1、1一、一、概述概述 定义定义：当应力或温度引起构件可恢复的弹性变：当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时，就形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时，就叫做叫做过量弹性变形失效过量弹性变形失效。零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，应力应力与应变与应变之间服从之间服从虎克（虎克（Hooke）定律）定律 =E (21)2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效2这种变形为弹性变形，是受力作用时的必然结果，这种变形为弹性变形，是受力作用时的必然结果，一般不会引起麻烦。一般不会引起麻烦。但在一些精密机械中，对零件的尺寸和匹配关系但在
2、一些精密机械中，对零件的尺寸和匹配关系要求严格，当弹性变形超过规定的限量要求严格，当弹性变形超过规定的限量(在弹性极在弹性极限以内限以内)时，会造成时，会造成零件的不正常匹配关系零件的不正常匹配关系。例：例：航天火箭中惯性制导的陀螺元件，如果对弹航天火箭中惯性制导的陀螺元件，如果对弹性变形问题处理不当，就会因漂移过大而失效。性变形问题处理不当，就会因漂移过大而失效。2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效3线膨胀系数线膨胀系数是表征材料热胀冷缩特性的参数。是表征材料热胀冷缩特性的参数。不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹配不当，在温度改变时就可能引发
3、故障。配不当，在温度改变时就可能引发故障。例例：钢的线膨胀系数约为：钢的线膨胀系数约为121061，是青，是青铜的一半，如果用铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴，用青铜作不锈钢作轴，用青铜作轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作，轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作，但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦的收缩而发生抱轴现象。的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和工作载荷和(或或)温度使温度使零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的数值时数值时，就将导致弹性变形失效。，就将导致弹性变形失效。2.1 过量弹性变形失效
4、过量弹性变形失效4二、特征及判断方法二、特征及判断方法弹性变形失效的判断往往比弹性变形失效的判断往往比较困难较困难。这是因为，。这是因为，虽然应力或虽然应力或(和和)温度在工作状态下曾引起变形并温度在工作状态下曾引起变形并导致失效，但是在解剖或测量零件尺寸时，变导致失效，但是在解剖或测量零件尺寸时，变形已经消失。形已经消失。综合考虑以下几个综合考虑以下几个因素因素：(1)失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历。有高温或低温工作经历。2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效5(2)在失效分析时，应注意观察在正常工作在失效分析时，应注意观察
5、在正常工作下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损等痕迹。痕或磨损等痕迹。(3)在设计时是否考虑了弹性变形在设计时是否考虑了弹性变形(包括热包括热膨胀变形膨胀变形)的影响，并采取了相应的措施。的影响，并采取了相应的措施。(4)通过计算来验证是否有弹性变形失效的通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。可能。2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效6三、防止措施三、防止措施失效的责任几乎全部在于设计者的考虑不周、失效的责任几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设设计计方面考虑。方面考虑。1选
