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腐蚀磨损 1 1 腐蚀磨损概述2 金属的腐蚀磨损2 1腐蚀磨损分类2 2氧化磨损2 3电化学腐蚀磨损2 4金属腐蚀磨损测试技术3 金属腐蚀磨损发展趋势4 参考文献 主要内容 2 1 1腐蚀磨损的定义两摩擦表面与周围介质发生化学或电化学反应 在表面上形成的腐蚀产物粘附不牢 在摩擦过程中被剥落下来 新的表面又继续和介质发生反应 这种腐蚀和磨损的重复过程称为腐蚀磨损 CorrosionWear 腐蚀磨损行为与纯腐蚀行为和纯磨损行为均有很大差异 1 腐蚀磨损概述 3 1 2研究背景材料的腐蚀磨损经常发生在泵 阀的过流部件 泵体 叶轮等 管道内壁面 及腐蚀介质中服役的摩擦副中 其中以双向流造成的破坏尤其严重 据统计 在石油化工 能源交通 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 总磨损量的5 腐蚀磨损是一个物理 机械 化学和电化学作用的综合作用 各种因素的影响错综复杂 给研究工作带来了极大的困难 近几十年来人们不断探索并就此问题进行了一些初步研究 4 1 3研究现状20世纪80年代 南非科学家们首先采用先腐蚀后磨损的方法 分开进行实验对多种工程材料腐蚀磨损性能进行了评价 1991年 G Sundararajan总结了前人在金属氧化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 P F Weiser等人用CF 8铸铁在硫酸砂浆与单独硫酸腐蚀和单独湿磨料磨损条件下进行对比试验 结果表明 材料的腐蚀磨损速度是纯腐蚀和纯磨损速度之和的8 35倍 5 K Y Kim等人用电化学方法研究了材料在腐蚀磨损条件下的腐蚀行为 发现磨料的机械作用使腐蚀速度增加了2 4个数量级 张天成 姜晓霞等人测量了不同载荷下40Cr钢和304不锈钢在3 5 NaCl溶液中的腐蚀磨损率 用Tafel法和极化阻率法测定了静态及磨损状态下的腐蚀率 并用浸泡实验结果予以了修正 定量分析了两种材料在溶液中的腐蚀磨损交互作用 6 1 4研究目的和意义研究金属材料腐蚀磨损的目的除了弄清楚这种破坏失效的原因 找出其损伤的规律性以外 更重要的是如何控制腐蚀磨损 降低服役过程中材料流失量以延长工件使用寿命 7 2 1金属腐蚀磨损分类根据腐蚀介质的性质 腐蚀磨损可分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损两大类 2 金属的腐蚀磨损 8 2 2氧化磨损金属表面与气体介质发生氧化反应 在表面生成氧化膜 随后在磨料或微凸体作用下被去除 新暴露出的表面又重新被氧化 磨去 在此过程中形成的磨损就是氧化磨损 造成氧化磨损的条件有三 1 摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨损的速率 2 氧化膜与基体结合的强度大于摩擦表面的剪切应力 3 氧化膜厚度大于表面磨损破坏的深度 9 2 2 1氧化磨损的理论模型 1 Quinn模型除极少数贵金属外 洁净的金属一旦与空气接触 立即与空气中的氧反应成为单分子层的氧化膜 Quinn依此在Archard粘着磨损方程提出了氧化磨损理论 这一模型的认为 当磨损表面的微凸体不与对方微凸体接触时生成氧化膜 每个接触点上生成同样数量氧化膜 且当氧化膜达到临界厚度时只在金属 氧化膜界面上发生剪断 10 Quinn还导出了轻微磨损状态下的数学模型 Wv L