第二節(jié)　磨損

一、磨損的原理

1.磨損的定義

兩個(gè)物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在摩擦力和垂直負(fù)荷的作用下，摩擦副的表層材料不斷發(fā)生損耗的過(guò)程或者產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損。

磨損是摩擦副運(yùn)動(dòng)所造成的，即使是經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑的摩擦副，也不能從根本上消除磨損。特別是在機(jī)械啟動(dòng)時(shí)，由于零件的摩擦表面上還沒(méi)有形成油膜，就會(huì)發(fā)生金屬間的直接接觸，從而造成一定的磨損。

2.磨損的危害

摩擦副材料表面磨損后，往往造成設(shè)備精度喪失，需要進(jìn)行維修，造成停工損失、材料消耗與生產(chǎn)率降低，尤其在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化、連續(xù)化的生產(chǎn)中，由于某一零件的磨損失效甚至?xí)绊懙饺€的生產(chǎn)。磨損是機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中普遍存在的一種現(xiàn)象，人們必須對(duì)磨損現(xiàn)象不斷進(jìn)行研究，尋求提高零件耐磨性和使用壽命以及控制磨損的措施，才能減少制造和維修費(fèi)用。

3.磨損過(guò)程的三個(gè)階段

機(jī)械摩擦副的磨損隨使用時(shí)間的不同而不同。摩擦副從開(kāi)始使用到完全失效的磨損過(guò)程大致可分為三個(gè)階段，即跑合階段、穩(wěn)定磨損階段和急劇磨損階段，如圖1-5所示。

（1）跑合階段　跑合階段又稱磨合階段，摩擦副在使用初期，在載荷的作用下，摩擦表面逐漸被磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速度開(kāi)始很快，然后減慢，見(jiàn)圖1-5中的oa段。

（2）穩(wěn)定磨損階段　經(jīng)過(guò)跑合階段的磨合，摩擦表面硬化，微觀幾何形狀改變，從而建立了彈性接觸的條件，這時(shí)磨損已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)，磨損量與時(shí)間成正比緩慢增加，見(jiàn)圖1-5中的ab段。

（3）急劇磨損階段　經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定磨損之后，由于摩擦表面之間的間隙和表面形狀的改變，以及產(chǎn)生金屬晶格疲勞等情況，磨損速度急劇加快，直至摩擦副不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)摩擦副工作達(dá)到這一階段時(shí)，機(jī)械效率下降，精度降低，出現(xiàn)異常的噪聲及振動(dòng)，最后導(dǎo)致零件完全失效。

從磨損過(guò)程的變化來(lái)看，為了提高機(jī)械零件的使用壽命，應(yīng)盡量延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損階段。但是，惡劣條件下的磨合磨損之后，可能會(huì)直接進(jìn)入急劇磨損階段，不能建立正常工作條件。因此，對(duì)于新的機(jī)械設(shè)備保證良好的磨合是非常重要的。實(shí)踐證明，良好的磨合能夠使摩擦副的正常工作壽命延長(zhǎng)1～2倍，而且還能有效地改善摩擦副的其他性能。例如對(duì)于滑動(dòng)軸承，良好的磨合可改善表面形貌，更有利于建立流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜；發(fā)動(dòng)機(jī)的合理磨合可提高汽缸活塞環(huán)的表面品質(zhì)，減少擦傷痕跡，提高密合性，使發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量降低。

良好的磨合性能表現(xiàn)為磨合時(shí)間短，磨合磨損量小，以及磨合后的表面耐磨性高。為了提高磨合性能，一般可選擇合理的磨合規(guī)范。合理的磨合規(guī)范應(yīng)當(dāng)是逐步地增加載荷和摩擦速度，使表面品質(zhì)得到改善，磨合的最后階段應(yīng)當(dāng)接近使用工況。

二、磨損的分類

根據(jù)磨損產(chǎn)生的原因和磨損過(guò)程的本質(zhì)，磨損主要可分為四種類型，即黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。