6、择合适的材料或结构选择合适的材料或结构 如果由机械应力引起的弹性变形是主要问题，如果由机械应力引起的弹性变形是主要问题，则可以根据具体的要求选用适当的材料。则可以根据具体的要求选用适当的材料。2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效7 例：例：宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造，宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造，就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。铍的弹性模量为铝的铍的弹性模量为铝的4倍、钢的倍、钢的15倍。如果倍。如果考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的6倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加倍多
7、。在空间允许的情况下，也可以采用增加截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际需要采用热膨胀系数适合的材料。需要采用热膨胀系数适合的材料。2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效82确定适当的匹配尺寸确定适当的匹配尺寸 弹性弹性变形量变形量是可以是可以计算计算的，这种尺寸的变化应的，这种尺寸的变化应当在设计时加以考虑。低温度下工作的机件，当在设计时加以考虑。低温度下工作的机件，其间隙不仅应保证在常温下正常工作，而且还其间隙不仅应保证在常温下正常工作，而且还要确保在要确保在低
8、温低温下尺寸变化后仍能正常工作。对下尺寸变化后仍能正常工作。对于几何形状复杂、难于计算的零件可通过试验于几何形状复杂、难于计算的零件可通过试验来解决。来解决。2.1 过量弹性变形失效过量弹性变形失效3采用减少变形影响的转接件采用减少变形影响的转接件 在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹 性变形的有害影响。性变形的有害影响。9一、概述一、概述 塑性变形：塑性变形：零件受力后产生的不可恢复的变形。零件受力后产生的不可恢复的变形。在零件正常工作时，塑性变形一般是不允许的，在零件正常工作时，塑性变形一般是不允许的，它的出现说明零件受力过大。但也不是出现任它的
9、出现说明零件受力过大。但也不是出现任何程度的塑性变形都一定导致失效。何程度的塑性变形都一定导致失效。屈服失效：屈服失效：当受载荷的构件产生不可恢复的塑当受载荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时。性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时。2.2 屈服失效（塑性变形失效）屈服失效（塑性变形失效）10例：例：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效，如由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效，如某厂的洗涤塔为高某厂的洗涤塔为高20.5m、直径、直径3.5m、壁厚、壁厚8mm的圆筒结构，用于精洗煤气。在输入煤气的圆筒结构，用于精洗煤气。在输入煤气前，先用蒸汽冲洗洗涤塔约前，先用蒸汽
10、冲洗洗涤塔约3min，塔内温度约，塔内温度约为为70。其后，错误地关闭了放散阀，又错误。其后，错误地关闭了放散阀，又错误地向塔内喷冷水，致使塔内冷凝加快形成负压。地向塔内喷冷水，致使塔内冷凝加快形成负压。在外部大气压力下，塔壁收缩内陷，导致从塔在外部大气压力下，塔壁收缩内陷，导致从塔顶至底部发生整体歪扭，中部呈细颈状，产生顶至底部发生整体歪扭，中部呈细颈状，产生屈服失效屈服失效。2.2 屈服失效（塑性变形失效）屈服失效（塑性变形失效）11二、特征及判断二、特征及判断屈服失效的特征屈服失效的特征：失效件有明显的塑性变形。：失效件有明显的塑性变形。判断判断：塑性变形很容易鉴别，只要将失效件进：塑性
11、变形很容易鉴别，只要将失效件进行测量或与正常件进行比较即可确定。严重的行测量或与正常件进行比较即可确定。严重的塑性变形塑性变形(如扭曲、弯曲、薄壁件的凹陷等变形如扭曲、弯曲、薄壁件的凹陷等变形特征特征)用肉眼即可判别。用肉眼即可判别。2.2 屈服失效（塑性变形失效）屈服失效（塑性变形失效）12 两个互相接触的曲面之间，存在有静压应力，两个互相接触的曲面之间，存在有静压应力，可使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局可使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局部的凹陷，严重者会影响其正常工作，这称部的凹陷，严重者会影响其正常工作，这称为为过载压痕损伤过载压痕损伤，是，是屈服失效的一种特殊形屈服失效的一种特
