3-材料表面耐磨與減摩處理

1、材料表面耐磨與減摩處理1材料磨損原理及其耐磨性磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的。耐磨性不像力學(xué)性能和物理性能那樣屬于材料的固有特性，而受到摩擦學(xué)系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響，是一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)。2材料磨損原理及其耐磨性材料的磨損始于表面，表面性能是決定材料耐磨性的關(guān)鍵。而磨損失效過(guò)程和方式的不同，對(duì)材料表面所要求的性能相差很大。 3固體材料的摩擦與磨損相互接觸的物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦。摩擦存在于固體、氣體和液體之間。材料的磨損則指相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)摩擦過(guò)程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。顯然，材料的摩擦與磨損是因果關(guān)系。 4摩擦學(xué)三“定律”

2、 第一定律：摩擦力與兩接觸體之間的表觀接觸面積無(wú)關(guān)；第二定律：摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比；第三定律：兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體表面的界面滑動(dòng)摩擦阻力與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)。5摩擦公式式中，F(xiàn)為摩擦力(切向力)；N為法向力(載荷)；為摩擦系數(shù)。材料或體系的耐磨性高低一般用摩擦系數(shù)來(lái)表征。按照上述三“定律”，摩擦系數(shù)應(yīng)該屬于材料常數(shù)之一。 6“摩擦學(xué)中無(wú)定律”近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)潤(rùn)滑條件、固體材料、環(huán)境介質(zhì)、工作參數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，摩擦系數(shù)也發(fā)生很大的變化。盡管如此，作為經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，上述三條定律對(duì)解決目前一般機(jī)械工程中的實(shí)際問(wèn)題仍大致適合，只是在一些場(chǎng)合必須加以修正。由于摩擦學(xué)三“定律”的經(jīng)驗(yàn)性或不嚴(yán)格性與傳

3、統(tǒng)意義上“定律”的精密性存在差距，人們往往認(rèn)為“摩擦學(xué)中無(wú)定律”。7摩擦與磨損的分類干摩擦 按照實(shí)際工作條件的差別，可以將摩擦分為四類，即干摩擦、邊界潤(rùn)滑摩擦、流體潤(rùn)滑摩擦和滾動(dòng)摩擦。(1)干摩擦 干摩擦又稱無(wú)潤(rùn)滑摩擦，經(jīng)常發(fā)生于制動(dòng)器、摩擦傳動(dòng)和紡織、食品、化工機(jī)械和在高溫條件下工作的零部件中。在這些工況下，無(wú)論是從污染、安全和實(shí)際工作需要考慮，都不允許使用潤(rùn)滑劑。8(2) 邊界潤(rùn)滑摩擦兩接觸表面被一層很薄的油膜隔開(kāi)(厚度可從一個(gè)分子層到0.1微米)。該邊界層或邊界膜可使摩擦力降低210倍，并使表面磨損顯著減少。幾乎所有的潤(rùn)滑油都能在金屬表面形成小于0.1微米厚、與表面有一定結(jié)合強(qiáng)度的準(zhǔn)晶態(tài)

4、邊界膜，但吸附膜的強(qiáng)度決定于其中是否存在活性分子及其數(shù)量和特性。9(3) 流體潤(rùn)滑摩擦 對(duì)摩表面完全被油膜隔開(kāi)，靠油膜的壓力平衡外載荷。油膜厚度越大，固體表面對(duì)遠(yuǎn)離它的油分子影響越小。在流體潤(rùn)滑中，摩擦阻力決定于潤(rùn)滑油的內(nèi)摩擦系數(shù)(粘度)。流體潤(rùn)滑摩擦具有最小的摩擦系數(shù)，從節(jié)能、延長(zhǎng)使用壽命和減少磨損的觀點(diǎn)考慮，都是最理想的條件。摩擦力大小也與接觸表面的狀況無(wú)關(guān)。10(4) 滾動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦與滑動(dòng)摩擦狀況和機(jī)理差別很大，摩擦系數(shù)也比滑動(dòng)摩擦系數(shù)小得多。11磨損機(jī)理 可以將磨損分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損、沖蝕(包括氣蝕)磨損和高溫磨損七大類。 12磨粒磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)

