腐蝕磨損概述PPT課件.ppt

.,1,腐蝕磨損,報(bào)告人：鄭*學(xué)號：S313*00*,.,2,1.腐蝕磨損概述2.金屬的腐蝕磨損2.1腐蝕磨損分類2.2氧化磨損2.3電化學(xué)腐蝕磨損2.4金屬腐蝕磨損測試技術(shù)3.金屬腐蝕磨損發(fā)展趨勢4.參考文獻(xiàn),主要內(nèi)容,.,3,1.1腐蝕磨損的定義兩摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，在表面上形成的腐蝕產(chǎn)物粘附不牢，在摩擦過程中被剝落下來，新的表面又繼續(xù)和介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這種腐蝕和磨損的重復(fù)過程稱為腐蝕磨損（CorrosionWear）。腐蝕磨損行為與純腐蝕行為和純磨損行為均有很大差異。,1.腐蝕磨損概述,.,4,1.2研究背景材料的腐蝕磨損經(jīng)常發(fā)生在泵、閥的過流部件（泵體、葉輪等），管道內(nèi)壁面，及腐蝕介質(zhì)中服役的摩擦副中。其中以雙向流造成的破壞尤其嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在石油化工，能源交通，水利電力等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備中，腐蝕磨損造成的損失占總腐蝕量的9%，總磨損量的5%。腐蝕磨損是一個(gè)物理、機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)作用的綜合作用，各種因素的影響錯(cuò)綜復(fù)雜，給研究工作帶來了極大的困難，近幾十年來人們不斷探索并就此問題進(jìn)行了一些初步研究。,.,5,1.3研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代，南非科學(xué)家們首先采用先腐蝕后磨損的方法，分開進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對多種工程材料腐蝕磨損性能進(jìn)行了評價(jià)。1991年，G.Sundararajan總結(jié)了前人在金屬氧化沖蝕方面的研究結(jié)果，提出了氧化和沖蝕交互作用的數(shù)理模型并在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。P.F.Weiser等人用CF-8鑄鐵在硫酸砂漿與單獨(dú)硫酸腐蝕和單獨(dú)濕磨料磨損條件下進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，材料的腐蝕磨損速度是純腐蝕和純磨損速度之和的8-35倍。,.,6,K.Y.Kim等人用電化學(xué)方法研究了材料在腐蝕磨損條件下的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)磨料的機(jī)械作用使腐蝕速度增加了2-4個(gè)數(shù)量級。張?zhí)斐?、姜曉霞等人測量了不同載荷下40Cr鋼和304不銹鋼在3.5%NaCl溶液中的腐蝕磨損率，用Tafel法和極化阻率法測定了靜態(tài)及磨損狀態(tài)下的腐蝕率，并用浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以了修正。定量分析了兩種材料在溶液中的腐蝕磨損交互作用。,.,7,1.4研究目的和意義研究金屬材料腐蝕磨損的目的除了弄清楚這種破壞失效的原因，找出其損傷的規(guī)律性以外，更重要的是如何控制腐蝕磨損、降低服役過程中材料流失量以延長工件使用壽命。,.,8,2.1金屬腐蝕磨損分類根據(jù)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，腐蝕磨損可分為化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損兩大類。