第一章 零件磨损失效.ppt

第一章零件磨损失效 磨损 有相对运动的零件表面发生尺寸 形状和表面质量变化的现象 磨损速度过快不仅直接影响设备的使用寿命 而且还会造成能耗的大幅增加 磨损是零件失效的一种普遍形式 据估计 它约占机械零件失效的75 它造成的能源损失占能耗的1 3 美德日各国因磨损而造成高达数百亿美元 我国因此损耗钢材五百万吨 第一节 摩擦与磨损 一 摩擦的基本特征相接触的物体有相对运动或相对运动趋势时所表现出阻力的现象称为摩擦 其阻力的大小叫摩擦力 摩擦学 是研究摩擦 磨损和润滑的一门新的学科 摩擦本质的机械 分子学说 摩擦力是由机械阻力和分子引力构成 机械阻力和分子引力的大小是此消彼涨的 表面粗糙度越大 机械阻力越大 分子引力越小 反之 则相反 在确定载荷条件下 常常存在一个最佳的粗糙度 表面粗糙度高于或低于最佳粗糙度时 摩擦力都是增大的 二 摩擦的种类 按摩擦副运动方式分 滑动摩擦 滚动摩擦和混合摩擦 它们的阻力大小主要与摩擦副的材质 表面状态 润滑介质 载荷大小等有关 滚动摩擦还与摩擦幅的变形量有关 按摩擦副间的润滑状态分 干摩擦 半干摩擦 边界摩擦 半液体摩擦和液体摩擦 干摩擦 摩擦副表面间完全没有润滑介质或其它杂质存在时所表现出的摩擦 液体摩擦 摩擦副两表面间完全被润滑介质隔开 彼此不发生直接接触的摩擦 边界摩擦 摩擦副两表面间只有一层很薄的连续油膜存在时所产生的摩擦 半干摩擦 摩擦副两表面间部分被很薄的油膜分开 部分直接接触 是一种介于干摩擦和边界摩擦之间的一种摩擦方式 半液体摩擦 摩擦副之间一部分被润滑介质所隔开 另一部分由薄的油膜隔开 是一种介于液体摩擦与边界摩擦之间的摩擦形式 各种摩擦中干摩擦具有最大的摩擦力和摩损速度 液体摩擦则具有最小的摩擦力和摩损速度 形成动压液体摩擦的必要条件 最佳配合间隙 第二节 磨损的类型 根据导致磨损的主要原因 可将磨损类型分为以下几类 磨料磨损 粘着磨损 疲老磨损和腐蚀磨损 一 磨料磨损 是由于摩擦副的一个表面硬的凸起部分和另一表面接触 或两摩擦面间存在硬的质点 在发生相对运动时 两个表面中的一个表面或两个表面的材料发生转移的磨损现象 一 磨料磨损的机理磨料与零件表面作相对运动时 磨料上的作用力可分解为垂直于表面的分力和平行于表面的分力 垂直于表面的分力使磨料嵌入表面 对于塑性好的材料表面产生大量密集的压痕 反复作用后 产生疲劳而破坏 对于脆性材料 表面不产生变形就产生脆性破坏 平行于表面的分力使磨料产生切向运动 导致表面被刻划 切削而留下沟槽 对塑性材料 磨料切削会在摩擦表面上切下一条切屑 对脆性材料 磨料切削一次就从表面上切下许多碎屑 磨料磨损速度非常大 是许多机械设备的主要破坏形式 二 影响磨料磨损的主要因素1 磨料粒度对磨损量的影响金属的磨损量随磨料的尺寸的增大而增加 当磨料尺寸增大到一定尺寸以后 磨损速度保持不变 2 磨料的几何形状对磨损量的影响棱角尖锐的磨料比圆滑磨料的磨损速度高 磨料被磨钝之后 磨损速度下降 若磨料被磨碎后 磨速又会增加 3 磨料硬度对磨损量的影响磨料硬度远超过零件的硬度时 磨损速度与磨料硬度的关系不大 磨料硬度与零件硬度相当时 磨损速度与硬度有关 磨料硬度低于零件硬度时 磨损量与两者的硬度差有关 差值增大 磨损速度下降磨料硬度略高于零件硬度时 则磨损严重 两者硬度差减小 磨损减小 因次 用表面强化的办法使零件的硬度达到或超过磨料硬度 