12、殊形式式。例如例如：滚珠轴承在开始运转前，如果静载过：滚珠轴承在开始运转前，如果静载过大，钢球将压入滚道，使其型面受到破坏。大，钢球将压入滚道，使其型面受到破坏。这样的轴承在随后的工作中就会使振动加剧这样的轴承在随后的工作中就会使振动加剧而导致早期失效。而导致早期失效。过载压痕损伤：过载压痕损伤：2.2 屈服失效（塑性变形失效）屈服失效（塑性变形失效）13三、防止和改进措施三、防止和改进措施1降低实际应力降低实际应力 (1)降低工作应力。降低工作应力。降低工作应力可从降低工作应力可从增加增加零件的有效截面积和减零件的有效截面积和减少工作载荷两个方面考虑。准确地确定零件的少工作载荷两个方面考虑。
13、准确地确定零件的工作载荷，正确地进行应力计算，合理地选取工作载荷，正确地进行应力计算，合理地选取安全系数，并注意不要在使用中超载。安全系数，并注意不要在使用中超载。2.2 屈服失效（塑性变形失效）屈服失效（塑性变形失效）14(2)减少残余应力。减少残余应力。残余应力的大小与工艺因素有关。应根据零件残余应力的大小与工艺因素有关。应根据零件和材料的具体特点和要求，合理地制定工艺流和材料的具体特点和要求，合理地制定工艺流程，采取相应的措施，以便将残余应力控制在程，采取相应的措施，以便将残余应力控制在最低限度。最低限度。(3)降低应力集中。降低应力集中。应力集中对塑性变形和断裂失效都很重要，这应力集中
14、对塑性变形和断裂失效都很重要，这将在后面的章节作较详细说明。将在后面的章节作较详细说明。2.2 屈服失效（塑性变形失效）屈服失效（塑性变形失效）152提高材料的屈服强度提高材料的屈服强度 零件的实际屈服强度与选用的零件的实际屈服强度与选用的材料、状态材料、状态以及以及冶金质量冶金质量有关，因此，必须依据具体情况合理有关，因此，必须依据具体情况合理选材，严格控制材质，正确制定和严格控制工选材，严格控制材质，正确制定和严格控制工艺过程。具体问题要具体分析，要依据失效分艺过程。具体问题要具体分析，要依据失效分析的结果有针对性地采取相应的措施。析的结果有针对性地采取相应的措施。2.2 屈服失效（塑性变
15、形失效）屈服失效（塑性变形失效）16一、概述一、概述 塑性断裂失效塑性断裂失效：构件在断裂之前产生显著的宏观塑性：构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为塑性断裂失效。变形的断裂称为塑性断裂失效。当零件所受实际应力高于材料的屈服强度时，将产生当零件所受实际应力高于材料的屈服强度时，将产生塑性变形。如果应力进一步增加，并且该零件与其他塑性变形。如果应力进一步增加，并且该零件与其他零部件的匹配关系又允许时，塑性变形将继续进行，零部件的匹配关系又允许时，塑性变形将继续进行，就可能发生断裂就可能发生断裂(破裂破裂)。这种形式的失效称为塑性断裂。这种形式的失效称为塑性断裂失效。失效。特点：特点：是
16、在零件断裂之前有一定程度的塑性变形。是在零件断裂之前有一定程度的塑性变形。2.3 塑性断裂失效塑性断裂失效172.3 塑性断裂失效塑性断裂失效18二、特征及判断二、特征及判断1主要特征主要特征(1)在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形塑性变形(截面收缩截面收缩)处有用肉眼或探伤仪能检测处有用肉眼或探伤仪能检测出的裂纹。出的裂纹。(2)用扫描电镜观察，断口上存在大面积的用扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝韧窝。(3)用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的组织有明显的塑性变形层。组织有明显的塑性变形层。2.3
17、塑性断裂失效塑性断裂失效192判断依据判断依据当零件断裂或出现裂纹，同时又具有下列特征当零件断裂或出现裂纹，同时又具有下列特征之一者，可判定为塑性断裂。之一者，可判定为塑性断裂。(1)有肉眼可见的塑性变形特征，如扭角、挠曲、有肉眼可见的塑性变形特征，如扭角、挠曲、变粗，颈缩和鼓包等形状变化。变粗，颈缩和鼓包等形状变化。(2)零件表面覆盖的脆性膜开裂。零件表面覆盖的脆性膜开裂。(3)断口两侧不能拼合。断口两侧不能拼合。(4)裂纹源区断口粗糙，呈纤维状，色泽灰暗。裂纹源区断口粗糙，呈纤维状，色泽灰暗。2.3 塑性断裂失效塑性断裂失效20三、改进措施三、改进措施塑性断裂的改进措施与屈服失效相同，但因
18、断塑性断裂的改进措施与屈服失效相同，但因断裂是更为严重的失效，应尽可能使塑性变形不裂是更为严重的失效，应尽可能使塑性变形不继续发展成为断裂，可以在设计上采用继续发展成为断裂，可以在设计上采用变形限变形限位装置位装置或者或者增加变形保护报警系统增加变形保护报警系统等。等。2.3 塑性断裂失效塑性断裂失效21一、概述一、概述 脆性断裂失效脆性断裂失效：构件在断裂前没有发生或很少发生宏：构件在断裂前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈观可见的塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为服强度，因此称为低应力脆断低应力脆断。工作条件工作条件:高速、高压、高温和低
