1、第9講 磨損失效分析 1摩擦磨損過程的認識 l磨合階段： n兩接觸面之間的真實接觸面積較小，開始時磨損量迅速增加，經過一 定時間磨合，真實接觸面積逐漸增大，磨損速度減慢，并趨于穩定。 l正常磨損階段 n零件表面的粗糙度降低，并形成表面改性，磨損量較低。 l嚴重磨損階段 n外界因素的影響、磨損量累積導致零件尺寸變化較大，接觸情況逐漸 惡化。零件表面接觸應力增加、零件表面產生塑變、發熱等，導致磨 損量增加。 l 磨損和摩擦是物體相互接觸并相互運動時共生的兩種現象。摩擦是磨損的 原因，磨損是摩擦的必然結果。 2摩擦磨損的分類 構件摩擦磨損是一個多種因素相互影響的復雜過程，每一起磨損都可 能存在性質不

2、同、互不相關的機理，涉及到的接觸表面、環境介質、相對 運動特性、裁荷特性等也有所不同，結果造成摩擦面多種形式的損壞和破 壞。因此，人們只是從不同角度對摩擦磨損進行分類。 l 按環境和介質分類：流體磨損、濕磨損、干磨損流體磨損、濕磨損、干磨損等； l按表面接觸性質分類：金屬金屬-流體磨損、金屬流體磨損、金屬-金屬磨損、金屬金屬磨損、金屬-磨料磨損磨料磨損等； l目前較常用的分類方法是按磨損的失效機制和機理來劃分：磨料（粒）磨磨料（粒）磨 損、粘著磨損、沖蝕磨損、微動磨損、腐蝕磨損和接觸疲勞磨損損、粘著磨損、沖蝕磨損、微動磨損、腐蝕磨損和接觸疲勞磨損等。 l零件磨損失效過程中磨損類型并非固定不變，

3、在不同的外部條件和 材料特性的情況下，損傷機制會發生轉化。 l零件磨損失效過程中磨損類型很少單獨出現，它們可能同時出現或 交期出現。 磨料（粒）磨損定義與分類 磨料磨損磨料磨損是指硬的磨(顆)檢或硬的凸出物在與摩擦表面相互接觸運動過 程中，使材料表面損耗的一種現象或過程。 硬顆粒或凸出物般為非金屑材料，如石英砂、礦石等，也可能是金屬， 像落入齒輪間的金屑屑等。磨粒或凸出物可以從微米級尺寸的粒子變化到 更大的尺寸。 l按力的作用特點可以分為劃傷式磨損、碾碎式磨損和鑿削式磨損劃傷式磨損、碾碎式磨損和鑿削式磨損 。 l按金屬與磨料的相對硬度可以分為硬磨料磨損和軟磨料磨損。硬磨料磨損和軟磨料磨損。 l

4、按按磨損表面數量分為三體磨損和二體磨損。三體磨損和二體磨損。 l按按相對運動分為固定磨料磨損和自由磨料磨損。固定磨料磨損和自由磨料磨損。 l 微觀切削磨損機理 l多次塑變磨損機理 l疲勞磨損機理 l微觀斷裂磨損機理 l 材料的硬度 l材料的顯微組織（基體和第二相） l磨料的硬度 l磨料的幾何形狀及尺寸 l磨料與材料之間的摩擦系數 機 理 機 理 粘著磨損定義與分類 定義：定義： 粘著磨損也稱咬合(膠合)磨損或摩擦磨損。相對運動物體的真實接觸面積 上發生固相粘著，使材料從一個表面轉移到另一表面的現象，稱為粘著磨損。 相對運動的接觸表面發生粘著以后，如果在運動產生的切應力作用下，于 表面接觸處發生

