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产品失效机理分析——磨损
发布时间:2022-03-24   浏览:372次

现在很多客户咨询热喷涂工艺,但是又无法详细的描述具体的工况,这让我感觉非常棘手。我不希望客户浪费时间和金钱来选择合适的工艺和材料,所以为了让客户更加清晰的了解产品失效机理,我将详细的阐述产品失效的几种主要的原因。


产品的失效机理可分为两大类,一是磨损,二是腐蚀。磨损是在产品日常使用过程中常见的情况,但是大部分的磨损都伴随着腐蚀的存在,我们先抛开腐蚀,单独看一下磨损有哪些情况。


摩擦磨损


机器的运转都是由运动零部件的配合来做相对运动实现的,而配合表面的相对运动必然伴随着摩擦而产生磨损。在摩擦过程中,摩擦表面发生的尺寸、形状和表面质量的变化称为磨损。摩擦磨损与摩擦表面形貌有关。由于表面粗糙度的存在,两摩擦表面仅仅是在少数孤立点上发生接触,这时,法线方向载荷便由这些点上发生接触。接触面越小,法向应力越大。当法向应力超过材料的屈服,接触点就产生塑性变形。在塑性变形的同时,接触点金属表面上的氧化膜也被压碎或剪切掉。这时,接触点金属分子间相互吸引力增大,有可能相互扩散而溶合在一起。我们把熔合在一起的现场称为冷焊。当相对运动继续进行时,由于剪切而使冷焊点破裂。以后又在接触点发生塑性变形、冷焊和破裂,直到接触面积增大到足以支撑法向载荷为止。这时,表面硬度增加了,表面粗糙度也有所提高。


摩擦磨损过程是一个复杂的过程,当金属发生塑性变形时,要释放热量,因此,在摩擦表面上的温度要比基体金属的温度高很多。当温度高于再结晶温度时,因变形而引起的表面强化现象将消失;当温度继续升高,金属被软化,摩擦表面金属分子相互粘结;当温度升高到相变温度,摩擦表面金属就会发生相变,强度和硬度也大大降低。在摩擦磨损过程中,摩擦表面还要和周围介质起作用。例如当氧化膜被压碎或剪切后,裸露的金属表面迅速与氧气起化学反应,形成新的氧化膜。氧化膜与基体金属的结合力弱,容易被剪切或压碎。另外,空气中的水分和润滑油中的硫均能与摩擦表面其起化学反应,产生化合物,加剧表面的磨损。因此,摩擦磨损过程就是由于机械和化学的作用,使物质从表面不断损失或产生残余变形的过程。


按摩擦面之间有无润滑材料及润滑剂的存在状态将摩擦分为干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦。


1、  干摩擦


摩擦面之间没有润滑剂存在时发生的摩擦称为干摩擦。干摩擦的发生有很多理论解释,常用的所谓“粘着—机械啮合”学说。由于物体之间摩擦面的微观状态是凹凸不平的,摩擦面之间的接触不发生在整个面上,摩擦只是发生在摩擦面之间凸峰与凸峰正好相对的地方,物体之间的正压力实际上只由占摩擦面很小部分的实际接触面积承受。由于这些凸峰和凸峰相接触的点收到相当大的压力而产生塑性变形,出现了粘着现象,使凸峰与凸峰就好像被“熔焊”在一起。当物体做相对运动时,将产生机械啮合阻力,这是摩擦力的又一个来源。因而物体之间发生干摩擦时,其摩擦力是“熔焊”点造成的粘着阻力与“凹凸体”机械啮合阻力之和。


干摩擦是有害的,主要表现在能量的损失(如转为热能)和零件的磨损上(如温度升高导致材料表面抗磨性及强度降低同时有磨屑的产生)。


2、  边界摩擦


边界摩擦也称为边界润滑,是指物体之间摩擦面上存在一层由润滑剂构成的边界膜发生的摩擦。边界膜的性质是影响边界摩擦的主要因素,按其形成方式,可分为吸附膜和反应膜两类。吸附膜是通过物理因素(分子吸引)或化学因素(电子交换产生的化学结合力),使润滑剂中的极性分子产生定向排列形成的一层膜。