19、温导致材料的高速、高压、高温和低温导致材料的服役条服役条件越来越苛刻件越来越苛刻。一些大型结构、设施往往在符合设计要求、满足规定一些大型结构、设施往往在符合设计要求、满足规定性能指标的条件下，发生突发性的断裂，这种断裂属性能指标的条件下，发生突发性的断裂，这种断裂属脆性断裂失效，因脆性断裂失效，因事先无预兆事先无预兆，往往造成严重的损失。，往往造成严重的损失。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效2223 几种主要形式几种主要形式：1低温脆性断裂低温脆性断裂低温脆性断裂主要发生于体心立方和密排六方低温脆性断裂主要发生于体心立方和密排六方金属材料中，这些材料称为低温脆性材料，低金属材料中，这些材料称为
20、低温脆性材料，低碳钢是其典型代表。图碳钢是其典型代表。图2.1表明温度对光滑试样表明温度对光滑试样屈服强度屈服强度s和和脆性断裂强度脆性断裂强度f，的影响，可见随，的影响，可见随温度降低，温度降低，s明显升高，而明显升高，而f则无明显变化。则无明显变化。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效242.4 脆性断裂失效脆性断裂失效25ns和和f对温度变化敏感性的差异造成了材料在对温度变化敏感性的差异造成了材料在低温条件下的脆性表现。低温条件下的脆性表现。脆性转变温度：脆性转变温度：s和和f的交点对应的温度的交点对应的温度Tk。Tf，材料表现为脆性断裂；，材料表现为脆性断裂；TTk时，时，sf 则表现为塑
21、性断裂。则表现为塑性断裂。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效26 和和 的交点对应的温度为的交点对应的温度为 ,为为缺口试缺口试样的脆性转变温度样的脆性转变温度。时，可见缺口导时，可见缺口导致材料脆性倾向增加，致材料脆性倾向增加，使脆性转变温度向高温使脆性转变温度向高温推移。推移。在在 之间，之间，光滑试样光滑试样表现为塑性断裂，表现为塑性断裂，而而缺口试样缺口试样则表现为脆性断裂。则表现为脆性断裂。试样上存在其他对变形有约束作用的因素时，试样上存在其他对变形有约束作用的因素时，或者试验时加载速率升高，都可以导致屈服应或者试验时加载速率升高，都可以导致屈服应力升高，增加材料脆性倾向，其效果与缺口
22、的力升高，增加材料脆性倾向，其效果与缺口的影响相当。影响相当。sfKTKTKKTTKKTT2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效27 脆性转变温度脆性转变温度是低温脆性材料的一个非常重是低温脆性材料的一个非常重要的性能指标，实践也证明，所有零件的低温要的性能指标，实践也证明，所有零件的低温脆性断裂都是在低于其脆性转变温度的条件下脆性断裂都是在低于其脆性转变温度的条件下发生的。发生的。防止低温脆性断裂，要保证零件的最低工作防止低温脆性断裂，要保证零件的最低工作温度高于其脆性转变温度，即温度高于其脆性转变温度，即 (22)CTTK)3020(工作2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效282含裂纹试样或零件的低
23、应力脆断含裂纹试样或零件的低应力脆断近代发生的大型金属结构脆性断裂的分析表明，近代发生的大型金属结构脆性断裂的分析表明，断裂起始于结构中的既存断裂起始于结构中的既存裂纹裂纹，断裂以既存裂，断裂以既存裂纹为源。即纹为源。即断裂力学断裂力学问题。问题。断裂力学认为结构发生脆性断裂时，结构中的断裂力学认为结构发生脆性断裂时，结构中的裂纹尺寸裂纹尺寸a与其断裂应力与其断裂应力f存在如下关系存在如下关系 (23)常数af2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效29此式表明结构发生脆性断裂的此式表明结构发生脆性断裂的临界条件临界条件。n结构所受应力水平越高，发生脆性断裂时的裂结构所受应力水平越高，发生脆性断裂时的
24、裂纹尺寸越小；纹尺寸越小；n结构中含有的既存裂纹尺寸越大，则脆性断裂结构中含有的既存裂纹尺寸越大，则脆性断裂时的应力水平越低。时的应力水平越低。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效30I2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效31 曲线将坐标平面分为两个区，曲线将坐标平面分为两个区，区为区为安全区安全区，区为区为断裂区断裂区。将材料的屈服强度也表示在图中，如图中。将材料的屈服强度也表示在图中，如图中水平虚线，二者交点所对应的裂纹尺寸水平虚线，二者交点所对应的裂纹尺寸ac则是裂纹体则是裂纹体的重要参数。的重要参数。当当aac时，时，sac时，时，s f，则表现为脆性断裂。，则表现为脆性断裂。可见可见ac是一
