磨損

　　磨損是零部件失效的一種基本類型。通常意義上來講，磨損是指零部件幾何尺寸（體積）變小。 零部件失去原有設(shè)計所規(guī)定的功能稱為失效。失效包括完全喪失原定功能；功能降低和有嚴(yán)重?fù)p傷或隱患，繼續(xù)使用會失去可靠性及安全性和安全性。
　　1、磨損的分類
　　按照表面破壞機(jī)理特征，磨損可以分為磨粒磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等。前三種是磨損的基本類型，后兩種只在某些特定條件下才會發(fā)生。
　　磨粒磨損：物體表面與硬質(zhì)顆粒或硬質(zhì)凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失。
　　粘著磨損：摩擦副相對運(yùn)動時，由于固相焊合作用的結(jié)果，造成接觸面金屬損耗。
　　表面疲勞磨損：兩接觸表面在交變接觸壓應(yīng)力的作用下，材料表面因疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失。
　　腐蝕磨損：零件表面在摩擦的過程中，表面金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，因而出現(xiàn)的物質(zhì)損失。
　　微動磨損：兩接觸表面間沒有宏觀相對運(yùn)動，但在外界變動負(fù)荷影響下，有小振幅的相對振動（小于100μm），此時接觸表面間產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，因此造成的磨損稱為微動磨損。
　　2、表征材料磨損性能的參量
　　為了反映零件的磨損，常常需要用一些參量來表征材料的磨損性能。常用的參量有以下幾種：
　　(1)磨損量 由于磨損引起的材料損失量稱為磨損量，它可通過測量長度、體積或質(zhì)量的變化而得到，并相應(yīng)稱它們?yōu)榫�磨損量、體積磨損量和質(zhì)量磨損量。
　　(2)磨損率 以單位時間內(nèi)材料的磨損量表示，即磨損率I=dV /dt (V為磨損量,t為時間）。
　　(3)磨損度 以單位滑移距離內(nèi)材料的磨損量來表示，即磨損度E=dV/dL (L為滑移距離）。
　　(4)耐磨性 指材料抵抗磨損的性能，它以規(guī)定摩擦條件下的磨損率或磨損度的倒數(shù)來表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。
　　(5)相對耐磨性 指在同樣條件下，兩種材料（通常其中一種是Pb-Sn合金標(biāo)準(zhǔn)試樣）的耐磨性之比值，即相對耐磨性εw=ε試樣/ε標(biāo)樣。
　　3.磨損失效過程
　　機(jī)械零件的磨損失效常經(jīng)歷一定的磨損階段。圖1a所示為典型的磨損過程曲線，圖1b表示磨損過程曲線的斜率，即磨損率曲線。根據(jù)磨損率曲線，可以將磨損失效過程分為三個階段。
　　(1)跑合磨損階段（圖中0a段） 新的摩擦副在運(yùn)行初期，由于對偶表面的表面粗糙度值較大，實(shí)際接觸面積較小，接觸點(diǎn)數(shù)少而多數(shù)接觸點(diǎn)的面積又較大，接觸點(diǎn)粘著嚴(yán)重，因此磨損率較大。但隨著跑合的進(jìn)行，表面微峰峰頂逐漸磨去，表面粗糙度值降低，實(shí)際接觸面積增大，接觸點(diǎn)數(shù)增多，磨損率降低，為穩(wěn)定磨損階段創(chuàng)造了條件。為了避免跑合磨損階段損壞摩擦副，因此跑合磨損階段多采取在空車或低負(fù)荷下進(jìn)行；為了縮短跑合時間，也可采用含添加劑和固體潤滑劑的潤滑材料，在一定負(fù)荷和較高速度下進(jìn)行跑合。跑合結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行清洗并換上新的潤滑材料。