5、斷裂，則只有極微小的磨損。如果粘合強度很高，切應力不能 克服粘合力，則視粘合強度、金屬本體強度與切應力三者之間的不同關系，出 現不同的破壞現象。見下表。 粘著磨損特點及舉例 在實際工況中，許多摩擦副同時承受著多種磨損作用，如氧化磨損與粘著磨損， 磨料磨損與粘著磨損，接觸疲勞與粘著磨損，或氧化磨損、粘著磨損與磨料磨損等 同時發生。如下表列舉了與粘著磨損有關的構件的磨損特點，這些構件上常常發生 多種磨損作用。 粘著磨損的特征是磨損表面有細的劃痕，沿滑動方向可能形成交替的裂口、凹 穴。最突出的特征是摩擦副之間有金屬轉移，表層金相組織和化學成分均有明顯變 化。磨損產物多為片狀或小顆粒。 粘著磨損機理及

6、影響因素 實際摩擦副表面總是只有局部的接觸，即使是硬而韌的金屑在微凸蜂接觸處也 將發生塑性變形，結果使這部分表面上的潤滑油膜、氧化膜等被擠破，從而使兩物 體的金屬面直接接觸而發生粘著，隨后在相對滑動時粘著點又被剪切而斷掉，粘著 點的形成和破壞就造成了粘著磨損。若粘著點的強度低于摩擦副兩邊的強度時，粘 著從接觸面分開，這時基體內部變形小摩擦面也顯得較光滑，只有輕微的擦傷， 這種情況稱為外部粘著磨損；與此相反，若粘著點的強度比兩邊材料中一方的強度 高時，這時分離面發生在較弱的金屬內部，摩擦面較為粗糙，有明顯的撕裂痕跡(微 觀形貌可以見到韌窩結構)，稱為內部粘著磨損。相對而言，內部粘著磨損出現得更

7、為普通，危害也更嚴重。 材料因素：材料因素：金屬點陣屬密排六方結構的材料粘著傾向小，而屬面心立方點陣的 金屬粘著傾向明顯大于其他點陣的金屬；細晶較抗粘著傾向優于粗晶粒；多相的金 屬比單相的金屬粘著傾向小；混合物合金比固溶體合金粘著傾向小；片狀珠光體組 織優于粒狀珠光體組織；同樣硬度下，貝氏體優于馬氏體；互活性大的材料所組成 的摩擦副粘著傾向大；互溶性小的材料組成的摩擦副粘著傾向小。 環境因素：環境因素：相對運動速度一定時，粘著磨損量隨法向力法向力增大而增加。當接觸壓 應力超過材料硬度的屬時，粘著磨損量急增，嚴重時會發生咬死。滑動速度滑動速度 增加會引起溫度升高，實際接觸的微凸點由于摩擦會達到很

8、高的溫度，摩擦機制發 生轉化。 沖蝕磨損定義與分類 沖蝕磨損亦稱浸蝕磨損，它是指流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角 度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。造成沖蝕的粒子通常都比被沖蝕的材料的硬 度大，但流動速度高時，軟粒子甚至水滴也會造成沖蝕。沖蝕磨損與腐蝕磨損的區 別是前者對材料表面的破壞主要是機械力作用引起的，腐蝕只是第二位的因素：而 后者則是在腐蝕介質中摩擦副的磨損，是腐蝕和磨損綜合作用的結果。 沖蝕是由多相流動介質沖擊材料表面而造成的一類磨損。介質可分為氣流和液 流兩大類。氣流或液流攜帶固體粒子沖擊材料表面造成的破壞分別稱噴砂式沖蝕和 泥漿沖蝕。流動介質中攜帶的第二相也可以是液滴或氣

9、泡，它們有的直接沖擊材料 表面，有的(如氣泡)則在表面潰滅，從而對材料表面施加機械力。按流動介質及第二 相排列組合，可把沖蝕分為四種類型(見下表)。 沖蝕磨損特點與影響因素 工程中常見的沖蝕現象： l噴砂式沖蝕噴砂式沖蝕：空氣中的塵埃和砂粒如果入侵到直升機發動機內，可降低具壽命 90； l雨滴、水滴沖濁雨滴、水滴沖濁：高速飛行器穿過雨區時，會受到水滴的沖擊，如在暴風雨中 飛行的飛機迎風面上首先出現漆層剝落，同時材料表面出現破壞痕跡； l泥漿沖蝕：泥漿沖蝕：水輪機葉片在多泥沙河流中受到沖蝕；建筑行業、石油鉆探、煤礦 開采冶金礦山選礦場中及火力發電站中使用的泥漿泵、雜質泵的過流部件也受到 嚴重的沖