25、定应力环境中裂纹体失稳的是一定应力环境中裂纹体失稳的临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸，裂纹体的低应力脆断都是在裂纹体的低应力脆断都是在既存裂纹尺寸大于既存裂纹尺寸大于ac，使，使断裂应力低于材料的屈服强度的情况下发生的断裂应力低于材料的屈服强度的情况下发生的。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效323冶金缺陷引起的低应力脆断冶金缺陷引起的低应力脆断金属材料在热加工过程中，有时因工艺偏差造金属材料在热加工过程中，有时因工艺偏差造成组织缺陷，这些含有冶金缺陷的材料在一定成组织缺陷，这些含有冶金缺陷的材料在一定条件下也表现为条件下也表现为低应力脆断低应力脆断。例如，过热引起例如，过热引起晶粒异常长大晶粒异常长大
26、，非金属，非金属夹杂物夹杂物颗粒沿晶界析出颗粒沿晶界析出；过烧不但引起晶粒粗大而且；过烧不但引起晶粒粗大而且有晶界熔化、氧化或在晶界形成低熔点共晶；有晶界熔化、氧化或在晶界形成低熔点共晶；回火脆性引起有害杂质元素沿回火脆性引起有害杂质元素沿晶界偏聚晶界偏聚，减弱，减弱了晶界结合力等。了晶界结合力等。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效33事例事例（晶粒增大）（晶粒增大）如某水电站的一台水轮机组，蜗壳外径如某水电站的一台水轮机组，蜗壳外径4.5m，采用，采用30mm厚的厚的16Mn钢板，切割后加热到钢板，切割后加热到1200热弯成热弯成型。弯曲变形时各部变形量约型。弯曲变形时各部变形量约 810。在
27、工地上。在工地上拼焊时严重开裂。拼焊时严重开裂。据分析，变形后，钢板温度仍在据分析，变形后，钢板温度仍在1100，由于形变再，由于形变再结晶，引起晶粒急剧长大，使脆性转变温度在室温以结晶，引起晶粒急剧长大，使脆性转变温度在室温以上，焊接时仅在焊接应力作用下足以引起脆断。上，焊接时仅在焊接应力作用下足以引起脆断。2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效34特征：特征：(1)断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变没有塑性变形形，碎块断口可以拼合复原。，碎块断口可以拼合复原。(2)起裂部位常在变截面处即起裂部位常在变截面处即应力集中部位应力集中部位，或者存在，或者存在
28、表面缺陷或内部缺陷处。表面缺陷或内部缺陷处。(3)形成形成平断口平断口，断口平面与主应力方向垂直。，断口平面与主应力方向垂直。(4)断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻面，无剪切唇。光刻面，无剪切唇。(5)断裂常发生于断裂常发生于低温低温条件下，或受冲击载荷作用时。条件下，或受冲击载荷作用时。(6)断裂过程瞬间完成，断裂过程瞬间完成，无预兆无预兆。二、特征及判断二、特征及判断2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效35(1)(1)设计上应保证设计上应保证工作温度高于材料的脆性转工作温度高于材料的脆性转变温度变温度，对在低温下工作的零件应选用脆性转
29、，对在低温下工作的零件应选用脆性转变温度比工作温度更低的材料；避免三向应力变温度比工作温度更低的材料；避免三向应力的工作条件，减缓应力集中。的工作条件，减缓应力集中。(2)(2)工艺上应正确执行工艺上应正确执行工艺工艺规程，避免诸如过规程，避免诸如过热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。(3)(3)操作上应遵守设计规定的操作上应遵守设计规定的使用条件使用条件，操作，操作平稳，尽量避免冲击载荷。平稳，尽量避免冲击载荷。三、防止和改进措施三、防止和改进措施2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效36一、一、概述概述 腐蚀腐蚀：是材料表面与服役环境发生物理或化学
