磨损问题

第五章磨损问题

第一节概述

在作相对运动的两个接触表面之间，存在摩擦和磨损。由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象就称为磨损。

一般来说，有摩擦就会引起磨损。如果设计的机器质量好，在规定的使用期限内，其正常磨损的速度是相当缓慢的，此时的磨损并不影响零件的正常工作。而非正常的磨损是不逊于的，必须设法防止。

随着机器向高速方向发展，磨损的问题就显得更加突出，所以对磨损的研究工作已经引起了各工业化国家的极大注意。

本章将讨论磨损的主要类型、磨损的过程、磨损的原因及其影响因素，磨损的测量以及怎样控制和减少有害的磨损问题。

第二节磨损的终于要类型

磨损的成因和表现形式是非常复杂的，人们可以从不同的角度对它进行分类。因此，磨损的分类方法很多。我们认为，根据磨损的破坏机理进行分类有利于对磨损现象的正确理解和深入地研究。1957年鲍威尔（Burwell）按照磨损机理将磨损分为四大基本类型，即（1）粘着磨损；（2）磨料磨损；（3）表面疲劳磨损；（4）腐蚀磨损。表5-1列出了这四种类型磨损的基本概念、破坏特点和实例。

除上述四种基本类型的磨损以外，还有一些次要的磨损类型，例如热磨损和侵蚀磨损（包括固体微粒侵蚀、流体侵蚀、气蚀侵蚀和电火花侵蚀）等，因篇幅所限，对于这些次要的磨损类型本书不予讨论。

表5-1 磨损的四种基本类型

粘着磨损的基本概念和破坏特点见表5-1，这里仅就粘着的形成级各种破坏类型加以讨论，

由于表面上存在着粗糙度，所以表面间的接触是不连续的，即只有少数几个微凸体产生接触。因此时的实际接触面积很小，故在外载荷作用下，局部压力很高，该压力可超过材料的屈服极限，于是接触点便产生了塑性变形。这时，如果没有表面膜，或者虽有表面膜，但在切向运动时发生了破裂，那么，在常温下也可以产生“冷焊”；另外，在告诉、重载和摩擦产生高温的条件下，表面膜极易破裂，金属之间便直接接触，在接触点局部发生软化或熔

化而产生“热粘着”，形成粘结点。在其后的相对运动中，粘结点被剪切，与此同时又形成新的粘结点，于是就出现了粘结点的形成与剪断的循环，并发生材料的转移，因而出现粘着磨损。

不论摩擦副中有无润滑剂存在，如果保护膜发生破裂，粘着磨损是经常可以见到的。这种磨损形式的破坏性极大，而且磨损的速度很高。

粘着磨损的破坏程度不同，表现为轻微磨损、涂抹、划伤、胶合与咬死等破坏形式，这些破坏形式只要取决于粘结点的强度与两表面基体金属强度之间的关系。

如果粘结点的剪切强度'b τ低于两表面材料的监测强度1a τ和2b τ则剪断发生在界面上，

如图5-1（a ）所示。此时磨损很小，表面上只有极少的材料转移，而且转移的多是氧化物颗粒，这种情况属于正常磨损的范畴，称做轻微磨损。例如缸套与活塞环间的正常磨损等。

2'1

'b b a b ττττ<< 1'2a b b τττ<< 2

12'1'b a b b a b ττττττ>>> （a ） (b) (c)

图5-1 粘结点的剪切

当粘结点的剪切强度比摩擦副中较硬金属若而比较软金属强时，剪切发生在较软材料的浅表层内，如图5-1（b ）所示，此时，软材料转移到硬的表面上，形成极薄的一层，称为涂抹。如青铜蜗轮在蜗杆上的涂抹。

加入粘结点的强度高于两表面金属的强度，剪切发生在金属表层以下，如图5-1（c ）所示，如果剪切深度不深，表面将出现具有方向性的细微抓痕，即表面上形成沟槽和狭窄条带，则谓之划伤或拉伤，如活塞环与缸套衬的拉伤。

如果有较明显的固相焊合，此时温度较高，粘结点面积较大，内聚性破坏发生在基体金属的较深层，则成为胶合或撕裂，图5-2是细纱机上钢领内跑到的SEM 照片，图中显示了粘着撕脱的情况，跑道表面变的凹凸不平。

图5-2 钢领跑道的SEM照片（5000X）

倘若生产严重焊合，此时表面温度高达700℃~1000℃，粘着区的面积相当大，致使粘结点的强度高到不能被剪断，而使摩擦表面间的相对运动停止，则成为咬死，如轴与轴瓦产生的抱轴现象。

总之，粘着磨损的过程时非常复杂的，较软材料多转移到硬的表面上，转移的金属呈颗粒或博片状，经显微硬度等试验表明，这些块状颗粒或薄片的表面有很高的硬度而且晶粒很细。另外有一部分转移材料脱落后形成游离的磨粒，这种磨粒在摩擦副之间将引起磨料磨损。

二、磨料磨损

这种磨损也属于高应力磨损，如轧碎机的滚筒，球磨损的衬板与钢球的磨损等，见图5-4（c）。在轧碎式磨料磨损中，压应力超过了磨料的压溃强度。对于塑性金属零件表面将产生塑性变形成疲劳，而对于脆性材料制造的零件可造成表面层碎裂或剥落。

应当指出，以上三种磨损形式也可同时出现在一个零件上，但其中有一种磨损形式起着主导作用。

三、表面疲劳磨损

表面疲劳磨损是由于表应力效应，使摩擦表面接触区内材料的围观体积反复产生变形，造成积累损伤而导致疲劳裂纹的萌生和扩展，最后使表面分离出粒状或片状磨屑，并留下痘斑状凹坑的一种特殊的破坏形式。当摩擦副的表面粗糙度、材料和润滑等条件都满足要求时，疲劳裂纹通常在表面层以下某处萌生；如果上述条件不能满足要求，则疲劳裂纹一般从表面产生。总之，疲劳裂纹尝尝在材料表层有缺陷的地方发生过，裂纹产生的确切位置受到夹杂物（如氧化物、硫化物和碳化物等）、表面缺陷（刀痕、擦伤、锈斑等）以及孔隙等因素的影响。

不论在滑动摩擦、滚动兼滑动摩擦和纯滚动摩擦条件下，都可以产生表面疲劳磨损。但是，在滚动接触摩擦中，表面疲劳磨损战友更突出的地位。例如，在密封和润滑良好的齿轮传动、凸轮机构和滚动轴承等零部件中，经常发生这类磨损。

表面疲劳磨损的分类方法很多。

1.按照摩擦副的性质可分为

（1）滚动摩擦疲劳磨损

这种情况常发生的润滑充分、密封良好的滚动摩擦表面上，其主要表现为点蚀。

（2）滑动摩擦疲劳磨损

在两表面滑动接触过程中，硬微凸体使表面产生变形，在硬微凸体前面的材料受压，而在其后面的材料受拉，即表面材料受变向载荷，当应力循环次数达到N=106~107时，即开始产生疲劳破坏。与此同时，硬微凸体经过多次接触和变形也会产生疲劳。因此，无论是应表面还是较软的表面均可出现疲劳破坏而产生游离的磨屑。