第四章-腐蚀磨损

第四章腐蚀磨损 4 4典型零件的失效分析 目录 4 1概述 1 定义腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中 表面材料与周围介质发生化学或电化学反应 并伴随机械作用而引起的材料损失现象 称为腐蚀磨损 腐蚀磨损通常是一种轻微磨损 但在一定条件下也可能转变为严重磨损 实际工况中 腐蚀磨损往往受限于材料因素 材料的成分 组织 力学性能 物化性能等 电化学因素 腐蚀介质的种类 浓度 pH值等 力学因素 载荷 速度等 和环境因素 温度及压力等 等的影响 腐蚀磨损行为与纯腐蚀行为和纯磨损行为均有很大差异 危害 在农机 矿冶 建材 石油化工及水利电力部门的许多机械设备中工作的零件 不仅受到严重的磨料磨损或冲蚀磨损 还要受到环境介质的强烈腐蚀破坏 据文献报道 受到无机肥料或农药强烈腐蚀磨损作用的喷撒机械 其使用寿命只达到设计指标的40 60 在水田土壤中耕作的拖拉机履带板只有旱田使用寿命的五分之一左右 美国每年约育23万吨钢材 全世界约有45万吨钢材消耗于选矿设备的腐蚀磨损 其价值约为1一2亿美元 4 2基本原理 模型及影响因素 一 腐蚀磨损的基本原理腐蚀磨损是腐蚀介质和磨料或硬质微凸体共同作用于表面引起材料损失的过程 在此过程中 金属可以离子形式及整体方式脱离材料表面 其特点与单独作用有显著不同 腐蚀磨损量也远不是两者的简单叠加 1 腐蚀对磨损的影响在腐蚀磨损过程中 由于腐蚀介质的作用 材料表面的机械性能将受到影响 从面降低材料的耐磨性 如果腐蚀介质在材料表面生成的腐蚀产物是疏松的或脆性的 随后在磨料或其它微凸体的作用下就很容易破碎去除 从而导致材料磨损的增加 即使材料表面不形成这种腐蚀产物 腐蚀过程也会导致材料表面组织结构的恶化 如产生晶间腐蚀 2 磨损对腐蚀的影响腐蚀磨损的电化学试验表明 磨损过程可对腐蚀的 阳极过程和阴极过程产生极大影响 腐蚀速度平均可增加2 4个数量级 最大可增加6 8个数量级 大多数耐蚀金属都是通过在表面形成可阻止腐蚀进一步发展的表面膜 钝化膜 而具有良好的耐蚀性 但在磨损过程中 表面膜要受到不同程度的破坏 与作用力的大小 磨粒形状等因素有关 由于表面膜的破坏 材料裸露出的新鲜表而直接与介质发生电化学反应 会使阳极溶解速度急剧提高 在腐蚀磨损过程中 材料表面的介质溶液不断受到机械搅拌作用 其成分与溶液本体保持一致 从而消除了浓差极化现象 使腐蚀得以加速进行 图9 1示意地说明了这一现象 二 腐蚀磨损的模型 根据腐蚀介质的性质 可将腐蚀磨损分为两大类 化学腐蚀磨损 金属材料在气体介质或非电解质溶液中的磨损 电化学腐蚀磨损 金属材料在导电性电解质溶液中的磨损 1 化学腐蚀磨损在气体介质中的腐蚀磨损实际上以氧化磨损为主 其过程主要是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的过程 对于钢铁材料 表面氧化膜的成长一般遵从抛物线规律 根据膜的机械性质RabZnowLch提出了两个氧化磨损的模型 1 脆性氧化膜的氧化磨损模型在一定的气体介质中 金属材料表面会氧化生成臆性氧化膜 由于这种膜的物理机械性能与基体差别很大 当它生长到一定厚度时 很容易被外部机械作用所去除并暴露出金属基体 