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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(duì)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(guò)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，磨損速率減小；
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(zhǎng)，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(píng)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(duì)磨損評(píng)定方法還沒(méi)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(zhǎng)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(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。材料的相對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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В共牧嫌捕认陆?，摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損。
（4）潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的影響
在潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤(rùn)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?；蛘邔?duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)滑動(dòng)小的場(chǎng)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(rùn)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(rùn)滑，采用潤(rùn)滑脂，采用固體潤(rùn)滑劑。
7.4 磨損試驗(yàn)
測(cè)定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗(yàn)。通過(guò)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(chǎng)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(zhǎng)，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(pán)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(cè)量方法
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方法 |
簡(jiǎn)介 |
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稱重法 |
測(cè)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(wàn)分之一克的分析天平。 |
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測(cè)長(zhǎng)法 |
適用當(dāng)精度的長(zhǎng)度測(cè)量器對(duì)磨損試驗(yàn)前后的摩擦表面法向尺寸進(jìn)行測(cè)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(cè)定同一部位輪廓線的試驗(yàn)前后變化量，來(lái)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(cè)量基準(zhǔn)——凹痕，用試驗(yàn)前后測(cè)量凹痕的變化來(lái)確定磨損量。 |
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化學(xué)分析法 |
利用化學(xué)分析來(lái)測(cè)定磨損試樣摩擦偶件落在潤(rùn)滑劑中磨損產(chǎn)物的含量，間接測(cè)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(cè)量落入潤(rùn)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(chǎng)將潤(rùn)滑油中的磁性磨屑分離出來(lái)分析，可用來(lái)對(duì)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(lái)源：財(cái)易通
冀公網(wǎng)安備13050002001422號(hào)