磨損機理(三)專題

磨損機理(三)專題腐蝕磨損磨蝕磨損是在摩擦促進(jìn)作用下，摩擦副的一方或雙方與中間物質(zhì)或環(huán)境介質(zhì)中的某些成分發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)并生成反應(yīng)產(chǎn)物的過程，與此同時，還有機械作用使反應(yīng)產(chǎn)物脫落，這種以腐蝕為主導(dǎo)的磨損即稱為腐蝕磨損有時也稱為摩擦化學(xué)磨損。單純的腐蝕現(xiàn)象不能定義為腐蝕磨損，只有當(dāng)腐蝕現(xiàn)象與機械磨損過程相結(jié)合時才能形成。腐蝕磨損和上述三種磨損的機理不同，它是一種極為復(fù)雜的磨損過程，經(jīng)常發(fā)生在高溫或潮濕的環(huán)境中，更容易發(fā)生在有酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)條件。應(yīng)當(dāng)指出，化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)與機械摩擦作用是交替進(jìn)行的，而且是相互促進(jìn)的。有些情況腐蝕在先，機械作用在后。在另一些情況下，則正好相反。大氣中的氧、二氧化碳以及摩擦副的相對電勢都對腐蝕磨損有影響。因摩擦副的材料性能、周圍介質(zhì)的性質(zhì)以及介質(zhì)在金屬表面上造成的腐蝕情況不同，可將腐蝕磨損分為下列四種類型。（1）氧化磨損與空氣中的氧作用形成氧化磨損是最常見的一種腐蝕磨損形式。氧化磨損是摩擦副表面金屬材料與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化膜時的一種磨損。開始時，氧向金屬表面滲入并擴散，在分子引力的作用下即形成一流動層，該層充滿微凸體的凹谷；環(huán)境對氧化速度起著決定性的作用，氧的滲入量不斷增加即形成氧化膜，當(dāng)生成的氧化膜與基體結(jié)合牢固時，它起到保護(hù)作用，提高了摩擦副的減摩耐磨性能。氧化膜的厚度是逐漸生長的，氧化物的增長量與時間成拋物線關(guān)系，當(dāng)達(dá)到一定厚度時容易變脆，摩擦?xí)r瞬間發(fā)生破裂而脫落。氧化膜剝落后又會再生，可見，氧化物的生成與破壞是交替進(jìn)行的，這種周期性的剝落即導(dǎo)致磨損。金屬氧化磨損的最顯著特征是在摩擦表面沿滑動方向呈均細(xì)的磨痕，并產(chǎn)生紅褐色片狀的Fe2O3或灰黑色絲狀的Fe3O4磨屑。由于空氣中含有氧氣，因此除了少數(shù)金屬(如金、鈾等)外，絕大多數(shù)金屬的表面部有一層氧化膜，潔凈的金屬表面瞬時即可與大氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成單分子層的氧化膜，所以這種磨損也是員常見的一種磨損形式。當(dāng)表面的氧化速度超過氧化膜的破壞速度、氧化物與基體金屬的結(jié)合強度大于表面的剪切應(yīng)為、破壞的厚度小于氧化膜的厚度時，其磨損的速率是很小的。但是，如果不能滿足上述條件則可變?yōu)閲?yán)重的磨損，例如在液氧中工作的零部件的磨損。影響氧化磨損的因素有滑動速度、接觸載荷、氧化膜的強度、介質(zhì)的含氧量、溫度、潤滑條件及材料性能等。在通常情況下，氧化磨損比其它磨損輕微得多。

