第6章 磨损与腐蚀失效分析

第6章

磨损与腐蚀失效分析

李春福

西南石油大学材料科学与工程学院

6.1磨损失效分析6.1.1磨损及磨损失效磨损（1）磨损的概念相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称为磨损。（2）磨损程度的度量。一般采用长度磨损量WL、体积磨损量WV和重量磨损量WW来表示材料磨损的严重程度。（3）耐磨性。是指在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力，分为绝对耐磨性和相对耐磨性两种。绝对耐磨性（简称耐磨性）通常用磨损量或磨损率的倒数来表示。相对耐磨性是指两种材料磨损量的比值，其中一种材料是参考试样。用符号ε表示。2.磨损失效机械零件因磨损导致尺寸减小和表面状态改变，并最终丧失其功能的现象称为磨损失效。磨损失效是个逐步发展、渐变的过程，短则几小时，长则几年。磨损与断裂、腐蚀并称为金属失效的三种形式，其危害十分惊人。3.磨损的类型磨料磨损粘着磨损冲蚀磨损微动磨损腐蚀磨损疲劳磨损磨料磨损是指硬的磨（颗）粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中，使材料表面损耗的一种现象或过程。硬颗粒或凸出物一般为非金属材料，如石英砂、矿石等，也可能是金属，像落入齿轮间的金属屑等。磨粒或凸出物可以从微米级尺寸的粒子变化到矿石乃至更大的物体。粘着磨损也称咬合（胶合）磨损或摩擦磨损。相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的现象，称为粘着磨损。相对运动的接触表面发生粘着以后，如果在运动产生的切应力作用下，于表面接触处发生断裂，则只有极微小的磨损。如果粘合强度很高，切应力不能克服粘合力，则视粘合强度、金属本体强度与切应力三者之间的不同关系，出现不同的破坏现象。冲蚀磨损亦称浸蚀磨损，它是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损的松散颗粒一般小于1000μm，冲击速度在550m/s内，超过这个范围出现的破坏通常称外来物损伤，不屑冲蚀磨损讨论内容。造成冲蚀的粒子通常都比被冲蚀的材料的硬度大，但流动速度高时，软粒子甚至水滴也会造成冲蚀。微动磨损两个配合表面之间由一微小振幅的相对振动所引起的表面损伤，包括材料损失、表面形貌变化、表面或亚表层塑性变形或出现裂纹等，称为微动磨损。腐蚀磨损两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质如液体、气体或者润滑剂等，与材料表面起化学反应或电化学反应，形成腐蚀产物，这些产物往往粘附不牢，在摩探过程中剥落下来，其后新的表面又继续与介质发生反应。这种腐蚀和磨损的反复过程称为腐蚀磨损。疲劳磨损当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程称疲劳磨损。疲劳磨损可以作为一种独立的磨损机制，但疲劳磨损又具有相当的普遍性，在其他磨损形式中也都不同程度地存在着疲劳过程。只不过是有些情况下它是主导机制，而在另一些情况下它是次要机制，当条件改变时，磨损机制也会发生变化。6.1.2磨损失效分析概括为：用宏观及微观分析方法对磨损失效零件的表面、剖面及回收到的磨屑进行分析，同时考虑工矿条件的各种参数对零件使用过程造成的影响，再考虑零件的设计、加工、装配、工艺和材质等原始资料，综合分析磨损发生、发展的过程，判断早期失效的原因，或耐磨性差的原因。从而使选材、加工工艺和结构设计更趋合理，以达到提高零件寿命及设备稳定可靠的目的。磨损失效分析的步骤（1）现场调查及宏观分析。（2）测量磨损失效情况。（3）检查润滑情况及润滑剂质量。（4）摩擦副材质的检查。（5）进行必要的模拟试验。（6）确定磨损机制，分析失效原因，提出改进措施。2.磨损失效分析的内容（1）磨损表面形貌分析。

