（材料学专业论文）耐磨钢在湿磨和空蚀条件下的腐蚀磨损性能与机制.pdf

摘要 本论文研究了几种耐磨钢在不同介质中湿磨和空蚀实验条件下的腐蚀磨损性能和机制。 应用了失重法、扫描电镜、显微硬度、电化学及表面粗糙度测量等方法，探索研究了不同介 质和实验条件对耐磨钢冲击腐蚀磨损机理和空蚀机理的影响。 针对低碳高合金钢和两种湿式研磨机衬板常用材料高锰钢和中碳高合金钢在酸性条件 下、不同颗粒中冲击腐蚀磨损的研究表明，试样硬度和颗粒硬度的比值小于o 8 5 时，颗粒 硬度对磨损起决定作用。 低碳高合金钢和高锰钢在腐蚀介质中不同冲击功的作用下，高锰钢由于耐腐蚀性差， 大大降低了它的使用性能，腐蚀对材料流失的促进很大。而低碳高合金钢因为其耐腐蚀性能 好，加之板条马氏体硬度高，阻碍裂纹扩展，使得它具有较好的耐冲击腐蚀性能。 采用电化学手段，通过极化曲线、交流阻抗谱和线性电阻的测量，对两种钢在不同腐 蚀介质中的纯耐腐蚀性能作了一系列的研究。结果表明，在酸性和中性介质中，由于低碳高 合金钢成分中含有n i 、c r 、m o 等元素，因此在试样的表面形成钝化膜，使得试样的耐腐蚀 性增加。但低碳高合金钢在碱性介质中一直处于活性溶解状态，耐腐蚀性较之在酸性和中性 介质中差。高锰钢在中性介质和酸性介质中一直处于活性溶解状态，腐蚀速率较大，但由于 高锰钢阴极极化阻碍了阳极腐蚀，使得它在碱性中的耐腐蚀性相对中性和酸性介质中的耐腐 蚀性大大增加。 在空蚀实验的动态条件下，通过引进电化学手段，系统地研究了在不同介质中，冲击、 腐蚀、磨损三因素在实验过程中对试样破坏的影响及其交互作用。研究结果表明，在酸性和 中性介质中，腐蚀因素不是影响低碳高舍金钢的空蚀性能的主要因素，通过低碳高合金钢在 中性介质中的腐蚀磨损交互作用的各个分量所占的份额来看，低碳高合金钢腐蚀引起的力学 破坏增量和力学破坏引起的腐蚀增量k 大致相同，分别占有总量的7 8 和7 2 9 6 。高锰 钢在空蚀条件下，腐蚀引起的力学破坏增量w n 和力学破坏引起的腐蚀增量k 分别占总量 的2 9 3 和1 1 2 ，说明腐蚀是影响高锰钢的主要因素。在碱性介质中，高锰钢的耐腐蚀性 能尤其优越，从而使得高锰钢在这种介质中的抗空蚀性能远比低碳高合金钢好。低碳高合金 钢在空蚀条件下，铁素体相区率先产生裂纹、脱落，最终导致试样破坏。高锰钢在空蚀的初 期，通过滑移和：j i _ t - 硬化等塑性变形，使得它具有很好的抗空蚀能力，但在空蚀后期，位错 冲破塞积，致使试样破坏。 关键词：湿式研磨机衬板，低碳高合金钢，高锰钢，中碳合金钢，腐蚀磨损机制，空蚀，电 化学，冲击腐蚀磨损，交互作用 a b s t r a c t 耶1 ci m p a c t - c o r r o s i o np r o p e r t i e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s mo fk i n d so fw e a r - r a s i s t a n c es t e e l su n d e rw e t g r i n d i n ga n dc a v i t a t i o ni nd i f f e r e n tm e d i u ma r es t u d i e db ym e a n so f l n a $ sl o s s ，s e m ，m i c r o - h a r d n e s s ，e l e c t r o c h e m i s t r ya n ds u r f a c er o u g h n e s sm c a s u r e n l c n te ta 1 d u r i n gt h et e s t so nw e a r - r e s i s t a n tp r o p e r t i e si na c i dc i r c u m s t a n c ew i t l ii m p a c tp a r t i c a l so f d i f f e r e a ts i t m 强，i ti 8f o u n dt h a tt h ew e a r - r e s i s t a n tp r o p e r t i e so fc a r b o nh i g ha l l o ys t e e l ，h i g h m a n g a n e s es t e e la n dm e d i m nc a r b o na l l o ys t e e la r ec o n t r o l l e db yt h eh a r d n e s so f i m p a c t i n gg r a m w h e nt h er a t i oo f s a m p l e 】1 a l d n e t oi m p a c t i n gp a r t i c a lh a r d n e s si s1 鲫t h a no 8 5 l