腐蚀磨损概述

腐蚀磨损综述

报告人：郑** 学 号：S313**00**

腐蚀磨损综述

1.腐蚀磨损概述 2.金属的腐蚀磨损 2.1腐蚀磨损分类 2.2氧化磨损 2.3电化学腐蚀磨损 2.4金属腐蚀磨损测试技术 3.金属腐蚀磨损发展趋势 4.参考文献

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1.1 腐蚀磨损的定义两摩擦表面与周围介质发生化学或电化学反 应，在表面上形成的腐蚀产物粘附不牢，在摩擦 过程中被剥落下来，新的表面又继续和介质发生 反应，这种腐蚀和磨损的重复过程称为腐蚀磨损 (Corrosion Wear)。 腐蚀磨损行为与纯腐蚀行为和纯磨损行为均 有很大差异。

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1.2 研究背景材料的腐蚀磨损经常发生在泵、阀的过流部 件(泵体、叶轮等),管道内壁面，及腐蚀介质 中服役的摩擦副中。其中以双向流造成的破坏尤 其严重。 据统计，在石油化工，能源交通，水利电力 等行业的机械设备中，腐蚀磨损造成的损失占总 腐蚀量的9%,总磨损量的5%。 腐蚀磨损是一个物理、机械、化学和电化学 作用的综合作用，各种因素的影响错综复杂，给 研究工作带来了极大的困难，近几十年来人们不 断探索并就此问题进行了一些初步研究。

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1.3 研究现状20世纪80年代，南非科学家们首先采用先腐 蚀后磨损的方法，分开进行实验对多种工程材料 腐蚀磨损性能进行了评价。 1991年，G.Sundararajan总结了前人在金属 氧化冲蚀方面的研究结果，提出了氧化和冲蚀交 互作用的数理模型并在实验中得到验证。 P.F.Weiser等人用CF-8铸铁在硫酸砂浆与单 独硫酸腐蚀和单独湿磨料磨损条件下进行对比试 验，结果表明，材料的腐蚀磨损速度是纯腐蚀和 纯磨损速度之和的8-35倍。

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K.Y.Kim等人用电化学方法研究了材料在腐 蚀磨损条件下的腐蚀行为，发现磨料的机械作用 使腐蚀速度增加了2-4个数量级 。 张天成、姜晓霞等人测量了不同载荷下40Cr 钢和304不锈钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀磨损率， 用Tafel法和极化阻率法测定了静态及磨损状态下 的腐蚀率，并用浸泡实验结果予以了修正。定量 分析了两种材料在溶液中的腐蚀磨损交互作用。 ……

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1.4 研究目的和意义研究金属材料腐蚀磨损的目的除了弄清楚这 种破坏失效的原因，找出其损伤的规律性以外， 更重要的是如何控制腐蚀磨损、降低服役过程中 材料流失量以延长工件使用寿命。

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2.1 金属腐蚀磨损分类根据腐蚀介质的性质，腐蚀磨损可分为化学 腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损两大类。化学腐蚀磨损 电化学腐蚀磨损 在气体介质或非电解质溶液中 的磨损，以氧化磨损为主。

在导电性电解质溶液中的磨损。

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2.2 氧化磨损金属表面与气体介质发生氧化反应，在表面 生成氧化膜，随后在磨料或微凸体作

用下被去除 ，新暴露出的表面又重新被氧化、磨去。在此过 程中形成的磨损就是氧化磨损。 造成氧化磨损的条件有三：(1)摩擦表面氧化 的速率大于氧化膜被磨损的速率；(2)氧化膜与基 体结合的强度大于摩擦表面的剪切应力；(3)氧化 膜厚度大于表面磨损破坏的深度。

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2.2.1 氧化磨损的理论模型除极少数贵金属外，洁净的金属一旦与空气 接触，立即与空气中的氧反应成为单分子层的氧 化膜。 Quinn依此在Archard粘着磨损方程提出了 氧化磨损理论。 这一模型的认为：当磨损表面的微凸体不与 对方微凸体接触时生成氧化膜；每个接触点上生 成同样数量氧化膜，且当氧化膜达到临界厚度时 只在金属-氧化膜界面上发生剪断。

(1) Quinn模型

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Quinn还导出了轻微磨损状态下的数学 模型： S/vξ2 ρ2]· P/3H W =Wv/L=[A0exp(-Q/RT)·式中，W为磨损率；Wv为体积磨损量；L为滑 动距离；P为法向载荷；H为材料硬度；v为滑动速 度；A0为阿伦尼乌斯常数；ξ为氧化膜临界厚度； ρ为氧化膜密度；Q为氧化反应活化能；T为微凸 体表面接触温度；R为普适气体常量。