　　(2)穩(wěn)定磨損階段（圖中ab段） 這一階段磨損緩慢且穩(wěn)定，磨損率保持基本不變，屬正常工作階段，圖中相應(yīng)的橫坐標(biāo)就是摩擦副的耐磨壽命。
　　(3)劇烈磨損階段（圖中bc段） 經(jīng)過長時間的穩(wěn)定磨損后，由于摩擦副對偶表面間的間隙和表面形貌的改變以及表層的疲勞，其磨損率急劇增大，使機(jī)械效率下降、精度喪失、產(chǎn)生異常振動和噪聲、摩擦副溫度迅速升高，最終導(dǎo)致摩擦副完全失效。
　　有時也會出現(xiàn)下列情況：
　　(1)在跑合磨損階段與穩(wěn)定磨損階段無明顯磨損。當(dāng)表層達(dá)到疲勞極限后，就產(chǎn)生劇烈磨損，滾動軸承多屬于這種類型。
　　(2)跑合磨損階段磨損較快，但當(dāng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)定磨損階段后，在很長的一段時間內(nèi)磨損甚微，無明顯的劇烈磨損階段。一般特硬材料的磨損（如刀具等）就屬于這一類。
　　(3)某些摩擦副的磨損，從一開始就存在著逐漸加速磨損的現(xiàn)象，如閥門的磨損就屬于這種情況。
　　4、表面疲勞磨損
　　摩擦副兩對偶表面作滾動或滾滑復(fù)合運(yùn)動時，由于交變接觸應(yīng)力的作用，使表面材料疲勞斷裂而形成點(diǎn)蝕或剝落的現(xiàn)象，稱為表面疲勞磨損（或接觸疲勞磨損）。
　　如前所述，粘著磨損和磨粒磨損，都起因于固體表面間的直接接觸。如果摩擦副兩對偶表面被一層連續(xù)不斷的潤滑膜隔開，而且中間沒有磨粒存在時，上述兩種磨損則不會發(fā)生。但對于表面疲勞磨損來說，即使有良好的潤滑條件，磨損仍可能發(fā)生。因此，可以說這種磨損一般是難以避免的。
　　磨損機(jī)理
　　表面疲勞磨損形成的原因，按照疲勞裂紋產(chǎn)生的位置，目前存在兩種解釋。
　　(1)裂紋從表面上產(chǎn)生
　　摩擦副兩對偶表面在接觸過程中，由于受到法向應(yīng)力和切應(yīng)力的反復(fù)作用，必然引起表層材料塑性變形而導(dǎo)致表面硬化，最后在表面的應(yīng)力集中源（如切削痕、碰傷、腐蝕或其它磨損的痕跡等）出現(xiàn)初始裂紋，如圖1所示，該裂紋源以與滾動方向小于45°的傾角由表向內(nèi)擴(kuò)伸。當(dāng)潤滑油楔入裂紋中后，若滾動體的運(yùn)動方向與裂紋方向一致，當(dāng)接觸到裂口時，裂口封住，裂紋中的潤滑油則被堵塞在裂紋內(nèi)，因滾動使裂紋內(nèi)的潤滑油產(chǎn)生很大壓力將裂紋擴(kuò)展，經(jīng)交變應(yīng)力重復(fù)作用，裂紋發(fā)展到一定深度后則成為懸臂梁形狀，在油壓作用下材料從根部斷裂而在表面形成扇形的疲勞坑，造成表面疲勞磨損，這種磨損稱為點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕主要發(fā)生在高質(zhì)量鋼材以滑動為主的摩擦副中，這種磨損的裂紋形成時間很長，但擴(kuò)展速度十分迅速。
　　(2)裂紋從表層下產(chǎn)生
　　兩點(diǎn)（或線）接觸的摩擦副對偶表面，最大壓應(yīng)力發(fā)生在表面，最大切應(yīng)力發(fā)生在距表面0. 786a (a是點(diǎn)或線接觸區(qū)寬度的一半）處。在最大切應(yīng)力處，塑性變形最劇烈，且在交變應(yīng)力作用下反復(fù)變形，使該處材料局部弱化而出現(xiàn)裂紋。裂紋首先順滾動方向平行于表面擴(kuò)展，然后分叉延伸到表面，使表面材料呈片狀剝落而形成淺凹坑，造成表面疲勞磨損，這種磨損常稱為鱗剝。若在表層下最大切應(yīng)力處附近有非塑性夾雜物等缺陷，造成應(yīng)力集中，則極易早期產(chǎn)生裂紋而引起疲勞磨損，這種表面疲勞磨損主要發(fā)生在以滾動為主的一般質(zhì)量的鋼制摩擦副中。這種磨損的裂紋形成時間較短，但裂紋擴(kuò)展速度較慢。這種從表層下產(chǎn)生裂紋的疲勞磨損通常是滾動軸承的主要破壞形式。