A0exp Q RT S v 2 2 P 3H式中 为磨损率 Wv为体积磨损量 L为滑动距离 P为法向载荷 H为材料硬度 v为滑动速度 A0为阿伦尼乌斯常数 为氧化膜临界厚度 为氧化膜密度 Q为氧化反应活化能 T为微凸体表面接触温度 R为普适气体常量 上式表示临界氧化膜愈厚则磨损率愈小 11 2 Tao模型Quinn当时提出的氧化磨损理论没有提到磨损破坏速度的决定因素 因此Tao将氧化磨损过程分为 氧向金属表面扩散 氧化膜生长和滑动时氧化膜发生破坏三个阶段 Tao提出两个模型 模型A 氧化膜逐渐生长而其磨损是瞬间发生的 模型B 临界膜的生成时间远短于其破坏时间 其中模型A较符合实际 但许多实验证明同时考虑氧化时间和氧化膜的破坏时间才更接近真实情况 12 3 Rabinowicz模型根据膜的机械性质不同 Rabinowicz提出了两个氧化磨损模型 脆性氧化膜的氧化模型在一定的气体中 金属材料表面会生成脆性氧化膜 由于其物理机械性能与基体差别很大 当它生长到一定厚度时 很容易被机械作用去除并暴露出金属基体 随后在新的基体上面又开始新的氧化一磨损过程 脆性膜的氧化磨损示意图 13 韧性氧化膜的氧化磨损模型如果生成的氧化膜是韧性的并且比基体软 当遭受外部机械作用时 可能只有部分氧化膜被除去 随后的氧化磨损过程仍是在氧化膜上进行的 韧性膜的氧化磨损示意图 14 2 2 2氧化磨损的影响因素 1 氧化膜性质的影响 氧化膜硬度H0与基体金属硬度Hm的比值当H0 Hm时 因基体太弱 无法支承载荷 故即使外力很小 氧化膜也很易破碎 当两者都很高时 在载荷作用下变形很小 氧化膜不易变形 耐磨性增加 氧化膜与工作环境的关系钢铁摩擦副 当载荷小 滑动速度低时 氧化膜主要组成物为Fe2O3 但当速度增大 载荷增大后 则主要为Fe3O4 磨损量随膜组分变化而变化 15 氧化膜的机械性能脆性氧化膜与基体金属结合能力差 容易被磨掉 反之 如为韧性而致密的氧化膜 则与基体结合牢固 不易磨掉 若氧化膜的硬度较大 结果氧化膜被嵌入金属内 成为磨料 若氧化物较软 则其对另一表面磨损就小 有的甚至有防止粘着的作用 有些氧化物的摩擦磨损性能还与温度有关 如PbO 在250 以下润滑性能不好 但超过此温度时 就成为比MoS2还好的润滑剂 16 2 载荷影响轻载荷下氧化磨损磨屑主要成分为Fe和FeO 重载荷下磨屑主要成分是Fe2O3和Fe3O4 当载荷超过某一临界值时 磨损量随载荷增大急剧增加 3 滑动速度影响低速摩擦时磨损量较小 随着滑动速度增加 产生磨屑增大 磨损量增大 4 金属表面状态金属表面处于干摩擦时 容易产生氧化磨损 加入润滑油除了起到减摩作用外同时隔绝空气 提高抗氧化磨损能力 但有的润滑油能促进氧化膜脱落 17 2 3电化学腐蚀磨损殊特介质中的腐蚀磨损是指摩擦副工作在电解质溶液 如酸 碱 盐等 中 并和它们发生作用形成各种不同的产物 又在摩擦中被除去的过程 电化学腐蚀磨损由于涉及的因素较多 是一个比氧化磨损更为复杂的过程 摩擦表面遍布点状或丝状腐蚀痕迹 磨损产物是酸 碱 盐的金属化合物 18 2 3 1电化学腐蚀的理论模型 1 材料的机械去除模型在腐蚀磨损体系中 金属材料在特定介质作用下发生均匀腐蚀并形成完整覆盖的产物膜 由于磨料或硬质点的剪切作用导致腐蚀膜的去除 ABD EL KADER等研究了不锈钢在低应力条件下的腐蚀磨损 为建立其数学模型提出两个假设 腐蚀磨损过程是摩擦表面上氧化物的生成和去除的重复过程 氧化膜的生长速率遵循对数规律 19 从而导出腐蚀磨损深度为 s 0 