磨損的定義

什么是磨損？

    磨損是盡人皆知的現(xiàn)象，凡兩個(gè)相互接觸或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，都不免要發(fā)生摩擦，有摩擦即有磨損發(fā)生。各種機(jī)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(huán)與缸套之間)以及機(jī)器在工作環(huán)境中和外界介質(zhì)接觸時(shí)(如犁樣耕地、采煤機(jī)開采煤礦等)，總不免要產(chǎn)生摩擦與磨損。磨損是機(jī)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(gè)確切的定義并非易事。英國(guó)的機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的一個(gè)委員會(huì)下的定義是“由于機(jī)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(xué)作用所產(chǎn)生的影響?？死w爾斯基的定義為“出于摩擦結(jié)合力反復(fù)擾動(dòng)而造成材料的損壞”，似乎太強(qiáng)調(diào)疲勞的作用。

 我認(rèn)為磨損的定義應(yīng)為：磨損是在一個(gè)物體與另一個(gè)固體的、液體的或氣體的對(duì)偶件發(fā)生接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，由于物理作用和化學(xué)作用而造成的表面材料不斷損失、變形、變質(zhì)的過(guò)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(zhì)的過(guò)程，有摩擦就有磨損。

關(guān)于磨損的定義，有四點(diǎn)需要指出：

  (1)磨損并不局限于機(jī)械作用，由于伴同化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕磨損、由于界面放電作用而引起物質(zhì)轉(zhuǎn)移的電火花磨損；以及由于伴同熱效應(yīng)而造成的熱磨損等現(xiàn)象都在磨損的范圍之內(nèi)；

  (2)定義強(qiáng)調(diào)磨損是相對(duì)運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，因而，橡膠表面老化、材料腐蝕等非相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的現(xiàn)象不屬于磨損研究的范疇；

  (3)磨損發(fā)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(nèi)；

  (4)磨損是不斷損失或破壞的現(xiàn)象，損失包括直接耗失材料和材料的轉(zhuǎn)移(材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面上去)，破壞包括產(chǎn)生殘余變形，失去表面精度和光澤等。不斷損失或破壞則說(shuō)明磨損過(guò)程是連續(xù)的、有規(guī)律的，而不是偶然的幾次。

  對(duì)機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)說(shuō)，磨損就是由于運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。

  磨損會(huì)使機(jī)械零件喪失精度，影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。

  磨損表現(xiàn)為松脫的細(xì)小顆粒（磨屑）的出現(xiàn)，以及表現(xiàn)為受摩擦學(xué)負(fù)荷表面上材料性質(zhì)（化學(xué)的、物理的、金相組織的、機(jī)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(chǎn)生的必然結(jié)果，是諸多因素相互影響的復(fù)雜過(guò)程。

在機(jī)械設(shè)備中，磨損通常是不希望出現(xiàn)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(guò)程中，磨損也可能是有益的；加工過(guò)程可認(rèn)為是創(chuàng)造價(jià)值的工 藝過(guò)程，此時(shí)雖然在刀具和工件表面之間也發(fā)生與磨損過(guò)程同樣的摩擦學(xué)過(guò)程，但對(duì)于被加工的工件來(lái)說(shuō)，不能認(rèn)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(shù)稱為耐磨性。對(duì)于耐磨性，常常有人把它看作材料的固有性質(zhì)—“耐磨強(qiáng)度”，這是一種誤解。一個(gè)作為材料固有性質(zhì)的“耐磨強(qiáng)度”是不存在的。磨損或耐磨性是與很多因素有關(guān)的系統(tǒng)特性。對(duì)磨損過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)分析才是科學(xué)的研究和處理磨損問(wèn)題的方法。

掌握磨損規(guī)律的意義在于：

（1）了解機(jī)件一般工作在穩(wěn)定磨損階段，一旦轉(zhuǎn)入急劇磨損階段，機(jī)件必須進(jìn)行修復(fù)或更換。

（2）磨損的發(fā)展過(guò)程是由自然(正常的)磨損和事故(過(guò)早的、迅速增長(zhǎng)的或突然發(fā)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(wù)就是要采取措施減小磨損程度，盡量縮短磨合時(shí)間，增長(zhǎng)正常工作時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。例如提高機(jī)件的強(qiáng)度和耐磨性，改善工作條件，提高修復(fù)、裝配質(zhì)量，進(jìn)行良好的潤(rùn)滑和維護(hù)等。

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

磨損特性曲線

   機(jī)械零件的磨損過(guò)程通常經(jīng)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)：

