不銹鋼磨損腐蝕失效機(jī)理的研究現(xiàn)狀

譚力文，王忠維，鄒竟翌，麻彥龍，b

（重慶理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

不銹鋼是一系列具有良好耐蝕性能的高合金鋼，它們?cè)谧匀画h(huán)境中具有優(yōu)異的耐蝕性能，同時(shí)還具有良好的機(jī)械性能和加工性能，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中［1-4］，如超級(jí)雙相不銹鋼可以用于制造深海鉆井設(shè)備［3］，奧氏體不銹鋼可以用于制造壓力容器［4-5］。不銹鋼中的主要合金元素是Cr元素，其含量一般不低于12 wt.%，Cr的添加可以使不銹鋼表面形成一層致密且穩(wěn)定的富Cr鈍化膜，能有效地抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，從而保護(hù)內(nèi)部基體。此外，人們還往不銹鋼中添加Ni、Mo等合金元素，增強(qiáng)鈍化膜的穩(wěn)定性，以進(jìn)一步提高不銹鋼的耐蝕性能［6-10］。但在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中，不銹鋼會(huì)遭受磨損腐蝕（磨蝕），引起不銹鋼在本應(yīng)具有良好耐蝕性能的腐蝕介質(zhì)中快速降解，導(dǎo)致部件失效，如食品加工旋轉(zhuǎn)槳［11］、活塞，汽缸和氣門、人工關(guān)節(jié)假體界面［12］、潛水器、水下機(jī)器人中的海水液壓驅(qū)動(dòng)裝置［2］。磨蝕是一種特殊的材料失效方式，它來(lái)源于但又明顯區(qū)別于金屬常見的失效方式：腐蝕、磨損和疲勞斷裂［13］，它是指當(dāng)金屬材料在腐蝕性介質(zhì)中發(fā)生摩擦?xí)r，電化學(xué)腐蝕和機(jī)械摩擦?xí)a(chǎn)生交互作用，使材料的降解速度大幅提高，導(dǎo)致材料快速失效的現(xiàn)象，磨蝕導(dǎo)致的損失量一般遠(yuǎn)大于材料遭受單純磨損和單純腐蝕所導(dǎo)致的損失量之和［14-17］。由于磨蝕會(huì)大幅加速材料的降解速度，因此以不銹鋼制造的部件會(huì)在磨蝕中快速失效，引起設(shè)備故障、生產(chǎn)線打斷等經(jīng)濟(jì)損失問題，甚至還會(huì)引起安全事故。但由于人們對(duì)磨蝕這種特殊失效方式的研究并不久遠(yuǎn)，不銹鋼的磨損失效機(jī)理仍未明確，因此，研究者們還在不斷地深入研究和了解其發(fā)生機(jī)理，為提高不銹鋼耐磨蝕性能尋找理論依據(jù)。

1 失效機(jī)理

1.1 交互作用

不銹鋼磨蝕的研究重點(diǎn)和關(guān)鍵在于腐蝕與磨損間的交互作用，這種交互作用主要包括2個(gè)方面：摩擦磨損對(duì)腐蝕的影響和腐蝕對(duì)摩擦磨損的影響［12，17-21］。磨蝕導(dǎo)致的材料損失可以用式（1）進(jìn)行量化描述，其中Vt為總損失量，Vw為磨損單獨(dú)發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的損失量，Vc為腐蝕單獨(dú)發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的損失量，ΔV為交互作用導(dǎo)致的損失量，而交互作用還可以細(xì)分為磨損影響下的腐蝕導(dǎo)致的損失（Vw-c）和腐蝕影響下的磨損導(dǎo)致的損失（Vc-w）式（2）［22］：

1.1.1 磨損對(duì)腐蝕的影響

摩擦對(duì)腐蝕最顯著的影響就是破壞鈍化膜，使不銹鋼失去鈍化膜的保護(hù)，暴露出新鮮的活性基體與腐蝕介質(zhì)直接接觸，導(dǎo)致腐蝕速率加快，如圖1所示［12］。

