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磨損的定義
時間:2016-04-26    作者:得瑞爾    瀏覽量:次

磨損的定義

什么是磨損?

    磨損是盡人皆知的現象,凡兩個相互接觸或相對運動的表面,都不免要發生摩擦,有摩擦即有磨損發生。各種機器都是由許多零件組成的,除了焊接件外,在其相互接連的地方(如齒輪與齒輪、軸與軸承、活塞環與缸套之間)以及機器在工作環境中和外界介質接觸時(如犁樣耕地、采煤機開采煤礦等),總不免要產生摩擦與磨損。磨損是機器最常見也是最大量的一種失效方式。

     什么是磨損? 雖然,磨損的研究工作正在逐步深化,但要給磨損下一個確切的定義并非易事。英國的機械工程師協會的一個委員會下的定義是由于機械作用而造成物體表面材料的逐漸損耗,這似乎排除了電和化學作用所產生的影響??死嵌夠畝ㄒ邐?/span>出于摩擦結合力反復擾動而造成材料的損壞,似乎太強調疲勞的作用。

 我認為磨損的定義應為:磨損是在一個物體與另一個固體的、液體的或氣體的對偶件發生接觸和相對運動中,由于物理作用和化學作用而造成的表面材料不斷損失、變形、變質的過程。磨損本身是一種伴隨著摩擦的存在而存在的摩擦面材料的逐步損失、遷移、變形或變質的過程,有摩擦就有磨損。

關于磨損的定義,有四點需要指出:

  (1)磨損并不局限于機械作用,由于伴同化學作用而產生的腐蝕磨損、由于界面放電作用而引起物質轉移的電火花磨損;以及由于伴同熱效應而造成的熱磨損等現象都在磨損的范圍之內;

  (2)定義強調磨損是相對運動中所產生的現象,因而,橡膠表面老化、材料腐蝕等非相對運動中的現象不屬于磨損研究的范疇;

  (3)磨損發生在物體工作表面材料上,其它非界面材料的損失或破壞,不包括在磨損范圍之內;

  (4)磨損是不斷損失或破壞的現象,損失包括直接耗失材料和材料的轉移(材料從一個表面轉移到另一個表面上去),破壞包括產生殘余變形,失去表面精度和光澤等。不斷損失或破壞則說明磨損過程是連續的、有規律的,而不是偶然的幾次。

  對機械設備來說說,磨損就是由于運動副之間的摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。

  磨損會使機械零件喪失精度,影響機器的效率,降低工作的可靠性,甚至促使機器提前報廢。

  磨損表現為松脫的細小顆粒(磨屑)的出現,以及表現為受摩擦學負荷表面上材料性質(化學的、物理的、金相組織的、機械工藝的)和形狀的(形貌和尺寸、粗糙度、表面層厚度)變化。它是伴隨摩擦而產生的必然結果,是諸多因素相互影響的復雜過程。

在機械設備中,磨損通常是不希望出現的,即它是消極的、不利的。但在某些例外情況下,例如在磨合過程中,磨損也可能是有益的;加工過程可認為是創造價值的工 藝過程,此時雖然在刀具和工件表面之間也發生與磨損過程同樣的摩擦學過程,但對于被加工的工件來說,不能認為遭到磨損。

由磨損引起的材料損失的量稱為磨損量,它的倒數稱為耐磨性。對于耐磨性,常常有人把它看作材料的固有性質—“耐磨強度”,這是一種誤解。一個作為材料固有性質的“耐磨強度”是不存在的。磨損或耐磨性是與很多因素有關的系統特性。對磨損過程進行系統分析才是科學的研究和處理磨損問題的方法。

掌握磨損規律的意義在于:

1)了解機件一般工作在穩定磨損階段,一旦轉入急劇磨損階段,機件必須進行修復或更換。

2)磨損的發展過程是由自然(正常的)磨損和事故(過早的、迅速增長的或突然發生意外的)磨損組成。自然磨損是不可避免的,事故磨損可以延緩,甚至避免。我們的任務就是要采取措施減小磨損程度,盡量縮短磨合時間,增長正常工作時間,延長使用壽命。例如提高機件的強度和耐磨性,改善工作條件,提高修復、裝配質量,進行良好的潤滑和維護等。

3)研究磨損規律,就是要掌握各種零部件磨損的特點,以便制定合理的維修策略和計劃。

磨損特性曲線

   機械零件的磨損過程通常經歷不同的磨損階段,直至失效。如圖給出典型的磨損特性曲線(浴盆曲線)

