典型机械零件磨损的分析及对策。
班级：材料11-3
姓名： 徐长通。
学号：1008010320
磨损及磨损机理。
班级： 材料11-3 姓名：徐长通学号：1008010320
物体摩擦表面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。在一般正常工作状态下，磨损可分三个阶段：
a.跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。
b.稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。
c.剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动，摩擦温度迅速升高，说明零件即将失效。（如图1）
图1 磨损三个阶段的示意图。
磨损类型示意图：
关于磨损的分类也有各种观点。这里采用伯韦尔(burwell)的观点根据磨损机理的不同，把粘着磨损，磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳列为磨损的主要类型，而把表面侵蚀，冲蚀等列为次要类型。这些不同类型的磨损，可以单独发生，相继发生或同时发生（为复合的磨损形式）。
第一部分：磨损类型及机理等。
一．粘着磨损。
摩擦副相对运动时，由于接触点上的固相焊合，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损。
1) 粘着磨损机理。
由摩擦的粘着理论可知，金属表面微凸体在法向载荷的作用下，当顶端压力达到屈服强度时，就会发生塑性变形而使接触面扩大，直到实际接触面积大到足以支承外载荷时。相对滑动时，界**破裂，就会在接触处形成“冷焊”接点。继续滑动又会将接点剪断，随后再形成新的接点。
在不断的剪断和形成新的接点的过程中，发生了金属磨损。磨损量的大小取决于节点处被剪断的位置。
如剪切发生在界面上，则磨损轻微；如发生在界面以下，则会使金属从一个表面转移到另一个表面。继续摩擦时，这部分转移物就可能成为磨屑。
如表面有污染膜，吸附膜等表**存在时，磨损轻微。由于表**的抗剪强度较低，接触点处的表**很容易遭到破坏，使新鲜的金属表面得以暴露，加上摩擦热的影响，金属间形成了很强的粘着，运动时必须剪断这些金属粘着点，造成表面损伤，严重时甚至可以咬死。
综上所述，可以将粘着磨损的过程作如下的描述：
接触——塑性变形——表**（包括油膜）破裂——粘着（冷焊）——剪断接点——再粘着的循环过程。
2） 粘着磨损的分类。
根据剪断位置的不同，表面损伤程度的不同，又可将粘着磨损分为以下几个等级（如表1所列）：
表1 粘着磨损的分类。
3） 粘着磨损的共同特征：
出现材料迁移以及沿滑动方向形成程度不同的划痕，机件表面有大小不等的结疤。
图 2 粘着磨损的表面形貌。
4） 影响粘着磨损的因素：
1. 材料性质脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。塑性材料的粘着破坏常发生在表层深处，磨屑：
的颗粒大；而脆性材料的粘着破坏常发生在表层浅处，磨屑的颗粒细小。材料的屈服点或硬度愈高，其抗粘着磨损能力也愈强。
不同材料或互溶性小的材料组成的摩擦副，比相同材料或互溶性大的材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高，如铁与镍、铝相溶，则不能配对成摩擦副；铅、锡、银、铟与铁不相溶，所以常用这几种金属的合金作轴瓦。
金属与非金属（如石墨、塑料等）组成的摩擦副比金属摩擦副的抗粘着磨损性能好。
2. 表层性质采用表面处理工艺使摩擦副对偶表面互溶性减少，从而避免同种金属相互接触，可提高抗粘着磨损能力。如电镀、表面化学热处理、表面合金沉积、喷镀、刷镀和堆焊等工艺，都可提高抗粘着磨损能力。
3. 表面平均压力表面平均压力，即法向载荷除以名义接触面积。当表面平均压力低于σs时，磨损度稳定不变；当表面平均压力超过σs时，磨损度急剧增大，由缓慢磨损转变为剧烈磨损，严重时发生咬死现象。
这是因为表面平均压力低于σs时，相互接触的微峰下的塑性变形区绝大多数是相互独立的，这时实际接触面积与法向载荷成正比，而接触应力不会因法向载荷的增大而增大；当表面平均压力超过σs时，相互接触的微峰下的塑性变形区相互作用，整个表层都呈塑性流动状态，这时实际接触面积不再随法向载荷的增加而增大，极易出现胶合磨损现象。
4. 滑动速度在表面平均压力一定的情况下，粘着磨损和磨损率随滑动速度的增大而增大，到了某一极大值后，又随滑动速度的增大而减小。有时随滑动速度的变化，磨损类型也发生变化。
产生上述现象是因为最初滑动速度的增大主要使表面温度升高而将部分表**破坏和使摩擦副的强度降低，粘着磨损增加，相应其磨损率也就增大；当因速度增大而使表面温度高于某一值后，在表面易形成一层氧化膜而阻止金属表面的大面积接触，一从而使粘着磨损减少，相应其磨损率也就减小。另一方面，因滑动速度升高而产生热量使表层软化而基体并不软化，也可使磨损减轻。
5. 温度温度对粘着磨损的影响主要表现在三个方面：一是破坏表**，使之产生新生面的直接接触；二是使金属处于回火状态，降低了表面硬度；三是使材料局部区域温升过高，以致该区域摩擦副对偶表面产生熔化。
这三点都将促使粘着磨损产生并加重，故选用热稳定性高的金属材料（如硬质合金等）或加强冷却等措施，是防止因温升而产生粘着磨损的有效办法。
6. 表面粗糙度一般说来，摩擦副对偶表面粗糙度值越小，其抗粘着磨损能力就越强。但过分地降低表面粗糙度值，因润滑剂在对偶表面间难以储存又会促进粘着磨损。
新机器的合理跑合是降低表面粗糙度值，减少早期粘着磨损的有效措施之一。
