机械产品的磨损_磨料磨损失效分析
理化检验-物理分册 PT CA (PART :A PH YS. TEST. ) 2006年 第42卷 1
专题讲座
机械产品的磨损 磨料磨损失效分析
ABRA SIV E WEAR FA ILURE ANALYSIS FOR M ECH ANICAL PRODU CES
关成君
(中国农业机械化科学研究院工艺材料所, 北京100083) 摘 要:
陈再良
(北京机电研究所, 北京100083)
针对机械产品磨损失效中量大面广的磨料磨损失效问题, 探讨了切削、变形及脆断三种
磨料磨损微观机制; 分析了磨损环境、磨料和材料特性诸因素对磨损失效的影响, 列举了饲料粉碎
机锤片、挖掘机斗齿和冷挤压冲头模具等产品的磨损失效分析案例, 最后讨论了磨损失效分析中应注意的一些问题,
关键词:
磨料磨损; 失效; 机械产品; 案例分析
中图分类号:T B303 文献标识码:A 文章编号:1001 4012(2006) 01 0050 05
磨损失效是机械设备和零部件的三种主要失效形式 断裂、腐蚀和磨损失效形式之一。通常磨损过程是一个渐进的过程, 正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的, 因此, 人们容易忽视对磨损失效重要性的认识。实际上, 机械设备的磨损失效造成的经济损失是巨大的4%。
2004年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示, 磨损损失了世界一次能源的三分之一, 机电设备的70%损坏是由于各种形式的磨损而引起的; 我国的GDP 只占世界的4%, 却消耗了世界的30%以上的钢材; 我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在1000亿人民币以上, 仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料。可见减摩、抗磨工作具有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用, 越来越受到国内外的重视。因此, 研究磨损失效的原因, 制定抗磨对策、减少磨损耗材、提高机械设备和零件的安全寿命有很大的社会和经济效益。
[1~10, 15]
损耗。
磨损失效 由于材料磨损引起的机械产品丧失应有的功能。
通常, 按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分, 磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等类型。1. 1 磨料磨损
由外部进入摩擦面间的硬颗粒或突出物在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹, 产生材料的迁移而造成的一种磨损现象称为磨料磨损。
影响这种磨损的主要因素:在多数情况下, 材料的硬度越高, 耐磨性越好; 磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大; 磨损量随着磨粒硬度的增大而加大等。1. 2 粘着磨损
在两摩擦表面相对滑动时, 材料发生" 冷焊" 后便从一个表面转移到另一个表面, 成为表面凸起物, 促使摩擦表面进一步磨损的现象称为粘着磨损。
影响粘着磨损的主要因素:同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着, 采用表面处理(如热处理、喷镀、化学处理等) 可以减少粘着磨损; 脆性材料比塑性材料抗粘着能力高; 材料表面粗糙度值越小, 抗粘着能力也越强; 控制摩擦表面的温度, 采用的润滑剂等可减轻粘着磨损等。1. 3 冲蚀磨损
。美国曾有统计, 每
年因磨损造成的经济损失占其国民生产总值的
1 磨损和磨损失效的主要类型
磨损 由于机械作用造成物体表面材料逐渐
收稿日期:2005 10 10
作者简介:关成君(1959-) , 男, 研究员。
理化检验-物理分册
当含有流动微粒(固、液或气体) 的流体冲击材料表面造成的一种磨损现象称为冲蚀磨损。影响冲蚀磨损的主要因素是流动微粒的冲击速度及角度等。1. 4 疲劳磨损
当两种材料相对运动(滚动或滑动) 时, 接触区受到循环应力的反复作用, 当循环应力超过材料接触疲劳强度, 接触表面或表面下某处形成疲劳裂纹, 造成表面层局部脱落的现象称为疲劳磨损。
影响疲劳磨损的主要因素:零件表面硬度越高, 产生疲劳裂纹的危险性越小; 减少表面粗糙度, 可改善零件疲劳寿命; 高粘度的润滑油能提高抗疲劳磨损的能力, 有利于提高疲劳寿命等。
1. 5 腐蚀磨损