5、：一個(gè)凸起硬面和另一表面接觸，或者在兩個(gè)摩擦面之間存在或嵌有硬顆粒，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移 要求材料具備的性質(zhì)：有比磨粒更硬的表面，較高的加工硬化能力 13粘著磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)：摩擦面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，固相焊合點(diǎn)撕裂、斷裂導(dǎo)致材料遷移 要求材料具備的性質(zhì) ：互相接觸的摩擦副材料溶解度低，表面抗熱軟化能力好，表面能低 14沖蝕磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)：含有固體粒子的流體沖擊固體表面，或流動(dòng)液體中氣泡破裂形成的振動(dòng)波使材料局部變形和流失的過(guò)程 。要求材料具備的性質(zhì) ：在小角度沖擊時(shí)要有高硬度，在大角度沖擊時(shí)要有高韌度 15疲勞磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)：在滾動(dòng)接觸過(guò)程中，由于交變接觸應(yīng)力的作用而使材料表面出現(xiàn)麻點(diǎn)

6、或脫落的現(xiàn)象 。要求材料具備的性質(zhì)：高硬度、高韌度，精加工性能好，流線型好，少、無(wú)硬的非金屬夾雜，表面無(wú)微裂紋 16腐蝕磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)：磨損與腐蝕交互或者共同作用，導(dǎo)致材料去除的過(guò)程 要求材料具備的性質(zhì) ：無(wú)鈍化作用時(shí)要提高材料的耐腐蝕能力，兼有耐腐蝕性和耐磨損性能 17微動(dòng)磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)承載件的相互接觸表面經(jīng)歷相對(duì)往復(fù)切向振動(dòng)時(shí)，由于振動(dòng)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力的作用而導(dǎo)致的微動(dòng)損傷 要求材料具備的性質(zhì)：提高耐環(huán)境腐蝕的能力和高的抗磨粒磨損性能，使磨損時(shí)形成軟的腐蝕產(chǎn)物，同相配合的表面具有不相溶性 18高溫磨損 磨損過(guò)程特點(diǎn)：在高溫下相互接觸工件之間的磨損，是一種氧化、磨損交錯(cuò)或者同時(shí)進(jìn)

7、行的過(guò)程 要求材料具備的性質(zhì)：熱硬性好，抗氧化能力強(qiáng)，熱擴(kuò)散能力高 19磨損機(jī)理綜合表現(xiàn)最基本的是粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。各種復(fù)雜的磨損現(xiàn)象不外乎是這些基本機(jī)理單獨(dú)或綜合的表現(xiàn)?；瑒?dòng)干摩擦過(guò)程依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的材料不同，可能發(fā)生粘著磨損、磨粒磨損，或兩者兼而有之。滾動(dòng)摩擦過(guò)程中不僅可能產(chǎn)生疲勞磨損、粘著磨損，在一定環(huán)境介質(zhì)作用下還會(huì)發(fā)生腐蝕磨損或沖蝕磨損。20粘著磨損、潤(rùn)滑和固體潤(rùn)滑 粘著磨損的發(fā)生與發(fā)展十分迅速，容易使零件或機(jī)器發(fā)生突然事故，造成巨大的損失。磨損失效的各類零件中起因于粘著磨損的大約占15。生產(chǎn)過(guò)程中刀具、模具、量具、齒輪、蝸輪、凸輪、各種軸承、鐵軌等材料磨損都與粘

8、著磨損有關(guān)。 21摩擦面的名義接觸面積與實(shí)際接觸面積機(jī)械加工過(guò)的零件表面存在一定的粗糙度，即在金屬表面隨機(jī)分布著大小不等的微凸體。當(dāng)潤(rùn)滑油膜不能完全覆蓋這些微凸體時(shí)，接觸將在微凸體之間發(fā)生。 22表面凸體之間的應(yīng)力調(diào)幅分布導(dǎo)致接觸應(yīng)力產(chǎn)生調(diào)幅分布，即：一個(gè)較大范圍的應(yīng)力場(chǎng)，變成了很多分散的微觀應(yīng)力場(chǎng)，每一個(gè)應(yīng)力峰對(duì)應(yīng)一個(gè)微凸體的接觸點(diǎn)，如圖所示。由于實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積，每一個(gè)微凸體上將承受更大載荷。 23粘著磨損機(jī)理 當(dāng)接觸表面相互壓緊時(shí)，由于微凸體間的接觸面積小，承受的壓力很高，足以引起塑性變形和“冷焊”現(xiàn)象。這樣形成的焊合點(diǎn)因表面的相對(duì)滑動(dòng)而被剪斷，相應(yīng)的力量構(gòu)成摩擦力的粘著分