1）宏观分析。通过放大镜，实物显微镜等得到磨损表面的宏观特征。

2）微观分析。利用扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行微观分析。（2）磨损亚表层分析。该层在磨损过程中会发生重要变化，这是判断磨损发生过程的重要依据之一。磨损过程中，磨损零件亚表层发生的变化：1）冷加工变形硬化，且比冷作硬化要强烈；2）该层可观察到金属组织的回火、恢复再结晶、相变、非晶态层等；3）可观察裂纹的形成部位，增殖、扩展；及磨损碎片的产生和剥落过程，为磨损理论研究提供重要的实验依据。（3）磨屑分析。磨屑是磨损过程的产物，分为两类：一类是从磨损失效的服役系统中回收的和残留在磨损表面上的磨屑。另一类磨屑是从模拟磨损零件服役工况条件的实验室试验装置上得到的，具有原始形貌的磨屑。3.磨损失效模式的判断主要根据磨损部位的形貌特征，按照此形貌的形成机制及具体条件来进行。（1）粘着磨损的特征及判断。两个配合表面，只有在真实接触面积上才发生接触，局部应力很高，使之产生严重塑性变形，并产生牢固的粘合或焊合，才可能发生粘着。局部粘着（冷焊）粘着处被撕掉金属表面被划伤或者金属屑粒脱落局部接触接触面积小应力大润滑油膜、氧化膜被挤破特点：在滑动摩擦条件上产生；摩擦副的两种金属力学性能相差不大；磨损速度大，10～15μm/h，破坏严重。防止措施合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。（2）磨料磨损的特征及判断。表面存在与滑动方向或硬质点运动方向相一致的沟槽及划痕。金属表面发生局部塑性变形磨粒嵌入金属表面，切割金属表面表面被划伤特点普遍存在于机件中；磨损速度较大，0.5～5μm/h防止措施提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。（3）疲劳磨损的特征及判断。它会引起表面金属小片状脱落，在金属表面形成一个个麻坑，麻坑的深度多在几微米到几十微米之间。特点产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称麻点，故得名麻点磨损，亦称疲劳磨损。接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。防止措施提高材料硬度；（以增加塑性变形的抗力，延缓裂纹形成和扩展）提高材料纯度；（减少裂纹源）提高零件心部强度和硬度，增加硬化层深度，细化硬化层组织；减小表面粗糙度，以减小摩擦力。（4）腐蚀磨损特征及判断表面形成一层松脆的化合物，当配合表面接触运动时，化合物层破碎、剥落或者被磨损掉，重新裸露出新鲜表面，露出的表面很快又产生腐蚀磨损，如此反复，服饰加速磨损，磨损促进腐蚀，在钢材表面生产一层红褐色氧化物（Fe2O3）或黑色氧化物（Fe3O4）。（5）冲蚀磨损特征及判断由于粒子的冲刷，形成短程沟槽，则是磨料切削和金属变形的结果。磨损表面宏观粗糙。当有粒子压嵌在金属表面上时，其形貌是“浮雕”状的。