摩擦還會(huì)使材料表面變得粗糙，粗糙度的增加會(huì)增大不銹鋼與腐蝕介質(zhì)的實(shí)際接觸面積，也會(huì)促進(jìn)腐蝕速率的升高［23-25］。此外，不銹鋼在磨損過程中表面出現(xiàn)大量缺陷，如位錯(cuò)、機(jī)械孿晶、晶界等，還存在殘余應(yīng)力，這些都會(huì)提高材料的內(nèi)能，促使腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，關(guān)于表層結(jié)構(gòu)的具體變化會(huì)在稍后的小節(jié)中進(jìn)行更為詳細(xì)的介紹。可以看到：磨損可以從多個(gè)途徑促進(jìn)腐蝕的發(fā)生和加速，這就是所謂的“正耦合”作用，會(huì)加速不銹鋼的降解速度。不同的摩擦狀態(tài)會(huì)對(duì)磨蝕過程中的腐蝕產(chǎn)生不同的影響，如相較于連續(xù)摩擦，間隔摩擦?xí)a(chǎn)生更寬的磨痕，暴露更多的新鮮基體，從而使磨蝕中腐蝕作用增強(qiáng)［11，26-27］。高載荷下表面受到更嚴(yán)重的磨損，完全破壞表面形成的保護(hù)性的鈍化膜，降低了材料的耐蝕性和再鈍化驅(qū)動(dòng)力，從而使腐蝕加速［3，28-31］。

1.1.2 腐蝕對(duì)磨損的影響

腐蝕對(duì)磨損的影響主要取決于腐蝕產(chǎn)物的性質(zhì)，如果在腐蝕產(chǎn)物相對(duì)基體而言韌性更差的情況下，腐蝕產(chǎn)物則可能更容易被磨損掉，因此腐蝕的發(fā)生會(huì)促進(jìn)磨損，產(chǎn)生“正耦合”作用。而如果腐蝕產(chǎn)物具有潤(rùn)滑性能，則可以在一定程度上降低摩擦因數(shù)，進(jìn)而緩解磨損，出現(xiàn)“負(fù)耦合”作用［30，32-35］。在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中，氯離子會(huì)誘發(fā)點(diǎn)蝕的形成，點(diǎn)蝕區(qū)域會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，使材料在摩擦下發(fā)生開裂、脫落，進(jìn)而導(dǎo)致磨損的加劇［29］。此外，在腐蝕過程中，一些硬質(zhì)相會(huì)由于腐蝕的發(fā)生脫離基體，在摩擦界面引發(fā)三體磨損，這也會(huì)導(dǎo)致磨損的加速［36-39］。在一些研究中，研究者發(fā)現(xiàn)，在磨蝕中如果對(duì)不銹鋼進(jìn)行陰極保護(hù)反而會(huì)促進(jìn)材料的降解，可能的原因是陰極保護(hù)下不銹鋼表面發(fā)生了析氫反應(yīng)導(dǎo)致氫脆，脆性表面更容易發(fā)生磨損［25，40］。磨蝕研究中通常通過改變外加電位實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕狀態(tài)的控制，進(jìn)而研究不銹鋼在不同腐蝕狀態(tài)下的磨蝕行為［41-46］。圖2為316 L不銹鋼在1 M硫酸溶液中，在不同電位下磨蝕后的磨痕輪廓，可以看到：隨著外加電位的升高，磨痕寬度逐漸增大，表面變得更為粗糙。在外加陽(yáng)極電位下會(huì)使腐蝕加速增大，促進(jìn)交互作用，使不銹鋼表面的鈍化層損傷更嚴(yán)重，部分剝落的片狀鈍化層或顆粒會(huì)與基體、摩擦副形成三體摩擦，從而使磨損加劇［32，47-52］。雖然外加陽(yáng)極電位增強(qiáng)了腐蝕，但一些報(bào)道發(fā)現(xiàn)電位的上升會(huì)促進(jìn)不銹鋼表面的形變強(qiáng)化，會(huì)在材料表面形成更厚的變形層，表層的組織也會(huì)變得更為細(xì)小，同時(shí)也伴隨著硬度的提高，這對(duì)緩解機(jī)械磨損有著積極的意義［40，45，51］。

