第6章磨損教材

第六章、磨損與腐蝕失效分析磨損失效模式的判斷磨損失效的預防措施腐蝕失效的基本類型腐蝕失效及預防§1磨損失效分析一、概述1、磨損：相互接觸的工件表面產生相對運動→機械、物理、化學作用→表面材料分離或轉移→工件尺寸、形狀、重量變化的過程磨損程度的度量磨損量（長度、體積、重量）磨損率：單位滑動距離的磨損長度、體積、重量磨損速度（長度、體積、重量）耐磨性抗磨損的能力，磨損量、磨損率的倒數2、磨損失效現象滑動軸承頸與瓦；齒輪；車床導軌；離合器比斷裂失效危害小，是漸變過程普遍存在，是災難性事故的根源例如：制動器→長期振動→汽缸與活塞發(fā)生微動磨損→制動力下降→滑行距離增加→車毀人亡二、磨損失效分析1、分析步驟調研、宏觀分析服役？使用？設計？選材？制造？取樣：表面、剖面、磨屑；潤滑油幾何形狀變化、部位潤滑：潤滑劑？添加劑？變質？過濾？材料質量成分、組織、硬度、雜質……模擬試驗（驗證）確定磨損機制、原因，提出預防措施2、分析內容表面形貌亞表面（剖面檢查）冷作硬化→硬度提高摩擦熱、變形熱→組織回火；再結晶；相變裂紋形成：位置？擴展？剝落……磨屑分析3、失效模式的判斷（1）粘著磨損軟金屬粘著在硬金屬上→長條、不均勻、不連續(xù)嚴重時→軟金屬被拉削→ 犁溝粘著區(qū)域大+外加切應力小于粘著強度→咬死（焊合在一起）速度、外加應力大+高溫度→表面膜破損→焊合、撕開→燒傷坑（2）磨粒磨損磨料硬而尖，材料韌性好→溝槽、劃痕清晰、規(guī)則磨料不鋒利，材料韌性好→切削效果差→溝槽前方及兩側有變形、材料隆起現象硬質點脫落→形成表面孔洞硬質點反復擠壓金屬表面→塑性變形→次表面或表面出現裂紋汽車制動盤表面黏附的白色磨粒（3）疲勞磨損（接觸疲勞）麻點、剝落凹形坑，變形與摩擦方向一致坑底有疲勞裂紋（不明顯）措施提高表面硬度（淬火、化學熱處理）改善表面粗糙度；精度提高潤滑油粘度增加齒數（4）腐蝕磨損腐蝕+磨損→失效溫度↑→失效↑腐蝕產生脆松的化合物→運動→剝落或磨損→新鮮表面裸露→腐蝕又發(fā)生→循環(huán)磨屑細、少；表面有腐蝕痕跡表面紅褐色Fe2O3或黑色Fe3O4粉末在酸性介質中→海綿狀空洞→剝落例如：水田耕作設備；制藥；化工；造紙常見的腐蝕磨損介質水：磨損條件→黃銅、青銅鈍化膜（脆）→破裂→被腐蝕硫化氫SO2海水礦物酸、有機酸（5）沖蝕磨損磨粒磨損+腐蝕磨損+疲勞磨損等多種形式構成磨料切削→短程溝槽粒子壓嵌→浮雕粒子沖擊→小坑、變形層、裂紋、局部熔化案例火箭發(fā)動機尾部噴嘴的燃氣沖刷飛機穿過暴雨區(qū)→高速、大應力液滴→環(huán)狀凹坑導彈飛行時氣流的沖蝕氣流輸送物料管道中的彎頭水利發(fā)電、石油鉆探、建筑、煤礦開采等泥漿沖刷（6）微動磨損定義：壓緊配合的零件在變載荷和振動下→配合面存在微小振動和滑動→材料損失、變形、裂紋原因及過程：接觸壓應力→微凸體→塑性變形→振動使粘著點剪切脫落不容易排出→磨粒；同時剪切面氧化。案例軸承：軸承與軸承座鉚接：飛機上的鉚接處→機身或氣流作用鋼絲繩：絲/絲或股/股之間的滑動特征紅棕色Fe2O3粉末，中心氧化不充分→黑色Fe3O4粉末氧化物下方→麻坑初期形成冷焊和材料轉移→表面形成不規(guī)則凸起若引起形變硬化→表面形成硬結斑痕可能伴有表面裂紋，起源于滑動與未滑動交界處，輕拋光后可以發(fā)現措施設計→減少接觸面積，用螺栓+法蘭盤結構→可改為整體或焊接結構。緊配合處加彈性墊→減少振動。表面處理：磷化、鍍層、化學熱處理→潤滑、減磨、提高硬度、增加殘余壓應力。改善潤滑條件：液體、固體潤滑劑（Mo2S）選材：硬度高的材料