（6）微动磨损特征及判断。表面通常粘附一层红粽色粉末，此乃磨损脱落下来的金属氧化物颗粒。去除后，出现许多小麻坑。微动初期常可看到因形成冷焊点和材料转移而产生的不规则凸起。如果微动磨损引起表面硬度变化，则表面可产生硬结斑痕，其厚度可达100μm。微动区域中可发现大量表面裂纹，它们大都垂直于滑动方向，而且常起源于滑动与未滑动的交界处，裂纹有时被表面磨屑或塑性变形层掩盖，须经抛光方可发现。6.1.3磨损失效的预防措施改进结构设计及制造工艺；改进使用条件，提高维护质量；工艺措施材料选择图6-1风扇磨煤机打击板的磨损表面图6-2堆焊合金金相照片（400×）图6-3堆焊层与木材熔合区（400×）5.表面处理（1）机械强化及表面淬火。机械强化是在常温下通过滚压工具对工件表面施加一定压力或冲击力，把一些易发生粘着的较高微凸体压平，使表面变得平整光滑，从而增加真实的接触面积，减小摩擦系数。表面淬火是利用快速加热使零件表面迅速奥氏体化，然后快速冷却获得马氏体组织，使零件表面获得高硬度及良好耐磨性，而心部仍为韧性较高的原始组织。（2）化学热处理。化学热处理是将工件放在某种活性介质中，加热到预定的温度，保温预定的时间，使一种或几种元素渗入工件表面，通过改变工件表面的化学成分和组织，提高工件表面的硬度、耐磨、耐腐蚀等性能，而心部仍保持原有的成分。常用的化学热处理方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属和多元共渗等。（3）表面镀覆及表面冶金强化。表面涂覆技术是将具有一定物理、化学和力学性能的材料转移到价格便宜的材料上，制作零件表面的表面处理技术。常用的表面涂覆技术：电镀、化学镀与复合镀、电镀刷、化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入等。表面冶金强化是利用熔化与随后的凝固过程，使工件表面得到强化的工艺。应用较多的方法是：利用电弧、火焰、等离子弧、激光束、电子束等热源加热，使工件表面或合金材料迅速熔化，冷却后工件表面获得特殊性能的合金组织。6.2腐蚀失效分析6.2.1

腐蚀及腐蚀失效1.腐蚀的定义腐蚀的概念腐蚀介质耐蚀金属腐蚀系统（1）腐蚀的定义。金属与环境介质发生化学或电化学作用，导致金属的损坏或变质。OR在一定环境中，金属表面或界面上进行的化学或电化学多相反应，结果使金属转入氧化或离子状态。（2）腐蚀介质。通常不把所有的介质都称为腐蚀介质。例如，空气、淡水、油脂等虽然对金属材料均有一定的腐蚀作用，但并不称为腐蚀介质。一般仅把腐蚀性较强的酸、碱、盐的溶液称为腐蚀介质。（3）耐蚀金属。习惯上把普通的碳钢、铸铁及低合金钢视为不耐蚀材料，而把高合金钢、高合金铸铁、铜合金及钛合金等称为耐蚀材料。（4）腐蚀系统。某种材料是否发生腐蚀取决于“材料—环境”体系的特征。也就是说同一种材料在不同的环境中，其耐腐蚀性能是不同的。2.腐蚀失效（1）腐蚀失效的形式。1）腐蚀造成受载零件截面积减小而引起过载失效（断裂）。2）腐蚀引起密封元件的损伤而造成密封失效。3）腐蚀使材料性质变坏而引起失效。4）腐蚀使高速旋转的零件失去动平衡而失效。5）腐蚀使设备使用功能下降而失效。（2）腐蚀失效的危害腐蚀造成的损失是极其惊人的。据统计，全球工业装备因腐蚀而产生的经济损失大约为7000亿美元，占全球生产总值的2％～4％。中国1995年统计，腐蚀经济损失高达1500亿人民币，约占国民生产总值的4％。目前中国每年有30％的钢铁因腐蚀而报废，其中10％不能回收。