9、量。此外，較硬表面的微凸體對(duì)于較軟材料會(huì)造成犁削作用，從而構(gòu)成摩擦力的犁削分量。24粘著磨損機(jī)理 摩擦力可近似表示為：式中，A為剪切的微凸體總面積； 為焊合點(diǎn)的的平均抗剪強(qiáng)度。25粘著磨損機(jī)理 由于材料的正壓力可表示為： ， 為材料的屈服點(diǎn)，則摩擦系數(shù) 為上式說(shuō)明，材料的摩擦系數(shù)主要決定于摩擦幅的抗剪強(qiáng)度 和屈服點(diǎn) 的比值，這即為摩擦學(xué)三個(gè)基本定律的基礎(chǔ)，注意它是在大量簡(jiǎn)化條件下獲得的。26流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑 如果從微凸體群中抽出單個(gè)微凸體， 同時(shí)將對(duì)摩材料表面微凸體簡(jiǎn)化為平面。則根據(jù)材料磨損體系的特征和式 對(duì)可能發(fā)生粘著磨損的典型情況作如下分析：27(1) 硬金屬和軟金屬摩擦副硬金屬表面的微

10、凸體將壓人軟金屬表面，剪切斷裂發(fā)生在軟金屬一側(cè)。雖然焊合點(diǎn)的平均抗剪強(qiáng)度較低，但由于壓入后接觸面積較大，摩擦力亦較大，如圖所示。28(2) 硬金屬與硬金屬摩擦副 兩者有較小的接觸表面。 剪切斷裂發(fā)生在兩種材料的界面附近區(qū)域。 這種硬碰硬的磨損狀態(tài)，接觸面積雖小，但抗剪強(qiáng)度很高，因此摩擦力也很大，如圖所示。 29(3)潤(rùn)滑條件下的摩擦副根據(jù)式 ，最合適的耐磨材料體系應(yīng)該同時(shí)具有高的硬度和低的抗剪強(qiáng)度。這整體材料來(lái)說(shuō)一般是達(dá)不到的。但是，如果在兩種材料之間加入一層潤(rùn)滑油膜，則兩個(gè)固體材料之間的剪切就可轉(zhuǎn)變成油膜內(nèi)部的“內(nèi)摩擦”。30(3)潤(rùn)滑條件下的摩擦副當(dāng)摩擦副表面的微凸體完全被油膜隔開(kāi)，即處于

11、流體潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，摩擦系數(shù)主要決定于潤(rùn)滑油的粘度，大約在0.0010.01之間，因此可以大幅度減少磨損，延長(zhǎng)零件使用壽命。實(shí)際上，流體潤(rùn)滑狀態(tài)又可細(xì)分為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑，后者比前者的摩擦系數(shù)高得多。 31潤(rùn)滑狀態(tài)與摩擦系數(shù)的關(guān)系圖示了不同潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)和磨損速率的變化?？梢?jiàn)邊界潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)雖然比流體潤(rùn)滑高得多，但仍比無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)低得多。32潤(rùn)滑狀態(tài)與磨損速率的關(guān)系圖示了不同潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)和磨損速率的變化。從邊界潤(rùn)滑過(guò)渡到無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，磨損速率會(huì)發(fā)生突變，所以機(jī)械零件不能在無(wú)潤(rùn)滑條件下正常工作。33流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑 如果油膜潤(rùn)滑零件承受的壓力太大，零件運(yùn)行速度太低，或表面粗糙度太高，

12、將會(huì)發(fā)生油膜刺穿現(xiàn)象，即發(fā)生微凸體之間的接觸而導(dǎo)致磨損的增加。摩擦系數(shù)雖然比流體潤(rùn)滑高得多，但仍比無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)低得多。從邊界潤(rùn)滑過(guò)渡到無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，磨損速率會(huì)發(fā)生突變，所以機(jī)械零件不能在無(wú)潤(rùn)滑條件下正常工作。 34固體潤(rùn)滑 是利用剪切力低的固體材料來(lái)減少接觸表面之間摩擦與磨損的一種潤(rùn)滑方式。據(jù)報(bào)道，美國(guó)阿波羅登月計(jì)劃的研究過(guò)程中，參加超高真空0.67X10-90.67X10-12 kPa條件下固體粘著、摩擦和潤(rùn)滑的應(yīng)用基礎(chǔ)研究單位就有22個(gè)之多?，F(xiàn)在，固體潤(rùn)滑技術(shù)已進(jìn)入民用工業(yè)領(lǐng)域，甚至可應(yīng)用于有油潤(rùn)滑的場(chǎng)合，即形成流體與固體的混合潤(rùn)滑。35固體潤(rùn)滑因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的載荷、速度、溫度等工作參數(shù)日益提高

