第6章 磨损与腐蚀失效分析

• 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。
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。
• 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。
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。
• 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。
被测试样磨损量 标准试样磨损量
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
（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。
（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。
• 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。
• 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。
• 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。
（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。
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。
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. 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
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。
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。
• 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。
（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。
1. 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ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
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。
• 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。