磨损失效分析概述下

　　二、磨损机理

　　磨损机理就是研究两个相对运动物体界面上物理化学变化的规律。磨料磨损是研究磨料颗粒与材料表面相互作用过程的物理化学变化规律，以及磨损系统中各参量变化对磨损特性的影响规律。

　　研究磨损机理的方法通常是把复杂的自然现象或系统，分解成几个主要过程，分别研究它们的规律及现象的本质，对主要规律进行综合，提出物理模型并用数学式给以定量的表达。

　　由磨料、机械零件及运转参量和环境介质组成的磨损系统，随着系统中某参量变化，反映磨损系统特性的综合指标——材料的耐磨性也将发生变化，即决定磨料磨损过程的主要机理将发生变化。磨料与零件相互作用的主要方式也有两种类型：滑动及变形。即磨粒以一定速度接触并压入表面切削材料或使材料变形，所以材料的磨损机理则可分为：
　　1. 切削磨损；
　　2. 变形磨损；
　　3. 脆断和剥落磨损。

　　所谓切削磨损就是与零件接触的磨料中某些颗粒像刨刀刨削那样的，使材料以微细切屑状的颗粒逐步从零件表面流失。此种情况下磨粒对材料的磨损称为切削磨损。这些能切削材料的颗粒具有前导面与零件表面法线之间的夹角比临界迎角更大的角度，否则只能使材料表面变形，而不能形成那些有剪切皱折的磨屑。

　　所谓变形磨损是指相对零件表面而滑动的那些以犁沟、推挤、辗压等方式使材料变形的磨粒，磨粒以一定速度压入零件表面，多次压入，使材料多次变形。这些材料变形超过它的强度极限而最后以微细薄片状颗粒从零件表面流失。称为变形磨损。材料的应变疲劳强度对磨损率影响最大。

　　所谓脆断和剥落，是指如果材料很脆、或者材料内部有脆性相，在磨粒与材料相互作用过程中，以脆性断裂方式使材料以微细颗粒从零件表面流失的磨损。或硬脆性相周围的材料被磨粒选择性磨掉，使脆性相失去支撑而脱落。

　　一个零件的磨损过程，往往不是一种机理在起作用，而是几种机理的综合作用，甚至是几种磨损类型的综合作用。尽管如此还是有一种磨损机理起决定作用，它与整个磨损系统的特性有关系。许多文献把斗齿和腭式破碎机齿板都列入凿削式磨损，但斗齿与岩石相互作用的方式是撞击及沿齿面滑动，其磨损机理主要是切削磨损及犁沟（变形磨损）。对高锰钢来说，有冲击加工硬化效应，变形层厚度可达4~6mm。对合金钢一类材料来说，变形层厚度仅0.01~0.2mm。但是，齿板与矿石相互作用的方式不是滑动，确切的说是矿石棱角刺入表面形成压坑并将坑中的金属挤出发生塑性变形。矿石多次压金属表面，变形金属多次变形，最后碎裂，以薄片状从零件表面脱落。如果有脆性相，而矿石的硬度与之相当或更硬，这些脆性相的被压碎的现象，这是脆断剥落机理起作用。

　　在磨粒沿零件表面没动时，摩擦和磨损过程中的生热是不容忽视的问题，生热的多少取决于磨损系统参量。生热可以使零件表面回火软化、再结晶、退火或重新淬火，产生绝热剪切层，甚至使表面一薄层熔化形成非晶态层。这些物理化学变化对磨损过程有重要影响。从许多磨损失效零件表面可以观察到这种特征，目前其规律还不甚清楚。

　　绝热剪切层，又称白层，是磨损过程中零件表面形成的一种特殊性能的组织结构，耐腐蚀、高硬度是其特殊性能，是超细晶粒马氏体组织。产生的原因是由于磨损过程中，金属大变形度快速变形，使金属变形层的热量瞬时升高，而热量又不能及时地向周围传递，在变形及温度的综合作用下，使变形层的组织结构发生了变化。白层的形成与耐磨性关系也是需要进一步深入研究的问题，通常认为白层的产生标志着这种材料容易产生塑性失稳，对零件的抗磨性是不利的。例如高锰钢就不容易塑性失稳，所

　　在最恶劣工况条件下还具有相当好的耐磨性。

　　从磨损失效零件上观察分析研究磨损发生发展的过程，对研究磨损机理是非常重要的。

　　三、磨损失效分析

　　机械零件的失效有三种方式：断裂、腐蚀和磨损，分析零件损坏导致机械设备不能正常运转的技术科学称为失效分析。通过对许多事故的失效分析，使人们认识到了失效分析对提高产品质量的重要性，促使了许多新学科的形成和发展。例如：对火炮炸膛事故的分析推动了金属学的发展；由于火车轴的低应力脆断事故的分析就提出了疲劳断裂和疲劳极限的概念，逐步形成了“疲劳”这一分支学科客观真理二千多艘货轮脆断事故及火箭、导弹等脆断事故进行失效分析推动了断裂力学的形成和发展等等。同时，也促进了失效分析方法本身的发展。

　　磨损是机器零件及各种工具损坏的主要原因之一，对磨损零件进行失效分析是失效分析技术和思路在这一领域中的实际应用。随着近代工业的迅速发展，要求获得高精度，高质量的优等零件以确保机器正常和高效能地运转，并尽可能地减少材料和能源的损失。因此，对磨损零件的失效分析愈加受到重视，这本汇集就近几提来，国内的研究成果。