腐蚀是影响金属装备及其构件使用寿命及功能的主要因素之一。在化工、石油化工、轻工、能源、交通等行业中，约60％的失效与腐蚀有关。化工与石油化工行业腐蚀失效所占比例更高一些。如近年来(1995～2000年)国内先后四次对石化企业的压力容器使用情况进行调查，其中对失效原因调查统计认为，在使用中因腐蚀产生严重缺陷及材质劣化，是近年来引起容器报废的主要原因。腐蚀不仅损耗了地球的资源，而且因腐蚀而造成的生产停顿、产品质量下降，甚至人身事故等损失，更是无法估量。分析、材料腐蚀及控制的研究给予了前所未有的关注。（2）腐蚀介质。通常不把所有的介质都称为腐蚀介质。例如，空气、淡水、油脂等虽然对金属材料均有一定的腐蚀作用，但并不称为腐蚀介质。一般仅把腐蚀性较强的酸、碱、盐的溶液称为腐蚀介质。3.腐蚀的分类（1）按照金属与介质的作用性质分。化学腐蚀气体腐蚀非电解液中的腐蚀1）化学腐蚀。化学腐蚀是指金属与环境介质间发生的纯化学作用引起的损伤现象。特点是腐蚀过程中无电流产生。气体腐蚀是指金属在干燥的气体中发生的腐蚀。金属在高温下发生的氧化就是气体腐蚀的一种常见形式。2）电化学腐蚀。高温氧化腐蚀除Au、Pt外，金属中在空气中都会发生氧化，高温会加速氧化过程。腐蚀会导致零件有效截面积减小，承载能力降低。在高温含氧气氛中工作的零件的抗高温氧化能力是一项重要指标。氧化过程（三个步骤）金属失去电子成为金属离子氧原子吸收电子成为氧离子金属离子和氧离子结合为金属氧化物氧化膜形成后，将金属基体与氧隔开，金属要继续氧化必须：金属离子及电子（由内向外）穿过氧化膜氧原子或离子（由外向内）穿过氧化膜氧化膜层阻止原子、离子及电子穿过氧化膜的能力，决定了材料的抗氧化性能。Al2O3、Cr2O3

、SiO2等氧化膜的熔点高，致密，阻力大；FeO、Cu2O等氧化膜的熔点低，疏松，阻力小；在钢中加入Al、Cr、Si等元素，因其与氧的亲和力比Fe大，故可优先形成氧化物，从而阻Fe的氧化。非电解液中的腐蚀是指金属在不导电的溶液中发生的腐蚀。例如，金属在有机液体（酒精、汽油、石油等）中发生的腐蚀，铁在盐酸中发生的腐蚀及铜在硝酸中的腐蚀等均属化学腐蚀。2）电化学腐蚀是指金属与环境介质间发生的带有微电池作用的损伤现象。大多数金属腐蚀都属此类，如金属在潮湿的大气中的腐蚀，土壤腐蚀，电解质腐蚀及熔盐腐蚀等都属此类腐蚀。电化学腐蚀不同金属或同一金属的不同部分存在电极电位差；相互接触；有电介质溶液。产生条件阳极：失去电子发生氧化反应（被腐蚀）电化学腐蚀的过程阴极：得到电子发生还原反应MMn+＋ne析氢反应（电解质中H+高时）吸氧反应（电解质中O2高时）腐蚀原电池(NH4)Cl碳棒锌外壳在锌壳上的阳极反应在碳棒上的阴极反应Zn→Zn2++2e2H++2e→H2结果：Zn被离子化（腐蚀）。F基球墨铸铁在HCl中的电化学腐蚀H2F基体的电极电位比G低，故为阳极，被腐蚀；而在阴极G上析出H2气体。HCl水溶液（2）按腐蚀的分布形态分1）全面腐蚀通常用平均腐蚀速度来评定全面腐蚀的程度。表示方法有单位时间试件厚度的减薄和单位时间、单位面积上试样的失重量。2）局部腐蚀指腐蚀从金属表面局部地区开始，并在很小的区域内选择性的进行，进而导致金属零件的局部损坏。局部腐蚀按其形态特点又可分为点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、生物腐蚀及空泡腐蚀等。6.2.2点腐蚀失效点腐蚀失效（1）基本概念。又称孔蚀，是电化学腐蚀的一种形式。