13、；摩擦副往往在極限條件下工作，即在接觸區(qū)不能保證全油膜潤(rùn)滑，而是處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，大部分載荷要由固體表面來(lái)承擔(dān)。在這種情況下，采用厚度較大、性能優(yōu)良的固體潤(rùn)滑涂層來(lái)承擔(dān)載荷能更有效地降低摩擦和提高零件的耐磨性36固體潤(rùn)滑事實(shí)上，大量的基礎(chǔ)零件，如滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、齒輪、缸套活塞環(huán)、凸輪挺桿、滑動(dòng)密封以及工模具等，如能合理利用固體潤(rùn)滑涂層，會(huì)在降低摩擦、節(jié)約能源、延長(zhǎng)壽命、提高可靠性方面獲得顯著效益。例如，原來(lái)儀表制造中普遍采用的觸點(diǎn)材料是金-鎳合金，使用壽命不過(guò)30000次，后來(lái)改用了自潤(rùn)滑觸點(diǎn)材料，壽命提高到10萬(wàn)次，還簡(jiǎn)化了制造工藝，節(jié)約了貴金屬的消耗。 37固體粉末潤(rùn)滑 可以作為潤(rùn)滑油

14、的添加劑混入油中；或把固體粉末放在需要潤(rùn)滑部件的密封箱中，利用轉(zhuǎn)動(dòng)部件使粉末飛揚(yáng)起來(lái)，再落到摩擦表面上，達(dá)到潤(rùn)滑的效果；或制成懸浮液，浸漬在多孔的燒結(jié)材料中，作成具有自潤(rùn)滑性能的零件；也可把懸浮液噴涂或刷抹在零件表面進(jìn)行潤(rùn)滑。38固體潤(rùn)滑覆膜 固體潤(rùn)滑覆膜有以下三類：粘結(jié)固體潤(rùn)滑膜(簡(jiǎn)稱干膜)化學(xué)反應(yīng)法固體潤(rùn)滑膜電鍍和氣相沉積方法形成固體潤(rùn)滑膜39粘結(jié)固體潤(rùn)滑膜(簡(jiǎn)稱干膜)將固體潤(rùn)滑劑與粘結(jié)劑混合，用溶劑溶解，攪拌均勻，用噴槍噴涂或涂抹在零件表面，待干燥后即成干膜。40化學(xué)反應(yīng)法固體潤(rùn)滑膜用化學(xué)反應(yīng)法形成固體潤(rùn)滑膜，這類潤(rùn)滑膜種類很多，主要包括表面硫化處理、磷化處理和氧化處理等。處理后可在鋼鐵

15、表面形成具有低抗剪強(qiáng)度的硫化鐵膜、磷酸鹽膜和氧化膜。41電鍍和氣相沉積方法形成固體潤(rùn)滑膜電鍍包括槽鍍和刷鍍；氣相沉積包括化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。 42自潤(rùn)滑復(fù)合材料包括：金屬基復(fù)合材料塑料基復(fù)合材料碳基復(fù)合材料43金屬基復(fù)合材料：將固體潤(rùn)滑劑粉末與金屬粉相混合，經(jīng)壓制、燒結(jié)而成。44塑料基復(fù)合材料：由各種塑料與固體潤(rùn)滑劑按比例組合，可以構(gòu)成很多種塑料復(fù)合材料。塑料輕，耐腐蝕，易加工成型，具有潤(rùn)滑性和吸收沖擊性等優(yōu)點(diǎn)。45碳基復(fù)合材料：用焦炭、石墨、碳墨為原料，混以瀝青焦油、合成樹(shù)脂等粘結(jié)劑，經(jīng)擠壓成形后燒結(jié)，形成多孔復(fù)合材料。 46幾種典型固體潤(rùn)滑材料的摩擦系數(shù)47影響粘著磨損性能的因素之

