yh材料的表面防護(hù)

第十一章材料的表面防護(hù)腐蝕、磨損和斷裂是結(jié)構(gòu)材料主要的失效原因。腐蝕和磨損為漸變過程。斷裂為突變過程。腐蝕主要由化學(xué)和電化學(xué)作用引起，而磨損強(qiáng)調(diào)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)因素。1985年8月12日，日本一架波音747客機(jī)由于發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂而墜毀，一次死亡500多人。1979年，我國(guó)某市液化石油氣罐爆炸起火，死傷幾十人。美國(guó)的的阿波羅空間計(jì)劃中，氧化劑N2O4的儲(chǔ)罐使用高強(qiáng)度鈦合金制造的，這是通過應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)選出的。但在運(yùn)行前的模擬試壓（壓力為規(guī)定值的1.5倍）中很快發(fā)生破裂，原因是試驗(yàn)中使用的N2O4是不純的，含有NO，而模擬實(shí)際使用的N2O4純度高，不含NO。經(jīng)分析研究加入0.6%NO之后才得以解決。美國(guó)著名的腐蝕學(xué)專家方坦納認(rèn)為，如果找不到這個(gè)解決辦法，登月計(jì)劃會(huì)推遲若干年。第一節(jié)材料的腐蝕與防護(hù)１.腐蝕定義：腐蝕是材料與環(huán)境之間因化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的破壞性侵蝕現(xiàn)象。微觀上表現(xiàn)為材料相態(tài)或價(jià)態(tài)發(fā)生變化；宏觀上表現(xiàn)為材料質(zhì)量、強(qiáng)度等性能損失。一、概述２.腐蝕分類有多種腐蝕分類方法：環(huán)境腐蝕后材料表面形貌腐蝕原因３.腐蝕表示方法反映材料腐蝕前后質(zhì)量、厚度、機(jī)械性能等變化的任何物理、電學(xué)或力學(xué)指標(biāo)都可用來表示腐蝕發(fā)生的速度。常采用腐蝕所造成的質(zhì)量、深（厚）度或與腐蝕過程對(duì)應(yīng)的電量這三種指標(biāo)表示。最常用的單位是每年侵蝕的毫米（mm/a）或每天每平方米侵蝕的克（g/m2.d）４.腐蝕研究的重要性經(jīng)濟(jì)因素。據(jù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家統(tǒng)計(jì)，材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失大約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)凈產(chǎn)值（GNP）的2%~4%。我國(guó)中型油田每年因腐蝕損失及腐蝕維修的費(fèi)用超過一個(gè)億。節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。二、腐蝕理論簡(jiǎn)介１.電極電位與材料腐蝕傾向（１）腐蝕電池：金屬腐蝕可看作金屬-環(huán)境界面無數(shù)個(gè)局部電池（腐蝕電池）作用的結(jié)果。和干電池不同的是，腐蝕電池的電極靠導(dǎo)電金屬表面始終短路著，一旦與其接觸的環(huán)境介質(zhì)具有導(dǎo)電性就會(huì)有電流在局部電池陰、陽極間流動(dòng)；腐蝕電池和干電池一樣，電流流動(dòng)是以消耗

陽極金屬為代價(jià)。(a)Zn塊和Cu塊通 （b)Zn塊和Cu塊直 （c)Cu作為雜質(zhì)分過導(dǎo)線聯(lián)接 接接觸（短路） 布在Zn表面陽極Zn:Zn→Zn2++2e（氧化反應(yīng)）陰極Cu: 2H++2e→H2↑（還原反應(yīng)）

腐蝕電池的構(gòu)成（２）腐蝕電池產(chǎn)生的原因：成分、組織、物理性質(zhì)差異，造成材料局部電勢(shì)差，形成腐蝕電池。異種材料組合結(jié)構(gòu)實(shí)例不銹鋼脹管頸部的破裂-局部腐蝕三、鋼鐵材料的腐蝕與防護(hù)

1、金屬在海水中的腐蝕1)、海水的物理化學(xué)性質(zhì)海水總鹽度高，電導(dǎo)率高，海水平均比電導(dǎo)率約為4×10-2S·cm-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過河水(2×10-4S·cm-1)和與水(1×10-3

