常見失效形式及特征和診斷

常見失效形式及特征和診斷第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.6腐蝕失效概述金屬材料受到周圍環(huán)境介質的化學或電化學作用而引起的損壞叫做金屬的腐蝕失效。第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.金屬腐蝕的分類按金屬與介質的作用性質（1）化學腐蝕，特點是腐蝕過程中無電流產生。①氣體腐蝕。②在非電解質溶液中的腐蝕。（2）電化學腐蝕，特點是腐蝕過程中有電流產生。①大氣腐蝕。②土壤腐蝕。③電解質溶液中的腐蝕。④熔融鹽中的腐蝕。2.腐蝕的破壞形式（1）均勻腐蝕。（2）局部腐蝕：①斑點腐蝕。②膿瘡腐蝕。③點腐蝕。④晶間腐蝕。⑤縫隙腐蝕。⑥穿晶腐蝕。⑦選擇腐蝕。第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.腐蝕程度的表示方法（1）均勻腐蝕的腐蝕程度表征。①有重量的變化來評定。②有腐蝕深度來表示。（2）局部腐蝕的腐蝕程度表征。裂紋擴展速率或材料性能降低程度來表示。第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日主要腐蝕失效類型的現(xiàn)象和特征1.金屬的局部腐蝕（1）點腐蝕。首先介質的活性陰離子吸附在金屬氧化膜的某些點上，對膜產生破壞。有缺陷的區(qū)域和沒有缺陷的區(qū)域形成局部電池，有缺陷的部分成為活化的陽極，周圍區(qū)為陰極區(qū)，因陽極面積非常小，電流密度很大，在金屬表面形成腐蝕小孔。隨后溶解下來的金屬離子水解，使小孔內溶液的酸度增加，小孔被進一步腐蝕加深。點腐蝕第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日（2）縫隙腐蝕。零件的金屬或金屬與非金屬之間形成縫隙，且電解質可以進入縫隙而在其中處于停滯狀態(tài)，使縫隙內部腐蝕加劇。（3）晶間腐蝕。晶間腐蝕主要是由于化學不均勻性引起的，晶界處原子排列較為疏松而紊亂，容易產生晶界吸附，富集雜質原子，也容易沉淀，組成局部電池，造成晶間腐蝕。（4）接觸腐蝕。一對相接觸的異類金屬浸入電解液中成為一個原電池，電位較負的金屬（陽極）就會受到電化學腐蝕。第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日2.（1）金屬在大氣中的腐蝕金屬表面凝聚一層水膜，由于大氣中含有CO2、SO2、NO2、鹽類等，溶解于水膜中成為電解質溶液。金屬內含有雜質，在電解質溶液中形成腐蝕原電池，原電池的作用使金屬受到腐蝕，是電化學腐蝕。（2）影響大氣中腐蝕的因素①濕度的影響。②灰塵的影響。③大氣中有害氣體的影響。第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.（1）金屬在土壤中的腐蝕（2）影響土壤中腐蝕的因素①土壤電阻率的影響。②土壤中氧含量的影響。③土壤PH值的影響。④土壤內細菌的影響。⑤土壤雜散電流的作用。管道在土壤中腐蝕第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日4.（1）金屬在海水中的腐蝕（2）影響金屬在海水中的腐蝕因素①海水中鹽的類型及濃度的影響。②海水中含氧量的影響。③海水溫度的影響。④海水流速的影響。⑤海洋生物的影響。第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日防止金屬腐蝕的措施1.正確選用金屬材料和合理設計金屬結構（1）正確選用金屬材料，根據具體情況選擇合適的耐蝕材料。（2）合理設計金屬結構設計上盡可能降低熱應力、流體停滯和聚集、局部過熱等。設計時應盡量避免不同的金屬互相接觸，非要不同金屬相互接觸時，用絕緣材料將兩者隔開。第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日2.去除介質中有害成分和添加緩蝕劑（1）去除介質中有害成分（2）添加緩蝕劑減慢腐蝕速度陽極緩蝕劑、陰極緩蝕劑、混合型緩蝕劑等的加入可以使電化學腐蝕過程減慢。