三、預防磨損的措施1、改進結構設計和制造工藝有利于表面保護膜的形成、恢復壓力均勻分布；磨屑容易排出、摩擦熱容易散失添加過濾裝置控制加工粗糙度例如：油泵軸安裝在套筒聯軸器上，液壓油中使用不久→松動、噪音特征：紅色銹蝕、凹陷坑加工精度檢測→二者同心度不同措施：凸緣柱銷器代替聯軸器2、改善使用條件、維護系統潤滑油冷卻油路暢通、油質良好減少振動；嚴禁超載、超速、超溫3、工藝措施減少材質缺陷（提高冶金水平）保證熱處理質量4、選材（1）粘著磨損原則：選互溶性差的兩種材料匹配晶格、電化學相差大的材料好脆性材料抗粘著磨損性能比塑性材料好熔點高、再結晶溫度高的材料好多相合金比單相合金好金屬與某些聚合物材料匹配好（2）磨粒磨損通常硬度高好組織：M>B>P>F常用材料：表6-3例如：1、破碎機齒板→高錳鋼碎化大礦石→抗磨性能好；碎化小礦石→抗磨性能差2、含砂河流中航行的船舶，螺旋槳軸上使用橡膠軸承→抗小密度、低應力流砂的沖擊、鑿削性能好（3）疲勞磨損選彈性模量高的材料選斷裂強度高、硬度高的材料冶煉缺陷少碳化物細、均勻、圓M細、殘余A少（4）腐蝕磨損原則：表面膜與基體結合好；膜致密、穩(wěn)定含Ni、Cr材料（例如硬幣；日用裝飾品）500℃以上W、Mo氧化膜降低摩擦系數（例如硬質合金刀具）（5）沖蝕金屬、高分子、陶瓷材料均可以選用合金化、熱處理強化材料→提高抗沖蝕攻角90℃時，硬度高→材料脆化→耐磨性↓攻角小+硬度高→耐磨性↑（6）微動磨損選擇材料原則與粘著磨損相似5、表面處理（1）滾壓微凸體壓平→接觸面積↑→抗粘著性↑形成殘余壓應力形變強化→硬度↑（2）表面淬火→硬度↑、殘余壓應力（3）化學熱處理→硬度↑、殘余壓應力（4）鍍層→耐磨、耐腐蝕如：電鍍、化學鍍、氣相沉積、堆焊……案例1、柴油機油泵內凸輪磨損制造：軸承鋼→預備熱處理→淬火、低溫回火→磨削使用50h→磨損→影響供油外觀→完好金相→表面回火S未失效比對的軸承成分、硬度、組織均符合要求原因？結論？2、航空軸承概況：使用不久→軸承與保持架（不銹鋼）出現啃咬現象分析（成分）：取樣？檢測方法？結果：成分與不銹鋼相同結論與可能的原因？3、運輸機驅動滾筒一端浸入水，A不銹鋼制造→幾周后磨損材料無異常結論：礦石磨損+水腐蝕→腐蝕磨損措施：M不銹鋼案例：轎車電動搖窗機鋼絲繩斷裂60鋼使用斷裂表面裂紋，相互平行表面磨損嚴重疲勞起源于磨損區(qū)的裂紋結論：微振磨損引起疲勞導致最后的過載斷裂?！?腐蝕失效分析一、概述1、腐蝕金屬與環(huán)境介質發(fā)生化學、電化學作用→損壞、變質的漸進過程腐蝕介質：腐蝕性較強的酸、堿、鹽溶液，耐腐蝕材料：Cu、Al、Ti合金；耐腐蝕鑄鐵；不銹鋼；……耐腐蝕系統：由材料-環(huán)境體系決定（不銹鋼鹽酸中不耐腐蝕，硝酸中耐腐蝕）2、腐蝕失效腐蝕失效形式截面減少→強度↓密封件漏氣、漏水、漏油→功率↓材料脆化→SCC、氫脆、蠕變失去平衡→振動加急→噪音、斷裂危害經濟損失大，1/10鋼鐵產量無法回收3、腐蝕分類（1）按照金屬與介質的作用性質分化學腐蝕：純化學作用，無電流產生金屬高溫氧化金屬在有機液體酒精、石油、汽油中的腐蝕電化學腐蝕：有電流產生，微電池腐蝕原理。大多數金屬屬于這種腐蝕（電極電位越負→陽極溶解快）陽極：殘余應力高處；介質濃度低處；溫度高處電介質：潮濕空氣；工業(yè)大氣（SO2、SO3）例如1、大氣腐蝕（金屬各種組織電位不同）2、土壤腐蝕（地下管道、電纜）→氧濃差不同3、鹽浴中的電極腐蝕（2）按照腐蝕分布形態(tài)分類全面腐蝕局部腐蝕：區(qū)域小、有選擇性→危害大點腐蝕縫隙腐蝕晶間腐蝕氫脆SCC……二、失效的基本形式1、均勻腐蝕最常見。