S·cm-1)的電導(dǎo)率。表面海水氧濃度隨水溫度大體在5~10mg/L范圍內(nèi)變化。2)、海水腐蝕的特點(diǎn)X中性海水溶解氧較多，陰極去極化反應(yīng)加快，促進(jìn)鋼的腐蝕。X海水電導(dǎo)率很大，海水腐蝕的電阻性阻滯很小，很容易發(fā)生電偶腐蝕。X因海水中氯離子含量很高，陽極的極化率很小，因而腐蝕速率相當(dāng)高。X海水中易出現(xiàn)小孔腐蝕，孔深也較深。3)、腐蝕因素X氧含量X流速：海水流速越快，腐蝕速率越快。X溫度：溫度增加，腐蝕速度將增加。X生物：生物的作用是復(fù)雜的，有的生物可形成保護(hù)性覆蓋層，但多數(shù)生物是增加金屬腐蝕速度。

2、硫化氫的腐蝕

1）硫化氫電化學(xué)腐蝕過程

硫化氫只有溶解在水中才具有腐蝕性。在油氣開采中與二氧化碳和氧相比，硫化氫在水中的溶解度最高。硫化氫在水中的離解反應(yīng)為：H2SHS-H++HS-H++S2-

釋放出的氫離子是強(qiáng)去極化劑，極易在陰極奪取電子，促進(jìn)陽極鐵溶解反應(yīng)而導(dǎo)致鋼鐵的全面腐蝕。2）硫化氫導(dǎo)致氫損傷過程

硫化氫水溶液對(duì)鋼材電化學(xué)腐蝕的另一產(chǎn)物是氫。被鋼鐵吸收的氫原子，將破壞其基本的連續(xù)性，從而導(dǎo)致氫損傷。在含硫化氫酸性油氣田上，氫損傷通常表現(xiàn)為硫化物應(yīng)力開裂(SSC)、氫誘發(fā)裂紋(HIC)和氫鼓泡(HB)等形式的破壞。3）影響腐蝕的因素(1)硫化氫的濃度

當(dāng)硫化氫含量為200~400mg/L時(shí)，腐蝕率達(dá)到最大，而后又隨著硫化氫濃度增加而降低，到1800mg/L以后，硫化氫的濃度的腐蝕率幾乎無影響。(2)pH值

硫化氫水溶液的pH值將直接影響著鋼鐵的腐蝕速率。通常表現(xiàn)出在pH值為6時(shí)是一個(gè)臨界值，當(dāng)pH值小于6時(shí)，鋼的腐蝕率高，腐蝕液呈黑色、渾濁。(3)溫度鋼鐵在硫化氫水溶液中腐蝕率通常是隨溫度升高而增大。在10%的硫化氫水溶液中，當(dāng)溫度從55℃升到84℃時(shí)，腐蝕速率大約增大20%。但溫度繼續(xù)升高，腐蝕速率將下降，在110~200℃之間最小。(4)暴露時(shí)間暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，硫化鐵腐蝕產(chǎn)物逐漸在鋼鐵表面上沉積，形成一層具有減緩腐蝕作用的保護(hù)膜。(5)流速海水流速越快，腐蝕速率越快。(6)氯離子

氯離子的存在往往會(huì)阻礙保護(hù)性的硫化鐵膜在鋼鐵表面的形成。氯離子可以通過鋼鐵表面硫化鐵膜的細(xì)孔和缺陷滲入其膜內(nèi)，使膜發(fā)生顯微開裂，于是形成孔蝕核，加速了孔蝕破壞。 3、二氧化碳的腐蝕1）CO2腐蝕機(jī)理及腐蝕破壞的特征陽極反應(yīng)：Fe－2e陰極反應(yīng)：H2O+CO2

2H++2e

陰極產(chǎn)物：Fe＋H2CO3

Fe2＋2H++CO32-

H2

FeCO3+H2

對(duì)于陰極析氫反應(yīng)機(jī)制，目前有兩種完全不同的觀點(diǎn)。一種是氫通過下式氫離子的電化學(xué)還原而生成：H3O++eHad＋H2O另一種是氫通過下列各式吸附態(tài)H2CO3被直接還原而生成：上述腐蝕機(jī)理是對(duì)裸露的金屬表面而言。實(shí)際上，在含CO2油氣環(huán)境中，鋼鐵表面在腐蝕初期可視為裸露表面，隨后將被碳酸鹽腐蝕產(chǎn)物膜所覆蓋。所以，CO2水溶液對(duì)鋼鐵腐蝕，除了受氫陰極去極化反應(yīng)速度的控制，還與腐蝕產(chǎn)物是否在鋼表面成膜，膜的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有著十分重要的關(guān)系。

2）影響CO2腐蝕的因素

(1)CO2分壓的影響 當(dāng)分壓低于0.021MPa時(shí)腐蝕可以忽略；當(dāng)CO2分壓為0.021MPa時(shí)，通常表示腐蝕將要發(fā)生；當(dāng)CO2分壓為0.021MPa~0.21MPa時(shí)，腐蝕可能發(fā)生。