 

 磨損特性曲線

   圖中的縱坐標表示單位時間的磨損量,稱磨損率。通常在磨合期內,磨損率比較大,并是遞降的。然后進入一個較長時間的穩定期,磨損率較小并保持不變。直至某一點,斜率陡升,這預兆著磨損急劇增大,失效即將發生。對于一些磨損過程,例如滾動軸承或齒輪中發生的表面疲勞磨損,開始時磨損率可能為零,當工作時間達到一定數值后,點蝕開始出現并迅速擴展,磨損率迅速上升,很快發展為大面積剝落和完全失效。

磨損階段的描述:

 1.磨合階段(I階段)

 又稱跑合階段。新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度。在載荷作用下,由于實際接觸面積較小,故接觸應力很大。因此,在運行初期,表面的塑性變形與磨損的速度較快。隨著磨合的進行,摩擦表面粗糙峰逐漸磨平,實際接觸面積逐漸增大,表面應力減小,磨損減緩。

   一個嶄新的,即加工后未經摩擦的固體表面總具有一定的表面粗糙度和比較尖銳的微凸體尖峰,實際上兩個表面之間通過微凸體進入真實接觸的面積是很小的。在這些接觸著的微凸體之間會產生很大單位面積接觸壓力,乃至超過材料的屈服強度,并造成微凸體材料的遷移,以及接觸面之間的變形在局部微區產生很高的溫度,致使接觸面發生熔焊,隨即又由于表面之間的相對運動而被撕裂。同時微凸體在相對運動過程中也很容易發生碰撞、折斷、劃傷。因此在磨合階段,摩擦副表面的磨損量迅速增加,并達到較高的磨損率。

另一方面由于加工和裝配等工況原因,使接觸表面之間的間隙不均勻,從而難以形成穩定的油膜,這時的潤滑狀態處于一種從邊界潤滑到混合潤滑的過度;隨著磨合階段的結束,微凸體不斷被磨平,促使它們之間的接觸面積不斷增大,而單位面積的接觸壓力隨之減小,同時通過一定的磨損之后,摩擦副的間隙趨于均勻,油膜得以建立,即進一步向完全流體動力潤滑過度;于是磨損率也隨之減小,并向穩定磨損階段過度。

 磨合階段的輕微磨損為正常運行、穩定運轉創造條件。通過選擇合理的磨合規程、采用適當的摩擦副材料及合理的加工工藝、正確地裝配與調整,使用含有活性添加劑的潤滑油等措施能夠縮短磨合期。上述磨合階段最好受到監控,以免造成過度的磨損或磨合不夠的情況產生。

 2.穩定磨損階段(II階段)

 經過磨合,摩擦表面發生加工硬化,微觀幾何形狀改變,建立了彈塑性接觸條件。這一階段磨損趨于穩定、緩慢,工作時間可以延續很長。它的特點是磨損量與時間成正比增加,間隙緩慢增大。

穩定磨損階段此時磨損量趨于平緩地增加,而磨損率則由高過度到低,并維持在一個比較穩定的水平上,表 明零件摩擦副表面之間已形成較為穩定的油膜,在潤滑油充裕的工況下處于一種流體動力潤滑狀態。流體動力油膜的存在不僅在很大程度上避免了微凸體尖峰受力為 大部分表面處于一種比較均勻的受力狀態。這對于減小磨損是極為有利的。特別是當油膜厚度大大超過兩個接觸表面的粗糙度時,摩擦副處于完 全流體動力潤滑狀態;這時微凸體之間幾乎不接觸,摩擦表面依靠油膜傳遞壓力,故磨損量保持在一個非常低的水平上。穩定磨損階段是機器設備的正常工作階段, 穩定磨損階段的長短與機器的工況有關,也與磨合階段的磨合質量有關。這是因為機器在啟動或停止的過程中,也就是摩擦副流體動力油膜建立或消除的過程,其潤 滑狀態也就從邊界—混合—完全流體的轉變過程或其逆過程。此過程摩擦表面也將發生磨損,磨合階段磨合質量好的機器,其穩定磨損階段將會維持一段較長的時間。反之亦然。

 3.急劇磨損階段(III階段)

 由于摩擦條件發生較大的變化,如溫度快速增加,金居組織發生變化,使間隙,變得過大,增加了沖擊,潤滑油膜易破壞,磨損速度急劇增加,致使機械效率下降,精度降低,出現異常的噪聲和振動,最后導致意外事故。

