常見(jiàn)失效形式及特征和診斷

常見(jiàn)失效形式及特征和診斷第1頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.6腐蝕失效3.6.1概述金屬材料受到周?chē)h(huán)境介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的損壞叫做金屬的腐蝕失效。第2頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.金屬腐蝕的分類(lèi)按金屬與介質(zhì)的作用性質(zhì)（1）化學(xué)腐蝕，特點(diǎn)是腐蝕過(guò)程中無(wú)電流產(chǎn)生。①氣體腐蝕。②在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕。（2）電化學(xué)腐蝕，特點(diǎn)是腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生。①大氣腐蝕。②土壤腐蝕。③電解質(zhì)溶液中的腐蝕。④熔融鹽中的腐蝕。2.腐蝕的破壞形式（1）均勻腐蝕。（2）局部腐蝕：①斑點(diǎn)腐蝕。②膿瘡腐蝕。③點(diǎn)腐蝕。④晶間腐蝕。⑤縫隙腐蝕。⑥穿晶腐蝕。⑦選擇腐蝕。第3頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.腐蝕程度的表示方法（1）均勻腐蝕的腐蝕程度表征。①有重量的變化來(lái)評(píng)定。②有腐蝕深度來(lái)表示。（2）局部腐蝕的腐蝕程度表征。裂紋擴(kuò)展速率或材料性能降低程度來(lái)表示。第4頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.6.2主要腐蝕失效類(lèi)型的現(xiàn)象和特征1.金屬的局部腐蝕（1）點(diǎn)腐蝕。首先介質(zhì)的活性陰離子吸附在金屬氧化膜的某些點(diǎn)上，對(duì)膜產(chǎn)生破壞。有缺陷的區(qū)域和沒(méi)有缺陷的區(qū)域形成局部電池，有缺陷的部分成為活化的陽(yáng)極，周?chē)鷧^(qū)為陰極區(qū)，因陽(yáng)極面積非常小，電流密度很大，在金屬表面形成腐蝕小孔。隨后溶解下來(lái)的金屬離子水解，使小孔內(nèi)溶液的酸度增加，小孔被進(jìn)一步腐蝕加深。點(diǎn)腐蝕第5頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）縫隙腐蝕。零件的金屬或金屬與非金屬之間形成縫隙，且電解質(zhì)可以進(jìn)入縫隙而在其中處于停滯狀態(tài)，使縫隙內(nèi)部腐蝕加劇。（3）晶間腐蝕。晶間腐蝕主要是由于化學(xué)不均勻性引起的，晶界處原子排列較為疏松而紊亂，容易產(chǎn)生晶界吸附，富集雜質(zhì)原子，也容易沉淀，組成局部電池，造成晶間腐蝕。（4）接觸腐蝕。一對(duì)相接觸的異類(lèi)金屬浸入電解液中成為一個(gè)原電池，電位較負(fù)的金屬（陽(yáng)極）就會(huì)受到電化學(xué)腐蝕。第6頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.（1）金屬在大氣中的腐蝕金屬表面凝聚一層水膜，由于大氣中含有CO2、SO2、NO2、鹽類(lèi)等，溶解于水膜中成為電解質(zhì)溶液。金屬內(nèi)含有雜質(zhì)，在電解質(zhì)溶液中形成腐蝕原電池，原電池的作用使金屬受到腐蝕，是電化學(xué)腐蝕。（2）影響大氣中腐蝕的因素①濕度的影響。②灰塵的影響。③大氣中有害氣體的影響。第7頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.（1）金屬在土壤中的腐蝕（2）影響土壤中腐蝕的因素①土壤電阻率的影響。②土壤中氧含量的影響。③土壤PH值的影響。④土壤內(nèi)細(xì)菌的影響。⑤土壤雜散電流的作用。管道在土壤中腐蝕第8頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.（1）金屬在海水中的腐蝕（2）影響金屬在海水中的腐蝕因素①海水中鹽的類(lèi)型及濃度的影響。②海水中含氧量的影響。③海水溫度的影響。④海水流速的影響。⑤海洋生物的影響。第9頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.6.3防止金屬腐蝕的措施1.正確選用金屬材料和合理設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)（1）正確選用金屬材料，根據(jù)具體情況選擇合適的耐蝕材料。（2）合理設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡可能降低熱應(yīng)力、流體停滯和聚集、局部過(guò)熱等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免不同的金屬互相接觸，非要不同金屬相互接觸時(shí)，用絕緣材料將兩者隔開(kāi)。第10頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.去除介質(zhì)中有害成分和添加緩蝕劑（1）去除介質(zhì)中有害成分（2）添加緩蝕劑減慢腐蝕速度陽(yáng)極緩蝕劑、陰極緩蝕劑、混合型緩蝕劑等的加入可以使電化學(xué)腐蝕過(guò)程減慢。第11頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.隔離有害介質(zhì)（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取措施使關(guān)鍵部位和有害環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái)。（2）采用各種表面防護(hù)技術(shù)。4.電化學(xué)保護(hù)用改變金屬-介質(zhì)的電極電位來(lái)達(dá)到保護(hù)金屬免受腐蝕。（1）陰極保護(hù)，把金屬電極接到電池的負(fù)極，通以電流進(jìn)行極化。