(2)溫度的影響 當(dāng)溫度低于60℃時(shí)，以均勻腐蝕為主；高于60℃時(shí)，腐蝕速率由穿過阻擋層傳質(zhì)過程決定，及垢的滲透率，垢本身固有的溶解度和流速的聯(lián)合作用而定；60~110℃范圍時(shí)，局部孔蝕嚴(yán)重；高于150℃時(shí)，腐蝕產(chǎn)物細(xì)致、緊密、附著力強(qiáng)，于是有一定的保護(hù)性，則腐蝕率下降。(3)腐蝕產(chǎn)物膜的影響當(dāng)鋼表面生成的是無保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜時(shí)，以“最壞”的腐蝕速率被均勻腐蝕；當(dāng)鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜不完整或被損壞、脫落時(shí)，會(huì)誘發(fā)局部點(diǎn)蝕而導(dǎo)致嚴(yán)重穿孔破壞。當(dāng)鋼表面生成的是完整、致密、附著力強(qiáng)的穩(wěn)定性腐蝕產(chǎn)物膜時(shí)，可降低均勻腐蝕速率。(4)流速的影響高流速，腐蝕速率也越高。A.Ikeda認(rèn)為流速為0.32m/s是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。(5)Cl-的影響

Cl-的存在不僅會(huì)破壞鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜或阻礙產(chǎn)物膜的形成，而且會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)物膜下鋼的點(diǎn)蝕。Cl-含量大于3×104mg/L時(shí)尤為明顯。如何合理選材：①首先考慮介質(zhì)的性質(zhì)、溫度、壓力。②考慮設(shè)備的用途、工藝過程及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。③應(yīng)考慮環(huán)境對(duì)材料的腐蝕以及產(chǎn)品的特殊要求。④還應(yīng)考慮材料的性能。作為結(jié)構(gòu)材料一般要求具有一定的強(qiáng)度和塑性。此外，在選材時(shí)還要考慮材料的價(jià)格和來源。如何進(jìn)行介質(zhì)處理：包括除去介質(zhì)中促進(jìn)腐蝕的有害部分(例如鍋爐給水的除氧)、調(diào)節(jié)介質(zhì)的pH值及改變介質(zhì)的濕度等。腐蝕的防護(hù)1、熱力法除氧

根據(jù)氣體的溶解定律(亨利定律)可知：氣體在水中的溶解度與該氣體在液面上的分壓成正比，在敞口容器中將水溫升高時(shí)，各種氣體在該水中的溶解度下降。所以，將水加熱至沸點(diǎn)可以使水中的各種溶解氣體解吸出來。

熱力法不僅能除去水中的溶解氧，而且可以除去水中的其它各種溶解氣體。此時(shí)，熱力法除氧過程中，還會(huì)使水中的重碳酸根發(fā)生分解，因?yàn)槌チ怂械挠坞xCO2，2HCO3-→CO2+CO32-+H2O↑溫度越高，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，加熱蒸氣中游離的CO2濃度越低，則重碳酸根的分解率越高，其出水的pH值也就越高。

熱力法除氧是在除氧器內(nèi)用蒸氣使水加熱，除氧器的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)能使水和汽在除氧器內(nèi)分布均勻、流動(dòng)暢通以及水、汽之間有足夠的接觸時(shí)間。在除氧過程中，水應(yīng)加熱至沸點(diǎn)，否則水中的殘留氧量會(huì)增大。此外，熱力學(xué)除氧對(duì)解吸出來的氣體應(yīng)能暢通地排走，否則氣相中殘留的氧量較多，會(huì)影響水中氧的擴(kuò)散速度，從而使水中的殘留含氧量增大。2、化學(xué)除氧化學(xué)除氧是往水中加人化學(xué)藥品以除去水中的氧。常用化學(xué)除氧藥品有聯(lián)胺、亞硫酸鈉等。聯(lián)胺是一種還原劑，它可將水中的溶解氧還原：2N2H2+O2→2N2+2H2O

反應(yīng)產(chǎn)物N2和H2O對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)沒有任何害處。在高溫水中N2H2可將Fe2O3還原成Fe3O4、FeO和Fe，還能將氧化銅還原成氧化亞銅或銅。聯(lián)胺的這些性質(zhì)可以用來防止鍋爐內(nèi)鐵垢和銅垢的生成。3、化學(xué)除硫化氫

