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材料的磨損性能
7.1 概述
磨損是由于機(jī)械作用、化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué)、電化學(xué)和力化學(xué)等反應(yīng))，材料表面物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形和斷裂的現(xiàn)象。
磨損是發(fā)生在物體上的一種表面現(xiàn)象，其接觸表面必須有相對運(yùn)動(dòng)。磨損必然產(chǎn)生物質(zhì)損耗(包括材料轉(zhuǎn)移)，而且它是具有時(shí)變特征的漸進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程。
磨損的危害:(1)影響機(jī)器的質(zhì)量，減低設(shè)備的使用壽命，如齒輪齒面的磨損、機(jī)床主軸軸承磨損等；(2)降低機(jī)器的效率，消耗能量，如柴油機(jī)缸套的磨損等；(3)減少機(jī)器的可靠性，造成不安全的因素，如斷齒、鋼軌磨損；(4)消耗材料，造成機(jī)械材料的大面積報(bào)廢。
磨損曲線
跑和階段：表面被磨平，實(shí)際接觸面積不斷增大，表面應(yīng)變硬化，形成氧化膜，磨損速率減??；
穩(wěn)定磨損階段：斜率就是磨損速率，唯一穩(wěn)定值；大多數(shù)機(jī)件在穩(wěn)定磨損階段（AB段）服役；
劇烈磨損階段：隨磨損的增長，磨耗增加，表面間隙增大，表面質(zhì)量惡化，機(jī)件快速失效。
7.2 磨損的評定
磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。目前對磨損評定方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這里主要介紹三種方法：磨損量、耐磨性和磨損比。
磨損量分為長度磨損量Wl、體積磨損量Wv、重量磨損量Ww。
耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性。耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數(shù)。
材料耐磨性分為相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。材料的相對耐磨性ε是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值，其中材料之一的A是標(biāo)準(zhǔn)(或參考)試樣。
εA＝WA/WB
磨損比用于度量沖蝕磨損過程中的磨損。（磨損比=材料的沖蝕磨損量/造成該磨損量所用的磨料量）
7.3 磨損類型
磨損按磨損機(jī)理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損，按環(huán)境介質(zhì)可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。
7.3.1 粘著磨損
當(dāng)摩擦副相對滑動(dòng)時(shí), 由于粘著效應(yīng)所形成結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類磨損稱為粘著磨損。
磨損過程：粘著→剪斷→轉(zhuǎn)移→再粘著。
粘著磨損示意圖
粘著磨損類別、現(xiàn)象及原因
粘著磨損的影響因素
（1）摩擦副材料性質(zhì)的影響
脆性材料比塑料材料的抗粘著能力高；
相同金屬或互溶性大的材料摩擦副易發(fā)生粘著磨損，反之則不易發(fā)生粘著磨損；
多相金屬也不容易發(fā)生粘著磨損；
表面處理可以減小粘著磨損；
硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強(qiáng)。
（2）載荷與速度的影響
載荷增加——粘著磨損加劇，但是有一個(gè)臨界載荷；
在壓力一定的情況下，粘著磨損隨滑動(dòng)速度的增加而增加，在達(dá)到某一極大值后，又隨著滑動(dòng)速度的增加而減少。
（3）表面溫度的影響
表面溫度升高可使?jié)櫥な?，使材料硬度下降，摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損。
（4）潤滑油、潤滑脂的影響
在潤滑油、潤滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。
粘著磨損的改善措施：提高硬度、采用互溶性小的金屬、耐磨鍍層、加油性和極壓添加劑。
7.3.2 磨粒磨損
外界硬顆粒或者對磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象,稱為磨粒磨損（又稱磨料磨損）。磨粒是摩擦表面互相摩擦產(chǎn)生或由介質(zhì)帶入摩擦表面。
磨粒磨損是最普遍的一種形式，主要出現(xiàn)在采礦、鉆探、建筑、運(yùn)輸與農(nóng)業(yè)等機(jī)械相關(guān)零部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。
磨粒磨損的影響因素
磨礪磨損的改善措施：（1）對于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度；（2）根據(jù)機(jī)件的服役條件，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）機(jī)件的防塵和清洗。
7.3.3 疲勞磨損
兩接觸表面作純滾動(dòng)或滾動(dòng)與滑動(dòng)復(fù)合摩擦?xí)r，在高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)后，在其相互作用表面的局部地區(qū)產(chǎn)生小塊材料剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，這種磨損稱為疲勞磨損，又稱為接觸疲勞。
疲勞磨損與材料疲勞破壞的主要區(qū)別：磨損的產(chǎn)生與摩擦力有關(guān)；磨損往往發(fā)生在材料的表層或次表層。
疲勞磨損類型：麻點(diǎn)剝落、淺層剝落、深層剝落。
麻點(diǎn)剝落: 是指深度在0.1~0.2mm以下的小塊剝落，裂紋一般起源于表面，剝落坑呈針狀或痘狀。
淺層剝落: 其剝落深度一般為0.2~0.4 mm。多出現(xiàn)在機(jī)件表面粗糙度低、相對滑動(dòng)小的場合。
深層剝落: 這類剝落坑較深(＞0.4mm)、塊大。一般發(fā)生在表面強(qiáng)化的材料中，如滲碳鋼中。
疲勞磨損影響因素
疲勞磨損的改善措施：提高摩擦面硬度、采用表面強(qiáng)化工藝、提高冶金質(zhì)量、減少缺陷、提高潤滑劑粘度、增大膜厚比，消除水分。
7.3.4 腐蝕磨損
材料在摩擦過程中與周圍的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的物質(zhì)從表面損失的現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損。