形成过程是，介质中的活性阴离子被吸附在金属表层的氧化膜上，并对氧化膜产生破坏作用。被破坏的地方（阳极）和未被破坏的地方（阴极）则构成钝化—活化电池。由于阳极面积相对很小，电流密度很大，很快形成腐蚀小坑。同时电流流向周围的大阴极，使此时的金属发生阴极保护而继续处于钝化状态。溶液中的阴离子在小孔内与金属正离子组成盐溶液，使小孔底部的酸度增加，使腐蚀过程进一步进行。（2）发生条件采用不锈钢或其他具有钝化-活化转变的金属材料制造的机械设备，只有在特定的介质中才能发生点腐蚀。当介质中的氯离子和氧化剂（如溶解氧）同时存在时，容易发生点腐蚀。一般认为，只有特定介质中的离子浓度达到一定值后才会发生点腐蚀，这个浓度与使用材料的成分和状态等因素有关，一般采用点蚀的最小Cl-浓度作为评定点蚀趋势的一个参量，卤素离子浓度与点蚀电位的关系可以表示为：Ex-=a+blogCx-Ex-——临界点蚀电位；Cx-——离子浓度a和b——随钢种和卤素离子种类而定，例如，Fe-17Cr在Cl-中：a=0.020，b=-0.084；在Br-中，a=0.130,b=-0.098；18Cr-9Ni在Cl-：a=0.247，b=-0.115；在Br-中，a=0.294，b=-0.126。（3）形貌特征。1）大部分金属表面的腐蚀极其轻微，有的甚至光亮如初，仅在局部出现腐蚀小坑。2）有的点蚀凹坑仍有金属光泽，若将凹坑的表皮去掉，则可见严重的腐蚀坑。3）蚀坑的表面有时被一层腐蚀产物所覆盖。4）在特定的环境下，腐蚀坑会出现宝塔状的特殊形貌。表6-6点腐蚀的评级标准（ASTMG46-76）f）图6-4点腐蚀坑的各种剖面形状（ASTMG46-76）a）楔形b）椭圆形c）盘碟形d）皮下囊形e）掏蚀形f）显微结构取向（4）影响因素1）合金元素。2）组织结构。3）介质流速。4）介质性质。5）介质温度。6）表面状态。2.缝隙腐蚀失效（1）基本概念由于金属表面与其他金属或非金属表面形成狭缝或间隙，并有介质存在时在狭缝内或近旁发生的局部腐蚀称缝隙腐蚀。（2）发生的条件①金属结构的铆接、焊接、螺纹连接等；②金属与非金属的连接，如金属与塑料、橡胶、木材、石棉、织物等，以及各种法兰盘之间的衬垫。③金屑表面的沉积物、附着物，如灰尘、砂粒、腐蚀产物的沉积等。（3）形貌特征①可发生在所有金属与合金上，特别容易发生在靠钝化而耐蚀的金属及合金上。②介质可以是任何侵蚀性溶液，酸性或中性，而含有氯离子的溶液最易引起缝隙腐蚀。②与孔蚀相比，对同一种合金而言，缝隙腐蚀更易发生。（4）影响因素①合金元素。②组织结构。③几何因素。④环境因素。

3.晶间腐蚀失效（1）基本概念沿着或紧挨着金属的晶粒边界发生的腐蚀称为晶间腐蚀。（2）发生的条件两个基本因素：一是内因，即金属或合金本身晶粒与晶界化学成分差异、晶界结构、元素的固溶特点、沉淀析出过程、固态扩散等金属学问题，导电化学不均匀性，使金属具有晶间腐蚀倾向。二是外因，在腐蚀介质中能显示晶粒与晶界的电化学不均匀性。总之，当某种介质与金属所共同决定的电位条件下，晶界的溶解电流密度远大于晶粒本身的溶解电流密度时，便可产生晶间腐蚀。（3）形貌特征金属发生晶间腐蚀后，在宏观上几乎看不到任何变化，几何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著降低。在微观上，进行金相检查时，可以看到晶界或邻近地区发生延晶界均匀腐蚀的现象，有时尚可看到晶粒脱离。在对断裂件的断口进行扫描电镜观察时，可见冰糖块状的形貌特征。4.