表面工程学第三次课

1、122.3 2.3 磨粒磨损磨粒磨损2.4 2.4 其他磨损形式其他磨损形式2.5 2.5 提高机械零件耐磨性的途径提高机械零件耐磨性的途径第二节第二节 材料磨损原理及其耐磨性材料磨损原理及其耐磨性32.3：磨粒磨损：磨粒磨损一、磨粒磨损过程中材料的去除机理一、磨粒磨损过程中材料的去除机理被磨材料 若磨粒是个若磨粒是个刚性三角锥体刚性三角锥体，被磨，被磨损材料呈损材料呈塑性塑性时，磨粒与材料之间会时，磨粒与材料之间会发生发生显微切削显微切削和和显微犁沟显微犁沟两种两种塑性变塑性变形形的磨损方式的磨损方式（图图），），磨粒锥体在滑动磨粒锥体在滑动一定距离所磨掉的材料体积一定距离所磨掉的材料体积

2、V = KPH-1L 式中，式中，K比例系数，比例系数，P施加载荷，施加载荷，H被磨被磨材料的硬度，材料的硬度，L滑动距离。滑动距离。显微切削显微切削显微黎沟显微黎沟4 当磨粒和当磨粒和脆性脆性材料表面接触时，主要以表面材料表面接触时，主要以表面断裂破坏断裂破坏为为主主（图图）。此时材料的去除体积此时材料的去除体积 V = KP5/4d1/2KIC-3/4H-1/2L 式中，式中，KIC材料的断裂韧度；材料的断裂韧度；K是与磨粒形状及其分布是与磨粒形状及其分布状态有关的函数。状态有关的函数。显微裂纹显微裂纹5二、磨粒磨损过程的影响因素二、磨粒磨损过程的影响因素磨粒特性的影响磨粒特性的影响1a

3、a）磨粒硬度的影响）磨粒硬度的影响Ha-磨粒硬度，磨粒硬度， Hm-材料硬度；材料硬度； Ha/Hm1.2 硬磨粒磨损，硬度增加硬磨粒磨损，硬度增加对磨损影响不大；对磨损影响不大； 1Ha/Hm 多角多角 圆粒圆粒c c）磨粒粒度的影响）磨粒粒度的影响磨粒在临界尺寸以下时，磨磨粒在临界尺寸以下时，磨损率随尺寸增加急剧增加；损率随尺寸增加急剧增加；超过这一尺寸时，其增大的超过这一尺寸时，其增大的幅度显著降低。幅度显著降低。231磨粒尺寸磨粒尺寸,m磨损率磨损率mm3/kgm0 50 100 150 200 250 7材料力学性能的影响材料力学性能的影响2一些一些材料磨损与硬度间的关系材料磨损与硬

4、度间的关系磨损前体性硬度磨损后表面硬度1钢(En8,HV100) ;212%Mn高锰钢(HV217)； 3Mn-Mo奥氏体球铁(HV290) 4低合金白口铁(HV489)； 527Cr高铬白口铁(HV661) 6Mn-Mo马氏体球铁(HV703)； 7马氏体球铁(HV709)； 8白口铁(硬镍1号，HV290)； 9白口铁(硬镍4号，HV743)； 10共析钢(HV761)； 1113Cr高铬白口铁(HV780) ； 12Ni-Cr白口铁(HV845) ；13Cr-Mo白口铁(HV895)； 93体积损失,mm3硬度,HV1245678101112161284200 400 600 80013

5、硬度,HV体积损失,mm3161284 400 600 800 1000312456781011121398材料微观组织的影响材料微观组织的影响3u 相同硬度下，奥氏体、贝氏体的耐磨相同硬度下，奥氏体、贝氏体的耐磨性大于珠光体和马氏体；性大于珠光体和马氏体；u 夹杂物在磨损过程中容易剥落、开裂夹杂物在磨损过程中容易剥落、开裂而大大降低耐磨性。而大大降低耐磨性。工况和环境条件的影响工况和环境条件的影响4其影响因素主要有：速度、载荷、磨损距离、磨其影响因素主要有：速度、载荷、磨损距离、磨粒冲击角、湿度、温度、腐蚀介质等粒冲击角、湿度、温度、腐蚀介质等92.4：其它磨损形式：其它磨损形式 当主要失效