可提高零件的耐磨性 但高硬度的材料 会引起韧性下降 脆性增大等后果 4 压力对磨损的影响对磨料磨损来说 磨损速率与压力成正比 对同样材料制成的零件 压力减小一半 寿命提高一倍 三 减少磨料磨损的措施1 减少磨料的进入 如配置各种过滤器 增加防尘密封装置 装吸铁石 集屑房及油污染程度指示器 常清理更换空气 燃油 机油滤清装置 2增强零件的抗磨性用热处理和表面处理的方法改善零件材料的性质 提高表面硬度 尽可能使表面的硬度超过磨料的硬度选用耐磨性较好的材料 对零件采用中碳钢淬火 低温回火 得到马氏体钢的办法可使零件既具有耐磨性 又具有较好的韧性 二 粘着磨损 构成摩擦副的两摩擦面 在相对运动时 由于粘着作用 使一个表面上的材料转移到另一个表面上所引起的磨损 1 粘着磨损机理摩擦副在重载条件下工作 由于润滑不良 相对运动速度高 摩擦产生的热量来不及散失 使摩擦副表面产生极高的温度 材料表面强度降低 使承受高压的表面凸起部分相互粘着 进而在相对运动中被撕裂下来 使材料从强度低的表面上转移到材料强度高的表面上 造成摩擦副的灾难性破坏 如咬死或划伤 2 影响粘着磨损的主要因素 1 材料的性能因材料的塑性变形易导致粘着磨损 故塑性材料比脆性材料产生粘着磨损的倾向性较大 塑性材料的粘着破坏常发生在离表面一定深度处且磨损颗粒较大 脆性材料的粘着破坏则相反 材料的硬度越高 抗粘着的能力越强 配合材料的互溶性对粘着磨损影响极大 互溶性越大的材料越易发生粘着磨损 一般来说 相同的材料或晶格类似 晶格距离相近和电化学性能相近的材料 其互溶性大 如滑动轴承采用的巴式合金轴瓦 与钢轴没有互溶性 2 润滑条件润滑条件对粘着磨损的影响较大 高速运转摩擦副要求建立液体摩擦 润滑油的粘度提高有利于形成液体摩擦但会使液体流动性降低 运转速度低或工况变化较大的摩擦副 可在润滑剂中加入油性剂和极压添加剂 可在零件表面形成坚实的油膜和表面膜 避免重载低速情况下发生严重粘着磨损 3 温度摩擦副的温度对粘着磨损的影响主要发生在润滑条件发生转变的阶段 温度升高 润滑油粘度下降 油膜厚度减小 进而由液体摩擦变成边界摩擦 变成半干摩擦 变成干摩擦 从而使粘着磨损速度加剧造成咬死现象 4 载荷和速度滑动轴承的接触面上的比压和相对滑动速度的乘积PV是一个限制性的指标 载荷越大越易发生粘着磨损 速度越大 则因易形成液体摩擦而发生粘着磨损的可能性减小 5 零件表面状况一般来说 随着表面光洁度的提高 因实际接触表面增大而有利于粘着磨损 但光洁度过高 因积油困难而导致粘着磨损倾响 表面的多孔性因储存润滑油 避免干摩擦 而降低粘着磨损 1疲劳磨损磨擦副材料表面上局部区域在循环接触应力作用下产生疲劳裂纹 由于裂纹扩展并分离出微片和颗粒的一种磨损形式 1 滚动接触疲劳磨损机理滚动过程中总包括滑动成分 滑动引起的剪切应力与滚动时的法向正压力共同作用 使最大应力的大小和方向有很大变化 引起疲劳裂纹的萌生和扩展 从而产生疲劳磨损 裂纹的萌生与扩展的方式 1 裂纹萌生于表面层内并逐步扩展 主要是滚动接触面润滑条件好 摩擦力小 表面光滑的摩擦副 2 裂纹萌生于摩擦表面并逐步扩展 主要是润滑条件差 表面粗糙的滚动兼滑动的摩擦副 3 裂纹萌生于表面硬化层与心部的过渡区并逐步扩展 主要是经过渗碳 表面淬火等强化处理过的摩擦副 1 裂纹萌生于表面层内并逐渐扩展对于润滑优良 摩擦力小 表面光滑的滚动接触摩擦副 