两种金属材料腐蚀磨损的交互作用探究

两种金属材料腐蚀磨损的交互作用探究

王,琛

山东省冶金产品质量监督检验站有限公司   山东济南250014

摘要：为研究金属材料在恒定环境条件下所受电化学、力学两种影响因素的交互作用及其变化关系，选取45#钢、2Cr13不锈钢两种材料进行测试分析，最终实验结果表明在力学因素不变的前提下，腐蚀介质浓度越高、交互作用越强；在电化学因素不变的前提下，冲击速度越大、交互作用越强。

关键词：金属材料；腐蚀磨损率；交互作用

引言：受制于环境工况、外部干扰与材料自身特性等因素的影响，部分金属材料在使用过程中出现表面损伤、变形及失效问题。通过选用碳素结构钢、马氏体不锈钢两种典型金属材料，分别判断腐蚀、磨损两项因素及其交互作用对于材料性能、品质的影响，对于金属材料应用及推广具有良好现实意义。

1研究背景

1.1腐蚀磨损系统

金属材料的腐蚀、磨损作用主要取决于以下影响因素：（1）材料自身性能，如金属材料化学成分、组织结构等；（2）环境因素，如环境温湿度、压力作用等；（3）电化学性能，如介质成分、pH值等，在该因素影响下将使金属材料发生腐蚀现象；（4）力学性能，如氢脆断裂、应力腐蚀等，在该因素作用下将使金属材料产生磨损[1]。由此可知，腐蚀磨损体系取决于电化学、力学两项因素的交互作用，破坏金属材料的强度、塑性等力学性能，造成磨损失效等问题。

1.2建立计算模型

基于腐蚀磨损系统的交互作用原理，将金属材料腐蚀率设为Ky、磨损率为Kδ，则金属材料的腐蚀磨损率记为Kyδ，但仍需注意腐蚀磨损率不等同于腐蚀率与磨损率之和，即Kyδ≠Ky+Kδ[2]。由此建立计算公式：

其中金属材料腐蚀磨损的交互作用值为ΔKyδ，用于反映材料在交互作用下产生的损失变化量。在考虑腐蚀磨损作用于金属材料单位面积范围内产生的腐蚀磨损率时，替代腐蚀磨损率表示为ΔVyδ，金属材料的腐蚀磨损率、腐蚀率、磨损率分别为Vyδ、Vy及Vδ，则有如下公式：

2实验部分设计

2.1材料与方法

2.1.1实验材料

选取45#钢、2Cr13钢两种金属作为实验材料，其中45#钢包含0.64% Mn、0.49% C、0.33% Si、0.28% Ni、0.23% Cr以及0.22% Cu，维氏硬度值为HV241；2Cr13钢由12.57% Cr、0.2% C、0.49% Mn、0.37% Si、0.26% Ni、0.02% P以及0.01% S组成，维氏硬度值为HV250[3]。

2.1.2实验方法

实验仪器选用MSH-A型腐蚀磨损试验机，取Φ8mm×53mm的45#钢、2Cr13钢试样各4根，置于试样架上进行对比分析。针对试样受腐蚀介质的影响进行测试，选择腐蚀介质包含0.05mol/L H2SO4溶液与浓度均为0.01mol/L的HCl溶液和HNO3溶液三类，同时设置对照组，分别以0.01倍、0.1倍和10倍质量浓度进行腐蚀介质的稀释处理。

在腐蚀磨损浆体制备上，选取20%普通石英砂（粒度为350～750μm）与腐蚀介质均匀混合后，分别以2.3m·s-1、3.1m·s-1、4.6m·s-1、6.2m·s-1的速度对试样进行2.5h冲击实验，将两类金属在不同腐蚀磨损体系下的腐蚀磨损率实验结果进行记录。在此基础上，将试样分别加入三种腐蚀介质中静置24h以上，用于测试试样的腐蚀率，并记录实验结果；同时，为排除介质酸碱度对试样磨损率测试结果产生的干扰，更换诸如钼酸盐一类中性介质，与石英砂材料混合制成腐蚀磨损浆体，并按相同冲击速度对试样进行冲蚀实验，用于测试试样的磨损率，并记录实验结果。