特征是整個暴露面發(fā)生化學或電化學反應，也稱全面腐蝕。例如，露天倉庫的鋼筋銹蝕；金屬欄桿……防護：因為不能完全避免，選用合適材料→減緩涂層、鍍層陰極保護加緩蝕劑2、點腐蝕也稱孔蝕?；C械設備、管道常發(fā)生。（1）機理：位錯、夾雜等缺陷部位→保護膜破壞→小孔（呈活性狀態(tài)、為陽極）→與完好部位（陰極）形成局部微電池→溶液中陰離子向小孔內遷移（常見Cl-）→在孔內與金屬正離子形成鹽溶液→小孔底部保持活化狀態(tài)→由于鹽溶液水解→孔內酸度增加→擴展加深（鈍化→活化交替的過程）。（2）產生條件特定的材料/介質體系中特定的陽極極化電位門檻值（擊穿電位）特定的離子濃度需要一定的時間（3）特征：窄而深，嚴重時→外小里大（宏觀不能分辨→剖面檢查）局部，出現在表面，分散或密集分布剖面形狀：半球、橢圓、……坑內有金屬光澤、腐蝕物腐蝕孔在應力作用時→裂紋源（4）影響因素合金元素：Ni、Cr、V、Si、Mo→抑制不銹鋼點腐蝕，其他無影響或有害組織：夾雜、焊縫、晶界→促進介質流速：靜止→促進介質性質：Clˉ→最容易氧化性陰離子→抑制介質溫度:高→促進表面狀態(tài):粗糙→促進(容易吸收水及腐蝕介質)（5）防止方法陰極保護→降低金屬電位在臨界值以下。加緩蝕劑：氯化物加OH-。盡可能低溫合金化，提高抗蝕能力。例如A不銹鋼中加N、Mo使用、維護（清潔）；滯流不動的溶液更容易造成缺陷處氧濃度的不均勻性→誘發(fā)點蝕。案例1一臺不銹鋼制海水泵在連續(xù)工作期間運轉良好，一旦關閉一段時間，在有海水滯流的位置點蝕迅速發(fā)生。原因：滯流不動介質無法帶走腐蝕坑里的金屬離子補充氧→修復鈍化膜措施：應將溶液排除干凈、干燥。

案例2

軸承外圈，宏觀有局部“黑斑”。放大發(fā)現是點腐蝕坑，能譜測試坑內含氧、硫、氯等元素。

判據？3、縫隙腐蝕金屬/金屬或金屬/非金屬零件之間縫隙→電解質進入→處于靜滯狀態(tài)→加劇縫隙內的腐蝕。例如墊片、冷卻水管內壁（1）機制：縫隙內外的氧濃度差引起（縫外大陰極）縫隙內金屬鹽溶液的濃度增加→水解→酸度增加→縫隙內金屬總是處于活化狀態(tài)→自催化溶解（2）產生條件0.1~0.12mm細縫隙→電介質流動差→容易（3）形貌狹縫局部或與縫的形狀相近的溝槽凹坑、潰瘍狀，嚴重處有穿孔（4）影響因素合金元素：Ni、Al、Cr→抑制組織：夾雜、第二相→促進縫隙尺寸0.25mm以上→不發(fā)生縫外面積大→容易環(huán)境：溶解氧濃度↑、電介質流速↑、溫度↑、PH↑、Clˉ↑→容易發(fā)生（5）措施設計盡可能減少縫隙，清除沉積物方便；焊接代替鉚接、螺栓連接縫隙處加填料，防止腐蝕介質進入。墊圈盡可能不吸水的材料（溫度不高時，用聚四氟乙烯）材料用好的抗蝕合金，例如高Ni、Cr、Mo及Ti合金。Cr20Ni25好減少夾雜、析出物等缺陷陰極保護：涂漆維護4、晶間腐蝕（1）機理：晶界原子排列紊亂；雜質富聚、吸附或析出物→小陽極、晶內大陰極→化學不均勻→局部電池（2）產生條件材料/介質體系敏化溫區(qū)晶界處于活化狀態(tài)現象鋁合金中的雜質鐵偏聚在晶界黃銅中的鋅偏聚在晶界不銹鋼在敏化溫度（450~850℃）使用析出Cr23C6（3）特征宏觀尺寸、光澤不變強度、塑性明顯降低沿晶冰糖狀脆斷（4）措施減少雜質及有害元素，減少C%加合金元素Ti、Nb→形成穩(wěn)定K→減少C的不利因素。