,2.金屬的腐蝕磨損,.,9,2.2氧化磨損金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，在表面生成氧化膜，隨后在磨料或微凸體作用下被去除，新暴露出的表面又重新被氧化、磨去。在此過程中形成的磨損就是氧化磨損。造成氧化磨損的條件有三：(1)摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨損的速率；(2)氧化膜與基體結(jié)合的強(qiáng)度大于摩擦表面的剪切應(yīng)力；(3)氧化膜厚度大于表面磨損破壞的深度。,.,10,2.2.1氧化磨損的理論模型（1）Quinn模型除極少數(shù)貴金屬外，潔凈的金屬一旦與空氣接觸，立即與空氣中的氧反應(yīng)成為單分子層的氧化膜。Quinn依此在Archard粘著磨損方程提出了氧化磨損理論。這一模型的認(rèn)為：當(dāng)磨損表面的微凸體不與對方微凸體接觸時(shí)生成氧化膜；每個(gè)接觸點(diǎn)上生成同樣數(shù)量氧化膜，且當(dāng)氧化膜達(dá)到臨界厚度時(shí)只在金屬-氧化膜界面上發(fā)生剪斷。,.,11,Quinn還導(dǎo)出了輕微磨損狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型：=Wv/L=A0exp(Q/RT)S/v22P/3H式中，為磨損率；Wv為體積磨損量；L為滑動(dòng)距離；P為法向載荷；H為材料硬度；v為滑動(dòng)速度；A0為阿倫尼烏斯常數(shù)；為氧化膜臨界厚度；為氧化膜密度；Q為氧化反應(yīng)活化能；T為微凸體表面接觸溫度；R為普適氣體常量。上式表示臨界氧化膜愈厚則磨損率愈小,.,12,（2）Tao模型Quinn當(dāng)時(shí)提出的氧化磨損理論沒有提到磨損破壞速度的決定因素，因此Tao將氧化磨損過程分為：氧向金屬表面擴(kuò)散、氧化膜生長和滑動(dòng)時(shí)氧化膜發(fā)生破壞三個(gè)階段。Tao提出兩個(gè)模型：模型A：氧化膜逐漸生長而其磨損是瞬間發(fā)生的；模型B：臨界膜的生成時(shí)間遠(yuǎn)短于其破壞時(shí)間。其中模型A較符合實(shí)際，但許多實(shí)驗(yàn)證明同時(shí)考慮氧化時(shí)間和氧化膜的破壞時(shí)間才更接近真實(shí)情況。,.,13,（3）Rabinowicz模型根據(jù)膜的機(jī)械性質(zhì)不同，Rabinowicz提出了兩個(gè)氧化磨損模型。脆性氧化膜的氧化模型在一定的氣體中，金屬材料表面會(huì)生成脆性氧化膜，由于其物理機(jī)械性能與基體差別很大，當(dāng)它生長到一定厚度時(shí)，很容易被機(jī)械作用去除并暴露出金屬基體，隨后在新的基體上面又開始新的氧化一磨損過程.,脆性膜的氧化磨損示意圖,.,14,韌性氧化膜的氧化磨損模型如果生成的氧化膜是韌性的并且比基體軟，當(dāng)遭受外部機(jī)械作用時(shí)，可能只有部分氧化膜被除去，隨后的氧化磨損過程仍是在氧化膜上進(jìn)行的。,韌性膜的氧化磨損示意圖,.,15,2.2.2氧化磨損的影響因素（1）氧化膜性質(zhì)的影響氧化膜硬度H0與基體金屬硬度Hm的比值當(dāng)H0Hm時(shí)，因基體太弱，無法支承載荷，故即使外力很小，氧化膜也很易破碎；當(dāng)兩者都很高時(shí)，在載荷作用下變形很小，氧化膜不易變形，耐磨性增加。氧化膜與工作環(huán)境的關(guān)系鋼鐵摩擦副，當(dāng)載荷小、滑動(dòng)速度低時(shí)，氧化膜主要組成物為Fe2O3；但當(dāng)速度增大、載荷增大后，則主要為Fe3O4。磨損量隨膜組分變化而變化。