16、一 潤(rùn)滑條件或環(huán)境在真空條件下大多數(shù)金屬的磨損是極其嚴(yán)重的。除了金以外，在大氣條件下，許多金屬表面的氧化膜，它在防止粘著方面有重大作用。而良好的潤(rùn)滑條件更是降低粘著磨損的重要保障。48影響粘著磨損性能的因素之二 硬度材料的硬度越高，耐磨性越好。材料體系一定時(shí)，可采用涂層或其它表面處理工藝。49影響粘著磨損性能的因素之三晶體結(jié)構(gòu)和晶體的互溶性其它條件相同時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方的材料摩擦系數(shù)最低，磨損率也最低，面心立方材料次之，體心立方材料最高。冶金上互溶性好的一對(duì)金屬摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率高。周期表上相距較遠(yuǎn)的元素不易互溶，也不易粘著。50影響粘著磨損性能的因素之四 溫度溫度對(duì)磨損的影響是間接的

17、。例如，溫度升高，材料硬度下降，摩擦副互溶性增加，磨損加?。粶囟壬仙?，材料的氧化速率增加，也可影響磨損性能。 51磨粒磨損過(guò)程中材料的去除機(jī)理將被磨損材料簡(jiǎn)化為一種不產(chǎn)生任何塑性變形的絕對(duì)剛體，將硬質(zhì)磨粒簡(jiǎn)化為一個(gè)三角錐體，并將磨損過(guò)程視為簡(jiǎn)單的滑動(dòng)過(guò)程，如圖所示。52磨粒磨損過(guò)程中材料的去除機(jī)理在該錐體作用下，滑動(dòng)一定距離所磨損掉的材料體積V與所施加載荷P、被磨材料的硬度H及滑動(dòng)距離L的關(guān)系為： 式中，K為比例系數(shù)，是與磨粒的形狀系數(shù)、沖擊角、摩擦系數(shù)和材料的性能 (如彈性模量、流動(dòng)極限和表面硬度) 及接觸條件有關(guān)的參數(shù)。53磨粒磨損過(guò)程中材料的去除機(jī)理實(shí)際上，依據(jù)材料的塑性或脆性大小的不同

18、，磨粒磨損過(guò)程中存在塑性變形斷裂兩種去除機(jī)理。54磨粒磨損-塑性材料的去除機(jī)理當(dāng)磨粒與塑性材料表面接觸時(shí)，主要發(fā)生顯微切削、顯微犁溝兩種塑性變形的磨損方式，如圖a、b所示，材料的磨損體積V如下式表示：55脆性材料的去除機(jī)理當(dāng)磨粒和脆性材料表面 (如玻璃、陶瓷和碳化物等) 接觸時(shí)，主要以表面斷裂破壞為主，如圖所示。此時(shí)材料去除體積的表達(dá)式為：式中，K1c是材料的斷裂韌度；K是與磨粒形狀及其分布狀態(tài)有關(guān)的函數(shù)。施加載荷越大、磨粒越尖銳以及材料的斷裂韌度與硬度的比值越低，材料越趨向于壓痕斷裂 56磨粒磨損過(guò)程中材料的去除機(jī)理 在實(shí)際的磨粒磨損過(guò)程中，斷裂機(jī)理要比塑性變形機(jī)理所造成的材料損失大得多。然

19、而,無(wú)論是塑性材料或者脆性材料，塑性變形和斷裂兩種方式都可能發(fā)生。只是由于磨損環(huán)境條件和材料特性不同，某一種機(jī)理會(huì)占主導(dǎo)地位。而且，環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致一種磨損機(jī)理向另一種機(jī)理的轉(zhuǎn)換。正是由于這一綜合作用的特征，使得材料的磨損率與一般的力學(xué)性能沒(méi)有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。571) 磨粒硬度的影響。磨粒硬度對(duì)材料的磨損率有明顯影響，其影響程度以磨粒硬度Ha和材料硬度Hm的比值來(lái)標(biāo)志。對(duì)均質(zhì)材料來(lái)說(shuō)，磨粒磨損體積V與Ha/Hm 的關(guān)系如圖所示。對(duì)非均質(zhì)材料來(lái)說(shuō)，也存在類似的規(guī)律，只是變化的速率與硬度比值的大小有所差別而已。因此，對(duì)于提高材料磨粒磨損性能而言，首要的條件就是使耐磨表面的硬度大于磨粒硬度。582)

