【正文】 器各部分零件的正常磨損江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 23 頁(yè) 或物理、化學(xué)變化造成零件的變形、斷裂、蝕損等，使機(jī)器零件失效所引起的故障。事故性故障是指因維護(hù)和調(diào)整不當(dāng)，違反操作規(guī)程或使用了質(zhì)量不合格的零件和材料等造成的故障，這種故障是人為造成的，可以避免 。 機(jī)器的故障和機(jī)械零件的失效密不可分。 機(jī)械設(shè)備類型很多，其運(yùn)行工況和環(huán)境條件差異很大。機(jī)械 零件失效模式也很多，主要有磨損、變形、斷裂、蝕損等四種普通的 代表性的失效模式。 機(jī)械零件的磨損及其對(duì)策 相 接觸的物體相互移動(dòng)時(shí)發(fā)生阻力的現(xiàn)象稱為摩擦。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件的摩擦表面發(fā)生尺寸、形狀和表面質(zhì)量變化的現(xiàn)象稱為磨損。摩擦是不可避免的自然現(xiàn)象；磨損是摩擦的 必然結(jié)果，兩者均發(fā)生于材料表面。摩擦與磨損相伴產(chǎn)生 造成機(jī)械零件的失效。當(dāng)機(jī)械零件配合面產(chǎn)生的磨損超過(guò)一定限度時(shí)，會(huì)引起配合性質(zhì)的改變，使間隙加大、潤(rùn)滑條件變壞。產(chǎn)生沖擊，磨損就會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重 ， 在這種情況下極易發(fā)生事故。 一般機(jī)械設(shè)備中約有 80 ％的零件因磨損而失效報(bào)廢。據(jù)估計(jì)，世界上的能源消耗約有 30％～ 50％是由于摩擦和磨損造成的。 摩擦和磨損涉及的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域甚廣，特別是磨損，它是一種微觀和動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在這一過(guò)程中，機(jī)械零件不僅會(huì)發(fā)生外形和尺寸的變化，而且會(huì)出現(xiàn)其他各種物理、化學(xué)和機(jī)械現(xiàn)象。零件的工作條件是影響磨損的基本因素。這些條件主要包括：運(yùn)動(dòng)速度、相對(duì)壓力、潤(rùn)滑與防護(hù)情況、溫度、材料、表面質(zhì)量和配合間隙 等。 以摩擦副為主要零件的機(jī)械設(shè)備，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械零件的磨損過(guò)程一般可分 為磨合 (跑合 )階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段 ： 1） 磨合階段 新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度，實(shí)際接觸面積小。開(kāi)始磨合時(shí)，在一定載荷作用下，表面逐漸磨平，磨損速度較大。隨著磨合的進(jìn)行，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速度減緩。在機(jī)械設(shè)備正式投入運(yùn)行前，認(rèn)真進(jìn)行磨合是十分重要的 。 2） 穩(wěn)定磨損階段經(jīng)過(guò)磨合階段 摩擦副表面發(fā)生加工硬化，微觀幾何形狀改變，建立了彈性接觸條件。這一階段磨損趨于穩(wěn)定、緩慢 。 3） 劇烈磨損階段 由于摩擦條件發(fā)生較大的變化，如溫度快速升高、金屬組織發(fā)生變化、沖擊增大、磨損速度急劇增加、 機(jī)械效率下降、精度降低等，從而導(dǎo)致零件失效，機(jī)械設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 通常將機(jī)械零件的磨損分為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損五種類型 。 （ 1）粘著磨損 粘著磨損又稱為粘附磨損， 是指當(dāng)構(gòu)成摩擦副的兩個(gè)摩擦表面相互接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于粘著作用，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面所引起的磨損。 根據(jù)零件摩擦表面的破壞程度，粘著磨損可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫和咬死等五類。 1．粘著磨損機(jī)理 擦副的表面即使是拋光得很好的光潔表面，但實(shí)際上也還是高低不平的。因此，兩個(gè)金屬零件表面的接 觸，實(shí)際上是微凸體之間的接觸，實(shí)際接觸面積很小，僅為理論接觸面的 1 ％～ 1‰ 。所以即使在載荷不大時(shí)，單位面積的接觸應(yīng)力也很大，如果當(dāng)這一接觸應(yīng)力大到足以使微凸體發(fā)生塑性變形，并且接觸處很干凈，那么這兩個(gè)零件的金屬面將直接接觸而產(chǎn)生粘著。當(dāng)摩擦表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)在切應(yīng)力作用下變形甚至斷裂，造成接觸表面的損傷破壞。這時(shí)，如果粘著點(diǎn)的粘著力足夠大，并超過(guò)摩擦接觸點(diǎn)兩種材料之一的強(qiáng)度 ， 則材料便會(huì)從該表面上被扯下， 使材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面。通常這種材料的轉(zhuǎn)移是由較軟的表面轉(zhuǎn)移到較硬的表面上。在載荷和 相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用下，兩接觸點(diǎn)間重復(fù)產(chǎn)生 “粘著一剪斷一再粘著 ”的循環(huán)過(guò)程，使摩擦表面溫度顯著升高，油膜破壞，嚴(yán)重時(shí)表層金屬局部軟化或熔化，接觸點(diǎn)產(chǎn)生進(jìn)一步粘著。 在金屬零件的摩擦中，粘著磨損是劇烈的，常常會(huì)導(dǎo)致摩擦副災(zāi)難性破壞，應(yīng)加以避免。但是，在非金屬零件或金屬零件和聚合物件構(gòu)成的摩擦副中，摩擦?xí)r聚合物會(huì)轉(zhuǎn)移到金屬表面上形成單分子層，憑借聚合物的潤(rùn)滑特性，可以提高耐磨性，此時(shí)粘著磨損則起到有益的作用 。 摩擦表面產(chǎn)生粘著是粘著磨損的前提，因此，減少或消除粘著磨損的對(duì)策就有兩方面。 (1)控制摩擦表面的狀態(tài)摩擦表面的狀態(tài)主要是指表面自然潔凈程度和微觀粗糙度。 摩擦表面越潔凈，越光滑，越可能發(fā)生表面的粘著。因此，應(yīng)當(dāng)盡可能使摩擦表面有吸 附物質(zhì)、氧化物江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 5 頁(yè) 共 23 頁(yè) 層和潤(rùn)滑劑。例如，潤(rùn)滑油中加入油性添加劑，能有效地防止金屬表面產(chǎn)生 粘著磨損；而大氣中的氧通常會(huì)在金屬表面形成一層保護(hù)性氧化膜， 能防止金屬直接接觸和發(fā)生粘著，有利于減少摩擦和磨損。 (2)控制摩擦表面材料的成分和金相組織材料成分和金相組織相近的兩種金屬材料之間最容易發(fā)生粘著磨損。這是因?yàn)閮蓚€(gè)摩擦表面的材料形成固溶體的傾向強(qiáng)烈，因此，構(gòu)成摩 擦副的材料應(yīng)當(dāng)是形成固溶體傾向最小的兩種材料， 即應(yīng)當(dāng)選用不同材料成分和晶體結(jié)構(gòu)的材料。