第四章 腐蚀磨损

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1、第四章 腐蚀磨损4.1 概述4.2 基本原理、模型及影响因素4.3 试验研究方法4.4 典型零件的失效分析 目目 录录4.1 4.1 概述概述 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实际工况中，腐蚀磨损往往受限于材料因素( (材料的材料的成分、组织、力学性能、物化性能等成分、组织、力学性能、物化性能等) )、电化学因素、电化学因素( (腐腐蚀介质的种类、浓度、蚀介质的种类、浓度、pHpH

2、值等值等) )、力学因素、力学因素( (载荷、速度载荷、速度等等) )和环境因素和环境因素( (温度及压力等温度及压力等) )等的影响。腐蚀磨损行为等的影响。腐蚀磨损行为与纯腐蚀行为和纯磨损行为均有很大差异。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

3、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 4.2 基本原理、模型及影响因素基本原理、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，

4、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68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。

5、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

6、，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

7、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97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

8、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98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99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

9、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。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

10、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911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H 2SO4和HCl组成的砂浆条件下。腐蚀磨损量是在碱性介质NaOH中的1416倍。在腐蚀性较弱的YaCl和自来水中，磨蚀量也为在NaOH中的1636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

11、般遵循两种规律。如图914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