常用于地下管道及其他金屬設(shè)備、水中設(shè)備、冷凝器、冷卻器、熱交換器。（2）陽(yáng)極保護(hù)，把金屬電極接到電池的正極，通以電流進(jìn)行極化。陽(yáng)極保護(hù)用于某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（如硫酸、磷酸等），耗電量小。第12頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.7應(yīng)力腐蝕失效3.7.1概述應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指金屬材料在特定的介質(zhì)條件下，受拉應(yīng)力作用，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后發(fā)生的裂紋及斷裂現(xiàn)象。第13頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.7.2應(yīng)力腐蝕斷裂的特點(diǎn)（1）即使是延性材料，其應(yīng)力腐蝕也表現(xiàn)為脆性形式的斷裂。（2）應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，形成的裂縫常常被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，常常在事先沒(méi)有預(yù)兆的情況下發(fā)生斷裂，危害較大。（3）應(yīng)力腐蝕斷裂屬于延遲斷裂，斷裂的時(shí)間決定于介質(zhì)條件和應(yīng)力大小。（4）引起應(yīng)力腐蝕斷裂的應(yīng)力一定是拉應(yīng)力。（5）一定的金屬材料只是在特定的活性介質(zhì)中才發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。第14頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.7.3應(yīng)力腐蝕評(píng)定方法1.光滑試樣恒應(yīng)力試驗(yàn)2.預(yù)裂紋試樣應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)第15頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.7.4防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的措施1.合理選擇材料，針對(duì)零件所受應(yīng)力和使用條件選用耐應(yīng)力耐蝕的材料。如銅對(duì)氨的應(yīng)力腐蝕敏感性很高，因此，接觸氨的條件應(yīng)避免使用銅合金。2.減少或消除零件中的殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要條件。為此，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量減少零件上的應(yīng)力集中，工藝上采用退火工藝消除應(yīng)力。3.改善介質(zhì)條件，設(shè)法減少或消除促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的有害化學(xué)離子，或者在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑。4.采用電化學(xué)保護(hù)。5.零構(gòu)件應(yīng)力腐蝕控制設(shè)計(jì)。第16頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.8氫脆失效3.8.1氫脆是在應(yīng)力和過(guò)量氫的共同作用下使金屬材料塑性、韌性下降的一種現(xiàn)象。材料中氫含量越高，氫脆現(xiàn)象越嚴(yán)重。金屬，尤其是高強(qiáng)鋼的氫脆斷裂一般表現(xiàn)為延遲斷裂，也存在發(fā)生氫脆的門(mén)檻應(yīng)力。金屬中氫的來(lái)源很多，在金屬冶煉過(guò)程中由于原材料中含有水分和油垢等不純物質(zhì)，高溫分解出氫。氫還可以在機(jī)械加工過(guò)程中（如酸洗、電鍍等）進(jìn)入金屬。金屬在服役過(guò)程中環(huán)境介質(zhì)也可以提供氫。第17頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.8.2氫脆失效的類(lèi)型、特征及評(píng)定1.類(lèi)型及特征（1）白點(diǎn)第18頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）氫蝕第19頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）氫化物致脆兩類(lèi)氫化物：1）熔融金屬冷卻后，由于氫的溶解度降低而從過(guò)飽和固溶體析出形成的。2）在含氫量較低的情況下，受外拉應(yīng)力作用，使原來(lái)基體上均勻分布的氫逐漸聚集到裂紋前沿或微孔附近等應(yīng)力集中處，當(dāng)達(dá)到足夠濃度后，析出氫化物。（4）氫致延滯斷裂高強(qiáng)度鋼中含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，在內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，并且裂紋逐步擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。第20頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.8.3防止氫脆的措施1.環(huán)境因素設(shè)法切斷氫進(jìn)入金屬內(nèi)的途徑，或設(shè)法延遲在這個(gè)環(huán)節(jié)上的反應(yīng)速度，使氫不進(jìn)入或少進(jìn)入金屬中。如采用表面涂層。2.