随后在新鲜的金属表面上又开始新的氧化一一磨损过程 如图9 4所示 2 韧性氧化膜的氧化磨损模型如果生成的氧化膜是韧性的 并比基体金属软 当受外部机械作用时 可能只有部分氧化膜被去除 随后的氧化过程仍是在氧化膜上进行 因此腐蚀磨损过程比脆性氧化膜的情况要轻微 如图9 5所示 2 电化学腐蚀磨损 特殊介质腐蚀磨损 在摩擦副与酸 碱 盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损 称为殊殊介质腐蚀磨损 其磨损机理与氧化磨损相似 但磨损率较大 磨损痕迹较深 金属表面也可能与某些特殊介质起作用而生成耐磨性较好的保护膜 人们提出了一些特定条件下的模型 1 材料的机械去除模型如果在腐蚀磨损体系中 金属材料在特定介质作用下发生均匀腐蚀 并可形成完整覆盖的腐蚀产物 磨损的形成是由于磨料或硬质点的机械作用导致腐蚀膜 或氧化膜 钝化膜 的去除 这种腐蚀磨损的特征可用图9 6表示 对于多相材料 尤其是具有碳化物相的耐磨材料 如高铬白口铸铁 在酸性介质的磨损条件下 由于碳化物的电极电位大大高于基体组织 碳化物与基体之间可形成有效的腐蚀电池 从而产生相间腐蚀 严重削弱碳化物与基体的结合 在磨料或硬质点的机械作用下 碳化物很容易从基体脱落或发生断裂 如图9 7所示 2 材料的腐蚀去除模型腐蚀磨损过程中 由于磨料的机械作用 材料表面的电化学性质会发生变化 同时由于磨料也可参与形成腐蚀电池 使腐蚀磨损条件下的腐蚀过程大大加速 a 应变差异腐蚀电池模型 b 金属材料一磨料电偶腐蚀模型 前已述及 由了磨料的磨损作用 金属材料表面产生不均匀的塑性变形 形成了 应变差异腐蚀电池 如图9 8所示 塑性变形强烈的部位作为阳极首先受到腐蚀破坏 然后在磨料的继续作用下很容易被去除形成所谓二次磨损 如果磨料具有电活性 当它与金属材料接触时 也可形成金属材料 磨料电偶腐蚀电池 如图9 9所示 在这种腐蚀电池中 金属材料作为阳极会发生铁的溶解 而赠料则作为阴极发生氧的还原反应 三 腐蚀磨损的影响因素对于某一特定材料 其腐蚀磨损取决于介质的腐蚀特性和磨损过程的待点 并且它们之间还会互相影响 因此 腐蚀磨损的影响因素是十分复杂的 材料的腐蚀磨损的影响因素较多 它既与腐蚀介质的种类 介质中固体颗粒特性 介质流速 以及固体颗粒对基材冲击角有关 也与材料本身的成分 组织结构 力学机械性能有关 纵观国内外研究工作都是围绕着这些因素开展的 1 腐蚀介质的影响对于钢铁材料 在静态条件下 腐蚀随PH值增加而减小 PH值主要是通过影响系统的电极过程和腐蚀产物而影响材料的腐蚀 由图9 10可见 随pH值增加 高铬铸铁的腐蚀磨损量急剧减小1pH值达到5以后 基本上不再变化 这是由于在酸性介质中 容易发生氢的去极化过程 这时高铬铸铁表面不能形成有效的保护膜 并且由于其复杂的多相结构 必使其容易在酸性介质中发生严重的相间腐蚀破坏 2 介质成分的影响 图9 11表示45钢在几种不同腐蚀介质中腐蚀磨损的比较 可见 在腐蚀性较强的H2SO4和HCl组成的砂浆条件下 腐蚀磨损量是在碱性介质NaOH中的14 16倍 在腐蚀性较弱的YaCl和自来水中 磨蚀量也为在NaOH中的1 6 3 6倍 3 介质浓度的影响 在静态腐蚀条件下 材料的腐蚀速度随介质浓度的变化一般遵循两种规律 如图9 14所示 a 