第6章磨损

（2）磨粒磨损 通常硬度高好 组织：M>B>P>F 常用材料：表6-3 例如： 1、破碎机齿板→高锰钢碎化大矿石→抗磨 性能好；碎化小矿石→抗磨性能差 2、含砂河流中航行的船舶，螺旋桨轴上使 用橡胶轴承→抗小密度、低应力流砂的 冲击、凿削性能好
（3）疲劳磨损 选弹性模量高的材料 选断裂强度高、硬度高的材料 冶炼缺陷少 碳化物细、均匀、圆 M细、残余A少 （4）腐蚀磨损 原则：表面膜与基体结合好；膜致密、 稳定 含Ni、Cr材料（例如硬币；日用装饰品） 500℃以上W、Mo氧化膜降低摩擦系数 （例如硬质合金刀具）
（4）影响因素 合金元素：Ni、Cr、V、Si、Mo→抑制不 锈钢点腐蚀，其他无影响或有害 组织：夹杂、焊缝、晶界→促进 介质流速：静止→促进 介质性质：Clˉ →最容易 氧化性阴离子→抑制 介质温度:高→促进 表面状态:粗糙→促进(容易吸收水及腐蚀 介质)
（5）防止方法 阴极保护 → 降低金属电位在临界值以下。 加缓蚀剂：氯化物加OH 。 尽可能低温 合金化，提高抗蚀能力。例如 A不锈钢中 加N、Mo 使用、维护（清洁）；滞流不动的溶液 更容易造成缺陷处氧浓度的不均匀性 → 诱发点蚀。
（2）按照腐蚀分布形态分类 全面腐蚀 局部腐蚀：区域小、有选择性→危害大 点腐蚀 缝隙腐蚀 晶间腐蚀 氢脆 SCC ……
二、失效的基本形式
1、均匀腐蚀
最常见。特征是整个暴露面发生化学或电化 学反应，也称全面腐蚀。例如，露天仓库的 钢筋锈蚀；金属栏杆……
防护： 因为不能完全避免，选用合适材料→减缓 涂层、镀层 阴极保护 加缓蚀剂
3、缝隙腐蚀
金属/金属或金属/非金属零件之间缝隙 →电解质进入→处于静滞状态→加剧 缝隙内的腐蚀。例如垫片、冷却水管 内壁 （1）机制： 缝隙内外的氧浓度差引起（缝外大阴 极） 缝隙内金属盐溶液的浓度增加→水解 →酸度增加→缝隙内金属总是处于活 化状态→自催化溶解
（2）产生条件 0.1~0.12mm细缝隙→电介质流动差 →容易 （3）形貌 狭缝局部或与缝的形状相近的沟槽 凹坑、溃疡状，严重处有穿孔
（3）特征 宏观尺寸、光泽不变 强度、塑性明显降低 沿晶冰糖状脆断 （4）措施 减少杂质及有害元素，减少C% 加合金元素 Ti 、 Nb→ 形成稳定 K→ 减少 C 的不利因素。 补焊工件→析出的K重溶（固溶处理） 采用复相不锈钢，F沿晶形成→F中因含 较高的Cr、并晶粒小→晶间腐蚀减小
案 例
1、柴油机油泵内凸轮磨损 制造：轴承钢→预备热处理→淬火、 低温回火→磨削 使用50h →磨损→影响供油 外观→完好 金相→表面回火S 未失效比对的轴承成分、硬度、组织 均符合要求 原因？结论？
2、航空轴承 概况：使用不久→轴承与保持架（不锈 钢）出现啃咬现象 分析（成分）：取样？检测方法？ 结果：成分与不锈钢相同 结论与可能的原因？ 3、运输机驱动滚筒 一端浸入水，A不锈钢制造→几周后磨损 材料无异常 结论：矿石磨损+水腐蚀→腐蚀磨损 措施：M不锈钢
（5）冲蚀 金属、高分子、陶瓷材料均可以选用 合金化、热处理强化材料→提高抗冲蚀 攻角90℃时，硬度高→材料脆化→耐磨性↓ 攻角小+硬度高→耐磨性↑ （6）微动磨损 选择材料原则与粘着磨损相似
5、表面处理
（1）滚压 微凸体压平→接触面积↑ →抗粘着性↑ 形成残余压应力 形变强化→硬度↑ （2）表面淬火→硬度↑、残余压应力 （3）化学热处理→硬度↑、残余压应力 （4）镀层→耐磨、耐腐蚀 如：电镀、化学镀、气相沉积、堆焊……
（2）磨粒磨损



磨料硬而尖，材料韧性好→沟槽、划 痕清晰、规则 磨料不锋利，材料韧性好→切削效果 差→沟槽前方及两侧有变形、材料隆 起现象 硬质点脱落→形成表面孔洞 硬质点反复挤压金属表面→塑性变形 →次表面或表面出现裂纹
汽车制动盘表面 黏附的白色磨粒
（3）疲劳磨损（接触疲劳）



