磨耗试验

磨耗试验

Wear Test

陈士教授编撰一、实验目的

测定金属和金属对磨之磨耗速率和摩擦系数之磨耗特性，及耐磨处理对磨耗特性的影响。

二、实验原理及仪器

1.原理

大家都知道汽车引擎在跑完数万公里后，必需进厂搪缸，否则汽车将极耗油，而且马力输出会大不如昔。原因是引擎的汽缸壁和活塞环之间经年累月的对磨导致二者之间的间隙变大，燃烧不完全所排出的废气亦对环境造成污染。只要是相对运动的机械组件都有可能发生机件磨耗。如何减少机件磨耗，除了从机械设计着手之外，对磨材料的选择是不可或缺的。尽管磨耗科学（Tribology）的发展已臻完整，对于任何一种对磨系统的磨耗特性。

磨耗科学为摩擦（Friction）与磨耗(Wear)的科学。摩擦是两相对运动物体之接触面发生之阻力，磨耗则是物体因两面间的相对运动造成材料画渐流失。有两种方法从材料表面移去材料，其一是藉由化学反应的方法使材料溶解，其二是从表面破裂而流失，也就是机械力作用产生的磨耗。大多数的磨耗机构包含后者。依此观之，磨耗过程是渐进的、跟系统有关的。磨耗可能发生在引擎汽缸、先进的涡轮叶片、农具、轴承、齿轮、刀具、皮鞋、甚至人体的关节等[1]。这些可称之为不同气态的对磨系统（Tribosystem）。

对磨系统间的差异如此之大。造成的磨耗型态也有所不同。基本上可分成四大类[2]：

A.研磨磨耗（Abrasion）－是由硬颗粒或突出物强行在固体表面移动所致，由于较硬的

物质迫使被磨物体表面造成伤害。见图一所示。一般而言，是俱有锐角的。

图一、由硬颗粒或突出强行在固体表面移动所致的研磨磨耗(abrasion)示意图

研磨剂在被磨面运动造成被磨面产生切或剪的破坏型态。金相制作过程中的粗磨、细磨、抛光就是这类磨耗型态的典型例子。

B.冲蚀磨耗(Erosion)－如图二所示，是由于固体被磨面受到流动或冲激液浆的机械作用造成材料的逐渐流失。液浆可能是多相的液体或含有固体颗粒的液体。

图二、由于固体被磨面受到流动或冲激液浆的机械作用造成材料的冲蚀磨耗(Erosion)示意图

如果液体与被磨材会起化学反应，则被磨材的流失可能同时包含机械和化学效应。高压管路内壁被输送液冲蚀变薄是一典型例子。

C.黏着磨耗(Adhesion)－是由于固体被磨材与对磨材之间相对运动产生局部键结(Local bonding)所致。如图三所示。黏着磨耗发生的，两接触面发生的键结会使

图三、由于固体被磨材与对磨材之间相对运动产生局部键结(local bonding)所致的黏着磨耗(Adhesion)示意图

材料从磨耗面的一面或两面同时裂。当其中一面的键结比较强时，材料从一面转移到另一面；如果两面同时破裂，则产生磨屑（Wear debris）。问题是金属和金属对磨时，黏着磨耗发生之后，接触面通常会被磨屑隔开，接着，黏着磨耗立刻停止，取而代之的常是磨屑造成的研磨磨耗，因此，这种情况下，以金属对金属磨耗(Metal-to-metal wear)加以命名比较恰当。如润滑不足造成引擎汽缸的活塞死锁是一典型例子。

D.表面疲劳(Surface fatigue)－起因于周期性滚动或滑动产生的应力，使材料从固体表

面流失或变形。如图四所示。最常见的例子是周期运动的滚珠或滚杆滚过迹，

图四、起因于周期性滚动或滑动产生的表面疲劳(surface fatigue)示意图

材料会在此处因次表面裂缝的产生而移去，次表面的裂缝延伸到表面形成针孔。

通常，对磨系统可能包含两种以上的磨耗型态，在磨耗的时程中也可能从一种磨耗型态转变成另一种磨耗型态。例如金属和金属滑动干磨时，最初是产生黏着磨耗，当开始产生磨屑时，研磨磨耗随之发生。又如合金中的第二硬质相造成对磨材的软质基地发生研磨磨耗，但合金中的软质基地和对磨材的软质基地发生黏着磨耗。减少对磨系统的磨耗速率可针对磨耗型态来改善，有六种对策使用在以上所提的对磨系统中，分别是：

A.将两磨耗面以润滑剂分隔起来。

B.提高磨耗面的表面硬度。

C.使磨耗面更耐表面破裂。

D.提高被冲蚀面的耐腐蚀性。

E.选择耐滑移磨耗的对磨材料。

F.提高磨耗面的耐疲劳性。

根据上述六项原则，降低材料磨耗速率的实际作法可在对磨面之间添加润滑剂或预先将对磨材料进行适当的表面处理，如表面硬化、电镀、喷焊或真空陶瓷被覆等。

欲评估改善后的耐磨效果就得进行磨耗试验。

2.仪器

磨耗试验的种类极多，使用的实验设备也随之不同，依照磨耗试片将来可能面临的磨耗型态来决定使用何种磨耗试验是十分重要的。并且要尽量接近现场使用的磨耗条件。否则磨耗试验将失去工程上的意义。实验所得的数据也无法用来评估现场使用状况。美国材料试验协会规范(ASTM)和日本工业规范（JIS）针对不同的磨耗型态发展出几种磨耗试验试法[3]说明如下：

A.斜交圆棒(crossed-cylinder)试验法[4]

其示意图见图五。这是用来试验金属材料耐金属对金属磨耗的试验法。两枝金属试棒一上一下互呈垂直，下试棒转动，上试棒静止。磨耗荷重由上试棒传递下来。试验前后，称量试棒重量变化，或依本法所附之公式转换成体积损失，由重量损失或体积损失来评估金属试棒的磨耗速率。

B.对环试验法(block-on-ring)[5]

图五、斜交圆棒(Crossed-cylinder)试验法之示意图

其示意图见图六。块试片固定并传递荷重，环试片旋转，几乎任何材料都

图六、块对环(Block-on-ring)试验法之示意图

可以进行此种磨耗试验，尤其是表面处理或被覆的试片，并可添加液体或润滑剂模拟使用环境。为一广用之磨耗试验。

块试片磨耗损失由体积损失来决定，而环试片磨耗损失则由重量损失除以试片密度所得之体积损失来决定。

C.销对盘(pin-on-disk)试验法[6]

其示意图见图七。销试片固定并传递荷重，盘试片旋转。这种试验常用来测

图七、销对盘(Pin-on-disk)试验法之示意图

定材料间的滑动摩擦系数和滑动磨耗损失。销试片与盘试片的接触端面可做成平面或半球体的端面。整个对磨系统可以放置在一可控制温度和气氛的炉体中，以便更接近实际使用环境。