1.2 梯度變形結(jié)構(gòu)的形成及其影響

不銹鋼在磨蝕后，表層組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著改變，會(huì)形成一種晶粒尺寸、缺陷濃度等呈現(xiàn)梯度變化的組織結(jié)構(gòu)。由于磨蝕降解是由表及里依次發(fā)生的，這種梯度結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為是材料的轉(zhuǎn)變、降解過程的靜態(tài)表現(xiàn)，對(duì)研究不銹鋼的降解機(jī)理有著重要的參考價(jià)值。而這種新形成的表面與原始材料相比，性能會(huì)發(fā)生明顯的改變，對(duì)磨蝕行為產(chǎn)生明顯影響，但目前這方面的研究處于起始階段，還未獲得廣泛的關(guān)注和深入的研究。

1.2.1 磨蝕后形成的梯度結(jié)構(gòu)

圖3（a）顯示的是304不銹鋼在硫酸溶液中磨蝕后的橫截面組織，可以看到：相對(duì)底部粗大的原始晶粒，越靠近表面，晶粒尺寸下降越明顯，最表面的晶粒尺寸僅為幾十納米。圖3（b）是梯度結(jié)構(gòu)示意圖，梯度變形結(jié)構(gòu)從外至內(nèi)可分為4部分：納米晶層、細(xì)化層、變形粗晶層和未受影響層，這種梯度結(jié)構(gòu)在普通摩擦磨損中也會(huì)出現(xiàn)［10，53-55］。梯度變形結(jié)構(gòu)的最表面為納米晶層，晶粒尺寸最小，其晶粒尺寸相對(duì)原始的粗晶材料可以下降3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，例如304不銹鋼經(jīng)過磨蝕后晶粒尺寸可以從16μm下降到幾納米［56］。納米晶層下方為細(xì)化層，晶粒尺寸相對(duì)原始粗晶也有大幅度的降低，晶粒尺寸通常為一百到幾百納米。細(xì)化層下方為變形粗晶層，晶粒尺寸為幾百納米到微米級(jí)，內(nèi)部存在一些變形導(dǎo)致的缺陷，如位錯(cuò)、機(jī)械孿晶等［53，57-60］。變形粗晶細(xì)化層的下方為未受影響的原始晶粒。這種梯度結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和應(yīng)力的分布有著密切的關(guān)系，越靠近表面的區(qū)域，一般其接觸應(yīng)力和摩擦剪切力越大，應(yīng)力和應(yīng)變率會(huì)隨著深度的減小迅速增大，從而產(chǎn)生梯度變形結(jié)構(gòu)。

1.2.2 梯度結(jié)構(gòu)的形成過程

在上文中已經(jīng)提到，梯度結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外的變化可以認(rèn)為是材料的結(jié)構(gòu)演變過程，可以通過研究不同深度的組織結(jié)構(gòu)特征來(lái)推測(cè)材料的演變過程。不銹鋼主要依靠滑移和孿生發(fā)生塑性變形。在磨蝕初期，表面的粗晶中會(huì)在應(yīng)力作用下產(chǎn)生位錯(cuò)和機(jī)械孿晶，隨著往復(fù)的摩擦，位錯(cuò)密度逐漸升高，當(dāng)位錯(cuò)密度到達(dá)一定程度時(shí)，會(huì)形成位錯(cuò)壁壘，后續(xù)再轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚Ы纾S后在后續(xù)的變形中隨著位錯(cuò)密度的增加，會(huì)使晶粒間的位相差增加，使小角度晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы纾瑥亩鴮⒃即志Ъ?xì)化。磨蝕中這個(gè)過程往復(fù)發(fā)生，則可以持續(xù)細(xì)化晶粒，最終在表面產(chǎn)生納米晶層。機(jī)械孿晶的產(chǎn)生也可以分割晶粒，而且不同取向的孿晶在交割時(shí)會(huì)誘發(fā)α-M相變，產(chǎn)生納米尺寸的馬氏體，同樣可以細(xì)化晶粒。最終，由于各個(gè)深度應(yīng)力分布的差異，就形成了具有梯度結(jié)構(gòu)的表層組織［51，61-62］。