,.,16,氧化膜的機(jī)械性能脆性氧化膜與基體金屬結(jié)合能力差，容易被磨掉。反之，如為韌性而致密的氧化膜，則與基體結(jié)合牢固，不易磨掉。若氧化膜的硬度較大，結(jié)果氧化膜被嵌入金屬內(nèi)，成為磨料；若氧化物較軟，則其對另一表面磨損就小，有的甚至有防止粘著的作用。有些氧化物的摩擦磨損性能還與溫度有關(guān)。如PbO，在250以下潤滑性能不好，但超過此溫度時(shí)，就成為比MoS2還好的潤滑劑。,.,17,（2）載荷影響輕載荷下氧化磨損磨屑主要成分為Fe和FeO，重載荷下磨屑主要成分是Fe2O3和Fe3O4。當(dāng)載荷超過某一臨界值時(shí)，磨損量隨載荷增大急劇增加。（3）滑動(dòng)速度影響低速摩擦?xí)r磨損量較小，隨著滑動(dòng)速度增加，產(chǎn)生磨屑增大，磨損量增大。（4）金屬表面狀態(tài)金屬表面處于干摩擦?xí)r，容易產(chǎn)生氧化磨損。加入潤滑油除了起到減摩作用外同時(shí)隔絕空氣，提高抗氧化磨損能力。但有的潤滑油能促進(jìn)氧化膜脫落。,.,18,2.3電化學(xué)腐蝕磨損殊特介質(zhì)中的腐蝕磨損是指摩擦副工作在電解質(zhì)溶液(如酸、堿、鹽等)中，并和它們發(fā)生作用形成各種不同的產(chǎn)物，又在摩擦中被除去的過程。電化學(xué)腐蝕磨損由于涉及的因素較多，是一個(gè)比氧化磨損更為復(fù)雜的過程。摩擦表面遍布點(diǎn)狀或絲狀腐蝕痕跡，磨損產(chǎn)物是酸、堿、鹽的金屬化合物。,.,19,2.3.1電化學(xué)腐蝕的理論模型（1）材料的機(jī)械去除模型在腐蝕磨損體系中，金屬材料在特定介質(zhì)作用下發(fā)生均勻腐蝕并形成完整覆蓋的產(chǎn)物膜。由于磨料或硬質(zhì)點(diǎn)的剪切作用導(dǎo)致腐蝕膜的去除。ABD-EL-KADER等研究了不銹鋼在低應(yīng)力條件下的腐蝕磨損，為建立其數(shù)學(xué)模型提出兩個(gè)假設(shè):腐蝕磨損過程是摩擦表面上氧化物的生成和去除的重復(fù)過程;氧化膜的生長速率遵循對數(shù)規(guī)律。,.,20,從而導(dǎo)出腐蝕磨損深度為:s=0.43K其中K可由腐蝕電位下氧化物生長速率來確定。對特定的體系K為一常數(shù).這一規(guī)律僅適合于非常低的應(yīng)力和材料具有較強(qiáng)再鈍化能力的體系。,.,21,（2）氫致磨損理論對氫敏感的材料，在易析氫的介質(zhì)中。表面層由于發(fā)生周期性形變，裂紋、微空洞、晶界和其它可能存在的缺陷不斷發(fā)生體積變化。氫原子進(jìn)入這些缺陷后要么形成氫分子，要么在缺陷內(nèi)部生成脆性氫化物，失去返回外界的可能性。磨損應(yīng)力作用下缺陷體積減小時(shí)產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，在磨損近表層內(nèi)引發(fā)大量微裂紋，導(dǎo)致材料成塊剝落，磨痕呈脆性斷口，加速材料流失。,.,22,（3）腐蝕磨損交互作用理論大量的實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐使人們認(rèn)識到腐蝕磨損研究的核心應(yīng)該是腐蝕和磨損的交互作用（協(xié)同效應(yīng)），而不是表面膜的行為。腐蝕磨損交互作用可以較好地解釋腐蝕磨損率不是單純腐蝕率和單純磨損度的加和，而是遠(yuǎn)大于它。只有很少數(shù)情況下腐蝕磨損材料流失量才小于干磨損。,.,23,磨損加速腐蝕磨損對腐蝕的加速作用首先表現(xiàn)在載荷或滑速對腐蝕介質(zhì)中的工件腐蝕電位的影響。同時(shí)，磨損減薄作用或破壞鈍化膜或除去表面產(chǎn)物而裸露出新鮮的金屬表面；溶液攪動(dòng)加速了傳質(zhì)過程，加速金屬的腐蝕。