6、形式为点蚀和剥落时（磨损是以裂纹萌生为当主要失效形式为点蚀和剥落时（磨损是以裂纹萌生为主），因此硬度越高，裂纹越难于萌生。主），因此硬度越高，裂纹越难于萌生。 当润滑条件下的擦伤为主要机制时（裂纹扩展为主），当润滑条件下的擦伤为主要机制时（裂纹扩展为主），硬度越高，擦伤越容易，疲劳寿命反而降低。硬度越高，擦伤越容易，疲劳寿命反而降低。一、疲劳磨损一、疲劳磨损10二、腐蚀磨损二、腐蚀磨损腐蚀对磨损的影响：腐蚀使材料表面生成疏松或脆的腐蚀产物，在磨粒作用下容易破碎去除，导致材料磨损的增加；磨损对腐蚀的影响：金属表面钝化膜可阻止材料进一步腐蚀，若钝化膜被磨掉，裸露出新鲜表面可加速电化学反应，所以磨损

7、可以使腐蚀速度增加几个数量级。 11三、冲蚀磨损三、冲蚀磨损冲蚀磨损可以根据流动介质及第二相粒子分类图图:蒸汽冷凝器管道弯头部蒸汽冷凝器管道弯头部分的气蚀分的气蚀固体材料液体流12冲蚀磨损机制冲蚀磨损机制 (1) 脆性磨损机制：脆性磨损机制：脆性材料受到粒子的冲击作用时，不发生塑性变形，脆性材料受到粒子的冲击作用时，不发生塑性变形，而出现裂纹并很快脆断。脆性冲蚀时的磨损体积而出现裂纹并很快脆断。脆性冲蚀时的磨损体积 V = v03.2r3.71.58 KIC-1.3H-0.25式中，式中，KIC断裂韧度，断裂韧度，H硬度，硬度，v0粒子速度，粒子速度，r粒度，粒度，密度密度(2) 延性磨损机制

8、延性磨损机制：当撞击角为：当撞击角为90时冲蚀很小，而在撞击角为时冲蚀很小，而在撞击角为20时时冲蚀最大（切削磨损）。冲蚀最大（切削磨损）。 软材料132.5：提高零件耐磨性的途径：提高零件耐磨性的途径一、工程结构的合理设计一、工程结构的合理设计如如:活塞与活塞环配对中活塞与活塞环配对中,允许活塞环磨损允许活塞环磨损两冲程内燃机示意图连杆曲轴活塞环活塞汽缸体尽量降低对磨材料的交互作用力；从设计原理上减尽量降低对磨材料的交互作用力；从设计原理上减摩；设计时综合考虑维修难易程度、产品成本、使摩；设计时综合考虑维修难易程度、产品成本、使用特点等。用特点等。14二、耐磨材料的选择二、耐磨材料的选择 要

9、根据不同的磨损类型来选择不同的耐磨材料。（1） 粘着磨损的选材原则： 塑性材料比脆性材料容易产生粘着磨损。 相同金属或晶格类型、电化学性能相近的金属制造的摩擦 副粘着倾向大。 金属与非金属材料组成的摩擦副粘着倾向小。（2） 磨料磨损的选材原则： 一般是提高材料的硬度来提高它的耐磨性。（3） 疲劳磨损的选材原则： 要求钢材质量好，控制钢中有害的非金属夹杂物。15按磨损类型考虑选用的材料按磨损类型考虑选用的材料(未计成本未计成本)磨损磨损形式形式第一选择第一选择第二选择第二选择磨磨粒粒磨磨损损低应力低应力高应力高应力犁沟犁沟抛光抛光钢结硬质合金钢结硬质合金/高合金铸铁高合金铸铁火焰硬化钢火焰硬化钢

10、/高锰钢高锰钢高锰钢高锰钢/高铬铸铁高铬铸铁/钢结硬质合金钢结硬质合金TiN层层薄膜强化薄膜强化,热扩渗热扩渗,喷焊喷焊工具钢工具钢白口铸铁白口铸铁,堆焊堆焊热扩渗热扩渗,热喷涂热喷涂,表面淬火表面淬火冲冲刷刷磨磨损损固体粒子固体粒子流体冲击流体冲击气蚀气蚀泥浆冲刷泥浆冲刷过共晶钴基合金过共晶钴基合金,高铬铸铁高铬铸铁陶瓷陶瓷,过共晶钴基合金过共晶钴基合金同上同上同上同上工具钢工具钢,白口铸铁白口铸铁司太立合金司太立合金,钛合金钛合金,铝青铜铝青铜喷熔处理喷熔处理,工具钢工具钢,奥氏体钢奥氏体钢,马氏马氏体时效钢体时效钢粘粘着着磨磨损损微动微动撕脱撕脱擦伤擦伤氧化氧化钴或镍基合金钴或镍基合金/

