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1、工程材料工程材料-过控过控-6-6-过程装过程装备失效与材料的关系备失效与材料的关系 主主 要要 内内 容容l金属材料常见失效形式及其判断金属材料常见失效形式及其判断 变形时效 断裂失效 表面损伤l过程装备及其构件失效的原因和失效分析过程装备及其构件失效的原因和失效分析 过程装备及其构件失效的原因 失效分析方法简介2022/11/18金属材料金属材料常见失效形式及其判断常见失效形式及其判断装备在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境装备在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发介质等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。这种丧失其规定功能的现象称为
2、生。这种丧失其规定功能的现象称为失效失效。过程装备失效存在着各种不同的情况：过程装备失效存在着各种不同的情况：a a.完全完全失去原有功能失去原有功能的现象是失效；的现象是失效；b b.装备性能劣化，装备性能劣化，不能完成指定的任务不能完成指定的任务是失效；是失效；c c.失去安全工作能力失去安全工作能力的情况也属于失效。的情况也属于失效。过程装备失效与材料的关系过程装备失效与材料的关系需求需求：弄清失效与材料间的关系，分析装备及构件失效弄清失效与材料间的关系，分析装备及构件失效的原因。的原因。措施措施：判断材料的失效形式，找出装备及构件的失效原判断材料的失效形式，找出装备及构件的失效原因，进
3、行失效分析，撰写总结报考，提出处理意见和安因，进行失效分析，撰写总结报考，提出处理意见和安全防护的建议。全防护的建议。过程装备及其构件的失效形式有过量变形、断裂及过程装备及其构件的失效形式有过量变形、断裂及表面损伤三大类型。表面损伤三大类型。失效的原因可能是设计、选材、加工、安装或实际失效的原因可能是设计、选材、加工、安装或实际操作等环节的具体问题所引起。操作等环节的具体问题所引起。但材料是构成装备的物质基础，失效的具体现象却但材料是构成装备的物质基础，失效的具体现象却呈现在装备及其构件材料的宏观及微观的各种形貌呈现在装备及其构件材料的宏观及微观的各种形貌及性能行为上，失效与材料密切相关，通过
4、对失效及性能行为上，失效与材料密切相关，通过对失效材料的分析，可以找出装备及构件失效的原因，从材料的分析，可以找出装备及构件失效的原因，从而提出改进措施而提出改进措施。过程装备失效与材料的关系过程装备失效与材料的关系1 10 00 0万万万万吨吨吨吨加加加加氢氢氢氢裂裂裂裂化化化化装装装装置置置置硫硫硫硫回回回回收收收收装装装装置置置置聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯造造造造粒粒粒粒塔塔塔塔装装装装置置置置乙乙乙乙烯烯烯烯输输输输送送送送管管管管道道道道锈蚀吉林石化爆炸现场吉林石化爆炸现场失效失效:材料丧失其规定功能的现象。材料丧失其规定功能的现象。过程装备失效与材料的关系过程装备失效与材料的关系金属
5、材料常见失效形式及其判断金属材料常见失效形式及其判断失效类失效类型型（失效性质）（失效性质）变形失效变形失效：如果材料的变形量和变形特性超过原来：如果材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度，而致影响构件的规定功能。规定的程度，而致影响构件的规定功能。断裂失效断裂失效：金属材料在应力的作用下分为互不相连：金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个或两个以上部分的现象。的两个或两个以上部分的现象。表面损伤表面损伤：主要指腐蚀失效及磨损失效。：主要指腐蚀失效及磨损失效。变形失效变形失效（多是非灾难性的）（多是非灾难性的）弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形 金属材料常见金属材料常见失效形式及其判断失效形
6、式及其判断塑性变形失效：塑性变形失效：主要是构件失效时，材料产生的塑性主要是构件失效时，材料产生的塑性变形量超过允许的数值，产生过量的永久形变。变形量超过允许的数值，产生过量的永久形变。过量的塑性变形使构件的过量的塑性变形使构件的承载截面积减小承载截面积减小，降低承载，降低承载能力；且塑性变形时金属内部能力；且塑性变形时金属内部组织结构发生变化组织结构发生变化，晶，晶粒歪扭，亚晶结构形成，个别部位出现裂纹及扩展。粒歪扭，亚晶结构形成，个别部位出现裂纹及扩展。材料过量的塑性变形会引起构件的材料过量的塑性变形会引起构件的歪扭歪扭、弯曲弯曲、薄壁、薄壁壳的壳的鼓胀及凹陷鼓胀及凹陷等变形特征。等变形特