（2）．微動腐蝕磨損微動腐蝕磨損是相互壓緊的兩金屬表面間產(chǎn)生的微幅振動等過程中發(fā)生的一種表面破壞形式。在這種磨損中，氧化作用是主要的，而機械作用僅僅使氧化物從表面脫落下來并形成潔凈的表面，它是一種十分復(fù)雜的復(fù)合式磨損，此種磨損經(jīng)常集中發(fā)生在一個局部區(qū)域內(nèi)，它是微觀粘著和疲勞破壞以及腐蝕和磨料磨損的綜合過程。微動腐蝕磨損的特征是：接觸表面材料的轉(zhuǎn)移速度很小；微動使表面間產(chǎn)生大量磨損產(chǎn)物，其主要成分是由紅褐色微片狀的氧化物組成的。它是一種磨料。由于表面貼合緊密，磨屑不易從破壞區(qū)內(nèi)清除。微動腐蝕磨損使表面變得粗糙，因而產(chǎn)生應(yīng)力集中和微觀疲勞裂紋，當(dāng)振動應(yīng)力很高時裂紋迅速擴展，其破壞速度是很快的，可引起嚴(yán)重磨損，最后導(dǎo)致完全破壞。微動腐蝕磨損多見于過盈配合、花鍵和螺紋等聯(lián)接中以及鏈節(jié)和板簧等處。（3）．氫致磨損人們在對摩擦副的研究中發(fā)現(xiàn)，在工作前后摩擦副的金屬表面層中氫的含量是不同的。摩擦之后金屬表面層中氫的濃度會明顯上升，而且沿層深方向氫的濃度分布與外載荷的大小有關(guān)。氫是以原子狀態(tài)滲入金屬表面變形層的，并在表面層內(nèi)進(jìn)行擴散，于是就在金屬表層形成了氫的富集，氫在表層的擴散速度取決于表層的溫度與應(yīng)力梯度。在磨損過程中，氫起著破壞作用，它使整個金屬變形層內(nèi)部產(chǎn)生大面裂紋源，于是表面發(fā)生突然的片狀剝落或逐漸地形成粉末狀磨料。在鐵路運輸、航空和汽車等工業(yè)中都可見到這種磨損。4）．特殊介質(zhì)腐蝕磨損摩擦副與酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)作用，在表面上生成墨斑并逐漸擴展成海綿狀空洞，最后在摩擦力的作用下剝落。落后有形成磨料，這種磨損稱為特殊介質(zhì)腐蝕磨損。其磨損機理與氧化磨損相似。但是，通常其磨損速度較氧化磨損要快得多。例如，含有銅、錫等元素的滑動油承材料易被潤滑劑中的酸性物質(zhì)所腐蝕。在軸瓦表面上首先形成黑色斑點。并逐步擴展成類似海綿狀的空洞，在摩擦過程中呈小塊狀剝落。此外，某些金屬(w、Mo、Ni、cr等)與特殊介質(zhì)反應(yīng)還可生成結(jié)構(gòu)緊密、結(jié)合強度很高的保護(hù)膜或鈍化膜，其耐磨性好，可降低摩擦系數(shù)并限制腐蝕磨損，這種情況—般不歸類于特殊介質(zhì)腐蝕磨損的討論范疇。摩擦學(xué)負(fù)荷、溫度等都會使反應(yīng)速度增大。例如，摩擦氧化形成的氧化鐵層增長情況與低溫下氧化情況呈明顯對照。促使反應(yīng)過程加快的原因是：（1）阻礙反應(yīng)的外邊界層被“磨”去；（2）參與反應(yīng)物質(zhì)的輸送得到加速；（3）易起反應(yīng)的表面積擴大；（4）摩擦熱使溫度升高；（5）塑性變形過程引起晶格結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)有自由鍵的的表面原子。事實上，摩擦化學(xué)磨損的過程與某些添加劑通過生成化學(xué)反應(yīng)膜以防止以防止磨損的過程基本相同。二者的差別在于，化學(xué)生成物質(zhì)是保護(hù)表面防止磨損，還是促使表面脫落?；瘜W(xué)生成物質(zhì)的形成速度與被磨掉速度之間存在平衡問題，兩者相對大小的不同，將產(chǎn)生不同的效果。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件合理選擇添加劑化學(xué)活性。在最佳活性條件下，既有效的防止了粘著，避免發(fā)生突然失效，又不至于產(chǎn)生過度的摩擦化學(xué)磨損，使總的磨損最小。摩擦化學(xué)磨損的典型形貌：對于鐵質(zhì)材料，常常用肉眼就可以辨認(rèn)出紅棕色或黑色的覆蓋層；如用光學(xué)顯微鏡則可看得更清晰。這種覆蓋層由α-Fe2O3和Fe3O4構(gòu)成。若希望起保護(hù)作用并降低磨損，則主要是形成結(jié)合強度高的反應(yīng)層。如果表面上出現(xiàn)一定密度的松脫顆粒，若它們起著磨料的作用，就可能使磨損量上升。摩擦化學(xué)磨損是微動磨損的一個局部過程，但它并不是這種損壞的唯一原因。摩擦化學(xué)磨損主要發(fā)生在金屬材料表面。即使是耐磨蝕的鋼，如果其防銹的鈍化膜在摩擦作用下被磨掉，也避免不了要發(fā)生磨蝕磨損。陶瓷和聚合物材料，發(fā)生摩擦化學(xué)磨損的可能性很小。因為摩擦化學(xué)磨損的反應(yīng)物會使滑動副的間隙減小或者完全被阻塞，以致滑動副的相對運動受到阻滯，所以在實際工程中對摩擦化學(xué)磨損要特別小心。由于反應(yīng)層會大大降低導(dǎo)電性能，故在繼電器中必須避免這種反應(yīng)層。

其它磨損除上述四種基本磨損類型外，還有以下幾種。(1)浸蝕磨損氣蝕和沖蝕磨損統(tǒng)稱浸蝕磨損，是疲勞磨損的派生型式。零件與液體接觸并作相對運動，當(dāng)接觸處的局部壓力低于液體蒸發(fā)壓力，將形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣體也會析出形成氣泡；在液體的流動中，由于紊流的作用，液體內(nèi)部壓力不是均衡的分布，當(dāng)氣泡內(nèi)的壓力大于液體壓力時，，氣泡立即遭到潰滅，瞬間產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫。氣泡形成和潰滅的反作用，使零件表面產(chǎn)生疲勞破壞，出現(xiàn)麻點直至擴展為海綿狀空穴，這種磨損稱氣蝕磨損。如水泵零件、水輪機葉片等都能見到這種磨損。流體夾帶塵埃、砂粒、礦物粉末等固體顆粒，以一定的角度和速度沖擊固體表面引起的磨損叫沖蝕磨損。例如風(fēng)機、水泵、水輪機的葉輪和氣力輸送管道的、火箭尾部噴管管壁等產(chǎn)生的磨損。(2)微動磨損它是兩個接觸物體作相對微振幅振動而產(chǎn)生的一種磨損。其發(fā)生過程是接觸壓力使接合面上實際承載的微凸體產(chǎn)生塑性變形而發(fā)生黏著。微振幅振動便黏著結(jié)點受剪脫落，露出基體金屬表面。脫落顆粒和新露出的金屬表面與大氣中的氧起反應(yīng)生成氧化物