磨損與潤滑-課件-6

1、 近幾年來，應(yīng)用總的系統(tǒng)理論和工程系統(tǒng)分析的原理來綜合研究摩擦學(xué)的對象，引起了人們的重視。對這門學(xué)科的綜合研究將具有重要意義。一、系統(tǒng)的基本概念二、系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析三、系統(tǒng)分析的應(yīng)用四、減少磨損與抗磨設(shè)計(jì) 系統(tǒng)科學(xué)或系統(tǒng)理論是近三十年發(fā)展起來的一門涉及基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的綜合性學(xué)科。目前，它不僅在理論研究方面取得了一定成果，而且應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，已成為解決綜合性的復(fù)雜科技問題的一門行之有效的科學(xué)。但是，將系統(tǒng)理論應(yīng)用于摩擦學(xué)的研究只是近20多年才開始的。荷蘭薩拉姆(O.Salamon)教授較早提出系統(tǒng)設(shè)想在摩擦學(xué)的應(yīng)用，而西德契可斯(H.Oslohg)教授則是第一次用系統(tǒng)分析

2、的數(shù)學(xué)方法來研究摩擦學(xué)系統(tǒng)，他們的研究初步論述了摩擦學(xué)系統(tǒng)的基本原則。 一般說來，摩擦學(xué)系統(tǒng)的基本概念是指系統(tǒng)的定義，系統(tǒng)的類型，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述以及研究系統(tǒng)的基本方法。 什么是摩擦學(xué)系統(tǒng)呢?要回答這一問題，首先要明確 “系統(tǒng)”這一概念。它是表示由相互作用和相互依賴的若干組成部分(可以是環(huán)節(jié)、元素或部件)結(jié)合成具有特定功能的有效機(jī)體，而且這個(gè)“系統(tǒng)”本身又是它所從屬的一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分。換句話說，“系統(tǒng)”即是“有一定關(guān)系的元素的集合”或者“用結(jié)構(gòu)和功能來相互聯(lián)系的一組元素”。系統(tǒng)有大有小，有簡有繁，任何復(fù)雜的大系統(tǒng)都可以按功能或工序流動(dòng)情況及信息逐級分解成若干小系統(tǒng)。這樣，要組成一個(gè)“系統(tǒng)”

3、必須具備兩個(gè)條件： 如圖所示是表示一種典型的摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(它是常見的齒輪傳動(dòng))，它由四個(gè)元素構(gòu)成：摩擦副齒輪1和2，中間材料3和周圍介質(zhì)4。其特定的功能是傳遞扭矩和角速度。齒輪1和2具有“相對運(yùn)動(dòng)”，并且是“相互作用的表面”。因此，是符合我們所討論的摩擦學(xué)系統(tǒng)的定義的。 由元素A、其性質(zhì)P和相互作用R組成的摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通常以S表示。S A，P，R 目前，系統(tǒng)的分類方法比較多，通?？梢苑譃殚_式和閉式系統(tǒng)。當(dāng)物質(zhì)和能量與周圍介質(zhì)等出現(xiàn)相互變化時(shí)，系統(tǒng)是開式的；當(dāng)互相變化不大時(shí)，則系統(tǒng)是閉式的。 在開式系統(tǒng)中，當(dāng)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌问降哪芰繒r(shí)，通過確定不變的過程，則稱為“離散系統(tǒng)”。當(dāng)輸

4、入和輸出隨時(shí)間而變，則系統(tǒng)處于“動(dòng)態(tài)”。在某些情況下，當(dāng)系統(tǒng)處于動(dòng)力平衡狀態(tài)時(shí)，就叫“靜態(tài)”或“穩(wěn)態(tài)”。 根據(jù)系統(tǒng)理論，摩擦學(xué)系統(tǒng)是屬于“開式、離散、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)”，因?yàn)樵谀Σ吝^程中，將引起能量損失和材料損失，摩擦學(xué)的結(jié)構(gòu)和功能都將隨之發(fā)生變化。 下圖是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述。這是采用在物理、化學(xué)中使用的從系統(tǒng)中分離出方框的方法而得的，和在力學(xué)中采用取“脫離體”的方法一樣。由圖不僅可看出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，即SA，P，R，而且表示了輸入、輸出和功能的關(guān)系。 每一個(gè)系統(tǒng)都可以從它周圍的區(qū)域中分離出一個(gè)假設(shè)的系統(tǒng)方框，用方框分離出來的小系統(tǒng)與周圍區(qū)域之間的聯(lián)系可以分為輸入x和輸出y。系統(tǒng)的功能是將輸入x轉(zhuǎn)換為輸出y。