7、征。弹性变形失效弹性变形失效 失去了弹性功能失去了弹性功能：功能性失效：功能性失效 过量的弹性变形过量的弹性变形：过量弹性形变引起：过量弹性形变引起在常温或温度不很高下的变形失效在常温或温度不很高下的变形失效 变形失效变形失效在高温下的蠕变变形失效在高温下的蠕变变形失效 变形失效变形失效金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，应力低于屈金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形，这种现象称为服点也会缓慢产生塑性变形，这种现象称为蠕变蠕变。低温下蠕变也会发生，但只有当温度高于低温下蠕变也会发生，但只有当温度高于0.3T0.3T。(以绝以绝对温度表示的熔点对温度表示的熔点)
8、时才较显著。时才较显著。碳钢加热温度超过碳钢加热温度超过350350，普通低合金钢温度超过，普通低合金钢温度超过400400时，要考虑蠕变的影响。当蠕变变形量超过规时，要考虑蠕变的影响。当蠕变变形量超过规定的要求时，则称为定的要求时，则称为蠕变变形失效蠕变变形失效。锅炉受热面管子及蒸汽管道由于实际操作的短期超温锅炉受热面管子及蒸汽管道由于实际操作的短期超温及长期超温，往往造成管子蠕胀及爆破，这是过量高及长期超温，往往造成管子蠕胀及爆破，这是过量高温蠕变变形引起的普遍且典型的例子。温蠕变变形引起的普遍且典型的例子。变形失效的原因及改进措施变形失效的原因及改进措施 弹性变形失效弹性变形失效 选择合
9、适的材料选择合适的材料(如高弹性模量材料如高弹性模量材料)改进结构（如增加承载面积、降低应力水平）改进结构（如增加承载面积、降低应力水平）匹配材料及设计匹配材料及设计 塑性变形失效塑性变形失效 降低构件实际应力降低构件实际应力 选择高屈服强度材料和合适的热处理工艺规范选择高屈服强度材料和合适的热处理工艺规范 高温蠕变变形失效高温蠕变变形失效 选用抗蠕变性能合适的材料选用抗蠕变性能合适的材料 防止装备中构件的超温防止装备中构件的超温 变形失效变形失效断裂失效断裂失效（危害性较大，影响因素多）（危害性较大，影响因素多）金属材料常见金属材料常见失效形式及其判断失效形式及其判断断裂断裂是金属材料在应力
10、的作用下分为互不相连的两个是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个或两个以上部分的现象。是在变形或两个以上部分的现象。是在变形超过其塑性极限超过其塑性极限完全分开，原子间结合力遭受破坏。完全分开，原子间结合力遭受破坏。断裂过程一般都经历断裂过程一般都经历三个阶段三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹，即裂纹的萌生、裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂。的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂。所有材料断裂后，在断裂部位都有匹配的两个断裂表所有材料断裂后，在断裂部位都有匹配的两个断裂表面，称为面，称为断口断口，断口及其周围留下与断裂过程有密切，断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息。相关的信息。断裂是金属材
11、料常见的失效形式之一，又是危害性较断裂是金属材料常见的失效形式之一，又是危害性较大的失效形式。且工程中金属构件断裂的原因往往又大的失效形式。且工程中金属构件断裂的原因往往又不是单一的，而是不是单一的，而是几个因素共同作用几个因素共同作用的结果的结果。断裂失效断裂失效 断裂失效断裂失效 断裂失效断裂失效系列冲击试验系列冲击试验奥氏体钢奥氏体钢低强度铁素体钢低强度铁素体钢高强度钢高强度钢冲击吸收功冲击吸收功Ak温度温度 TTk 厚壁容器韧性断裂外观厚壁容器韧性断裂外观 断裂失效断裂失效厚壁容器脆性断厚壁容器脆性断裂外观裂外观 韧性断裂失效韧性断裂失效a)a)特征特征：断裂过程缓慢，塑性变形与裂纹成
12、长同时：断裂过程缓慢，塑性变形与裂纹成长同时进行，有明显的塑性变形（进行，有明显的塑性变形（5%）韧性断裂韧性断裂：断裂前产生显著宏观塑性变形的断裂：断裂前产生显著宏观塑性变形的断裂 b)b)断口形态断口形态宏观形态宏观形态纤维区纤维区：显著特征，多凹凸不平：显著特征，多凹凸不平放射区放射区：多呈放射状：多呈放射状剪切唇区剪切唇区：断面平滑呈灰色：断面平滑呈灰色 微观形态微观形态：多为多为韧窝及蛇形花样韧窝及蛇形花样 断裂失效断裂失效韧断断口特征韧断断口特征 断口断口韧性断韧性断裂实物裂实物断口韧窝的断口韧窝的电镜照片电镜照片 断裂失效断裂失效失效裂管照片图失效裂管照片图 断裂失效断裂失效裂纹