補焊工件→析出的K重溶（固溶處理）采用復相不銹鋼，F沿晶形成→F中因含較高的Cr、并晶粒小→晶間腐蝕減小案例：不銹鋼連接盤滲漏連接盤與管均為A不銹鋼堆焊，使用后在連接盤端部焊縫處石油滲漏，表面開裂裂紋附近→照片，沿晶（未腐蝕）、晶粒剝落連接盤基體組織：A+F+碳化物，有疏松、夾雜連接盤硬度：高（材料異常）原因：材質不良+S腐蝕共同作用（來自石油）案例：洗滌塔筒體表面開裂筒體材料為不銹鋼，用不銹鋼焊條與筋板焊接后→625℃去應力退火。筒內介質有水、氯離子、CO、甲烷、氨等，使用不久筒的內表面龜裂、針孔腐蝕，工作溫度265℃沿晶裂紋，沿奧氏體晶界擴展，并有碳化物析出→照片結論？原因？案例：尿素合成塔冷凝器斷裂冷凝器材料為不銹鋼→固溶處理冷凝器內甲酸、氨、CO，使用1年→在焊接處發(fā)現裂紋→打開→有嚴重腐蝕色、腐蝕坑斷口側面有龜裂→照片斷口組織→單相A+沿晶碳化物原因：焊接溫度→材料處于敏化溫區(qū)→碳化物沿晶析出→貧Cr5、接觸腐蝕（電偶腐蝕）（1）機理：電極電位差不同引起。電解質溶液中，兩種不同的金屬接觸或同一金屬不同區(qū)域或狀態(tài)電極電位低的（活潑）為陽極→腐蝕陽極焊縫（高殘余應力）氧供應不足的地方（儲物桶底部）（2）產生條件兩種或兩種以上的不同電位物質（導體、煤、半導體）在電解質中接觸（3）影響因素兩者電位差越大→腐蝕↑陽極或陰極極化率↑→腐蝕↓陽極面積↓→腐蝕↑溶液電阻越大→腐蝕↑（因導電差→有效腐蝕區(qū)小）（4）措施盡可能選擇電位差相近的金屬連接，減少異種金屬接觸連接處盡可能絕緣涂層、鍍層→形成鈍化膜加緩蝕劑焊接接頭盡量用與母材相近的（或優(yōu)于）耐蝕材料案例異種材料管子接頭處異種材料鉚接處焊接處→鋼板制造的鍋爐，如用銅管做外接水管工業(yè)鋼鐵零件鍍Zn→利用電偶腐蝕原理→實現零件基體的陰極保護（犧牲鍍Zn）輸水閥門的黃銅閥座與鑄鋼閥體6、空泡腐蝕（氣蝕）（1）機理：因材料表面與高速流動的液體之間振動，受到不斷形成與破裂的氣泡在瞬間產生的極大的沖擊波和高溫的反復作用造成。原因：流速很高，局部區(qū)域低壓處→沸騰→產生氣泡隨流體運動到高壓處→破滅→高速沖擊表面→塑性變形→鈍化膜破裂→腐蝕坑本質：力學+化學共同作用→磨損腐蝕（2）產生條件液/固界面液體高速流動現象水輪機葉輪（水道設計）→形成渦流→出現，形成層流→不出現船用螺旋槳及舵；水泵；高速滑動軸承（3）形貌淺、密蜂窩狀腐蝕坑表面粗糙→海綿狀（4）措施提高硬度、疲勞強度設計（水泵葉片形狀、管道結構）降低流速，減少壓力變化提高表面光潔度→減少氣泡核心形成采用耐腐蝕材料（A不銹鋼、鋁合金）案例1、活塞與活塞環(huán)→使柴油機汽缸套產生高頻振動→低壓周期時形成氣泡→高壓周期破裂→產生高沖擊→點狀塑性變形或疲勞+介質腐蝕→蜂窩狀麻點、蝕坑。2、螺旋槳3、水壓閥門

7、磨耗腐蝕（腐蝕磨損）（1）機理：腐蝕+磨損共同作用例如：運送濕煤的運輸鏈（45鋼）→因煤中含硫酸鹽→失效例如：球磨機中磨球與濕的礦石接觸形成眾多電偶腐蝕電池（2）產生條件介質有強腐蝕性介質有固體顆粒介質/金屬面運動速度大并且方向固定（3）形貌有化學反應膜和小麻點方向性明顯的溝槽、波紋（4）措施選材→高硬度、耐腐蝕材料降低流動速度改善環(huán)境、降低溫度磨損處堆焊硬質合金三、分析及預防1、分析步驟與內容（1）現場調查運行歷史、損壞部位……宏觀形態(tài)材料及制造環(huán)境：介質、溫度、壓力、PH值、流速、濃度……應力狀態(tài)、大小表面鈍化、鍍層取樣（2）宏觀分析顏色、尺寸、分布……裂紋起源、位置腐蝕產物成分、相結構性能變化