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 the measures of how to reduce wear failure was 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

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。

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<时，为软磨损，磨损速率很低。当Ha/Hm<时，继续增加磨粒硬度意义不大。当< Ha/Hm<，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。

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。

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