11、软镀层软镀层钢结硬质合金钢结硬质合金/自熔合金自熔合金氮化氮化/氮化钢氮化钢钢结硬质合金钢结硬质合金/自熔合金自熔合金薄膜强化，表面淬火薄膜强化，表面淬火热扩渗热扩渗疲疲劳劳麻坑麻坑剥落剥落冲击冲击火焰硬化钢火焰硬化钢同上同上耐冲击工具钢耐冲击工具钢表面淬火表面淬火热扩渗热扩渗16三、材料表面耐磨与减摩处理三、材料表面耐磨与减摩处理通过表面工程提高耐磨性，从两方面着手：一、提高力通过表面工程提高耐磨性，从两方面着手：一、提高力学性能，如高硬度、高韧性等；二、降低摩擦系数学性能，如高硬度、高韧性等；二、降低摩擦系数 提高材料的提高材料的表面硬度表面硬度：如表面淬火、渗碳、渗氮、涂覆硬：如表面淬火

12、、渗碳、渗氮、涂覆硬涂层等。涂层等。 降低表面降低表面摩擦系数摩擦系数：添加固体润滑膜或形成非金属性质的：添加固体润滑膜或形成非金属性质的摩擦面。如在材料摩擦表面形成低摩擦系数的化合物，如渗硫、摩擦面。如在材料摩擦表面形成低摩擦系数的化合物，如渗硫、渗氮等，使材料表面形成硫化物、氮化物。渗氮等，使材料表面形成硫化物、氮化物。1718引引言言油气田中出现的冲刷腐蚀失效油气田中出现的冲刷腐蚀失效腐蚀就是材料与环境介质作用而引起的恶化腐蚀就是材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。变质或破坏。腐蚀对材料表面的损害腐蚀对材料表面的损害: :1.1.导致资源与能源的浪费，带来巨大的经济损失，导致资源与

13、能源的浪费，带来巨大的经济损失，2.2.造成污染与事故，严重影响人民生活，甚至危及生命安全。造成污染与事故，严重影响人民生活，甚至危及生命安全。3.3.所有的腐蚀破坏都是所有的腐蚀破坏都是从损坏材料的表面开始从损坏材料的表面开始的。的。193.1 3.1 化学腐蚀与电化学腐蚀原理化学腐蚀与电化学腐蚀原理3.2 3.2 金属表面的极化、钝化与活化金属表面的极化、钝化与活化3.3 3.3 腐蚀的主要形式腐蚀的主要形式3.4 3.4 金属材料腐蚀控制及防护方法金属材料腐蚀控制及防护方法第三节第三节 金属腐蚀原理与防护技术金属腐蚀原理与防护技术20化学腐蚀化学腐蚀金属在干燥的气体介质中或不导金属在干燥

14、的气体介质中或不导电的液体介质中发生的腐蚀，腐蚀电的液体介质中发生的腐蚀，腐蚀过程无电流产生过程无电流产生电化学腐蚀电化学腐蚀金属在导电的液态介质中因电化金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中有电流产生有电流产生3.1：化学腐蚀与电化学腐蚀原理：化学腐蚀与电化学腐蚀原理一、腐蚀的基本概念一、腐蚀的基本概念按照材料腐蚀原理的不同，可分为：按照材料腐蚀原理的不同，可分为：21按按照照腐腐蚀蚀环环境境划划分分1.1.湿蚀：湿蚀：在潮湿的环境中发生的腐蚀在潮湿的环境中发生的腐蚀( (包括水溶液腐蚀、大气腐蚀、土壤腐蚀和化包括水溶液腐蚀、大气腐蚀、土壤腐

15、蚀和化学药品腐蚀学药品腐蚀) )2.2.干蚀：干蚀：在干燥的环境中发生的腐蚀在干燥的环境中发生的腐蚀( (包括高温氧化、硫腐蚀、氢腐蚀、液态金属包括高温氧化、硫腐蚀、氢腐蚀、液态金属腐蚀、熔盐腐蚀、羧基腐蚀等腐蚀、熔盐腐蚀、羧基腐蚀等) )3.3.微生物腐蚀：微生物腐蚀：在有微生物环境中发生的腐蚀在有微生物环境中发生的腐蚀( (包括细菌腐蚀、真菌腐蚀、流化菌腐蚀、藻包括细菌腐蚀、真菌腐蚀、流化菌腐蚀、藻类腐蚀类腐蚀) )等。等。22按按照照腐腐蚀蚀形形态态划划分分1.1.全面腐蚀：全面腐蚀：腐蚀分布在整个金属表面上腐蚀分布在整个金属表面上( (包括较均匀的和不均匀的包括较均匀的和不均匀的) )