摩擦过程中, 摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应, 造成表面材料的损失现象, 称为腐蚀磨损。
影响腐蚀磨损的主要因素:腐蚀介质(如酸、碱、盐) 的性质、零件表面氧化膜的性质和环境温度与湿度等。
1. 6 微动磨损
在相互压紧的金属表面间由于微小振幅振动, 使接触面产生氧化磨损微粒, 难以从接触部位排除, 就会发生微动磨损。
影响微动磨损的主要因素:同类材料相接触要比异类材料相接触时磨损情况严重的多。
表1为工业领域中不同磨损类型的统计表[9], 实际上大多数的工业领域中的磨损失效现象是以上述几种磨损形成的复合形式出现的。
表1 不同磨损类型的统计表
所占比例(%) 50158
[9]
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2 磨料磨损失效的显微机制
从表1工业领域中磨损类型的统计表可知, 磨料磨损占磨损类型的50%, 是磨损失效中最主要的一种类型。本文重点讨论磨料磨损的失效分析。
一般来说, 在磨料磨损过程中, 材料的迁移主要有切削、变形和脆断三种形式。2. 1 切削机制
磨料颗粒作用在材料表面, 颗粒上所承受的载荷分为切向分力和法向分力, 在法向分力作用下, 磨粒刺入材料表面, 在切向分力的作用下, 磨粒沿平面
向前滑动, 带有锐利棱角和合适攻角的磨粒对材料表面进行切削, 如图1a, b 所示。如果磨粒棱角不锐利, 或者没有合适的攻角
, 材料便发生犁沟变形, 磨粒一边向前推挤材料, 一边将材料犁向沟槽两侧, 如图1c 所示。在切削的情况下, 材料就像被车刀车削一样从磨粒前方被去除, 在磨损表面留下明显的切痕, 在磨屑的切削面上也留有切痕, 而磨屑的背面则有明显的剪切皱褶, 如图1d 所示。
(a) 锐利棱角磨粒的犁削 (b) 材料表面切削形貌
T ab. 1 Stat istics data fo r different ty pes of w ear failure
No. 123
磨损类型磨料磨损粘着磨损冲蚀磨损
No. 456
磨损类型微动磨损腐蚀磨损其它(疲劳磨损等)
所占比例(%) 8514
(c) 棱角不锐利磨粒的切削 (d) 磨屑表面形貌
图1 磨料颗粒作用磨损表面示意图和磨损形貌Fig. 1 Sketch map and surface mor pholog y o f
the abr asive w ea r sample
上述磨损的分类方法比较常用, 实际上这类方法里包含两类磨损, 即由于磨料作用于材料表面造成的磨料磨损以及摩擦副之间的摩擦导致的磨损。对于磨料磨损还可以进一步按不同分类方法进行分类:例如, 两体磨损、三体磨损、凿削磨损、高应力磨损、低应力磨损、切削磨损、变形磨损等, 此处不再罗列。
2. 2 变形机制
在滑动磨粒磨损中, 由于磨粒不具备有利的攻角如图1c, 并不是一次犁就产生磨屑, 在磨粒的反复多次作用下, 形成薄的片状碎屑, 这种磨屑表面比较光滑, 看不到磨痕和剪切褶皱, 这类磨损则属于变
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关成君等:机械产品的磨损
磨料磨损失效分析
图2 变形后脱落的扁平状磨屑形貌F ig. 2 T he defo rmed mo rpholog y on t he surface of abrasiv e wear sample
图3 材料脆性断裂、微观剥落的形貌 of the abrasiv e wear sample
图4 不同材料硬度所对应的磨损机理nism vs hardness for different materia ls
Fig. 3 T he britt le fracture mor pholog y F ig. 4 T he w ear resistance and mecha
形机制。
当磨料以较大的角度作用于材料表面时, 材料不具备被切削的条件, 此时, 磨料颗粒将材料从坑中挤出, 在众多磨粒反复作用下, 材料多次变形硬化失去塑性, 直到应力超过材料的强度极限后形成扁平状磨屑脱落, 此类磨损多发生于颚式破碎机及锥式破碎机的齿板和破碎壁表面, 磨屑如图2所示。但是值得注意的是, 对于这类工件, 宏观上磨料与材料似乎没有相对滑动, 在微观上材料表面的磨料还是有一部分作滑动或者转动, 这时仍是可以直接产生短切屑或凿屑。
2. 3 脆断机制
硬而脆的材料遇到磨粒磨损时, 由于磨料不易刺入材料使材料发生塑性变形, 更不易被切削, 这时材料常常是以脆性断裂、微观剥落的机制发生迁移, 宏观上便是发生了磨损, 如图3所示。
