磨損的類型磨損機理表面疲勞磨損形成及影響因素

2024年2月23日發(fā)(作者：教師節(jié)活動主題)

磨損的類型磨損機理表面疲勞磨損形成及影響因素

磨損實際是接觸表面隨著時間增加和載荷作用損傷的累積過程。自然界中不論機械零件，還是人造關節(jié)都存在著磨損。可以說，磨損無處不在。它直接影響著機器的運轉精度和壽命。據(jù)統(tǒng)計,每年全世界生產(chǎn)總值的近五分之二被摩擦磨損消耗掉了。因此，開展系統(tǒng)的摩擦學設計，盡量減少或消除磨損，對人類具有重大意義。

前蘇聯(lián)學者進一步較全面地提出了區(qū)分磨損類別的方法。他將磨損分為三個過程，依次為表面的相互作用兩體摩擦表面的相互作用可以是機械的或分子的。機械作用包括彈性變形、塑性變形和犁溝效應，可以是兩體表面的粗糙峰直接嚙合引起的，也可以是夾在中間的外界磨粒造成的。表面分子的作用包括相互吸引和粘著，前者作用力小于后者。

表面層的變化在表面摩擦的作用下，表面層將發(fā)生機械的，組織結構的及物理的和化學的變化，這是由于表面變形、摩擦溫度和環(huán)境介質等因素的影響造成的。表面層的塑性變形會使金屬冷作硬化而變脆，反復的彈性變形會使金屬出現(xiàn)疲勞破壞。摩擦熱引起的表面接觸高溫可以使表層金屬退火軟化，而接觸后急劇冷卻將導致再結晶或固溶體分解。外界環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為介質在表層的擴散，包括氧化和其他化學腐蝕作用，因而會改變金屬表面層的組織結構。

表面層的破壞形式有擦傷、點蝕、剝落、膠合、微觀磨損。

近年來的研究普遍認為, 按照不同的機理對磨損來進行分類是比較恰當?shù)摹Ｍǔ？蓪⒛p劃分為個基本類型粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。雖然這種分類還不十分完善, 但概括了各種常見的磨損形式。磨損機理通常從機理上可以把磨損分為粘著磨損，磨粒磨損，表面疲勞磨損，侵蝕磨損，腐蝕磨損和熱磨損等。

粘著磨損

相對運動的表面因存在分子間的吸引而在表面的微觀接觸處產(chǎn)生粘著作用，當粘著作用的強度大于材料內部的聯(lián)接強度時，經(jīng)過一定周期的接觸就會產(chǎn)生磨損。粘著磨損的磨損度常常是壓力的函數(shù)， 低壓軟表面或高壓下都會產(chǎn)生嚴重的粘著磨損。對于可以認為是同類材料的摩擦副表面，磨損常數(shù)趨于較大值，因

為粘著作用的實質是原子或分子間產(chǎn)生了融合。值的大小也取決于金屬的晶格結構。對于平行六面體晶格，由于存在無數(shù)個易于滑移的平面，所以值較小對于其他型式晶格的金屬值則較大。

磨粒磨損

磨粒磨損指硬金屬表面的粗糙峰嵌入軟金屬而在軟金屬表面形成的犁溝效應，磨粒磨損有種形式外界磨粒移動于兩摩擦表面之間，類似于研磨作用，稱為三體磨損磨粒沿一個固體表面相對運動而產(chǎn)生的磨損，稱為二體磨粒磨損一對磨擦副中硬表面粗糙峰對軟表面起磨粒作用，也屬于二體磨損，通常為低應力磨粒磨損。

表面疲勞磨損

兩個相互滾動或者滾動兼滑動的摩擦表面, 在循環(huán)變化的接觸應力作用下,

因材料疲勞剝落而形成凹坑。此類磨損統(tǒng)稱為表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損。表面疲勞磨損往往成為齒輪傳動、滾動軸承等的主要失效方式。