10、蝕。 l氣蝕：氣蝕： 船用螺旋槳常有氣蝕發生，水泵葉輪、輸送液體的管線閥門，甚至柴油 機汽缸套外壁與冷卻水接觸部位過窄的流道處經常可見到氣蝕破壞；在原子核電 站中，也發現液體金屬工作介質對反應堆及控制器換熱器部件的氣蝕性沖蝕。 影響沖蝕磨損的因素： l沖蝕粒子的尺寸、形狀及硬度； l沖蝕粒子的攻角； l沖蝕粒子的速度； l沖蝕時間； l環境溫度； l被沖蝕材料的特性； 6微動磨損定義與分類 兩個配合表面之間由一微小振幅的相對振動所引起的表面損傷，包括材料損 失、表面形貌變化、表面或亞表層塑性變形或出現裂紋等，稱為微動磨損。 微動磨損可以分為兩類。第一類是該構件原設計的兩物體接觸面是靜止的， 只

11、是由于受到振動或交變應力作用，使兩個匹配面之間產生微小的相對滑動，由 此造成磨損。第二類是各種運動副在停止運轉時，由于環境振動而產生微振造成 磨損。 這兩類磨損損壞方式的差別如下：第一類中垂直負荷往往很大，因而滑動振 幅較小，損壞的主要危險是接觸處產生微裂紋，降低構件的疲勞強度，因材料損 失造成配合面松動，而松動又可能加速磨損和疲勞裂紋的擴展。第二類中主要危 害是因磨損造成表面粗糙使運動阻力增加或振動加大，嚴重時可咬死。 軸承：軸承：滾動軸承有三個部位可能發生微動損傷，軸承和軸承座、軸的緊配合面 及滾珠或滾柱和座圈之間。 壓配合：壓配合： 機車主軸一般用壓配合裝入輪轂中，運行過程中，由于負荷作

12、用， 軸發生彎曲，和輪轂配合段的兩端出現微動，在接觸邊緣處會萌生疲勞裂紋。 鉚接：鉚接： 飛機上廣泛使用鉚接。由于機身振動或氣流作用，各鉚接點均可發生 微動損傷。據估計，各種飛機上疲勞裂紋有90起源于微動部位，而其中又以鉚 接和螺栓聯接占多數。 6微動磨損特征與判斷 l微動磨損的表面特征微動磨損的表面特征 ： 鋼的微動損傷表面粘附著層紅棕色粉末，當將其除去后，觀察到許多小麻坑。 其形狀不同于點蝕，它有兩種類型，一種為深度不到5的不規則長方形淺平坑，另 一種為較深(可達50 左右)且形狀較規則的圓坑。 微動初期常可看到因形成冷焊點和材料轉移產生的不規則突起。振幅較大時，表 面出現和微動方向一致的

13、劃浪，痕間常有正在經受二次微動的粒子。振幅很小(小于 2)時，表面不出現任何劃痕，反而顯得更光滑，但仍可觀察到碾壓痕跡。低振幅 高負荷下，平面對弧面微動時，往往呈現中心無相對位移處完全末觸動，邊緣則為環 狀磨痕。當較軟材料微動時，由于反復擠壓，一般出現嚴重塑性變形。 在高溫條件下微動，某些材料的塑性變形會加重，有的在微動作用下形成釉質氧 化膜，這時表面變得極光滑，若這種氧化膜在高負荷下脆裂，則出現磚砌路面的形貌。 微動磨損引起表面硬化，表面可產生硬結斑痕，其厚度可達100微米。有時也會 出現硬度降低，這是由加工軟化或高溫引起再結晶等變化造成。 微動區域可發現大量表面裂紋，它們大都垂直于滑動方向

