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,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,a)材料的机械去除模型,1腐蚀磨损概述,b)材料的腐蚀去除模型,图5应变差异腐蚀电池模型,图6电偶腐蚀电池模型,1腐蚀磨损概述,1.2腐蚀磨损的研究背景和现状腐蚀磨损现象广泛存在于石油、化工、煤矿、电力、冶金等工业领域的机械设备中,是造成材料损失和设备失效的主要原因之一。
据报道,美国每年约有23万吨钢材,全世界仅在选矿设备这一项就有45万吨钢因腐蚀磨损而受到破坏,如同时考虑其它工业部门的腐蚀磨损,无疑是一个巨大的经济损失。
腐蚀磨损造成材料的加速损坏已经引起了人们极大的关注和重视。
但由于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,这就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。
1腐蚀磨损概述,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。
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。
陈文革研究了M50NiL和16CrNi4Mo铜经不同工艺热处理对气蚀和腐蚀性能的影响,结果表明两种钢抗气蚀性能最佳的处理工艺都是低温淬火加低温回火。
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。
1腐蚀磨损概述,2金属的腐蚀磨损,2金属的腐蚀磨损2.1腐蚀磨损机理金属腐蚀磨损机理的研究一直是人们争议的焦点,早期人们提出的“表面膜机械去除模型”和“氢致磨损理论”并不能解释腐蚀磨损材料流失形式中出现的各种问题,之后人们都把腐蚀磨损机理的研究集中在金属表面膜的性能、修复及再生速率上,但实际上表面膜破坏及修复的电化学研究结果也并不能圆满的解释腐蚀磨损的各种问题。
大量的实验和工程实践逐渐使人们认识到腐蚀磨损研究的核心应该是腐蚀和磨损的交互作用(协同效应),而不是表面膜的行为。
2.1.1腐蚀磨损交互作用的定量描述在单纯的腐蚀作用中,失重与腐蚀时间的关系通常是凹曲线,而一般的干磨损(在空气中磨损)材料流失量与载荷(速度)大多呈线性关系。
腐蚀磨损则不符合这两种规律,它们间的交互作用通常都表现为加速,用下式表示:
W=Wcorr+Wwear+WW=Wc+Ww式中W腐蚀磨损造成材料的总流失量;
Wcorr单纯的腐蚀失重(静态下腐蚀);
Wwear单纯的磨损失重(在空气中干磨损);
W交互作用失重;
Ww腐蚀对磨损的加速(磨损增量);
Wc磨损对腐蚀的加速(腐蚀增量);
2金属的腐蚀磨损,从前面的公式可以得出:
腐蚀磨损造成的材料流失量绝不是单纯腐蚀及干磨损失重之和,而且实践证明,它们之间的交互作用(协同作用)即腐蚀加速磨损,磨损促进腐蚀,从而加速材料的破坏的作用比单纯腐蚀和磨损对材料的破坏作用大得多。
因此要控制腐蚀磨损就必须弄清二者交互作用的机制,即发生和发展过程,才能从材料选择、表面处理、各种保护措施及机械结构设计上寻求对策。
2金属的腐蚀磨损,2.1.2磨损加速腐蚀磨损加速腐蚀已是不容争议的事实,实验证明加速的原因主要包括以下几个方面:
磨损减薄作用或破坏钝化膜或除去表面产物而裸露出新鲜的金属表面;