　　（一） 磨损失效分析的步骤

　　1. 收集原始资料

　　当机械设备或零件发生了磨损，首先要掌握它们的设计依据、选材原则、制造工艺、使用条件、运转参量、环境条件、操作情况、服役历史以及经济消耗等基本情况，并应注意收集保管好损坏的样品。

　　当我们计划分析某个没在达到预期使用要求的磨损零件时，特别要掌握其工况条件，如果是矿山机械设备，那么零件的磨损与矿石或岩石性能有密切关系。除查找有关技术档案资料外，必要时要测定矿石的硬度，抗压强等性能指标。

　　收集和积累原始资料是对机器零件进行磨损失效分析的基础，过去往往由于对原始情况不明划提供错误甚至是臆想的数据而作出错误的判断是值得引以为戒的。

　　2. 收集具有新鲜磨损表面的零件残体这是进行磨损失效分析工作中的关键环节。它是判断零件磨损类型和失效原因的主要依据。

　　3. 判断零件磨损类型。

　　4. 为了搞清磨损发生过程及分析表面材料所承受的应力状态，需对零件亚表层进行分析，测定变形层的厚度和变形硬化程度、裂纹形成的部位及裂纹扩展的特征。

　　5. 测定磨损零件材质的各种性能，如机械性能、组织状态、化学成分、钢中气体含量等。

　　6. 从零件的磨损系统中回收磨屑，对磨屑的形貌、组织结构变化进行分析，为找到磨损失效的原因提供更可靠的依据。当然，有许多工况条件下不可能回收磨屑，就应在模拟试验中争取得到。

　　7. 进行必要的实验室内的模拟试验，为提出改进措施，选择最佳方案提供依据。

　　8. 综合上述结果，判定零件早期失效原因，提出提高零件寿命的措施。

　　（二） 磨损失效分析的主要内容

　　1. 磨损表面分析

　　要进行宏观和微观形貌分析。这是磨损零件的第一个直接的资料，它代表了该零件在一确定的工况条件下，设备运转特性，也一定程度的反映了磨损的发生发展过程，所以对磨损失效零件表面要严格保护，防止碰撞损坏或长锈。
在生产现场可以使用放大镜，实物显微镜等设备观察，观察磨损表面的宏观特征，为了进一步分析磨损发生过程，了解工况条件对磨损过程的影响，还必须进行微观分析，可使用扫描电镜等分析设备分析判断。

　　2.  磨损亚表层分析

　　在磨损表面下相当厚的一层金属，在磨损过程中发生了重大变化，这就为判断磨损发生过程提供了重要依据。这种突出变化有：冷作硬化；产生磨损热效应；先受到磨损的组织发生相变；裂纹的形成的扩展；元素的转移，等等。

　　3.  磨屑的形貌及结构分析

　　磨屑是磨损过程中的产物，它最能代表对磨物相互作用过程中瞬时状态，如形貌和磨屑内部组织结构变化能表明磨损机理，内部结构变化能代表对磨物相互作用的严重程度。磨屑的回收有两种：一种是从磨损系统中直接回收并用双色显微镜或扫描电镜观察，例如：铁谱技术用于监测齿轮箱、轴承的运转。再如从面粉或水泥中回收磨屑进行分析。另一种是在与工况条件类似的模拟试验机上进行磨损试验回收磨屑，这比直接从磨损系统中回收磨屑来分析磨损过程要差一些。

　　（三）磨损失效分析过程中的取样和制样

　　1. 从现场收集到的零件磨损残体必须是新鲜磨损表面的零件，用无水乙醇、丙酮、乙醚一类有机溶剂擦洗后，迅速增长贴上醋酸纤维素薄膜，必要时可贴2~3层，也可涂抹无酸碱性油脂，然后贴上一层纸，用麻布片包好运到实验室。寒冷冬天或潮湿的夏天，最好将磨损零件残体放在烘箱中，于40~50℃烘烤2h，然后采取上述保护磨损表面措施。

　　2. 切取试样最好选用电火花线切割机，按要求部位切取，如果样品太厚可用电火花切片机切取。砂轮切片机的热影响区较大，一般情况下最好不用。

　　线切割机的热影响区约0.5mm，制备金相样品时务必去掉。在观察磨损表面时，可能会残存电火花熔球，其大小约几微米，有时熔球会存留在样品的裂缝中，防止产生对图像的调解。防止的办法是在线切割的样品上涂以较厚的无腐蚀性油脂，清洗时能洗掉。清洗用超声波清洗器仔细清洗样品，第一次30~30min，第二次10~20min。

　　电火花切片机的热影响区较大，通常有2mm左右，而且表面十分粗糙，最好在磨床上磨掉,磨后表面还有0.1mm左右的变形层，特别是高锰钢一类材料变形层较厚，宜用电解抛光的方法，制备金相样品时也要考虑用化学抛光试剂。

　　我们还收集了矿山机械、采煤、选煤机械，农业机械和电力机械设备中共有35个典型磨损零件的失效分析案例提供给读者，供进一步深入研究参考。这些案例分析的深度不同；进行分析所要达到的目的也不同；同一种零件由于不同作者，可能观点或提法存在着差异，这些都是正常的。因为磨损失效分析这门科学还在发展，正在深入。但是，磨损失效分析都为进一步认识磨损发生过程，为合理选择材料、工艺提供了可靠的依据。