14、，而且常起源于滑動和 未滑動的交界處，裂紋有時由磨屑或塑性變形掩蓋，須經拋光后方可發現。在垂直于 表面的剖面上也可發現大量微裂紋。 6微動磨損特征與判斷 l磨屑的特征磨屑的特征 ： 鋼鐵微動磨屑特征：鋼鐵微動磨屑特征： 重要標志是紅棕色磨屑，其結構是菱形六面體的非磁性Fe203，此外 也有FeO和金屬鐵，但Fe203占絕大多數。磨屑整體呈絮狀，用溶劑甚至超聲波處理均難以 分散。在穩態階段也可產生較大尺寸的片狀磨屑，邊長約20，少數可達50 以上， 棱角明顯，局部有金屬光澤。這種脫層磨屑和初期出現的片狀磨屑形狀有相似處，但形成 過程完全不同。 其他金屬微動磨屑得特征：其他金屬微動磨屑得特征：大多

15、數情況下，磨屑為該種金屑的最終氧化態。銅最初出現 的磨屑是未被氧化的銅，隨著微動過程的進展，黑色的CuO的數量逐步增加。鋁和鋁合金 的磨屑是黑色的，含有少量的金屬鋁，和較多的氧化鋁。鎂的黑色磨屑主要是氧化鎂，有 少量的氫氧化鎂和極少量的金屑鎂。鈦合金的片狀磨屑有高度的擇優取向，其組成為立方 TiO及大量金屬鈦。鎳表面的磨屑幾乎是黑色的，分析表明含少量的金屑鎳和較多的氧化 鎳。不活潑的金屬如金和鉑的磨屑由純金屬組成。磨屑的大小和成分與振幅有關，振幅較 大時，磨屑直徑較大，金屬的比例也較高。樹料的硬度影肉磨損量，也影響磨屑的大小和 成分。材料越硬磨屑越細，氧化物的比例也越。 微動磨損的診斷微動磨損

16、的診斷： l是否存在可引起微動的振動源或交變應力。除機械作用外，電磁作用、噪聲、冷熱 循環及流體運動也可導致微動。 l是否存在破壞的表面形貌。主要檢查表面租糙度的變化、方向一致的劃痕、塑性變 形或硬結斑、硬度或結構變化、表面或亞表層的微型紋等 l磨屑是重要的依據。各種材料的磨屑的組成、顏色、形狀，參考磨屑特征的介紹。 腐蝕磨損定義與分類 l定義：定義： 兩物體表面產生摩擦時工作環境中的介質如液體、氣體或者潤滑劑等，與材 料表面起化學反應或電化學反應，形成腐蝕產物，這些產物往往粘附不牢，在摩探過 程中剝落下來，其后新的表面又繼續與介質發生反應。這種腐蝕和磨損的反復過程稱 為腐蝕磨損。材料在某種介

17、質環境中工作時，磨損可能是輕微的，但當溫度變化或介 質變化時，材料的流失可大為加劇。如188型不銹鋼的泵葉輪，用作輸送氧化性介 質時，壽命一般是兩年，若改為輸送還原性介質，使用三周便報廢。腐損腐蝕的典型 構件還有汽缸與活塞、船舶外殼、水力發電的水輪機葉片等。 l分類：分類： 腐蝕磨損可分為化學腐蝕磨損和電化學腐蝕磨損。化學腐蝕磨損又可分為氧化磨 損和特殊介質腐蝕磨損。 腐蝕磨損是一種極為復雜的磨損形式，它是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過 程，對環境、溫度、介質、滑動速度、裁荷大小及潤滑條件等極為敏感，稍有變化就 可使腐蝕磨損發生很大變化。當腐蝕成為主要原因時，通常都有幾種磨損機理存在， 各種