20、 磨粒形狀和粒度的影響當(dāng)磨粒在某一臨界尺寸以下時(shí)，材料的體積磨損率隨磨粒尺寸增加而按比例急劇增加；當(dāng)超過(guò)這一尺寸時(shí)，磨損增大的幅度顯著降低。不同材料的直線斜率不同，臨界尺寸也略有差別。磨粒的形狀對(duì)磨粒磨損過(guò)程也有明顯影響。尖銳型磨粒的磨損速率最大，多角形次之，圓性磨粒的最小。59材料力學(xué)性能與微觀組織的影響 材料耐磨粒磨損性能主要決定于其硬度，尤其是磨損后材料的表面硬度，而與其它力學(xué)性能無(wú)必然關(guān)系。但耐磨性與硬度之間沒(méi)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。60材料微觀組織的影響 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。各種類型鋼在不同含碳量和熱處理?xiàng)l件下，由于獲得的組織類型和含量不同，使耐磨性有

21、相當(dāng)大的變化。夾雜物和內(nèi)部缺陷會(huì)使磨損過(guò)程中更易產(chǎn)生剝落、開(kāi)裂而大大降低耐磨性。61工況和環(huán)境條件的影響 主要指速度、載荷、磨損距離、磨粒沖擊角，以及環(huán)境濕度、溫度和腐蝕介質(zhì)等。一般情況下，濕磨損由于能起到潤(rùn)滑和冷卻的作用，磨損率稍有下降。但在腐蝕介質(zhì)及高溫條件下的磨粒磨損過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的變化，磨損速率會(huì)大幅度增加。62疲勞磨損 疲勞磨損一般出現(xiàn)在滾動(dòng)接觸的機(jī)械零件表面，如滾動(dòng)軸承、齒輪、車輪和軋輥等。影響疲勞磨損過(guò)程的主要因素包括：材料生產(chǎn)過(guò)程 (主要是夾雜物的存在方式與數(shù)量)、材料組織結(jié)構(gòu)與硬度、表面粗糙度、潤(rùn)滑狀態(tài)和零件工作環(huán)境等。63疲勞磨損 因此，對(duì)于一些要求疲勞磨損壽命較高的零件，

22、應(yīng)采用高純度的鋼材，降低表面粗糙度，盡量使零件在良好潤(rùn)滑條件下工作。同時(shí)，應(yīng)該注意分清楚接觸疲勞的失效形式，以便調(diào)整材料的硬度。64疲勞磨損 當(dāng)零件的主要失效形式為點(diǎn)蝕和剝落時(shí)，裂紋的萌生為磨損的主導(dǎo)過(guò)程，此時(shí)材料硬度越高，裂紋越難于萌生，接觸疲勞壽命就越長(zhǎng)；當(dāng)油潤(rùn)滑條件下的擦傷為主要失效機(jī)制時(shí)，疲勞裂紋的擴(kuò)展階段是決定壽命的主要因素，此時(shí)，材料硬度越高，擦傷越容易發(fā)生，疲勞壽命反而越低。65腐蝕磨損 一方面，由于腐蝕介質(zhì)的作用，在材料表面生成疏松的或脆性的腐蝕產(chǎn)物，隨后在磨粒或其它微凸體的作用下很容易破碎去除，導(dǎo)致材料磨損的增加。依據(jù)條件的不同，腐蝕對(duì)材料去除程度的影響占腐蝕磨損總量的比例可

23、達(dá)50-70，有時(shí)甚至更高；另一方面，磨損過(guò)程可對(duì)腐蝕的陽(yáng)極過(guò)程和陰極過(guò)程產(chǎn)生極大影響，腐蝕速度平均可增加2-4個(gè)數(shù)量級(jí)，最大可增加6-8個(gè)數(shù)量級(jí)。66腐蝕磨損大多數(shù)耐蝕金屬都是因?yàn)樵诒砻嫘纬煽勺柚垢g進(jìn)一步發(fā)展的表面膜(鈍化膜)而具有良好的耐蝕性。但在腐蝕磨損過(guò)程中，鈍化膜將受到破壞，破壞程度與作用力的大小、磨粒形狀等因素有關(guān)。材料裸露出的新鮮表面直接與介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使陽(yáng)極溶解速度急劇提高。但是，如果表面膜具有較強(qiáng)的自愈合能力，則磨損作用的影響會(huì)大大削弱。67腐蝕磨損 材料腐蝕磨損速率取決于介質(zhì)的腐蝕特性和磨損過(guò)程的特點(diǎn)，并且它們之間還會(huì)互相影響。例如，從腐蝕方面來(lái)看，鋼鐵材料在靜態(tài)條