反应膜则是由硫、磷、氯等元素的润滑油添加剂与摩擦表面起化学反应,所生产的新的物质而构成的一层膜。在边界润滑作用比较充分,即形成的分子栅有较大的承载能力和长度时,摩擦仅发生在边界膜之间,摩擦系数仅与摩擦面的性质(材料、几何形状等)和润滑油的油性有关,也就是摩擦系数和摩擦面润滑剂之间形成极性分子栅的能力和分子栅本身的承载能力有关,而与润滑油的粘度大小无关。当边界润滑作用较差时,某些部位的边界膜被破坏,造成摩擦面的直接接触,从而形成干摩擦,使摩擦系数增大。


吸附膜的稳定性较差,在温度下,定向排列的极性分子会因热运动而变得杂乱无章,甚至从摩擦面上脱落下来,使得吸附膜失去承载能力,润滑作用大大减小。反应膜交吸附膜稳定的多,因为在高温下化学反应的速度加快,更有利于生成新的物质来加强反应膜,所以反应膜适于重载低速和高温的条件。但是生产反应膜时,一般伴随着对金属的腐蚀性。


3、  液体摩擦


液体摩擦也称为液体润滑,当物体之间的接触面被润滑油膜隔开时,物体相对运动所产生的摩擦叫液体摩擦。液体摩擦时,物体之间的摩擦面没有直接接触,其间除了边界润滑膜外,还有流动油膜。因此摩擦仅发生在润滑油之间,运动阻力仅由润滑油分子间的吸引力(内聚力)形成,因而摩擦系数很小,一般在0.01-0.001的范围内。


4、  混合摩擦


混合摩擦也称为混合润滑,是属于一种不稳定的润滑。它既存在着润滑油粘度所产生的粘滞阻力,也存在金属表面微凸体接触所产生的摩擦阻力。实际上它是指上述三种摩擦中两种摩擦同时存在的情形,可分为半干摩擦和半液体摩擦。半干摩擦是指干摩擦和边界摩擦同时存在的情形,不充分的边界摩擦将导致半干摩擦。半液体摩擦是液体摩擦和边界摩擦同时存在的情形,不充分的液体摩擦会导致半液体摩擦。工业设备经常处于混合摩擦状况。


摩擦磨损根据过程的不同,可分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损四种基本形式。


1、  粘着磨损


摩擦副在法向载荷的作用下,接触点产生塑性变形,氧化膜被压碎或剪切,接触点发生冷焊。如果运动速度较小,而法向载荷较大,摩擦表面温升很高,金属软化或熔化,接触点金属就相互粘在一起。当继续运动时,粘着处被剪切,这样粘着、剪切、再粘着、剪切的过程,就构成了粘着磨损。根据剪切部位的不同,粘着磨损又可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕裂和咬死五种。当剪切发生在粘着面上,表面转移的物质极轻微;当剪切发生在离粘着面不远的软金属浅层内,软金属就涂抹到硬金属表面;当剪切发生在软金属的压表面层内,软金属表面出现擦伤或拉毛痕迹;当剪切发生在摩擦副较深处,表面就出现撕裂;当粘着强度比基体剪切强度高,而且粘着区域大,相对运动时的剪切应力又低于基体金属的剪切强度,摩擦表面就咬死。


2、  磨粒磨损


摩擦副表面间存在磨粒时,它能使表面层金属产生部分塑性变形,有时磨粒还会切削表层金属,使表层产生擦伤和拉毛。表面产生塑性变形后,氧化膜被剪切,因此表面金属继续氧化,使氧化磨损速度加快。


