【正文】 8 圖 14 機(jī)械磨損過程 (1)磨合階段 新的摩擦副表面具 有一定的表面粗糙度，實際接觸面積小。隨著磨合的進(jìn)行，實際接觸面積逐漸增大，磨損速度減緩。 (2)穩(wěn)定磨損階段經(jīng)過磨合階段， 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。 (3)劇烈磨損階段經(jīng)過 B點以后，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)備無法正常運轉(zhuǎn)。 (一 )粘著 磨損 粘著磨損又稱為粘附磨損，是指當(dāng)構(gòu)成摩擦副的兩個摩擦表面相互接觸并發(fā)生相對運動時，由于粘著作用，接觸表面的材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面所引起的磨損。 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，但實際上也還是高低不平的。所以即使在載荷不大時，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 9 足以使微凸體發(fā)生塑性變形，并且接觸處很干凈，那么這兩個零件的金屬面將直接接觸而產(chǎn)生粘著。這時，如果粘著點的粘著力足夠大，并超過摩擦接觸點兩種材料之一的強(qiáng)度，則材料便會從該表面上被扯下，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面。在載荷和相對運動作用下，兩接觸點間重復(fù)產(chǎn)生“ 粘著一剪斷一再粘著 ” 的循環(huán)過程，使摩擦表面溫度顯著升高，油膜破壞，嚴(yán)重時表層金 屬局部軟化或熔化，接觸點產(chǎn)生進(jìn)一步 粘著。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聚合物會轉(zhuǎn)移到金屬表面上形成單分子層，憑借聚合物的潤滑特性，可以提高耐磨性，此時粘著磨損則起到有益的作用。 (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。因此，應(yīng) 當(dāng)盡可能使摩擦表面有吸附物質(zhì)、氧化物層和潤滑劑。 (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。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化合物的材料。 (二 )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，所產(chǎn)生的一種類似金屬切削過程的磨損。在各類磨損中，磨料磨損約占50％．是十分常見且危害性最嚴(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。 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，磨料的來源有外界砂塵、切屑侵人、流體帶 10 人、表面磨損產(chǎn)物、材料組織的表面硬點及夾雜物等。 (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。 (4)斷裂認(rèn)為磨料壓入和擦劃金屬表面時，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，伴隨壓人而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力足以產(chǎn)生裂紋。當(dāng)橫向裂紋相交或擴(kuò)展到表面時，便發(fā)生材料呈微粒狀脫落形成磨屑的現(xiàn)象。 (1)磨料方面磨料磨損與磨料的相對硬度、形狀、大小 (粒度 )有密切的關(guān)系。實踐與實驗表明，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。 (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。斷裂韌度反映材料對裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散的敏感性，對材料的磨損特性也有重要的影響。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，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。 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。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置，疲勞磨損的機(jī)理有兩種情況： 11 (1)滾動接觸疲勞磨損 在滾動接觸過程中，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，并沿與滾動方向呈小 于 45。表面上的潤滑油由于毛細(xì)管的吸附作用而進(jìn)入裂紋內(nèi)表面，當(dāng)滾動體接觸到裂 1：3處 時將把裂口封住，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。 (2)滾滑接觸疲勞磨損 根據(jù)彈性力學(xué)，兩滾動接觸物體在表面下 0． 