腐蝕磨損：零件表面在摩擦的過程中，表面金屬與周圍介質發(fā)生化學或電化學反應，因而出現(xiàn)的物質損失。

微動磨損：兩接觸表面間沒有宏觀相對運動，但在外界變動負荷影響下，有小振幅的相對振動（小于100μm），此時接觸表面間產(chǎn)生大量的微小氧化物磨損粉末，因此造成的磨損稱為微動磨損

粘著磨損和磨粒磨損，都起因于固體表面間的直接接觸。如果摩擦副兩對偶表面被一層連續(xù)不斷的潤滑膜隔開，而且中間沒有磨粒存在時，上述兩種磨損則不會發(fā)生。但對于表面疲勞磨損來說，即使有良好的潤滑條件，磨損仍可能發(fā)生。因此，可以說這種磨損一般是難以避免的。

磨損機理表面疲勞磨損形成的原因，按照疲勞裂紋產(chǎn)生的位置，目前存在兩種解釋。 (1)裂紋從表面上產(chǎn)生。摩擦副兩對偶表面在接觸過程中，由于受到法向應力和切應力的反復作用，必然引起表層材料塑性變形而導致表面硬化，最后在表面的應力集中源（如切削痕、碰傷、腐蝕或其它磨損的痕跡等）出現(xiàn)初始裂紋，該裂紋源以與滾動方向小于45°的傾角由表向內擴伸。當潤滑油楔入裂紋中后，若滾動體的運動方向與裂紋方向一致，當接觸到裂口時，裂口封住，裂紋中的潤滑油則被堵塞在裂紋內，因滾動

使裂紋內的潤滑油產(chǎn)生很大壓力將裂紋擴展，經(jīng)交變應力重復作用，裂紋發(fā)展到一定深度后則成為懸臂梁形狀，在油壓作用下材料從根部斷裂而在表面形成扇形的疲勞坑，造成表面疲勞磨損，這種磨損稱為點蝕。點蝕主要發(fā)生在高質量鋼材以滑動為主的摩擦副中，這種磨損的裂紋形成時間很長，但擴展速度十分迅速。

滾動接觸疲勞磨損要經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)之后才發(fā)生明顯的磨損，并很快形成較大的磨屑，使摩擦副對偶表面出現(xiàn)凹坑而喪失其工作能力；而在此之前磨損極微，可以不計。這與粘著磨損和磨粒磨損從一開始就發(fā)生磨損并逐漸增大的情況完全不同。因此，對滾動接觸疲勞磨損來說，磨損度或磨損率似乎不是一個很有用的參數(shù)，更有意義的是表面出現(xiàn)凹坑前的應力循環(huán)次數(shù)。

一般情況下，材料抗疲勞磨損能力隨表面硬度的增加而增強，而表面硬度一旦越過一定值，則情況相反。

在接觸應力一定的條件下，表面粗糙度值越小，抗疲勞磨損能力越高；當表面粗糙度值小到一定值后，對抗疲勞磨損能力的影響減小。如滾動軸承，當表面粗糙度值為Ra0.32mm時，其軸承壽命比Ra0.63mm時高2～3倍,Ra0.16mm比Ra0.32mm高1倍，Ra0.08mm比Ra0.16mm高0.4倍，Ra0.08mm以下時，其變化對疲勞磨損影響甚微。如果觸應力太大，則無論表面粗糙度值多么小，其抗疲勞磨損能力都低。此外，若零件表面硬度越高，其表面粗糙度值也就應越小，否則會降低抗疲勞磨損能力。

接觸表面的摩擦力對抗疲勞磨損有著重要的影響。通常，純滾動的摩擦力只有法向載荷的1％～2％，而引入滑動以后，摩擦力可增加到法向載荷的10％甚至更大。摩擦力促進接觸疲勞過程的原因是：摩擦力作用使最大切應力位置趨于表面，增加了裂紋產(chǎn)生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉應力會促使裂紋擴展加速。