常见失效形式及特征和诊断

第三章3.6腐蚀失效3.6.1概述金属材料受到周围环境介质的化学或电化学作用而引起的损坏叫做金属的腐蚀失效。1.金属腐蚀的分类按金属与介质的作用性质（1）化学腐蚀，特点是腐蚀过程中无电流产生。①气体腐蚀。②在非电解质溶液中的腐蚀。（2）电化学腐蚀，特点是腐蚀过程中有电流产生。①大气腐蚀。②土壤腐蚀。③电解质溶液中的腐蚀。④熔融盐中的腐蚀。2.腐蚀的破坏形式（1）均匀腐蚀。（2）局部腐蚀：①斑点腐蚀。②脓疮腐蚀。③点腐蚀。④晶间腐蚀。⑤缝隙腐蚀。⑥穿晶腐蚀。⑦选择腐蚀。3.腐蚀程度的表示方法（1）均匀腐蚀的腐蚀程度表征。①有重量的变化来评定。②有腐蚀深度来表示。（2）局部腐蚀的腐蚀程度表征。裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表示。3.6.2主要腐蚀失效类型的现象和特征1.金属的局部腐蚀（1）点腐蚀。首先介质的活性阴离子吸附在金属氧化膜的某些点上，对膜产生破坏。有缺陷的区域和没有缺陷的区域形成局部电池，有缺陷的部分成为活化的阳极，周围区为阴极区，因阳极面积非常小，电流密度很大，在金属表面形成腐蚀小孔。随后溶解下来的金属离子水解，使小孔内溶液的酸度增加，小孔被进一步腐蚀加深。点腐蚀（2）缝隙腐蚀。零件的金属或金属与非金属之间形成缝隙，且电解质可以进入缝隙而在其中处于停滞状态，使缝隙内部腐蚀加剧。（3）晶间腐蚀。晶间腐蚀主要是由于化学不均匀性引起的，晶界处原子排列较为疏松而紊乱，容易产生晶界吸附，富集杂质原子，也容易沉淀，组成局部电池，造成晶间腐蚀。（4）接触腐蚀。一对相接触的异类金属浸入电解液中成为一个原电池，电位较负的金属（阳极）就会受到电化学腐蚀。2.（1）金属在大气中的腐蚀金属表面凝聚一层水膜，由于大气中含有CO2、SO2、NO2、盐类等，溶解于水膜中成为电解质溶液。金属内含有杂质，在电解质溶液中形成腐蚀原电池，原电池的作用使金属受到腐蚀，是电化学腐蚀。（2）影响大气中腐蚀的因素①湿度的影响。②灰尘的影响。③大气中有害气体的影响。3.（1）金属在土壤中的腐蚀（2）影响土壤中腐蚀的因素①土壤电阻率的影响。②土壤中氧含量的影响。③土壤PH值的影响。④土壤内细菌的影响。⑤土壤杂散电流的作用。管道在土壤中腐蚀4.（1）金属在海水中的腐蚀（2）影响金属在海水中的腐蚀因素①海水中盐的类型及浓度的影响。②海水中含氧量的影响。③海水温度的影响。④海水流速的影响。⑤海洋生物的影响。3.6.3防止金属腐蚀的措施1.正确选用金属材料和合理设计金属结构（1）正确选用金属材料，根据具体情况选择合适的耐蚀材料。（2）合理设计金属结构设计上尽可能降低热应力、流体停滞和聚集、局部过热等。设计时应尽量避免不同的金属互相接触，非要不同金属相互接触时，用绝缘材料将两者隔开。2.去除介质中有害成分和添加缓蚀剂（1）去除介质中有害成分（2）添加缓蚀剂减慢腐蚀速度阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂、混合型缓蚀剂等的加入可以使电化学腐蚀过程减慢。3.隔离有害介质（1）结构设计上采取措施使关键部位和有害环境隔绝开来。（2）采用各种表面防护技术。4.电化学保护用改变金属-介质的电极电位来达到保护金属免受腐蚀。（1）阴极保护，把金属电极接到电池的负极，通以电流进行极化。常用于地下管道及其他金属设备、水中设备、冷凝器、冷却器、热交换器。（2）阳极保护，把金属电极接到电池的正极，通以电流进行极化。阳极保护用于某些强腐蚀介质（如硫酸、磷酸等），耗电量小。3.7应力腐蚀失效3.7.1概述应力腐蚀开裂是指金属材料在特定的介质条件下，受拉应力作用，经过一定时间后发生的裂纹及断裂现象。3.7.2应力腐蚀断裂的特点（1）即使是延性材料，其应力腐蚀也表现为脆性形式的断裂。（2）应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂缝常常被腐蚀产物覆盖，不能及时发现，常常在事先没有预兆的情况下发生断裂，危害较大。（3）应力腐蚀断裂属于延迟断裂，断裂的时间决定于介质条件和应力大小。（4）引起应力腐蚀断裂的应力一定是拉应力。（5）一定的金属材料只是在特定的活性介质中才发生应力腐蚀断裂。3.7.3应力腐蚀评定方法1.光滑试样恒应力试验2.预裂纹试样应力腐蚀实验3.7.4防止应力腐蚀开裂的措施1.