化學(xué)氧化劑和醛類能除去水中的硫化氫。油田水系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的氧化劑有氯、二氧化氯和過氧化氫，使用的醛類是丙烯醛和甲醛。這些藥劑也可用作為殺菌劑。缺點(diǎn)：u能嚴(yán)重地腐蝕鋼，硫化氫和氧化劑反應(yīng)的最終生成物常常是膠體硫，它本身就有很強(qiáng)的腐蝕性；u大多數(shù)水中也存在很多能與氧化劑反應(yīng)的物質(zhì)，從而使得實(shí)際投加量要高出理論投加量。除硫化氫的藥劑：(1)氯：氯氣能用來和少量的硫化氫反應(yīng)。(2)二氧化氯：二氧化氯在工業(yè)水中作為殺菌劑使用，它也能用來除去水中少量的硫化氫。(3)過氧化氫：硫化氫也可以用于過氧化氫反應(yīng)的方法除去。在酸性或中性pH值條件下，如有催化劑存在時(shí)，能急劇反應(yīng)，生成游離的硫。(4)丙烯醛：丙烯醛既是一種硫化氫除去劑，又是一種強(qiáng)殺菌劑。(5)甲醛：甲醛也能和硫化氫反應(yīng)除去硫化氫，但除去的效果明顯地低于丙烯醛。4、隔氧技術(shù)儲(chǔ)水罐的氣封

處理不含氧的水的全部水罐應(yīng)該用一種不含氧的氣體來密封，如天然氣或氮?dú)?。普遍采?.5~1.0Pa正壓，調(diào)節(jié)器必須足夠大，以保證在容器內(nèi)液面最大下降速度時(shí)的氣體供給，必須裝配壓力/真空安全閥。

不應(yīng)該是用油封，氧在油中的溶解度比在水中大得多，并且能以驚人的速度擴(kuò)散通過油層，最好的情況下，油層僅僅能減緩氧的進(jìn)入速度，而不能杜絕氧的進(jìn)入。另一方面，細(xì)菌也能常在油水界面上繁殖。井的氣封

供水井和生產(chǎn)井都可能需要?dú)夥鈦矸乐寡醯倪M(jìn)入。最容易進(jìn)氧的部位之一是通向井底的電泵電纜。在供水井和生產(chǎn)井中，關(guān)井后重新啟動(dòng)時(shí)最易進(jìn)氧。關(guān)井時(shí)液位一般升至環(huán)形空間，開井時(shí)液位降低，這時(shí)就會(huì)吸入氧。閥桿及連接處

由于氧的擴(kuò)散作用，氧能穿過水層遷移到上游和從低壓區(qū)擴(kuò)散到高壓區(qū)域，這是氧難以處理的原因之一。閥桿和連接處等都是氧容易滲入之處，必須保持密封。注入泵

氧經(jīng)常通過泵的吸頭，尤其是從不能保持正吸入壓頭的地方進(jìn)到注入系統(tǒng)。另一個(gè)進(jìn)氧的渠道是離心泵的損壞密封，如果密封墊出現(xiàn)泄漏，空氣就被吸進(jìn)泵內(nèi)。因此應(yīng)將全部處理不含氧水的離心泵都裝上加壓吸入口密封。5、陰極保護(hù)

定義

利用電化學(xué)原理，將被保護(hù)的金屬設(shè)備進(jìn)行外加陰極極化降低或防止腐蝕；將被保護(hù)金屬進(jìn)行外加陰極極化以減少或防止金屬腐蝕的方法。將活潑金屬或其合金連在被保護(hù)的金屬上，形成一個(gè)原電池，這時(shí)活潑金屬作為電池的陽極而被腐蝕，基體金屬作為電池的陰極而受到保護(hù)。將被保護(hù)的金屬與另一附加電極作為電解池的兩極，被保護(hù)金屬為陰極ü外加電流陰極保護(hù)法：將被保護(hù)金屬與直流電源的負(fù)極相連，利用外加陰極電流進(jìn)行陰極極化。ü?fàn)奚枠O保護(hù)法：在被保護(hù)設(shè)備上連接一個(gè)電位更負(fù)的金屬作為陽極(例如鋼設(shè)備上連接鋅)，它與被保護(hù)金屬在電解質(zhì)溶液中形成大電池，而使設(shè)備進(jìn)行陰極極化。6、陽極保護(hù)

將被保護(hù)設(shè)備與外加直流電源的正極相連，在一定的電解質(zhì)溶液中將金屬進(jìn)行陽極極化至一定電位，如果在此電位下金屬能建立起鈍態(tài)并維持鈍態(tài)則陽極過程受到抑制，而是金屬的腐蝕速度顯著降低，這時(shí)設(shè)備得到了保護(hù)，這種方法稱為陽極保護(hù)法。對(duì)于鈍化溶液和易鈍化的金屬組成的腐蝕體系，可采用外加陽極電流的方法，使被保護(hù)金屬設(shè)備進(jìn)行陽極鈍化以降低金屬的腐蝕。7、添加緩蝕劑向介質(zhì)中添加少量能阻止或減慢金屬腐蝕的物質(zhì)以保護(hù)金屬。

