機械磨損

據估計，世界上的能源消耗中約有1/3～1/2是由於摩擦和磨損造成的，一般機械設備中約有80%的零件因磨損而失效報廢。摩擦是不可避免的自然現象，磨損是摩擦的必然結果，二者均發生於材料表面。磨損是一種微觀和動態的過程，在這一過程中，零件不僅發生外形和尺寸的變化，而且會發生其他各種物理、化學和機械的變化。

通常將磨損分為黏着磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損種和微動磨損五種形式。機械磨損是指機械設備在工作過程中，因機件間不斷地摩擦或因介質的沖刷，其摩擦表面逐漸產生磨損，因此引起機件幾何形狀改變，強度降低，破壞了機械的正常工作條件，使機器喪失了原有的精度和功能，這稱為機械磨損。

兩摩擦表面接觸時，由於表面不平，發生的是點接觸，在相對滑動和一定載荷作用下，在接觸點發生塑性變形或剪切，使其表面膜破裂，摩擦表面温度升高，嚴重時表面金屬會軟化或熔化，此時，接觸點產生黏着，然後出現黏着一剪斷一再黏着一再剪斷的循環過程，這就形成黏着磨損。

根據黏着程度的不同，黏着磨損的類型也不同。若剪切發生在黏着結合面上，表面轉移的材料極輕微，則稱輕微磨損，如缸套一活塞環的正常磨損；當剪切發生在軟金屬淺層裏面，轉移到硬金屬表面上，稱為塗抹；如重載蝸輪副的蝸桿的磨損。若剪切發生在軟金屬接近表面的地方，硬表面可能被劃傷，稱為擦傷；如滑動軸承的軸瓦與軸摩擦的拉傷；當剪切發生在摩擦副一方或兩方金屬較深的地方，稱為撕脱，如滑動軸承的軸瓦與軸的焊合層在較深部位剪斷時就是撕脱；若摩擦副之間咬死，不能相對運動，則稱為咬死，如滑動軸承在油膜嚴重破壞的條件下，過熱、表面流動、刮傷和撕脱不斷髮生時，又存在尺寸較大的異物硬粒部分嵌入在合金層中，則此異物與軸摩擦生熱。上述兩種作用疊加在一起，使接觸面黏附力急劇增加，造成軸與滑動軸承抱合在一起，不能轉動，相互咬死。 ^[1] 

由於一個表面硬的凸起部分和另一表面接觸，或者在兩個摩擦面之間存在着硬的顆粒，或者這個顆粒嵌入兩個摩擦面的一個面裏，在發生相對運動後，使兩個表面中某一個面的材料發生位移而造成的磨損稱為磨料磨損。在農業、冶金、礦山、建築、工程和運輸等機械中許多零件與泥沙、礦物、鐵屑、灰渣等直接摩擦，都會發生不同形式的磨料磨損。據統計，因磨料磨損而造成的損失，佔整個工業範圍內磨損損失的50%左右。

由於產生的條件有很大不同，磨料磨損一般可以分為如下三種類型：

(1)冶金機械的許多構件直接與灰渣、鐵屑、礦石顆粒相接觸，這些顆粒的硬度一般都很高，並且具有鋭利的稜角，當以一定的壓力或衝擊力作用到金屬表面上時，便會從零表層鑿下金屬屑。這種磨損形式稱為鑿削磨料磨損。

(2)當磨料以很大壓力作用於金屬表面時（如破碎機工作時，礦石作用於顎板），在接觸點引起很大壓應力，這時，對韌性材料則引起變形和疲勞，對脆性材料則引起碎裂和剝落，從而引起表面的損傷，粗大顆粒的磨料進入摩擦副中的情況也與此相類似。零件產生這種磨損情況的條件是作用在磨料破碎點上的壓應力必須大於此磨料的抗壓強度。而許多磨料（如砂、石、鐵屑）的抗壓強度是較高的。因此把這種磨損稱為高應力碾碎式磨料磨損。

(3)磨料以某種速度較自由地運動，並與摩擦表面相接觸。磨料的摩擦表面的法向作用力甚小，如氣（液）流攜帶磨料在工作表面作相對運動時，零件表面被擦傷，這種磨損稱為低應力磨損。如燒結機用的抽風機葉輪、礦山用泥漿泵葉輪等的磨損都屬於低應力磨料磨損。

摩擦表面材料微觀體積受循環接觸應力作用產生重複變形，導致產生裂紋和分離出微片或顆粒的磨損稱為疲勞磨損。如滾動軸承的滾動體表面、齒輪輪齒節圓附近、鋼軌與輪箍接觸表面等，常常出現小麻點或痘斑狀凹坑，就是疲勞磨損所形成。

機件出現疲勞斑點之後，雖然設備可以運行，但是機械的振動和噪聲會急劇增加，精度大幅度下降，設備失去原有的工作性能。因此，所生產的產品的質量下降，機件的壽命也要迅速縮短。