溶液搅动加速了传质过程,使工件表面的腐蚀产物(离子)迅速离去,腐蚀介质很快得到补充,即去极化剂很容易到达金属表面,加速金属的腐蚀。
对于以氧扩散为控制反应的中性介质如海水等溶液的腐蚀磨损,机械搅拌作用对传质的加速尤其具有重要意义。
此外,磨损过程会使塑性材料表面产生的强烈塑性变形主要集中在犁沟两侧隆起部位或冲蚀坑的外缘,使这些部位产生微裂纹、位错和空位等缺陷,具有较高的腐蚀活性成为阳极,其余部位称为阴极,构成“应变差电池”。
2金属的腐蚀磨损,2.1.3腐蚀加速磨损最直观理解腐蚀会加速磨损莫过于腐蚀后的材料表面疏松、多孔,很容易在磨料或其它微凸体的作用下被去除而增加材料流失量。
腐蚀会增加金属表面的粗糙度,再由于金属组织结构的不均匀性,腐蚀会破坏晶界、相界或其它组织的完整性,降低其结合强度。
如果发生组织的选择性腐蚀,大多是合金基体溶解(属阳极相),而在表面残留碳化物或其他第二相颗粒(属阴极相),当磨头滑过或粒子冲击时很容易被剥落而增加磨损量。
在形成钝化膜的体系中,由于表面剪切力把钝化膜成片撕裂,甚至扩展到磨痕以外,因此也会增加磨损量。
形变强化的金属材料由于腐蚀尤其均匀腐蚀会除去表面薄薄的硬化层,裸露出未变形强化、或形变程度较小,硬度较低的表面层从而降低耐磨性,这是腐蚀加速磨损的又一种表现。
2金属的腐蚀磨损,2.1.4腐蚀磨损中的“负”交互作用腐蚀磨损交互作用通常都表现为彼此加速,这是普遍规律。
但实验发现有些情况下在腐蚀介质中的材料流失量比空气中的干磨损还小,在铁合金和不锈钢中都观察到这种现象。
这种现象的出现一般是在腐蚀介质弱、因腐蚀造成的损失小,而材料流失量以磨损为主的条件下。
与空气中的磨损失重相比,介质改变了对摩副之问的表面状态,降低了摩擦系数,从而减少了磨损失重。
介质的润滑在轻载和高速下充分表现出减摩效果,再加上介质冷却作用,材料流失就有可能小于相同运动参数(速度和载荷)下的干磨损,即产生所谓的“负”交互作用。
2金属的腐蚀磨损,2.2腐蚀磨损的影响因素材料的腐蚀磨损的影响因素较多,它既与腐蚀介质的种类,介质中固体颗粒特性、介质流速,以及固体颗粒对基材冲击角有关,也与材料本身的成分、组织结构、力学机械性能有关,纵观国内外研究工作都是围绕着这些因素开展的。
2.2.1腐蚀介质的影响
(1)介质pH值的影响
(2)介质成分的影响(3)介质浓度的影响(4)介质温度的影响(5)缓蚀剂的影响,2金属的腐蚀磨损,图7砂浆pH值对Cr15Mo3腐蚀磨损的影响,图845钢在不同介质中的腐蚀磨损,2金属的腐蚀磨损,图9静态条件下,介质浓度对腐蚀速度的影响,图10NaCl浓度对碳钢和316不锈钢腐蚀磨损的影响,2金属的腐蚀磨损,图11铁在水中的腐蚀速度与温度的关系,图12温度对碳钢腐蚀和磨损的影响,2金属的腐蚀磨损,图13缓蚀剂对锻钢球腐蚀磨损的影响,图14缓蚀剂对45钢腐蚀速度的影响,2金属的腐蚀磨损,2.2.2机械因素的影响磨损过程中的机械作用主要是通过破坏材料表面膜和改变材料表面电化学活性来影响其腐蚀磨损速度。
(1)砂浆速度的影响
(2)砂浆冲击角度的影响(3)载荷的影响(4)载荷作用频率的影响,2金属的腐蚀磨损,图15试样转速对活化腐蚀电流和钝态阳极电流的影响,图16砂浆冲击角度对纯铁腐蚀磨损速度的影响,2金属的腐蚀磨损,图17载荷对高碳低合金钢在pH=9时腐蚀磨损的影响,图18磨损-腐蚀循环频率对低碳钢累计腐蚀磨损的影响,1.腐蚀时间:
104h磨损距离:
14m2.腐蚀时间:
410h磨损距离:
41m,2金属的腐蚀磨损,2.2.3材料因素的影响在实际工况中,耐磨性能和耐蚀性能往往是互相矛盾的,比如硬质碳化物及其它第二相硬质点,高硬度马氏体基体及细化晶粒等都可能通过改善材料硬度、韧性等机械性能提高其耐磨性,但这些因素也将增加材料组织的不均匀性,容易发生点蚀、晶间腐蚀、相间腐蚀等,因而对其耐蚀性有害。
因此在实际生产中,应该根据具体工况下体系中机械作用和腐蚀作用的相对强弱程度,选择合理的耐腐蚀磨损材料。
2金属的腐蚀磨损,3金属腐蚀磨损的测试研究方法3.1典型的腐蚀磨损试验机3.1.1稳态腐蚀磨损试验机,3腐蚀磨损的测试研究方法,3.1.2暂态腐蚀磨损试验机,3腐蚀磨损的测试研究方法,3.1.3料浆冲蚀试验机,3腐蚀磨损的测试研究方法,3.2腐蚀磨损试验方法早期研究金属材料腐蚀磨损行为的试验方法都是将样品现在选定的腐蚀介质中浸泡或预氧化,即在静态环境中制备腐蚀及高温冲蚀试样,再用这些试片去测定磨损量。
但是这种分离试验方法与材料的服役工况相距太大,磨损试验一般要十几分钟,最多也只不过几十个小时,而腐蚀试验中的浸泡或盐雾试验很难在如此短的时间内得到可信的结果,有的可能长达数周或数月。
因此腐蚀磨损试验中首先遇到的问题是正确选择试验参数,特别是如何使力学参数和化学参数互相匹配。
3腐蚀磨损的测试研究方法,3.2.1试验参数的选择根据工程应用背景,实验参数一般包括以下两类:
(1)磨损参数:
摩擦副的接触形式(点、线或面接触)、运动方式(滑、滚或振动)、承受载荷或压力的方式(平稳或脉动)和数值、运动速度等。
(2)腐蚀参数:
介质的种类(酸、碱、盐或自然界存在的其它介质)、浓度、温度、压力等。
欲在较短的试验期内获得所需的结果,除了提高测定方法的灵敏度外,有效的手段是强化一些影响材料磨蚀的试验参数。
常用的方法包括:
适当增加介质中某些组分的浓度、搅拌或提高温度以增加反应几率,提高反应速率、预制裂纹以缩短腐蚀过程中诱导期、敏化处理以强化金属的腐蚀倾向、加大载荷或提高运行速度的方法来缩短试验时间等等,但绝不能因为强化参数而改变原来的腐蚀机制或引入实际工况中不存在的因素。
3腐蚀磨损的测试研究方法,3.2.2腐蚀磨损试验结果的表达
(1)腐蚀磨损率:
用表面轮廓仪在一定放大数倍下记录出磨痕的起伏随痕宽的变化,求出平均破坏深度从而计算出磨蚀截面积,由V=(ADSt)103g/m2h计算一定极化电位下的腐蚀磨损率,式中A为磨痕平均截面积,D为试样周长,S为磨痕表观面积,为材料密度,t为磨损时间。
(2)相对耐磨蚀性能:
在完全相同的试验条件下对多种金属材料进行磨蚀试验,选定其中一种材料,将其磨蚀失重值定为1,并将其值与其他材料的流失量进行比较。
如果试验样品磨蚀流失量小于标准样品磨蚀流失量,则相对耐磨性大于1,表示这种材料比标准样品耐磨蚀。
3腐蚀磨损的测试研究方法,3.3腐蚀磨损研究新方法早期材料磨损数据的表述主要是通过材料磨损率数据库和材料磨损失效形态图,以上两种表述虽然都可供设计和工程项目选材参考,但是都是在特定条件下取得的,故适用面窄,数据的共享性较差,针对以上缺点,近年来兴起了磨损机制图,兼具腐蚀和磨损两种数据,既可以反映出腐蚀磨损中力学因素(如速度)和化学因素(如电位、溶液pH值)变化时,金属材料产生磨蚀
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