5、轉(zhuǎn)換可以用任何一個(gè)數(shù)學(xué)方程、物理的相似、詞的描述等來表示。下圖是用詞的描述表達(dá)輸入到輸出關(guān)系。 必須指出：系統(tǒng)分析常常選取“建立模型”的形式，即以圖解或分析的方式來表示系統(tǒng)，可以容許利用該“模型”來研究系統(tǒng)的功能。但是，目前摩擦學(xué)系統(tǒng)的研究還不能完全采用數(shù)學(xué)分析的方法，因?yàn)樵S多因素的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系尚未建立，故多以圖解方式來研究。 摩擦學(xué)系統(tǒng)一般是屬于“開式、離散、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。為了便于分析，可先從靜態(tài)時(shí)摩擦學(xué)系統(tǒng)入手，以理想的齒輪傳動(dòng)作為一個(gè)例子來分析靜態(tài)時(shí)的情況。齒輪傳動(dòng)是以半徑r1和r2的兩個(gè)齒輪組成，齒輪的傳動(dòng)比為i =r2/r1。這一對齒輪傳動(dòng)將轉(zhuǎn)換扭矩M1 M2，和角速度1 2。這是從機(jī)械

6、能到機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的元素組A是由齒輪l和2，潤滑劑和周圍環(huán)境所組成。作為元素組的性質(zhì)P是與齒輪1和2所選用的材料幾何參數(shù)等有關(guān)；與潤滑劑的化學(xué)成分、粘度等因素有關(guān)；與周圍環(huán)境的化學(xué)成分、溫度等有關(guān)。 元素間的相互作用以及表示：齒輪1和2之間的相互作用可以用“接觸”這一術(shù)語來描述，而齒輪表面與潤滑劑或介質(zhì)之間的相互作用特征是“摩擦化學(xué)反應(yīng)”，潤滑劑與介質(zhì)之間的相互作用是屬于“擴(kuò)散”性質(zhì)的。 （2）輸入、輸出 系統(tǒng)可以從周圍環(huán)境中以系統(tǒng)方框的形式分離出來，輸入和輸出以齒輪1和2的相應(yīng)的扭矩和角速度表示。 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入、輸出功能關(guān)系可以按照電學(xué)的克希荷夫定律的相似性得出。從力的

7、相等考慮，則作用于相互作用的齒輪的齒形上的力應(yīng)該相等，即F1F2。引入傳動(dòng)比i，則可得輸出扭矩M2是等于輸入扭矩M1乘以傳動(dòng)比i。從幾何參數(shù)的相似性研究，則接觸表面的速度應(yīng)該一樣，即v2v1。若輸入扭矩M1和輸入角速度1用輸入向量X來表示，輸入向量又可以轉(zhuǎn)換為輸出向量Y及轉(zhuǎn)換為矩陣，則 上述分析表明，理想的摩擦學(xué)系統(tǒng)的靜態(tài)狀況是摩擦和磨損的損失很小，可以忽略不計(jì)，這時(shí)輸入到輸出的轉(zhuǎn)換完全是自由的，無損失的，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)SA，P，R不變化，不會(huì)影響輸入輸出關(guān)系的功能。11MX22MY/i iT1 0 0 下圖表示動(dòng)態(tài)時(shí)的摩擦學(xué)系統(tǒng)。在這種情況下，首先是輸入同樣轉(zhuǎn)換成輸出，其次是系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)借

8、助于摩擦和磨損機(jī)構(gòu)(其特征是“摩擦學(xué)工序”)來影響。即摩擦和磨損過程既可以改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不需要的“損失”輸出，也可以影響系統(tǒng)的功能，最后完全喪失功能。 更具體地說，摩擦學(xué)工序中的摩擦極大地影響系統(tǒng)功能(能量損失)，而摩擦學(xué)工序中的磨損極大地影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(材料損失)。 下面是數(shù)據(jù)表的基本原理。該數(shù)據(jù)表包括四項(xiàng)內(nèi)容：系統(tǒng)的技術(shù)功能，系統(tǒng)的工作參數(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的特性。 第一組參數(shù)是關(guān)于摩擦學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)功能。從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看功能可分為四種類型：運(yùn)動(dòng)的傳導(dǎo)借助于各種類型的“軸承”；利用凸輪機(jī)構(gòu)等來傳遞信息；通過齒輪傳動(dòng)等傳遞能量；材料的變形如擠壓或拉絲。 第二組參數(shù)是系統(tǒng)的工作參數(shù)。包括運(yùn)