16、。2.2.局部腐蚀局部腐蚀: :腐蚀局限在金属的腐蚀局限在金属的某一部位。某一部位。局局部部腐腐蚀蚀均匀的全面腐蚀均匀的全面腐蚀不均匀的全面腐蚀不均匀的全面腐蚀全面腐蚀全面腐蚀23二、金属化学腐蚀的基本原理二、金属化学腐蚀的基本原理裸金属与干燥空气或氧接触裸金属与干燥空气或氧接触表面形成氧分子的物理吸附层表面形成氧分子的物理吸附层稳定的化学吸附膜稳定的化学吸附膜通过膜层再与基体起反应通过膜层再与基体起反应 扩散。扩散。24氧化过程与传质过程有关：氧化过程与传质过程有关： 扩散过程与扩散过程与T T有关有关；与膜的状态（密度）有关与膜的状态（密度）有关 保证氧化膜完整的必要条件是：保证氧化膜完整

17、的必要条件是：即即 或或式中，式中，V氧化物氧化物 氧化物摩尔体积；氧化物摩尔体积；V金属金属氧化消耗掉的金属摩尔体积；氧化消耗掉的金属摩尔体积；M金属的金属的摩尔质量，摩尔质量，金属的密度，金属的密度，M1mol金属原子所生成氧化物的质量，金属原子所生成氧化物的质量，x代表一个代表一个分子的氧化物中所含金属原子的个数，分子的氧化物中所含金属原子的个数，D表示氧化物的密度。表示氧化物的密度。 这样生成的氧化膜才能对金属表面产生一定的保护作用，氧这样生成的氧化膜才能对金属表面产生一定的保护作用，氧化速度几乎为零。化速度几乎为零。MVxDMV金属氧化物1金属氧化物VV1xDMM25依照表面反应速度

18、及氧化膜的致密程度不同，金属氧化的依照表面反应速度及氧化膜的致密程度不同，金属氧化的动力学过程有三种典型情况：动力学过程有三种典型情况：(1)直线生长规律直线生长规律(2)氧化膜的抛物线生长规律氧化膜的抛物线生长规律(3)氧化膜的对数生长规律氧化膜的对数生长规律提高材料抗氧化能力提高材料抗氧化能力的重要途径就是改变的重要途径就是改变材料的表面成分，使材料的表面成分，使其氧化动力学曲线呈其氧化动力学曲线呈对数变化对数变化。 26三、金属电化学腐蚀原理三、金属电化学腐蚀原理 硫酸铜溶液 Cu双电层:金属与溶液的电中性遭到破坏所产生的带异种电荷组态24SO2Cu1、 电极电位：电极电位：金属材料与电

19、解质接触，将发生电化学反应，金属材料与电解质接触，将发生电化学反应，在界面处形成双电层并建立相应的电位。在界面处形成双电层并建立相应的电位。金属与溶液界面的电金属与溶液界面的电位差位差电极电位电极电位27某电极与某电极与标准氢电极标准氢电极构成原电池所获得的电势差构成原电池所获得的电势差 2、标准电极电位标准电极电位图图:标准氢电极由惰性铂电极和标准氢电极由惰性铂电极和1mol H+溶液溶液(25)组成组成.其内通入其内通入1大气压氢气大气压氢气 1大气压氢气VH 溶液Pt3、平衡电极电位平衡电极电位aZFRTln0 平平衡电极电位与平衡电极电位与标准电极电位标准电极电位的关系的关系能斯特方程

20、能斯特方程R气体常数气体常数;T电解质温度电解质温度;Z参加反应的电子数参加反应的电子数;F法拉第常数法拉第常数 金属金属离子活度离子活度284、电位序电位序将各种金属的标准电极电位按其代数值增大顺序排列起来，称为将各种金属的标准电极电位按其代数值增大顺序排列起来，称为标准电位序标准电位序。由于金属的标准电位序随外部条件的变化而变化，常用由于金属的标准电位序随外部条件的变化而变化，常用腐蚀电腐蚀电位序位序( (即各种金属在某种介质中的稳定电位值按其代数值大小排即各种金属在某种介质中的稳定电位值按其代数值大小排列的顺序列的顺序) )来判断金属腐蚀的热力学可能性。来判断金属腐蚀的热力学可能性。腐蚀