图4表示了不同性质的材料所对应的不同磨损机理, 可见不同的磨损机理在不同性质材料之间可以转化。
对于不同磨损种类, 磨损速度的影响是不同的。滑动磨损情况下, 速度的影响并不明显; 冲蚀磨损速度对磨损有重要影响, 当冲击速度高到一定程度时, 原本在滑动磨损或低速情况不造成磨损的物料此时也可以造成磨损, 极端的例子是高压水射流切割以及气蚀等, 这是因为速度决定输入给磨损表面的能量, 能量越高, 磨损越严重。
3. 1. 3 冲击角度的影响
冲蚀磨损中冲击角度对磨损的影响非常大(图5) , 图5a 为材料在不同冲击角度下的磨损特性。可见, 冲击角度对脆性材料和韧性材料的影响不同。对于玻璃、陶瓷等脆性材料, 随着角度的增加磨损量增加, 在接近90 角的垂直冲击条件下, 磨损量达到最大, 这表明脆性材料不适合在大角度冲蚀工况下使用; 对于韧性材料, 磨损量先是随着冲击角度增加而增加, 在某一角度时达到最大值, 其后随着冲击角度的增加磨损量随之下降。这表明韧性材料在低角度工况下工作容易发生磨损, 而在高角度时则可充分发挥其耐磨性。这是因为韧性材料硬度较低,
低
3 磨损失效的影响因素
材料的耐磨性不是材料自身固有的性质, 它是磨损系统的函数, 同一材料在不同工况下表现出的
磨损特性不尽相同, 因此, 有必要了解磨损系统中各参量对材料的耐磨性和磨损失效的影响。3. 1 磨损环境条件的影响3. 1. 1 压力的影响
一般来说, 随着磨损压力的增加, 磨损量随之增大, 因为随着压力的增大磨料对于材料的刺入深度增加, 对材料表面进行切削或变形的能量随之增强。3. 1. 2 速度的影响
(a)
(b)
图5 不同冲击角对磨损特性和磨损量的影响Fig. 5 T he wear resistance o f different materials vs the
wear impact ang le of the w ear sample
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角度冲蚀时磨粒对表面的切削最有利, 磨损量即上升, 而脆性材料在垂直冲击时, 材料表面最容易碎裂剥落, 所以磨损量最大, 通常工程上用的金属耐磨材料介于两者之间。硬质合金和碳钢的冲击角度对磨损量的影响见图5b 。掌握不同材料在特定磨损工况下的最大磨损角度和最小磨损角度, 对于冲蚀磨损下耐磨材料的选择和抗磨对策的制定有重要指导意义。
3. 2 磨料特性的影响
在磨料的诸多特性中, 磨料硬度的影响最为重要, 早在20世纪40年代, 苏联的赫鲁绍夫以及后来英国的理查森都有过大量的研究, 对此将在后面结合材料硬度进行叙述。
3. 2. 1 磨料粒径的影响
磨料粒径对磨损的影响, 最初随着粒径的增大磨损呈线性关系增大, 当达到某个数值即所谓的临界粒径之后, 磨损的增长就变得缓慢, 或者出现不再增长的情况。
3. 2. 2 磨料粒形的影响
磨粒的粒形对磨损有很大的影响, 尖锐磨粒的磨损能力很强, 而圆钝的磨损能力相对较差。这是因为尖锐的磨粒可以比较容易地刺入材料表面, 引起材料的塑性变形, 或者直接切削材料, 而切削是一次成屑, 所以尖锐磨粒的磨损能力很强。
3. 2. 3 磨料中水分的影响
实际工程中, 在金属摩擦副的情况下, 液体进入对磨界面, 磨损可以大大下降; 可是在磨料磨损的情况下, 磨料中有水分进入, 磨损反而变得严重。另外, 对于摩擦磨损, 润滑剂达到一定量时, 润滑和减磨效果就不再增加, 而磨料磨损的磨损量先是随着水分增加而增加, 达到最大值后, 随水分的增加而下降, 其极端情形为砂浆磨损。3. 3 材料特性的影响
材料特性对磨损的影响非常大, 工程耐磨材料主要有金属和非金属两大类, 用于耐磨用途的非金属材料主要有陶瓷、橡胶。在水平和低角度磨损时, 陶瓷显示出了优异的耐磨性, 特别是在高温工况下更是如此。在垂直或大角度冲击磨损工况下, 橡胶材料表现出色, 特别是在湿磨料磨损时更是如此。不同的材料在同样磨损条件下所表现出的磨损特性不尽相同。
金属耐磨材料兼备强度、韧性和耐磨性于一身, 应用最为广泛。在金属材料性能与磨损的关系中,
[6]
关成君等:机械产品的磨损 磨料磨损失效分析研究得最多的依然是硬度的影响, 早期赫鲁绍夫、理查森所作的工作是经典的, 直到现在依然被广泛引用, 如图6所示。对于纯金属(图6中的曲线1, 2
所覆盖的范围) , 随着材料硬度的增加, 相对耐磨性随之增加并呈现出较好的线性关系。而对于某一种碳素钢或合金钢(图6中的曲线3, 4, 5) , 采用热处理使之硬度在200~800H V 之间变化时, 随硬度增
加其相对耐磨性的增加比较缓慢。
[12]
图6 材料硬度与相对磨损性的关系[13]
F ig. 6 T he r elationship between the wear resistance