力學(xué)因素在機(jī)件設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中應(yīng)避免各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素。采用表面處理，使表面獲得殘余壓應(yīng)力層，對(duì)防止氫脆有良好作用。盡可能選用氫脆臨界場(chǎng)強(qiáng)度因子門(mén)檻值高的材料。3.材料因素含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。剛的強(qiáng)度等級(jí)越高，對(duì)氫脆越敏感，所以，對(duì)在含氫介質(zhì)中服役的高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度應(yīng)有所限制。鋼的顯微組織對(duì)氫脆敏感性也有較大影響，一般按下列順序遞增：下貝氏體，回火馬氏體或貝氏體，秋化或正火組織。正確制定鋼的冷熱加工工藝，可以提高機(jī)件抗氫脆性能。第21頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析3.9腐蝕疲勞失效腐蝕疲勞斷裂：材料在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下導(dǎo)致的斷裂。一、腐蝕疲勞破壞的機(jī)制交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用使腐蝕坑形成初裂紋環(huán)境介質(zhì)與不斷產(chǎn)生的新金屬表面發(fā)生作用二、腐蝕疲勞破壞的特點(diǎn)1.不需要特定的腐蝕系統(tǒng)2.任何金屬材料均可能發(fā)生腐蝕疲勞3.不存在疲勞極限4.疲勞曲線(xiàn)明顯地向低值方向推移5.初裂紋的擴(kuò)展受應(yīng)力循環(huán)周次的控制；不循環(huán)時(shí)裂紋不擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力條件，溫度，介質(zhì)有關(guān)3.9腐蝕疲勞斷裂第22頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析三、腐蝕疲勞斷裂的斷口特征宏觀(guān)特征1.脆性斷裂2.疲勞源區(qū)一般不明顯3.斷裂多源自表面缺陷或腐蝕坑底部微觀(guān)特征1.疲勞輝紋由于腐蝕介質(zhì)的作用而模糊不清2.二次裂紋較多并具有泥紋花樣、腐蝕坑、腐蝕產(chǎn)物等3.隨著加載頻率的降低和腐蝕介質(zhì)的腐蝕性加強(qiáng)，靜載腐蝕斷裂(應(yīng)力腐蝕)特征花樣逐漸增多4.多源疲勞裂紋的走向：穿晶——常見(jiàn)沿晶——加載頻率低單純機(jī)械疲勞：裂紋在同一平面腐蝕疲勞：主裂紋附近出現(xiàn)多條次裂紋第23頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析腐蝕疲勞失效的預(yù)防措施合理的選擇材料表面感應(yīng)淬火噴丸和表面滾壓強(qiáng)化表面化學(xué)熱處理電鍍，涂層防護(hù)陰極保護(hù)第24頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析3.10磨損失效分析3.10.1概述磨損失效1.磨損：相互接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體由于機(jī)械、物理和化學(xué)作用，造成物體表面材料的位移及分離，使表面形狀、尺寸、組織及性能發(fā)生變化的過(guò)程。例：推土機(jī)、挖掘機(jī)和拖拉機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，農(nóng)具的犁鏵、鋤、鏟，發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸、凸輪軸、汽門(mén)挺桿、活塞環(huán)、油嘴油泵、齒輪。世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，75%機(jī)械零件由于磨損失效。第25頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析2.磨損失效的分類(lèi)按環(huán)境和介質(zhì)可分為：流體磨損；濕磨損；干磨損。按表面接觸性質(zhì)可分為：金屬--流體磨損；金屬--金屬磨損；金屬--磨料磨損。從磨損的失效機(jī)制分為：氧化磨損（腐蝕磨損）、咬合磨損(第一類(lèi)粘著磨損)、熱磨損(第二類(lèi)粘著磨損)、磨粒磨損和接觸疲勞磨損。磨損類(lèi)型并非固定不變，在不同的外部條件和材料具有不同特性情況下，損傷機(jī)制會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機(jī)制變成另一種損傷機(jī)制。第26頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析磨損失效過(guò)程磨損過(guò)程大致可分為以下三個(gè)階段：1.跑合（磨合）磨損階段2.穩(wěn)定磨損階段3.劇烈磨損階段第27頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析3.10.2磨損機(jī)制及行為特征1.腐蝕磨損兩物體表面產(chǎn)生摩擦?xí)r，工作環(huán)境中的介質(zhì)(如液體、氣體或者潤(rùn)滑劑等)與材料表面起化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物粘附不牢，在摩擦過(guò)程中剝落下來(lái)，新的表面又繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這種腐蝕和磨損的反復(fù)過(guò)程稱(chēng)為腐蝕磨損。第28頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析第29頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析

