材料的表面损伤

刷片三爪全部断裂
刷片整体形貌，左边部分有损伤特征
损伤区显示电弧烧蚀特征
盖板上具有熔融后结晶特征的磨屑
盖板上具有熔融后结晶特征的磨屑
磨损损伤面的微观特征 换向器表面损伤特征主要是机械磨损， 磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损，电弧烧
蚀集中在极片边缘。但即使在极片边缘，其磨
损部位表面的电弧烧蚀特征也常常被机械磨损 形貌掩盖，只是这些位置的磨屑有较为明显的 熔化后重新结晶的特征。
3.6 表面损伤的特征和判断
零件的表面形状和尺寸必须满足一定要求。
表面受到损伤，则会导致零件失去应有功能， 甚至进一步引起断裂等严重失效事件。
表面损伤有两大类： 磨损和腐蚀
一、材料的磨损
概念：
两种材料相互接触并相对运动而引起的材料 逐渐流失的现象称为磨损。
三层内涵：
1）两种相互接触的材料发生摩擦——摩擦副
成分(wt%) ： 15.65C-68.25Ag-16.10Au
成分(wt%) ： 15.12C-46.70Ag-38.18Au
成分(wt%) ： 5.33C-46.41Pd-48.26Ag
刷片复层为AgPd50，匹配的换向器为AuAg40/AgCuNi/TU1，刷片表面 粘附磨屑。
不同阶段的粘着磨损特征。最低层是刷片的复层，其成分为AgPd50， 次层是早期粘附物，Au、Ag含量比较接近，最上层为后期粘附物，Au含量 显著低于Ag。
沟槽内的磨屑显示熔化特征
AgPd50/C7701刷片与AuAg40/AgCuNi/TU1换 向器配对的磨损特征。可见材料的转移仍然主要 是从换向器到刷片，但是在极片间沟槽中，由于 电弧高温导致刷片表面熔化，所以有Pd转移到磨 屑中。 刷片表面有大块导电性很差的污染物经能谱 分析发现其成分为 100％C，说明存在有机污染。 一旦它们进入摩擦部位或极片沟槽，就可能将磨 屑粘附在一起，并使其聚集于沟槽中造成短路。 这些有机污染物的来源可能是刷片上粘结阻尼条 的胶，也可能是含油轴承中的油。
a)粘着磨损 c)疲劳磨损
b)磨粒磨损 d)腐蚀磨损
换向器及电刷片磨损失效分析
换向器
刷片
换向器仅有一条明显的磨痕
极片间磨屑聚集造成短路
换向器表面堆积黑色污染物
换向器表面有黑色污染物
换向器表面的烧蚀区
磨损区
刷片磨损集中于一段
刷片的磨损区及烧蚀区
刷片断裂一爪
沟槽中聚集的磨屑有大量表面光滑的球状颗
粒，这是磨屑在电弧高温作用下熔化，而后重
新结晶。磨屑熔化以后便会产生烧结或焊接作
用，使大量颗粒聚集起来，成为换向器短路的 原因。
磨损试样的组织分析
对合格品与不合格品的金相组织进行
了对比观察，以便为改进工艺，优化组 织与性能提供依据。
性能较差换向器横断面组织
成分：1、0.91Cu-81.78Ag-16.58Au-0.73Cl 2、49.64Pd-50.36Ag 对偶件的Ag、Au和Cu粘着转移到AgPd合金表面
3）磨料磨损
摩擦副相对运动中，硬的颗粒或突起物摩擦 表面而引起材料表面损伤或脱落的现象成 为磨料磨损。
磨料可以是外来的颗粒，也可以是摩擦副材 料本身脱落的，还可以是材料中的硬质相 或表面加工缺陷等。
