材料磨損失效分析簡述

材料磨損失效分析簡述摘要：綜述了磨損失效的常見類型及該磨損失效的的影響因素，包括材料的磨損失效過程，指出了降低材料磨損失效的措施，為預防工程領(lǐng)域材料的磨損失效提供了方向。關(guān)鍵詞：磨損失效；類型；影響因素；過程；預防措施TheReviewOfWearFailureAnalysisInMaterialsAbstract:Thecommontypesanditsinfluencingfactorswassummarized.Includingtheprocessofwearfailureofmaterials.Andthemeasuresofhowtoreducewearfailurewaspointedout.Pointeddirectionshowtopreventingwearfailureinengineeringmaterialfield.Keywords:wear,failure;classify;influencingfactor;process;precautionarymeasures引言磨損失效是機械設備和零部件的三種主要失效形式———斷裂、腐蝕和磨損失效形式之一。世界一次能源的三分之一、機電設備的70%—80%是由于各種形式的磨損而產(chǎn)生故障[1]。磨損不僅造成大量的材料浪費，而且可能直接導致災難性后果。因此,研究磨損失效的原因,制定抗磨對策、減少磨損耗材、提高機械設備和零件的安全壽命是極為有必要的。1常見磨損失效類型及其影響因素1.1粘著磨損當一對磨擦副的兩個磨擦表面的顯微凸起端部相互接觸時，即使法向負載很小，但因為凸起端部實際接觸的面積很小，所以接觸應力很大。如果接觸應力大到足以使凸起端部的材料發(fā)生塑性變形而且接觸表面非常干凈，彼此又具有很好的適應性，那么在磨擦界面上很可能形粘著點。當磨擦面發(fā)生相對滑動時，粘著占在剪應力作用下變形以致斷裂，使材料從一個表面遷移到另一個表面。通常，金屬的這種遷移是由較軟的磨擦面遷移到較硬的磨擦面上。根據(jù)磨損試驗后對磨擦面進行金相檢驗發(fā)現(xiàn)，遷移的金屬往往呈顆粒狀粘附在表面[2]。這是反復的滑動磨擦，使粘著點擴大并在剪應力作用下在粘著點后根部開裂，進而形成磨粒的結(jié)果。這就是粘著磨損。粘著磨損過程十分復雜，以上所述只是對復雜現(xiàn)象作了簡單的描述。影響粘著磨損性能因素有[3]：（1）潤滑條件或環(huán)境。在真空條件下金屬的磨損極為嚴重。除了金以外，在大氣條件下，金屬經(jīng)過切削或磨削加工，潔凈的表面產(chǎn)生氧化膜，它在防止粘著磨損方面有重要的作用。而良好的潤滑條件更是降低粘著磨損的重要保障。（2）摩擦副的硬度。材料的硬度越高，耐磨性越好。材料體系一定時，可采用涂層或其他表面處理工藝來降低粘著磨損。（3）晶體結(jié)構(gòu)和晶體的互溶性。其它條件相同時，晶體結(jié)構(gòu)為hcp的材料摩擦系數(shù)最低，fcc次之，bcc最高。冶金上互溶性好的金屬摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率高。（4）溫度。溫度對材料粘著磨損的影響是間接的。溫度升高，材料硬度下降，摩擦副互溶性增加，磨損加劇。1.2磨粒磨損在磨擦系統(tǒng)中，經(jīng)常見到另一種磨損形式是磨粒磨損。磨粒磨損的現(xiàn)象很多，歸納起來，主要有以下兩種形式。第一種工是在工業(yè)生產(chǎn)中常常遇到的，如切削和磨削加工。磨粒可嵌在基體上，如磨粒嵌埋在樹脂中的砂輪用來磨削金屬表面。每個磨粒在被磨金屬表面切割出一條溝槽，將金屬從表面切除。通常，磨粒材料具有高的強度。當磨粒和金屬表面是干摩擦時，從金屬表面被切削的顆粒呈直削片或卷曲狀削片；當表面被有效潤滑時，磨粒被鈍化后，金屬表面主要發(fā)生變形而不是被切削。在一般的裝置中，這兩種過程都同時發(fā)生。粘著磨粒磨損中也起一定作用。當磨粒和潔凈的金屬表面接觸時，使發(fā)生向磨粒表面的金屬遷移，這樣便減緩了磨粒磨損的進程。第二種形式是具有高強度的顆粒，如二氧化硅，氧化鋁和碳化硅，進入兩個磨擦面之間，使兩個磨擦面都被切割成溝槽。