第6章 磨损与腐蚀失效分析

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。
局部接触 局部粘着 （冷焊）
接触面积 小应力大 粘着处 被撕掉
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
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，0.5～5 μm/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。
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 1. 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。
• 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。
• 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）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。
（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。
润滑油膜、氧 化膜被挤破 金属表面被划伤或 者金属屑粒脱落
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。
• 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 550 m/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。
• 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。
（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。
• 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。
6.2 腐蚀失效分析
6.2.1 腐蚀及腐蚀失效 1. 腐蚀的概念
腐 蚀 介 质
耐 蚀 金 属
（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。
• 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。
（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。
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。
6.1.3 磨损失效的预防措施 1. 改进结构设计及制造工艺； 2. 改进使用条件，提高维护质量； 3. 工艺措施 4. 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。
3. 磨损的类型
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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。
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。