二、磨損機(jī)理

　　磨損機(jī)理就是研究?jī)蓚€(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體界面上物理化學(xué)變化的規(guī)律。磨料磨損是研究磨料顆粒與材料表面相互作用過程的物理化學(xué)變化規(guī)律，以及磨損系統(tǒng)中各參量變化對(duì)磨損特性的影響規(guī)律。

　　研究磨損機(jī)理的方法通常是把復(fù)雜的自然現(xiàn)象或系統(tǒng)，分解成幾個(gè)主要過程，分別研究它們的規(guī)律及現(xiàn)象的本質(zhì)，對(duì)主要規(guī)律進(jìn)行綜合，提出物理模型并用數(shù)學(xué)式給以定量的表達(dá)。

　　由磨料、機(jī)械零件及運(yùn)轉(zhuǎn)參量和環(huán)境介質(zhì)組成的磨損系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)中某參量變化，反映磨損系統(tǒng)特性的綜合指標(biāo)——材料的耐磨性也將發(fā)生變化，即決定磨料磨損過程的主要機(jī)理將發(fā)生變化。磨料與零件相互作用的主要方式也有兩種類型：滑動(dòng)及變形。即磨粒以一定速度接觸并壓入表面切削材料或使材料變形，所以材料的磨損機(jī)理則可分為：
　　1. 切削磨損；
　　2. 變形磨損；
　　3. 脆斷和剝落磨損。

　　所謂切削磨損就是與零件接觸的磨料中某些顆粒像刨刀刨削那樣的，使材料以微細(xì)切屑狀的顆粒逐步從零件表面流失。此種情況下磨粒對(duì)材料的磨損稱為切削磨損。這些能切削材料的顆粒具有前導(dǎo)面與零件表面法線之間的夾角比臨界迎角更大的角度，否則只能使材料表面變形，而不能形成那些有剪切皺折的磨屑。

　　所謂變形磨損是指相對(duì)零件表面而滑動(dòng)的那些以犁溝、推擠、輾壓等方式使材料變形的磨粒，磨粒以一定速度壓入零件表面，多次壓入，使材料多次變形。這些材料變形超過它的強(qiáng)度極限而最后以微細(xì)薄片狀顆粒從零件表面流失。稱為變形磨損。材料的應(yīng)變疲勞強(qiáng)度對(duì)磨損率影響最大。

　　所謂脆斷和剝落，是指如果材料很脆、或者材料內(nèi)部有脆性相，在磨粒與材料相互作用過程中，以脆性斷裂方式使材料以微細(xì)顆粒從零件表面流失的磨損?；蛴泊嘈韵嘀車牟牧媳荒チ＿x擇性磨掉，使脆性相失去支撐而脫落。

　　一個(gè)零件的磨損過程，往往不是一種機(jī)理在起作用，而是幾種機(jī)理的綜合作用，甚至是幾種磨損類型的綜合作用。盡管如此還是有一種磨損機(jī)理起決定作用，它與整個(gè)磨損系統(tǒng)的特性有關(guān)系。許多文獻(xiàn)把斗齒和腭式破碎機(jī)齒板都列入鑿削式磨損，但斗齒與巖石相互作用的方式是撞擊及沿齒面滑動(dòng)，其磨損機(jī)理主要是切削磨損及犁溝（變形磨損）。對(duì)高錳鋼來說，有沖擊加工硬化效應(yīng)，變形層厚度可達(dá)4~6mm。對(duì)合金鋼一類材料來說，變形層厚度僅0.01~0.2mm。但是，齒板與礦石相互作用的方式不是滑動(dòng)，確切的說是礦石棱角刺入表面形成壓坑并將坑中的金屬擠出發(fā)生塑性變形。礦石多次壓金屬表面，變形金屬多次變形，最后碎裂，以薄片狀從零件表面脫落。如果有脆性相，而礦石的硬度與之相當(dāng)或更硬，這些脆性相的被壓碎的現(xiàn)象，這是脆斷剝落機(jī)理起作用。

　　在磨粒沿零件表面沒動(dòng)時(shí)，摩擦和磨損過程中的生熱是不容忽視的問題，生熱的多少取決于磨損系統(tǒng)參量。生熱可以使零件表面回火軟化、再結(jié)晶、退火或重新淬火，產(chǎn)生絕熱剪切層，甚至使表面一薄層熔化形成非晶態(tài)層。這些物理化學(xué)變化對(duì)磨損過程有重要影響。從許多磨損失效零件表面可以觀察到這種特征，目前其規(guī)律還不甚清楚。