麻点、剥落凹形坑，变形与摩擦方 向一致 坑底有疲劳裂纹（不明显） 措施

提高表面硬度（淬火、化学热处理） 改善表面粗糙度；精度 提高润滑油粘度 增加齿数
（4）腐蚀磨损
腐蚀+磨损→失效 温度↑→失效↑ 腐蚀产生脆松的化合物→运动→剥落或磨 损→新鲜表面裸露→腐蚀又发生→循环 磨屑细、少；表面有腐蚀痕迹 表面红褐色Fe2O3或黑色Fe3O4粉末 在酸性介质中→海绵状空洞→剥落 例如：水田耕作设备；制药；化工；造纸

常见的腐蚀磨损介质




水：磨损条件→黄铜、青铜钝化膜（脆） →破裂→被腐蚀 硫化氢 SO2 海水 矿物酸、有机酸
（5）冲蚀磨损

磨粒磨损+腐蚀磨损+疲劳磨 损等多种形式构成
磨料切削→短程沟槽 粒子压嵌→浮雕 粒子冲击→小坑、变形层、裂纹、 局部熔化

案 例



火箭发动机尾部喷嘴的燃气冲刷 飞机穿过暴雨区→高速、大应力液 滴→环状凹坑 导弹飞行时气流的冲蚀 气流输送物料管道中的弯头 水利发电、石油钻探、建筑、煤矿 开采等泥浆冲刷


Hale Waihona Puke Baidu
电化学腐蚀：有电流产生，微电池腐蚀原 理。大多数金属属于这种腐蚀（电极电位 越负→阳极溶解快） 阳极：残余应力高处；介质浓度低处；温 度高处 电介质：潮湿空气；工业大气（SO2、SO3）
例如
1、大气腐蚀（金属各种组织电位不同） 2、土壤腐蚀（地下管道、电缆） →氧浓 差不同 3、盐浴中的电极腐蚀
2、改善使用条件、维护系统

润滑油冷却 油路畅通、油质良好 减少振动；严禁超载、超速、超温
3、工艺措施 减少材质缺陷（提高冶金水平） 保证热处理质量
4、选材 （1）粘着磨损 原则：选互溶性差的两种材料匹配 晶格、电化学相差大的材料好 脆性材料抗粘着磨损性能比塑性材 料好 熔点高、再结晶温度高的材料好 多相合金比单相合金好 金属与某些聚合物材料匹配好
特 征




红棕色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转移→表面形成 不规则凸起 若引起形变硬化→表面形成硬结斑痕 可能伴有表面裂纹，起源于滑动与未 滑动交界处，轻抛光后可以发现
措 施




设计 → 减少接触面积，用螺栓 + 法兰 盘结构→可改为整体或焊接结构。紧 配合处加弹性垫→减少振动。 表面处理：磷化、镀层、化学热处理 →润滑、减磨、提高硬度、增加残余 压应力。 改善润滑条件：液体、固体润滑剂 （Mo2S） 选材：硬度高的材料
三、预防磨损的措施
1、改进结构设计和制造工艺 有利于表面保护膜的形成、恢复 压力均匀分布；磨屑容易排出、摩擦热 容易散失 添加过滤装置 控制加工粗糙度 例如：油泵轴安装在套筒联轴器上，液压 油中使用不久→松动、噪音

特征：红色锈蚀、凹陷坑 加工精度检测→二者同心度不同 措施：凸缘柱销器代替联轴器
案 例1



一台不锈钢制海水泵在连续工作期 间运转良好，一旦关闭一段时间， 在有海水滞流的位置点蚀迅速发生。 原因：滞流不动介质无法带走腐蚀 坑里的金属离子补充氧→修复钝化 膜 措施：应将溶液排除干净、干燥。
案例2
轴承外圈，宏观有局部“ 黑斑”。放大发现是点腐 蚀坑，能谱测试坑内含氧 、硫、氯等元素。 判据？
2、磨损失效
现象 滑动轴承颈与瓦；齿轮；车床导轨；离合 器 比断裂失效危害小，是渐变过程 普遍存在，是灾难性事故的根源 例如：制动器→长期振动→汽缸与活塞发 生微动磨损→制动力下降→滑行距离增 加→车毁人亡

二、磨损失效分析
1、分析步骤 调研、宏观分析 服役？使用？设计？选材？制造？ 取样：表面、剖面、磨屑；润滑油 几何形状变化、部位 润滑：润滑剂？添加剂？变质？过滤？ 材料质量 成分、组织、硬度、杂质…… 模拟试验（验证） 确定磨损机制、原因，提出预防措施
案例：轿车电动摇窗机钢丝绳断裂