1.2.3 梯度結(jié)構(gòu)對(duì)磨蝕的影響

由于不銹鋼表層在磨蝕中發(fā)生了巨大的組織結(jié)構(gòu)變化，因此其表面性能會(huì)發(fā)生較大改變，其中最顯著的變化就是表面強(qiáng)度和硬度的上升。由于表面晶粒尺寸的大幅下降，細(xì)晶強(qiáng)化作用將會(huì)凸顯，根據(jù)Hall-Petch公式：

晶粒尺寸的降低會(huì)使σs增加，能提高材料表層的強(qiáng)度和硬度［63］。有研究發(fā)現(xiàn)316 L不銹鋼在硫酸溶液中磨蝕后，其表面硬度上升幅度甚至超過1倍，這對(duì)緩解機(jī)械磨損是非常有利的［56］。磨蝕中形成的梯度結(jié)構(gòu)還有調(diào)節(jié)表層的塑性變形的功能，這可以抑制表層局部變形，提高表面的耐磨損性能［62］。而表層的組織結(jié)構(gòu)變化也會(huì)對(duì)磨腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生影響，塑性變形和晶粒細(xì)化過程給表面引入了大量缺陷，如空位、晶界和位錯(cuò)，這些缺陷會(huì)增大材料的內(nèi)能，進(jìn)而加速材料的腐蝕。由于表層結(jié)構(gòu)演變帶來(lái)的影響還未引起人們的廣泛重視，加上對(duì)較為復(fù)雜的梯度變形組織的表征比較困難，所以目前梯度結(jié)構(gòu)的形成對(duì)磨蝕行為的影響研究依然較少，還有許多問題需要深入研究，如梯度結(jié)構(gòu)對(duì)交互作用的影響、影響梯度結(jié)構(gòu)形成的因素、梯度結(jié)構(gòu)的性能等。

1.3 腐蝕介質(zhì)的影響

磨蝕發(fā)生的常見介質(zhì)主要有含鹵素腐蝕介質(zhì)、不含鹵素腐蝕介質(zhì)和生物醫(yī)用環(huán)境介質(zhì)。不同的腐蝕介質(zhì)對(duì)應(yīng)著不同的實(shí)際服役環(huán)境，如含鹵素腐蝕介質(zhì)主要對(duì)應(yīng)海洋及海洋大氣環(huán)境［64］，非含鹵素腐蝕介質(zhì)對(duì)應(yīng)著工業(yè)中使用的酸、堿、鹽等溶液［65］，生物醫(yī)用環(huán)境對(duì)應(yīng)著人體環(huán)境［66-67］。由于腐蝕介質(zhì)性質(zhì)的差異，不銹鋼會(huì)表現(xiàn)出不同的磨蝕行為，根據(jù)材料在不同腐蝕介質(zhì)中的磨蝕行為特征可以更好地選材，或?qū)Σ牧线M(jìn)行有針對(duì)性的保護(hù)。

1.3.1 含鹵素介質(zhì)

在海洋及受海洋氣候影響的環(huán)境中，含有大量的鹵素離子，如Cl-和Br-，這些鹵素離子對(duì)不銹鋼表面的鈍化膜有著強(qiáng)烈的破壞作用［23］。當(dāng)不銹鋼在含鹵素離子介質(zhì)中磨蝕時(shí)，不僅會(huì)受到機(jī)械摩擦的機(jī)械破鈍作用，還會(huì)受到鹵素離子的電化學(xué)破鈍作用，因此腐蝕會(huì)進(jìn)一步被加速。此外當(dāng)鹵素離子誘發(fā)點(diǎn)蝕產(chǎn)生后，點(diǎn)蝕部位會(huì)在摩擦中發(fā)生應(yīng)力集中，使材料更容易被磨損，最終導(dǎo)致材料快速失效［68-70］。圖4展示了304不銹鋼在0.5 M NaCl溶液中磨蝕后的形貌［29］，磨痕區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了大量點(diǎn)蝕［68，71］。