圖 磨損特性曲線

   圖中的縱坐標(biāo)表示單位時(shí)間的磨損量，稱磨損率。通常在磨合期內(nèi)，磨損率比較大，并是遞降的。然后進(jìn)入一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定期，磨損率較小并保持不變。直至某一點(diǎn)，斜率陡升，這預(yù)兆著磨損急劇增大，失效即將發(fā)生。對(duì)于一些磨損過(guò)程，例如滾動(dòng)軸承或齒輪中發(fā)生的表面疲勞磨損，開始時(shí)磨損率可能為零，當(dāng)工作時(shí)間達(dá)到一定數(shù)值后，點(diǎn)蝕開始出現(xiàn)并迅速擴(kuò)展，磨損率迅速上升，很快發(fā)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(shí)際接觸面積較小，故接觸應(yīng)力很大。因此，在運(yùn)行初期，表面的塑性變形與磨損的速度較快。隨著磨合的進(jìn)行，摩擦表面粗糙峰逐漸磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，表面應(yīng)力減小，磨損減緩。

   一個(gè)嶄新的，即加工后未經(jīng)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(shí)際上兩個(gè)表面之間通過(guò)微凸體進(jìn)入真實(shí)接觸的面積是很小的。在這些接觸著的微凸體之間會(huì)產(chǎn)生很大單位面積接觸壓力，乃至超過(guò)材料的屈服強(qiáng)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(qū)產(chǎn)生很高的溫度，致使接觸面發(fā)生熔焊，隨即又由于表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而被撕裂。同時(shí)微凸體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也很容易發(fā)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(dá)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(wěn)定的油膜，這時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)處于一種從邊界潤(rùn)滑到混合潤(rùn)滑的過(guò)度；隨著磨合階段的結(jié)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(shí)通過(guò)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(jìn)一步向完全流體動(dòng)力潤(rùn)滑過(guò)度；于是磨損率也隨之減小，并向穩(wěn)定磨損階段過(guò)度。

 磨合階段的輕微磨損為正常運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。通過(guò)選擇合理的磨合規(guī)程、采用適當(dāng)?shù)哪Σ粮辈牧霞昂侠淼募庸すに?、正確地裝配與調(diào)整，使用含有活性添加劑的潤(rùn)滑油等措施能夠縮短磨合期。上述磨合階段最好受到監(jiān)控，以免造成過(guò)度的磨損或磨合不夠的情況產(chǎn)生。

 2．穩(wěn)定磨損階段（II階段）

 經(jīng)過(guò)磨合，摩擦表面發(fā)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(wěn)定、緩慢，工作時(shí)間可以延續(xù)很長(zhǎng)。它的特點(diǎn)是磨損量與時(shí)間成正比增加，間隙緩慢增大。

穩(wěn)定磨損階段此時(shí)磨損量趨于平緩地增加，而磨損率則由高過(guò)度到低，并維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平上，表 明零件摩擦副表面之間已形成較為穩(wěn)定的油膜，在潤(rùn)滑油充裕的工況下處于一種流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)。流體動(dòng)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(tài)。這對(duì)于減小磨損是極為有利的。特別是當(dāng)油膜厚度大大超過(guò)兩個(gè)接觸表面的粗糙度時(shí)，摩擦副處于完 全流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)；這時(shí)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(gè)非常低的水平上。穩(wěn)定磨損階段是機(jī)器設(shè)備的正常工作階段， 穩(wěn)定磨損階段的長(zhǎng)短與機(jī)器的工況有關(guān)，也與磨合階段的磨合質(zhì)量有關(guān)。這是因?yàn)闄C(jī)器在啟動(dòng)或停止的過(guò)程中，也就是摩擦副流體動(dòng)力油膜建立或消除的過(guò)程，其潤(rùn) 滑狀態(tài)也就從邊界—混合—完全流體的轉(zhuǎn)變過(guò)程或其逆過(guò)程。此過(guò)程摩擦表面也將發(fā)生磨損，磨合階段磨合質(zhì)量好的機(jī)器，其穩(wěn)定磨損階段將會(huì)維持一段較長(zhǎng)的時(shí)間。反之亦然。

 3.急劇磨損階段(III階段)

 由于摩擦條件發(fā)生較大的變化，如溫度快速增加，金居組織發(fā)生變化，使間隙，變得過(guò)大，增加了沖擊，潤(rùn)滑油膜易破壞，磨損速度急劇增加，致使機(jī)械效率下降，精度降低，出現(xiàn)異常的噪聲和振動(dòng)，最后導(dǎo)致意外事故。

