材料磨损失效分析简述

材料磨损失效分析简述

摘要：综述了磨损失效的常见类型及该磨损失效的的影响因素，包括材料的磨损失效过程，指出了降低材料磨损失效的措施，为预防工程领域材料的磨损失效提供了方向。

关键词：磨损失效；类型；影响因素；过程；预防措施

The Review Of Wear Failure Analysis In Materials Abstract:The common types and its influencing factors was summarized. Including the process of wear failure of materials.And the measures of how to reduce wear failure was pointed out.Pointed directions how to preventing wear failure in engineering material field.

Key words:wear, failure; classify; influencing factor;process; precautionary measures

引言

磨损失效是机械设备和零部件的三种主要失效形式———断裂、腐蚀和磨损失效形式之一。世界一次能源的三分之一、机电设备的70%—80%是由于各种形式的磨损而产生故障[1]。磨损不仅造成大量的材料浪费，而且可能直接导致灾难性后果。因此,研究磨损失效的原因,制定抗磨对策、减少磨损耗材、提高机械设备和零件的安全寿命是极为有必要的。

1 常见磨损失效类型及其影响因素

1.1粘着磨损

当一对磨擦副的两个磨擦表面的显微凸起端部相互接触时，即使法向负载很小，但因为凸起端部实际接触的面积很小，所以接触应力很大。如果接触应力大到足以使凸起端部的材料发生塑性变形而且接触表面非常干净，彼此又具有很好的适应性，那么在磨擦界面上很可能形粘着点。当磨擦面发生相对滑动时，粘着占在剪应力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面。通常，金属的这种迁移是由较软的磨擦面迁移到较硬的磨擦面上。根据磨损试验后对磨擦面进行金相检验发现，迁移的金属往往呈颗粒状粘附在表面[2]。这是反复的滑动磨擦，使粘着点扩大并在剪应力作用下在粘着点后根部开裂，进而形成磨粒的结果。这就是粘着磨损。粘着磨损过程十分复杂，以上所述只是对复杂现象作了简单的描述。

影响粘着磨损性能因素有[3]：

（1）润滑条件或环境。在真空条件下金属的磨损极为严重。除了金以外，在大气条件下，金属经过切削或磨削加工，洁净的表面产生氧化膜，它在防止粘着磨损方面有重要的作用。而良好的润滑条件更是降低粘着磨损的重要保障。

（2）摩擦副的硬度。材料的硬度越高，耐磨性越好。材料体系一定时，可采用涂层或其他表面处理工艺来降低粘着磨损。

（3）晶体结构和晶体的互溶性。其它条件相同时，晶体结构为hcp的材料摩擦系数最低，fcc次之，bcc最高。冶金上互溶性好的金属摩擦副摩擦系数和磨损率高。

（4）温度。温度对材料粘着磨损的影响是间接的。温度升高，材料硬度下降，摩擦副互溶性增加，磨损加剧。

1.2 磨粒磨损

在磨擦系统中，经常见到另一种磨损形式是磨粒磨损。磨粒磨损的现象很多，归纳起来，主要有以下两种形式。

第一种工是在工业生产中常常遇到的，如切削和磨削加工。磨粒可嵌在基体上，如磨粒嵌埋在树脂中的砂轮用来磨削金属表面。每个磨粒在被磨金属表面切割出一条沟槽，将金属从表面切除。通常，磨粒材料具有高的强度。当磨粒和金属表面是干摩擦时，从金属表面被切削的颗粒呈直削片或卷曲状削片；当表面被有效润滑时，磨粒被钝化后，金属表面主要发生变形而不是被切削。在一般的装置中，这两种过程都同时发生。粘着磨粒磨损中也起一定作用。当磨粒和洁净的金属表面接触时，使发生向磨粒表面的金属迁移，这样便减缓了磨粒磨损的进程。

第二种形式是具有高强度的颗粒，如二氧化硅，氧化铝和碳化硅，进入两个磨擦面之间，使两个磨擦面都被切割成沟槽。用氧化铝，氧化镁抛光金属表面就是这种类型的磨损。通常，在磨粒磨损过程中，磨粒愈来愈小[4]。当然，抛光是有益的磨损，但是有些磨粒磨损却十分有害。如磨粒进入啮合的齿面，将使齿面磨损而失效。如磨粒进入轴承磨擦面，将使轴承元件磨损而导致轴承失效。