第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.隔離有害介質（1）結構設計上采取措施使關鍵部位和有害環(huán)境隔絕開來。（2）采用各種表面防護技術。4.電化學保護用改變金屬-介質的電極電位來達到保護金屬免受腐蝕。（1）陰極保護，把金屬電極接到電池的負極，通以電流進行極化。常用于地下管道及其他金屬設備、水中設備、冷凝器、冷卻器、熱交換器。（2）陽極保護，把金屬電極接到電池的正極，通以電流進行極化。陽極保護用于某些強腐蝕介質（如硫酸、磷酸等），耗電量小。第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.7應力腐蝕失效概述應力腐蝕開裂是指金屬材料在特定的介質條件下，受拉應力作用，經過一定時間后發(fā)生的裂紋及斷裂現(xiàn)象。第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日應力腐蝕斷裂的特點（1）即使是延性材料，其應力腐蝕也表現(xiàn)為脆性形式的斷裂。（2）應力腐蝕是一種局部腐蝕，形成的裂縫常常被腐蝕產物覆蓋，不能及時發(fā)現(xiàn)，常常在事先沒有預兆的情況下發(fā)生斷裂，危害較大。（3）應力腐蝕斷裂屬于延遲斷裂，斷裂的時間決定于介質條件和應力大小。（4）引起應力腐蝕斷裂的應力一定是拉應力。（5）一定的金屬材料只是在特定的活性介質中才發(fā)生應力腐蝕斷裂。第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日應力腐蝕評定方法1.光滑試樣恒應力試驗2.預裂紋試樣應力腐蝕實驗第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日防止應力腐蝕開裂的措施1.合理選擇材料，針對零件所受應力和使用條件選用耐應力耐蝕的材料。如銅對氨的應力腐蝕敏感性很高，因此，接觸氨的條件應避免使用銅合金。2.減少或消除零件中的殘余拉應力，殘余拉應力是產生應力腐蝕的重要條件。為此，設計上應盡量減少零件上的應力集中，工藝上采用退火工藝消除應力。3.改善介質條件，設法減少或消除促進應力腐蝕開裂的有害化學離子，或者在腐蝕介質中添加緩蝕劑。4.采用電化學保護。5.零構件應力腐蝕控制設計。第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日3.8氫脆失效氫脆是在應力和過量氫的共同作用下使金屬材料塑性、韌性下降的一種現(xiàn)象。材料中氫含量越高，氫脆現(xiàn)象越嚴重。金屬，尤其是高強鋼的氫脆斷裂一般表現(xiàn)為延遲斷裂，也存在發(fā)生氫脆的門檻應力。金屬中氫的來源很多，在金屬冶煉過程中由于原材料中含有水分和油垢等不純物質，高溫分解出氫。氫還可以在機械加工過程中（如酸洗、電鍍等）進入金屬。金屬在服役過程中環(huán)境介質也可以提供氫。第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日氫脆失效的類型、特征及評定1.類型及特征（1）白點第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日（2）氫蝕第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日（3）氫化物致脆兩類氫化物：1）熔融金屬冷卻后，由于氫的溶解度降低而從過飽和固溶體析出形成的。2）在含氫量較低的情況下，受外拉應力作用，使原來基體上均勻分布的氫逐漸聚集到裂紋前沿或微孔附近等應力集中處，當達到足夠濃度后，析出氫化物。（4）氫致延滯斷裂高強度鋼中含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強度的應力持續(xù)作用下，經過一段孕育期后，在內部特別是在三向拉應力區(qū)形成裂紋，并且裂紋逐步擴展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日防止氫脆的措施1.環(huán)境因素設法切斷氫進入金屬內的途徑，或設法延遲在這個環(huán)節(jié)上的反應速度，使氫不進入或少進入金屬中。如采用表面涂層。