1.黏著磨損

當(dāng)摩擦副接觸時(shí)，由于表面不平發(fā)生點(diǎn)接觸，在相對(duì)滑動(dòng)和一定載荷作用下，在接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形或剪切，使其表面膜破裂，摩擦表面溫度升高，嚴(yán)重時(shí)表層金屬會(huì)軟化或熔化，此時(shí)，接觸點(diǎn)產(chǎn)生黏著。在摩擦滑動(dòng)中，黏著點(diǎn)被剪斷，同時(shí)出現(xiàn)新的黏著點(diǎn)，如果黏著點(diǎn)被剪斷的位置不是原來(lái)的交界面，而是在金屬表層，則會(huì)造成材料的消耗，即黏著磨損。

根據(jù)黏著程度不同，黏著磨損情況也有差異。若剪切發(fā)生在黏著結(jié)合面上，表面轉(zhuǎn)移的材料極輕微，則稱“輕微磨損”；若剪切發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深的地方，稱為“撕脫”，在一些高負(fù)荷的摩擦副表面可以看到這種現(xiàn)象。黏著磨損的磨損量與載荷大小、滑動(dòng)的距離和材料的硬度等因素有關(guān)，通常與載荷大小和滑動(dòng)的距離成正比，與材料的硬度成反比。

為了提高摩擦副的抗黏著磨損能力，通常可以使用不易相互黏附的金屬作摩擦副材料，增加潤(rùn)滑油膜的厚度，以及在潤(rùn)滑油脂中加入油性和極壓添加劑，提高潤(rùn)滑油的吸附能力和油膜的強(qiáng)度等方法。

2.磨料磨損

磨料磨損是指硬的物質(zhì)使較軟的金屬表面擦傷而引起的磨損。它包括兩種類型，一種是粗糙的硬表面把較軟表面劃傷；另一種是硬的顆粒在兩摩擦面間滑動(dòng)引起摩擦副表面的劃傷。

對(duì)于第一種情況，摩擦表面的磨損主要與材料表面的粗糙程度和兩表面硬度的差異相關(guān)。一般來(lái)講，材料表面的光潔度越高，所造成劃傷的情況就越輕微；兩摩擦表面的硬度相差越大，就越容易使硬表面將軟表面劃傷。

硬的顆粒在摩擦面間引起的劃傷，往往是因?yàn)槟Σ撩骈g混入了灰塵、泥沙、鐵銹以及發(fā)動(dòng)機(jī)中的焦末等，在黏著磨損、腐蝕磨損中產(chǎn)生的顆粒也能引起磨料磨損。磨料磨損是造成摩擦面磨損的一個(gè)重要類別。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因磨料磨損而造成的損失，占整個(gè)工業(yè)范圍內(nèi)磨損損失的50％。因此，對(duì)機(jī)械摩擦副要特別注意保持摩擦面、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及潤(rùn)滑油的清潔，防止混入雜質(zhì)顆粒。

3.疲勞磨損

黏著磨損和磨料磨損都是基于摩擦副表面直接接觸，相接觸的表面出現(xiàn)的材料損耗。金屬磨損顆粒尺寸非常小，而且在摩擦副開(kāi)始工作時(shí)就出現(xiàn)。還有一種磨損，在摩擦副工作的初期階段一般不會(huì)發(fā)生，而發(fā)生在摩擦副經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期工作以后的階段，其摩擦現(xiàn)象是較大的片狀顆粒從材料上脫落，在摩擦表面上出現(xiàn)針狀或豆瓣?duì)畹男“伎樱四p類型被稱為疲勞磨損。