o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e la n dh i g hm a n g a n e s es t e e la r ei m p a c t e di nc o r r o s i v es l u r r yw i t h d i f f e r e n ti m p a c ts t r e s s i ti ss h o w e dt h a tt h em a t e r i a lm a s s1 0 s so fh i g hm a n g a n e s es t e e li s a c c e l e r a t e db yt h ec o r r o s i o nc i r c u m s t a n c ed u et oi t sp o o rc o r r o s i v e - r e s i s t a n tp r o p e r t i e s o nt h e o t h e rh a n d ，l o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e ls h o w e de x e e l l c n tc o r r o s i v e e r o s i o nr e s i s t a n c et o c o r r o s i o nc i r e u n a s t a n c ed u et ot h ee x c o l l a n tc o r r o s i o n - r e s i s t a n ta n dc r a c k i n g - b l o c k i n gl a t h y m a r t e n s i t em i c r o s t r u c t u r eo f h i g hh a r d n e s sb l o c k i n gc r a c ks p r e a d i n g t oc o m p a r a t i v e l ys t u d yt h em e c h a n i s mo f c o r r o s i v e e r o s i o nr e s i s t a n c eo f l o wc a r b o nh i g h a l l o ys t e a l ，d i f f e r e n t k i n d so fe l e c t r o c h e m i s t r ye x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d ，i n c l u d i n g p o t e n t i o d y n a m i cp o l a r i z a t i o nc u r v e s ，n y q u i s tp l o r sa n dr pm e a s u r e d i ti ss h o w e dt h a tl o wc a r b o n 1 1 i 吐a l l o ys t le x h i b i te x c e l l e n tc o r r o s i v e w e a r - r e s i s t a n c ep r o p e r t i e s i na c i da n dn e n t e r c i r c u m s t a n c e s ，d u et ot h ee x i s t e n c eo f e a s y - s a m p l e - s u r f a c o - f o r mp a s s i v a t i o ne l e m e n t s ，n i ，c r , m o a n dt h eq u i c k - - p a s s i v a t i o n - m a n d i n ga b i l i t yo fm o h o w l e r , i na l k a l e s c e n tc i r c u m s t a n c e ，l o w c a r b o nh i 曲a l l o ys t e e li si na c t i v ed i s s o l v i n gc o n d i t i o n s ，r e s u l t i n gi nl o w e rc o r r o s i o n - r e s i s t a n c e p r o p e r t i e st h a ni na c i da n dn e u t e rc i r c u m s t a n c e o nt h ec o n t r a r y , h i 曲m a n g a n e s es t e e li si na c t i v e d i s s o l v i n gs t a t e si nb o t ha c i da n dn e u t e rc