在低浓度条件下 材料表面会与介质作用形成保护膜 随浓度增加到一定值 保护膜被溶解 导致腐蚀速度迅速上升 如曲线A所示 b 随浓度增加 溶液中活化质点或溶解氧浓度增加 达到一定浓度时 溶液电离度减小 或氧溶解度下降 使腐蚀速度下降如曲线B及所示 4 介质温度的影响 温度增加对金后腐蚀有两方面的影响 a 提高化学反应速度 从而增加腐蚀速度 b 减少氧溶解度 从而减小腐蚀速度 5 缓蚀剂的影响 为减少腐蚀的影响 许多研究人员采取了在介质中添加缓蚀剂的方法 因为在腐蚀磨损过程中 机械作用主要是通过影响电极反应的阳极过程 增加阳极溶解速度来促进材料的腐蚀 采用缓蚀剂就是通过在阳极上形成钝态的保护膜来抑制阳极过程 2 机械因素的影响 磨损过程的机械作用主要是通过破坏材料表面膜和改变树料表面电化学活性来影响其腐蚀磨损速度 不同的工作参数表现了不问的影响 1 砂浆速度的影响砂浆冲击速度决定了磨料在材料表面机械作用的强度 随冲击强度的增加 表面膜破坏程度和表面电化学活性增加 因而材料的磨损速度上升 由于机械作用导致磨损程度的增加更为迅速 因而腐蚀在腐蚀磨损中所占的比例下降 2 砂浆冲击角度的影响 在砂浆速度一定的条件下 改变砂浆冲击角度 材科去除的机制及表面磨损形貌都相应发生变化 在腐蚀介质中 由腐蚀和磨损过程的相互作用 材料的去除机制及磨损形貌的变化特有别于纯磨损的情况 材料腐蚀速度随冲击角度的会化也将与纯磨损的情况有明显不同 3 载荷的影响 如图9 37所示 腐蚀电位的负移是由于载荷的增加 促进了材料钝化腹或保护膜的破坏 导致了裸露金屑表面的增加 图9 37中的AJ表示腐蚀电流在腐蚀磨损相对纯腐蚀过程中的增量 AJ随载荷增加而扩大的现象反映了磨损机械作用对腐蚀速度影响的相应增加 4 载荷作用频率的影响 在实际零部件的腐蚀磨损过程中 环境介质的作用往往是以磨损一腐蚀或腐蚀磨损腐蚀的方式反复进行 因此研究载荷或磨损作用的频率具有实际意义 3 材料因素的影响在实际工况中 耐磨性能和耐蚀性能往往是互相矛盾的 比如硬质碳化物及其它第二相硬质点 高硬度马氏体基体及细化晶粒等都可能通过改善材料硬度 韧性等机械性能提高其耐磨性 但这些因素也将增加材料组织的不均匀性 容易发生点蚀 晶间腐蚀 相间腐蚀等 因而对其耐蚀性有害 因此在实际生产中 应该根据具体工况下体系中机械作用和腐蚀作用的相对强弱程度 选择合理的耐腐蚀磨损材料 任何一种材料的腐蚀磨损性能 出于受环境条件的影响很大 只能在特定的条件厂才有其确定性 如果根据腐蚀磨损体系中机械作用及腐蚀作用的相对强弱程度 将环境条件分为四种典型情况 可以看到 条件不同 对材料的腐蚀磨损性能有不同的要求 1 弱机械作用 弱腐蚀作用工况在这种工况条件下 环境因素的影响程度较小 普通材料即可胜任工作 因此对材料性能没有特殊要求 2 强机械作用 弱腐蚀作用工况 耐蚀材料一般应具有两个持点 表面可形成 层保护膜或钝化膜阻滞腐蚀的进程 组织尽可能均匀以减小表面的电化学不均匀性从而减小局部腐蚀发生的可能性 3 弱机械作用 强腐蚀作用工况要抵抗环境中介质的强烈腐蚀作用 材料首先必须具有优良的耐蚀性能 机械作用较弱决定了磨损过程是在材料表面的保护膜或钝化膜内发生 因此提高材料在这类工况下的耐蚀性主要是加强保护膜的致密性和稳定性 4 强机械作用 强腐蚀作用工况 