【知識】材料的磨損性能及試驗概述
2022-12-29 13:36:03
作者：材料基 來源：材料基
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材料的磨損性能
磨損是由于機械作用、化學反應（包括熱化學、電化學和力化學等反應），材料表面物質不斷損失或產生殘余變形和斷裂的現象。
磨損是發生在物體上的一種表面現象，其接觸表面必須有相對運動。磨損必然產生物質損耗（包括材料轉移），而且它是具有時變特征的漸進的動態過程。
1 磨損的危害：
（1）影響機器的質量，減低設備的使用壽命，如齒輪齒面的磨損、機床主軸軸承磨損等；
（2）降低機器的效率，消耗能量，如柴油機缸套的磨損等；
（3）減少機器的可靠性，造成不安全的因素，如斷齒、鋼軌磨損；
（4）消耗材料，造成機械材料的大面積報廢。
磨損曲線
跑和階段：表面被磨平，實際接觸面積不斷增大，表面應變硬化，形成氧化膜，磨損速率減小；
穩定磨損階段：斜率就是磨損速率，唯一穩定值；大多數機件在穩定磨損階段（AB段）服役；
劇烈磨損階段：隨磨損的增長，磨耗增加，表面間隙增大，表面質量惡化，機件快速失效。
2 磨損的評定
磨損時零件表面的損壞是材料表面單個微觀體積損壞的總和。目前對磨損評定方法還沒有統一的標準。這里主要介紹三種方法：磨損量、耐磨性和磨損比。
磨損量分為長度磨損量Wl、體積磨損量Wv、重量磨損量Ww。
耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性。耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數。
材料耐磨性分為相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。材料的相對耐磨性ε是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值，其中材料之一的A是標準（或參考）試樣。
εA＝WA/WB
磨損比用于度量沖蝕磨損過程中的磨損。（磨損比=材料的沖蝕磨損量/造成該磨損量所用的磨料量）
3 磨損類型
磨損按磨損機理可分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損，按環境介質可分為干磨損、濕磨損、流體磨損。
3.1 粘著磨損
當摩擦副相對滑動時， 由于粘著效應所形成結點發生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損稱為粘著磨損。
磨損過程：粘著→剪斷→轉移→再粘著。
粘著磨損示意圖
粘著磨損類別、現象及原因
粘著磨損的影響因素
（1）摩擦副材料性質的影響
脆性材料比塑料材料的抗粘著能力高；相同金屬或互溶性大的材料摩擦副易發生粘著磨損，反之則不易發生粘著磨損；多相金屬也不容易發生粘著磨損；表面處理可以減小粘著磨損；硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強。
（2）載荷與速度的影響
載荷增加——粘著磨損加劇，但是有一個臨界載荷；在壓力一定的情況下，粘著磨損隨滑動速度的增加而增加，在達到某一極大值后，又隨著滑動速度的增加而減少。
（3）表面溫度的影響
表面溫度升高可使潤滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易產生粘著磨損。
（4）潤滑油、潤滑脂的影響
在潤滑油、潤滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤滑油膜吸附能力及油膜強度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。
粘著磨損的改善措施：提高硬度、采用互溶性小的金屬、耐磨鍍層、加油性和極壓添加劑。
3.2 磨粒磨損
外界硬顆粒或者對磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過程中引起表面材料脫落的現象，稱為磨粒磨損（又稱磨料磨損）。磨粒是摩擦表面互相摩擦產生或由介質帶入摩擦表面。
磨粒磨損是最普遍的一種形式，主要出現在采礦、鉆探、建筑、運輸與農業等機械相關零部件，據統計，工業中磨粒磨損造成的損失約占總的50%左右。
磨粒磨損的影響因素
磨粒磨損的改善措施：