1.3.2 不含鹵素介質(zhì)

在工業(yè)應(yīng)用中，不銹鋼會(huì)接觸到各種具有腐蝕性的酸、堿、鹽，如硝酸、硫酸、硝酸鈉溶液等［11，25，50，65，72-73］。由于不銹鋼可以在這些溶液中生成穩(wěn)定的鈍化膜，因此具有較好的耐蝕性能。但當(dāng)磨蝕發(fā)生時(shí)，表面鈍化膜被破壞，使活性基體暴露在腐蝕介質(zhì)中，導(dǎo)致腐蝕速率上升，最終引起不銹鋼部件的快速失效。因此不能因?yàn)椴讳P鋼在這些介質(zhì)中具有良好耐蝕性能，就隨意使用不銹鋼，否則一旦出現(xiàn)磨蝕現(xiàn)象，將存在嚴(yán)重的失效隱患。以具有強(qiáng)腐蝕性的非鹵素腐蝕介質(zhì)硫酸為例，不銹鋼在其中磨蝕時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生裂紋和孔洞，這大幅度加劇了材料的降解［56］。而在腐蝕性較弱的中性NaNO3溶液中進(jìn)行磨蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，材料經(jīng)受的腐蝕影響較弱，但在腐蝕與機(jī)械磨損產(chǎn)生了耦合作用，加劇了材料的損傷。

1.3.3 生物醫(yī)用環(huán)境介質(zhì)

由于不銹鋼具有較強(qiáng)的耐蝕性能和較好的生物相容性，它們可以作為生物醫(yī)用材料植入人體內(nèi)，或作為醫(yī)療器械［41，66，74-76］。人體環(huán)境由于含有大量鹽類，具有一定的腐蝕性，因此對(duì)于會(huì)發(fā)生摩擦的部件，如義齒和人工關(guān)節(jié)上，不銹鋼同樣會(huì)面臨磨蝕問題。此外，還需考慮磨蝕產(chǎn)物是否會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒性，磨屑會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的傷害，如無(wú)菌嚴(yán)重、骨質(zhì)溶解等［41，77］。如不銹鋼在磨損腐蝕后釋放的金屬離子會(huì)引起組織反應(yīng)，尤其是不銹鋼中Ni離子會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的病變。可以采用無(wú)Ni高N的奧氏體不銹鋼代替普通的不銹鋼［78］。生物環(huán)境的腐蝕性相對(duì)其他介質(zhì)而言較弱，但是其組成較為復(fù)雜，除了一些無(wú)機(jī)鹽外，還含大量的生物分子和細(xì)胞。研究中常用Ringer’s溶液、Hanks溶液、牛犢血清、0.9 wt.% NaCl等溶液模擬生理環(huán)境［45，67，76-77，79］。有學(xué)者研究了316L不銹鋼在正常和炎癥的模擬體液中的磨蝕行為，結(jié)果表明：不銹鋼在正常模擬體液中更容易形成鈍化層，這有利于緩解磨蝕［79］。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算模擬

除了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究外，研究者們還通過建立模型和計(jì)算模擬，用于解釋磨蝕失效機(jī)制和預(yù)測(cè)降解速度。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 Archard磨損模型

Archard公式是應(yīng)用在常規(guī)摩擦磨損中的經(jīng)典模型，有的研究者認(rèn)為該模型同樣適用于磨蝕過程。Archard定律認(rèn)為在滑動(dòng)過程中，材料損失與實(shí)際接觸面積成正比，而實(shí)際接觸面積可以估算為金屬的法向載荷除以表面硬度［31］，Archard公式的具體表達(dá)為：

