磨损失效分析

防止及减少磨损的途径
• ①改进设计，改变摩擦条件来减少或防止 磨损； • ②选用更耐磨的材料来延长寿命。
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作业： 1. 失效（故障） 2. 失效分析 3. 断裂失效分析 4. 疲劳断裂 5. 应力腐蚀断裂 6. 表面疲劳磨损 1.简述材料学科中断口分析与失效分析中的 断口分析有何不同？ • 2.金属零件发生电化学腐蚀的基本条件是什 么？ • 3.失效分析常用的检测技术及其选用原则是 什么？
粘着磨损
• 相对运动的物体接触表面发生了固相粘着， 使材料从一个表面转移到另一表面的现象， 称为粘着磨损。
粘着磨损机理
• 若粘着点的强度低于摩擦副两边的强度时， 粘着从接触面分开，这是基体内部变形小， 磨损面也显得较光滑，只有轻微的擦伤， 这种情况称为外部粘着磨损；与此相反， 若粘着点的强度比两边材料中一方的强度 高时，这时分离面发生在较弱的金属内部， 摩擦面较为粗糙，有明显的撕裂痕迹，称 为内部粘着磨损。
• 此外，存在化学和应力方面的缺陷。
机械的表面接触
• 机械表面之间的实际接触情况
• • 对于金属来说，轮廓接触面积Ac一般只占名义接触面积的5%-10%。 实际接触面积Aて只有名义接触面积的千分之几或者万分之几。 当载荷F增加时，表面的接触变形y将经历弹性变形，弹塑性变形和 完全塑性变形三个阶段。 从有关实际接触面积的大量实验资料中，总结出其形成过程的以下 特点： ①由于表面粗糙度具有离散性，所以它们的接触也具有离散性。 ②实际的接触点不仅是由于塑性变形而且还由于弹性变形所产生， 所以卸载时，实际接触点的数目和实际接触面积一般要减少。 ③实际接触面积随载荷增大。 ④实际接触面积的增加，主要是由于接触点数目的增加，尤其是表 面粗糙度很小的时候。
磨粒磨损模型示意图
影响磨粒磨损失效的主要因素
• 材料硬度的影响 磨损量与材料的硬度成正比。，材料的 相对耐磨性与材料的硬度HV成反比。 磨粒特性的影响 滑动磨粒磨削过程中的主要机理是显微 切削。磨粒的形状、磨粒的硬度及磨粒的 粒度均对磨损过程有重要的影响。 载荷大小、润滑条件、材料的显微组织、 滑动速度、加工硬化等均影响磨损过程。
• 金属磨损自修复.flv
磨损失效分析的基本步骤
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①了解失效零件在机器或机构中的功能； ②了解零部件相对运动的方式及速度； ③了解耦合表面所受的力或应力； ④了解润滑剂品种、润滑方式及换油周期； ⑤了解零件的工作环境是否含磨粒颗粒、水分、腐蚀性气体以及温度 等； ⑥了解该零件机器耦合件的材料及工艺条件，尤其是实际执行的情况。 必要时到生产单位调查其生产过程； ⑦了解零件的寿命、磨损量； ⑧在宏观及微观范围检查磨损表面及摩擦表面下的组织情况； ⑨根据以上所获得的信息可判断磨损形式及磨损失效的原因； ⑩提出防止或减少磨损的措施
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疲劳磨损
• 两接触面作滚动或滑动，或是滑动与滚动 复合的摩擦状态，在交变接触应力的作用 下，使材料表面疲劳而产生物质流失的过 程，称为表面疲劳磨损，也称为接触疲劳 磨损。易产生表面疲劳磨损的零件如齿轮 表面、轴承表面、凸轮等。
表面疲劳磨损的特点和形貌特征