h u m s t a l l c 铭r e s u l t i n g i nt h el a r g ec o r r o s i v ec u r r e n t i n a l k a l e s c c n ts l u r r y , d u et ot h ea n o d ec o r r o s i o n - b l o c k i n ge f f e c to fc a t h o d ep o l a r i z a t i o n , c o r r o s i o n - r e s i s t a n tp r o p e r t i e so f h i g hm a n g a n e s es t e e la r cs u p e r i o rt oi na c i da n di nn e u t e rc i r c u m s t a n c o s c a v i t a t i v er e s i s t a n c e so fl o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e la n dh i g hm a n g a n e s es t e e la r ea l s o s t u d i e d t oi d e n t i f yt h ei n f l u e n c eo fi m p a c t , c o r r o s i o na n dw e a rc o r r o s i v e e r o s i o np r o c e s sa n d t h ei n t c r a c t i o na m o n gt h e s et h r e ef a c t o r s ，as y s t e m i ce l e c t r o c h e m i s t r ye x o e r i m e n t si nd y n a m i c c o n d i t i o na r ec o n d u c t e dw i t l lc a v i t a t i o ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n t r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h e r a t i oo ft h ec o r r o s i o nc a u s e de r o s i o ni n c r e m e n t ( 7 8 ) a n dt h a to fe r o s i o nc a u s e dc o r r o s i o n i n e r e r n a n t ( 7 2 哟i ng r o s sa r cs i m i l a r , i n d i c a t i n gt h a tc o r r o s i v em e d i u mh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e c a v i t a t i o n e r o s i o n - r e s i s t a n c ep r o p e r t i e so fl o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e e li na c i da n dn e n t r a l c i r c u m s t a n c e s h o w e v e r , a st oh i g hm a n g a n e s es t e a l t h ec o r r e s p o n d i n gr a t i o sc h a n g e dt o2 9 3 a n d1 1 2 r e s p e c t i v e l y , i n d i c a t i n gt h a tc o r r o s i o np l a y sp r i m a r yr o l eo nt h er e s i s t a n c ep r o p e r t i e s o fh i 曲m a n g a n e s es t e e lt oc a v i t a t i o ne r o s i o n b u ti na l k a l e s c e n tc i r c u m s t a n c e ，h i g hm a n g a n e s e s t e e le x h i b i tm o r ee x c e l l e n tc a v i t a t i o nc o r r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t yt h a nt h a to f l o wc a r b o nh i g h a l