欲在較短的試驗期內獲得所需的結果，除了提高測欲在較短的試驗期內獲得所需的結果，除了提高測定方法的靈敏度外，有效的手段是強化一些影響材料磨定方法的靈敏度外，有效的手段是強化一些影響材料磨蝕的試驗參數。常用的方法包括：適當增加介質中某些蝕的試驗參數。常用的方法包括：

21、適當增加介質中某些組分的濃度、攪拌或提高溫度以增加反應幾率，提高反組分的濃度、攪拌或提高溫度以增加反應幾率，提高反應速率、預制裂紋以縮短腐蝕過程中誘導期、敏化處理應速率、預制裂紋以縮短腐蝕過程中誘導期、敏化處理以強化金屬的腐蝕傾向、加大載荷或提高運行速度的方以強化金屬的腐蝕傾向、加大載荷或提高運行速度的方法來縮短試驗時間等等，但絕不能因為強化參數而改變法來縮短試驗時間等等，但絕不能因為強化參數而改變原來的腐蝕機制或引入實際工況中不存在的因素。原來的腐蝕機制或引入實際工況中不存在的因素。6. 腐蝕磨損試驗結果的表達 （1）腐蝕磨損率：用表面輪廓儀在一定放大數倍下記錄出磨痕的起伏隨痕寬的變化，求出

22、平均破壞深度從而計算出磨蝕截面積，由V=（ADSt ）103 g/m2h 計算一定極化電位下的腐蝕磨損率，式中A為磨痕平均截面積，D為試樣周長，S為磨痕表觀面積，為材料密度，t為磨損時間。（2 2）相對耐磨蝕性能：在完全相同的試驗條件下對多）相對耐磨蝕性能：在完全相同的試驗條件下對多種金屬材料進行磨蝕試驗，選定其中一種材料，將其磨種金屬材料進行磨蝕試驗，選定其中一種材料，將其磨蝕失重值定為蝕失重值定為1 1，并將其值與其他材料的流失量進行比，并將其值與其他材料的流失量進行比較。較。試驗樣品腐蝕流失量標準樣品腐蝕流失量標準樣品腐蝕流失量試驗樣品腐蝕流失量相對耐磨蝕性/1/1 如果試驗樣品磨蝕流失量小于標準樣品磨蝕流失如果試驗樣品磨蝕流失量小于標準樣品磨蝕流失量，則相對耐磨性大于量，則相對耐磨性大于1，表示這種材料比標準樣品耐，表示這種材料比標準樣品耐磨蝕。磨蝕。5.4 5.4 典型零件失效特征與分折典型零件失效特征與分折 腐蝕磨損是腐蝕和磨損共同作用的結果。因此腐蝕磨損表面既保留了某些腐蝕表面特征和磨損表面特征，又具有某些新的特點，反映了二者共同作用的結果。 對于碳鋼或合金鋼材料，在靜態(tài)腐蝕條件下表面一般會形成一層均勻的腐蝕產物。但是在腐蝕廖損條件下，磨損作用可將表面的