• 金属表面接触疲劳多发生在表面缺陷处或浅层表 面缺陷处，如冷加工表面划伤处、刀痕、冶金缺 陷、热加工缺陷、组织局部不均匀、流线不均匀 等，也可以发生在表面晶界处或界面处。 • 金属表面接触疲劳过程也是疲劳裂纹萌生、长大 和最后断裂的过程。 • 表面疲劳磨损是介于疲劳与磨损之间的破坏方式。 • 表面疲劳磨损失效的另一个重要特征是疲劳裂缝 在相互接触表层下面一定深度。
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接触应力
• 零件之间的接触面一般都较小。因此在接触面上及其附近 的压力很大。由于接触点附近的材料处于三向受压的压力 很大，材料往往仍处于弹性状态。同时，接触应力存在于 非常小的局部区域，即使它的计算应力值达到材料的屈服 极限，也只不过在这局部区域内发生塑性变形。
影响接触应力的主要因素
• ① 残余应力——往往在不太大的法向载荷下，接触区中 某些点上的应力就已达到材料的屈服极限，因而发生局部 塑性变形，引起残余应力。 • ② 热应力——两接触面相对滑动时要产生摩擦，是不太大的摩擦热，就足以使 此微小体积的局部温度升高，从而引起热应力。 • ③润滑——在相对滑动的两接触面间通常是有润滑的，润 滑状况首先影响摩擦系数的大小因而也影响了热应力及切 向载荷。此外，在接触面间还可能产生动压油膜，油膜的 存在使接触区的大小、形状及压力的分布也要发生变化。 • ④ 接触面的几何形状——接触表面的微观不平度使得接 触表面几何图形复杂。接触应力、热应力与油膜应力也要 使接触表面的形状与理想状态发生偏差。
磨损过程
• • • 磨合阶段（Ⅰ区，O--A） 正常磨损阶段（Ⅱ区，A--B） 严重磨损阶段（Ⅲ区，B--C损的分类
• 按照磨损的破坏机理，磨损可分为： ①粘着磨损； ②磨粒磨损； ③表面疲劳磨损； ④腐蚀磨损。 • 按机件表面磨损状态，又可分为： ①连续磨损； ②粘着磨损； ③疲劳磨损； ④磨粒磨损； ⑤腐蚀磨损； ⑥微动磨损； ⑦表面塑性流动。
影响疲劳磨损的因素
• 1. 材质的影响 • 2. 表面硬度的影响 • 轴承钢的硬度为HRC62时，抗疲劳磨损能力最大，随着硬度的增加 或降低，寿命均有较大的下降。对齿轮来说，齿轮硬度HRC58—62 的范围内为最佳，一般要求小齿轮的硬度大于大齿轮。 • 3. 表面粗糙度的影响 • 降低表面粗糙度，可以有效地提高抗疲劳磨损的能力。 • 4.残余内应力的影响 当表面层在一定深度范围内存在有利的压应力时，可减少疲劳磨损。 • 5.其他因素 在润滑油中，适当地加入某化学添加剂，如二硫化钼、三乙醇胺等， 可减缓疲劳磨损的过程。
• ①由于振幅小，滑动的相对速度低；微动磨损时，构件处 在高频、小振幅的振动环境中，微动时运动速度和方向不 断的改变，始终在零与某一最大速度之间反复。但其最大 速度也相当有限，基本上属于慢速运动。 • ②由于振幅小，又是反复性的相对摩擦运动，所以微动表 面接触状态的重复概率相对很高，因此磨屑逸出的机会很 少；摩擦面多为三体磨损，磨粒与金属的摩擦表面产生塑 性变形或疲劳，使脆性金属的摩擦表面产生脆裂或剥落。 • ③微动磨损引起的损伤是一种表面损伤，这不仅是指损伤 由表面接触引起，而且是指损伤涉及的范围基本上与微动 的幅度处于同一量级。 • ④磨损产物，钢上磨损产物是红棕色粉末，而铝合金为黑 色粉末。
微动疲劳的断口特征
• 微动疲劳的断口宏观与微观特征与纯机械 疲劳断口完全一致 • 包括疲劳源区、裂纹稳定扩充区和瞬断区.