此外，金屬間化合物具有良好的抗粘著磨損性能，因此也可選用易于在摩擦表面形 成 金屬問(wèn)化合物的材料。如果這兩個(gè)要求都不能滿足，則通常在摩擦表面覆蓋能有效抵抗粘著磨損的材料，如鉛、錫、銀等軟金屬或合金。 （ 2）磨料磨損 磨料磨損也稱為磨粒磨損，它是當(dāng)摩擦副的接觸表面之間存在著硬質(zhì)顆粒，或者當(dāng)摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多時(shí)，所產(chǎn)生的一種類似金屬切削過(guò)程的磨損。它是機(jī)械磨損的一種，特征是在接觸面上有明顯的切削痕跡。在各類 磨損中，磨料磨損約占 50 ％ 是十分常見(jiàn)且危害性最嚴(yán)重的一種磨損，其磨損速率和磨損強(qiáng)度都很大，致使機(jī)械設(shè)備的使用壽命大大降低，能源和材料大量消耗。 根據(jù)摩擦表面所受的應(yīng)力和沖擊的不同 ， 磨料磨損的形式可分為鏨削式、高應(yīng)力碾碎式和低應(yīng)力擦傷式三類。 1． 磨料磨損機(jī)理 磨料磨損的機(jī)理屬于磨料顆粒的機(jī)械作用，磨料的來(lái)源有外界砂塵、切屑侵人、流體帶人、表面磨損產(chǎn)物、材料組織的表面硬點(diǎn)及夾雜物等。 目前，關(guān)于磨料磨損機(jī)理有四種假說(shuō)： (1)微量切削認(rèn)為磨料磨損主要是由于磨料顆粒沿摩擦表面進(jìn)行微量切削而引起的，微 量切屑大多數(shù)呈螺旋狀、彎曲狀或環(huán)狀，與金屬切削加工的切屑形狀類似。 (2)壓痕破壞認(rèn)為塑性較大的材料，因磨料在載荷的作用下壓人材料表面而產(chǎn)生壓痕， 并從表層上擠出剝落物。 (3)疲勞破壞認(rèn)為磨料磨損是磨料使金屬表面層受交變應(yīng)力而變形，使材料表面疲勞破壞，并呈小顆粒狀態(tài)從表層脫落下來(lái)。 (4)斷裂認(rèn)為磨料壓入和擦劃金屬表面時(shí)，壓痕處的金屬要產(chǎn)生變形，磨料壓人深度達(dá)到臨界值時(shí)，伴隨壓人而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力足以產(chǎn)生裂紋。在擦劃過(guò)程中，產(chǎn)生的裂紋有兩種主要類型：一種是垂直于表面的中間裂紋；另一種是從壓痕底部向表面 擴(kuò)展的橫向裂紋。當(dāng)橫向裂紋相交或擴(kuò)展到表面時(shí)，便發(fā)生材料呈微粒狀脫落形成磨屑的現(xiàn)象。 2．減少或消除磨料磨損的對(duì)策 磨料磨損是由磨料顆粒與摩擦表面的機(jī)械作用而引起的， 因而， 減少或消除磨料磨損的對(duì)策也有兩方面。 (1)磨料方面磨料磨損與磨料的相對(duì)硬度、形狀、大小 (粒度 )有密切的關(guān)系。磨料的硬度相對(duì)于摩擦表面材料硬度越大，磨損越嚴(yán)重；呈棱角狀的磨料比圓滑狀的磨料的擠切能力強(qiáng)，磨損率高。實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)表明，在一定粒度范圍內(nèi)，摩擦表面的磨損量隨磨粒尺寸的增大而按比例較快地增加， 但當(dāng)磨料粒度達(dá)到一定尺寸 (稱為 臨界尺寸 )后， 磨損量基本保持不變。這是因?yàn)槟チ媳旧淼娜毕莺土鸭y隨著磨料尺寸增大而增多，導(dǎo)致磨料的強(qiáng)度降低，易于斷裂 破碎。 (2)摩擦表面材料方面 摩擦表面材料的顯微組織、力學(xué)性能 (如硬度、斷裂韌度、彈性 模量等 )與磨料磨損有很大關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，硬度越高，材料越耐磨，因?yàn)橛捕确从沉吮荒p表面抵抗磨料壓力的能力。斷裂韌度反映材料對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散的敏感性，對(duì)材 料 的磨損特性也有重要的影響。