网络上到处充斥着有关摩擦磨损导致的“门事件”如:“轿车发动机凸轮轴磨损事件上演‘罗生门’”、“手机‘磨损门’”、“电脑污点门”等等,一件又一件的“门事件”接连上演,而导致问题的罪魁祸首就是摩擦和磨损。
图1 摩擦和磨损关系图
一、什么是摩擦、磨损?
什么是摩擦、磨损?摩擦是指两个物体相互接触,在一定的外力作用下,发生相对运动或者具有相对运动的趋势时,在接触面间产生切向的运动阻力,这一阻力称为摩擦力;磨损是指工作表面的物质由于表面相对运动而不断损失的现象。
摩擦与磨损是自然界存在的普遍现象,没有摩擦力,我们就抓不牢、站不稳,甚至无法生存。因此,摩擦对人类的生活和生产活动有利有弊,而磨损却是有百害无一利。根据统计80%以上的机械零件失效都是由于磨损直接或间接引起的,摩擦是磨损的原因,磨损是摩擦的结果。
二、常见的磨损失效形式
工程应用中材料、零件常见的磨损失效形式有磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等基本类型。
1)磨粒磨损是由于硬质物体或硬质颗粒的切削或刮擦作用导致的磨损,包括二体磨损和三体磨损,典型特征为“犁沟”磨损形貌,主要的影响因素如磨粒硬度、尺寸、大小及材料的力学性能等。
2)黏着磨损发生于两个相对滑动的表面,在摩擦力作用下摩擦表面发生塑性变形,使两个表面发生焊合,剪切发生在强度较低的摩擦表面,导致强度较高的材料表面黏附对磨件的金属,形成黏着磨损,常见的形式为胶合,第一类胶合为:黏焊,第二类胶合为:热黏着。
3)疲劳磨损也称表面疲劳磨损和接触疲劳磨损,指两个接触体相对运动,在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度,导致表层材料剥落下来的磨损过程,常见形式为:点蚀、剥落、剥层、擦伤。
4)在摩擦过程中,金属同时发生化学或电化学反应,产生金属迁移的过程,称为腐蚀磨损,即腐蚀和磨损相互作用的结果。
常见材料耐磨性和摩擦系数测试方法和标准
在产品结构设计、材质选型、对标分析、产品可靠性服役评价方面均要考虑不同材质、摩擦副间的摩擦系数、耐磨性等指标,以保证产品的使用寿命。通过对比分析不同材质的减摩、耐磨性,从而优化产品设计、材质选型以及提高服役寿命等。常见材料的摩擦系数和耐磨性测试标准如下表所示。
测试标准 | 主要目的 |
GB/T 7706 | 1)有效分析纸质印刷品抗擦性差、墨层脱落等问题; 2)进行PS版感光层耐磨性的测试,有效分析PS版耐印力低等问题 |
DIN-53754、ASTM-D1044、D3884、ISO-5470、 GB/T17657 | 1)用于布、皮革、地板、玻璃、天然橡胶等材料的耐磨性测试,检验评估材质耐磨性能; 2)测试金属涂层、涂料与基体结合强度。 |
GB/T 1689 | 1)硫化橡胶耐磨性测试,用于评估硫化橡胶使用寿命。 |
GB/T 12444、 ASTM G77 | 1)测试金属-金属材料间的摩擦系数和磨损率; 2)测试金属-金属基复合材料间的摩擦系数和磨损率; 3)测试不同温度、不同加载力、不同润滑条件下的摩擦副间的摩擦系数和磨损率,用于评估材质的耐磨性; |
四、典型的失效案例
无论是金属材料,还是非金属材料在使用过程中均会与接触零件发生摩擦,随着摩擦过程不断进行,从而逐渐导致材质磨损,不同的磨损形式对应不同磨损形貌。图2a为磨粒磨损形成的“犁沟”磨损形貌;图2b为接触件间形成的接触疲劳形貌;图2c为黏着磨损形貌。
图2 不同磨损模式对应的磨损形貌
图3为磨损引发断裂的典型失效案例,机械传动轴与齿轮之间由于长期的相互作用,形成接触疲劳磨损(如图3a),导致齿轮基材不断磨损、剥落,形成磨损“凹坑”形貌(如图3c),从而使齿轮磨损面(摩擦副间接触的区域)与齿轮边缘(摩擦副未接触的边缘位置)形成高度差(如图3d)。由于摩擦力不断作用在齿轮磨损面与齿轮边缘过渡位置,导致该处应力集中加剧,逐渐形成裂纹(如图3b),引发断裂。
图3 磨损导致断裂的典型案例
虽然摩擦、磨损不可避免,但是不同材料的耐磨性能不同,通过有效的检测和测试材料的摩擦系数和耐磨性,选择摩擦系数小、耐磨性高的材料可以有效的预防和减小摩擦副间的磨损,提高产品或机械零件的使用寿命和可靠性。
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信息来源:赛宝可靠性
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