　　絕熱剪切層，又稱白層，是磨損過程中零件表面形成的一種特殊性能的組織結(jié)構(gòu)，耐腐蝕、高硬度是其特殊性能，是超細(xì)晶粒馬氏體組織。產(chǎn)生的原因是由于磨損過程中，金屬大變形度快速變形，使金屬變形層的熱量瞬時(shí)升高，而熱量又不能及時(shí)地向周圍傳遞，在變形及溫度的綜合作用下，使變形層的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。白層的形成與耐磨性關(guān)系也是需要進(jìn)一步深入研究的問題，通常認(rèn)為白層的產(chǎn)生標(biāo)志著這種材料容易產(chǎn)生塑性失穩(wěn)，對(duì)零件的抗磨性是不利的。例如高錳鋼就不容易塑性失穩(wěn)，所

　　在最惡劣工況條件下還具有相當(dāng)好的耐磨性。

　　從磨損失效零件上觀察分析研究磨損發(fā)生發(fā)展的過程，對(duì)研究磨損機(jī)理是非常重要的。

　　三、磨損失效分析

　　機(jī)械零件的失效有三種方式：斷裂、腐蝕和磨損，分析零件損壞導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)科學(xué)稱為失效分析。通過對(duì)許多事故的失效分析，使人們認(rèn)識(shí)到了失效分析對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要性，促使了許多新學(xué)科的形成和發(fā)展。例如：對(duì)火炮炸膛事故的分析推動(dòng)了金屬學(xué)的發(fā)展；由于火車軸的低應(yīng)力脆斷事故的分析就提出了疲勞斷裂和疲勞極限的概念，逐步形成了“疲勞”這一分支學(xué)科客觀真理二千多艘貨輪脆斷事故及火箭、導(dǎo)彈等脆斷事故進(jìn)行失效分析推動(dòng)了斷裂力學(xué)的形成和發(fā)展等等。同時(shí)，也促進(jìn)了失效分析方法本身的發(fā)展。

　　磨損是機(jī)器零件及各種工具損壞的主要原因之一，對(duì)磨損零件進(jìn)行失效分析是失效分析技術(shù)和思路在這一領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。隨著近代工業(yè)的迅速發(fā)展，要求獲得高精度，高質(zhì)量的優(yōu)等零件以確保機(jī)器正常和高效能地運(yùn)轉(zhuǎn)，并盡可能地減少材料和能源的損失。因此，對(duì)磨損零件的失效分析愈加受到重視，這本匯集就近幾提來，國(guó)內(nèi)的研究成果。

　　（一） 磨損失效分析的步驟

　　1. 收集原始資料

　　當(dāng)機(jī)械設(shè)備或零件發(fā)生了磨損，首先要掌握它們的設(shè)計(jì)依據(jù)、選材原則、制造工藝、使用條件、運(yùn)轉(zhuǎn)參量、環(huán)境條件、操作情況、服役歷史以及經(jīng)濟(jì)消耗等基本情況，并應(yīng)注意收集保管好損壞的樣品。

　　當(dāng)我們計(jì)劃分析某個(gè)沒在達(dá)到預(yù)期使用要求的磨損零件時(shí)，特別要掌握其工況條件，如果是礦山機(jī)械設(shè)備，那么零件的磨損與礦石或巖石性能有密切關(guān)系。除查找有關(guān)技術(shù)檔案資料外，必要時(shí)要測(cè)定礦石的硬度，抗壓強(qiáng)等性能指標(biāo)。

　　收集和積累原始資料是對(duì)機(jī)器零件進(jìn)行磨損失效分析的基礎(chǔ)，過去往往由于對(duì)原始情況不明劃提供錯(cuò)誤甚至是臆想的數(shù)據(jù)而作出錯(cuò)誤的判斷是值得引以為戒的。

　　2. 收集具有新鮮磨損表面的零件殘?bào)w這是進(jìn)行磨損失效分析工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它是判斷零件磨損類型和失效原因的主要依據(jù)。

　　3. 判斷零件磨損類型。

　　4. 為了搞清磨損發(fā)生過程及分析表面材料所承受的應(yīng)力狀態(tài)，需對(duì)零件亞表層進(jìn)行分析，測(cè)定變形層的厚度和變形硬化程度、裂紋形成的部位及裂紋擴(kuò)展的特征。

　　5. 測(cè)定磨損零件材質(zhì)的各種性能，如機(jī)械性能、組織狀態(tài)、化學(xué)成分、鋼中氣體含量等。

　　6. 從零件的磨損系統(tǒng)中回收磨屑，對(duì)磨屑的形貌、組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，為找到磨損失效的原因提供更可靠的依據(jù)。當(dāng)然，有許多工況條件下不可能回收磨屑，就應(yīng)在模擬試驗(yàn)中爭(zhēng)取得到。

　　7. 進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬試驗(yàn)，為提出改進(jìn)措施，選擇最佳方案提供依據(jù)。