合理选择材料，针对零件所受应力和使用条件选用耐应力耐蚀的材料。如铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的条件应避免使用铜合金。2.减少或消除零件中的残余拉应力，残余拉应力是产生应力腐蚀的重要条件。为此，设计上应尽量减少零件上的应力集中，工艺上采用退火工艺消除应力。3.改善介质条件，设法减少或消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，或者在腐蚀介质中添加缓蚀剂。4.采用电化学保护。5.零构件应力腐蚀控制设计。3.8氢脆失效3.8.1氢脆是在应力和过量氢的共同作用下使金属材料塑性、韧性下降的一种现象。材料中氢含量越高，氢脆现象越严重。金属，尤其是高强钢的氢脆断裂一般表现为延迟断裂，也存在发生氢脆的门槛应力。金属中氢的来源很多，在金属冶炼过程中由于原材料中含有水分和油垢等不纯物质，高温分解出氢。氢还可以在机械加工过程中（如酸洗、电镀等）进入金属。金属在服役过程中环境介质也可以提供氢。3.8.2氢脆失效的类型、特征及评定1.类型及特征（1）白点（2）氢蚀（3）氢化物致脆两类氢化物：1）熔融金属冷却后，由于氢的溶解度降低而从过饱和固溶体析出形成的。2）在含氢量较低的情况下，受外拉应力作用，使原来基体上均匀分布的氢逐渐聚集到裂纹前沿或微孔附近等应力集中处，当达到足够浓度后，析出氢化物。（4）氢致延滞断裂高强度钢中含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，并且裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。3.8.3防止氢脆的措施1.环境因素设法切断氢进入金属内的途径，或设法延迟在这个环节上的反应速度，使氢不进入或少进入金属中。如采用表面涂层。2.力学因素在机件设计和加工过程中应避免各种产生残余拉应力的因素。采用表面处理，使表面获得残余压应力层，对防止氢脆有良好作用。尽可能选用氢脆临界场强度因子门槛值高的材料。3.材料因素含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。刚的强度等级越高，对氢脆越敏感，所以，对在含氢介质中服役的高强度钢的强度应有所限制。钢的显微组织对氢脆敏感性也有较大影响，一般按下列顺序递增：下贝氏体，回火马氏体或贝氏体，秋化或正火组织。正确制定钢的冷热加工工艺，可以提高机件抗氢脆性能。失效分析3.9腐蚀疲劳失效腐蚀疲劳断裂：材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下导致的断裂。一、腐蚀疲劳破坏的机制交变应力和腐蚀介质的共同作用使腐蚀坑形成初裂纹环境介质与不断产生的新金属表面发生作用二、腐蚀疲劳破坏的特点1.不需要特定的腐蚀系统2.任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳3.不存在疲劳极限4.疲劳曲线明显地向低值方向推移5.初裂纹的扩展受应力循环周次的控制；不循环时裂纹不扩展裂纹扩展与应力条件，温度，介质有关3.9腐蚀疲劳断裂失效分析三、腐蚀疲劳断裂的断口特征•宏观特征1.脆性断裂2.疲劳源区一般不明显3.断裂多源自表面缺陷或腐蚀坑底部•微观特征1.疲劳辉纹由于腐蚀介质的作用而模糊不清2.二次裂纹较多并具有泥纹花样、腐蚀坑、腐蚀产物等3.随着加载频率的降低和腐蚀介质的腐蚀性加强，静载腐蚀断裂(应力腐蚀)特征花样逐渐增多4.多源疲劳裂纹的走向：穿晶——常见沿晶——加载频率低单纯机械疲劳：裂纹在同一平面腐蚀疲劳：主裂纹附近出现多条次裂纹失效分析腐蚀疲劳失效的预防措施合理的选择材料表面感应淬火喷丸和表面滚压强化表面化学热处理电镀，涂层防护阴极保护失效分析3.10磨损失效分析3.10.1概述磨损失效1.磨损：相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程。例：推土机、挖掘机和拖拉机的行走机构，农具的犁铧、锄、铲，发动机中的曲轴、凸轮轴、汽门挺杆、活塞环、油嘴油泵、齿轮。世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，75%机械零件由于磨损失效。失效分析2.