出現疲勞磨損的主要原因是在滾動摩擦面上，兩摩擦面接觸的地方產生了接觸應力，表層發生彈性變形。在表層內部產生了較大的切應力（這個薄弱區域最易產生裂紋）。由於接觸應力的反覆作用，在達到一定次數後，其表層內部的薄弱區開始產生裂紋，屆時，在表層外部也因接觸應力的反覆作用而產生塑性變形，材料表面硬化，最後產生裂紋。總而言之，是在材料的表面一層產生了裂紋。因為最大切應力與壓應力的方向呈45°角，所以，裂紋也都是與表面呈45°角。在裂紋形成的兩個新表面之間，由於潤滑油的楔入，使裂紋內壁產生巨大的內壓力，迫使裂紋加深並擴展，這種裂紋的擴展延伸，就造成了麻點剝落。由此可見，接觸應力才是導致疲勞磨損的主要原因。降低接觸應力，就能增加抵抗疲勞磨損的強度。當然改變材質也可以提高疲勞強度。此外，潤滑劑對降低接觸應力有重要作用，高黏度的油不易從摩擦面擠掉，有助於接觸區域壓力的均勻分佈，從而降低了最高接觸應力值。當摩擦面有充分的油量時，油膜可以吸收一部分衝擊能量，從而降低了衝擊載荷產生的接觸應力值。

在摩擦過程中，金屬同時與周圍介質發生化學反應或電化學反應，使腐蝕和磨損共同作用而導致零件表面物質的損失，這種現象稱為腐蝕磨損。

腐蝕磨損可分為氧化磨損和腐蝕介質磨損。大多數金屬表面都有一層極薄的氧化膜，若氧化膜是脆性的或氧化速度小於磨損速度，則在摩擦過程中極易被磨掉，然後又產生新的氧化膜，然後又被磨掉，在氧化膜不斷產生和磨掉的過程中，零件表面產生物質損失，此即為氧化磨損，但氧化磨損速度一般較小。當週圍介質中存在着腐蝕物質時，例如潤滑油中的酸度過高等，零件的腐蝕速度就會很快。和氧化磨損一樣，腐蝕產物在零件表面生成，又在磨損表面磨去，如此反覆交替進行而帶來比氧化磨損高得多的物質損失，由此稱為腐蝕介質磨損。這種化學一機械的複合形式的磨損過程，對一般耐磨材料同樣有着很大破壞作用。

兩個接觸表面由於受相對低振幅振盪運動而產生的磨損叫做微動磨損。它產生於相對靜止的接合零件上，因而往往易被忽視。微動磨損的最大特點是在外界變動載荷作用下，產生振幅很小（小於100μm，一般為2～20 μm）的相對運動，由此發生摩擦磨損。例如在鍵連接處、過盈配合處、螺栓連接處、鉚釘連接接頭處等結合上產生的磨損。微動磨損使配合精度下降，使配合部件緊度下降甚至鬆動，連接件鬆動乃至分離，嚴重者引起事故。此外，也易引起應力集中，導致連接件疲勞斷裂。 ^[2] 

(1)潤滑。在兩摩擦表面問充以潤滑油，可大大減小摩擦係數，從而促使摩擦阻力減小，使機械磨損減低。故機器的運轉有無潤滑油以及正確選擇潤滑材料，合理制定潤滑制度以及加強潤滑管理都是很重要的，它對機器的使用壽命影響很大。

(2)表面加工質量。機件經過加工後，其摩擦表面不可能得到理想的幾何形狀，總要留下切削工具的刀痕或砂輪磨削的痕跡而構成凹凸狀的不平度。一般情況下，表面加工粗糙的，開始磨損較快。當磨到一定時間，不平度大致消除後，磨損便減慢下來，故表面加工精度的要求應根據零件工作的特點來選擇，不要盲目追求過高的加工質量。實驗指出，過於光滑的表面不一定具有好的耐磨性能，因為這時潤滑油不能形成均勻的油膜，兩接觸面容易發生黏結，反而使耐磨性變壞。

(3)材料。材料的耐磨性主要取決於它的硬度和韌性。材料的硬度決定於金屬對其表面變形的抵抗能力。’但過高的硬度易使脆性增加，使材料表面產生磨粒的剝落。而材料的韌性可防止磨粒的產生，提高其耐磨性能。另外，增加材料的化學穩定性還可以減少腐蝕磨損。增加材料本身的孔隙度可以蓄積潤滑劑，從而減少機械磨損，提高零件的耐磨性。

不同材料有不同的機械性能，相同的材料採取不同的熱處理方式可使其機械性能得到改善。因此合理的選用材料和熱處理方式對減少機械磨損是很有意義的。

(4)安裝檢修的質量。安裝零件的正確性對機器壽命有很大的影響，如不正確地擰緊軸承蓋與軸承座的連接螺釘、兩結合面不對中、配合表面不平以及軸承間隙調整得不合適等，都能引起單位載荷在表面上不正確的分佈或者產生附加載荷，因而使其磨損加快。 ^[1]