材料的磨損特性

磨損是由于機(jī)械作用和化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué)、電化學(xué)和機(jī)械化學(xué))使材料表面材料不斷流失或產(chǎn)生殘余變形和斷裂的現(xiàn)象。

磨損是發(fā)生在物體上的表面現(xiàn)象，其接觸面必然有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨損必然導(dǎo)致物質(zhì)損失(包括物質(zhì)轉(zhuǎn)移)，是一個(gè)漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有時(shí)變特征。

01

磨損的危害

(1)影響機(jī)器質(zhì)量，降低設(shè)備使用壽命，如齒輪齒面磨損、機(jī)床主軸軸承磨損等。

(2)降低機(jī)器效率，消耗能量，如柴油機(jī)氣缸套的磨損等。

(3)降低機(jī)器的可靠性，造成不安全因素，如斷齒、鋼軌磨損；

(4)消耗材料，造成機(jī)械材料大規(guī)模報(bào)廢。

磨損曲線

磨合階段:表面磨平，實(shí)際接觸面積增大，表面應(yīng)變變硬，形成氧化膜，磨損率降低；

穩(wěn)定磨損階段:斜率是磨損率，唯一穩(wěn)定的值；大部分零件處于穩(wěn)定磨損階段(AB階段)；

嚴(yán)重磨損階段:隨著磨損的增加，磨損增加，表面間隙增大，表面質(zhì)量變差，零件很快失效。

02

磨損評(píng)估

磨損零件的表面損傷是材料表面單個(gè)微觀體積損傷的總和。目前，磨損評(píng)估方法沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文主要介紹磨損量、耐磨性和磨損率三種方法。

磨損分為長(zhǎng)度磨損Wl、體積磨損Wv和重量磨損Ww。

耐磨性是指材料在一定工作條件下的耐磨性。耐磨性是體積磨損的倒數(shù)。

材料耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性。材料的相對(duì)耐磨性ε是指兩種材料A和B在相同外界條件下的磨損量之比，其中一種材料的A為標(biāo)準(zhǔn)(或參考)樣品。

εA=WA/WB

磨損率是用來(lái)衡量沖蝕磨損過(guò)程中的磨損量。(磨損率=材料的沖蝕磨損/導(dǎo)致磨損的磨料量)

03

磨損類型

按磨損機(jī)理可分為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損和微動(dòng)磨損，按環(huán)境介質(zhì)可分為干磨損、濕磨損和流體磨損。

1.粘著磨損

摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粘著效應(yīng)形成的接合處會(huì)被剪切斷裂，被剪切的材料要么脫落成碎片，要么從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面。這種磨損稱為粘著磨損。

磨損過(guò)程:粘著→剪切→轉(zhuǎn)移→再粘著。

粘著磨損示意圖

粘著磨損的類型、現(xiàn)象和原因

粘著磨損的影響因素

(1)摩擦副材料性能的影響

脆性材料比塑料材料具有更高的抗粘附性；

金屬相同或互溶性高的材料的摩擦副易發(fā)生粘著磨損，反之則不易發(fā)生粘著磨損。

多相金屬不容易粘著磨損；

表面處理可以減少粘著磨損；

高硬度的金屬比低硬度的金屬具有更強(qiáng)的抗粘附性。

(2)負(fù)載和速度的影響

載荷增加——粘著磨損加劇，但存在臨界載荷；

在一定壓力下，粘著磨損隨滑動(dòng)速度的增加而增加，達(dá)到一定最大值后隨滑動(dòng)速度的增加而減少。

(3)表面溫度的影響

表面溫度升高，潤(rùn)滑膜失效，材料硬度下降，摩擦表面易發(fā)生粘著磨損。

(4)潤(rùn)滑油和油脂的影響

在潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂中加入油性或極壓添加劑，可提高潤(rùn)滑油膜的吸附能力和油膜強(qiáng)度，可使抗粘著磨損能力提高一倍。

改善粘著磨損的措施:增加硬度、使用互溶性小的金屬、耐磨涂層、涂油性能、極壓添加劑。

2.磨料磨損

磨削表面上的外部硬顆?；蛴餐黄鸹虼植诜迨贡砻娌牧显谀Σ吝^(guò)程中脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損(也稱磨料磨損)。磨粒是由摩擦表面之間的摩擦產(chǎn)生的，或者是由介質(zhì)帶入摩擦表面的。

磨粒磨損是最常見(jiàn)的形式，主要發(fā)生在采礦、鉆井、建筑、運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)等機(jī)械零部件上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)中磨粒磨損造成的損失約占總量的50%。

磨料磨損的影響因素

改善磨削磨損的措施:(1)對(duì)于以切削為主要機(jī)制的磨粒磨損，應(yīng)提高材料硬度；(2)根據(jù)零件的使用條件，合理選擇相應(yīng)的耐磨材料；(3)采用滲碳、滲氮、共滲等化學(xué)熱處理提高表面硬度；(4)零件的防塵和清潔。