磨损失效的分类按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损。按表面接触性质可分为：金属--流体磨损；金属--金属磨损；金属--磨料磨损。从磨损的失效机制分为：氧化磨损（腐蚀磨损）、咬合磨损(第一类粘着磨损)、热磨损(第二类粘着磨损)、磨粒磨损和接触疲劳磨损。磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。失效分析磨损失效过程磨损过程大致可分为以下三个阶段：1.跑合（磨合）磨损阶段2.稳定磨损阶段3.剧烈磨损阶段失效分析3.10.2磨损机制及行为特征1.腐蚀磨损两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质(如液体、气体或者润滑剂等)与材料表面起化学反应或电化学反应，形成腐蚀产物，产物粘附不牢，在摩擦过程中剥落下来，新的表面又继续与介质发生反应。这种腐蚀和磨损的反复过程称为腐蚀磨损。失效分析失效分析2.咬合磨损1).咬合磨损：摩擦副相对运动时，接触点表面材料塑性变形、焊合、剪断而有一个表面转移到另一个表面引起材料流失的现象。失效分析2).形貌特征按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。点接触:接触表面油膜被破坏，金属表面局部焊合或粘合剪切撕脱，形成凹坑或凹槽。表面金属局部转移，形成细长条状、不均匀、不连续的条痕粘合处强度进一步增加，产生犁沟，拉伤的损伤外加压应力增加，润滑膜严重破坏时，咬合，接触点产生熔焊现象，剪切撕脱破坏深入金属内部，形成较深的坑，严重的烧伤痕迹。3）防止措施合理地选择配对材料采用表面处理限制摩擦表面的温度，控制压强减小表面粗糙度失效分析3.热磨损1.热磨损：当滑动速度很大，比压也很大的时候，将产生大量摩擦热使润滑油变质，并使表层金属加热到软化温度，在接触点处产生局部金属粘着，出现较大金属质点的撕裂脱离甚至熔化的磨损。2.形貌特征3.防止措施减少摩擦热，在摩擦区增加水冷或气冷的结构措施，表面非金属薄膜，润滑提高金属热稳定性和润滑油热稳定性，选用热稳定性高的合金失效分析4.磨料磨损的特征及判断1.磨料磨损：当硬质点(硬磨粒)在压力下滑过或滚过一个表面或者当一个硬表面(包含有硬质点)擦过另一个表面时，使材料表面发生磨耗的现象。磨料硬度Ha和金属材料硬度Hm的相对高低。失效分析5.接触疲劳（点蚀）1.接触疲劳：零件表面在接触应力的反复作用下引起的表面疲劳破坏。2.形貌特征：a.表面金属小片脱落，形成麻坑（几微米到几十微米）麻坑附近明显塑性变形及不明显的表面疲劳裂纹和二次裂纹b.裂纹源于次表层的麻点剥落c.裂纹源于表层的麻点剥落d.裂纹源于硬化层与心部交界处的表层剥落3.防止措施合理地选择材料及材料的硬度，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂或及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗疲劳磨损的能力。失效分析6.微动磨损特征及判断1.微动磨损（咬蚀）：两块金属材料在外加载荷下相互压紧成紧密接触，同时两接触表面又受到低（微）振幅的相对滑动,受高的接触应力，使局部表面发生磨损。失效分析2.形貌特征微动磨损表面通常粘附一层磨损脱落下来的金属氧化物颗粒；因形成冷焊点和材料转移而产生的不规则凸起；微动区域中可发现大量表面裂纹，它们大都垂直于滑动方向举例：钢板弹簧、销钉或螺栓紧固接件、轴与孔的配合件失效分析例：薄板冲裁模磨损失效薄板冲裁模：模具受到的冲击载荷不大，因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式。磨损过程：分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段。a）局部塑变b）摩擦磨损c）疲劳损坏（初期磨损阶段）（正常磨损阶段）（急剧磨损阶段）失效分析失效形式：轴瓦的胶合、磨损轴瓦，铝合金，轴，灰铁，接触面有润滑油转速为300rpm，运行10秒抱死。失效分析3.10.3磨损失效判断和改善耐磨性的措施•磨损表面形貌分析宏观分析：放大镜观察，实物显微镜观察微观分析：扫描电子显微镜•磨损亚表层分析强烈的冷加工变形硬化金属组织的回火、回复再结晶、相变、非晶态层等观察裂纹的形成部位，裂纹的增殖、扩展情况及磨