上式表示临界氧化膜愈厚则磨损率愈小

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(2) Tao模型

Quinn当时提出的氧化磨损理论没有提到磨损破坏 速度的决定因素，因此Tao将氧化磨损过程分为： 氧向金属表面扩散、氧化膜生长和滑动时氧化膜发 生破坏三个阶段。 Tao提出两个模型： 模型A:氧化膜逐渐生长而其磨损是瞬间发生的； 模型B:临界膜的生成时间远短于其破坏时间。 其中模型A较符合实际，但许多实验证明同时考虑 氧化时间和氧化膜的破坏时间才更接近真实情况。

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(3)Rabinowicz模型

根据膜的机械性质不同， Rabinowicz提出了两个 氧化磨损模型。 ①脆性氧化膜的氧化模型 在一定的气体中，金属材料表 面会生成脆性氧化膜，由于其 物理机械性能与基体差别很大， 当它生长到一定厚度时，很容 易被机械作用去除并暴露出金 属基体，随后在新的基体上面 又开始新的氧化一磨损过程. 脆性膜的氧化磨损示意图

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②韧性氧化膜的氧化磨损模型如果生成的氧化膜是韧性 的并且比基体软，当遭受 外部机械作用时，可能只 有部分氧化膜被除去，随 后的氧化磨损过程仍是在 氧化膜上进行的。韧性膜的氧化磨损示意图

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2.2.2 氧化磨损的影响因素

(1)氧化膜性质的影响 ①氧化膜硬度H0与基体金属硬度Hm的比值 当H0 >> Hm时，因基体太弱，无法支承载荷，故即 使外力很小，氧化膜也很易破碎；当两者都很高时 ，在载荷作用下变形很小，氧化膜不易变形，耐磨 性增加。 ②氧化膜与工作环境的关系 钢铁摩擦副，当载荷小、滑动速度低时

,氧化膜主 要组成物为Fe2O3;但当速度增大、载荷增大后， 则主要为Fe3O4。磨损量随膜组分变化而变化。

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③氧化膜的机械性能 脆性氧化膜与基体金属结合能力差，容易被磨掉。 反之，如为韧性而致密的氧化膜，则与基体结合牢 固，不易磨掉。 若氧化膜的硬度较大，结果氧化膜被嵌入金属内， 成为磨料；若氧化物较软，则其对另一表面磨损就 小，有的甚至有防止粘着的作用。 有些氧化物的摩擦磨损性能还与温度有关。如PbO, 在250℃以下润滑性能不好，但超过此温度时，就 成为比MoS2还好的润滑剂。

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(2)载荷影响

轻载荷下氧化磨损磨屑主要成分为Fe和FeO,重载 荷下磨屑主要成分是Fe2O3和Fe3O4。当载荷超过某 一临界值时，磨损量随载荷增大急剧增加。

(3)滑动速度影响 (4)金属表面状态

低速摩擦时磨损量较小，随着滑动速度增加，产生 磨屑增大，磨损量增大。

金属表面处于干摩擦时，容易产生氧化磨损。加入 润滑油除了起到减摩作用外同时隔绝空气，提高抗 氧化磨损能力。但有的润滑油能促进氧化膜脱落。

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2.3 电化学腐蚀磨损

殊特介质中的腐蚀磨损是指摩擦副工作在电解质溶 液(如酸、碱、盐等)中，并和它们发生作用形成各 种不同的产物，又在摩擦中被除去的过程。 电化学腐蚀磨损由于涉及的因素较多，是一个比氧 化磨损更为复杂的过程。摩擦表面遍布点状或丝状 腐蚀痕迹，磨损产物是酸、碱、盐的金属化合物。

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2.3.1 电化学腐蚀的理论模型

(1)材料的机械去除模型在腐蚀磨损体系中，金属材料在特定介质作用下发 生均匀腐蚀并形成完整覆盖的产物膜。由于磨料或 硬质点的剪切作用导致腐蚀膜的去除。 ABD-EL-KADER等研究了不锈钢在低应力条件下 的腐蚀磨损，为建立其数学模型提出两个假设:① 腐蚀磨损过程是摩擦表面上氧化物的生成和去除的 重复过程;②氧化膜的生长速率遵循对数规律。

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从而导出腐蚀磨损深度为: Δs=0.43K 其中K可由腐蚀电位下氧化物生长速率来确定。 对特定的体系K为一常数.这一规律仅适合于非常低 的应力和材料具有较强再钝化能力的体系。

图3 均匀腐蚀条件下的腐蚀磨损模型

图4 相界面腐蚀的腐蚀磨损模型

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(2)氢致磨损理论

对氢敏感的材料，在易析氢的介质中。表面层由于 发生周期性形变，裂纹、微空洞、晶界和其它可能 存在的缺陷不断发生体积变化。氢原子进入这些缺 陷后要么形成氢分子，要么在缺陷内部生成脆性氢 化物，失去返回外界的可能性。磨损应力作用下缺 陷体积减小时产生高度应力集中，在磨损近表层内 引发大量微裂纹，导致材料成块剥落，

磨痕呈脆性 断口，加速材料流失。