　　滾動接觸疲勞磨損要經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之后才發(fā)生明顯的磨損，并很快形成較大的磨屑，使摩擦副對偶表面出現(xiàn)凹坑而喪失其工作能力；而在此之前磨損極微，可以不計。這與粘著磨損和磨粒磨損從一開始就發(fā)生磨損并逐漸增大的情況完全不同。因此，對滾動接觸疲勞磨損來說，磨損度或磨損率似乎不是一個很有用的參數(shù)，更有意義的是表面出現(xiàn)凹坑前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
　　影響磨損的因素
　　(1)材料性能
　　鋼中的非塑性夾雜物等冶金缺陷，對疲勞磨損有嚴(yán)重的影響。如鋼中的氮化物、氧化物、硅酸鹽等帶棱角的質(zhì)點(diǎn)，在受力過程中，其變形不能與基體協(xié)調(diào)而形成空隙，構(gòu)成應(yīng)力集中源，在交變應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，最后導(dǎo)致疲勞磨損早期出現(xiàn)。因此，選擇含有害夾雜物少的鋼（如軸承常用凈化鋼），對提高摩擦副抗疲勞磨損能力有著重要意義。在某些情況下，鑄鐵的抗疲勞磨損能力優(yōu)于鋼，這是因?yàn)殇撝形⒘鸭y受摩擦力的影響具有一定方向性，且也容易滲入油而擴(kuò)展；而鑄鐵基體組織中含有石墨，裂紋沿石墨發(fā)展且沒有一定方向性，潤滑油不易滲入裂紋。
　　(2)硬度
　　一般情況下，材料抗疲勞磨損能力隨表面硬度的增加而增強(qiáng)，而表面硬度一旦越過一定值，則情況相反。
　　鋼的芯部硬度對抗疲勞磨損有一定影響，在外載荷一定的條件下，芯部硬度越高，產(chǎn)生疲勞裂紋的危險性就越小。因此，對于滲碳鋼應(yīng)合理地提高其芯部硬度，但也不能無限地提高，否則韌性太低也容易產(chǎn)生裂紋。此外，鋼的硬化層厚度也對抗疲勞磨損能力有影響，硬化層太薄時，疲勞裂紋將出現(xiàn)在硬化層與基體的連接處而易形成表面剝落。因此，選擇硬化層厚度時，應(yīng)使疲勞裂紋產(chǎn)生在硬化層內(nèi)，以提高抗疲勞磨損能力。
　　齒輪副的硬度選配，一般要求大齒輪硬度低于小齒輪，這樣有利于跑合，使接觸應(yīng)力分布均勻和對大齒輪齒面產(chǎn)生冷作硬化作用，從而有效地提高齒輪副壽命。
　　(3)表面粗糙度
　　在接觸應(yīng)力一定的條件下，表面粗糙度值越小，抗疲勞磨損能力越高；當(dāng)表面粗糙度值小到一定值后，對抗疲勞磨損能力的影響減小。如滾動軸承，當(dāng)表面粗糙度值為Ra0.32mm時，其軸承壽命比Ra0.63mm時高2～3倍,Ra0.16mm比Ra0.32mm高1倍，Ra0.08mm比Ra0.16mm高0.4倍，Ra0.08mm以下時，其變化對疲勞磨損影響甚微。如果觸應(yīng)力太大，則無論表面粗糙度值多么小，其抗疲勞磨損能力都低。此外，若零件表面硬度越高，其表面粗糙度值也就應(yīng)越小，否則會降低抗疲勞磨損能力。
　　(4)摩擦力
　　接觸表面的摩擦力對抗疲勞磨損有著重要的影響。通常，純滾動的摩擦力只有法向載荷的1%～2%，而引入滑動以后，摩擦力可增加到法向載荷的10%甚至更大。摩擦力促進(jìn)接觸疲勞過程的原因是：摩擦力作用使最大切應(yīng)力位置趨于表面，增加了裂紋產(chǎn)生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉應(yīng)力會促使裂紋擴(kuò)展加速。
　　(5)潤滑
　　試驗(yàn)表明：潤滑油的粘度越高，抗疲勞磨損能力也越高；在潤滑油中適當(dāng)加入添加劑或固體潤滑劑，也能提高抗疲勞磨損能力；潤滑油的粘度隨壓力變化越大，其抗疲勞磨損能力也越大；潤滑油中含水量過多，對抗疲勞磨損能力影響也較大。
　　此外，接觸應(yīng)力的大小、循環(huán)速度、表面處理工藝、潤滑油量等因素，對抗疲勞磨損也有較大影響。