21、电位值越负的金属越容易腐蚀腐蚀电位值越负的金属越容易腐蚀29四、腐蚀原电池和腐蚀微电池四、腐蚀原电池和腐蚀微电池2FeCu2Cu2Fe 溶液溶液 溶液溶液2CuFe电极电极左方左方：纯：纯Fe 与与 溶液在界面上存在溶液在界面上存在双电层双电层2Fe2Cu右方右方：纯：纯 Cu 与与 溶液在界面上存在双电层溶液在界面上存在双电层Cu电极电极Fe两方通过导线连接即有电流产生两方通过导线连接即有电流产生e 薄膜薄膜在在电化学电池电化学电池中发生氧化的电极为中发生氧化的电极为阳极阳极(Fe),发生还原的为发生还原的为阴极阴极(Cu)左左:铁的氧化铁的氧化 eFeFe22CueCu22右右:铜铜的还原

22、的还原出现铁的溶解和铜表面产生铜的沉积出现铁的溶解和铜表面产生铜的沉积22FeCuFeCu即： 若若 溶液浓度均为溶液浓度均为1mol,在在25时时,两电极产生的电势差为两电极产生的电势差为0.780V 2Fe2Cu0.780V 阳极阳极阴极阴极 V图图:Fe 电极电极 Cu电极组成的原电池电极组成的原电池1、腐蚀原电池、腐蚀原电池30实际上，在电解液中的两种金属直接接触也能形成腐蚀原实际上，在电解液中的两种金属直接接触也能形成腐蚀原电池，不一定非要导线连接。电池，不一定非要导线连接。例如，在大气条件下，铜和铁直接接触。如果在它们的表例如，在大气条件下，铜和铁直接接触。如果在它们的表面凝结了一

23、层水膜，即组成了一个腐蚀原电池。面凝结了一层水膜，即组成了一个腐蚀原电池。Cu - Fe接触腐蚀电池示意图接触腐蚀电池示意图312、腐蚀微电池、腐蚀微电池 金属表面电化学不均匀性，使金属材料表面存在微小的电位高金属表面电化学不均匀性，使金属材料表面存在微小的电位高低不等的区域。低不等的区域。 成分和组织不均匀引起的微电池成分和组织不均匀引起的微电池 碳钢中的渗碳体碳钢中的渗碳体Fe3C，工业纯锌中的铁杂质，工业纯锌中的铁杂质FeZn7，铸铁中，铸铁中的石墨等；的石墨等； 晶粒晶界腐蚀微电池；晶粒晶界腐蚀微电池； 金属表面出现由微阴极和微阳极组成的众多微电池金属表面出现由微阴极和微阳极组成的众多

24、微电池32金属表面膜不完整构成微观电池 金属基体电位较负，钝化膜或涂层的电位正，金属基体与钝化膜或阴极性涂层构成微观腐蚀电池。金属表面物理状态的不均匀性构成微观电池 应力分布不均匀或形变不均匀导致腐蚀微电池33五、电化学腐蚀速率五、电化学腐蚀速率FnJAtFnQAW金属溶解量与电量的关系金属溶解量与电量的关系Q流过的电量流过的电量;A 金属相对原子质量金属相对原子质量;F法拉第常数法拉第常数;J电流密度电流密度 法拉第定律法拉第定律金属在单位时间金属在单位时间/单位面积所损失的质量单位面积所损失的质量 腐蚀速率表示腐蚀速率表示时间时间SFnJAStWK3600 W材料损失量材料损失量;S面积面

25、积;t时间时间; J/A/n和和F含义同上含义同上金属原子价金属原子价)/(2hmg即即W流动流动的电子数的电子数由电化学过程来看，电流大小反映着腐蚀速度的大小。由电化学过程来看，电流大小反映着腐蚀速度的大小。34其它表示方法其它表示方法a)单位时间的腐蚀深度单位时间的腐蚀深度, mm/y(毫米毫米/年年)b) 腐蚀电流密度腐蚀电流密度,Jc注意注意原电池为原电池为大大阴极阴极,小阳极加速小阳极加速腐蚀腐蚀当钢板用当钢板用铜铜铆钉联结浸入海水中几铆钉联结浸入海水中几个月个月,铜铜铆钉完好铆钉完好,与其邻近的钢板与其邻近的钢板腐蚀程度也不大腐蚀程度也不大图图:若若铜铜板用板用钢钢铆钉联结浸入海水