9、動(dòng)的類型(滑動(dòng)、滾動(dòng)、振動(dòng)等)，載荷，速度，溫度，工作的持續(xù)性等。 第三組參數(shù)是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。一般是由四個(gè)元素構(gòu)成，其中由相對運(yùn)動(dòng)形成的相互作用的表面部分是摩擦學(xué)元素1和2；其它兩個(gè)基本元素是潤滑劑3和周圍環(huán)境4。在系統(tǒng)中四個(gè)基本元素在摩擦和磨損過程中都是相互作用的。 第四組參數(shù)是系統(tǒng)的特性。其數(shù)據(jù)可以在摩擦學(xué)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行測量，它的特性可以分為三部分： (1)摩擦引起的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化是非常重要的，這是和電力系統(tǒng)不同的。一般說來，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(如變壓器)是不隨時(shí)間變化的。而在摩擦學(xué)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)將隨時(shí)間而變，這是因?yàn)槟Σ梁湍p在起作用。這種變化表現(xiàn)在系統(tǒng)中元素的破壞，元素特性的改變(即接觸區(qū)域和表面位

10、置的變化)，以及在工作參數(shù)的作用下磨損機(jī)構(gòu)的變化。 (2)摩擦引起的能量損失，有可能變成熵的輸出。 (3)磨損引起的材料消耗。 借助于摩擦學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表的形式來整理摩擦和磨損試驗(yàn)的有用數(shù)據(jù)具有一定優(yōu)越性。戴熊杰教授的摩擦學(xué)書中給出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。組別組別摩擦學(xué)參數(shù)摩擦學(xué)參數(shù)主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容摩擦學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)功能摩擦學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)功能運(yùn)動(dòng)、信息、能量、材料的傳遞運(yùn)動(dòng)、信息、能量、材料的傳遞工作變量工作變量運(yùn)動(dòng)類型；載荷、速度、溫度；運(yùn)動(dòng)類型；載荷、速度、溫度；時(shí)間；材料時(shí)間；材料摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1. 組元：組元：(1)摩擦組元摩擦組元1；(2)摩擦組元摩擦組元2； (3)潤滑劑；潤

11、滑劑；(4)大氣大氣2. 組元特性：上述組元特性：上述(1)(2)(3)(4)的有關(guān)幾何的有關(guān)幾何形狀和材料性能形狀和材料性能3. 組元間的關(guān)系組元間的關(guān)系摩擦學(xué)特征摩擦學(xué)特征1. 摩擦引起的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化；摩擦引起的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化；2. 摩擦引起的能量損耗；摩擦引起的能量損耗；3. 摩擦引起的材料損耗。摩擦引起的材料損耗。 失效分析是近30年來發(fā)展起來的一門技術(shù)科學(xué)。所謂失效，是指機(jī)械設(shè)備或零件不能達(dá)到預(yù)期功能。失效分析即是通過合乎邏輯的思路、科學(xué)的方法，使用必要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段，包括近代發(fā)展起來的各種微觀表面分析儀器，找出失效的原因，判斷失效的機(jī)理，并提出防止失效的措施。也就是說，失效分析既包

12、括失效分析思想方法本身，也包括失效分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，二者密切配合。 美國60年代初提出的“失效樹分析法”及近代各種先進(jìn)分析儀器的產(chǎn)生，促使失效分析技術(shù)獲得廣泛的應(yīng)用和迅猛的發(fā)展。 失效分析包括機(jī)械設(shè)備和機(jī)械零件的失效分析。機(jī)械零件失效方式主要有三大類：斷裂、腐蝕和磨損。磨損失效分析與斷裂失效分析相比，具有許多不同之處和特點(diǎn)，但在整個(gè)思路上和多數(shù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)上還是相同的。 由于磨損是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，目前對各種磨損機(jī)理的研究還很不完善，因此磨損失效分析不同于其它失效分析(如斷裂失效分析)而具有自己的特點(diǎn)。 磨損失效廣泛存在于自然界。 目前對磨損的分類還存在爭論。人們根據(jù)磨損件表面、亞表面等和殘留物(

13、包括磨屑)的特征，首先判斷失效的模式，進(jìn)而推斷引起失效的根本原因。確定失效模式是磨損失效分折的核心。 磨損是表面相互作用的結(jié)果。其嚴(yán)重程度及失效方式與表面材料、表面膜的成份、組織、處理工藝有關(guān)，也即與表面的物理、化學(xué)、力學(xué)性能以及形狀、形貌有關(guān)，這與斷裂失效分析主要注重整體材料性能不同。磨損失效分析極為重視表面分析儀器的應(yīng)用，在掃描電鏡+能譜技術(shù)、俄歇譜儀出現(xiàn)以前，要同時(shí)測定磨損形貌和成份，要分析幾個(gè)原子層厚的表面的磨損機(jī)理是根本不可能的。 另一方面，由于磨損是一動(dòng)態(tài)過程，瞬間產(chǎn)生的磨損痕跡會(huì)被隨之而來的表面接觸所破壞以致前面的信息來不及提取出來就自行消失，這和斷裂問題的斷口能夠保留斷裂瞬間的