13、断口的形貌，裂纹断口的形貌，500 断裂失效断裂失效韧断的机理45 断裂失效断裂失效韧断的机理韧断的机理韧性断裂往往因材料受到较大的负荷或过载所引起。韧性断裂往往因材料受到较大的负荷或过载所引起。当材料所受的应力超过材料的当材料所受的应力超过材料的屈服强度屈服强度后，材料便后，材料便开始产生塑性变形，在材料内部的开始产生塑性变形，在材料内部的夹杂物夹杂物、析出相析出相、晶界晶界、亚晶界亚晶界或其它或其它塑性流变不连续塑性流变不连续的地方发生位错的地方发生位错塞积，产生了应力集中，进而开始形成塞积，产生了应力集中，进而开始形成显微孔洞显微孔洞；开始孔洞较少，而且相互隔离，随着应变的增加，开始孔洞
14、较少，而且相互隔离，随着应变的增加，显微孔洞不断增加、不断长大，孔洞间的壁厚不断减显微孔洞不断增加、不断长大，孔洞间的壁厚不断减少，孔洞聚集相互连通，最终造成少，孔洞聚集相互连通，最终造成断裂断裂。断裂失效断裂失效脆性断裂失效 a)特征：特征：脆性断裂脆性断裂：断裂前没有发生：断裂前没有发生/很少发生宏观可见的塑性很少发生宏观可见的塑性变形的断裂。变形的断裂。脆断承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服脆断承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过许用应力。强度，甚至不超过许用应力。裂纹快速扩展裂纹快速扩展 断裂失效断裂失效脆性断裂失效 b)断口形态断口形态宏观形态宏观形态小刻面
15、小刻面 人字条纹或山形条纹人字条纹或山形条纹 微观形态微观形态：解理台阶与河流花样、舌状花样、：解理台阶与河流花样、舌状花样、鱼骨状花样。鱼骨状花样。脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观表面平齐，脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观表面平齐，颜色光亮。颜色光亮。断裂失效断裂失效脆断断口特征 脆性断裂实物脆性断裂实物河流花样河流花样 断裂失效断裂失效脆断断口特征脆断断口特征 始于裂纹源始于裂纹源的放射条纹的放射条纹形似人字或形似人字或山形山形 ，人字，人字条纹矢形指条纹矢形指向和山形条向和山形条纹汇集方向纹汇集方向为裂纹源为裂纹源.断裂失效断裂失效脆断机理脆断机理解理断裂解理断裂：因原子间结合键
16、的破坏而造成的穿晶断：因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂，开裂速度快，一般钢中的解理速度大约是裂，开裂速度快，一般钢中的解理速度大约是10301030m/sm/s，在低温和三向应力状态时更快；在低温和三向应力状态时更快；沿着特定的沿着特定的结晶面结晶面(称为称为解理面解理面)发生，这些结晶面发生，这些结晶面一般是属于低指数的。一般是属于低指数的。在不同高度的平行解理面之间产生在不同高度的平行解理面之间产生解理台阶解理台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成成河流花样河流花样，河流的流向与裂纹扩展方向一致。，河流的流向与裂纹扩展方向一致。
17、断裂失效断裂失效脆断的原因脆断的原因1）应力状态与缺口效应应力状态与缺口效应max/max愈大，脆性断裂的可能性愈大愈大，脆性断裂的可能性愈大 yxz 断裂失效断裂失效maxmaxksk侧压侧压22单向压单向压2 2扭转扭转0.80.8单向拉单向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.50.5加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同 断裂失效断裂失效2 2）温度温度 工程上大量使用的碳素钢、低合金钢及高合金的铁素工程上大量使用的碳素钢、低合金钢及高合金的铁素体钢，都有低温脆性。当温度在材料脆性转变温度以下体钢，都有低温脆性。当温度在材料脆性转变温度以下时，
18、材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由韧时，材料的解理应力小于其屈服应力，材料的断裂由韧性断裂转为脆性断裂。性断裂转为脆性断裂。脆性转变温度判据：脆性转变温度判据：韧脆转变温度韧脆转变温度断口形貌转变温度断口形貌转变温度无塑性转变温度无塑性转变温度脆断的原因脆断的原因 断裂失效断裂失效3 3）尺寸效应尺寸效应4 4）焊接质量焊接质量焊接缺陷一般有：夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹焊接缺陷一般有：夹杂、气孔、未焊透和焊接裂纹等，而其中焊接残余应力与裂纹的存在对焊接构件的等，而其中焊接残余应力与裂纹的存在对焊接构件的断裂起着重要的作用。断裂起着重要的作用。5 5）工作介质工作介质金属构件在腐蚀介质