l o ys t e e l u n d e r c a v i t a t i v e c o n d i t i o n , c r a c k l e s p r o d u c e a n d b r e a k o f f e a s i l y i n t h e f e r r i t e p h a s e o f l o wc a r b o nh i g ha l l o ys t e a l ，f i n a l l yr e s u l t i n gi nt h es a m p l ed a m a g e o nt h ec o n t r a y , i ne a r l y c a v i t a t i o nt e s t ，h i g hm a n g a n e s es t e e lh a sv e r ye x c e l l e n tc a v i t a f i v er e s i s t a n c eb yd i s l o c a t i o n s s l i p p a g ea n dw o r k - h a r d i n g ；w h i l ei nl a t ec a v i t a t i o nt e s t ，d i s l o c a t i o n sc r a s ha n dd a m a g et h e s a m p l e s k 。y w o r d s ：州o r e 武l l i n g1 i 峨c a f b o nk 曲a 1 1 0 ys t e e l , h i g hm 8 “g 柚。8 ：8 慨1 ，m e d i 啪。8 灿n a l l o ys t e e l ，c o r r o s i v e w e a rm e c h a n i s m ，e l e c t r o c h e m i s t r y , i m p a c tc o r r o s i v ew e a r , c a t i v a t i o n ， c o r r o s i o n ，m e c h a n i s mt r a n s i t i o n ， 插图清单 图1 1 稳态腐蚀磨损试验机示意图 图1 2 暂态腐蚀磨损试验机 图1 3 ( a ) 料浆冲蚀腐蚀试验装置示意图 图1 3 ( b ) 试样的形状和尺寸 图1 4 空蚀磨损机制 图1 5 碳钢的p n 与累计失重率的曲线( a ) 铝( b ) 在不同振幅下空蚀2 h 图l 一6 超声波伸缩振动空蚀设备示意图 图1 7 超声波振动空蚀设备示意图 图1 8 ( a ) 旋转圆盘空蚀设备示意图( b ) 圆盘 图1 9 空蚀失重率与时间的曲线 图2 一l 低碳高合金钢和高锰钢在酸性溶液中的极化曲线 图2 - 2 不同时间低碳高合金钢和高锰钢在酸性溶液中的交流阻抗谱 图2 - 3 不同时间低碳高合金钢和高锰钢在酸性溶液中的r p 图2 - 4 低碳高合金钢和高锰钢在i n a c i 溶液中的极化曲线 图2 5 不同时间低碳高合金钢在1 n a c i 溶液中的交流阻抗谱和 图2 - 6 不同时间高锰钢在1 n a c i 溶液中的交流阻抗谱和k 图2 - 7 低碳高合金钢和高锰钢在p h 为1 1 的n a o h 溶液中的极化曲线 图2 - 8 不同时间低碳高合金钢在p h 为1 l 的n a o h 溶液中的交流阻抗谱和k 图2 - 9 不同时间高锰钢在p h 为1 1 的n a o h 溶液中的交流阻抗谱和砩 图3 1 低碳高合金钢的基体组织 图3 - 2 退火工艺曲线 图3 3 淬火温度对合金性能的影响 图3 - 4 淬火及回火工艺曲线 图3 5 高锰钢的基体组织 图3 6 中碳合金钢的基体组织 图3 7 冲击腐蚀磨损试验机示意图 图3 - 8 三种钢在矿浆、石英砂和稀硫酸中磨损失重与磨损时间的关系 图3 - 9 低碳高合金钢在三种不同介质中的冲击8 小时的磨损表面形貌 图3 1 0 中碳合金钢在三种不同介质中冲击8 小时后的磨损表面形貌 图3 1 1 高锰钢在三种不同介质中冲击8 小时后的磨损表面形貌 图3 1 2 三种钢在铁矿石酸性矿浆中的磨损亚表面的光学金相组织 4 5 6 7 m”堪墙侈n巧拍”驺弭弱船钙甜钳铂钉如铉舄研鲐 图3 一1 3 三种钢在石英砂酸性介质中的磨损亚表面的光学金相组织5 7 图3 1 4 两种钢在铁矿石酸性矿浆中不同冲击功下的磨损失重与磨损时间的关系5 9 图3 1 5 不同冲击功下低碳高合金钢和高锰钢冲击腐蚀磨损8 小时后的磨面形貌6 0 图3 一1 6 不同冲击功下低碳高合金钢和高锰钢冲击腐蚀磨损磨损面亚表层金相照片6 2 图4 1 空蚀试样尺寸和形状6 5 图4 2 磁致伸缩空蚀试验机示意图6 6 图4 - 3 回火态低碳高合金钢的基体组织6 7 图4 4 低碳高合金钢和高锰钢在酸性介质中空蚀累积失重和累积失重率6 9 图4 - 5 低碳高合金钢和高锰钢在酸性介质中空蚀不同时间段的表面形貌7 