因最大应力周期性地作用于距表面一定深度处 故裂纹多萌生于表面层内 并沿最大应力方向或内部缺陷方向发展 直致摩擦表面形成碎屑而脱落 2 裂纹萌生于摩擦表面并逐渐扩展对滚动兼滑动摩擦副 在最大接触摩擦应力作用下 表面先产生局部塑性变形 逐渐产生裂纹并向内扩展 到一定深度时 由于次生裂纹和内部缺陷的存在 使裂纹改变走向 最终折向表面而导致金属材料形成磨屑而脱落 3 裂纹萌生于表面硬化层与芯部的过度区并逐渐扩展对于渗碳 表面淬火等经过表面强化处理的摩擦副 裂纹的萌生和发展通常是在表面硬化层与芯部的过度区 裂纹发展的特点是 先平行于表面扩展一段后 再垂直或倾斜于接触表面向金属表面扩展 先小点剥落 后大块脱落 形成表面压碎现象 二 滑动接触疲劳磨损机理 因任何固体表面都存在宏观或微观的不平性和接触的不连续性 作用于摩擦表面上法向载荷会使表面产生压平或压入 触点区产生相应的应力和应变 摩擦运动时的反复作用造成了触点处结构 应力状态下的不均匀和应力集中 从而造成裂纹的萌生和发展 最终使部分表面材料以微粒形式从表面脱落 形成磨屑 三 影响接触疲劳磨损的主要因素一般来说 影响裂纹萌生和扩展的因素都对接触疲劳磨损有影响 材料钢中非金属杂物的存在易引起应力集中 在夹杂物的边缘形成裂纹 从而发生疲劳磨损 材料的组织状态和内部缺陷等对磨损也有重要影响 通常晶粒均匀 细小 碳化物体小且分布均匀的组织抗疲劳裂纹产生的能力强 影度在一定范围内增加 其抗疲劳磨损的能力也增加 2 粗糙度实践表明 在一定范围内降低表面粗糙度是提高抗疲劳磨损能力的有效手段 如滚动轴承的表面粗糙度由0 4降到0 2时 使用寿命提高标准2 3倍 粗糙度由0 2降到0 1时 使用寿命提高1倍 粗糙再减小时 对使用寿命的影响较小 3其它因素表面应力状态 配合精度的高低 润滑油的性质等对疲劳磨损的速度都产生影响 表面应力过大 配合间隙过小或过大 润滑油中的腐蚀物质等都会加剧疲劳磨损 四 腐蚀磨损在腐蚀环境中 摩擦表面上发生的比单纯机械摩擦损失与单纯腐蚀损失之和高得多的一种破坏形式称为腐蚀磨损 主要特点是磨损过程中既有机械摩擦起作用 又有腐蚀破坏起作用 表现出极高的磨损速度 腐蚀磨损分为氧化磨损和特殊介质中的腐蚀磨损 一 氧化磨损在摩擦过程中 摩擦表面在空气中氧或润滑剂中氧的作用下所生成的氧化膜很快被机械摩擦去除的磨损形式称为氧化磨损 绝大多数金属都会被氧化 在几秒钟内即可生成几十个分子厚度甚至更厚的表面膜 若金属表面生成致密 完整与基体结合牢固的氧化膜 且膜若有很好的耐磨性 则磨损轻微 如铝金属 若膜的耐磨性不好 当有摩擦存在时 则磨损会很严重 如不锈纲 二 特殊介质中的腐蚀磨损在摩擦过程中 环境中的酸 碱等电解质作用于摩擦表面上所形成的腐蚀产物迅速被机械摩擦所除去的磨损形式称为特殊介质中的腐蚀磨损 这种磨损机理与氧化磨损相似 但磨损速率较氧化磨损高得多 介质的性质 环境温毒 电偶序关系 腐蚀产物的强度 附着力等对磨损速率有重要影响这类腐蚀磨损出现的几率很高 第三节 零件磨损的特征 零件磨损量与时间的关系曲线一 磨合磨损阶段OA其特征是磨损速率下降 磨损迅速 A点表示正常磨损已建立 磨损速率稳定 A点愈靠近O点愈好 磨合载荷 相对速度 润滑条件等参数是尽快达到正常磨损的关键因素 二 正常磨损阶段AB其特征是磨损速率小且稳定 持续时间长 该时间的长短可用于衡量零件的使用寿命 合理使用 保养与维护这一时间的关键