26、铆钉联结浸入海水中几个月中几个月,钢钢铆钉受到严重腐蚀铆钉受到严重腐蚀 阴极阴极阳极阳极铜铜板板 钢钢铆钉铆钉一般来说，一般来说，0.5mm/y的的F率率认为是可接受的认为是可接受的353.2：金属表面的极化、钝化与活化：金属表面的极化、钝化与活化一、金属表面的极化现象一、金属表面的极化现象1、极化现象：、极化现象：阴、阳极之间的电位差比初始电位差小的现象。阴、阳极之间的电位差比初始电位差小的现象。 图图:电极电位时间关系曲线电极电位时间关系曲线)()(阳极阳极(anode)起始电位起始电位阴极阴极(cathode)起始电位起始电位阳极极化阳极极化阴极极化阴极极化0c0at电极接通后电极接通后

27、阳阳极极电位的变化电位的变化电极接通后电极接通后阴阴极极电位的变化电位的变化36 极化曲线：极化曲线：表示电极电位和电流之间关系的曲线表示电极电位和电流之间关系的曲线 图图:阳阳极极化曲线极极化曲线0a)(IJJ)(IIJJ0a图图:阴阴极极化曲线极极化曲线极化使极化使F原电池两极间的电位差减小原电池两极间的电位差减小,导致导致F电池所流过的电流减小电池所流过的电流减小极化作用是阻滞金属极化作用是阻滞金属F的重要因素的重要因素随电流密度增大随电流密度增大,电极电极电位向电位向正正的方向变化的方向变化随电流密度增大随电流密度增大,电极电极电位向电位向负负的方向变化的方向变化小结小结37 产生极化

28、的原因：产生极化的原因：有电化学极化有电化学极化/ /浓差极化和电阻极化等浓差极化和电阻极化等 图图:活化活化极化控制氢还极化控制氢还原反应示意图原反应示意图指由于电极反应速度缓慢所引起的极化指由于电极反应速度缓慢所引起的极化氢在锌电极上的还原由下列步骤组成氢在锌电极上的还原由下列步骤组成eZneHHHeHHH2H2H2H2H锌表面从溶液中吸取氢离子锌表面从溶液中吸取氢离子HaHa电子从锌表面转移以组成氢原子电子从锌表面转移以组成氢原子22HH 两个氢原子组成一个氢分子两个氢原子组成一个氢分子eb2Hccbb多个氢分子组成氢气泡多个氢分子组成氢气泡d整个反应的速度由以上最慢的环节控制整个反应的

29、速度由以上最慢的环节控制阳极为例，如果金属失去电子变为金属离子而进入溶液的速度小于电子阳极为例，如果金属失去电子变为金属离子而进入溶液的速度小于电子从阳极流出的速度，则在阳极上就会有过多的正电荷积累起来，导致阳从阳极流出的速度，则在阳极上就会有过多的正电荷积累起来，导致阳极电位向正方向变化，发生了阳极极化极电位向正方向变化，发生了阳极极化a)活化极化（电化学极化）活化极化（电化学极化）38b)浓差极化浓差极化 指指由于溶液中物质的扩散速度由于溶液中物质的扩散速度小于小于电化学反应速度所引起的极化电化学反应速度所引起的极化图图： 在邻近阴极的分布示意图在邻近阴极的分布示意图HeFeFe22H阳极

30、阳极阴极阴极铁块置入铁块置入盐酸盐酸溶液内溶液内,有剧烈气泡产生有剧烈气泡产生浓差极化浓差极化222HeHF微电池微电池阳阳极极金属表面存在大量微小的阳极和阴极金属表面存在大量微小的阳极和阴极F微电池微电池阴阴极极HHH如果如果阴极阴极反应速度快反应速度快， 的扩散速度的扩散速度慢慢，则在阴极附近出现低浓度，则在阴极附近出现低浓度 区区HH反应速度变慢反应速度变慢FeH低浓度低浓度 区区H由于由于电极表面生成具有保护作用的氧化膜电极表面生成具有保护作用的氧化膜/钝化钝化膜或不溶性的产物所引起的极化膜或不溶性的产物所引起的极化c)电阻极化电阻极化39二、金属表面的钝化现象二、金属表面的钝化现象