　　8. 綜合上述結(jié)果，判定零件早期失效原因，提出提高零件壽命的措施。

　　（二） 磨損失效分析的主要內(nèi)容

　　1. 磨損表面分析

　　要進(jìn)行宏觀和微觀形貌分析。這是磨損零件的第一個(gè)直接的資料，它代表了該零件在一確定的工況條件下，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)特性，也一定程度的反映了磨損的發(fā)生發(fā)展過程，所以對(duì)磨損失效零件表面要嚴(yán)格保護(hù)，防止碰撞損壞或長(zhǎng)銹。
在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以使用放大鏡，實(shí)物顯微鏡等設(shè)備觀察，觀察磨損表面的宏觀特征，為了進(jìn)一步分析磨損發(fā)生過程，了解工況條件對(duì)磨損過程的影響，還必須進(jìn)行微觀分析，可使用掃描電鏡等分析設(shè)備分析判斷。

　　2.  磨損亞表層分析

　　在磨損表面下相當(dāng)厚的一層金屬，在磨損過程中發(fā)生了重大變化，這就為判斷磨損發(fā)生過程提供了重要依據(jù)。這種突出變化有：冷作硬化；產(chǎn)生磨損熱效應(yīng)；先受到磨損的組織發(fā)生相變；裂紋的形成的擴(kuò)展；元素的轉(zhuǎn)移，等等。

　　3.  磨屑的形貌及結(jié)構(gòu)分析

　　磨屑是磨損過程中的產(chǎn)物，它最能代表對(duì)磨物相互作用過程中瞬時(shí)狀態(tài)，如形貌和磨屑內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化能表明磨損機(jī)理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化能代表對(duì)磨物相互作用的嚴(yán)重程度。磨屑的回收有兩種：一種是從磨損系統(tǒng)中直接回收并用雙色顯微鏡或掃描電鏡觀察，例如：鐵譜技術(shù)用于監(jiān)測(cè)齒輪箱、軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)。再如從面粉或水泥中回收磨屑進(jìn)行分析。另一種是在與工況條件類似的模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)回收磨屑，這比直接從磨損系統(tǒng)中回收磨屑來分析磨損過程要差一些。

　?。ㄈ┠p失效分析過程中的取樣和制樣

　　1. 從現(xiàn)場(chǎng)收集到的零件磨損殘?bào)w必須是新鮮磨損表面的零件，用無(wú)水乙醇、丙酮、乙醚一類有機(jī)溶劑擦洗后，迅速增長(zhǎng)貼上醋酸纖維素薄膜，必要時(shí)可貼2~3層，也可涂抹無(wú)酸堿性油脂，然后貼上一層紙，用麻布片包好運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室。寒冷冬天或潮濕的夏天，最好將磨損零件殘?bào)w放在烘箱中，于40~50℃烘烤2h，然后采取上述保護(hù)磨損表面措施。

　　2. 切取試樣最好選用電火花線切割機(jī)，按要求部位切取，如果樣品太厚可用電火花切片機(jī)切取。砂輪切片機(jī)的熱影響區(qū)較大，一般情況下最好不用。

　　線切割機(jī)的熱影響區(qū)約0.5mm，制備金相樣品時(shí)務(wù)必去掉。在觀察磨損表面時(shí)，可能會(huì)殘存電火花熔球，其大小約幾微米，有時(shí)熔球會(huì)存留在樣品的裂縫中，防止產(chǎn)生對(duì)圖像的調(diào)解。防止的辦法是在線切割的樣品上涂以較厚的無(wú)腐蝕性油脂，清洗時(shí)能洗掉。清洗用超聲波清洗器仔細(xì)清洗樣品，第一次30~30min，第二次10~20min。

　　電火花切片機(jī)的熱影響區(qū)較大，通常有2mm左右，而且表面十分粗糙，最好在磨床上磨掉,磨后表面還有0.1mm左右的變形層，特別是高錳鋼一類材料變形層較厚，宜用電解拋光的方法，制備金相樣品時(shí)也要考慮用化學(xué)拋光試劑。

　　我們還收集了礦山機(jī)械、采煤、選煤機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)械和電力機(jī)械設(shè)備中共有35個(gè)典型磨損零件的失效分析案例提供給讀者，供進(jìn)一步深入研究參考。這些案例分析的深度不同；進(jìn)行分析所要達(dá)到的目的也不同；同一種零件由于不同作者，可能觀點(diǎn)或提法存在著差異，這些都是正常的。因?yàn)槟p失效分析這門科學(xué)還在發(fā)展，正在深入。但是，磨損失效分析都為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)磨損發(fā)生過程，為合理選擇材料、工藝提供了可靠的依據(jù)。