786b(b為平面接觸區(qū)的半寬度 )處切應(yīng)力最大。 2．減少或消除疲勞磨損的對策 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策就是控制影響裂紋萌生和擴(kuò)展的因素，主要有四個方面： (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。通常，晶粒細(xì)小、均勻，碳化物成球狀且均勻分布，均有利于 提高滾動接觸疲勞壽命。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，材料的強(qiáng)度和 韌性配合較佳，接觸疲勞壽命高。 硬度在一定范圍內(nèi)增加，其接觸疲勞強(qiáng)度將隨之增大。對傳動齒輪 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，硬度宜取下限。例如，滾動軸承中，滾道和滾動元件的硬度相近，或者滾動元件比滾道硬度高出 10％ 為宜。 例如，滾動軸承表面粗糙度由 Ra0． 40um降低到 Ra0． 20u m，壽命可提高 2～ 3倍；由 Ra0． 20um降低到 Ra0． 10um，壽命可提高 1倍；而降低到 Ra0． 05um以下，對壽命的提高影 響甚小。 (3)表面殘余內(nèi)應(yīng)力 一般來說，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。 (4)其他因素潤滑油的選擇很重要，潤滑油粘度越高越利于改善接觸部分的壓力分 布， 12 同時不易滲入表面裂紋中，這對抗疲勞磨損均十分有利；而潤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，則會降低軸承的疲勞壽命。具有腐蝕作用的環(huán)境因素對疲勞往往起有害作用，如潤滑油中的水。它是與機(jī)械磨損、粘著磨損、磨料磨損等相結(jié)合時才能形成的一種機(jī)械化學(xué)磨損。腐蝕磨損是一種極為復(fù)雜的磨損過程，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。 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。 氧化磨損的產(chǎn)生必須同時具備以下條件：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。 減少或消除氧 化磨損的對策主要有： (1)控制氧化膜生長的速度與厚度在摩擦過程中，金屬表面形成氧化物的速度要比非 摩擦?xí)r快得多。但是，氧化膜的生成速度隨時間而變化。若氧化 膜緊密、完整無孔，與金屬表面基體結(jié)合牢固，則有利于防止金屬表面氧化；若氧化膜本身性脆，與金屬表面基體結(jié)合差，則容易被磨掉。低溫下，鐵的氧化物是緊密的，與基體結(jié)合牢固，但在高溫下，隨著厚度增大，內(nèi)應(yīng)力也增大，將導(dǎo)致膜層開裂、脫落。最有利的情況是氧化膜硬度和基體硬度都很高，在載荷作用下變形小，氧化膜不易破碎，耐磨性 好，例如鍍硬鉻時，其硬度為 900HBS左右，鉻的氧化膜硬度也很高，所以鍍硬 鉻得到廣泛應(yīng)用。但在不引起氧化膜破裂的工況下，表面的氧化膜層有防止金屬之間粘著的作用，因而有利于抗粘著磨損。其機(jī)理與氧化磨損相似，但磨損速度較快。介質(zhì)腐蝕性越強(qiáng)，作用溫度越高，腐蝕磨損速度越快。 2)控制機(jī)械零件或構(gòu)件所處的應(yīng)力狀態(tài)，因為這對腐蝕影響很大。 (五 )微動磨損 兩個接觸表面由于受相對低振幅振蕩運動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損。微動磨損的最大特點是：在外界變動載荷作用下，產(chǎn)生振幅很小 (小于 100ūm，一般為 2～ 20ūm)的相對運動，由此發(fā)生摩擦磨損。 微動磨損使配合精度下降，過盈配合部件結(jié)合緊度下降甚至松動，聯(lián)接件松動乃至分 離，嚴(yán)重者會引起事故。 1．微動磨損的機(jī)理 由于微動磨損集 中在局部范圍內(nèi)，同時兩個摩擦表面永遠(yuǎn)不脫離接觸，磨損產(chǎn)物不易往外排除，磨屑在摩擦表面起著磨料的作用；又因摩擦表面之間的壓力使表面凸起部分粘著，粘著處被外界小振幅引起的擺動所剪切，剪切處表面又被氧化，所以微動磨損兼有粘著磨損和氧化磨損的作用。 2．減少或消除微動磨損的對策 實踐與試驗表明，外界條件 (如載荷、振幅、溫度、潤滑等 )及材質(zhì)對微動磨損影響 相當(dāng)大，因而，減少或消除微動磨損的對策主要有以下幾個方面： (1)載荷 在一定條件下，隨著載荷增大，微動磨損量將增加，但是當(dāng)超過某臨界載荷之后，微動磨損量將減小。 (2)振幅 當(dāng)振幅較小時，單位磨損率較??；當(dāng)振幅超過 50～ 150um時， 單位磨損率顯著上升。 (3)溫度低碳鋼，在 0。 C～ 200。 C 升高到 400。中碳鋼，在其他條 件不變、溫度為 130。 (4)潤滑 用粘度大、抗剪切強(qiáng)度高的潤滑脂有一定效果，固體潤滑劑 (如 MoS PTFE等 )效果更好。 (5)材質(zhì)性能提高硬度及選擇適當(dāng)材料配副都可以減小微動磨損。一般來說，抗粘著性能好的材料配副對抗微 動磨損也好。 二、機(jī)械零件 的變形及其對策 機(jī)械零件或構(gòu)件在外力的作用下，產(chǎn)生形狀或尺寸變化的現(xiàn)象稱為變形。