30、反应，：是材料表面与服役环境发生物理或化学反应，使材料发生使材料发生损坏损坏或或变质变质的现象。的现象。腐蚀失效腐蚀失效：构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能：构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能 称为腐蚀失效。称为腐蚀失效。危害危害：n直接损失：世界上生产的钢铁约有直接损失：世界上生产的钢铁约有2020-40-40因腐因腐 蚀失效而报废。蚀失效而报废。n间接损失：诱发重大事故，导致经济损失甚至人身间接损失：诱发重大事故，导致经济损失甚至人身 伤亡。伤亡。2.5 腐蚀失效腐蚀失效37二、分类二、分类1.1.按金属与介质的作用性质分按金属与介质的作用性质分化学腐蚀化学腐蚀和和电化学腐蚀电化学腐蚀
31、。(1)化学腐蚀化学腐蚀 化学腐蚀是金属表面与介质发生化学作用引起的，其化学腐蚀是金属表面与介质发生化学作用引起的，其特点是，在腐蚀过程中特点是，在腐蚀过程中无电流无电流产生。化学腐蚀又可分产生。化学腐蚀又可分为两大类：为两大类：气体腐蚀气体腐蚀 金属在干燥气体中发生的腐蚀，称为气金属在干燥气体中发生的腐蚀，称为气体腐蚀。高温时，表现为氧化。体腐蚀。高温时，表现为氧化。在非电解质溶液中的腐蚀在非电解质溶液中的腐蚀 金属在不导电的液体中金属在不导电的液体中发生的腐蚀，例如金属在有机液体中的腐蚀发生的腐蚀，例如金属在有机液体中的腐蚀。2.5 腐蚀失效腐蚀失效38(2)电化学腐蚀电化学腐蚀 在腐蚀过
32、程中有电流产生的腐蚀叫电化学腐蚀。按照在腐蚀过程中有电流产生的腐蚀叫电化学腐蚀。按照所接触的环境不同，电化学腐蚀可以分成为四种：所接触的环境不同，电化学腐蚀可以分成为四种：大气腐蚀大气腐蚀：在潮湿气体：在潮湿气体(如空气如空气)中进行的腐蚀。中进行的腐蚀。土壤腐蚀土壤腐蚀：埋设在地下的金属制品：埋设在地下的金属制品(如管道，电缆等如管道，电缆等)的腐蚀。的腐蚀。电解质溶液中的腐蚀电解质溶液中的腐蚀：天然水和大部分水溶液：天然水和大部分水溶液(如海如海水、酸、碱、盐的水溶液水、酸、碱、盐的水溶液)对金属的腐蚀，这是非常普对金属的腐蚀，这是非常普遍的一种腐蚀形式。遍的一种腐蚀形式。熔融盐中的腐蚀熔
33、融盐中的腐蚀：金属在熔融的盐中发生的腐蚀，：金属在熔融的盐中发生的腐蚀，如热处理用盐浴炉中金属电极的腐蚀。如热处理用盐浴炉中金属电极的腐蚀。2.5 腐蚀失效腐蚀失效392.2.按腐蚀破坏形式分为按腐蚀破坏形式分为均匀腐蚀均匀腐蚀和和局部腐蚀局部腐蚀。(1)(1)均匀腐蚀均匀腐蚀：腐蚀均匀地发生在整个表面上。：腐蚀均匀地发生在整个表面上。(2)(2)局部腐蚀局部腐蚀：腐蚀仅局限于一定区域内，局部：腐蚀仅局限于一定区域内，局部腐蚀比均匀腐蚀危害性大得多。腐蚀比均匀腐蚀危害性大得多。斑点腐蚀斑点腐蚀：腐蚀像斑点一样分布在金属表：腐蚀像斑点一样分布在金属表 面，占面积较大，但不很深。面，占面积较大，但
34、不很深。脓疮腐蚀脓疮腐蚀：腐蚀部分较深较大的腐蚀形式。：腐蚀部分较深较大的腐蚀形式。2.5 腐蚀失效腐蚀失效40点腐蚀点腐蚀：金属某些地方被腐蚀，成为一些小：金属某些地方被腐蚀，成为一些小而深的孔，严重时会发生穿孔。而深的孔，严重时会发生穿孔。晶间腐蚀晶间腐蚀：腐蚀沿金属晶界进行，会导致机：腐蚀沿金属晶界进行，会导致机械性能的严重损失。械性能的严重损失。缝隙腐蚀缝隙腐蚀：在金属与金属、金属与非金属间：在金属与金属、金属与非金属间的缝隙处发生的腐蚀。的缝隙处发生的腐蚀。穿晶腐蚀穿晶腐蚀：腐蚀破坏沿最大张应力发生的一：腐蚀破坏沿最大张应力发生的一种腐蚀形式，其特点是腐蚀可以贯穿晶粒本体。种腐蚀形式
35、，其特点是腐蚀可以贯穿晶粒本体。选择腐蚀选择腐蚀：多元合金中某一组分，溶解到腐：多元合金中某一组分，溶解到腐蚀介质中去，如黄铜的脱锌现象。蚀介质中去，如黄铜的脱锌现象。2.5 腐蚀失效腐蚀失效413.3.腐蚀程度的表示方法腐蚀程度的表示方法 (1)(1)均匀腐蚀均匀腐蚀的腐蚀程度表征的腐蚀程度表征 用平均腐蚀速度来表示：用平均腐蚀速度来表示：由由重量重量的变化来评定的变化来评定 用重量的减少或增加来表示用重量的减少或增加来表示(即单位表面积上，即单位表面积上，单位时间内的重量变化量，单位时间内的重量变化量，克米克米2 2小时小时)。由腐蚀由腐蚀深度深度来表示来表示 用单位时间的腐蚀深度来表示腐
36、蚀速度，其用单位时间的腐蚀深度来表示腐蚀速度，其单位常用单位常用毫米年毫米年。2.5 腐蚀失效腐蚀失效42(2)(2)局部腐蚀程度表征局部腐蚀程度表征 由于此类腐蚀是局部的，所以它不能用上述由于此类腐蚀是局部的，所以它不能用上述方法来表示，而应根据情况用方法来表示，而应根据情况用裂纹扩展速率裂纹扩展速率或或材料材料性能降低程度性能降低程度来表示。来表示。2.5 腐蚀失效腐蚀失效431 1主要的局部腐蚀主要的局部腐蚀 (1)(1)点腐蚀点腐蚀(点蚀点蚀)金属大部分表面不发生腐蚀或只发生轻微的金属大部分表面不发生腐蚀或只发生轻微的腐蚀，但局部地方出现腐蚀小孔，并向深处发腐蚀，但局部地方出现腐蚀小孔