    穩(wěn)定磨損階段經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng) 的時(shí)間后，或由于種種原因，如載荷的波動(dòng)、潤(rùn)滑失效、摩擦副表面材料在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞損傷等原因，都會(huì)導(dǎo)致磨損加劇。通常應(yīng)該說(shuō)劇烈磨損的發(fā) 生是磨損長(zhǎng)期積累的結(jié)果。一旦發(fā)生往往是突發(fā)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(yán)重的，不僅導(dǎo)致機(jī)械效率下降，粘度喪失，還可能產(chǎn)生異常的振動(dòng)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(dǎo)致機(jī)器的損壞。

    上述磨損過(guò)程的三個(gè)階段都是不穩(wěn)定的，不適當(dāng)?shù)哪ズ希钦５哪p工況都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器零件的劇烈磨損階段的提前出現(xiàn)，造成機(jī)器的早期磨損失效。

磨合階段過(guò)分輕微的磨合條件，如過(guò)小的載荷或過(guò)低的速度，甚至不適當(dāng)?shù)厥褂煤袦p磨作用的添加劑的潤(rùn)滑磨合油都會(huì)延長(zhǎng)磨合期，即推遲穩(wěn)定磨損期的到來(lái)，造成新設(shè)備遲遲不能投入正常運(yùn)行。反之，如磨合階段太短，未達(dá)到充分磨合的磨合質(zhì)量要求，便會(huì)造成機(jī)器的早期磨損。

     金屬的摩擦磨損是由力學(xué)的、物理的、化學(xué)的多個(gè)作用產(chǎn)生的結(jié)果 ,是機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)等效應(yīng)綜合作用的過(guò)程。因而產(chǎn)生磨損的根本原因在于受摩擦學(xué)負(fù)荷作用的物體與摩擦副系統(tǒng)中相關(guān)元素之間發(fā)生的機(jī)械、物理和化學(xué)作用的結(jié)果。至于出現(xiàn)什么樣的相互作用，取決于所有參與磨損過(guò)程的各個(gè)元素的性質(zhì)，如：運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)過(guò)程、法向載荷、速度、溫度、表面特性和負(fù)荷期限等。

    磨屑的形成遵循摩擦?xí)r的塑性變形—裂紋萌生—裂紋擴(kuò)展、斷裂形屑的規(guī)律 .磨損是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

磨損的分類與磨損的評(píng)定方法

    磨損的分類

    因?yàn)槟p是一種十分復(fù)雜的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以磨損的分類方法也較多。根據(jù)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(jī)理來(lái)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(dòng)磨損和沖擊磨損。

    前四種的磨損機(jī)理是各不相同的，但后三種磨損機(jī)理常與前四種有類似之處或?yàn)榍八姆N機(jī)理中幾種機(jī)理的復(fù)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(diǎn)；微動(dòng)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(shí)際工況下，材料的磨損往往不只是一種機(jī)理在起作 用，而是幾種機(jī)理同時(shí)存在，例如，磨料磨損往往伴隨著粘著磨損，只不過(guò)是在不同條件下。某一種機(jī)理起主要作用而已。而當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)，磨損也會(huì)以一種機(jī) 理為主轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N機(jī)理為主。這是研究工作者和工程技術(shù)人員必須引起注意的問(wèn)題。

  目前人們公認(rèn)的最重要的四種基本磨損類型(機(jī)理)是：黏著磨損、磨料磨損、疲勞磨損和化學(xué)磨損。實(shí)際的磨損可能是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果。不同磨損類型有不同的磨損表面的外觀表現(xiàn)：

表 四種基本磨損類型

  磨損的評(píng)定方法

   磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。目前對(duì)磨損評(píng)定方法還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)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(píng)定材料磨損的三個(gè)基本磨損量是長(zhǎng)度磨損量、體積磨損量和重量磨損量。長(zhǎng)度磨損雖是指磨損過(guò)程中零件表面尺寸的改變量，這在實(shí)際設(shè)備的磨損監(jiān)測(cè)中經(jīng)常使用。體積磨損量和重量磨損量是指磨損過(guò)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(jīng)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(shù)就稱為耐磨性。材料耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。

   3、磨損比

   沖蝕磨損過(guò)程中常用磨損比(也有稱磨損串)來(lái)度量磨損。它必須在穩(wěn)態(tài)磨損過(guò)程中測(cè)量，在其它磨損階段中所測(cè)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(shí)驗(yàn)條件或工況下的相對(duì)指標(biāo)，不同實(shí)驗(yàn)條件或工況下的數(shù)據(jù)是不可比較的。