31、钝化现象：指钝化现象：指活化的金属表面在环境作用下丧失其化学活性活化的金属表面在环境作用下丧失其化学活性,变得变得惰性的现象惰性的现象如如:Cr / Al / Ti等在空气中与氧作用等在空气中与氧作用,形成致密的氧化膜作为一种壁垒形成致密的氧化膜作为一种壁垒阻止金属的进一步氧化阻止金属的进一步氧化镀锌件采用镀锌件采用重铬酸钾重铬酸钾进行钝化处理使其耐蚀性提高进行钝化处理使其耐蚀性提高68倍倍过分抛光的钢表面会发生钝化过分抛光的钢表面会发生钝化.表现在表现在渗氮渗氮处理很困难处理很困难,渗氮层很薄渗氮层很薄 金属钝化理论金属钝化理论成相膜理论成相膜理论处于介质中的金属表面能生成一层致密的处于介质

32、中的金属表面能生成一层致密的/覆盖良好的氧化膜覆盖良好的氧化膜.该膜作为一该膜作为一个个独立相独立相存在存在,把金属与介质隔开把金属与介质隔开,使反应速度下降使反应速度下降吸附理论吸附理论要使金属钝化要使金属钝化,并不需要形成完整的钝化膜并不需要形成完整的钝化膜,只要在其表面或部分表面只要在其表面或部分表面形成形成氧的吸附层氧的吸附层,就能产生钝化就能产生钝化吸附层吸附层可以是单分子层或可以是单分子层或 、 层层OH2O40三、金属表面的活化现象三、金属表面的活化现象指指去除表面钝化膜的过程去除表面钝化膜的过程增加表面活性区增加表面活性区金属表面净化金属表面净化如如:镀锌过程的氧化还原处理镀锌

33、过程的氧化还原处理冷轧钢先在冷轧钢先在400450空气炉中加热使表面氧化空气炉中加热使表面氧化,然后在然后在700950的的 N2H2气氛中加热将表面氧化物还原成铁气氛中加热将表面氧化物还原成铁通常采用氢气还原通常采用氢气还原/机械抛光机械抛光/酸洗的方法活化表面酸洗的方法活化表面如如:喷砂处理使表面晶体缺陷增加喷砂处理使表面晶体缺陷增加,化学活性区增多化学活性区增多;体现在体现在容易渗氮容易渗氮 小小结结钝化钝化在于提高金属耐蚀性和对不需要进行表面处理在于提高金属耐蚀性和对不需要进行表面处理的部位进行防护的部位进行防护如如:渗碳处理时渗碳处理时,对零件不需要渗碳部位进行镀铜处理对零件不需要渗

34、碳部位进行镀铜处理活化活化则用于所有需要进行表面处理的场合则用于所有需要进行表面处理的场合41a)点蚀点蚀:局部区域出现小坑局部区域出现小坑图图:304不锈钢板在盐酸溶液中产生的点蚀不锈钢板在盐酸溶液中产生的点蚀图图:缝隙缝隙内内氧浓度低氧浓度低 腐蚀微电池的腐蚀微电池的阳极阳极 缝隙缝隙外外氧浓度高氧浓度高 腐蚀微电池的腐蚀微电池的阴极阴极b)缝隙腐蚀缝隙腐蚀 :两块金属接合处出现的加速腐蚀两块金属接合处出现的加速腐蚀 海水中的钢板海水中的钢板,在有垫圈部位产生的缝隙腐蚀在有垫圈部位产生的缝隙腐蚀原原因因3.3：腐蚀的主要形式：腐蚀的主要形式一、几种局部腐蚀的典型特征一、几种局部腐蚀的典型特

35、征42c)晶间晶间腐蚀腐蚀 :沿多晶体金属或合金的晶沿多晶体金属或合金的晶粒边界发生的腐蚀粒边界发生的腐蚀 图图:在不锈钢晶粒间界的碳化物沉淀在不锈钢晶粒间界的碳化物沉淀使得晶界附近成为贫铬区使得晶界附近成为贫铬区 Cr23C6 晶界晶界 贫铬贫铬 区区 图图:黄铜的晶间腐蚀裂纹黄铜的晶间腐蚀裂纹43a)应力应力F断裂断裂: 金属在金属在F介质和应力介质和应力(70 90%屈服强度屈服强度)下发生的下发生的F如如:18-8奥氏体奥氏体(A)不锈钢钢管在安装使用前于大气中接触氯离子放置不锈钢钢管在安装使用前于大气中接触氯离子放置1年后年后发生开裂发生开裂图图:该管材的显微组织该管材的显微组织;白