7. 润滑润滑状态对粘着磨损的影响很大，如边界润滑状态下的粘着磨损比液体润滑严重，而液体动压润滑状态下的粘着磨损比液体静压润滑大些。这是由于摩擦副两对偶表面间润滑膜的作用特性不同而决定的。
若在润滑剂中加入极压添加剂，即使在同样的润滑状态下，也能成倍地提高相对耐磨性。
二． 磨料磨损。
硬质颗粒或表面上硬的凸体在摩擦过程中引起的材料脱落称为磨料磨损。
磨料磨损包括三种情况：①在磨料中工作的零件，磨料对零件表面的作用。如与泥沙接触的犁，推土机的刀片，石油钻探机的钻头（二体磨损）；②外来的坚硬颗粒夹在两个摩擦面之间滑动所造成的（三体磨损）。
外来的磨料可以是磨损脱落的磨屑，也可以是环境中的灰砂尘土；③粗糙而坚硬的表面在较软表面上滑动所造成的。
（1）磨料磨损的分类（见表2）
表2 磨料磨损的分类。
2）磨料磨损的机理：
关于磨粒磨损机理，现在主要有三种学说；
a. 微观切削赫罗绍夫等人认为，磨粒磨损主要是由子磨粒在金属表面发生微观切削作用引起的，法向载荷将磨粒压入表面，相对运动时磨粒对表面产生犁刨作用，因而形成磨屑和磨痕。
b. 疲劳破坏克拉盖尔斯基等人认为，磨屑从金属表面上一次被切削下来的情况是很少的，大部分是通过载荷的重复作用而导致表面疲劳破坏，使小颗粒材料从表层剥落下来而形成磨屑和磨痕。
c. 挤压剥落纽康姆等人认为，磨粒磨损过程好似钢球在载荷作用下压入软金属表面并在其上划过一样。磨粒压入表面移动时，使表面发生严重的塑性变形，压痕两侧的材料受到损伤，因而极易从表面挤出或剥落下来形成磨屑。
实际上，以上几种现象可能同时存在，这是因为只有边缘尖锐的磨粒才能起到切削作用。其余磨粒则发挥挤压剥落与疲劳破坏的作用。至于哪个起主要作用，则因具体情况不同而异。
3）磨屑形成机理。
磨料磨损的过程实质上是材料表面在磨料的作用下局部区域发生变形、断裂的过程。在此过程中，磨料对金属接触表面的作用力，可分解为垂直于表面和平行于表面的两个分力。垂直分力的作用是使磨料压入表面；平行分力的作用是使磨料在金属表面上作切向运动，引起表面切向变形和断裂。
形成磨屑。
由于条件不同，磨屑形成的机理也不同。有三种形式列于表3中。
表3 磨料磨损的磨屑。
归纳前人的研究，可以认为：
对于塑性材料：塑性变形是磨损速率的控制因素；
对于脆性材料：断裂是磨损速率的控制因素；
表面分子作用机理：非常小的磨粒对材料的磨损，磨粒压入深度在表**的厚度范围内，虽然看不到塑性变形，但表**不断磨损，然后又不断形成。
4） 磨料磨损特征形貌：
摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。
图7磨料磨损表面特征形貌。
5）影响磨料磨损的因素。
a.金属材料硬度的影响一般来说，材料的硬度越高越好；
b.磨料硬度的影响一般情况下，磨料的硬度越高，金属材料的磨损越大；但超过一定值后，磨损量增加得缓慢了，甚至有所降低。如图3.11所示。
c.磨料颗粒大小的影响一般，金属的磨损量随磨粒平均尺寸的增大而增大，但磨料达到一定临界尺寸后，磨损量保持不变。
6） 减轻磨粒磨损的主要措施。
1. 对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。
如低应力擦伤磨粒磨损：选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料。
2.对于以塑性变形、塑性变形后疲劳破坏、脆性断裂主要机理的磨粒磨损应增加材料韧性对耐磨性有益。
3. 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料：
重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体如农用耕机中刮刀、耙片、犁铧。
在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢mn13，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。
4.采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。
5. 就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。如铬钢，消除基体中初生碳化物，并使其均匀弥散分布，提高钢中碳化物体积分数，均能显著提高材料的耐磨性。
6.钢中适量残余奥氏体组织能增加基体韧性。给碳化物以支承，受摩擦时还能部分转变为马氏体组织，提高材料硬度，从而提高其抗磨粒磨损能力。
7. 经常注意机件防尘和清洗。
三．表面疲劳磨损。
摩擦副接触表面作滚动或滑动摩擦时，由于周期性载荷，使接触区产生很大的交变应力，导致表面发生塑性变形。在表层薄弱处引起裂纹，逐渐扩展并发生断裂，而造成的点蚀或剥落，称为表面疲劳磨损。
1）表面疲劳磨损的分类：
按剥落裂纹的起始位置及形态分为。
1. 麻点剥落(点蚀)：深度在0.2mm以下的小块剥落， 常呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称v形。
2. 浅层剥落： 深度0.2~0.4mm，剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。
3. 深层剥落(表面压碎): 深度和表面强化层深度相当， 裂纹走向与表面垂直。
2）表面形貌特征。
宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。
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