    穩定磨損階段經過足夠長 的時間后,或由于種種原因,如載荷的波動、潤滑失效、摩擦副表面材料在長期交變應力作用下發生疲勞損傷等原因,都會導致磨損加劇。通常應該說劇烈磨損的發 生是磨損長期積累的結果。一旦發生往往是突發性的和急劇的,因此磨損量曲線和磨損率曲線均呈急劇上升。

劇烈磨損所造成的后果是嚴重的,不僅導致機械效率下降,粘度喪失,還可能產生異常的振動和噪聲,摩擦副溫度迅速上升,最終造成零件的破壞和失效,甚至導致機器的損壞。

    上述磨損過程的三個階段都是不穩定的,不適當的磨合,非正常的磨損工況都會導致機器零件的劇烈磨損階段的提前出現,造成機器的早期磨損失效。

磨合階段過分輕微的磨合條件,如過小的載荷或過低的速度,甚至不適當地使用含有減磨作用的添加劑的潤滑磨合油都會延長磨合期,即推遲穩定磨損期的到來,造成新設備遲遲不能投入正常運行。反之,如磨合階段太短,未達到充分磨合的磨合質量要求,便會造成機器的早期磨損。

     金屬的摩擦磨損是由力學的、物理的、化學的多個作用產生的結果 ,是機械效應、熱效應、化學等效應綜合作用的過程。因而產生磨損的根本原因在于受摩擦學負荷作用的物體與摩擦副系統中相關元素之間發生的機械、物理和化學作用的結果。至于出現什么樣的相互作用,取決于所有參與磨損過程的各個元素的性質,如:運動類型、運動過程、法向載荷、速度、溫度、表面特性和負荷期限等。

    磨屑的形成遵循摩擦時的塑性變形—裂紋萌生—裂紋擴展、斷裂形屑的規律 .磨損是個動態的過程。

磨損的分類與磨損的評定方法

    磨損的分類

    因為磨損是一種十分復雜的微觀動態過程,所以磨損的分類方法也較多。根據不同條件有不同的分類方法。

    最常見的磨損分類方法是按磨損機理來分類的,一般可分為;粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損和沖擊磨損。

    前四種的磨損機理是各不相同的,但后三種磨損機理常與前四種有類似之處或為前四種機理中幾種機理的復分。如沖蝕磨損有與磨料磨損類似之處,但也有其自身的特點;微動磨損常包含粘著、磨料、腐蝕及疲勞等四種或其中的三種綜合而成。

    這里附帶指出,即實際工況下,材料的磨損往往不只是一種機理在起作 用,而是幾種機理同時存在,例如,磨料磨損往往伴隨著粘著磨損,只不過是在不同條件下。某一種機理起主要作用而已。而當條件發生變化時,磨損也會以一種機 理為主轉變為另一種機理為主。這是研究工作者和工程技術人員必須引起注意的問題。

  目前人們公認的最重要的四種基本磨損類型(機理)是:黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損和化學磨損。實際的磨損可能是多種機理共同作用的結果。不同磨損類型有不同的磨損表面的外觀表現:

 四種基本磨損類型

磨損類型(機理)

磨損表面外觀

黏著磨損

錐刺、鱗尾、麻點

磨料磨損

擦傷、溝紋、條痕

疲勞磨損

裂紋、點蝕

摩擦化學磨損

反應產物(膜、微粒)

  磨損的評定方法

   磨損時零件表面的損壞是材料表面單個微觀體積損壞的總和。目前對磨損評定方法還沒有統一的標推。這里主要介紹三種方法:磨損量、耐磨性和磨損比。

   1、磨損量

   評定材料磨損的三個基本磨損量是長度磨損量、體積磨損量和重量磨損量。長度磨損雖是指磨損過程中零件表面尺寸的改變量,這在實際設備的磨損監測中經常使用。體積磨損量和重量磨損量是指磨損過程中零件或試樣的體積或重量的改變量。

   2、耐磨性

   材料的耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性。我們已經知道由磨損引起的材料損失的量稱為磨損量,而磨損量的倒數就稱為耐磨性。材料耐磨性分為相對耐磨性和絕對耐磨性兩種。

   3、磨損比

   沖蝕磨損過程中常用磨損比(也有稱磨損串)來度量磨損。它必須在穩態磨損過程中測量,在其它磨損階段中所測量的磨損比將有較大的差別。

   不論是磨損量、耐磨性和磨損比,它們都是在一定實驗條件或工況下的相對指標,不同實驗條件或工況下的數據是不可比較的。

 

 
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