36、白色为色为A,黑色部位为裂纹黑色部位为裂纹特征特征是不存在明显的疲劳极限是不存在明显的疲劳极限 如如:汽轮机末级叶片汽轮机末级叶片(18-8A不锈钢和不锈钢和2Cr13钢钢);处于交变应力状态于处于交变应力状态于干干湿蒸汽湿蒸汽交替环境下工作交替环境下工作,发生这类破坏发生这类破坏Stress Corrosion Crack (SCC)b) F疲劳疲劳断裂：断裂： 金属在金属在F介质和交变应力联合作用下发生的断裂介质和交变应力联合作用下发生的断裂二、材料在机械力作用下的腐蚀二、材料在机械力作用下的腐蚀44a)大气大气F:在大气中在大气中出现的出现的F：如铁在大气中生成铁锈：如铁在大气中生成铁锈

37、b)海水海水F:材料或构件浸泡于海水中产生的材料或构件浸泡于海水中产生的F c)土壤土壤F:材料或构件埋在土壤中产生的材料或构件埋在土壤中产生的F 图图:埋在结构不同土壤中埋在结构不同土壤中的金属管道的金属管道阳极区阳极区砂土砂土砂土砂土粘土粘土潮湿致密的粘土潮湿致密的粘土含氧少含氧少阳极区阳极区干燥疏松干燥疏松的砂土因氧容易渗透的砂土因氧容易渗透,含氧含氧高高;成为成为氧浓差电池氧浓差电池的的阴极阴极阴极区阴极区e管道受腐蚀区管道受腐蚀区管道管道位于粘土区的管道受到位于粘土区的管道受到F三、各种腐蚀方式的典型特征三、各种腐蚀方式的典型特征b)有机气体有机气体F:高分子材料与金属材料高分子材料

38、与金属材料共存于同一环境产生的共存于同一环境产生的F e)高温高温F :工况温度工况温度260,零件表面不产生水膜条件下的零件表面不产生水膜条件下的F f)熔盐熔盐F :金属浸泡在高温熔盐中产生的金属浸泡在高温熔盐中产生的F 453.4：金属材料腐蚀控制及防护方法：金属材料腐蚀控制及防护方法一、产品合理设计与正确选材一、产品合理设计与正确选材 容器与容器与F介质接触的时间应当最小介质接触的时间应当最小;注意少留死角注意少留死角一些普遍的设计原则一些普遍的设计原则与与F介质接触的表面积应当最小介质接触的表面积应当最小;容器做成圆柱形或球形容器做成圆柱形或球形通常应有效地隔离异类金属接触面通常应有

39、效地隔离异类金属接触面,并避免相对滑动并避免相对滑动如如:用钢螺栓连接用钢螺栓连接铜板铜板和和铝板铝板时推荐用绝时推荐用绝缘材料将三者分离缘材料将三者分离绝缘绝缘衬垫衬垫绝缘绝缘衬套衬套 绝缘绝缘垫圈垫圈绝缘绝缘垫圈垫圈铜铜 铝铝 钢钢 尽量用尽量用焊接焊接或胶接代替铆接或胶接代替铆接和螺纹连接和螺纹连接因结构的缝隙处和液体与气体间的界面易受到因结构的缝隙处和液体与气体间的界面易受到F合理的小阴极和大阳极配合合理的小阴极和大阳极配合46二、电化学保护二、电化学保护 阴极保护阴极保护图图:用镁作为用镁作为牺牲阳极牺牲阳极保护地下管道保护地下管道钢管钢管 镁阳极镁阳极填充物填充物电流电流绝缘铜绝缘铜导线导线eMgMg22Mg作为作为阳阳极受到消耗极受到消耗向钢罐引入阴极电流向钢罐引入阴极电流,使原作为阳极使原作为阳极的钢罐电位下移而受到保护的钢罐电位下移而受到保护图图:用外加电流保护地下铁罐用外加电流保护地下铁罐整流器整流器 钢罐钢罐 阳极阳极填充物填充物砂土砂土地地下下地表地表地地下下钢管钢管作为作为阴阴极受到保护极受到保护a)牺牲阳极牺牲阳极保护