影响磨粒磨损性能因素有[5]：

（1）磨粒硬度。对均质材料而言，其影响程度以磨粒硬度Ha和材料硬度Hm的比值来标志。当Ha/Hm<1.0时，为软磨损，磨损速率很低。当Ha/Hm<1.2时，继续增加磨粒硬度意义不大。当1.0< Ha/Hm<1.2，其磨损速率随Ha/Hm的增加几乎是线性的。

（2）磨粒形状和粒度。当磨粒在某一临界尺寸一下时，材料的体积磨损率随尺寸增加按比例急剧增加；当超过这一尺寸是，磨损增大的幅度显著降低。磨粒形状对磨粒磨损过程有明显影响。尖锐性磨粒磨损速率最大，圆形磨粒的最小。

（3）材料力学性能和显微组织。在同样硬度条件下，奥氏体、贝氏体的耐磨性优于珠光体和马氏体。夹杂物和内部缺陷会使磨损过程中更容易产生剥落、开裂。

（4）工况和环境。一般情况下，湿磨损由于能起到润滑和冷却的作用，磨损率少有下降。但在腐蚀介质及高温条件下的磨粒磨损过程会产生很大的变化，磨损速率会大幅增加。

1.3冲蚀磨损

冲蚀（Erosion）有咬蚀的含意。但一般是指由外部机械力作用下使用材料被破坏和磨去的现象。这里讲的外部力，通常是由于固体向固体表面液体向固体表面或气体向固体表面或气体向固体表面不断地进行动态撞击而产生的。颗粒A以一定速度向材料B表面撞击，B表面被磨去一些材料，在材料B表面留下一个凹坑。颗粒A可能具有不同的成份和以不同形式存在。

影响磨粒磨损性能因素有[6]：

（1）冲蚀速度。对铝、铜、软钢等延性材料进行研究发现, 在冲蚀速度< 10m / s时,随冲角α增大,材料的冲蚀磨损率ε不断增加。

（2）冲蚀角度。最小冲蚀率在90°冲角处。当冲蚀角为20°时，相当于一种切削过程，也称切削磨损。

1.4 疲劳磨损

当两种材料相对运动(滚动或滑动)时,接触区受到循环应力的反复作用,当循环应力超过材料接触疲劳强度,接触表面或表面下某处形成疲劳裂纹,造成表面层局部脱落的现象称为疲劳磨损。这种损伤经历两个阶段：材料表面或表层裂纹的萌生和裂纹的扩展。目前，一般认为疲劳裂纹的萌生是塑性变形的结果，但是这种塑性变形仅仅出现在亚微观范围内。在滚动元件中产生塑性变形主要是由一起材料表面或表层的不完整性[7]。在滚动元件的表面，即使加工得非常光滑也存在着显微凹凸，显微凸起端部开始接触承压时，也只需要很小的负载就

会产生塑性变性，这种变形对滚动元件的运行性能几乎没有什么影响，但是塑性变形功对引起表面疲劳是重要的。

影响疲劳磨损的主要因素:零件表面硬度越高,产生疲劳裂纹的危险性越小;减少表面粗糙度,可改善零件疲劳寿命;高粘度的润滑油能提高抗疲劳磨损的能力,有利于提高疲劳寿命等[8]。

1.5 腐蚀磨损

当一对磨擦副在一定的环境中发生磨擦时，在磨擦面上便发生与环境介质的反应并形成反应产物，这些反应产物将影响滑支和滚动过程中表面磨擦特性。环境介质和磨擦面的交互作用有许多机制。活性或腐蚀性介质的磨擦面反应后产生的腐蚀产物，和表面的结合性能一般都较差，进一步磨擦后，这些腐蚀产物就会被磨去。这样重复的现象就叫做腐蚀磨损。这种交互作用是循环的和逐步的。在第一阶段是两个磨擦表面和环境发生反应，反应结果是在两个磨擦表面形成反应产物，在第二阶段是两个磨擦表面相互接触的过程中，由于反应产物被磨擦和形成裂纹，结果反应产物就被磨去。一旦反应产物被磨去，就暴露出未反应表面，那么就又开始了腐蚀磨损的第一阶段[9]。

