磨损

　　磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。 零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能；功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性及安全性和安全性。
　　1、磨损的分类
　　按照表面破坏机理特征，磨损可以分为磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。前三种是磨损的基本类型，后两种只在某些特定条件下才会发生。
　　磨粒磨损：物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失。
　　粘着磨损：摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属损耗。
　　表面疲劳磨损：两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失。
　　腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。
　　微动磨损：两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（小于100μm），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损。
　　2、表征材料磨损性能的参量
　　为了反映零件的磨损，常常需要用一些参量来表征材料的磨损性能。常用的参量有以下几种：
　　(1)磨损量 由于磨损引起的材料损失量称为磨损量，它可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。
　　(2)磨损率 以单位时间内材料的磨损量表示，即磨损率I=dV /dt (V为磨损量,t为时间）。
　　(3)磨损度 以单位滑移距离内材料的磨损量来表示，即磨损度E=dV/dL (L为滑移距离）。
　　(4)耐磨性 指材料抵抗磨损的性能，它以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。
　　(5)相对耐磨性 指在同样条件下，两种材料（通常其中一种是Pb-Sn合金标准试样）的耐磨性之比值，即相对耐磨性εw=ε试样/ε标样。
　　3.磨损失效过程
　　机械零件的磨损失效常经历一定的磨损阶段。图1a所示为典型的磨损过程曲线，图1b表示磨损过程曲线的斜率，即磨损率曲线。根据磨损率曲线，可以将磨损失效过程分为三个阶段。
　　(1)跑合磨损阶段（图中0a段） 新的摩擦副在运行初期，由于对偶表面的表面粗糙度值较大，实际接触面积较小，接触点数少而多数接触点的面积又较大，接触点粘着严重，因此磨损率较大。但随着跑合的进行，表面微峰峰顶逐渐磨去，表面粗糙度值降低，实际接触面积增大，接触点数增多，磨损率降低，为稳定磨损阶段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副，因此跑合磨损阶段多采取在空车或低负荷下进行；为了缩短跑合时间，也可采用含添加剂和固体润滑剂的润滑材料，在一定负荷和较高速度下进行跑合。跑合结束后，应进行清洗并换上新的润滑材料。
　　(2)稳定磨损阶段（图中ab段） 这一阶段磨损缓慢且稳定，磨损率保持基本不变，属正常工作阶段，图中相应的横坐标就是摩擦副的耐磨寿命。
　　(3)剧烈磨损阶段（图中bc段） 经过长时间的稳定磨损后，由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高，最终导致摩擦副完全失效。
　　有时也会出现下列情况：
　　(1)在跑合磨损阶段与稳定磨损阶段无明显磨损。当表层达到疲劳极限后，就产生剧烈磨损，滚动轴承多属于这种类型。
　　(2)跑合磨损阶段磨损较快，但当转入稳定磨损阶段后，在很长的一段时间内磨损甚微，无明显的剧烈磨损阶段。一般特硬材料的磨损（如刀具等）就属于这一类。
　　(3)某些摩擦副的磨损，从一开始就存在着逐渐加速磨损的现象，如阀门的磨损就属于这种情况。
　　4、表面疲劳磨损
　　摩擦副两对偶表面作滚动或滚滑复合运动时，由于交变接触应力的作用，使表面材料疲劳断裂而形成点蚀或剥落的现象，称为表面疲劳磨损（或接触疲劳磨损）。
　　如前所述，粘着磨损和磨粒磨损，都起因于固体表面间的直接接触。如果摩擦副两对偶表面被一层连续不断的润滑膜隔开，而且中间没有磨粒存在时，上述两种磨损则不会发生。但对于表面疲劳磨损来说，即使有良好的润滑条件，磨损仍可能发生。因此，可以说这种磨损一般是难以避免的。
　　磨损机理
　　表面疲劳磨损形成的原因，按照疲劳裂纹产生的位置，目前存在两种解释。
　　(1)裂纹从表面上产生