and ha rdness of different materials
在研究磨损机理和磨损特性时, 常常单独考察材料硬度的影响或者磨料硬度的影响。实际在工程上, 更有意义的是材料与磨料的相对硬度, 或者说是硬度比值。从对磨料磨损进行的大量试验发现, 材料硬度与磨料硬度的比值与磨损量之间有如图7的关系。图中H 1和H 2分别为材料M 1和M 2的
硬度。
图7 金属磨粒磨损量和磨损比与磨粒硬度的关系
(H 1和H 2分别为材料M 1和M 2的硬度) F ig. 7 T he r elationship between the wear resistance
and har dness o f different metals
图7为两种不同硬度金属随着磨料硬度变化时的磨损体积变化以及两种材料磨损体积之比的变化规律[8], 在图7a 中, 对于较软的材料M 1而言, 当磨料的硬度小于材料的硬度H 1时, 随着磨料硬度的增加, 磨损上升缓慢, 而当磨料的硬度上升到材料硬
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2006年亚太地区断裂与强度学术会议(APCFS 06) 征文
由中国机械工程学会主办, 日本机械工程师学会和韩国机械工程师学会协办, 国家自然科学基金会等支持的2006年亚太地区断裂与强度学术会议将于2006年11月22~25日在中国海南岛三亚市召开。这是继1984年由中国机械工程学会和日、韩两国机械工程师学会共同发起在日本仙台召开的第一届会议以来的第十届会议。参加本届会议的论文将被推荐至SCI 收录的Key Engineering M aterials 上刊出。会议期间, 将交流切磋材料和结构领域的断裂、强度、完整性和可靠性的最新实验技术及理论与计算研究成果等。除了学术交流, 我们还将邀请工业界进行技术展示等, 并将组织一些激动人心的社会活动和参观游览以回报与会专家。诚挚地邀请您到美丽的海南岛三亚市来参加这个盛会。现将有关征文范围和要求等通知如下。
征文范围
疲劳和断裂; 强韧性; 高温材料强度; 变形行为; 摩擦与磨损; 疲劳与断裂模拟; 损伤的计算力学; 先进复合材料; 先进陶瓷材料; 新型金属结构材料; 表面工程和涂层; 焊接及连接技术; 纳米和生物技术的应用; 无损检测; 可靠性及其应用; 汽车部件的设计选材与评价; 封装材料及相关IT 技术; 其它。
征文要求
摘要不得超过500字, 并应包含文章标题及作者通讯地址(地址、电话、传真和电子邮箱等) ; 作者名单与单位; 摘要正文和关键词。会议交流语言为英语。
重要日期
文章摘要截止日为2006年1月31日; 入选通知日为2006年3月31日前; 全文截止日为2006年9月31日前。秘书处联系地址
学术:甄良教授; 地址:哈尔滨工业大学材料科学与工程学院; 邮编:150001; 电话:+86 451 86402108; 传真:+86 451 86402108; 电子信箱:zhenliangh@163. com 。
组织:白佳声教授; 地址:中国上海邯郸路99号, 上海材料研究所; 邮编:200437; 电话:+86 21 65555962; 传真:+86 21 65555962; 电子信箱:yalm @sh163. net 。
会议网址:http://apcfs2006. hit. edu. cn; 电子邮箱:apcfs2006@hit. edu. cn 。
(中国机械工程学会材料分会)
度左右时, 磨损对磨料硬度最为敏感, 当磨料硬度超过材料的硬度后, 继续提高磨料的硬度对磨损没有影响。同样道理, 对于硬材料M 2也存在同样变化规律, 将大量的实验结果归纳起来可以将磨损分为三个区域:Ⅰ低磨损区, H s (1. 25~1 30) , 式中H m 为材料的硬度, H s 为磨料的硬度]; Ⅱ过渡磨损区, 0. 8H s
低磨损区Ⅰ:在Ⅰ区磨损不严重, 在这个区域内的磨损有的学者称之为软磨料磨损, 其磨损机理还不很清楚, 有的学者将其归结为化学抛光作用, 但是在研究煤的磨损和农作物的磨损时发现, 对于硬度远高于加工物料的工件来说, 真正造成工件有效磨
损的组份不是加工物料, 而是其中的少量高硬度杂质, 这些只占百分之几的杂质控制着磨损过程。
过渡磨损区Ⅱ:大多数工程意义上的磨损常常发生在Ⅱ区, 这时矿物与加工矿物的工件的硬度接近, 提高工件的硬度可以显著地提高工件的耐磨性, 这一情况对于失效分析和耐磨材料的选择具有指导意义。
当磨料的硬度进一步增加时, 即进入高磨损的Ⅲ区, 此时磨损不再随磨料的硬度增加或增加得缓慢, 在此区内盲目地提高材料的硬度, 无助于磨损的改善, 并且增加了成本。
(待续)