2 图4 _ 6 低碳高合金钢空蚀不同时间后试样表面的形貌曲线7 4 图4 7 高锰钢空蚀不同时间后试样表面的形貌曲线7 5 图4 8 低碳高合金钢的空蚀发展示意图7 6 图4 - 9 在塑性变形过程中位错和晶界的交互作用示意图7 7 图4 1 0 低碳高合金钢和高锰钢在1 n a c i 溶液中空蚀累积失重7 8 图4 1 1 低碳高合金钢在1 n a c l 溶液中静态和空蚀条件下的极化曲线8 0 图4 1 2 低碳高合金钢在i n a c l 溶液中空蚀条件下的阻抗8 1 图4 一1 3 低碳高合金钢在1 n a c l 溶液中空蚀条件下的线性电阻8 2 图4 1 4 在腐蚀体系中氧的传质过程8 4 图4 1 5 低碳高合金钢在1 n a c l 溶液中空蚀各时间段的表面s e m 观察8 6 图4 1 6 高锰钢在i n a c i 溶液中空蚀各时间段的表面s e m 观察。8 7 图4 1 7 低碳高合金钢和高锰钢在p h 为1 1 的n a o h 溶液中空蚀累积失重和 累积失重率8 8 图4 1 8低碳高合金钢在p h 为1 1 的n a o h 溶液中空蚀各时间段的表面s e m 观察9 0 图4 1 9 高锰钢在p h 为1 l 的n a o h 溶液中空蚀各时间段的表面s e m 观察9 l 图4 2 0 低碳高合金钢和高锰钢在p h 为1 l 的n a o h 溶液中空蚀各时间段的截面s e m 观察9 2 图4 2 1 低碳高合金钢在p h 为1 1 的n a o h 溶液中空蚀不同时间后试样表面的形貌曲 线9 4 图4 - 2 2 高锰钢在p h 为1 1 的n a o h 溶液中空蚀不同时间后试样表面的形貌曲线9 5 表格清单 表卜1 影响空蚀的因素1 4 表3 - 1 低碳高合金钢的成分范围4 2 表3 2 高锰钢的成分范围4 5 表3 3 中碳合金钢的成分范围4 6 表3 - 4 实验材料的机械性能4 7 表4 1 低碳高合金钢和高锰钢在i n a c i 溶液中空蚀6 h 后w c ，和k 分量8 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使甩过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文储妣研磁 签字日期：弦叼年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨王些盘笺有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权赶 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储躲研走衙 签字日期：矽吁年 月岁日 学位论文作者毕业去向 工作单位 通讯地址： 导师签名 签字日期：2 呻年7 ，月歹日 电话： 邮编： 致谢 首先深深地哀悼我的恩师丁厚福教授，并致以最崇高的敬意! 恩师在生病过程中，时 刻关心挂念着我的生活、学习。在思师生命的最后阶段，他用最后的一丝气力，断断续续地 为我讲解着实验思路，叮嘱我试验中要注意的事项。恩师那种忘我的工作态度和高度的敬业 精神深深震撼了我! 也为我在今后的学习和生活中树立了一个光辉的榜样! 特别感谢中国科学院沈阳金属研究所郑玉贵研究员! 感谢郑老师为我提供了实验设备， 并在我整个学习过程中给了我学术上的指导、生活上的关心和经济上的帮助。郑老师那种慷 慨、无私的精神深深感动了我! 郑老师渊博的知识以及对学术前沿准确地把握，让学生深感 敬佩! 这篇论文的后期工作是在陈翌庆博导的悉心指导下完成的。感谢陈教授在百忙中为我论 文整体设计、修改以及难题的讲解花费很多精力。尽管是酷暑，陈老师却依然放弃休息时间 为我修改论文，在陈老师耐心地指导和多次修改下，论文才顺利完成。陈老师渊博的学术知 识、严谨的科研态度，一丝不苟的工作精神让学生深受感动的同时也受益匪浅! 在此，学生 衷心地向陈老师表示感谢l 感谢杜晓东老师在最困难的时候为学生提供生活、学习的帮助。在丁老师生病的时候， 杜老师一直不辞辛苦，给我们实验室所有研究生的学习和实验作指导，同时还时刻关心着我 们的生活，为我们排除思想上的包袱! 在此我向杜老师说一声：杜老师，您辛苦了! 感谢中科院金属研究所姜胜利、乔岩欣师兄，于宏师姐，马丽、刘春波给我在实验和生 活上的帮助，同时也感谢师兄严小冲、郭亮给了我提供大量了大量的实验指导，师弟王家庆、 孙国栋、满达虎、王义飞、汪瑞俊和师妹王兰也给了我不少的帮助。 感谢我的父母和亲友，他们为我提供精神上的鼓励和生活上的支持! 感谢我的爱人，对 我多年的求学表示理解并给予最大的支持! 最后向所有关心过、帮助过我的老师、亲人、同学、朋友表示深深地感谢! 也祝愿所有 人都平安健康! 邢文静 2 0 0 7 年7 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 金属腐蚀磨损 1 1 1 引言 在人们已知的材料失效的三大原因( 疲劳断裂、腐蚀和磨损) 中，磨损的研究起步较晚j 。 