微动磨损造成零件失效的判断
• ①了解零件的工况条件，是否存在能引起紧密配 合的表面间滑动的振动源或交变应力； • ②分析接触表面的形貌，产生微动磨损表面都有 麻点坑或小划痕，还有残留的磨屑； • ③分析与接触表面垂直面的亚表层特征，可观察 到微小裂纹，裂纹或平行表面或表面呈一定角度； • ④磨屑是判断是否发生微动磨损的重要依据，钢 的磨屑要比普通铁锈红得多，极易团聚，铝的磨 屑是黑色的，而氧化铝通常是白色的。
氢致磨损
• 氢在摩擦表层内的浓度会上升，并在磨损 过程中起破坏作用。尤其是钛合金材料， 氢致磨损倾向比较严重。
磨损失效分析方法
• 我们可根据运转条件、环境条件、磨损表面及磨 损碎屑，通过调查、检验、研究来分析磨损失效 的原因，寻求防止及减少磨损的措施。 • 运转条件包括负荷、速度、运动方式、摩擦形式、 润滑剂种类、润滑剂供给方式、运转周期等。 • 环境条件是指周围是否潮湿，或是否有腐蚀性气 体、粉尘、高温、低温、辐照或真空等。
腐蚀磨损
• 在腐蚀环境下，由于摩擦面材料起化学反 应或电化学反应而引起的腐蚀和磨损称为 腐蚀磨损。 • 氧化磨损 • 微动磨损 • 氢致磨损
微动磨损
• 微动磨损是指两个名义上静配合表面由于 一微小振幅的不断往复滑动所引起的一种 磨损形式。微动和普通的往复滑动的区别 仅仅在于每次往复的距离不同。
微动磨损的特点
粘着磨损的特点与分类
• 粘着习惯上称为冷焊，而实际上，磨损热 的影响是不容忽视的。当线速度为0.2m/s， 名义接触力为2Mpa时，磨损表面温度可达 （600-700）℃. • 因此，典型特征是接触点局部的高温使摩 擦副材料发生相互转移。
黄铜在钢轮上滑动时磨损与时间的 关系
分类
• 涂抹、擦伤、撕脱、咬死。
微动磨损的防止措施
• ①改变设计或加工工艺：其主要目的是避免产生微动，增加接触面间 •
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的比压是常用的方法，如减小接触面积或增加螺栓数目，甚至改铆接 为焊接。加工时注意提高加工精度，保证同心度等。 ②材料的选择：由于微动磨损初期的主要方式是粘着磨损，所以抗粘 着磨损措施中的各种措施可以采用，但要考虑该零件的环境条件和工 作状态。 ③加润滑剂或插入物：由于微动磨损接触面常常处于高比压状态，液 体润滑剂难以进入或保持。因此广泛使用固体润滑剂。 金属和非金属插入物能够：（a）改变接触面的性质；（b）改变摩 擦系数；(c)由插入物变形吸收部分微动。 ④渗层、镀层或涂层：由于这些表面处理措施不需要改变原设计和材 料、较为经济易行，因此是防止微动磨损中最切实可行的，正在迅速 发展。
摩擦磨损试验机
影响粘着磨损的因素
• • 材料特性的影响 接触应力与滑动速度的影响
磨粒磨损
• 磨粒磨损也称为研磨磨损。它是摩擦副一 方硬度远大于另一方，或者接触面之间存 在硬质点发生的磨损。
磨粒磨损过程与特征
• 磨粒磨损的最显著特征是接触面上有明显 的磨削痕迹。 • 磨损量与接触压力、摩擦距离成正比，与 材料的硬度成反比，同时与硬材料凸出部 分尖端形状有关。 • 磨粒磨损失效的主要方式：①切削；②堆 挤；③辗压、抹平；④断裂、剥落。
第五章 磨损失效分析
阿蒙当一库伦摩擦定律
• ①摩擦力与法向载荷成正比； • ②摩擦力与名义接触面积无关； • ③摩擦力与滑动速度无关。