（1）對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應增加材料硬度；
（2）根據機件的服役條件，合理選擇相應的耐磨材料；
（3）采用滲碳、滲氮共滲等化學熱處理提高表面硬度；
（4）機件的防塵和清洗。
3.3 疲勞磨損
兩接觸表面作純滾動或滾動與滑動復合摩擦時，在高接觸壓應力的作用下，經過多次應力循環后，在其相互作用表面的局部地區產生小塊材料剝落，形成麻點或凹坑，這種磨損稱為疲勞磨損，又稱為接觸疲勞。
疲勞磨損與材料疲勞破壞的主要區別：磨損的產生與摩擦力有關；磨損往往發生在材料的表層或次表層。
疲勞磨損類型：麻點剝落、淺層剝落、深層剝落。
麻點剝落：是指深度在0.1~0.2mm以下的小塊剝落，裂紋一般起源于表面，剝落坑呈針狀或痘狀。
淺層剝落：其剝落深度一般為0.2~0.4 mm。多出現在機件表面粗糙度低、相對滑動小的場合。
深層剝落：這類剝落坑較深（＞0.4mm）、塊大。一般發生在表面強化的材料中，如滲碳鋼中。
疲勞磨損影響因素
疲勞磨損的改善措施：提高摩擦面硬度、采用表面強化工藝、提高冶金質量、減少缺陷、提高潤滑劑粘度、增大膜厚比，消除水分。
3.4 腐蝕磨損
材料在摩擦過程中與周圍的介質發生化學或電化學反應而引起的物質從表面損失的現象，稱為腐蝕磨損。
腐蝕磨損按腐蝕介質的性質，腐蝕磨損可分為兩類，即化學腐蝕磨損和電化學腐蝕磨損。化學腐蝕磨損指金屬材料在氣體介質或非電解質溶液中的磨損，其中最重要的一種是氧化磨損。電化學腐蝕磨損指金屬材料在導電性電解質溶液中的磨損。
氧化磨損指金屬表面與氣體介質發生氧化反應，在表面生成氧化膜，隨后在磨料或微凸體作用下被去除，新暴露的表面又重新被氧化、磨去的過程中形成的磨損。
氧化磨損條件：摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨損的速率，氧化膜與基體結合的強度大于摩擦表面的剪切應力，氧化膜厚度大于表面磨損破壞的深度。
氧化磨損影響因素：氧化膜性質、載荷、滑動速度、金屬表面狀態。
電化學腐蝕磨損是指摩擦副工作在電解質溶液（如酸、堿、鹽等）中，并和它們發生作用形成各種不同的產物，又在摩擦中被去除的過程。
摩擦表面遍布點狀或絲狀腐蝕痕跡，磨損產物是酸、堿、鹽的金屬化合物。
電化學腐蝕磨損的影響因素：
（1）腐蝕介質的性質，同種材質在不同介質中的腐蝕磨損行為是不同的，另外，介質濃度、pH值和溫度也會影響腐蝕磨損；
（2）材料性質，在強磨損—弱腐蝕條件下，含碳量提升——耐磨蝕性提高，反之在弱磨損—強腐蝕條件下則耐磨蝕性降低。不同熱處理后鋼的組織差異也會對鋼的耐磨性有影響；
（3）機械因素，外加載荷的大小及其作用頻率也會對材料耐磨蝕性產生影響。
3.5 其他磨損形式
沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。
根據顆粒及其攜帶介質的不同，沖蝕磨損又可分為氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕和氣蝕等。
對于沖蝕磨損通常采用涂抹預保護涂層，根據磨損情況的不同選擇不同的保護層。主要有以下三種：采用耐磨涂層膠，耐磨修補劑進行預保護；采用耐磨陶瓷膠粘貼特種耐磨陶瓷片進行預保護；采用聚氨酯彈性涂層。
微動磨損指受壓配合面在微小幅度的振動下發生的磨損現象，是一種復合磨損（粘著、磨粒、疲勞、腐蝕）。
金屬表面的微動磨損原理示意圖
微動磨損的控制措施：消除振動，增加接合面上的正壓力，增大接合面間的摩擦力，采用良好的潤滑，采用潤滑脂，采用固體潤滑劑。
4 磨損試驗
測定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗。通過這種試驗可以比較材料的耐磨性優劣。
磨損試驗比常規的材料試驗要復雜。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選定合適的試驗方法，以便使試驗結果與實際結果較為吻合。
磨損試驗方法比較
磨損試驗儀器：滾子式磨損試驗機、環塊磨損試驗機、旋轉圓盤一銷式磨損試驗機、往復式摩擦-磨損試驗機、四球式摩擦-磨損試驗機、接觸疲勞試驗機、濕磨科磨試驗機。
磨損量的測量方法
5 相關標準
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