43K其中K可由腐蚀电位下氧化物生长速率来确定 对特定的体系K为一常数 这一规律仅适合于非常低的应力和材料具有较强再钝化能力的体系 20 2 氢致磨损理论对氢敏感的材料 在易析氢的介质中 表面层由于发生周期性形变 裂纹 微空洞 晶界和其它可能存在的缺陷不断发生体积变化 氢原子进入这些缺陷后要么形成氢分子 要么在缺陷内部生成脆性氢化物 失去返回外界的可能性 磨损应力作用下缺陷体积减小时产生高度应力集中 在磨损近表层内引发大量微裂纹 导致材料成块剥落 磨痕呈脆性断口 加速材料流失 21 3 腐蚀磨损交互作用理论大量的实验和工程实践使人们认识到腐蚀磨损研究的核心应该是腐蚀和磨损的交互作用 协同效应 而不是表面膜的行为 腐蚀磨损交互作用可以较好地解释腐蚀磨损率不是单纯腐蚀率和单纯磨损度的加和 而是远大于它 只有很少数情况下腐蚀磨损材料流失量才小于干磨损 22 磨损加速腐蚀磨损对腐蚀的加速作用首先表现在载荷或滑速对腐蚀介质中的工件腐蚀电位的影响 同时 磨损减薄作用或破坏钝化膜或除去表面产物而裸露出新鲜的金属表面 溶液搅动加速了传质过程 加速金属的腐蚀 此外 磨损过程会使塑性材料表面产生微裂纹 位错和空位等缺陷 具有较高的腐蚀活性成为阳极 其余部位称为阴极 构成 应变差电池 23 腐蚀加速磨损腐蚀后的材料表面疏松 多孔 很容易在磨料或其它微凸体的作用下被去除而增加材料流失量 再由于金属组织结构的不均匀性 腐蚀会破坏晶界 相界或其它组织的完整性 降低其结合强度当磨头滑过或粒子冲击时很容易被剥落而增加磨损量 形变强化的金属材料由于腐蚀尤其均匀腐蚀会除去表面薄薄的硬化层 裸露出未变形强化 或形变程度较小 硬度较低的表面层从而降低耐磨性 这是腐蚀加速磨损的又一种表现 24 腐蚀磨损中的 负 交互作用腐蚀磨损交互作用通常都表现为彼此加速 这是普遍规律 但实验发现铁合金和不锈钢在腐蚀介质中的材料流失量比空气中的干磨损还小 这种现象的出现一般是在腐蚀介质弱 因腐蚀造成的损失小 而材料流失量以磨损为主的条件下 与空气中的磨损失重相比 介质改变了对摩副之间的表面状态 降低了摩擦系数 从而减少了磨损失重 介质的润滑在轻载和高速下充分表现出减摩效果 再加上介质冷却作用 材料流失就有可能小于相同运动参数 速度和载荷 下的干磨损 即产生所谓的 负 交互作用 25 2 3 2电化学腐蚀磨损的影响因素 1 腐蚀介质的性质同种材质在不同介质中的腐蚀磨损行为是不同的 即使是同一种介质 介质浓度和pH值的变化也将严重影响材料的耐磨蚀性 此外 介质温度升高也会使磨损率增大 45 钢在不同介质中的腐蚀磨损 26 2 材料性质在强磨损 弱腐蚀条件下 含碳量的增加有利于材质耐磨蚀性的提高 但在弱磨损 强腐蚀条件下 含碳量的增加则不利于材质耐磨蚀性的提高 此外 钢中Cr Si Cu的含量也会对钢的耐磨蚀性产生影响 经不同热处理后钢的组织差异也会对钢的耐磨蚀性产生影响 27 3 机械因素外加载荷的大小及其作用频率也会对材料耐磨蚀性产生影响 冲蚀过程中的砂浆速度和冲击角度也会影响材料耐磨蚀性 28 2 4金属腐蚀磨损测试技术2 4 1稳态腐蚀磨损试验机 29 2 4 2暂态腐蚀磨损试验机 30 腐蚀磨损作为现代工业生产中一种常见的磨损形式 越来越受到各个工业部门的重视与研究 对于这种特殊的磨损形式的研究 正朝着广度和深度两个方向发展 未来将要进行的工作主要有以下几个方面 1 进一步加强腐蚀磨损机理的研究 2 尽快研究出更为成熟 适用面广 性能更为稳定的试验设备 3 针对特定的腐蚀环境 选择出合理的材料及热处理工艺 研究材料选择与腐蚀磨损关系