在实验条件设计上，选择十万分之一精密电子天平（精密度0.0001g）作为称量仪器，在实验开始前、测试完毕后分别选用C3H6O溶液对每组试样进行超声波清洗，随后将试样置于烘干机内进行烘干处理，取出后称量试样重量，完成金属材料单位面积磨损量的求解，并计算出试样的腐蚀磨损交互作用值。

2.2结果与讨论

2.2.1实验结果分析

观察在冲击速度持续加快条件下，两组试样在不同腐蚀磨损介质中的腐蚀磨损率测试结果，其中磨损腐蚀介质共有6组，A组：0.0005mol/L H2SO4+20%石英砂，B组：0.005mol/L H2SO4+20%石英砂，C组（标准腐蚀介质）：0.05mol/L H2SO4+20%石英砂，D组：0.5mol/L H2SO4+20%石英砂，E组：0.1mol/L HCl+20%石英砂，F组：0.1mol/L HNO3+20%石英砂。

针对45#钢试样的测试结果进行分析，在A组介质中当试样所受冲击速度由2.3m·s-1提高至6.2m·s-1时，其磨损腐蚀率Vyδ分别为1.22、2.11、5.37和11.92；在B组介质中，试样的Vyδ值分别为2.43、3.78、6.92和13.53；在C组介质中，试样的Vyδ值分别为3.66、5.46、8.47和15.14；在D组介质中，试样的V

yδ值分别为6.96、9.14、13.15和20.53；在E、F两组介质中，当冲击速度为6.2m·s-1时，试样的Vyδ值分别为13.49和77.53。针对2Cr13钢试样的测试结果进行分析，在A组介质中伴随试样所受冲击速度的提高，其Vyδ值分别为0.78、1.53、4.40和11.52；在B组介质中，试样的Vyδ值分别为1.65、2.97、5.92和12.98；在C组介质中，试样的Vyδ值分别为2.53、4.42、7.45和14.44；在D组介质中，试样的Vyδ值分别为5.42、8.66、12.33和19.76；在E、F两组介质中，当冲击速度为6.2m·s-1时，试样的Vyδ值分别为12.09和12.96。

从中可以看出，当冲击速度维持在同一水平下时，伴随H2SO4溶液浓度的增大，试样的Vyδ值呈逐渐提高趋势，由此推断在腐蚀磨损介质浓度不变的前提下，试样所受磨损腐蚀交互作用程度主要取决于冲击速度，且冲击速度与交互作用程度成正比。

2.2.2腐蚀磨损交互作用分析

为进一步探究影响腐蚀磨损交互作用的变量因素，拟选取电化学作用X、力学作用Y两个变量与作用值Vyδ进行关联性分析。其中在X、Y两个变量中，当Y变量的影响程度减弱时，试样表面在粒子冲击作用下将发生形变，导致金属材料表面膜层出现开裂现象，进而使金属材料的腐蚀率增大；当试样所处介质中H2SO4溶液或HCl溶液浓度降低时，将使金属材料的磨损率增大；当Vy/Vδ增大后，金属材料表面的腐蚀介质将快速聚积、形成一层腐蚀膜，伴随介质中酸溶液浓度的增大，将首先作用于金属表面膜结构，使金属材料表面溶解、结晶范围扩大，诱发金属材料腐蚀问题，且在冲击作用下将在试样表面产生较多变形区，更易被离子切削，加剧金属材料的腐蚀、磨损程度。

结论：通过采用实验方法进行金属材料腐蚀、磨损交互作用关系的检验分析，确认其影响因素包含环境、材料自身性能、电化学因素与力学因素四个基本方面，且在力学因素对材料施加作用维持恒定的前提下，交互作用将使材料的腐蚀磨损率与电化学影响成正比；反之，伴随力学因素影响程度的加深，两种材料的腐蚀磨损率呈同步增大趋势。

参考文献：

[1]曾群锋,许雅婷,林乃明.304不锈钢在人工海水环境中的腐蚀磨损行为研究[J].表面技术,2020,(01):194-202+212.

[2]宋伟,尘强,俞树荣,等.TC4合金在不同环境介质中微动磨损行为研究[J].稀有金属材料与工程,2020,(07):2393-2399.

[3]陈鹏.材料成型与控制工程中的金属材料加工探讨[J].冶金与材料,2022,(02):29-30.