材料的耐蚀性主要依赖于其组织的电化学均匀性 提高材科硬度主要有两条途径 固湾强化 加工硬化 在材料中加入合金元素实现固溶强化时 往往还可提高其耐蚀性 而加工硬化会引起表面电化学活性的增加 因而使耐蚀性有所下降 4 3试验研究方法 一 腐蚀磨损的研究方法腐蚀磨损的试验研究 主要是为解决以下问题 1 评价材料的腐蚀磨损性能 2 研究腐蚀介质对材料腐蚀磨损的影响 3 研究磨损机械作用对材料腐蚀过程的影响 4 研究腐蚀因素与磨损因素的相互作用对材料腐蚀磨损性能的影响 腐蚀磨损的研究方法都是从磨损研究和腐蚀研究两个方面发展起来的 一方面 磨损工作者为了研究腐蚀介质对材料腐蚀磨损的影响 采用测定材料在介质中的腐蚀磨损系数K和在介质中加入缓蚀剂或对试样进行阴极保护条件下的磨损量的方法 以二者之差确定材料在腐蚀磨损条件下的腐蚀量 又用表征腐蚀占总腐蚀磨损的比例 或腐蚀对材料去除的影响 另一方面 腐蚀工作者为了研究应力腐蚀过程中裂纹在应力和介质作用下扩展的机理 测定了在介质中被连续摩擦的金属新生表面的电化学极化曲线加 电极过程动力学的研究表明 摩擦作用使材料的腐蚀速度增加了2 3个数量级 二 典型的腐蚀磨损试验机1 稳态腐蚀磨损试验机 2 暂态腐蚀磨损试验机 3 料浆冲蚀试验机 4 腐蚀磨损试验方法早期研究金属材料腐蚀磨损行为的试验方法都是将样品现在选定的腐蚀介质中浸泡或预氧化 即在静态环境中制备腐蚀及高温冲蚀试样 再用这些试片去测定磨损量 但是这种分离试验方法与材料的服役工况相距太大 磨损试验一般要十几分钟 最多也只不过几十个小时 而腐蚀试验中的浸泡或盐雾试验很难在如此短的时间内得到可信的结果 有的可能长达数周或数月 因此腐蚀磨损试验中首先遇到的问题是正确选择试验参数 特别是如何使力学参数和化学参数互相匹配 5 试验参数的选择根据工程应用背景 实验参数一般包括以下两类 1 磨损参数 摩擦副的接触形式 点 线或面接触 运动方式 滑 滚或振动 承受载荷或压力的方式 平稳或脉动 和数值 运动速度等 2 腐蚀参数 介质的种类 酸 碱 盐或自然界存在的其它介质 浓度 温度 压力等 欲在较短的试验期内获得所需的结果 除了提高测定方法的灵敏度外 有效的手段是强化一些影响材料磨蚀的试验参数 常用的方法包括 适当增加介质中某些组分的浓度 搅拌或提高温度以增加反应几率 提高反应速率 预制裂纹以缩短腐蚀过程中诱导期 敏化处理以强化金属的腐蚀倾向 加大载荷或提高运行速度的方法来缩短试验时间等等 但绝不能因为强化参数而改变原来的腐蚀机制或引入实际工况中不存在的因素 6 腐蚀磨损试验结果的表达 1 腐蚀磨损率 用表面轮廓仪在一定放大数倍下记录出磨痕的起伏随痕宽的变化 求出平均破坏深度从而计算出磨蚀截面积 由V AD St 103g m2h计算一定极化电位下的腐蚀磨损率 式中A为磨痕平均截面积 D为试样周长 S为磨痕表观面积 为材料密度 t为磨损时间 2 相对耐磨蚀性能 在完全相同的试验条件下对多种金属材料进行磨蚀试验 选定其中一种材料 将其磨蚀失重值定为1 并将其值与其他材料的流失量进行比较 如果试验样品磨蚀流失量小于标准样品磨蚀流失量 则相对耐磨性大于1 表示这种材料比标准样品耐磨蚀 5 4典型零件失效特征与分折 腐蚀磨损是腐蚀和磨损共同作用的结果 因此腐蚀磨损表面既保留了某些腐蚀表面特征和磨损表面特征