因此必須綜合考慮硬度和斷裂韌度的取值，只有兩者配合合理時(shí)，材料的耐磨性才最佳。彈性模量的大小，反映被磨材料是否能以彈 性變形的方式去適應(yīng) 磨料、允許磨料通過(guò)，而不發(fā)生塑性變形或切削作用，避免或減少表面材料的磨損 。 （ 3）疲勞磨損 疲勞磨損是摩擦表面材料微觀體積受循環(huán)接觸應(yīng)力作用產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋和分離出微片或顆粒的一種磨損。 疲勞磨損根據(jù)其危害程度可分為非擴(kuò)展性疲勞磨損和擴(kuò)展性疲勞磨損兩類。 江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 6 頁(yè) 共 23 頁(yè) 1．疲勞磨損機(jī)理 疲勞磨損的過(guò)程就是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的破壞過(guò)程。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置，疲勞磨損的機(jī)理有兩種情況： (1)滾動(dòng)接觸疲勞磨損 在滾動(dòng)接觸過(guò)程中，材料表層受到周期性載荷作用，引起塑性變形、表面硬化，最后在表面出現(xiàn) 初始裂紋，并沿與滾動(dòng)方向呈小于 45。的傾角方向由表向里擴(kuò)展。表面上的潤(rùn)滑油由于毛細(xì)管的吸附作用而進(jìn)入裂紋內(nèi)表面，當(dāng)滾動(dòng)體接觸到裂 1： 3 處時(shí)將把裂口封住，使裂紋兩側(cè)內(nèi)壁承受很大的擠壓作用，加速裂紋向內(nèi)擴(kuò)展。在載荷的繼續(xù)作用下，形成麻點(diǎn)狀剝落，在表面上留下痘斑狀凹坑，深度在 0． 1～ 0． 2mm 以下。 (2)滾滑接觸疲勞磨損 根據(jù)彈性力學(xué)，兩滾動(dòng)接觸物體在表面下 0． 786b 為平面接觸區(qū)的半寬度 )處切應(yīng)力最大。該處塑性變形最劇烈，在周期性載荷作用下的反復(fù)變形使材料局部弱化，并在該處首先出現(xiàn)裂紋，在滑動(dòng)摩擦 力引起的切應(yīng)力和法向載荷引起的切應(yīng)力疊加作用下，使最大切應(yīng)力從 0． 786b 處向表面移動(dòng)，形成滾滑疲勞磨損，剝落層深度一般為 0． 2～ 0． 4mm。 2．減少或消除疲勞磨損的對(duì)策 疲勞磨損是由于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展而產(chǎn)生的，因此，減少或消除疲勞磨損的對(duì)策就是控制影響裂紋萌生和擴(kuò)展的因素，主要有四個(gè)方面： (I)材質(zhì)鋼中存在的非金屬夾雜物，易引起應(yīng)力集中，這些夾雜物的邊緣最易形成裂紋，從而降低材料的接觸疲勞壽命。 材料的組織狀態(tài)對(duì)其接觸疲勞壽命有重要影響。通常，晶粒細(xì)小、均勻，碳化物成球狀且均勻分布，均 有利于提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。軸承鋼經(jīng)處理后，殘留奧氏體越多，針狀馬氏體越粗大，則表層有益的殘余壓應(yīng)力和滲碳層強(qiáng)度越低，越容易發(fā)生微裂紋。在未溶解的碳化物狀態(tài)相同的條件下，馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0． 4％～ 0． 5％左右時(shí)，材料的強(qiáng)度和韌性配合較佳，接觸疲勞壽命高。對(duì)未溶解的碳化物，通過(guò)適當(dāng)熱處理，使其趨于量少、 體小、均布，避免粗大或帶狀碳化物出現(xiàn)，都有利于避免疲勞裂紋的產(chǎn)生。 硬度在一定范圍內(nèi)增加，其接觸疲勞強(qiáng)度將隨之增大。例如，軸承鋼表面硬度為 62HRC 左右時(shí)，其抗疲勞磨損能力最大。