接触腐蚀失效（1）基本概念通常把由于腐蚀电池的作用而产生的腐蚀称为电偶腐蚀，又称接触腐蚀或异金属腐蚀。（2）产生的条件两种或两种以上具有不同电位的物质在电解质溶液中相接触，从而导致电位更负的物质腐蚀加速。（3）影响接触腐蚀的因素1）接触材料的起始电位差。2）极化作用。阳极极化率的影响阴极极化率的影响3）接触腐蚀时两者的面积。“小阳极大阴极”现象4）溶液电阻的影响。5.空泡腐蚀失效（1）基本概念。又称气蚀OR空化腐蚀。在液体与固体材料之间相对速度很高的情况下，由于气体在材料表面的局部低压区形成空穴或气泡迅速破灭而造成的一种局部腐蚀。（2）产生的条件液体和工件表面间处于相对的高速运动状态。由于液体的压力分布不均及压力变化较大，而造成机械力和液体介质对金属材料的腐蚀。（3）形貌特征外部形态与点腐蚀相似，但蚀坑的深度较点腐蚀浅很多，蚀坑的分布比点腐蚀紧密很多，表面往往变得十分粗糙，呈海绵状。6.磨耗腐蚀失效（1）基本概念材料在摩擦力和腐蚀介质的共同作用下产生的腐蚀加速破坏的现象，称为磨耗腐蚀，也称为腐蚀磨损。（2）发生的条件。1）工艺介质具有较强的腐蚀性。2）流动介质中含有固体颗粒。3）介质与金属表面的相对运动速度较大且流向一定。（3）形貌特征金属表面呈现方向性明显的沟、漕、波纹及山谷形花样。7.应力腐蚀失效6.2.3腐蚀失效分析及预防腐蚀失效分析的步骤及内容（1）详细勘察事故现场1）损坏设备的基本情况2）损坏部位的宏观情况3）材料及制造情况4）设备使用的环境条件5）应力条件6）表面处理情况7）现场拍摄及取样8）经济损失的估计（2）腐蚀形貌的宏观分析1）首先分析产物的形貌，如颜色、尺寸大小、分布、蚀坑的深浅等。2）分析断裂面的特征：裂纹起源位置、走向、变形情况、有无贝纹花样、是否分叉等。（3）腐蚀产物分析X射线衍射仪、波普、俄歇能谱、光电子谱仪。（4）腐蚀形貌的微观分析（5）对材料性能进行复验化学成分、力学性能、显微组织及电化学行为（6）失效模式的判断及重现性试验（7）综合讨论及总结2.几种腐蚀模式的区分（1）晶间腐蚀与沿晶型应力腐蚀开裂的区分。（2）应力腐蚀开裂与腐蚀疲劳的区分。（3）点腐蚀与空泡腐蚀的区别。3.预防腐蚀失效的一般原则（1）正确分析腐蚀失效原因和确定腐蚀失效模式。注意：腐蚀与防护是一个系统工程，单独或过分的对材料提出要求是不恰当的。（2）正确地选择材料和合理设计金属结构耐蚀金属材料分为：耐蚀铸铁、不锈钢、镍基合金、铜合金、铝合金及钛合金等六大类。在结构设计方面，减小应力集中及残余应力有助于防止或减轻应力腐蚀、腐蚀疲劳等失效；避免异类金属的接触或采用绝缘材料将其隔开，将有助于减轻或杜绝缝隙腐蚀与接触腐蚀，减小流体停滞和聚集现象可降低多种类型的腐蚀速度；使流体均速流动，避免压力变化过大，将有助于减轻管壁的空泡腐蚀现象。（3）查明外来腐蚀介质的性质并将其去除。（4）隔离腐蚀介质。（5）采用电化学保护措施。电化学保护法：利用改变金属与介质间的电极电位来达到保护金属免受腐蚀的办法。实质是：通以电流进行极化。阳极保护：把金属接到电池的正极上进行极化。常用于在氧化性介质中能发生钝化的金属防护上。阴极保护：接到负极上进行极化。常用于地下管道及其他地下设施、水中设备、冷凝器及热交换器等方面。4.常见腐蚀失效的预防措施（1）点腐蚀失效的预防措施1）降低介质中的卤素离子的浓度，特别是氯离子的浓度。同时要特别注意避免卤素离子的局部浓缩。2）提高介质的流动速度，并经常搅拌介质，使介质中的氧及氧化剂的浓度均匀化。3）在设备停运期间要进行清洗，避免设备处于静止介质的浸泡状态。4）采用阴极保护