腐蝕磨損按腐蝕介質(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?；瘜W(xué)腐蝕磨損指金屬材料在氣體介質(zhì)或非電解質(zhì)溶液中的磨損，其中最重要的一種是氧化磨損。電化學(xué)腐蝕磨損指金屬材料在導(dǎo)電性電解質(zhì)溶液中的磨損。
氧化磨損指金屬表面與氣體介質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，在表面生成氧化膜，隨后在磨料或微凸體作用下被去除，新暴露的表面又重新被氧化、磨去的過程中形成的磨損。
氧化磨損條件：摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨損的速率，氧化膜與基體結(jié)合的強(qiáng)度大于摩擦表面的剪切應(yīng)力，氧化膜厚度大于表面磨損破壞的深度。
氧化磨損影響因素：氧化膜性質(zhì)、載荷、滑動(dòng)速度、金屬表面狀態(tài)。
電化學(xué)腐蝕磨損是指摩擦副工作在電解質(zhì)溶液（如酸、堿、鹽等）中，并和它們發(fā)生作用形成各種不同的產(chǎn)物，又在摩擦中被去除的過程。
摩擦表面遍布點(diǎn)狀或絲狀腐蝕痕跡，磨損產(chǎn)物是酸、堿、鹽的金屬化合物。
電化學(xué)腐蝕磨損的影響因素：（1）腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，同種材質(zhì)在不同介質(zhì)中的腐蝕磨損行為是不同的，另外，介質(zhì)濃度、pH值和溫度也會(huì)影響腐蝕磨損；（2）材料性質(zhì)，在強(qiáng)磨損—弱腐蝕條件下，含碳量提升——耐磨蝕性提高，反之在弱磨損—強(qiáng)腐蝕條件下則耐磨蝕性降低。不同熱處理后鋼的組織差異也會(huì)對鋼的耐磨性有影響；（3）機(jī)械因素，外加載荷的大小及其作用頻率也會(huì)對材料耐磨蝕性產(chǎn)生影響。
7.3.5 其他磨損形式
沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。
根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。
對于沖蝕磨損通常采用涂抹預(yù)保護(hù)涂層，根據(jù)磨損情況的不同選擇不同的保護(hù)層。主要有以下三種：采用耐磨涂層膠，耐磨修補(bǔ)劑進(jìn)行預(yù)保護(hù)；采用耐磨陶瓷膠粘貼特種耐磨陶瓷片進(jìn)行預(yù)保護(hù)；采用聚氨酯彈性涂層。
微動(dòng)磨損指受壓配合面在微小幅度的振動(dòng)下發(fā)生的磨損現(xiàn)象，是一種復(fù)合磨損（粘著、磨粒、疲勞、腐蝕）。
金屬表面的微動(dòng)磨損原理示意圖
微動(dòng)磨損的控制措施：消除振動(dòng)，增加接合面上的正壓力，增大接合面間的摩擦力，采用良好的潤滑，采用潤滑脂，采用固體潤滑劑。
7.4 磨損試驗(yàn)
測定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗(yàn)。通過這種試驗(yàn)可以比較材料的耐磨性優(yōu)劣。
磨損試驗(yàn)比常規(guī)的材料試驗(yàn)要復(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，然后選定合適的試驗(yàn)方法，以便使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。
磨損試驗(yàn)方法比較
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分類 |
特點(diǎn) |
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現(xiàn)場實(shí)物試驗(yàn) |
實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果可靠性大，但所需時(shí)間較長，且外界因素難于掌握和分析。 |
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實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) |
試驗(yàn)時(shí)間短、成本低且易于控制，但試驗(yàn)結(jié)果往往不能直接表明實(shí)驗(yàn)情況，又分為試樣磨損試驗(yàn)和臺(tái)架磨損試驗(yàn)。 |
磨損試驗(yàn)儀器：滾子式磨損試驗(yàn)機(jī)、環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤一銷式磨損試驗(yàn)機(jī)、往復(fù)式摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)、四球式摩擦-磨損試驗(yàn)機(jī)、接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)、濕磨科磨試驗(yàn)機(jī)。
磨損量的測量方法
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方法 |
簡介 |
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稱重法 |
測量磨損試驗(yàn)前后試樣重量變化，其差數(shù)即為磨損量。常用感量是萬分之一克的分析天平。 |
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測長法 |
適用當(dāng)精度的長度測量器對磨損試驗(yàn)前后的摩擦表面法向尺寸進(jìn)行測量，其差數(shù)即為磨損量。 |
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微觀輪廓法 |
試驗(yàn)前后在摩擦表面上同一部位記錄其微觀輪廓起伏曲線，即測定同一部位輪廓線的試驗(yàn)前后變化量，來確定磨損量。 |
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刻痕法 |
在磨損試樣表面人為地做一個(gè)測量基準(zhǔn)——凹痕，用試驗(yàn)前后測量凹痕的變化來確定磨損量。 |
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化學(xué)分析法 |
利用化學(xué)分析來測定磨損試樣摩擦偶件落在潤滑劑中磨損產(chǎn)物的含量，間接測定磨損速度。 |
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放射性同位素法 |
將摩擦表面經(jīng)放射性同位素活化，定期測量落入潤滑油中的磨屑額放射性強(qiáng)度，可換算磨損量隨時(shí)間的變化。 |
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鐵譜方法 |
利用高梯度磁場將潤滑油中的磁性磨屑分離出來分析，可用來對機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 |
7.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
來源：財(cái)易通
冀公網(wǎng)安備13050002001422號