用氧化鋁，氧化鎂拋光金屬表面就是這種類型的磨損。通常，在磨粒磨損過程中，磨粒愈來愈小[4]。當然，拋光是有益的磨損，但是有些磨粒磨損卻十分有害。如磨粒進入嚙合的齒面，將使齒面磨損而失效。如磨粒進入軸承磨擦面，將使軸承元件磨損而導致軸承失效。影響磨粒磨損性能因素有[5]：（1）磨粒硬度。對均質(zhì)材料而言，其影響程度以磨粒硬度Ha和材料硬度Hm的比值來標志。當Ha/Hm<1.0時，為軟磨損，磨損速率很低。當Ha/Hm<1.2時，繼續(xù)增加磨粒硬度意義不大。當1.0<Ha/Hm<1.2，其磨損速率隨Ha/Hm的增加幾乎是線性的。（2）磨粒形狀和粒度。當磨粒在某一臨界尺寸一下時，材料的體積磨損率隨尺寸增加按比例急劇增加；當超過這一尺寸是，磨損增大的幅度顯著降低。磨粒形狀對磨粒磨損過程有明顯影響。尖銳性磨粒磨損速率最大，圓形磨粒的最小。（3）材料力學性能和顯微組織。在同樣硬度條件下，奧氏體、貝氏體的耐磨性優(yōu)于珠光體和馬氏體。夾雜物和內(nèi)部缺陷會使磨損過程中更容易產(chǎn)生剝落、開裂。（4）工況和環(huán)境。一般情況下，濕磨損由于能起到潤滑和冷卻的作用，磨損率少有下降。但在腐蝕介質(zhì)及高溫條件下的磨粒磨損過程會產(chǎn)生很大的變化，磨損速率會大幅增加。1.3沖蝕磨損沖蝕（Erosion）有咬蝕的含意。但一般是指由外部機械力作用下使用材料被破壞和磨去的現(xiàn)象。這里講的外部力，通常是由于固體向固體表面液體向固體表面或氣體向固體表面或氣體向固體表面不斷地進行動態(tài)撞擊而產(chǎn)生的。顆粒A以一定速度向材料B表面撞擊，B表面被磨去一些材料，在材料B表面留下一個凹坑。顆粒A可能具有不同的成份和以不同形式存在。影響磨粒磨損性能因素有[6]：（1）沖蝕速度。對鋁、銅、軟鋼等延性材料進行研究發(fā)現(xiàn),在沖蝕速度<10m/s時,隨沖角α增大,材料的沖蝕磨損率ε不斷增加。（2）沖蝕角度。最小沖蝕率在90°沖角處。當沖蝕角為20°時，相當于一種切削過程，也稱切削磨損。1.4疲勞磨損當兩種材料相對運動(滾動或滑動)時,接觸區(qū)受到循環(huán)應力的反復作用,當循環(huán)應力超過材料接觸疲勞強度,接觸表面或表面下某處形成疲勞裂紋,造成表面層局部脫落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。這種損傷經(jīng)歷兩個階段：材料表面或表層裂紋的萌生和裂紋的擴展。目前，一般認為疲勞裂紋的萌生是塑性變形的結(jié)果，但是這種塑性變形僅僅出現(xiàn)在亞微觀范圍內(nèi)。在滾動元件中產(chǎn)生塑性變形主要是由一起材料表面或表層的不完整性[7]。在滾動元件的表面，即使加工得非常光滑也存在著顯微凹凸，顯微凸起端部開始接觸承壓時，也只需要很小的負載就參考文獻：[1]屈曉斌,陳建敏,周惠娣,冶銀平.材料的磨損失效及其研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].摩擦學學報,1999,2:92.[2]鄧守軍,孫樂民,張永振.\o"磨損機理的變遷與現(xiàn)狀"磨損機理的變遷與現(xiàn)狀[J].機械研究與應用,2004,(06):9.[3]曾曉雁,吳懿平.表面工程學[M].機械工業(yè)出版社.2001,(1):23.[4]孫家樞.關(guān)于磨粒磨損機理問題的探究[J].糧油加工與食品機械,1981,(1):54.[5]黃智文.談談磨粒磨損[J].表面技術(shù).2000,(4):34.[6]陳冠國,褚秀萍,張宏亮,郝雪第,屈延明,李俊杰.\o"關(guān)于沖蝕磨損問題"關(guān)于沖蝕磨損問題[J].河北理工學院學報,1997,(04):104.[7]朱華,吳兆宏,李剛,葛世榮.煤礦機械磨損失效研究[J].煤炭學報,2006,6(3):380.[8]湯皎寧,龔曉鐘,柳文軍,黃建軍,楊欽鵬.\o"脈沖和直流電鍍鎳層磨損及腐蝕磨損性能研究"脈沖和直流電鍍鎳層磨損及腐蝕磨損性能研究[J].材料保護,2001,(07):74.[9]徐江,董建新,謝錫善