8、金屬表面覆蓋層

在金屬表面噴、襯、鍍、涂上一層耐蝕性較好的金屬或非金屬物質(zhì)以及將金屬進(jìn)行磷化、氧化處理，使被保護(hù)金屬表面與介質(zhì)機(jī)械隔離而降低金屬腐蝕。保護(hù)層法是使金屬表面生成一層致密的不易腐蝕的物質(zhì)，以此將金屬與外部介質(zhì)隔絕開來使金屬免遭腐蝕的一種方法。常用的保護(hù)法及分類：：管道或容器內(nèi)表面復(fù)合的一層耐蝕材料。9、襯里

玻璃鋼：是用玻璃纖維或玻璃布增強(qiáng)的塑料，將樹脂涂在玻璃纖維或玻璃布上，而后再固化成形。有些玻璃鋼耐水、耐化學(xué)藥品，用作防腐蝕襯里。

襯橡膠工藝：橡膠襯里適應(yīng)范圍廣，可以耐各種介質(zhì)腐蝕。襯里橡膠主要采用天然橡膠，橡膠襯里的溫度一般不超過60℃。硬聚氯乙烯襯里：應(yīng)用較廣，價(jià)格便宜耐腐蝕性能好；但耐溫性能差，一般適用溫度為10~50℃。

水泥砂漿襯里：價(jià)格便宜、施工簡(jiǎn)單。水泥砂漿村里可耐一般水、鹽水等的腐蝕，但由于施工質(zhì)量很難保證，尤其在溫度差較大的條件下易出問題。10、金屬保護(hù)層

金屬保護(hù)層法是在金屬表面上加上一層致密的金屬或合金，從而使被保護(hù)金屬免遭腐蝕的一種方法。一般采用電鍍，也有用熔融金屬浸鍍或噴鍍，或者直接從溶液中置換金屬進(jìn)行化學(xué)鍍等。

金屬噴鍍是將金屬在高溫火焰中熔化，同時(shí)用壓縮空氣將熔融的金屬吹成霧狀微粒，并以較高的速度噴射到預(yù)先經(jīng)過處理的的基體表面上，從而形成一層金屬鍍層，在鍍層溫度沒有完全冷卻時(shí)，應(yīng)再涂刷環(huán)氧樹脂面漆。用噴鍍得到的噴涂層與基體結(jié)合牢固，大大提高了防腐效果。

采用金屬保護(hù)層來防腐，一定要考慮金屬平衡電勢(shì)的差異，如果鍍層金屬的平衡電勢(shì)比基體金屬高，如鐵鍍錫等，一旦鍍層上有缺陷，則金屬的腐蝕將更加嚴(yán)重。如果鍍層金屬的平衡電勢(shì)比基體金屬低。如鐵鍍鋅，當(dāng)鍍層出現(xiàn)缺陷時(shí)，由于鍍層金屬起“犧牲陽極”的作用，就能繼續(xù)保護(hù)基體金屬免受腐蝕。11、鈍化膜

鈍化膜是金屬表面上生成的一種致密薄膜，最常見的鈍化膜有氧化膜和磷化膜兩種。氧化膜的形成，是把鋼鐵工件放在很濃的堿和氧化劑溶液中加熱氧化，使金屬表面上生成一層致密的四氧化三鐵薄膜，能牢固地與金屬表面結(jié)合。磷化膜的形成，是把鋼鐵工件放入磷酸鹽溶液中進(jìn)行浸泡，使鋼鐵表面獲得一層不溶于水的磷酸鹽保護(hù)薄膜，從而起到防腐作用。12、合理的防腐設(shè)計(jì)及改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程，以減輕或防止金屬腐蝕

