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机械磨损的相关因素

简要描述:影响摩擦副磨损的因素很多,通常可将其归纳为三个方面,即力学方面的因素,包括摩擦副承受的载荷、滑动速度和滑动距离等;材料方面的因素,包括摩擦副材料的机械性能、化学成分、表面状态、金属的组织结构和冶金相容性等;
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影响摩擦副磨损的因素很多,通常可将其归纳为三个方面,即力学方面的因素,包括摩擦副承受的载荷、滑动速度和滑动距离等;材料方面的因素,包括摩擦副材料的机械性能、化学成分、表面状态、金属的组织结构和冶金相容性等;环境方面的因素,包括周围介质、温度和湿度等。这些因素之间,不少又是互相关联、影响的,例如载荷增加将使摩擦力增加并导致温度升高;滑动速度的加大,同样会使温度升高;而温度的升高又会影响材料的机械性能以及表面膜的形成等等。下面对影响金属材料磨损的一些主要因素作必要的说明。

(1)摩擦副材料的质量、化学成分和机械性能的影响

材料及化学成分主要影响摩擦副表面的疲劳强度。如钢中含有FeO、FeS等杂质就会导致应力集中,易萌生疲劳裂纹,加速疲劳磨损;钢中固溶体呈球状组织比之粗晶体和条带状组织的疲劳强度高;固溶体中含碳量在0.53%左右较好,含碳量过多,则马氏体变得粗大,材料变脆,过少则基体的强度和硬度降低,这些均会降低疲劳强度,从而增加疲劳磨损。合金钢中的碳、磷元素可有效地防止金属之间的粘着,从而减少粘着磨损;铸铁中含磷量增加,具微动腐蚀磨损量减少;含Ni、Cr、W、Mo的合金,其抗腐蚀磨损的强力提高。

影响摩擦副磨损的材料机械性能主要有塑性、硬度和抗拉强度等。一般脆性材料比塑性材料的抗粘着磨损高,如齿轮的齿面越硬,其疲劳强度越高;硬度对磨料磨损的影响最大,一般摩擦副表面的硬度Hm越高,其抗磨料磨损能力越大,反之,磨料硬度Ha越高则相反,实验证明Hm≈1.4Ha时,摩擦副的磨损最小,若碳钢表面的硬度从180HV提高到700HV,则其微动腐蚀磨损可减少50%;试验也证明,摩擦副材料的抗拉强度越低,其抗磨料磨损的能力也越小。

(2)摩擦副材料的表面状态与表层状态的影响

表面状态包括表面粗糙度、表面膜与表面润滑等方面的状态。

表面粗糙度对表面疲劳磨损、粘着磨损、微动腐蚀磨损均有影响,一般表面粗糙度小则抗粘着磨损能力强,表面疲劳强度提高,但太小的粗糙度又反而会促进粘着磨损,且光滑表面比粗糙表面更容易产生微动腐蚀磨损,不过,若经超精抛光则可减少这类磨损。

表面越干净越容易产生粘着磨损,但若有一层诸如氧化膜、润滑剂膜和金属膜之类的表面膜,就会显著减少粘着磨损,由于大多数金属都有一层氧化膜,这时减少粘着磨损很有利,若氧化膜被破坏,则就会引起磨料磨损与氧化磨损。金属膜大多能提高抗磨能力,如Rh、Cr镀膜有很高的耐磨性;以Co、Cr、Fe为基的镀层具有优良的热硬性而且耐腐蚀;In、Pb、Sn等软金属膜有良好的抗粘着能力;渗碳钢的渗碳层愈厚则抗疲劳磨损能力愈高,反之,若表层脱炭就会大大降低疲劳寿命。

表面润滑状况对磨损的影响更为显著,小量润滑剂就可以形成作用与氧化膜相似的边界润滑膜;润滑剂可限制腐蚀性气体或液体进入摩擦副表面,从而减少腐蚀磨损;润滑剂膜的厚度增加,油性提高,则抗粘着性能提高,若加入极压添加剂,就可大大减少粘着磨损;润滑剂使摩擦副不直接接触,从而极大地减少摩擦系数,降低磨损速度。

(3)冶金相容性(互溶性)的影响

两种金属在固态时能互相溶解的性能称为冶金相容性或互溶性。互溶性大的材料副(摩擦副),其形成固溶体的倾向和粘着倾向都大,因而抗粘着磨损能力差。因此,同名金属的亲合能力大,是100%的互溶性,因而其粘着磨损极为严重,所以不能用同一材料做摩擦副,碳素钢若与元素周期表中的B族元素如Ge、As、Cd、In、Sn、Sb、Ti、Pb、B等配对成为摩擦副材料,则其互溶性差,因而抗粘着磨损能力强,也就是说选用互溶性差的摩擦副材料可以降低磨损速度。

(4)金属组织结构的影响

试验研究表明,金属的金相组织情况对磨损有影响。一般六方晶格金属比体心和面心立方晶格金属的粘着磨损率要低2~3个数量级,通常高原子密度、低表面能的晶粒,其粘着磨损较轻;在金属结构方面,多相金属比单相金属的粘着倾向小,金属化合物比单相固溶体的粘着倾向小,而单相塑性金属与同名金属或其他单相金属摩擦时,就容易产生粘着磨损;铸铁中软相铁素体的相对量增加,其微动腐蚀磨损量也增加,且容易合金化材料的配合表面之间的微动腐蚀磨损更为严重。

(5)周围介质和环境湿度的影响

因为钢的腐蚀磨损率随介质腐蚀性的增强而增大,例如,假设钢在N2气中的腐蚀磨损率为1,则在含20%水汽的空气中为2,在含0.7%SO2的介质中为5,因而钢在工业性气氛中和海洋附近比在一般大气中的腐蚀磨损速度要快得多;介质中含氧量高,则钢的氧化磨损会增大,但微动腐蚀磨损则随相对湿度的增加而减少。

(6)温度的影响

在摩擦磨损过程中,消耗在塑性变形方面的能量有90%以上是以热的形式散失,这些摩擦热会使摩擦副温度升高,如在磨料磨损中,其瞬时温度可达1000℃。温度的提高,不仅可能使金属材料回火、相变、表面硬度和强度降低,从而促进粘着磨损的发生,而且还会影响保护膜的形成,降低润滑剂的性能,甚至使其变质、失效;试验表明,钢在特殊介质中的腐蚀磨损是随介质温度的升高而增加,但中碳钢的微动腐蚀磨损情况则有不同,在-150℃的温度为最大,随着温度的增加其磨损量却减少,并在50℃~150℃的范围内,磨损量变为常数。

(7)载荷的影响

载荷是影响磨损的重要因素之一,压力可使表面产生塑性变形,导致表面膜破裂而粘着,载荷增加也导致温度升高而加速氧化,故粘着磨损量与氧化磨损量都随压力的增大而增加,且当压力增大至某一临界值后更会迅速增加而变成急剧磨损或咬死。

(8)滑动速度与滑动距离的影响

压力一定时,粘着磨损量随滑动速度的提高而增大,但达到最大值后又随滑动速度的增大而减少,呈抛物线变化,而六方晶格金属的磨损度则随滑动速度的提高而减少。如微动腐蚀磨损与滑动距离(振幅)的关系是在给定的循环次数的前提下,当振幅小于70μm时,其磨损很小,而当振幅超过70-100μm时,金属材料微动腐蚀磨损的体积与滑距即振幅成正比。

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