式中：Wmech是磨損量；Fn是法向載荷；H是金屬表面硬度；K10是比例常數(shù)；L是摩擦距離（mm）；C是循環(huán)周期。但Archard公式?jīng)]有考慮腐蝕帶來(lái)的影響，這是它的最大缺陷。此外，當(dāng)材料的晶粒尺寸小于10 nm后，材料硬度會(huì)下降，該公式也不再適用［80］。

2.1.2 腐蝕電流模型

在磨蝕中，描述腐蝕的關(guān)鍵參數(shù)是腐蝕電流，Landolt等提出了一個(gè)適用于鈍化金屬的腐蝕電流模型，具體公式如下［81］：

式中：Ir是磨蝕過程中材料的陽(yáng)極腐蝕電流；Rdep是去鈍化速度；Qp是磨損區(qū)域再次鈍化所需要的電量；Fn是外加法向載荷；H是材料的硬度；Vs是滑動(dòng)速度；K和b是常數(shù)，取決于接觸類型，當(dāng)粗糙的摩擦副接觸粗糙實(shí)驗(yàn)樣品或粗糙摩擦副接觸光滑實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)，b取0.5，當(dāng)光滑的摩擦副接觸光滑的實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)，b取1；K是可能性因子，取決于具體的接觸界面形式。

表1是利用該公式對(duì)430不銹鋼在0.5 M H2SO4介質(zhì)中磨蝕時(shí)的電流理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)［80］。在相對(duì)較低的鈍化電位下測(cè)得電流最接近最大理論電流，而隨著鈍化電位的提高，測(cè)試值越偏離理論值。這說明了在更高的鈍化電位下，去鈍化作用被削弱，摩擦區(qū)域的鈍化膜未被完全去除。理論最大電流值和實(shí)際測(cè)量電流值的差異反映了不銹鋼在不同電位下的再鈍化能力，同時(shí)也說明磨蝕中的腐蝕電流不單純?nèi)Q于電化學(xué)因素，還與機(jī)械去鈍化率有關(guān)［82］。

表1 430不銹鋼在0.5M H2SO4溶液中磨蝕時(shí)理論最大電流和實(shí)際測(cè)量電流值

2.1.3 耦合電流模型

在磨蝕過程中，材料表面并不是全部同時(shí)發(fā)生磨損，此時(shí)表面可以分為未磨損區(qū)域和磨損區(qū)域，如圖5所示。由于表面鈍化狀態(tài)的差異，被去鈍化的磨損區(qū)域會(huì)與未被破壞的區(qū)域形成電偶腐蝕對(duì)，前者作為陽(yáng)極發(fā)生腐蝕，后者作為陰極，因此可以利用耦合電流模型來(lái)描述磨蝕行為，如式（7）所示。

式中：Ec是磨蝕條件下的腐蝕電位；Ecorr是非磨蝕條件下的腐蝕電位；ac和bc是常數(shù)；ia是陽(yáng)極電流密度；Aa和Ac分別為陽(yáng)極和陰極的面積，也就是破鈍區(qū)域和未破鈍區(qū)域。在磨蝕過程中會(huì)出現(xiàn)2種耦合電流模型，一種是磨損區(qū)域全部充當(dāng)陽(yáng)極，周邊未磨損區(qū)域充當(dāng)陰極，如圖5（a）所示，另一種是陰陽(yáng)極反應(yīng)只發(fā)生在磨損區(qū)域中，其中的破鈍區(qū)域充當(dāng)陽(yáng)極，其余部分充當(dāng)陰極，如圖5（b）所示。前者適用于鈍化膜機(jī)械強(qiáng)度較弱，容易被完全去除，后者適用于鈍化膜厚且耐磨，在摩擦中只會(huì)被局部破壞［25］。

2.2 計(jì)算模擬

除了數(shù)學(xué)計(jì)算外，還有研究者利用數(shù)值模擬對(duì)磨蝕過程進(jìn)行了模擬分析［83］，常見的模擬方法有有限元法［84］和邊界元法［85］。