60钢使用断裂 表面裂纹，相互平行
表面磨损严重
疲劳起源
于磨损区的 裂纹 结论：微 振磨损引起 疲劳导致最 后的过载断 裂。
§2腐蚀失效分析
一、概述 1、腐蚀 金属与环境介质发生化学、电化学作用→ 损坏、变质的渐进过程 腐蚀介质：腐蚀性较强的酸、碱、盐溶液， 耐腐蚀材料：Cu、Al、Ti合金；耐腐蚀铸 铁；不锈钢；…… 耐腐蚀系统：由材料-环境体系决定（不锈 钢盐酸中不耐腐蚀，硝酸中耐腐蚀）
2、腐蚀失效

腐蚀失效形式 截面减少→强度↓ 密封件漏气、漏水、漏油→功率↓ 材料脆化→SCC、氢脆、蠕变 失去平衡→振动加急→噪音、断裂 危害 经济损失大，1/10钢铁产量无法回 收
3、腐蚀分类
（1）按照金属与介质的作用性质分 化学腐蚀：纯化学作用，无电流产生


金属高温氧化 金属在有机液体酒精、石油、汽油中的腐蚀
2、点腐蚀
也称孔蚀。化工机械设备、管道常发生。 （1）机理：位错、夹杂等缺陷部位→保护 膜破坏 → 小孔（呈活性状态、为阳极） → 与完好部位（阴极）形成局部微电池 → 溶液中阴离子向小孔内迁移（常见 Cl- ） → 在孔内与金属正离子形成盐溶液 → 小 孔底部保持活化状态 → 由于盐溶液水解 → 孔内酸度增加 → 扩展加深（钝化 → 活 化交替的过程）。

材料



阴极保护：涂漆 维护
4、晶间腐蚀
（1）机理：晶界原子排列紊乱；杂 质富聚、吸附或析出物→小阳极、 晶内大阴极→化学不均匀→局部 电池 （2）产生条件 材料/介质体系 敏化温区 晶界处于活化状态
现 象



铝合金中的杂质 铁偏聚在晶界 黄铜中的锌偏聚 在晶界 不锈钢在敏化温 度（450~850℃） 使用析出Cr23C6
第六章、磨损与腐蚀失效分析

磨损失效模式的判断 磨损失效的预防措施 腐蚀失效的基本类型 腐蚀失效及预防
§1磨损失效分析
一、概述 1、磨损：相互接触的工件表面产生相对运动→ 机械、物理、化学作用→表面材料分离或转移 →工件尺寸、形状、重量变化的过程 磨损程度的度量 磨损量（长度、体积、重量） 磨损率：单位滑动距离的磨损长度、体积、 重量 磨损速度（长度、体积、重量） 耐磨性 抗磨损的能力，磨损量、磨损率的倒数
2、分析内容


表面形貌 亚表面（剖面检查） 冷作硬化→硬度提高 摩擦热、变形热→组织回火；再结晶； 相变 裂纹形成：位置？扩展？剥落…… 磨屑分析
3、失效模式的判断
（1）粘着磨损 软金属粘着在硬金属上→长条、不 均匀、不连续 严重时→软金属被拉削→ 犁沟 粘着区域大+外加切应力小于粘着强 度→咬死（焊合在一起） 速度、外加应力大+高温度→表面膜 破损→焊合、撕开→烧伤坑
（6）微动磨损


定义：压紧配合的零件在变载荷 和振动下→配合面存在微小振动 和滑动→材料损失、变形、裂纹 原因及过程： 接触压应力→微 凸体→塑性变形→振动使粘着点 剪切脱落不容易排出→磨粒；同 时剪切面氧化。
案 例


轴承：轴承与轴承座 铆接：飞机上的铆接 处→机身 或气流作用 钢丝绳：丝/丝或股/股之间的 滑动
（2）产生条件 特定的材料/介质体系中 特定的阳极极化电位门槛值 （击穿电位） 特定的离子浓度 需要一定的时间
（3）特征： 窄而深，严重时 → 外小里大（宏 观不能分辨→剖面检查） 局部，出现在表面，分散或密集 分布 剖面形状：半球、椭圆、…… 坑内有金属光泽、腐蚀物 腐蚀孔在应力作用时→裂纹源
（4）影响因素 合金元素：Ni、Al、Cr →抑制 组织：夹杂、第二相→促进 缝隙尺寸 0.25mm以上→不发生 缝外面积大→容易 环境：溶解氧浓度 ↑ 、电介质流速↑、温 度↑ 、PH ↑ 、 Clˉ ↑ →容易发生
（5）措施 设计


尽可能减少缝隙，清除沉积物方便；焊接代替 铆接、螺栓连接 缝隙处加填料，防止腐蚀介质进入。垫圈尽可 能不吸水的材料（温度不高时，用聚四氟乙烯） 用好的抗蚀合金，例如高Ni、Cr、Mo及Ti合金。 Cr20Ni25好 减少夹杂、析出物等缺陷