37、，并向深处发展的现象称为点腐蚀，亦称展的现象称为点腐蚀，亦称孔蚀孔蚀。三、三、主要腐蚀失效类型的现象及特征主要腐蚀失效类型的现象及特征2.5 腐蚀失效腐蚀失效44点腐蚀易发生环境：点腐蚀易发生环境：金属浸在溶液中或与潮湿环境金属浸在溶液中或与潮湿环境(如输送油、水、如输送油、水、气的钢管埋在地下，一些化工机械设备特别是气的钢管埋在地下，一些化工机械设备特别是不锈钢设备在不锈钢设备在氯氯离子的介质中离子的介质中)接触时，常发生接触时，常发生点蚀；金属暴露在大气中，若金属表面凝结有点蚀；金属暴露在大气中，若金属表面凝结有水滴或水膜，也可能发生点蚀。水滴或水膜，也可能发生点蚀。2.5 腐蚀失效腐蚀失
38、效45点腐蚀原理：点腐蚀原理：n点蚀是从表面氧化膜开始的，介质中的活性阴离子首点蚀是从表面氧化膜开始的，介质中的活性阴离子首先吸附在金属表面氧化膜的某些点上，并对膜产生破先吸附在金属表面氧化膜的某些点上，并对膜产生破坏作用。坏作用。n被破坏的地方被破坏的地方(阳极阳极)和未被破坏的地方和未被破坏的地方(阴极阴极)形成形成钝钝化化-活化活化电池电池(即局部电池即局部电池)。由于阳极面积比阴极面。由于阳极面积比阴极面积小得多，故阳极电流密度很大，很快就会腐蚀成小积小得多，故阳极电流密度很大，很快就会腐蚀成小孔。孔。n同时当腐蚀电流流向小孔周围的阴极时，又使这一部同时当腐蚀电流流向小孔周围的阴极时，
39、又使这一部分受到阴极保护，继续维持钝态。分受到阴极保护，继续维持钝态。n溶液中阴离子随电流流通，向小孔里迁移，在小孔内溶液中阴离子随电流流通，向小孔里迁移，在小孔内与金属正离子组成盐溶液，使小孔底表面保持活化状与金属正离子组成盐溶液，使小孔底表面保持活化状态，由于盐溶液的水解，使小孔内溶液的酸度增加，态，由于盐溶液的水解，使小孔内溶液的酸度增加，所以小孔进一步腐蚀加深（所以小孔进一步腐蚀加深（自催化酸化自催化酸化）。）。2.5 腐蚀失效腐蚀失效462.5 腐蚀失效腐蚀失效47 金属在介质中必须达到某一临界电位，即金属在介质中必须达到某一临界电位，即点点蚀电位蚀电位或或击穿电位击穿电位，才能发生
40、点蚀。，才能发生点蚀。点蚀电位可通过测定点蚀电位可通过测定阳极极化曲线阳极极化曲线来找到，来找到，如图所示：如图所示：VC即为点蚀电位即为点蚀电位(或击穿电位或击穿电位)。当当氯离子浓度减少，氯离子浓度减少，pH值和温度降低，值和温度降低，在在NaCl溶液中溶液中加入别种盐类加入别种盐类如如Na2S04、Na2S03、NaClO4等，点蚀电位提高。等，点蚀电位提高。2.5 腐蚀失效腐蚀失效482.5 腐蚀失效腐蚀失效49防止点蚀的方法防止点蚀的方法 使金属电位低于临界点蚀电位的阴极保护法。使金属电位低于临界点蚀电位的阴极保护法。加缓蚀剂在含有氯化物的介质中加入别的阴加缓蚀剂在含有氯化物的介质中
41、加入别的阴离子离子(如如OHOH-或或N0N03 3-)作为缓蚀剂。作为缓蚀剂。尽可能使腐蚀体系维持在较低的温度。尽可能使腐蚀体系维持在较低的温度。保证均匀的氧或氧化剂浓度，避免缝隙存在，保证均匀的氧或氧化剂浓度，避免缝隙存在，将溶液加以搅拌、通气或循环。将溶液加以搅拌、通气或循环。合适的合金化，提高金属的抗点蚀能力，如合适的合金化，提高金属的抗点蚀能力，如奥氏体不锈钢中添加一定的氮及钼，即可提高奥氏体不锈钢中添加一定的氮及钼，即可提高合金的耐蚀能力。合金的耐蚀能力。2.5 腐蚀失效腐蚀失效50(2)缝隙腐蚀缝隙腐蚀 零部件的金属与金属或金属与非金属之间形成零部件的金属与金属或金属与非金属之间
42、形成缝隙，且电解质可进入缝隙而在其中处于停滞缝隙，且电解质可进入缝隙而在其中处于停滞状态，使缝隙内部腐蚀加剧的现象，称为状态，使缝隙内部腐蚀加剧的现象，称为缝隙缝隙腐蚀腐蚀。（法兰连接面、螺母压紧面、锈层、垢层等）（法兰连接面、螺母压紧面、锈层、垢层等）原理：原理：n认为缝隙内外的氧浓度差引起的；认为缝隙内外的氧浓度差引起的；n闭塞电池作用闭塞电池作用+自催化酸化过程（点蚀）自催化酸化过程（点蚀）2.5 腐蚀失效腐蚀失效51防止缝隙腐蚀的措施：防止缝隙腐蚀的措施：设计时尽可能避免或减少缝隙。设计时尽可能避免或减少缝隙。在缝隙处加填料，塞进具有一定弹性、耐久在缝隙处加填料，塞进具有一定弹性、耐久
43、性的填料，防止介质进入缝隙。性的填料，防止介质进入缝隙。采用抗缝隙腐蚀性能好的合金，如高采用抗缝隙腐蚀性能好的合金，如高NiNi、CrCr、MoMo的特殊合金及钛合金。的特殊合金及钛合金。阴极保护。阴极保护。2.5 腐蚀失效腐蚀失效52缝隙腐蚀与点腐蚀的缝隙腐蚀与点腐蚀的联系与区别联系与区别：联系：联系：二者的腐蚀机理基本相同。二者的腐蚀机理基本相同。（闭塞电池作用（闭塞电池作用+自催化酸化过程）自催化酸化过程）区别：（条件、过程、形貌）区别：（条件、过程、形貌）n点蚀首先要萌生点蚀核，缝隙腐蚀起源于狭小点蚀首先要萌生点蚀核，缝隙腐蚀起源于狭小缝隙。缝隙。n点蚀要由点蚀核成长为点蚀孔，逐渐形成