例如，各類傳動軸的彎曲變形；橋式起重機(jī)主梁在變形下?lián)锨蚺で黄嚧罅旱呐で冃?；彈簧的變形等。有的機(jī)械零件因變形引起結(jié)合零件出現(xiàn)附加載荷、相互關(guān)系失?；蚣铀倌p，甚至造成斷裂等災(zāi)難性后果。 1．彈性變形 金屬零件在作用應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度時產(chǎn)生的變形稱為彈性變形。 2)材料彈性變形時，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，其比值稱為彈性模量，它表示材料對彈性變 形的阻力。 3)彈性變形量很小，一般不超過材料原長度的 0． 1％～ ％。例如，當(dāng)傳動軸工作時，超量彈性變形會 引起軸上齒輪嚙合狀況惡化，影響齒輪和支承它的滾動軸承的工作壽命；機(jī)床導(dǎo)軌或主軸超量彈性變形，會引起加工精度降低甚至不能滿足加工精度。除了正確設(shè)計外，正確使用十分重要，應(yīng)嚴(yán)防超載運行，注意運行溫度規(guī)范，防止熱變形等。金屬零件的塑性變形從宏觀形貌特征上看，主要有翹曲變形、體積變形和時效變形三種形式。因此，金屬零件產(chǎn)生翹曲變形是它自身受復(fù)雜應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。 (2)體積變形 金屬零件在受熱與冷卻過程中，由于金相組織轉(zhuǎn)變引起比容變化，導(dǎo)致金屬零件體積脹 縮的現(xiàn)象稱為體積變形。馬氏體形成時的體積變化程度，與淬火相變時馬氏體中的含碳量有關(guān)。此外，鋼中碳化物不均勻分布往往會增大變形程度。在常溫下較長時間的放置或使用，不穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)力會逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，并趨于穩(wěn)定， 由此伴隨產(chǎn)生的變形稱為時效變形。例如，機(jī)床主軸塑性彎曲，將不能保證加工精度，導(dǎo)致廢品率增大，甚至使主軸不能工作。如鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、擋塊和銷釘?shù)?，由于靜壓力作用，通常會引起配合的一方或雙方的接觸表面擠壓 (局部塑性變形 )，隨著擠壓變形的增大，特別是那些能夠反 向運動的零件將引起沖擊，使原配合關(guān)系破壞的過程加劇，從而導(dǎo)致機(jī)械零件失效。 (1) 設(shè)計 設(shè)計時不僅要考慮零件的強(qiáng)度，還要重視零件的剛度和制造、裝配、使用、 拆卸、修理等問題。如鑄造的流動性、收縮性；鍛造的可鍛性、冷鐓性；焊接的冷裂、熱裂傾向性；機(jī)加工的可切削性；熱處理的淬透性、冷脆性等。如避免尖角，棱角改為圓角、倒角；厚薄懸 殊的部分可開工藝孔或加厚太薄的地方；安排好孔洞位置，把盲孔 改為通孔等。 3)在設(shè)計中，注意應(yīng)用新技術(shù)、新工藝和新材料，減少制造時的內(nèi)應(yīng)力和變形。對毛坯要進(jìn)行時效以消除其殘余內(nèi)應(yīng)力。自然時效，可以將生產(chǎn)出來的毛坯在露天存放 1～ 2年，這是因為毛坯材料的內(nèi)應(yīng)力有在 12～ 20個月逐漸消失的特點，其時效效果最佳；缺點是時效周期太長。也 16 可利用振動作用來進(jìn)行人工時效 。 在制定零件機(jī)械加工工藝規(guī)程中，均要在工序、工步的安排上，工藝裝備和操作上采取減少變形的工藝措施。以利于消除內(nèi)應(yīng)力。對于經(jīng)過熱處理的零件來說，注意預(yù)留加工余量、調(diào)整加工尺寸、預(yù)加變形，這是非常必要的。 (3)修理 在修理中，既要滿足恢復(fù)零件的尺寸、配合精度、表面質(zhì)量等技術(shù)要求，還要檢查和修復(fù)主要零件的形狀、位置誤差。 (4)使用 加強(qiáng)設(shè)備管理，制定并嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的檢查和維護(hù)，不超負(fù)荷運行，避免局部超載或過熱等。 機(jī)械零件斷裂后不僅完全喪失工作能力，而且還可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或傷亡事故。盡管與磨損、變形相比，機(jī)械零件因斷裂而失效的機(jī)會很少，但機(jī)械零件的斷裂往往會造成嚴(yán)重的機(jī)械事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，是一種最危險的失效形式。 1．延性斷裂 延性斷裂又稱為塑性斷裂或韌性斷裂。延性斷裂的宏觀特點是斷裂前有明顯的塑性變形，常出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象。延性斷裂 實際上是顯微空洞形成、長大、連接以致最終導(dǎo)致斷裂的一種破壞方式。它通常在沒有預(yù)示信號的情況下突然發(fā)生，是一種極危險的斷裂形式。它們工作時所承受的應(yīng)力一般都低于材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度，按靜強(qiáng)度設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)是安全的。在機(jī)械零