18、機理之間還存在著復雜的相互作用。如金屑與金屬之間的磨損，開始可能是粘著 磨損和腐蝕磨損，但因磨損產物又都具有磨粒的特性，會出現磨粒磨損或者還有其他 磨損。因此在腐蝕廖損過程中，既要考慮腐蝕的作用，也不能忽視磨損的作用，甚至 還要考慮到其他磨損存在的綜合作用。可能相互作用的結果，使磨損量產生較大的變 化。 腐蝕磨損特征與影響因素 l特征：特征： 腐蝕磨損過程中，氧化膜斷裂和剝落，形成了新的磨料，使腐蝕磨損 兼有腐蝕與磨損雙重作用。但腐蝕磨損又不同于一般的磨料磨損。腐蝕磨 損不產生顯微切削和表面變形，它的主要特征是磨損表面有化學反應膜或 小麻點，麻點比較光滑，磨屑多是顯微細粉末狀的氧化物，也有薄的

19、碎片。 鋼摩擦副相互滑動的氧化磨損，沿滑動方向呈現出勻細的磨痕。磨屑是暗 色的片狀或絲狀物，片狀磨屑為紅褐色的Fe2O3，而絲狀的是灰黑色的Fe304。 l影響因素：影響因素： 腐蝕介質的腐蝕介質的H值值 ： 一般來講，在pH7時，隨酸性增加腐蝕磨損量 增加。在7PH12之間，在相對運動速度不太高的情況下，隨堿性增加， 腐蝕磨損量下降。 環境溫度：環境溫度： 在其他條件相同的情況下，腐蝕磨損的速度一般隨溫度升 高而增加。 材料化學成分：材料化學成分：影響耐磨材料的主要因素是化學成分。對不同介質條 件，在鐵碳合金中，加入適量的鉻、釩、硼等元素可提高材料耐磨性。不 同的介質應加入不同的合金元素，才

20、能獲得良好效果。 疲勞磨損定義 l定義：定義： 當兩個接觸體相對滾動或滑動時，在接觸區形成的循環應力 超過材料的疲勞強度的情況下，在表面層將引發裂紋并逐步擴展， 最后使裂紋以上的材料斷裂剝落下來的磨損過程稱疲勞磨損。又 可稱為接觸疲勞。 由前面的敘述可知，磨料磨損是由于磨料題粒與零件表面之 間的相互作用而造成的金屬流失；粘著磨損是摩擦表面間因直接 接觸而發生的金屬流失。如果有潤滑油將兩表面隔開，同時又消 除磨料顆粒的作用，則上述兩類磨損可大為減少，但仍可能發生 疲勞磨損。 疲勞磨損可以作為一種獨立的磨損機制，但疲勞磨損又具有 相當的普遍性，在其他磨損形式中(如磨料磨損、微動磨損、沖 擊磨損等)

21、也都不同程度地存在著疲勞過程。只不過是有些情況 下它是主導機制，而在另一些情況下它是次要機制，當條件改變 時，磨損機制也會發生變化。 疲勞磨損鑒別 l與整體疲勞的區別：與整體疲勞的區別： 裂紋源與裂紋擴展不同。整體疲勞的裂紋源都是從表 面開始的，一般從表面沿與外加應力成45的方向擴展， 超過兩、三個晶粒以后，即轉向與應力垂直的方向。而疲 勞磨損裂紋除來源于表面外，也產生在亞表面內，裂紋擴 展的方向是平行于表面，或與表成成一定角度，一般為 1030，而且只限于在表面層內擴展。 疲勞壽命不同。整體疲勞一般有一個明顯的疲勞極限， 低于這個極限，疲勞壽命可以認為是無限的。而疲勞磨損 尚未發現這樣的疲勞