疲勞磨損通常出現(xiàn)在滾動(dòng)形式的摩擦機(jī)件上，如滾動(dòng)軸承、齒輪、凸輪以及鋼軌與輪箍等。出現(xiàn)疲勞磨損的主要原因是在滾動(dòng)摩擦面上，兩摩擦面接觸的部位產(chǎn)生接觸應(yīng)力，表層發(fā)生彈性變形，而在內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力所致。由于接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，使得金屬的晶格結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，當(dāng)晶格結(jié)構(gòu)被破壞到使材料承載強(qiáng)度低于載荷應(yīng)力時(shí)，材料將會(huì)出現(xiàn)裂紋，而隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)行，裂紋逐漸擴(kuò)大，沿著最大剪應(yīng)力的方向裂紋擴(kuò)展到材料表面，最終使少量的材料從表面上脫落，在摩擦表面出現(xiàn)豆瓣?duì)畎伎印?/p>

對(duì)于完善的、無(wú)缺陷的金屬材料來(lái)說(shuō)，在滾動(dòng)接觸的情況下，損壞的位置決定于出現(xiàn)最大剪應(yīng)力的位置。如果還伴隨著滑動(dòng)，損壞的位置就移向表面。由于材料很少是完美無(wú)缺的，因此，發(fā)生損壞的位置就與材料中的雜質(zhì)、孔隙、細(xì)小的裂紋以及其他因素有關(guān)。

工作一定時(shí)間后開(kāi)始出現(xiàn)大的磨損碎片是疲勞磨損的特點(diǎn)，摩擦副一旦出現(xiàn)了疲勞磨損，就標(biāo)志著使用壽命的終結(jié)。改善摩擦副的材質(zhì)、減小接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力和采用合適的潤(rùn)滑劑可以延緩疲勞磨損的出現(xiàn)。尤其是高黏度的潤(rùn)滑油不易從摩擦面擠掉，有助于接觸區(qū)域壓力的均勻分布，從而降低了最高接觸應(yīng)力值。例如某單位有兩臺(tái)同型號(hào)減速器，其中一臺(tái)先投入生產(chǎn)，采用30號(hào)機(jī)械油潤(rùn)滑，運(yùn)行兩個(gè)月后出現(xiàn)疲勞磨損；另一臺(tái)換用28號(hào)軋鋼機(jī)油，由于提高了用油黏度，運(yùn)行了一年半未出現(xiàn)疲勞磨損。

4.腐蝕磨損

當(dāng)摩擦在腐蝕性環(huán)境中進(jìn)行時(shí)，摩擦表面會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在表面上生成反應(yīng)產(chǎn)物。一般反應(yīng)產(chǎn)物與表面黏結(jié)不牢，容易在摩擦過(guò)程中被擦掉，被擦掉反應(yīng)層的金屬可又產(chǎn)生新的反應(yīng)層，如此循環(huán)下去，會(huì)造成金屬摩擦副材料很快地被消耗掉，這就是腐蝕磨損。由此可見(jiàn)，材料的腐蝕磨損實(shí)質(zhì)是腐蝕與摩擦兩個(gè)過(guò)程共同作用的結(jié)果。

根據(jù)與材料發(fā)生作用的環(huán)境介質(zhì)的不同，腐蝕磨損可分為氧化腐蝕磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損。氧化腐蝕磨損是材料與氧氣作用而產(chǎn)生的，是最常見(jiàn)的一種磨損形式，它的損壞特征是在金屬的摩擦表面沿滑動(dòng)方向呈勻細(xì)磨痕。特殊介質(zhì)腐蝕磨損是在摩擦過(guò)程中，零件受到酸、堿、鹽介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕而造成的腐蝕磨損。

摩擦副的磨損除以上討論的幾種主要情況外，還有一些其他類型，如微動(dòng)磨損、沖蝕磨損和熱磨損等。微動(dòng)磨損是兩接觸表面相對(duì)低幅振蕩而引起的磨損現(xiàn)象，其多發(fā)生在機(jī)械連接處的零件上。沖蝕磨損是指流體束沖擊固體表面而造成的磨損，它包括顆粒束沖蝕、流體沖蝕、汽蝕和電火花沖蝕（如電機(jī)上的電刷的沖蝕等）。熱磨損是指在滑動(dòng)摩擦中，由于摩擦區(qū)溫度升高使金屬組織軟化，而使表面“涂抹”、轉(zhuǎn)移和摩擦表面的微粒脫落。