金属材料的应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳断裂虽然和腐蚀磨损相似，都属于力学和电化学因素同时 作用造成的失效。但因有疲劳和腐蚀学科作为基础，应力腐蚀和腐蚀疲劳作为一门分支领域， 其完整性和系统性远比腐蚀磨损成熟。腐蚀磨损研究较少，其原因可能是其失效形式与应力腐 蚀和腐蚀疲劳不同，后两者往往会导致突发性事故，而腐蚀磨损却逐渐失效，从而就比较容易 被忽视。可是在后来的研究中发现，在湿态下，特别是在腐蚀介质中，同种材料的磨损率是干 态下的数倍，酸性介质尤其严重。腐蚀磨损是腐蚀介质或硬质微凸体共同作用于材料表面引起 的材料损失的过程，在此过程中，金属可以以离子形式及整体方式脱落材料表面，其特点与单 独作用显著不同。随着科技工业的发展，据统计，在石油化工、能源交通、农机、建材、矿山、 煤的燃烧和选洗以及冶金、水利电力等行业的机械设备中腐蚀磨损造成的损失占总腐蚀量的 9 磨损量的5 。 1 1 2 金属腐蚀磨损的定义及其研究范围 腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) 简称磨蚀。前苏 联的有关论文和书籍中称腐蚀磨损为腐蚀机械磨损( c o r r o s i v e m a c h a n i c s - w e a r ) ，并重点探讨了 腐蚀介质中摩擦副的材料流失问题。我国的腐蚀科学工作者把腐蚀介质中出现的材料冲蚀 ( e r o s i o n c o r r o s i o n ) 命名为磨损腐蚀。国内外在腐蚀磨损研究中的腐蚀介质绝大多数是流体( 液 体或气体) ，由它携带的固体粒子( 或气泡) 对固体靶材冲击造成的材料表面流失在腐蚀磨损 事件中占有极大的份额1 1 】。腐蚀磨损是指金属材料在承受载荷摩擦力的同时还与环境介质发生 化学或电化学反应而出现在表面上的材料流失现象，具体包括摩擦副的腐蚀磨损、腐蚀性料浆 冲蚀、高温腐蚀性气体中的冲蚀和腐蚀液体流中的气蚀等类型。 1 1 - 3 金属腐蚀磨损的研究简史和现状 摩擦磨损作为- - f l 新兴学科，兴起与二十世纪六十年代，其中腐蚀磨损问题则更晚，仅在 近几十年才引起人们的普遍关注。腐蚀磨损出现的条件首先是存在腐蚀性介质，其次才是相对 运动的表面。最早注意到这种材料表面的破坏形式并加以研究的是在1 9 世纪中期，在纽约市 修建b r o o k l y 大桥时，在施工中遇到用吸出排泄泥浆时造成金属反射板的冲蚀腐蚀问题。较系 统地公布金属材料在酸、碱、盐溶液中摩擦系数与腐蚀关系的是以d h b u c k l e y 为首的美国 n a s a ( n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n 国家航空和宇宙航行局) l e w i s 研究中心 2合肥工业大学博士论文 的摩擦学研究组口j 。他们在1 9 8 0 年前后用往复式摩擦磨损试验机测定纯铁、镍、钻在不同浓度 的h 2 s 0 4 、h c l 、h n o ”n a o h 和n a c i 等腐蚀性溶液中的静态和动态摩擦系数和磨损体积， 用扫描电镜( s e m ) 观察磨痕形貌，实验结果大多以n a s a 的内部报告形式公布，直到1 9 8 4 年才公开发表。2 0 世纪8 0 年代初，南非科学家为满足矿山用材开始用先腐蚀后磨损的试验方 法对多种工程材料进行评价p i 。此外，部分研究人员针对冲击腐蚀磨损领域的气蚀行为、冲刷 腐蚀行为和高温冲蚀一氧化行为开展了研究。美、英等国家曾关注燃煤锅炉中出现的高温气流 对管道用材的腐蚀问题1 4 - 6 1 。印度国防冶金研究室的gs u n d a r a j a n t l 总结了前人在金属氧化一冲蚀 方面的研究结果，提出了氧化和冲蚀交互作用的数理模型并在实验中得到验证。c 工k w o k 等 人研究了a i s l l 0 5 0 钢和a i s l 3 1 6 l 不锈钢表面激光熔覆f e - n i c o - c r - b 合金气蚀行为“4 1 。通过 测定气蚀实验中的极化曲线变化以及腐蚀电位随时间的变化，较系统的研究了力学因素、腐蚀 因素以及两者的交互作用在金属材料气蚀破坏中的作用“。英国m m s t a c k 等人在卧式半入 浸流态床燃烧模拟装置上对n i 一1 3 c r 复合材料高温冲蚀氧化行为进行了研究，在高温态的冲击 腐蚀磨损研究领域取得了重要进展“”。 冲击腐蚀磨损研究的兴起则更晚，相关理论还很不完善，且研究主要集中于低应力冲击下 的腐蚀磨损。开展料浆冲蚀和气蚀研究最早的单位是英国皇家海军，而使用的最普遍的实验设 备则是料浆罐式试验机“”。早期工作基本都属于对金属耐冲蚀性能的比较和排队，并没有涉及 到腐蚀作用的影响。直到2 0 世纪8 0 年代后，一些科研工作者才开始对腐蚀机理进行较系统的 实验研究。