2.力學因素在機件設計和加工過程中應避免各種產生殘余拉應力的因素。采用表面處理，使表面獲得殘余壓應力層，對防止氫脆有良好作用。盡可能選用氫脆臨界場強度因子門檻值高的材料。3.材料因素含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。剛的強度等級越高，對氫脆越敏感，所以，對在含氫介質中服役的高強度鋼的強度應有所限制。鋼的顯微組織對氫脆敏感性也有較大影響，一般按下列順序遞增：下貝氏體，回火馬氏體或貝氏體，秋化或正火組織。正確制定鋼的冷熱加工工藝，可以提高機件抗氫脆性能。第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析3.9腐蝕疲勞失效腐蝕疲勞斷裂：材料在循環(huán)應力和腐蝕介質的共同作用下導致的斷裂。一、腐蝕疲勞破壞的機制交變應力和腐蝕介質的共同作用使腐蝕坑形成初裂紋環(huán)境介質與不斷產生的新金屬表面發(fā)生作用二、腐蝕疲勞破壞的特點1.不需要特定的腐蝕系統(tǒng)2.任何金屬材料均可能發(fā)生腐蝕疲勞3.不存在疲勞極限4.疲勞曲線明顯地向低值方向推移5.初裂紋的擴展受應力循環(huán)周次的控制；不循環(huán)時裂紋不擴展裂紋擴展與應力條件，溫度，介質有關3.9腐蝕疲勞斷裂第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析三、腐蝕疲勞斷裂的斷口特征宏觀特征1.脆性斷裂2.疲勞源區(qū)一般不明顯3.斷裂多源自表面缺陷或腐蝕坑底部微觀特征1.疲勞輝紋由于腐蝕介質的作用而模糊不清2.二次裂紋較多并具有泥紋花樣、腐蝕坑、腐蝕產物等3.隨著加載頻率的降低和腐蝕介質的腐蝕性加強，靜載腐蝕斷裂(應力腐蝕)特征花樣逐漸增多4.多源疲勞裂紋的走向：穿晶——常見沿晶——加載頻率低單純機械疲勞：裂紋在同一平面腐蝕疲勞：主裂紋附近出現(xiàn)多條次裂紋第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析腐蝕疲勞失效的預防措施合理的選擇材料表面感應淬火噴丸和表面滾壓強化表面化學熱處理電鍍，涂層防護陰極保護第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析3.10磨損失效分析概述磨損失效1.磨損：相互接觸并作相對運動的物體由于機械、物理和化學作用，造成物體表面材料的位移及分離，使表面形狀、尺寸、組織及性能發(fā)生變化的過程。例：推土機、挖掘機和拖拉機的行走機構，農具的犁鏵、鋤、鏟，發(fā)動機中的曲軸、凸輪軸、汽門挺桿、活塞環(huán)、油嘴油泵、齒輪。世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，75%機械零件由于磨損失效。第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析2.磨損失效的分類按環(huán)境和介質可分為：流體磨損；濕磨損；干磨損。按表面接觸性質可分為：金屬--流體磨損；金屬--金屬磨損；金屬--磨料磨損。從磨損的失效機制分為：氧化磨損（腐蝕磨損）、咬合磨損(第一類粘著磨損)、熱磨損(第二類粘著磨損)、磨粒磨損和接觸疲勞磨損。磨損類型并非固定不變，在不同的外部條件和材料具有不同特性情況下，損傷機制會發(fā)生轉化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析磨損失效過程磨損過程大致可分為以下三個階段：1.跑合（磨合）磨損階段2.穩(wěn)定磨損階段3.劇烈磨損階段第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析磨損機制及行為特征1.腐蝕磨損兩物體表面產生摩擦時，工作環(huán)境中的介質(如液體、氣體或者潤滑劑等)與材料表面起化學反應或電化學反應，形成腐蝕產物，產物粘附不牢，在摩擦過程中剝落下來，新的表面又繼續(xù)與介質發(fā)生反應。這種腐蝕和磨損的反復過程稱為腐蝕磨損。第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析