影响腐蚀磨损的主要因素:腐蚀介质(如酸、碱、盐)的性质、零件表面氧化膜的性质和环境温度与湿度等。

1.6 微动磨损

当两个承载的相互接触表面经历相对往复切风吹草动振动时，由于振动或循环应力的作用产生所谓的“滑移”而导致微动损伤。通常，切向的相对运动量很小，而且难以测定。这种微动损伤过程有三个主要特点：一是在大多数情况下，“滑移”仅发生在相互接触部分，根据许多微动过程的实例可知“滑移”的幅值约为2～20um，相对切向运动是不规则的。但是在许多试验研究中，切向振动是受迫的，振幅也较大，并且具有往复磨损的特征。二是两个磨擦面始终相互紧密接触，磨屑总是被裹夹在接触面之间。磨擦面和环境的接触受到了限制。但是当振幅增大时就会失去这个特点。第三，由于循环应力作用在磨擦面上，所以形成了疲劳裂纹核心。一对磨擦副表面在以上条件下造成的损伤，就叫做微动磨损。如钢丝绳之间的相互磨擦过程。

影响微动磨损的因素主要与摆动角度和负荷有关，也和重复次数相关[10]。

2降低磨损失效的措施[11]

2.1材料的选择

材料的选择基本原则是适用性、可得性和经济性。当然在选择时还应该充分考虑到所处的工况环境对零件抗磨性的影响。根据失效分析的结果，材料的性能和表面形态对零件的磨损影响很大。提高耐磨性和韧性可以初步确定为重点考虑的问题。可通过各种表面强化技术，如表面渗碳、渗合金元素等方法，提高零件表面硬度，使表面硬度尽可能超过磨料的硬度，提高耐磨性。

2.2 改进结构设计和表面几何特征

磨损失效受结构的影响很大，包括整机的结构和零件的形状尺寸、配合接触方式、特殊的工艺方法等。为此，需要考虑磨物的接触状态，本质是力的作用和力流方向的改善问题。零件接触表面的特征是影响摩擦的主要因素，因此，改善接触表面的光洁度、粗糙度是主要的手段，同时还要对接触表面的几何形状、尺寸等都要进行合理设计，或采取相适宜的加工工艺。

2.3改善工况

空气中的灰尘颗粒、粉末和液体气泡等浸入摩擦表面会加速磨损；各种酸性、碱性或盐类化学物质的浸入会加速零件的氧化和腐蚀磨损，因此，要尽可能地减少这类物质的混入，为接触表面提供优良的工作环境。同时，要防止机械长时间在高温、重载、高速的工况下工作。

2.4 合理的维修保养

根据工艺合理、经济合算、生产可行的原则，合理进行维修，保证维修质量。建立合理的维护保养制度，严格执行技术保养和使用操作规程，是保证机械设备工作的可靠性和提高使用寿命的重要条件。

3 磨损失效过程

图 1 磨损量与时间（磨损行程）曲线

磨损失效一般分为三个阶段[12]： 跑合阶段（磨合阶段）：新的摩擦副在运行初期，由于对偶表面的表面粗糙度值较大，实际接触面积较小，接触点数少而多数接触点的面积又较大，接触点粘着严重，因此磨损率较大。但随着跑合的进行，表面微峰峰顶逐渐磨去，表面粗糙度值降低，实际接触面积增大，接触点数增多，磨损率降低，为稳定磨损阶段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副，因此跑合磨损阶段多采取在空车或低负荷下进行；为了缩短跑合时间，也可采用含添加剂和固体润滑剂的润滑材料，在一定负荷和较高速度下进行跑合。

稳定磨损阶段：这一阶段磨损缓慢稳定，如上图 1 中的A-B 线段。这一线段的斜率就是磨损速度。横座标时间就是零件的耐磨寿命（或摩擦行程）。

剧烈磨损阶段：B 点以后，由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高，最终导致摩擦副完全失效。

4 结束语

磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式,其中有70%~80%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。磨损是工程机械设备机械零件的主要失效形式，直接影响了设备的可靠性和寿命。因而通过研究材料磨损失效的机理，分析材料的失效过程，进而改进设计、合理选材和对材料进行表面处理等措施，对降低材料的磨损失效具有很好的作用。

参考文献：

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