换向器极片间聚集的磨屑 1 2 3 4 26.41C-2.96Ni-12.98Cu-10.94Pd-26.33Ag-20.39Au 31.37C-4.44O-1.72Ni-8.93Cu-11.09Pd-32.71Ag-9.73Au 46.27C-1.93Ni-8.20Cu-34.39Ag-9.21Au 64.02C-5.33Cu-24.25Ag-6.40Au
粘着磨损造成的轮胎印迹
粘着磨损和磨粒磨损混合特征
磨粒磨损特征
换向器槽边缘磨屑显示熔化特征
刷片的磨损集中于一段，而且常常可以发 现磨损与烧蚀区域同时存在。其磨损区存在着 明显的纵向磨损纹路，而烧蚀区则没有磨损纹 路，但有着大量的细小球状颗粒。
刷片的烧蚀区
刷片的磨损区
烧蚀区微观特征
磨损区微观特征
磨痕表面粘附磨屑
换向器极片间聚集的磨屑 1 2 3 4 5 27.66C-3.88O-1.34Ni-34.50Cu-32.62Ag 39.29C-1.52Ni-20.77Cu-38.42Ag 30.58C-4.35Ni-24.72Cu-40.36Ag 30.07C-6.67Ni-35.36Cu-27.91Ag 56.20C-3.64Ni-17.73Cu-22.42Ag
磨损形式
磨料磨损
损伤特征 A、磨料硬度为零件材料硬度的1.5倍以上，且 有一定棱角及棱线时，即可造成磨料磨损，外来 质点或表面脱落的氧化物也可造成磨料磨损。 B、有时硬质点像犁铧一样将表面翻起、切下， 在犁沟两边堆积，随后压成梗，形成沟槽。 C、有时磨料被压碎，在压碎过程中，磨料与 金属表面相对运动，形成压溃裂纹，如此多次反 复，可能形成疲劳裂纹。
合格换向器横断面组织
两种 AgCd/TU1 换向器的横断面组织，可见 不良品横向组织为稍许沿轧制宽展方向变形的 晶粒，良品横向则为等轴状晶粒。
载电磨损过程中会产生热量，导致 接触面温度升高，变形态金属有再结晶 软化的可能，因此过高的变形量反而降 低材料的耐磨性。
性能良好换向器横断面组织
性能较差换向器纵断面组织
性能良好换向器纵断面组织
AgCuZnNi/Tu1换向器。
不良换向器横断面晶粒显示拉长变形特征，而合
格换向器横断面晶粒为等轴状，并且比前者粗大。
从纵断面来看，不良换向器的晶粒形状不如合格
品清晰，滑移线较多，保留了更多的变形组织特
征。
不良换向器横断面组织
A、金属表面局部剥落形成麻 坑 B、麻坑较小时，经过多次应 力循环可以磨平，尺寸大时，则 进一步凹下形成舌状或椭圆状凹 坑。 C、麻坑附件有塑性变形，金 属流动方向与摩擦力方向一致。 D、麻坑前沿和根部有多处未 明显发展的微裂纹和二次裂纹。
接触疲劳
麻坑形成示意图
2）粘着磨损
咬合、抱死、胶合等 两个金属表面俄微凸起，在局部高压下产生局部粘 结，随后相互滑动而使粘结处撕裂而造成材料损 伤即为粘着磨损。 粘结处如果断裂在界面，则不发生磨损；如果断裂 在强度较低的一方则造成磨损。 断裂的材料可能粘附在强度较高的材料表面造成材 料转移；也可能从金属表面脱落下来，成为磨屑。
4）腐蚀磨损
在摩擦过程中，摩擦表面同时与周围介质发生化学反 应而造成的材料损伤。 磨损造成保护膜破坏，加速腐蚀。 不均匀的塑性变形造成“变形差电池”。
损伤特征：
A、摩擦面沿滑动方向有均匀细小的变形。 B、在空气中使用时，表面局部变形，导致温度升 高，因而可造成氧化磨损。 C、摩擦面在一定介质中工作时，可以产生特定的 腐蚀磨损。
磨痕边缘粘附的磨屑