2.咬合磨損1).咬合磨損：摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)表面材料塑性變形、焊合、剪斷而有一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面引起材料流失的現(xiàn)象。第30頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析2).形貌特征按程度不同可分為五級(jí)：輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫、咬死。點(diǎn)接觸:接觸表面油膜被破壞，金屬表面局部焊合或粘合剪切撕脫，形成凹坑或凹槽。表面金屬局部轉(zhuǎn)移，形成細(xì)長(zhǎng)條狀、不均勻、不連續(xù)的條痕粘合處強(qiáng)度進(jìn)一步增加，產(chǎn)生犁溝，拉傷的損傷外加壓應(yīng)力增加，潤(rùn)滑膜嚴(yán)重破壞時(shí)，咬合，接觸點(diǎn)產(chǎn)生熔焊現(xiàn)象，剪切撕脫破壞深入金屬內(nèi)部，形成較深的坑，嚴(yán)重的燒傷痕跡。3）防止措施合理地選擇配對(duì)材料采用表面處理限制摩擦表面的溫度，控制壓強(qiáng)減小表面粗糙度第31頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析3.熱磨損1.熱磨損：當(dāng)滑動(dòng)速度很大，比壓也很大的時(shí)候，將產(chǎn)生大量摩擦熱使?jié)櫥妥冑|(zhì)，并使表層金屬加熱到軟化溫度，在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生局部金屬粘著，出現(xiàn)較大金屬質(zhì)點(diǎn)的撕裂脫離甚至熔化的磨損。2.形貌特征3.防止措施減少摩擦熱，在摩擦區(qū)增加水冷或氣冷的結(jié)構(gòu)措施，表面非金屬薄膜，潤(rùn)滑提高金屬熱穩(wěn)定性和潤(rùn)滑油熱穩(wěn)定性，選用熱穩(wěn)定性高的合金第32頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析4.磨料磨損的特征及判斷1.磨料磨損：當(dāng)硬質(zhì)點(diǎn)(硬磨粒)在壓力下滑過(guò)或滾過(guò)一個(gè)表面或者當(dāng)一個(gè)硬表面(包含有硬質(zhì)點(diǎn))擦過(guò)另一個(gè)表面時(shí)，使材料表面發(fā)生磨耗的現(xiàn)象。磨料硬度Ha和金屬材料硬度Hm的相對(duì)高低。第33頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析5.接觸疲勞（點(diǎn)蝕）1.接觸疲勞：零件表面在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下引起的表面疲勞破壞。2.形貌特征：a.表面金屬小片脫落，形成麻坑（幾微米到幾十微米）麻坑附近明顯塑性變形及不明顯的表面疲勞裂紋和二次裂紋b.裂紋源于次表層的麻點(diǎn)剝落c.裂紋源于表層的麻點(diǎn)剝落d.裂紋源于硬化層與心部交界處的表層剝落3.防止措施合理地選擇材料及材料的硬度，選擇粘度高的潤(rùn)滑油，加入極壓添加劑或及減小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗疲勞磨損的能力。第34頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析6.微動(dòng)磨損特征及判斷1.微動(dòng)磨損（咬蝕）：兩塊金屬材料在外加載荷下相互壓緊成緊密接觸，同時(shí)兩接觸表面又受到低（微）振幅的相對(duì)滑動(dòng),受高的接觸應(yīng)力，使局部表面發(fā)生磨損。第35頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析2.形貌特征微動(dòng)磨損表面通常粘附一層磨損脫落下來(lái)的金屬氧化物顆粒；因形成冷焊點(diǎn)和材料轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的不規(guī)則凸起；微動(dòng)區(qū)域中可發(fā)現(xiàn)大量表面裂紋，它們大都垂直于滑動(dòng)方向舉例：鋼板彈簧、銷(xiāo)釘或螺栓緊固接件、軸與孔的配合件第36頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析例：薄板沖裁模磨損失效薄板沖裁模：模具受到的沖擊載荷不大，因摩擦產(chǎn)生的刃口磨損是主要的失效形式。磨損過(guò)程：分為初期磨損，正常磨損和急劇磨損三個(gè)階段。

a）局部塑變

b）摩擦磨損

c）疲勞損壞（初期磨損階段）（正常磨損階段）

（急劇磨損階段）

第37頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析失效形式：軸瓦的膠合、磨損軸瓦，鋁合金，軸，灰鐵，接觸面有潤(rùn)滑油轉(zhuǎn)速為300rpm，運(yùn)行10秒抱死。第38頁(yè)，共42頁(yè)，2023年，2月20日，星期一失效分析3.10.3磨損失效判斷和改善耐磨性的措施磨損表面形貌分析宏觀(guān)分析：放大鏡觀(guān)察，實(shí)物顯微鏡觀(guān)察微觀(guān)分析：掃描電子顯微鏡磨損亞表層分析強(qiáng)烈的冷加工變形硬化金屬組織的回火、回復(fù)再結(jié)晶、相變、非