材料的磨损性能及试验概述

材料的磨损特性

磨损是由于机械作用和化学反应(包括热化学、电化学和机械化学)使材料表面材料不断流失或产生残余变形和断裂的现象。

磨损是发生在物体上的表面现象，其接触面必然有相对运动。磨损必然导致物质损失(包括物质转移)，是一个渐进的动态过程，具有时变特征。

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磨损的危害

(1)影响机器质量，降低设备使用寿命，如齿轮齿面磨损、机床主轴轴承磨损等。

(2)降低机器效率，消耗能量，如柴油机气缸套的磨损等。

(3)降低机器的可靠性，造成不安全因素，如断齿、钢轨磨损；

(4)消耗材料，造成机械材料大规模报废。

磨损曲线

磨合阶段:表面磨平，实际接触面积增大，表面应变变硬，形成氧化膜，磨损率降低；

稳定磨损阶段:斜率是磨损率，唯一稳定的值；大部分零件处于稳定磨损阶段(AB阶段)；

严重磨损阶段:随着磨损的增加，磨损增加，表面间隙增大，表面质量变差，零件很快失效。

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磨损评估

磨损零件的表面损伤是材料表面单个微观体积损伤的总和。目前，磨损评估方法没有统一的标准。本文主要介绍磨损量、耐磨性和磨损率三种方法。

磨损分为长度磨损Wl、体积磨损Wv和重量磨损Ww。

耐磨性是指材料在一定工作条件下的耐磨性。耐磨性是体积磨损的倒数。

材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性。材料的相对耐磨性ε是指两种材料A和B在相同外界条件下的磨损量之比，其中一种材料的A为标准(或参考)样品。

εA=WA/WB

磨损率是用来衡量冲蚀磨损过程中的磨损量。(磨损率=材料的冲蚀磨损/导致磨损的磨料量)

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磨损类型

按磨损机理可分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损，按环境介质可分为干磨损、湿磨损和流体磨损。

1.粘着磨损

摩擦副相对滑动时，由于粘着效应形成的接合处会被剪切断裂，被剪切的材料要么脱落成碎片，要么从一个表面迁移到另一个表面。这种磨损称为粘着磨损。

磨损过程:粘着→剪切→转移→再粘着。

粘着磨损示意图

粘着磨损的类型、现象和原因

粘着磨损的影响因素

(1)摩擦副材料性能的影响

脆性材料比塑料材料具有更高的抗粘附性；

金属相同或互溶性高的材料的摩擦副易发生粘着磨损，反之则不易发生粘着磨损。

多相金属不容易粘着磨损；

表面处理可以减少粘着磨损；

高硬度的金属比低硬度的金属具有更强的抗粘附性。

(2)负载和速度的影响

载荷增加——粘着磨损加剧，但存在临界载荷；

在一定压力下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，达到一定最大值后随滑动速度的增加而减少。

(3)表面温度的影响

表面温度升高，润滑膜失效，材料硬度下降，摩擦表面易发生粘着磨损。

(4)润滑油和油脂的影响

在润滑油和润滑脂中加入油性或极压添加剂，可提高润滑油膜的吸附能力和油膜强度，可使抗粘着磨损能力提高一倍。

改善粘着磨损的措施:增加硬度、使用互溶性小的金属、耐磨涂层、涂油性能、极压添加剂。

2.磨料磨损

磨削表面上的外部硬颗粒或硬突起或粗糙峰使表面材料在摩擦过程中脱落的现象称为磨粒磨损(也称磨料磨损)。磨粒是由摩擦表面之间的摩擦产生的，或者是由介质带入摩擦表面的。

磨粒磨损是最常见的形式，主要发生在采矿、钻井、建筑、运输和农业等机械零部件上。据统计，工业中磨粒磨损造成的损失约占总量的50%。

磨料磨损的影响因素

改善磨削磨损的措施:(1)对于以切削为主要机制的磨粒磨损，应提高材料硬度；(2)根据零件的使用条件，合理选择相应的耐磨材料；(3)采用渗碳、渗氮、共渗等化学热处理提高表面硬度；(4)零件的防尘和清洁。