對(duì)傳動(dòng)齒輪的齒面 ，硬度在 58～ 62HRC 范圍內(nèi)最佳，而當(dāng)齒面受沖擊載荷時(shí)，硬度宜取下限。此外，兩個(gè)接觸滾動(dòng)體表面硬度匹配也很重要。例如，滾動(dòng)軸承中，滾道和滾動(dòng)元件的硬度相近，或者滾動(dòng)元件比滾道硬度高出 10％為宜。 (2)接觸表面粗糙度試驗(yàn)表明，適當(dāng)降低表面粗糙度可有效提高抗疲勞磨損的能力。例 40um 降低到 Ra0． 20u m， 壽命可提高 2～ 3 倍； Ra0． 由 20um 如， 滾動(dòng)軸承表面粗糙度由 Ra0． 降低到 Ra0． 10um，壽命可提高 1 倍；而降低到 Ra0． 05um 以下，對(duì)壽命的提高影響甚小。 表面粗糙度要求的高低與表面承受的接觸應(yīng)力有關(guān)，通常接觸應(yīng)力大，或表面硬度高時(shí)，均 要求表面粗糙度低。 (3)表面殘余內(nèi)應(yīng)力 一般來(lái)說(shuō)，表層在一定深度范圍內(nèi)存在有殘余壓應(yīng)力，不僅可提高彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，還能提高接觸疲勞強(qiáng)度，減小疲勞磨損。但是，殘余壓應(yīng)力過(guò)大也 有害。 (4)其他因素潤(rùn)滑油的選擇很重要，潤(rùn)滑油粘度越高越利于改善接觸部分的壓力分布，同時(shí)不易滲入表面裂紋中，這對(duì)抗疲勞磨損均十分有利；而潤(rùn)滑油中加入活性氯化物添加劑或是能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成酸類物質(zhì)的添加劑 ， 則會(huì)降低軸承的疲勞壽命。機(jī)械設(shè)備 裝配精度影響齒輪齒面的嚙合接觸面的大小，自然也對(duì)接觸疲勞壽命有影響。具有腐蝕作用的環(huán)境因素對(duì)疲勞往往起有害作用，如潤(rùn)滑油中的水。 （ 4）腐蝕磨損 在摩擦過(guò)程中，金屬同時(shí)與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng) ， 引起金屬表面的腐蝕剝落，這種現(xiàn)象稱為腐蝕磨損。它是與機(jī)械磨損、粘著磨損、磨料磨損等相結(jié)合時(shí)才能形成的一種機(jī)械化學(xué)磨損。因此，腐蝕磨損的機(jī)理與前述三種磨損的機(jī)理不同。腐蝕磨損是一 種 極為復(fù)雜的磨損過(guò)程，經(jīng)常發(fā)生在高溫或潮濕的環(huán)境下，更容易發(fā)生在有酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)的條件下。 按腐蝕介質(zhì)的不同類型，腐蝕磨損可 分為氧化磨損和特殊介質(zhì)下的腐蝕磨損兩大類。 1．氧化磨損 我們知道，除金、鉑等少數(shù)金屬外，大多數(shù)金屬表面都被氧化膜覆蓋著。若在摩擦過(guò)程中，氧化膜被磨掉，摩擦表面與氧化介質(zhì)反應(yīng)速度很快，立即又形成新的氧化膜，然后又被磨掉，這種氧化膜不斷被磨掉又反復(fù)形成的過(guò)程，就是氧化磨損。 氧化磨損的產(chǎn)生必須同時(shí)具備以下條件：一是摩擦表面要能夠發(fā)生氧化，而且氧化膜生成速江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 第 7 頁(yè) 共 23 頁(yè) 度大于其磨損破壞速度；二是氧化膜與摩擦表面的結(jié)合強(qiáng)度大于摩擦表面承受的切應(yīng)力；三是氧化膜厚度大于摩擦表面破壞的深度。 在通常情況下，氧化磨損比其他磨損輕 微得多。 減少或消除氧化磨損的對(duì)策主要有： (1)控制氧化膜生長(zhǎng)的速度與厚度在摩擦過(guò)程中，金屬表面形成氧化物的速度要比非摩擦?xí)r快得多。 在常溫下 ， 金屬表面