3.疲勞和磨損

當(dāng)兩個(gè)接觸表面受到純滾動(dòng)或滾滑復(fù)合摩擦?xí)r，在高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)多次應(yīng)力循環(huán)后，在相互作用表面的局部區(qū)域發(fā)生小塊材料剝落，形成凹坑或凹坑。這種磨損稱為疲勞磨損，也稱為接觸疲勞。

疲勞與材料疲勞失效的主要區(qū)別:磨損的產(chǎn)生與摩擦有關(guān)；磨損經(jīng)常發(fā)生在材料的表層或次表層。

疲勞類型:點(diǎn)蝕剝落、淺層剝落和深層剝落。

點(diǎn)狀剝落:指深度在0.1 ~ 0.2毫米以下的小片剝落，裂紋一般起于表面，剝落坑呈針狀或痘狀。

淺層剝落:剝落深度一般為0.2 ~ 0.4毫米..經(jīng)常出現(xiàn)在表面粗糙度低，相對(duì)滑動(dòng)小的場(chǎng)合。

深層剝落:這種剝落坑深(> > 0.4mm)，大。通常，它出現(xiàn)在表面強(qiáng)化材料中，如滲碳鋼。

疲勞的影響因素

改善疲勞的措施包括提高摩擦表面硬度、采用表面強(qiáng)化技術(shù)、提高冶金質(zhì)量、減少缺陷、增加潤(rùn)滑劑粘度、增加膜厚比和消除水分。

4.腐蝕和磨損

在摩擦過(guò)程中，材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料從表面流失的現(xiàn)象稱為腐蝕磨損。

腐蝕根據(jù)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，腐蝕磨損可分為兩類，即化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。化學(xué)腐蝕磨損是指金屬材料在氣體介質(zhì)或非電解質(zhì)溶液中的磨損，其中最主要的是氧化磨損。電化學(xué)腐蝕磨損是指金屬材料在導(dǎo)電電解質(zhì)溶液中的磨損。

氧化磨損是指金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，在表面形成氧化膜，然后被磨料或微凸體去除，新露出的表面再次被氧化磨掉的過(guò)程中形成的磨損。

氧化磨損條件:摩擦表面的氧化速率高于氧化膜，氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度高于摩擦表面的剪切應(yīng)力，氧化膜的厚度大于表面磨損的深度。

氧化磨損的影響因素:氧化膜性質(zhì)、載荷、滑動(dòng)速度、金屬表面狀態(tài)。

電化學(xué)磨損是指摩擦副在電解質(zhì)溶液(如酸、堿、鹽等)中工作的過(guò)程。)，并與它們反應(yīng)形成各種產(chǎn)物，然后在摩擦中被去除。

摩擦表面布滿點(diǎn)狀或絲狀腐蝕痕跡，磨損產(chǎn)物為酸、堿、鹽的金屬化合物。

電化學(xué)磨損的影響因素:(1)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，同一種材料在不同介質(zhì)中的腐蝕磨損行為是不同的，此外，介質(zhì)的濃度、pH值、溫度也會(huì)影響腐蝕磨損；(2)材料性能:在強(qiáng)磨損-弱腐蝕條件下，含碳量增加-耐磨性增加，而在弱磨損-強(qiáng)腐蝕條件下，耐磨性降低。不同熱處理后鋼的顯微組織差異也會(huì)影響鋼的耐磨性。(3)力學(xué)因素，外加載荷的大小和頻率也會(huì)影響材料的耐磨性。

5.其他形式的磨損

沖蝕是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度沖擊材料表面而產(chǎn)生的磨損。

根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕磨損。

對(duì)于沖蝕磨損，通常采用預(yù)防護(hù)涂層，根據(jù)不同的磨損條件選擇不同的防護(hù)層。主要有三種:耐磨涂層膠和耐磨修補(bǔ)劑進(jìn)行預(yù)保護(hù)；采用耐磨陶瓷膠粘貼專用耐磨陶瓷片進(jìn)行預(yù)保護(hù)；采用聚氨酯彈性涂層。

微動(dòng)磨損是指壓配合表面在小振幅振動(dòng)下的磨損現(xiàn)象，是一種復(fù)合磨損(粘著、磨粒、疲勞和腐蝕)。

金屬表面微動(dòng)磨損原理示意圖

微動(dòng)的控制措施:消除振動(dòng)，增加結(jié)合面的正壓力，增加結(jié)合面之間的摩擦力，采用良好的潤(rùn)滑、脂和固體潤(rùn)滑劑。

04

磨耗試驗(yàn)

確定材料耐磨性的材料試驗(yàn)。通過(guò)這個(gè)測(cè)試，可以比較材料的耐磨性。

磨損試驗(yàn)比常規(guī)材料試驗(yàn)更復(fù)雜。首先，需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選擇合適的試驗(yàn)方法，使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合。

磨損試驗(yàn)方法的比較

磨損試驗(yàn)機(jī):滾子磨損試驗(yàn)機(jī)、環(huán)磨損試驗(yàn)機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)單針磨損試驗(yàn)機(jī)、往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)和濕磨試驗(yàn)機(jī)。