3.疲劳和磨损

当两个接触表面受到纯滚动或滚滑复合摩擦时，在高接触压应力的作用下，经过多次应力循环后，在相互作用表面的局部区域发生小块材料剥落，形成凹坑或凹坑。这种磨损称为疲劳磨损，也称为接触疲劳。

疲劳与材料疲劳失效的主要区别:磨损的产生与摩擦有关；磨损经常发生在材料的表层或次表层。

疲劳类型:点蚀剥落、浅层剥落和深层剥落。

点状剥落:指深度在0.1 ~ 0.2毫米以下的小片剥落，裂纹一般起于表面，剥落坑呈针状或痘状。

浅层剥落:剥落深度一般为0.2 ~ 0.4毫米..经常出现在表面粗糙度低，相对滑动小的场合。

深层剥落:这种剥落坑深(> > 0.4mm)，大。通常，它出现在表面强化材料中，如渗碳钢。

疲劳的影响因素

改善疲劳的措施包括提高摩擦表面硬度、采用表面强化技术、提高冶金质量、减少缺陷、增加润滑剂粘度、增加膜厚比和消除水分。

4.腐蚀和磨损

在摩擦过程中，材料与周围介质发生化学或电化学反应，导致材料从表面流失的现象称为腐蚀磨损。

腐蚀根据腐蚀介质的性质，腐蚀磨损可分为两类，即化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损。化学腐蚀磨损是指金属材料在气体介质或非电解质溶液中的磨损，其中最主要的是氧化磨损。电化学腐蚀磨损是指金属材料在导电电解质溶液中的磨损。

氧化磨损是指金属表面与气体介质发生氧化反应，在表面形成氧化膜，然后被磨料或微凸体去除，新露出的表面再次被氧化磨掉的过程中形成的磨损。

氧化磨损条件:摩擦表面的氧化速率高于氧化膜，氧化膜与基体的结合强度高于摩擦表面的剪切应力，氧化膜的厚度大于表面磨损的深度。

氧化磨损的影响因素:氧化膜性质、载荷、滑动速度、金属表面状态。

电化学磨损是指摩擦副在电解质溶液(如酸、碱、盐等)中工作的过程。)，并与它们反应形成各种产物，然后在摩擦中被去除。

摩擦表面布满点状或丝状腐蚀痕迹，磨损产物为酸、碱、盐的金属化合物。

电化学磨损的影响因素:(1)腐蚀介质的性质，同一种材料在不同介质中的腐蚀磨损行为是不同的，此外，介质的浓度、pH值、温度也会影响腐蚀磨损；(2)材料性能:在强磨损-弱腐蚀条件下，含碳量增加-耐磨性增加，而在弱磨损-强腐蚀条件下，耐磨性降低。不同热处理后钢的显微组织差异也会影响钢的耐磨性。(3)力学因素，外加载荷的大小和频率也会影响材料的耐磨性。

5.其他形式的磨损

冲蚀是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度冲击材料表面而产生的磨损。

根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀磨损。

对于冲蚀磨损，通常采用预防护涂层，根据不同的磨损条件选择不同的防护层。主要有三种:耐磨涂层胶和耐磨修补剂进行预保护；采用耐磨陶瓷胶粘贴专用耐磨陶瓷片进行预保护；采用聚氨酯弹性涂层。

微动磨损是指压配合表面在小振幅振动下的磨损现象，是一种复合磨损(粘着、磨粒、疲劳和腐蚀)。

金属表面微动磨损原理示意图

微动的控制措施:消除振动，增加结合面的正压力，增加结合面之间的摩擦力，采用良好的润滑、脂和固体润滑剂。

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磨耗试验

确定材料耐磨性的材料试验。通过这个测试，可以比较材料的耐磨性。

磨损试验比常规材料试验更复杂。首先，需要考虑零部件的具体工作条件并确定磨损形式，然后选择合适的试验方法，使试验结果与实际结果吻合。

磨损试验方法的比较

磨损试验机:滚子磨损试验机、环磨损试验机、转盘单针磨损试验机、往复摩擦磨损试验机、四球摩擦磨损试验机、接触疲劳试验机和湿磨试验机。