磨損失效分析概述下

　　二、磨損機理

　　磨損機理就是研究兩個相對運動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)中各參量變化對磨損特性的影響規(guī)律。

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

　　由磨料、機械零件及運轉(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，使材料以微細切屑狀的顆粒逐步從零件表面流失。此種情況下磨粒對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零件表面而滑動的那些以犁溝、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度極限而最后以微細薄片狀顆粒從零件表面流失。稱為變形磨損。材料的應(yīng)變疲勞強度對磨損率影響最大。

　　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顆粒從零件表面流失的磨損。或硬脆性相周圍的材料被磨粒選擇性磨掉，使脆性相失去支撐而脫落。

　　一個零件的磨損過程，往往不是一種機理在起作用，而是幾種機理的綜合作用，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理起決定作用，它與整個磨損系統(tǒng)的特性有關(guān)系。許多文獻把斗齒和腭式破碎機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，其磨損機理主要是切削磨損及犁溝（變形磨損）。對高錳鋼來說，有沖擊加工硬化效應(yīng)，變形層厚度可達4~6mm。對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，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，這是脆斷剝落機理起作用。

　　在磨粒沿零件表面沒動時，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升高，而熱量又不能及時地向周圍傳遞，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，對研究磨損機理是非常重要的。

　　三、磨損失效分析

　　機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)致機械設(shè)備不能正常運轉(zhuǎn)的技術(shù)科學(xué)稱為失效分析。通過對許多事故的失效分析，使人們認(rèn)識到了失效分析對提高產(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：對火炮炸膛事故的分析推動了金屬學(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)彈等脆斷事故進行失效分析推動了斷裂力學(xué)的形成和發(fā)展等等。同時，也促進了失效分析方法本身的發(fā)展。

　　磨損是機器零件及各種工具損壞的主要原因之一，對磨損零件進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)等零件以確保機器正常和高效能地運轉(zhuǎn)，并盡可能地減少材料和能源的損失。因此，對磨損零件的失效分析愈加受到重視，這本匯集就近幾提來，國內(nèi)的研究成果。

　?。ㄒ唬?nbsp;磨損失效分析的步驟

　　1. 收集原始資料

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

　　當(dāng)我們計劃分析某個沒在達到預(yù)期使用要求的磨損零件時，特別要掌握其工況條件，如果是礦山機械設(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，必要時要測定礦石的硬度，抗壓強等性能指標(biāo)。

　　收集和積累原始資料是對機器零件進行磨損失效分析的基礎(chǔ)，過去往往由于對原始情況不明劃提供錯誤甚至是臆想的數(shù)據(jù)而作出錯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體這是進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)，需對零件亞表層進行分析，測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展的特征。

　　5. 測定磨損零件材質(zhì)的各種性能，如機械性能、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，對磨屑的形貌、組織結(jié)構(gòu)變化進行分析，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)在模擬試驗中爭取得到。

　　7. 進行必要的實驗室內(nèi)的模擬試驗，為提出改進措施，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。

　?。ǘ?nbsp;磨損失效分析的主要內(nèi)容

　　1. 磨損表面分析

　　要進行宏觀和微觀形貌分析。這是磨損零件的第一個直接的資料，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，所以對磨損失效零件表面要嚴(yán)格保護，防止碰撞損壞或長銹。
在生產(chǎn)現(xiàn)場可以使用放大鏡，實物顯微鏡等設(shè)備觀察，觀察磨損表面的宏觀特征，為了進一步分析磨損發(fā)生過程，了解工況條件對磨損過程的影響，還必須進行微觀分析，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，它最能代表對磨物相互作用過程中瞬時狀態(tài)，如形貌和磨屑內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化能表明磨損機理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化能代表對磨物相互作用的嚴(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)測齒輪箱、軸承的運轉(zhuǎn)。再如從面粉或水泥中回收磨屑進行分析。另一種是在與工況條件類似的模擬試驗機上進行磨損試驗回收磨屑，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)場收集到的零件磨損殘體必須是新鮮磨損表面的零件，用無水乙醇、丙酮、乙醚一類有機溶劑擦洗后，迅速增長貼上醋酸纖維素薄膜，必要時可貼2~3層，也可涂抹無酸堿性油脂，然后貼上一層紙，用麻布片包好運到實驗室。寒冷冬天或潮濕的夏天，最好將磨損零件殘體放在烘箱中，于40~50℃烘烤2h，然后采取上述保護磨損表面措施。

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

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

　　電火花切片機的熱影響區(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，制備金相樣品時也要考慮用化學(xué)拋光試劑。

　　我們還收集了礦山機械、采煤、選煤機械，農(nóng)業(yè)機械和電力機械設(shè)備中共有35個典型磨損零件的失效分析案例提供給讀者，供進一步深入研究參考。這些案例分析的深度不同；進行分析所要達到的目的也不同；同一種零件由于不同作者，可能觀點或提法存在著差異，這些都是正常的。因為磨損失效分析這門科學(xué)還在發(fā)展，正在深入。但是，磨損失效分析都為進一步認(rèn)識磨損發(fā)生過程，為合理選擇材料、工藝提供了可靠的依據(jù)。