每種防腐蝕措施，都具有應(yīng)用范圍和條件，使用時(shí)要注意。對(duì)某一種金屬有效的措施，在另一種情況下就可能無效，甚至是有害的。例如陽極保護(hù)只適用于金屬在介質(zhì)中易于陽極鈍化的體系。如果不造成鈍化，則陽極極化不僅不能減緩腐蝕，反而會(huì)加速金屬的陽極溶解。 因此，對(duì)于一個(gè)具體的腐蝕體系，究竟采用那種防腐蝕措施，應(yīng)根據(jù)腐蝕原因、環(huán)境條件、各種措施的防腐效果、施工難易以及經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮，不能一概而論。四、混凝土材料腐蝕防護(hù)１.概論（１）組分：膠粘劑；粉料及粗、細(xì)骨料添加劑：早強(qiáng)劑、快凝劑（２）鋼筋混凝土２.耐腐蝕性指標(biāo)外觀；抗壓強(qiáng)度含水率和吸水率表面中性化深度：硅酸鹽水泥混凝土呈堿性，受腐蝕后表面中性化，強(qiáng)度也隨之損失。鋼筋腐蝕速度３.混凝土材料腐蝕類型（１）溶出及滲入：混凝土中某些成分在腐蝕環(huán)境中使用時(shí)溶出，造成材料空隙度增大。環(huán)境中氯離子等極易滲入混凝土內(nèi)部，引起鋼筋表面鈍態(tài)破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。（２）和環(huán)境成分起化學(xué)反應(yīng)：混凝土中Ca(OH)2極易在酸性環(huán)境分解；在CO2作用下也會(huì)變成碳酸鈣而使混凝土中性化。（３）溶漲和開裂：硫酸鹽含量高的土壤中，借助水分滲透作用，鹽類積聚在混凝土內(nèi)部，引起體積膨脹，使混凝土材料龜裂。鋼筋生銹后腐蝕產(chǎn)物也會(huì)使混凝土材料開裂。４.防護(hù)技術(shù)改進(jìn)組分及配方涂層陰極保護(hù)：對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋進(jìn)行陰極保護(hù)第二節(jié)材料的摩擦、磨損防護(hù)摩擦是兩個(gè)接觸的物體在相互運(yùn)動(dòng)過程中，表面之間所產(chǎn)生的阻礙運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)。物體之間的摩擦往往使其系統(tǒng)的一部分能量以熱量或噪音形式發(fā)散消失，同時(shí)伴隨著表面材料的逐漸消失。磨損是物體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致作用表面的物質(zhì)的不斷消失，它是摩擦效應(yīng)的一種表現(xiàn)和結(jié)果。輪胎壓痕(TEM5000X)摩擦痕跡(350X)固體的摩擦發(fā)生在表面，而任何固體表面都不是完全光滑的。由于切削刀痕、材料的塑性變形、加工時(shí)振動(dòng)的存在，使零件表面存在凸凹不平與形狀誤差，這種表面輪廓對(duì)其摩擦學(xué)特征有重要的影響。一、固體的表面特點(diǎn)與表面的相互接觸１.固體表面的幾何形狀

零件表面的真實(shí)幾何形狀是由表面形狀偏差、表面波紋和表面粗糙度三部分組成。表面形狀偏差：零件在成形時(shí)所具有的宏觀任何形狀偏差。表面波紋度：零件表面上形成的較長(zhǎng)而有規(guī)律的波浪線，它是在加工時(shí)機(jī)床-刀具-工件系統(tǒng)的低頻振動(dòng)所引起的零件表面幾何誤差，具有一定的波高和波距。表面粗糙度：切削工具對(duì)工件表面切削，在表面波紋上形成較小幾何輪廓偏差。不同的切削規(guī)范和不同的工件材料在表面上形成不同粗糙度。2材料表面的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)材料表面的組織結(jié)構(gòu)（1）污染層（2）吸附層（3）氧化層（4）變形層（1）變形層：切削加工的零件表面由于材料的塑性變形使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒細(xì)化，形成變形層。變形層一般可達(dá)幾十微米，粗加工時(shí)可深達(dá)幾百

微米。變形層由于硬化作用而具有較高的硬度。（2）氧化層：新加工的零件表面在大氣中會(huì)很快氧化，在幾秒鐘內(nèi)形成厚度為1~10nm氧化層，高溫時(shí)氧化層的形成速度更快。氧化層的性質(zhì)與整體材料的性質(zhì)截然不同（3）吸附層：材料表面層原子形成應(yīng)力場(chǎng)而具有很高的吸引力，因此，表面會(huì)吸附空氣、水分和各種有機(jī)物的分子，并被它們所覆蓋。被吸附到表面的活性物質(zhì)會(huì)向表面的裂紋中滲透，升高裂紋尖端應(yīng)力，使裂紋進(jìn)一步向深處擴(kuò)展，導(dǎo)致表面強(qiáng)度下降。（4）污染層：一般在吸附層的表面還存在污染層，主要由環(huán)境中微粒的沉積及磨損碎屑組成。３.固體表面的相互接觸當(dāng)兩個(gè)粗糙的物體表面在法向載荷的作用下貼緊時(shí)，最先進(jìn)入接觸的是表面上最高的微凸體，隨載荷增加，接觸微凸體的變形增大，原來處于較低位置的微凸體將逐漸進(jìn)入接觸。當(dāng)載荷不太大時(shí)，接觸微凸體發(fā)生的是彈性變形；當(dāng)載荷增大并超過臨界值時(shí)，接生塑性變形。二、摩擦摩擦：兩個(gè)接觸的物體相互運(yùn)動(dòng)過程中所發(fā)生的阻力，摩擦的大小一般用摩擦系數(shù)表示。兩條摩擦定律:即摩擦系數(shù)與名義接觸面積無關(guān)；摩擦力和載荷成正比分類：固體表面摩擦按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式可分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦；按摩擦的運(yùn)動(dòng)狀分為干摩擦、流體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦.(1)干摩擦：常用于表示名義上無潤(rùn)滑的摩擦.一般發(fā)生在制動(dòng)器、摩擦傳動(dòng)及紡織、食品化工機(jī)械的部件。這些摩擦中，考慮到污染和安全問題，不允許使用潤(rùn)滑劑.(2)邊界潤(rùn)滑摩擦：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面被很薄的潤(rùn)滑膜隔開，邊界膜的存在可使摩擦系數(shù)降低，并使表面磨損顯著減少。