极片间沟槽内聚集的磨屑
极片间磨屑放大形貌
磨痕表面有大量球状颗粒，说 明在运行过程中，换向器表面温 生很高，曾经发生熔化。
磨损部位及磨屑的成分
通过微区成分分析，证明换向器和刷片之 间确实存在着成分交换，并且以换向器材料向
刷片表面转移为主；磨损部位及磨屑中大量C
元素的发现则为环境介质对材料造成污染提供
刷片烧蚀区成分分析结果(wt%) ： 35.32C-8.52Ni-36.09Cu-20.08Ag
刷片表面污染物成分为(wt%)： 100C
换向器表面的磨屑 1 37.75C-6.92O-1.98Ni-9.76Cu-35.47Ag-8.11Au 2 46.12C-5.55O-23.34Cu-24.99Ag 3 36.96C-5.43Cu-31.84Ag-25.76Au
磨损形式
损伤特征：
粘着磨损
A、最普遍、危害最大，导致零件寿命大幅降低， 甚至咬合，丧失滑动能力。 B、适当的润滑可以减轻磨损，但若正应力过大， 使油膜破坏，则导致温度急剧升高，摩擦金属发 蓝，冒烟，甚至局部熔化。 C、材料转移可以造成涂抹，或从金属表面脱 落成为磨料，造成磨料磨损。 D、发生涂抹时，常常出现表面氧化与再结晶 等现象。
换向器表面另一处磨屑。成分分析结果为(wt%) ： 1 29.45Zn-70.55Ag 2 1.48Zn-98.52Ag 3 5.61Zn-94.39Ag
AgPd50/MX215刷片与AgCuZnNi/TU1换向器配 对磨损后的成分分析结果。可见刷片表面磨损部位 粘附了大量的磨屑，其成分接近换向器，而换向器 表面的磨屑中没有发现Pd元素，充分说明粘着磨损 造成了材料由换向器向刷片转移。 换向器表面存在大量含C的污染物。 换向器表面有2点的Zn含量很高，其中1点接近 30%Zn，与摩擦过程中表面温度升高造成Zn蒸发， 而后在表面凝结有关，而且这两处表面圆滑，确有 熔化迹象。这也说明接触面的温升是很高的
2）相对运动——滑动、滚动、振动、流动、冲击
3）逐渐流失——以磨损量来衡量磨损程度
1、磨损形式
1）疲劳磨损
也称接触疲劳，是做相对运动的一对金属表面 在表面局部区域受交变载荷作用而产生的表面局 部疲劳断裂。
主要影响因素有：
接触应力、材料性能、润滑条件、接触面的物理 化学特征等。
1、磨损形式
损伤特征：
5）微动磨损
两块金属材料在外加载荷作用下相互压紧成 紧密接触，同时两接触面又受到低振幅的 相对滑动而产生的磨损叫微动磨损。 微动磨损是综合性磨损。当接触表面压紧且 存在微振动载荷时，表面凸起部分发生塑 性变形和局部温升随之引起粘着或焊合， 粘着处被剪切脱落，脱落下来的颗粒被氧 化，留在摩擦面成为磨料，造成磨料磨损； 如此粘着磨损、磨料磨损和氧化磨损综合 作用，使材料表面受到破坏。严重时引起 疲劳破坏。
了有力的证据。
与AgCuZnNi/TU1配对的AgPd50刷片表面粘附的磨屑 成分（wt％）：0.41Ni-1.66Cu-1.26Zn-1.32Pd-Ag
刷片另一处成分为：4.74Pd-Ag 显示换向器材料向刷片转移。
与上述刷片配对的换向器表面粘 附的磨屑及污染物。成分分析结 果为： 1 60.32C-39.68Ag 2 62.89C-37.11Ag 3 16.03C-6.26Cu-77.71Ag 4 13.29C-8.15Cu-78.56Ag