22、極限，疲勞磨損的零件壽命波動很大。 疲勞磨損除循環應力作用外，還經受復雜的摩損過程， 可能引起表面層一系列物理化學變化以及各種力學性能與 物理性能變化等，所以比整體疲勞處于更復雜更惡劣的工 作條件中 疲勞磨損特征 l特征：特征： 疲勞磨損最常發生在滾動接觸的機器零件表面，如滾動軸承、齒輪、車 輪、軋輥等，其典型特征是零件表面出現深淺不同，大小不一的痘斑狀凹坑， 或較大面積的表面剎落，簡稱點蝕及剝落。 點蝕裂紋一般都從表面開始，向內傾斜擴展(與表面成1030角)， 最后二次裂紋折向表面，裂紋以上的材料折斷脫落下來即成點蝕，因此單個 的點蝕坑的表而形貌常表現為“扇形”。當點蝕充分發展后，這種形貌特

23、征 難于辨別。 剝落的裂紋一般起源于亞表層內部較深的層次(如可達幾百微米)。 滾動疲勞磨損經歷兩個階段，即裂紋的萌生階段和裂紋擴展至剝落階段。 純波動接觸時，裂紋發生在亞表層最大切應力處，裂紋發展慢，經歷時間比 裂紋萌生長，裂紋斷口顏色比較光亮。對剝落表面進行掃描電鏡形貌觀察， 可以看到剝落坑兩端的韌窩斷口及坑底部的疲勞條紋特征；滾動加滑動的疲 勞磨損，因存在切應力和壓應力，易在表面上產生微裂紋，它的萌生階段往 往大于擴展階段，斷口較暗。對于經過表面強化處理的機器零件，裂紋起源 于表面硬化層和芯部的交界處，裂紋的發展一般先平行于表面，待擴展一段 后再垂直或傾斜向外發展。 疲勞磨損影響因素 l主

24、要有四個方面：主要有四個方面： 材質：材質：材料純度越高壽命越長，鋼中的非金屬夾雜物，待別是脆性的帶有棱角的氧化 物、硅酸鹽以及其他各種復雜成分的點狀、球狀夾雜物等破壞了基體的連續性，對疲 勞密損有嚴重不良影響。此外要控制金屬的組織結構。有觀點認為增加殘余奧氏體會 提高耐疲勞磨損性能。因殘余奧氏體可增大接觸面積，使接觸應力下降，且會發生變 形強化和應變誘發馬氏體相變，提高表面殘余壓應力，阻礙疲勞裂紋的萌生擴展。但 也有對殘余奧氏體的作用持相反的觀點。增加材料的加工硬化硬度對疲勞磨損有重要 影響，硬度越高裂紋越難形成；降低表面粗糙度可有效提高抗疲勞磨損的能力；表層 內一定深度的殘余壓應力可提高對

25、接觸疲勞磨損的抗力，表面滲碳、淬火、噴九、滾 壓等處理都可使表面產生壓應力。 載荷：載荷：是影響疲勞磨損壽命的主要原因之一。例如，一般認為球軸承的壽命與強荷的 立方成反比 。 潤滑油膜厚度潤滑油膜厚度 ： 潤滑油強度高且足夠厚時，可使表面微凸體不發生接觸，從而不容 易產生接觸疲勞磨損。由于接觸表面壓力很高，要選擇在超高壓下黏度高的潤滑油。 環境：環境： 周圍環境，如空氣中的水、海水中的鹽、潤滑油中有腐蝕性的添加劑對材料 的疲勞磨損有不利的影響。如潤滑油中的水會加速軸承鋼的接觸疲勞失效，甚至很少 量也會有嚴重的危害性。 磨損失效分析的基本步驟 分析步驟：分析步驟： 1. 當一個因磨損失效的零件拿來后，首先要了解該零件在機器或機構中的功 能； 2. 了解零部件相對運動的方式及速度； 3. 了解耦合表面所受的力或應力； 4. 了解潤滑劑品種、潤滑方式及換油周期； 5. 了解零件的工作環境是否含磨料顆粒粒、水分、腐蝕性氣體以及溫度等； 6. 解該零件及其鍋臺件的材14及工藝條件(包括熱處理、冷加工、粘度、粗 糙度等)。尤其是實際執行的情況。必要時到生產單位調查其生產過程； 7. 了解零件的壽命、磨損量(或磨損率)， 8. 在宏觀及微觀范圍檢查