磨料磨损有两种情况,一是法向载荷作用下硬颗粒滑过软表面时,在软表面上刨出许多沟槽,这叫两物体的磨粒磨损。若摩擦表面进入硬质颗粒,并从摩擦表面上切下微细切屑,一起在法向载荷的作用下滑过摩擦副表面,这叫三物体磨粒磨损。硬质颗粒可以是磨损产物,也可以是空气或润滑油中的杂质。大多数机械在含有污垢和灰尘中工作,属于第两种磨粒磨损。


3、  表面疲劳磨损


摩擦副的摩擦表面作滚动或滚动与滑动的复合摩擦时,在交变接触应力作用下,使摩擦表面疲劳而产生裂纹后,分离出碎片、颗粒的现象,称为表面疲劳磨损。在滑动摩擦副中,尽管两个零件没有直接接触,但摩擦表面仍受到由油膜传递的载荷影响,产生应力。其中很大压应力发生在表面上,而很大的剪切力则发生在表层内。当应力超过限值,材料就破坏了。


4、  腐蚀磨损


在摩擦过程中,摩擦表面与周围液体、气体或汽体发生以化学或电化学腐蚀为主的磨损,称为腐蚀磨损。腐蚀产物通常与表面结合不牢,因而继续摩擦会使它们分离,这一过程又重复进行。当腐蚀成为磨损的主因时,通常有几种磨损形式同时发生。例如,常见的表面膜往往是氧化铁,从表面脱落后都变成磨料。因此,两摩擦表面将同时发生腐蚀磨损和磨粒磨损。


磨损规律


任何一对摩擦副零件,在正常使用条件下,其产生的磨损是有规律的。磨损一般分为三个阶段:首阶段为磨合期。磨合期是摩擦初期改变摩擦表面几何形状和表面物理化学特性的过程。在磨合期内,由于表面高低不平,实际接触表面小,接触点的压应力大,磨损较大。如果在两表面定期注入润滑油,也往往由于摩擦产生大量热而使油膜遭到破坏,引起粘着磨损。所以在磨合期运行时,要求载荷和速度小,润滑油多一些。载荷小,接触点压应力小,磨损小,因塑性变形产生的热量小;润滑油多,使摩擦表面获得较好的润滑和冷却,并将磨屑带走,减少磨粒磨损。如果在磨合期一开始就提高载荷和速度,润滑油也供应不充分,这时,摩擦表面不仅不能获得光滑表面,而且越来越粗糙,使配合性质发生恶化;二阶段为正常磨损期,或者称为稳定磨损期。这个阶段,磨损趋于缓慢,因为磨合以后,摩擦表面已经比较光滑,冷加工硬化层也逐步形成,表面硬度增加,磨损显著减少。这时可以承受较大的载荷和较高的速度。但要加强维护保养工作,注意排除某些增加磨损的因素:例如,润滑油要清洁、供给要充分、冷却要良好等。使正常磨损阶段尽可能延长;三阶段为急剧磨损期,是磨损的末期阶段。经长期运行后,不仅使零件摩擦表面几何形状发生较大变化,而且使零件精度和配合性质变坏,产生振动,温度升高,磨损急剧增加,此时机器应停止运行,进行检修。


在我们分析磨损失效机理的同时,还需要关注产品使用温度的高低,产品承受压力的大小,承受压力的形式。其中承受压力的形式主要是静压力、冲击力、还要考虑产品承受压力的方向是法向力,还是切向力,这些因素都会影响工艺和材料的选择。在选择材料的时候,硬度、结合强度、高温性能、韧性等综合考虑,同时还要考虑到产品的形状和尺寸要求。磨损不只是受硬度影响,有很多客户直观的认为“硬度越高越好”,但是对于很多工况来说,不能把硬度作为首要标准。作者接触了很多因为磨损而失效的产品,这些没有经过表面处理或者做了错误的表面处理的产品,产品磨损失效给企业带来了大量的经济损失。后续将讲述产品失效的另一种形式——腐蚀。