1 9 9 5 年，s w w a t s o n 等人总结了前人研究腐蚀与磨损的交互作用，并建立了测定 交互作用量的表达式“1 。英国剑桥大学采用喷射式料浆冲蚀装置，重点研究力学因素和腐蚀 环境中金属的破坏情况，通过控制靶材的极化电位了解金属及其钝化膜在受到含固体粒子的液 流冲击时的流失规律“”，德国d e c h e m a 研究所e h e i t z 等人在建立的循环管式实验台架上研 究了流场、流形变化加剧管壁材料冲蚀的规律“；美国t u l s a 大学e er y b i c k i 等人对原油、 水、及甲烷的管道输送中发生的冲蚀性腐蚀做了实验研究与理论分析；英国gt b u t - s t e i n 采用 双电极系统详细地研究了不锈钢在低应力冲击下的腐蚀磨损行为及其机理1 ；俄罗斯j l m o m m e n d o z a 系统研究了组织中f e 3 c 对材料在水一c 0 2 管流条件下的冲刷腐蚀磨损的影响及 其机理“”；w o o d r j k “”研究了海岸线附近工作的设备和船只，由于海水含有固体颗粒，使得 材料表面在含有固体颗粒的海水的冲蚀下，使得表面逐渐恶化导致材料损坏的腐蚀磨损机制。 瑞士a n n a u n s t r o m 等人对不同组织低合金钢冲击磨蚀行为进行了系统的研究。1 ；加拿大m f i s e t 等人”针对实验室条件下和工矿条件下的材料在湿态下冲击磨损进行了研究，注意到了湿 态下腐蚀对冲击磨损地促进作用；j i a r e nj i a n g 等人”1 在干、湿两种环境中对材料的滑动磨损进 行了系统的研究，充分阐述了环境对材料磨损的影响，并建立了数学模型。wc h e n j e 等人对 冲击、腐蚀、磨损条件下磨球的显微组织、硬度、冲击韧性和磨损行为的关系进行了研究“”； p r a s a dbk 等人研究了锌一铝合金等在泥浆中的冲蚀行为和机理“；苏格兰a n e v i l l e 等人采 用电化学技术，研究了单相奥氏体和两相合金在冲击条件下机械磨蚀、电化学腐蚀的作用分量 第一章绪论 3 和交互作用量。“；tw c h e n j e 等人研究了无硫化物环境下低合金钢、共析钢、中铬铸铁等材 料冲击腐蚀磨损过程中腐蚀的作用“o 。2 ”；im h u t c h i n g s ，m ms t a c k 等人对料浆冲蚀理论进行 了系统的研究”5 2 ”，建立了相应的数理模型和机制图，并将粒子冲击速度、极化电位、溶液的 p h 值等因素综合考虑，将冲蚀破坏的研究发展到一个新阶段。近期c e l i s ，j - p 等人”对摩 擦腐蚀材料做了系统的研究，阐述了材料表面化学、电化学以及机械力的交互作用。n a l l i n d e r 等人研究了雨水沉降对金属的冲刷和腐蚀行为，从冲刷量、腐蚀失重、腐蚀产物组成和表面形 貌等角度研究了c u 和z n 在雨水沉降时的冲刷特征”；e s p a d a 等人通过对碳钢、铜、锌在酸 雨区露天冲刷的研究，提出了计算冲刷腐蚀磨损速率的经验公式1 。a t k i n s ，九g 等人。3 1 较系 统的研究了材料表面的粗糙度，以及冲击角对材料冲蚀磨损的影响，以及材料的腐蚀磨损机制。 由于腐蚀磨损在受到重视以来，很多科研工作者开始投入很多的精力对材料的腐蚀磨 损机理进行研究。同时也有很多的专家学者对提高材料的耐腐蚀耐磨损进行了大量的研究，有 表面涂层提高材料的耐腐蚀磨损，硬质相来加强材料的这方面的性能以及通过各种合金化的方 法来加强材料的耐腐蚀耐磨损性能等等。近期，m r a m a c h a n d r a “1 等人研究了s i c 沉积相对材 料内泥浆冲蚀的影响。还有很多学者。”1 在研究各种合金元素对材料耐腐蚀磨损的影响。 国内对冲击腐蚀磨损行为及机理也进行了广泛而深入的研究，有多家单位的研究成果近年 来不断出现在国内外著名刊物上。中科院金属研究所对不锈钢为主的材料在冲击载荷作用下的 腐蚀磨损机理进行了大量的研究，针对各种不锈钢，在双相介质冲蚀条件下对腐蚀、磨损作用 分量、交互作用、冲蚀腐蚀率与冲击速度指数的关系等方面进行了详细的研究”，对雨淋条 件下材料冲刷腐蚀行为及机理也进行了详细的研究1 ；西安交通大学、中国矿业大学、浙江大 学先后开展了金属材料料浆冲蚀腐蚀研究“”；华中科技大学、武汉大学对金属在水及湿法磷 酸体系中的冲刷腐蚀进行了研究“”：上海交通大学、东南大学、西安交通大学、清华大学等 对金属材料的高温冲蚀行为及机理进行了详细的研究4 ”。 综上所述，国内外对腐蚀磨损的研究，绝大多数都是较小的冲击载荷下的腐蚀磨损，而且 大多数都是颗粒或气流对材料造成的磨损。本课题组针对湿式磨机衬板服役条件，在认识到以 前相关研究只考虑了腐蚀磨损及料浆冲蚀磨损的基础上，综合考虑冲击、腐蚀、磨损的共同作 用，用马氏体型的低碳高合金钢代替奥氏体型高锰钢用于湿式磨机衬板，提高寿命了一倍以上。 本课题组研究的冲击载荷范围超过了国内外研究所采用的颗粒对表面的冲击而造成的冲击载 荷，即我们将试验冲击载荷的范围扩大了“。 