　　摩擦副两对偶表面在接触过程中，由于受到法向应力和切应力的反复作用，必然引起表层材料塑性变形而导致表面硬化，最后在表面的应力集中源（如切削痕、碰伤、腐蚀或其它磨损的痕迹等）出现初始裂纹，如图1所示，该裂纹源以与滚动方向小于45°的倾角由表向内扩伸。当润滑油楔入裂纹中后，若滚动体的运动方向与裂纹方向一致，当接触到裂口时，裂口封住，裂纹中的润滑油则被堵塞在裂纹内，因滚动使裂纹内的润滑油产生很大压力将裂纹扩展，经交变应力重复作用，裂纹发展到一定深度后则成为悬臂梁形状，在油压作用下材料从根部断裂而在表面形成扇形的疲劳坑，造成表面疲劳磨损，这种磨损称为点蚀。点蚀主要发生在高质量钢材以滑动为主的摩擦副中，这种磨损的裂纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速。
　　(2)裂纹从表层下产生
　　两点（或线）接触的摩擦副对偶表面，最大压应力发生在表面，最大切应力发生在距表面0. 786a (a是点或线接触区宽度的一半）处。在最大切应力处，塑性变形最剧烈，且在交变应力作用下反复变形，使该处材料局部弱化而出现裂纹。裂纹首先顺滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使表面材料呈片状剥落而形成浅凹坑，造成表面疲劳磨损，这种磨损常称为鳞剥。若在表层下最大切应力处附近有非塑性夹杂物等缺陷，造成应力集中，则极易早期产生裂纹而引起疲劳磨损，这种表面疲劳磨损主要发生在以滚动为主的一般质量的钢制摩擦副中。这种磨损的裂纹形成时间较短，但裂纹扩展速度较慢。这种从表层下产生裂纹的疲劳磨损通常是滚动轴承的主要破坏形式。
　　滚动接触疲劳磨损要经过一定的应力循环次数之后才发生明显的磨损，并很快形成较大的磨屑，使摩擦副对偶表面出现凹坑而丧失其工作能力；而在此之前磨损极微，可以不计。这与粘着磨损和磨粒磨损从一开始就发生磨损并逐渐增大的情况完全不同。因此，对滚动接触疲劳磨损来说，磨损度或磨损率似乎不是一个很有用的参数，更有意义的是表面出现凹坑前的应力循环次数。
　　影响磨损的因素
　　(1)材料性能
　　钢中的非塑性夹杂物等冶金缺陷，对疲劳磨损有严重的影响。如钢中的氮化物、氧化物、硅酸盐等带棱角的质点，在受力过程中，其变形不能与基体协调而形成空隙，构成应力集中源，在交变应力作用下出现裂纹并扩展，最后导致疲劳磨损早期出现。因此，选择含有害夹杂物少的钢（如轴承常用净化钢），对提高摩擦副抗疲劳磨损能力有着重要意义。在某些情况下，铸铁的抗疲劳磨损能力优于钢，这是因为钢中微裂纹受摩擦力的影响具有一定方向性，且也容易渗入油而扩展；而铸铁基体组织中含有石墨，裂纹沿石墨发展且没有一定方向性，润滑油不易渗入裂纹。
　　(2)硬度
　　一般情况下，材料抗疲劳磨损能力随表面硬度的增加而增强，而表面硬度一旦越过一定值，则情况相反。
　　钢的芯部硬度对抗疲劳磨损有一定影响，在外载荷一定的条件下，芯部硬度越高，产生疲劳裂纹的危险性就越小。因此，对于渗碳钢应合理地提高其芯部硬度，但也不能无限地提高，否则韧性太低也容易产生裂纹。此外，钢的硬化层厚度也对抗疲劳磨损能力有影响，硬化层太薄时，疲劳裂纹将出现在硬化层与基体的连接处而易形成表面剥落。因此，选择硬化层厚度时，应使疲劳裂纹产生在硬化层内，以提高抗疲劳磨损能力。
　　齿轮副的硬度选配，一般要求大齿轮硬度低于小齿轮，这样有利于跑合，使接触应力分布均匀和对大齿轮齿面产生冷作硬化作用，从而有效地提高齿轮副寿命。
　　(3)表面粗糙度
　　在接触应力一定的条件下，表面粗糙度值越小，抗疲劳磨损能力越高；当表面粗糙度值小到一定值后，对抗疲劳磨损能力的影响减小。如滚动轴承，当表面粗糙度值为Ra0.32mm时，其轴承寿命比Ra0.63mm时高2～3倍,Ra0.16mm比Ra0.32mm高1倍，Ra0.08mm比Ra0.16mm高0.4倍，Ra0.08mm以下时，其变化对疲劳磨损影响甚微。如果触应力太大，则无论表面粗糙度值多么小，其抗疲劳磨损能力都低。此外，若零件表面硬度越高，其表面粗糙度值也就应越小，否则会降低抗疲劳磨损能力。
　　(4)摩擦力
　　接触表面的摩擦力对抗疲劳磨损有着重要的影响。通常，纯滚动的摩擦力只有法向载荷的1%～2%，而引入滑动以后，摩擦力可增加到法向载荷的10%甚至更大。摩擦力促进接触疲劳过程的原因是：摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加了裂纹产生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉应力会促使裂纹扩展加速。
　　(5)润滑
　　试验表明：润滑油的粘度越高，抗疲劳磨损能力也越高；在润滑油中适当加入添加剂或固体润滑剂，也能提高抗疲劳磨损能力；润滑油的粘度随压力变化越大，其抗疲劳磨损能力也越大；润滑油中含水量过多，对抗疲劳磨损能力影响也较大。
　　此外，接触应力的大小、循环速度、表面处理工艺、润滑油量等因素，对抗疲劳磨损也有较大影响。