19、中，受应力金属构件在腐蚀介质中，受应力(尤其拉应力尤其拉应力)作用，作用，同时又有电化学腐蚀时，极易导致早期脆性断裂。同时又有电化学腐蚀时，极易导致早期脆性断裂。6 6）材料组织材料组织脆断的原因脆断的原因 断裂失效断裂失效疲劳断裂的特征 原因原因:疲劳负荷是交变负荷疲劳负荷是交变负荷(a)反向负荷反向负荷(b)单向负荷单向负荷(c)单向导前负荷单向导前负荷疲劳断裂疲劳断裂 在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂。在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂。断裂失效断裂失效疲劳断裂的特征疲劳断裂的特征 构构件件疲疲劳劳断断裂裂是是在在负负荷荷经经多多次次(如如几几十十次次或或几几百
20、百万万次次)循环以后才发生的。循环以后才发生的。低周疲劳低周疲劳:断裂循环次数断裂循环次数N104的疲劳的疲劳高周疲劳高周疲劳:断裂循环次数断裂循环次数N104的疲劳的疲劳微观认识上微观认识上 高周疲劳应力标称是弹性的，构件在破坏之前仅发生高周疲劳应力标称是弹性的，构件在破坏之前仅发生极小的总变形极小的总变形;低周疲劳应力往往大到足以使每个循环周期产生可观低周疲劳应力往往大到足以使每个循环周期产生可观的塑性变形。的塑性变形。断裂失效断裂失效(3)(3)疲疲劳劳破破坏坏只只可可能能在在有有使使材材料料分分离离扯扯开开的的交交变变拉拉伸伸(或或挤压挤压)和交变剪切应力的情况下出现。和交变剪切应力的
21、情况下出现。交交变变的的纯纯压压缩缩载载荷荷不不会会出出现现疲疲劳劳破破坏坏，压压应应力力使使裂裂纹纹闭合而不会使裂纹扩展。闭合而不会使裂纹扩展。疲劳起源点往往出现在最大拉应力处。疲劳起源点往往出现在最大拉应力处。断裂失效断裂失效疲劳断裂的特征疲劳断裂的特征 断裂失效断裂失效疲劳断裂的特征疲劳断裂的特征 (4)(4)三个阶段三个阶段(5)(5)宏观上表现为脆性断裂，低周、高周宏观上表现为脆性断裂，低周、高周裂纹萌生裂纹萌生裂纹扩展裂纹扩展断裂断裂 断裂失效断裂失效疲劳断裂的特征疲劳断裂的特征 疲劳断口宏观形态疲劳断口宏观形态疲劳源区：疲劳源区：一般平整，多疲劳源区比较粗糙一般平整，多疲劳源区比
22、较粗糙裂纹扩展区：裂纹扩展区：疲劳弧线疲劳弧线快速断裂区：快速断裂区：视材料塑性而定视材料塑性而定 断裂失效断裂失效疲劳断口微观形态疲劳辉纹疲劳辉纹轮胎压痕轮胎压痕疲劳断裂疲劳断裂的原因及改进措施：的原因及改进措施：表面状态。表面状态。疲劳断裂多数起源于构件的表面，这是由于工疲劳断裂多数起源于构件的表面，这是由于工作时表面应力最高，加上各类加工工艺程序难以确保表面加作时表面应力最高，加上各类加工工艺程序难以确保表面加工质量而造成的。因此，提高构件的表面加工质量及强化表工质量而造成的。因此，提高构件的表面加工质量及强化表面处理是提高构件疲劳抗力的重要途径面处理是提高构件疲劳抗力的重要途径。缺口效
23、应与应力集中。缺口效应与应力集中。在缺口的根部及其附近有高的峰值应力和形成应力集中区。在缺口的根部及其附近有高的峰值应力和形成应力集中区。缺口效应大大降低材料的疲劳强度缺口效应大大降低材料的疲劳强度。材料的抗拉强度愈高，缺口对疲劳强度削弱愈大，高强度材材料的抗拉强度愈高，缺口对疲劳强度削弱愈大，高强度材料削弱最严重。因此构件应避免应力集中，缺口结构设计一料削弱最严重。因此构件应避免应力集中，缺口结构设计一定要考虑疲劳断裂问题，避免选用缺口敏感的材料。定要考虑疲劳断裂问题，避免选用缺口敏感的材料。断裂失效断裂失效 残余应力。残余应力。工艺制造上应避免残余拉应力的产生工艺制造上应避免残余拉应力的产
24、生.使构件表面诱发产生残余压应力使构件表面诱发产生残余压应力 (如喷丸、滚压等如喷丸、滚压等)。采取有效的焊后热处理以降低或消除焊后残余应力。采取有效的焊后热处理以降低或消除焊后残余应力。材料本质。材料本质。不同的材料有不同的疲劳抗力，一般可从疲不同的材料有不同的疲劳抗力，一般可从疲劳强度与抗拉强度的比值，即疲劳比反映出来。劳强度与抗拉强度的比值，即疲劳比反映出来。中低强度钢疲劳比为中低强度钢疲劳比为0.50.5，灰口铸铁为灰口铸铁为0.420.42，球墨铸铁为，球墨铸铁为0.480.48，188188铬镍奥氏体不锈钢为铬镍奥氏体不锈钢为0.380.38。对于高强度钢，尽管抗拉强度大于对于高强
25、度钢，尽管抗拉强度大于1400MPa1400MPa，疲劳强度也不，疲劳强度也不超过超过700 MPa700 MPa，因此高强度钢容易引发疲劳裂纹。疲劳强度，因此高强度钢容易引发疲劳裂纹。疲劳强度与抗拉强度之比不遵循线性关系。与抗拉强度之比不遵循线性关系。断裂失效断裂失效 过程装备失效与材料的关系过程装备失效与材料的关系表面损伤（腐蚀与磨损）表面损伤（腐蚀与磨损）腐蚀腐蚀腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使材料发生损坏或变质的现象。随着过程装备的大型化材料发生损坏或变质的现象。随着过程装备的大型化及向高压、高温、高流速开拓，材料的腐蚀更显严