44、闭塞点蚀要由点蚀核成长为点蚀孔，逐渐形成闭塞电池，然后才加速；缝隙则开始就可很快形成电池，然后才加速；缝隙则开始就可很快形成闭塞电池而加速腐蚀。闭塞电池而加速腐蚀。n点蚀的蚀孔窄而深，缝隙腐蚀的相对宽而浅。点蚀的蚀孔窄而深，缝隙腐蚀的相对宽而浅。2.5 腐蚀失效腐蚀失效53(3)(3)晶间腐蚀晶间腐蚀 定义定义：沿晶界或其附近发生的腐蚀称为：沿晶界或其附近发生的腐蚀称为晶间腐蚀晶间腐蚀。金属发生晶间腐蚀后，机械性能显著下降，往往造成金属发生晶间腐蚀后，机械性能显著下降，往往造成灾难事故，危害极大。不锈钢、镍基合金、铝合金、灾难事故，危害极大。不锈钢、镍基合金、铝合金、镁合金等都存在晶间腐蚀倾向
45、。镁合金等都存在晶间腐蚀倾向。原理：原理：主要是由于主要是由于化学不均匀性化学不均匀性引起的，因为晶界是原子排引起的，因为晶界是原子排列较为疏松而紊乱的区域，在这个区域容易产生晶界列较为疏松而紊乱的区域，在这个区域容易产生晶界吸附，富集杂质原子，也容易发生沉淀。这都造成了吸附，富集杂质原子，也容易发生沉淀。这都造成了晶界区的化学不均匀性，如不锈钢的晶界腐蚀，就是晶界区的化学不均匀性，如不锈钢的晶界腐蚀，就是由于碳化铬在晶界析出，使晶界贫铬而成为阳极由于碳化铬在晶界析出，使晶界贫铬而成为阳极(小阳小阳极极)，而晶粒本身成为阴极，而晶粒本身成为阴极(大阴极大阴极)，组成局部电池，组成局部电池，最后
46、造成最后造成晶界腐蚀晶界腐蚀(晶间腐蚀晶间腐蚀)。2.5 腐蚀失效腐蚀失效54防止措施：防止措施：减少夹杂及有害元素，如目前发展的超低碳不锈钢，减少夹杂及有害元素，如目前发展的超低碳不锈钢，就是尽量降低含碳量，消除其有害作用。就是尽量降低含碳量，消除其有害作用。加入适当合金元素，以降低杂质和碳等有害元素的加入适当合金元素，以降低杂质和碳等有害元素的作用如作用如18-818-8不锈钢中加不锈钢中加TiTi和和NbNb等，以形成稳定的等，以形成稳定的TiCTiC、NbCNbC，从而降低了碳的不利影响。，从而降低了碳的不利影响。固溶处理。将奥氏体不锈钢在固溶处理。将奥氏体不锈钢在l050l05011
47、001100加热，加热，淬火，把已析出的碳化物重新溶入固溶体，可降低淬火，把已析出的碳化物重新溶入固溶体，可降低晶间腐蚀倾向。晶间腐蚀倾向。采用复相不锈钢。钢中含有采用复相不锈钢。钢中含有10w10w-20w-20w铁素体，铁铁素体，铁素体主要沿奥氏体晶界形成，铁素体中含铬较高，素体主要沿奥氏体晶界形成，铁素体中含铬较高，同时复相钢的晶粒小，这些都降低钢的晶间腐蚀倾同时复相钢的晶粒小，这些都降低钢的晶间腐蚀倾向。向。2.5 腐蚀失效腐蚀失效55(4)接触腐蚀接触腐蚀 定义：定义：一对相接触的异类金属一对相接触的异类金属(电位不等电位不等)浸人电解液浸人电解液中就成为一个原电池，电位较负的金属中
48、就成为一个原电池，电位较负的金属(阳极阳极)就会受到电化学腐蚀，此称就会受到电化学腐蚀，此称接触腐蚀接触腐蚀，这种情，这种情况在实际机械设备，尤其是飞机、轮船等复杂况在实际机械设备，尤其是飞机、轮船等复杂的设备中是很普遍的。的设备中是很普遍的。2.5 腐蚀失效腐蚀失效56防止措施：防止措施：n在设计时不使具有不同电位的金属接触，即在在设计时不使具有不同电位的金属接触，即在满足使用性能要求的前提下，使电位相近的金满足使用性能要求的前提下，使电位相近的金属接触。属接触。n采用采用表面处理表面处理(例如钢零件镀锌，镀镉后可与例如钢零件镀锌，镀镉后可与进行过氧化的铝合金零件相接触进行过氧化的铝合金零件
49、相接触)以增加腐蚀电以增加腐蚀电路电阻，降低腐蚀速率。路电阻，降低腐蚀速率。n在两个必须接触的金属间加在两个必须接触的金属间加绝缘衬垫绝缘衬垫(如纤维如纤维纸板、硬橡胶、夹布胶木、胶粘绝缘带等，但纸板、硬橡胶、夹布胶木、胶粘绝缘带等，但不能用毛毡等吸湿性强的材料不能用毛毡等吸湿性强的材料)，使之不能产生，使之不能产生腐蚀电流，电化学腐蚀即不能进行。腐蚀电流，电化学腐蚀即不能进行。2.5 腐蚀失效腐蚀失效572 2金属在大气中的腐蚀金属在大气中的腐蚀 金属材料和设备由于大气中氧和水等的化学作金属材料和设备由于大气中氧和水等的化学作用或电化学作用而引起的腐蚀，叫用或电化学作用而引起的腐蚀，叫大气腐
50、蚀大气腐蚀。据统计，大气腐蚀的损耗占整个金属腐蚀损耗据统计，大气腐蚀的损耗占整个金属腐蚀损耗的一半左右。的一半左右。(如：化工厂、石化厂如：化工厂、石化厂70%70%金属工金属工作在大气中）作在大气中）大气腐蚀可以分成大气腐蚀可以分成湿大气腐蚀湿大气腐蚀(或潮大气腐蚀或潮大气腐蚀)和和干大气腐蚀干大气腐蚀(只有几个分子层的水吸附膜，没只有几个分子层的水吸附膜，没有形成连续电解质溶液膜有形成连续电解质溶液膜)。2.5 腐蚀失效腐蚀失效58(1)金属大气腐蚀的过程金属大气腐蚀的过程 n当金属与比其温度高的空气接触时，空气中的当金属与比其温度高的空气接触时，空气中的水气就可能在金属表面凝结成水气就可