(3)流體潤(rùn)滑摩擦：摩擦表面完全被潤(rùn)滑膜隔開?？繚?rùn)滑膜的壓力平衡外載荷，在流體潤(rùn)滑中、摩擦阻力取決于潤(rùn)滑劑的內(nèi)摩擦(粘度)，這種摩擦狀態(tài)具有最小的摩擦系數(shù)，在節(jié)能、延長(zhǎng)壽命和減少磨損等方面作用顯著.(4)混合摩擦：介于上述各摩擦之間，即接觸表面間同時(shí)出現(xiàn)干摩擦、邊界摩檫和流體潤(rùn)滑摩擦的—種混合摩擦狀態(tài)。這是生產(chǎn)實(shí)際中最常見的—種摩擦狀態(tài).三、磨損

1、相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體，由于表面的接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損.磨損過程中摩擦表面的變化：（1）表面微裂紋的生成及其破壞作用（2）化學(xué)反應(yīng)過程（3）潤(rùn)滑劑的作用（4）摩擦表面間材料的轉(zhuǎn)移2、磨損的分類(1)疲勞磨損：疲勞磨損也稱為接觸疲勞磨損其基本原理為：兩表面在相村滾動(dòng)或滑動(dòng)過徑中，在外載荷引起的交變接觸應(yīng)力作用下，使裂紋在被磨面的表面或次表面形成、擴(kuò)展并連通。最后剝離下來，形成點(diǎn)蝕或剝落例如：具有潤(rùn)滑的軸承、齒輪與凸輪長(zhǎng)期使用后，摩擦副表面發(fā)生接觸疲勞磨損，在磨損表面出現(xiàn)麻點(diǎn)與剝落。

接觸疲勞是工件(如齒輪、滾動(dòng)軸承，鋼軌和輪箍，鑿巖機(jī)活塞和釬尾的打擊端部等)表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期不斷反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象，表現(xiàn)為接觸表面出現(xiàn)許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點(diǎn)，也叫點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)磨損。有的凹坑很深，呈“貝殼”狀，有疲勞裂紋發(fā)展線的痕跡存在。在剛出現(xiàn)少數(shù)麻點(diǎn)時(shí)，一般仍能繼續(xù)工作，但隨著工作時(shí)間的延續(xù)，麻點(diǎn)剝落現(xiàn)象將不斷增多和擴(kuò)大，例如齒輪，此時(shí)嚙合情況惡化，磨損加劇，發(fā)生較大的附加沖擊力，噪聲增大，甚至引起齒根折斷。

(2)粘著磨損：粘著磨損是指兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面發(fā)生相互焊合，在相互運(yùn)動(dòng)過程中焊合表面產(chǎn)生撕裂而發(fā)生的磨損。其基本過程為：兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面在摩擦力作用下，表面層發(fā)生塑性變形．表面的氧化膜或污染膜被破壞，露出新鮮表面而發(fā)生焊合、當(dāng)外力大于焊點(diǎn)的強(qiáng)度時(shí)，焊點(diǎn)將被剪斷，若剪切正好發(fā)生在接觸表面，將不會(huì)發(fā)生磨損，而大多數(shù)剪切發(fā)生在強(qiáng)度較低方的表面層，形成“材料轉(zhuǎn)移”。在以后的摩擦過程巾，轉(zhuǎn)移(粘著)物將從表面脫落下來形成磨屑。粘著磨損主要是微凸體接觸區(qū)域受損引起的，通常發(fā)生在重載、高速．特別是產(chǎn)生大量摩擦熱的運(yùn)動(dòng)副中。過載及潤(rùn)滑不良的軸承、齒輪等常發(fā)生粘著磨損影響粘著磨損的因素