26、重。及向高压、高温、高流速开拓，材料的腐蚀更显严重。腐蚀造成的损失是巨大的。腐蚀造成的损失是巨大的。据统计，全球工业装备因腐蚀而产生的经济损失占全据统计，全球工业装备因腐蚀而产生的经济损失占全球生产总值的球生产总值的2 24 4，中国腐蚀经济损失占国民生，中国腐蚀经济损失占国民生产总值产总值4 4。目前每年有。目前每年有3030的钢铁因腐蚀而报废，的钢铁因腐蚀而报废，其中其中1010不能回收。在化工、石油、轻工、能源等行不能回收。在化工、石油、轻工、能源等行业中，约业中，约6060的装备失效与腐蚀有关。的装备失效与腐蚀有关。2022/11/18腐蚀的危害 1.造成巨大的经济损失2.造成金属资源
27、和能源的浪费3.造成设备的破坏事故4.阻碍新技术的发展 腐腐 蚀蚀经济损失包括直接损失和间接损失直接损失：指采用防护技术的费用和发生腐蚀破坏以后的维修、更换费用和劳务费用。间接损失：指设备发生腐蚀破坏造成停工、停产；跑、冒、滴、漏造成物料流失；腐蚀使产品污染，质量下降，设备效率降低，能耗增加；在计算壁厚时需增加腐蚀裕度，造成钢材浪费等。腐腐 蚀蚀腐腐蚀蚀机机理理化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀物理腐蚀物理腐蚀形形态态晶间腐蚀晶间腐蚀氢腐蚀氢腐蚀应力腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳腐蚀疲劳全面腐蚀全面腐蚀均匀腐蚀均匀腐蚀不均匀腐蚀不均匀腐蚀局部腐蚀局部腐蚀点蚀（孔蚀）点蚀（孔蚀）缝隙腐蚀及丝状腐蚀缝隙腐
28、蚀及丝状腐蚀电偶腐蚀（接触腐蚀）电偶腐蚀（接触腐蚀）选择性腐蚀选择性腐蚀 腐蚀的分类腐蚀的分类化学腐蚀化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏，在化学腐蚀过程中不产生电流。用而引起的破坏，在化学腐蚀过程中不产生电流。如钢在高温下的氧化是通过化学反应而完成的，金属如钢在高温下的氧化是通过化学反应而完成的，金属材料在不含水的有机溶剂中的反应也属于化学腐蚀。材料在不含水的有机溶剂中的反应也属于化学腐蚀。电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属表面与电解质因发生电化学作用是指金属表面与电解质因发生电化学作用而产生的破坏，按电化学机理进行的腐蚀至少包含一而产
29、生的破坏，按电化学机理进行的腐蚀至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电流和介质中的离子流联系在一起。流和介质中的离子流联系在一起。金属材料在潮湿的空气、海水及电解质溶液中的腐蚀金属材料在潮湿的空气、海水及电解质溶液中的腐蚀都属于电化学腐蚀。都属于电化学腐蚀。腐蚀的分类腐蚀的分类物理腐蚀物理腐蚀是指金属材料由于单纯的物理作用所引起是指金属材料由于单纯的物理作用所引起的材料恶化或损失。的材料恶化或损失。例如用来盛放熔融锌的钢容器，由于钢铁被液态锌例如用来盛放熔融锌的钢容器，由于钢铁被液态锌所溶解，钢容器逐渐变薄了所溶解，钢容器逐渐变薄
30、了.近年来引起广泛关注的金属尘化，也是一种物理作近年来引起广泛关注的金属尘化，也是一种物理作用的高温气相腐蚀，用的高温气相腐蚀，金属尘化金属尘化一般是指一些金属一般是指一些金属(如如铁、镍、钴及其合金铁、镍、钴及其合金)在高温碳在高温碳(碳氢、碳氧气体碳氢、碳氧气体)环环境下碎化为由金属碳化物、氧化物、金属和碳等组境下碎化为由金属碳化物、氧化物、金属和碳等组成的混合物而致金属损失的行为，由于金属尘化通成的混合物而致金属损失的行为，由于金属尘化通常与金属材料的渗碳有关，而且腐蚀速度较快，所常与金属材料的渗碳有关，而且腐蚀速度较快，所以又称为灾难性渗碳腐蚀。以又称为灾难性渗碳腐蚀。腐蚀的分类腐蚀的
31、分类按腐蚀形态，可把腐蚀分为按腐蚀形态，可把腐蚀分为全面腐蚀全面腐蚀(均匀腐蚀均匀腐蚀)和和局部腐蚀局部腐蚀。均匀腐蚀均匀腐蚀在材料整个暴露表面上或者在大面积上产在材料整个暴露表面上或者在大面积上产生程度基本相同的腐蚀称为均匀腐蚀，又称全面腐生程度基本相同的腐蚀称为均匀腐蚀，又称全面腐蚀。均匀腐蚀使材料厚度均匀减薄，承载能力逐渐蚀。均匀腐蚀使材料厚度均匀减薄，承载能力逐渐下降而失效。如果构件设计时考虑足够的腐蚀裕度，下降而失效。如果构件设计时考虑足够的腐蚀裕度，则能在设计寿命内安全使用。则能在设计寿命内安全使用。局部腐蚀局部腐蚀常见类型有点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开常见类型有点蚀、晶间腐蚀、应力