此外，磨損過程會(huì)使塑性材料表面產(chǎn)生微裂紋、位錯(cuò)和空位等缺陷，具有較高的腐蝕活性成為陽極，其余部位稱為陰極，構(gòu)成“應(yīng)變差電池”。,.,24,腐蝕加速磨損腐蝕后的材料表面疏松、多孔，很容易在磨料或其它微凸體的作用下被去除而增加材料流失量。再由于金屬組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，腐蝕會(huì)破壞晶界、相界或其它組織的完整性，降低其結(jié)合強(qiáng)度當(dāng)磨頭滑過或粒子沖擊時(shí)很容易被剝落而增加磨損量。形變強(qiáng)化的金屬材料由于腐蝕尤其均勻腐蝕會(huì)除去表面薄薄的硬化層，裸露出未變形強(qiáng)化、或形變程度較小，硬度較低的表面層從而降低耐磨性，這是腐蝕加速磨損的又一種表現(xiàn)。,.,25,腐蝕磨損中的“負(fù)”交互作用腐蝕磨損交互作用通常都表現(xiàn)為彼此加速，這是普遍規(guī)律。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵合金和不銹鋼在腐蝕介質(zhì)中的材料流失量比空氣中的干磨損還小。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)一般是在腐蝕介質(zhì)弱、因腐蝕造成的損失小，而材料流失量以磨損為主的條件下。與空氣中的磨損失重相比，介質(zhì)改變了對摩副之間的表面狀態(tài)，降低了摩擦系數(shù)，從而減少了磨損失重。介質(zhì)的潤滑在輕載和高速下充分表現(xiàn)出減摩效果，再加上介質(zhì)冷卻作用，材料流失就有可能小于相同運(yùn)動(dòng)參數(shù)（速度和載荷）下的干磨損，即產(chǎn)生所謂的“負(fù)”交互作用。,.,26,2.3.2電化學(xué)腐蝕磨損的影響因素（1）腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)同種材質(zhì)在不同介質(zhì)中的腐蝕磨損行為是不同的,即使是同一種介質(zhì),介質(zhì)濃度和pH值的變化也將嚴(yán)重影響材料的耐磨蝕性。此外，介質(zhì)溫度升高也會(huì)使磨損率增大。,45鋼在不同介質(zhì)中的腐蝕磨損,.,27,（2）材料性質(zhì)在強(qiáng)磨損-弱腐蝕條件下,含碳量的增加有利于材質(zhì)耐磨蝕性的提高;但在弱磨損-強(qiáng)腐蝕條件下,含碳量的增加則不利于材質(zhì)耐磨蝕性的提高。此外，鋼中Cr、Si、Cu的含量也會(huì)對鋼的耐磨蝕性產(chǎn)生影響。經(jīng)不同熱處理后鋼的組織差異也會(huì)對鋼的耐磨蝕性產(chǎn)生影響。,.,28,（3）機(jī)械因素外加載荷的大小及其作用頻率也會(huì)對材料耐磨蝕性產(chǎn)生影響；沖蝕過程中的砂漿速度和沖擊角度也會(huì)影響材料耐磨蝕性。,.,29,2.4金屬腐蝕磨損測試技術(shù)2.4.1穩(wěn)態(tài)腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī),.,30,2.4.2暫態(tài)腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī),.,31,腐蝕磨損作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一種常見的磨損形式,越來越受到各個(gè)工業(yè)部門的重視與研究。對于這種特殊的磨損形式的研究,正朝著廣度和深度兩個(gè)方向發(fā)展,未來將要進(jìn)行的工作主要有以下幾個(gè)方面:(1)進(jìn)一步加強(qiáng)腐蝕磨損機(jī)理的研究;(2)盡快研究出更為成熟,適用面廣,性能更為穩(wěn)定的試驗(yàn)設(shè)備;(3)針對特定的腐蝕環(huán)境,選擇出合理的材料及熱處理工藝,研究材