1 1 4 腐蚀磨损主要测试设备 腐蚀磨损现象广泛存在于石油、化工、矿山和电力等工业领域的机械设备中，是造成材料 损失和设备失效的主要原因之一。近些年来，随着现代化和科学技术的发展，人们对腐蚀磨损 的危害越来越重视，并且就此问题进行了一些初步研究。研究腐蚀磨损的难点之一是试验设备 问题，由于设备本身就存在一定程度的腐蚀磨损，因而很难保持其长期稳定的工作状态。目前， 国内外都还没有定型专用的商品试验设备”“。下面介绍几种目前常用的实验设备。 4 合肥工业大学博士论文 1 1 4 1 稳态试验磨损试验机 中国科学院金属研究所于1 9 8 7 年着手研制并逐步完善的稳态腐蚀磨损试验机，其配套设 备的示意图如图1 - 1 。密封性能很好的聚四氟乙烯介质槽( 2 ) 固定在不锈钢底板( 1 ) 上，试 样与槽内介质接触。这种槽适用于各种温度和不同浓度的介质。试样表面封蜡后装夹在空 心轴上，空心轴的最高转数为7 5 r m i n ( 2 0 e m s ) 。连接试样的导线从空心轴中引至电刷( 8 ) ， 并与参比电极( s c e ) 和辅助电极o d 构成三电极系统与恒电位仪。 试样形状为环形，内径1 6 m m ，外径3 0 5 0 r m n ，厚度5 - 1 0 n u n 。与之对磨的a 1 2 0 3 球( 或其 他销行磨头) 安装在加载杆( 5 ) 上。载荷最大为1 0 0 n ，用砝码加载。每次试验都要更换磨球 或面接触，因而能够模拟单个粒子作用于材料表面的情况，从而可以研究磨损的单元过程。 图1 - 1 稳态腐蚀磨损试验机示意图m 1 1 不锈钢底板，2 ，介质槽，3 ，6 传感臂( 应变仪) ，4 x y 记录仪， 5 加载杆，7 承载箱，s ，电刷，9 变速箱，1 0 参比电极，1 1 辅助电极1 2 电化学综合测试 仪，1 3 驱动电机，1 4 式样，1 5 空心轴 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e a d yc o r r o s i o nw e a rt e s t e r 为了便于装卸磨球，将8 个电阻应变片粘贴在传感臂( 6 ) 上，而不是粘贴于加载杆上。 传感臂的结构特点是既能够产生微小应变，又可以保证法向加载。在x - y 记录仪( 4 ) 标定以后， 再利用力矩平衡原理计算磨头与试样之间的摩擦力从而得到摩擦系数。测力范围是 0 4 9 2 9 4 0 n 。 稳态磨损试验机的特点之一是适用介质范围广，不仅可以在不同的温度区和不同电位区评 第一章绪论 5 价材料的耐腐蚀磨损性能，而且可以测定试验过程中摩擦系数的变化，还能同时测量动、静态 。极化曲线。但它的加载力的范围很小，受力方式是摩擦。 。 图1 - 2 暂态腐蚀磨损试验机“” 1 试样，2 陶瓷磨头，3 辅助电极，4 介质槽，5 调速电机，6 主轴，7 齿轮皮带，8 加载 杆，9 、1 1 测力传感器( 动态应变仪) ，1 0 取样电阻，1 2 恒电位仪，1 3 微机， 1 4 d s s 6 5 2 1 型记忆示波器，1 5 x y 记录仪，1 6 参比电极 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a n s i e n tc o i t o s i v ew e a rt e s t e r 1 1 4 2 暂态腐蚀磨损试验机”“ 调速机( 5 ) 通过齿轮皮带( 7 ) 驱动安装有陶瓷磨头( 2 ) 的主轴( 6 ) 。有机玻璃介质 槽( 4 ) 与主轴之间采用骨架胶圈压紧密封。试样( 1 ) 装夹在只能沿纵向移动的加载杆( 8 ) 上，在试样旁边开一个小孔作为鲁金毛细管的尖嘴，以便能够更加准确而及时地捕捉试样磨 损瞬间信息。用砝码直接加载。在研究电极( 试样) 的线路上串联一个适当电阻值的取样电 阻( 1 0 ) ，再与辅助电极( 3 ) 和参比电极( 1 6 ) 一起输至由电机( 1 3 ) 控制的衡电位仪( 1 2 ) 。 测力传感器( 9 ) 和取样电阻上获得的信息被输至d s s 6 5 2 1 型记录仪示波器( 1 4 ) ，然后再由 x - y 记录仪( 1 5 ) 输出。试样的旋转速度在o 一7 5 0 r m i n 之间可调。载荷范围为o - 3 0 n 。这种 暂态腐蚀磨损试验机的结构比较合理，不仅能够更准确地反映出与表面磨损有关的暂态信息 ( 例如，电位阶跃幅度和钝化膜的修复速度，以及不同电位区的摩擦系数等) ，而且还可以进 行动、静极化曲线的测量。 6 合肥工业大学博士论文 1 1 4 3 料浆冲蚀试验机 金属材料在腐蚀性料浆中受到冲蚀的情况在工农业生产中经常见到。这种破坏形式在腐 蚀磨损事件中占很高的比例。最早用于评价金属耐磨损性能的设备就是料浆罐式试验机。中 国科学院金属研究所腐蚀学科开放实验室建立的料浆罐式冲蚀腐蚀试验装置及试样如图卜3 ( a ) 所示。该装置由4 大部分组成： b c d 转速调节系统包括交流调频变速器、交流电机、塔轮、旋转圆盘( 夹持试样) 以及光电测速表。该系统可实现转速的连续调节和非