32、腐蚀开裂、氢腐蚀和腐蚀疲劳等，而其中最常见又最危险裂、氢腐蚀和腐蚀疲劳等，而其中最常见又最危险的是应力腐蚀开裂。的是应力腐蚀开裂。腐蚀的分类腐蚀的分类 腐蚀的分类腐蚀的分类金属腐蚀破坏形式金属腐蚀破坏形式1-1-均匀腐蚀均匀腐蚀 2-2-不均匀腐蚀不均匀腐蚀 3-3-选择性腐蚀选择性腐蚀 4-4-斑状腐蚀斑状腐蚀 5-5-溃疡腐蚀溃疡腐蚀6-6-小孔腐蚀小孔腐蚀 7-7-晶间腐蚀晶间腐蚀 8-8-穿晶腐蚀穿晶腐蚀 9-9-表层下腐蚀表层下腐蚀 腐蚀的分类腐蚀的分类应力腐蚀破坏应力腐蚀破坏：拉应力与腐蚀介质联合作用发生开拉应力与腐蚀介质联合作用发生开裂破坏。裂破坏。腐蚀疲劳腐蚀疲劳：腐蚀介质与交
33、变应力或脉冲应力作用下腐蚀介质与交变应力或脉冲应力作用下产生的腐蚀。产生的腐蚀。磨损腐蚀磨损腐蚀：摩擦副在腐蚀介质中产生的腐蚀。摩擦副在腐蚀介质中产生的腐蚀。小孔腐蚀小孔腐蚀：腐蚀集中在某些活性点上，蚀孔直径等腐蚀集中在某些活性点上，蚀孔直径等于或小于蚀孔深度。于或小于蚀孔深度。晶晶间间腐蚀腐蚀：腐蚀沿晶腐蚀沿晶间间进行，使晶粒间失去结合力，进行，使晶粒间失去结合力，金属强度急剧降低。金属强度急剧降低。局部腐蚀分以下一些具体类型局部腐蚀分以下一些具体类型 腐蚀的分类腐蚀的分类缝隙腐蚀缝隙腐蚀：发生在铆接、螺纹连接、焊接接头、密发生在铆接、螺纹连接、焊接接头、密封垫片等缝隙处的腐蚀。封垫片等缝隙
34、处的腐蚀。电偶腐蚀电偶腐蚀：在电解液中，异种金属接触时，电位较在电解液中，异种金属接触时，电位较正金属促使电位较负的金属加速其腐蚀。正金属促使电位较负的金属加速其腐蚀。其它局部腐蚀其它局部腐蚀：氢脆氢脆、选择性腐蚀选择性腐蚀、空泡腐蚀空泡腐蚀、丝丝状腐蚀状腐蚀等。等。局部腐蚀局部腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀 晶晶间间腐腐蚀蚀指指腐腐蚀蚀主主要要发发生生在在金金属属材材料料的的晶晶粒粒间间界界区区，沿沿着着晶晶界界发发展展，即即晶晶界界区区溶溶解解速速度度远远大大于于晶晶粒粒溶溶解解速速度。度。发生晶间腐蚀的发生晶间腐蚀的电化学条件电化学条件（1 1）晶晶粒粒和和晶晶界界区区的的组组织织不不同同，因因而
35、而电电化化学学性性质质存存在在显著差异。显著差异。内因内因（2 2）晶晶粒粒和和晶晶界界的的差差异异要要在在适适当当的的环环境境下下才才能能显显露露出出来。来。外因外因 局部腐蚀局部腐蚀不锈钢不锈钢的晶间腐蚀的晶间腐蚀 敏化敏化热处理热处理 不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理以不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理以后发生的，使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处理叫后发生的，使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处理叫做敏化热处理。做敏化热处理。奥氏体不锈钢的敏化热处理范围为奥氏体不锈钢的敏化热处理范围为450450 CC850850 C C。当奥氏体不锈钢在这个温度范围较长时间。当奥氏体不锈钢在
36、这个温度范围较长时间加热加热(如焊接如焊接)或缓慢冷却，就产生了晶间腐蚀敏感性。或缓慢冷却，就产生了晶间腐蚀敏感性。铁素体不锈钢的敏化温度在铁素体不锈钢的敏化温度在900900 C C以上，而在以上，而在700-700-800800 C C退火可以消除晶间腐蚀倾向。退火可以消除晶间腐蚀倾向。局部腐蚀局部腐蚀金属或合金金属或合金腐腐 蚀蚀 介介 质质软钢软钢碳钢和低合金钢碳钢和低合金钢奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢铜和铜合金铜和铜合金镍和镍合金镍和镍合金蒙乃尔合金蒙乃尔合金铝合金铝合金铅铅镁镁NaOH,硝酸盐溶液硝酸盐溶液,(硅酸纳硅酸纳+硝酸钙硝酸钙)溶液溶液42%Mgcl2溶液溶液,HCNNaCI
37、O溶液溶液,海水海水,H2S水溶液水溶液氯化物溶液氯化物溶液,高温高压蒸馏水高温高压蒸馏水氨蒸气氨蒸气,汞盐溶液汞盐溶液,含含SO2大气大气NaOH水溶液水溶液,HF酸酸,氟硅酸溶液氟硅酸溶液熔融熔融Nacl,Nacl水溶液水溶液,海水海水,水蒸气水蒸气,含含SO2大气大气Pb(AC)2溶液溶液海洋大气海洋大气,蒸馏水蒸馏水,Kcl-K2CrO4溶液溶液产生应力腐蚀破裂的材料产生应力腐蚀破裂的材料-介质组合介质组合 (局部腐蚀局部腐蚀)腐蚀的分类腐蚀的分类腐蚀疲劳腐蚀疲劳 是构件材料在腐蚀性介质与交变应力共同作是构件材料在腐蚀性介质与交变应力共同作用下引起的，有疲劳断裂的特征。疲劳裂纹源往往是