24、件下的腐蝕隨pH值增加而減小，45鋼在腐蝕性較強(qiáng)的HSO4和HCl組成的砂漿條件下，腐蝕磨損量是在堿性介質(zhì)NaOH中的1416倍；在腐蝕性較弱的NaCI和自來(lái)水中，腐蝕磨損量也為在NaOH中的3.66倍。68腐蝕磨損腐蝕介質(zhì)的濃度與溫度對(duì)腐蝕磨損速率的影響也很大。加入緩蝕劑不僅可抑制材料的腐蝕，而且可以抑制磨損對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用。從機(jī)械因素方面來(lái)看，腐蝕磨損過(guò)程中載荷大小與速度、頻率和沖擊角都會(huì)影響到材料耐腐蝕磨損性能。 69沖蝕磨損 沖蝕磨損是粒子沖擊材料表面造成的破壞。這里所指的 “粒子”是廣義的，它包括固體、液滴和氣泡。典型的沖蝕磨損例子有：各種水庫(kù)的水輪機(jī)葉片，因常年受到夾雜有沙石的流水

25、沖擊而在表面形成大的沖蝕坑；汽輪機(jī)末級(jí)葉片由于受到高速運(yùn)動(dòng)水滴的沖蝕，導(dǎo)致迎風(fēng)面的破壞，降低發(fā)電效率，有時(shí)甚至影響到電廠的安全運(yùn)行。70沖蝕磨損機(jī)理一般認(rèn)為，沖蝕過(guò)程中存在著脆性和延性兩種磨損機(jī)制。脆性材料(包括玻璃、陶瓷、石墨和某些塑性很低的合金)受到粒子的沖擊作用時(shí)，將不會(huì)發(fā)生塑性變形便出現(xiàn)裂紋并很快脆斷。研究表明，脆性沖蝕時(shí)的磨損體積V 與材料的斷裂韌度K1c、硬度H，入射粒子的速度v0、粒度r及密度有關(guān)。據(jù)推算，有71沖蝕磨損機(jī)理上式說(shuō)明，沖蝕體積的大小與入射粒子的速度、粒度和密度密切相關(guān)。注意到它受材料的韌性影響程度遠(yuǎn)大于硬度，因此，不是越硬的材料耐沖蝕性能越好。延性沖蝕與脆性沖蝕相

26、反，當(dāng)撞擊角為90時(shí)沖蝕很小，撞擊角為20時(shí)沖蝕最大，相當(dāng)于一種切削過(guò)程，也稱切削磨損。72沖蝕磨損 空泡腐蝕又稱為空化腐蝕或空蝕，是沖蝕的一種特殊形式。在船舶推進(jìn)器和魚(yú)雷的后緣、泵的轉(zhuǎn)子及管道彎頭等有高速流體作用并有壓力變化的一些部位，通常都容易發(fā)生空泡腐蝕。73沖蝕磨損（空泡腐蝕）機(jī)理流體以高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生湍流、氣泡或空腔，它們高速形成、長(zhǎng)大、消失和破滅，如此循環(huán)往復(fù)?？张莸男纬珊烷L(zhǎng)大對(duì)腐蝕的影響不大，但在其破滅的瞬間卻產(chǎn)生極大的壓力，一般可達(dá)到幾千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這樣大的壓力不但可使金屬表面的氧化膜破壞，甚至足以將金屬粒子撕離金屬表面，使零件受到破壞。 74提高零件耐磨性的途徑 綜上所述，機(jī)械零件磨損失效過(guò)程復(fù)雜，受材料成分和性能、環(huán)境溫度和介質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造過(guò)程和工藝、設(shè)備安裝與使用等多種因素的影響。迄今為止，尚無(wú)一個(gè)較為簡(jiǎn)單和通用的方法來(lái)預(yù)測(cè)零件的磨損壽命，也無(wú)合適的公式、手冊(cè)來(lái)準(zhǔn)確推算和記錄各種性能。然而，設(shè)計(jì)或改善機(jī)械零部件的耐磨壽命，是工程技術(shù)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 75工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì) 一方面，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理。在滿足工作條件的前提下，盡量降低對(duì)磨材料的交互作用力，否則，再優(yōu)良