(1)脆性材料的抗粘著磨損能力比塑性材料高。

(2)金屬性質(zhì)越是相近的，構(gòu)成摩擦副時(shí)粘著磨損也越嚴(yán)重。反之，金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時(shí)粘著磨損就較輕微?；瑒?dòng)軸承就是這樣的例子，選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對(duì)。在受力較小時(shí)，選用金屬與塑料配對(duì)都能減小粘著磨損。

(3)通過表面化學(xué)熱處理，如滲硫、硫氮共滲、磷化、軟氮化等熱處理工藝，使表面生成一化合物薄膜，或?yàn)榱蚧?，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系?shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。

(4)改善潤(rùn)滑條件，如在潤(rùn)滑油中添加極壓劑。

(5)粘著磨損嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為膠合。脆屑磨粒磨損材料行進(jìn)P(3)磨粒磨損：硬的顆?；?qū)δケ砻嫔嫌驳奈⑼贵w在摩擦過程中引起的材料損失，稱為磨粒磨損。磨粒磨損實(shí)質(zhì)上是材料表面在磨粒作用下發(fā)生塑性變形和斷裂的過程。

(1)低應(yīng)力劃傷式的磨料磨損，它的特點(diǎn)是磨料作用于零件表面的應(yīng)力不超過磨料的壓潰強(qiáng)度，材料表面被輕微劃傷。生產(chǎn)中的犁鏵，及煤礦機(jī)械中的刮板輸送機(jī)溜槽磨損情況就是屬于這種類型。(2)高應(yīng)力輾碎式的磨料磨損，其特點(diǎn)是磨料與零件表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度。生產(chǎn)中球磨機(jī)襯板與磨球，破碎式滾筒的磨損便是屬于這種類型。

(3)鑿削式磨料磨損，其特點(diǎn)是磨料對(duì)材料表面有大的沖擊力，從材料表面鑿下較大顆料的磨屑，如挖掘機(jī)斗齒及顎式破碎機(jī)的齒板。也有以磨損接觸物體的表面分類，分為兩體磨料磨損和三體磨料磨損。兩體磨損的情況是，磨料與一個(gè)零件表面接觸，磨料為一物體，零件表面為另一物體，如犁鏵。而三體磨損，其磨損料介于兩個(gè)滑動(dòng)零件表面，或者介于兩個(gè)滾動(dòng)物體表面，前者如活塞與汽缸間落人磨料，后者如齒輪間落人磨料。這兩種分類法最常用。影響磨粒磨損的因素

(1)磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強(qiáng)度等。

(2)外界載荷大小、滑動(dòng)距離及滑動(dòng)速度。

(3)材料自身的硬度及內(nèi)部組織。(4)腐蝕磨損：化學(xué)和力學(xué)的協(xié)同破壞作用可以增加固體表面材料損失的速率。例如：與滑動(dòng)或滾動(dòng)相關(guān)的力學(xué)磨損可以破壞保護(hù)膜，從而將基底暴露于腐蝕環(huán)境中；另一方面，腐蝕的反應(yīng)產(chǎn)物，特別是堅(jiān)硬的氧化物顆粒，也會(huì)成為磨蝕粒子。(5)沖蝕磨損：沖蝕磨損指的是材料表面受到細(xì)小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)而出現(xiàn)的—種磨損形式。(6)微動(dòng)磨損：微動(dòng)磨損是指兩固體接觸表面上因出現(xiàn)周期性小振幅振動(dòng)所造成損傷的一種特殊的磨損方式，微動(dòng)磨損主要發(fā)生在相對(duì)靜止的摩擦副表面，兩接觸表面無宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)。只是在外界變載荷影響下存在微小振幅的相對(duì)震動(dòng)而引起磨損。影響磨損的主要因素(1)服役條件1）載荷：隨載荷增加，摩擦副表面實(shí)際接觸面積增大。從而摩擦力增大，摩擦熱增加使材料表面損傷加速。

2）速度：如果滑動(dòng)速度的增加未引起摩擦表面溫度的激增，則隨滑動(dòng)速度的增加．摩擦?xí)r間減少，材料來不及變形、從而使磨損量減少。若滑動(dòng)速度增加使摩擦副表面急劇升混溫而軟化，則會(huì)加劇接觸表由的粘著傾向，使粘著磨損增加。溫度：隨溫度升高，材料表面的硬度降低，使實(shí)際接觸面積增加，導(dǎo)致粘著磨損傾向上升，當(dāng)溫度升到—定程