38、用下引起的，有疲劳断裂的特征。疲劳裂纹源往往是表面的腐蚀坑，腐蚀加速疲劳裂纹的扩展。裂纹穿晶表面的腐蚀坑，腐蚀加速疲劳裂纹的扩展。裂纹穿晶分布并向内部扩展，只有主干裂纹，没有分支。腐蚀分布并向内部扩展，只有主干裂纹，没有分支。腐蚀疲劳因降低材料疲劳强度而导致构件失效。疲劳因降低材料疲劳强度而导致构件失效。腐蚀的分类腐蚀的分类 S SN N曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限 在腐蚀环境中疲劳极限不存在，即在低应力下造成断在腐蚀环境中疲劳极限不存在，即在低应力下造成断裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属材料裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属材料耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循环次数
39、耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循环次数(如如10107 7)，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记为，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记为-1c-1c。腐蚀疲劳的特征腐蚀疲劳的特征(1)(1)任何金属任何金属(包括纯金属包括纯金属)在任何介质中都能发生腐蚀疲在任何介质中都能发生腐蚀疲劳，即不要求特定的材料环境组合。劳，即不要求特定的材料环境组合。(2)(2)环境条件环境条件(腐蚀介质条件种类、温度、腐蚀介质条件种类、温度、pHpH、氧含量等、氧含量等)对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。(3)(3)纯疲劳性能与循环频率无关，腐蚀疲劳性能与频率有纯疲劳性能与循环频率
40、无关，腐蚀疲劳性能与频率有关。关。(4)(4)与应力腐蚀破裂相比，腐蚀疲劳裂纹主要为穿晶型。与应力腐蚀破裂相比，腐蚀疲劳裂纹主要为穿晶型。(5)(5)对金属材料进行阴极极化对金属材料进行阴极极化,可使裂纹扩展速度明显降可使裂纹扩展速度明显降低。低。腐蚀的分类腐蚀的分类 腐蚀疲劳机理腐蚀疲劳机理 一般是用金属材料的疲劳机理和电化学腐蚀作用结合来一般是用金属材料的疲劳机理和电化学腐蚀作用结合来说明腐蚀疲劳的机理。说明腐蚀疲劳的机理。孔蚀或其他局部腐蚀造成缺口，缝隙，引起应力集中，孔蚀或其他局部腐蚀造成缺口，缝隙，引起应力集中，造成滑移。滑移台阶的腐蚀溶解使逆向加载时表面不造成滑移。滑移台阶的腐蚀溶
41、解使逆向加载时表面不能复原，成为裂纹源。反复加载使裂纹不断扩展，腐能复原，成为裂纹源。反复加载使裂纹不断扩展，腐蚀作用使裂纹扩展速度加快。蚀作用使裂纹扩展速度加快。在交变应力作用下，滑移具有累积效应，表面膜更容易在交变应力作用下，滑移具有累积效应，表面膜更容易遭到破坏。遭到破坏。腐蚀的分类腐蚀的分类磨损腐蚀磨损腐蚀 高速流动的腐蚀介质高速流动的腐蚀介质(气体或液体气体或液体)对金属材料造成的对金属材料造成的腐蚀破坏叫做磨损腐蚀，简称磨蚀，也叫做冲刷腐腐蚀破坏叫做磨损腐蚀，简称磨蚀，也叫做冲刷腐蚀。蚀。影响因素影响因素 (1)(1)耐磨损腐蚀性能与它的耐蚀性和耐磨性都有关系。耐磨损腐蚀性能与它的
42、耐蚀性和耐磨性都有关系。(2)(2)表面膜的保护性能和损坏后的修复能力，对材料耐表面膜的保护性能和损坏后的修复能力，对材料耐磨损腐蚀性能有决定性的作用。磨损腐蚀性能有决定性的作用。腐蚀的分类腐蚀的分类(3)(3)流速对金属材料腐蚀的影响是复杂的，当液体流动流速对金属材料腐蚀的影响是复杂的，当液体流动有利于金属鈍化时，流速增加将使腐蚀速度下降。流有利于金属鈍化时，流速增加将使腐蚀速度下降。流动也能消除液体停滞而使孔蚀等局部腐蚀不发生。只动也能消除液体停滞而使孔蚀等局部腐蚀不发生。只有当流速和流动状态影响到金属表面膜的形成、破坏有当流速和流动状态影响到金属表面膜的形成、破坏和修复时，才会发生磨损腐
43、蚀。和修复时，才会发生磨损腐蚀。(4)(4)液体中含量悬浮固体颗粒液体中含量悬浮固体颗粒(如泥浆、料浆如泥浆、料浆)或气泡，气或气泡，气体中含有微液滴体中含有微液滴 (如蒸气中含冷凝水滴如蒸气中含冷凝水滴)，都使磨损腐，都使磨损腐蚀破坏加重。蚀破坏加重。腐蚀的分类腐蚀的分类（a）（b）（c）（d）湍流造成磨损腐蚀坑的机理湍流造成磨损腐蚀坑的机理 腐蚀的分类腐蚀的分类空泡腐空泡腐蚀 空泡腐空泡腐蚀(Cavitation erosion)又叫气又叫气蚀、穴、穴蚀。当高速流体。当高速流体流流经形状复形状复杂的金属部件表面，在液体中形成所的金属部件表面，在液体中形成所谓空泡，在空泡，在空泡内只有微量的