2.咬合磨損1).咬合磨損：摩擦副相對運動時，接觸點表面材料塑性變形、焊合、剪斷而有一個表面轉移到另一個表面引起材料流失的現(xiàn)象。第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析2).形貌特征按程度不同可分為五級：輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫、咬死。點接觸:接觸表面油膜被破壞，金屬表面局部焊合或粘合剪切撕脫，形成凹坑或凹槽。表面金屬局部轉移，形成細長條狀、不均勻、不連續(xù)的條痕粘合處強度進一步增加，產生犁溝，拉傷的損傷外加壓應力增加，潤滑膜嚴重破壞時，咬合，接觸點產生熔焊現(xiàn)象，剪切撕脫破壞深入金屬內部，形成較深的坑，嚴重的燒傷痕跡。3）防止措施合理地選擇配對材料采用表面處理限制摩擦表面的溫度，控制壓強減小表面粗糙度第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析3.熱磨損1.熱磨損：當滑動速度很大，比壓也很大的時候，將產生大量摩擦熱使?jié)櫥妥冑|，并使表層金屬加熱到軟化溫度，在接觸點處產生局部金屬粘著，出現(xiàn)較大金屬質點的撕裂脫離甚至熔化的磨損。2.形貌特征3.防止措施減少摩擦熱，在摩擦區(qū)增加水冷或氣冷的結構措施，表面非金屬薄膜，潤滑提高金屬熱穩(wěn)定性和潤滑油熱穩(wěn)定性，選用熱穩(wěn)定性高的合金第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析4.磨料磨損的特征及判斷1.磨料磨損：當硬質點(硬磨粒)在壓力下滑過或滾過一個表面或者當一個硬表面(包含有硬質點)擦過另一個表面時，使材料表面發(fā)生磨耗的現(xiàn)象。磨料硬度Ha和金屬材料硬度Hm的相對高低。第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析5.接觸疲勞（點蝕）1.接觸疲勞：零件表面在接觸應力的反復作用下引起的表面疲勞破壞。2.形貌特征：a.表面金屬小片脫落，形成麻坑（幾微米到幾十微米）麻坑附近明顯塑性變形及不明顯的表面疲勞裂紋和二次裂紋b.裂紋源于次表層的麻點剝落c.裂紋源于表層的麻點剝落d.裂紋源于硬化層與心部交界處的表層剝落3.防止措施合理地選擇材料及材料的硬度，選擇粘度高的潤滑油，加入極壓添加劑或及減小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗疲勞磨損的能力。第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析6.微動磨損特征及判斷1.微動磨損（咬蝕）：兩塊金屬材料在外加載荷下相互壓緊成緊密接觸，同時兩接觸表面又受到低（微）振幅的相對滑動,受高的接觸應力，使局部表面發(fā)生磨損。第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析2.形貌特征微動磨損表面通常粘附一層磨損脫落下來的金屬氧化物顆粒；因形成冷焊點和材料轉移而產生的不規(guī)則凸起；微動區(qū)域中可發(fā)現(xiàn)大量表面裂紋，它們大都垂直于滑動方向舉例：鋼板彈簧、銷釘或螺栓緊固接件、軸與孔的配合件第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析例：薄板沖裁模磨損失效薄板沖裁模：模具受到的沖擊載荷不大，因摩擦產生的刃口磨損是主要的失效形式。磨損過程：分為初期磨損，正常磨損和急劇磨損三個階段。

a）局部塑變

b）摩擦磨損

c）疲勞損壞（初期磨損階段）（正常磨損階段）

（急劇磨損階段）

第三十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析失效形式：軸瓦的膠合、磨損軸瓦，鋁合金，軸，灰鐵，接觸面有潤滑油轉速為300rpm，運行10秒抱死。第三十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日失效分析3.10.3磨損失效判斷和改善耐磨性的措施磨損表面形貌分析宏觀分析：放大鏡觀察，實物顯微鏡觀察微觀分析：掃描電子顯微鏡磨損亞表層分析強烈的冷加工變形硬化金屬組織的回火、回復再結晶、相變、非晶態(tài)層等觀察裂紋