2.2.1 有限元法

在大部分研究中，通常根據(jù)未滑動(dòng)時(shí)的接觸面積來(lái)估計(jì)摩擦?xí)r的接觸面積，但實(shí)際的接觸區(qū)域是由大量的塑性變形接觸點(diǎn)所組成，這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，而有限元分析可以模擬復(fù)雜的接觸問題。圖6是磨蝕過程的有限元模型［82］，在模擬中不考慮潤(rùn)滑作用和表面粗糙度的影響，將往復(fù)的摩擦視為一個(gè)不發(fā)生變形的針在金屬表面進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)。在摩擦副和金屬剛剛開始接觸發(fā)生摩擦?xí)r，其中一個(gè)接觸區(qū)域發(fā)生磨損，另一個(gè)接觸區(qū)域只發(fā)生變形；隨著摩擦副的繼續(xù)移動(dòng)，新的區(qū)域開始接觸摩擦副，并發(fā)生磨損，而之前磨損的區(qū)域發(fā)生腐蝕。模型下方為凹凸不平的材料表面，上方為平端的摩擦副，在磨蝕的作用下，部分單位元材料被機(jī)械磨損去除，部分單位元材料被腐蝕介質(zhì)的腐蝕作用去除。部分單位元表面經(jīng)受著平端摩擦副的摩擦，發(fā)生了塑性變形。建立該模型后，輸入材料的硬度、楊氏模量、彈性模量、斷裂延伸率、屈服點(diǎn)強(qiáng)度和斷面收縮率等參數(shù)，則可通過有限元計(jì)算磨損率和腐蝕電流［84］。

2.2.2 邊界元法

除了有限元法外，還有研究者利用邊界元法對(duì)磨蝕過程進(jìn)行了模擬。在模擬中同樣不考慮磨蝕過程中的潤(rùn)滑作用和表面粗糙度的影響，通過數(shù)學(xué)計(jì)算接觸表面的變形和接觸壓力的分布，從而預(yù)測(cè)磨損腐蝕過程中材料降解［85］。圖7為磨蝕過程的邊界元模型［83］，dwear是單位元上移除材料的深度；P（x，y）是單位元上的壓力分布；H是材料的硬度；S為滑動(dòng)距離，可通過滑動(dòng)速度V和滑動(dòng)時(shí)間Δt來(lái)計(jì)算。通過式（7）可以計(jì)算出單位元移除材料的深度，然后dwear乘以單元面積即可得到材料損失量。通過邊界元法可以知道循環(huán)周期內(nèi)局部接觸壓力分布，從而預(yù)測(cè)磨痕輪廓和磨損量隨時(shí)間的變化關(guān)系。

3 結(jié)論

機(jī)械磨損與電化學(xué)腐蝕的交互作用的發(fā)生使不銹鋼的降解速度大幅提高，是導(dǎo)致不銹鋼在磨蝕過程中快速失效的主要原因。交互作用分為磨損對(duì)腐蝕的影響和腐蝕對(duì)磨損的影響。磨損對(duì)不銹鋼腐蝕行為的影響主要體現(xiàn)在破壞鈍化膜、增大表面粗糙度和增大材料缺陷濃度，這些都會(huì)加速不銹鋼的腐蝕速率。而腐蝕對(duì)磨損行為的影響主要體現(xiàn)在形成脆性鈍化膜、潤(rùn)滑作用和影響表面形變強(qiáng)化，這些影響并不都會(huì)加速磨損，還與腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)有著緊密的聯(lián)系。不銹鋼在磨蝕中會(huì)在表面形成一種梯度變形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以反映不銹鋼的磨蝕降解過程。由于表層結(jié)構(gòu)的巨大改變，不銹鋼表面性質(zhì)與原始材料相比發(fā)生明顯改變，這會(huì)直接影響到不銹鋼的耐磨蝕性能，但相關(guān)研究較少，有待進(jìn)一步深入研究。數(shù)學(xué)模型和計(jì)算模擬可以在一定程度上描述不銹鋼的磨蝕過程，但是由于磨蝕過程較為復(fù)雜，還無(wú)法真實(shí)地還原實(shí)際的磨蝕過程。