44、水汽或低空泡内只有微量的水汽或低压的空气，因而和周的空气，因而和周围高高压区形区形成很大的成很大的压力差，气泡受力差，气泡受压力而破力而破灭。气泡的反复生成和破。气泡的反复生成和破灭产生很大的机械力使表面膜局部生很大的机械力使表面膜局部毁坏，裸露出的金属受介坏，裸露出的金属受介质腐腐蚀形成形成蚀坑。坑。蚀坑表面可再鈍化，气泡破坑表面可再鈍化，气泡破灭再使表面膜再使表面膜破坏。破坏。有的文献上将摩振腐有的文献上将摩振腐蚀(fretting)也划也划归磨磨损腐腐蚀。（1）形成气泡）形成气泡 （2）气泡破灭，膜破坏）气泡破灭，膜破坏 （3）重新成膜）重新成膜（4）形成新气泡）形成新气泡 （5）气泡破
45、灭，膜毁坏）气泡破灭，膜毁坏 （6）重新成膜）重新成膜 空泡腐蚀各步骤示意图空泡腐蚀各步骤示意图 腐蚀的分类腐蚀的分类冷焊冷焊前前氧化颗粒氧化颗粒接触点接触点磨损磨损 氧化理论氧化理论氧化物层氧化物层暴露暴露的金的金属属氧化物颗粒氧化物颗粒摩 振 腐 蚀 理 论 示 意 图 腐蚀的分类腐蚀的分类针对不同工针对不同工况采用不同况采用不同防腐措施防腐措施选材选材保护保护设计设计表面覆盖层表面覆盖层:衬里、涂层衬里、涂层电化学保护电化学保护:阴极阴极/阳极保护阳极保护净化净化:工作介质工作介质添加试剂添加试剂:缓蚀剂缓蚀剂防腐措施防腐措施 腐蚀腐蚀磨磨损当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并作相
46、当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理或化学的作用，材料表面的形状、对运动时，由于物理或化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，叫做磨损，由磨损而导尺寸或质量发生变化的过程，叫做磨损，由磨损而导致构件功能丧失，称为磨损失效。致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损破坏材料表面原始状态，影响互相配合构件的正常工作；磨损破坏材料表面原始状态，影响互相配合构件的正常工作；磨损削弱构件承载截面可能导致断裂；磨损削弱构件承载截面可能导致断裂；磨损还会产生噪音、引起振动、加速腐蚀等副作用。磨损还会产生噪音、引起振动、加速腐蚀等副作用。磨损不像断裂或腐蚀那么严重，不是突发性
47、的，是一种累积损伤，但一些机磨损不像断裂或腐蚀那么严重，不是突发性的，是一种累积损伤，但一些机器设备发生事故却源于构件磨损。器设备发生事故却源于构件磨损。据美、英、日、德等国家统计估计，每年因磨损而引起的损失约占国民经济据美、英、日、德等国家统计估计，每年因磨损而引起的损失约占国民经济总值的总值的1 1。表面损伤表面损伤过程装程装备常常见的磨的磨损类型有粘着磨型有粘着磨损、磨料磨、磨料磨损、冲、冲击磨磨损、腐腐蚀磨磨损和疲和疲劳磨磨损等。等。粘着磨粘着磨损是指相是指相对滑滑动的两个金属表面，由于微的两个金属表面，由于微观并不完全平并不完全平滑，在滑，在压力作用下，力作用下，仅仅在少数几个隆起的
48、点或在少数几个隆起的点或线相互接触，相互接触，在在较高高压力和局部力和局部发热温度作用下，接触温度作用下，接触处焊合在一起，在随合在一起，在随后的滑后的滑动中，中，焊合合处表面撕裂，金属表面撕裂，金属颗粒从金属表面撕下，或粒从金属表面撕下，或者金属表面被金属者金属表面被金属颗粒擦粒擦伤，即粘着磨，即粘着磨损。磨料磨磨料磨损在相在相对运运动中，表面之中，表面之间坚硬的硬的颗粒或硬的突起物引粒或硬的突起物引起构件表面材料局部脱落，或借助液流或气流起构件表面材料局部脱落，或借助液流或气流输送硬物送硬物颗粒粒时与构件表面摩擦都会与构件表面摩擦都会产生磨料磨生磨料磨损。任何在任何在润滑油滑油润湿表面下相
49、湿表面下相对运运动的表面都可能的表面都可能产生磨料磨生磨料磨损。输送含送含尘废气的烟囱、旋气的烟囱、旋风除除尘器、器、喷砂装置及管道等磨料磨砂装置及管道等磨料磨损是相当是相当严重的。重的。磨损的分类磨损的分类 冲击冲击磨损磨损 在金属构件表面上重复施加冲击载荷，使表面材在金属构件表面上重复施加冲击载荷，使表面材料被破坏和磨去的现象称为冲击磨损。这种冲击载荷通常是由料被破坏和磨去的现象称为冲击磨损。这种冲击载荷通常是由液流向固体表面不断进行动态撞击产生的。在固体表面损伤过液流向固体表面不断进行动态撞击产生的。在固体表面损伤过程中，腐蚀不是主要的，液体冲击磨损是主要的。程中，腐蚀不是主要的，液体冲
50、击磨损是主要的。微动磨损微动磨损 任意两个彼此受压表面，当受小振幅的周期性相任意两个彼此受压表面，当受小振幅的周期性相对运动时，接触面上会出现微动磨损。微动磨损结果使配合尺对运动时，接触面上会出现微动磨损。微动磨损结果使配合尺寸变大或局部应力水平过高，影响使用功能及寿命。寸变大或局部应力水平过高，影响使用功能及寿命。腐蚀磨损腐蚀磨损 是有化学或电化学腐蚀参与作用下的磨损。金属是有化学或电化学腐蚀参与作用下的磨损。金属表面在环境介质作用下生成腐蚀产物，腐蚀产物受各种摩擦作表面在环境介质作用下生成腐蚀产物，腐蚀产物受各种摩擦作用自金属表面脱落。用自金属表面脱落。金属材料常见的腐蚀磨损是氧化磨损，构