14、現(xiàn)場形貌有所不同。 磨損失效的表面性和動(dòng)態(tài)性造成磨損測試研究的困難，現(xiàn)在還不可能對正在磨損過程中的兩不透光表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察和測試，實(shí)際接觸點(diǎn)上的“閃溫”也無法實(shí)測到，微區(qū)應(yīng)力應(yīng)變和磨屑形成等還主要靠模型來推測。 磨損是對復(fù)雜的摩擦學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行的。最簡單的摩擦學(xué)系統(tǒng)也包括有兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)的接觸表面，各自的材質(zhì)、原始表面形貌、運(yùn)動(dòng)方式、載荷、速度、環(huán)境介質(zhì)等都將影響磨損結(jié)果。 實(shí)際磨損工況則要復(fù)雜得多。因此前面所提到的失效模式也往往不是單一的，而是多因素交叉結(jié)合造成的多種失效模式的綜合結(jié)果。 為了綜合考慮磨損失效中多因素影響，特別是處理復(fù)雜工況條件下的磨損問題，磨損的系統(tǒng)分析方法是十分有效的。 磨損失

15、效分析涉及到摩擦學(xué)、材料學(xué)、斷口學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、腐蝕科學(xué)、工藝學(xué)、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等學(xué)科知識(shí)，此外，實(shí)驗(yàn)和表面分析技術(shù)如無損檢測、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、化學(xué)分析、磨損和斷裂試驗(yàn)，以及模擬試驗(yàn)等也非常重要。 零件的磨損失效分析與機(jī)械設(shè)備的失效分析既有共同點(diǎn)又有區(qū)別。為了提高設(shè)備的可靠性和壽命，把設(shè)備整體作為對象，進(jìn)行磨損狀態(tài)測試，研究一般的磨損規(guī)律，劃分從磨合到失效的若干階段，對可靠度和壽命進(jìn)行計(jì)算等。而零件磨損失效分析著重磨損零件損壞原因的分析，不同磨損類型的零件較易區(qū)分，對其分析有利于揭示磨損過程、磨損機(jī)理和轉(zhuǎn)化，也為選用耐磨材料和強(qiáng)化工藝提供可靠的依據(jù)。 目前，系統(tǒng)分析中對磨損各組元的參

16、數(shù)分析、計(jì)算仍是十分困難。因此對實(shí)際磨損零件進(jìn)行有效的失效分析是當(dāng)前磨損失效分析工作的重點(diǎn)。即便如此，也仍有賴于經(jīng)驗(yàn)積累。如分析零件磨損時(shí)掉落的碎屑，這些碎屑可視為微觀區(qū)域斷裂的結(jié)果，斷裂方式可以是韌性斷裂、疲勞，也可以是脆性斷裂，同時(shí)伴隨不同程度和一定范圍的塑性變形。再說磨損失效有多種形式，可以因密封失效、表面粗糙增加、各種原因的損傷累積等造成，也可以是磨損不直接造成失效，但卻是后期失效的起因。 由此可知，不同的失效形式可以有各自的判據(jù)，加之磨損本身是一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)問題，因而導(dǎo)致復(fù)雜因素交叉影響，在無法孤立分析、研究、計(jì)算的情況下，磨損失效分析只能建立在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立在積累大量資料、

17、具有廣泛豐富知識(shí)的基礎(chǔ)上。 下面簡單介紹契可斯(Czichos)系統(tǒng)分析方法的基本概念。如圖所示，摩擦組元(1)、(2)在載荷FN下滑動(dòng)S距離。材料的磨損特性與“系統(tǒng)”有關(guān)。 兩摩擦組元各自磨損率W(1)、W(2)之和決定了該系統(tǒng)的磨損率；而磨損特征W取決于兩組元各自性能P(1)、P(2)以及兩組元之間的相互關(guān)系R(1，2)和工作變量FNS等，即WW(1) + W(2)Wf (P(1), P(2), R(1, 2), FNS)因此系統(tǒng)分析首先要了解以下參數(shù)： (1)相互作用的組元及其相關(guān)性能； (2)工作變量： 相對運(yùn)動(dòng)類型、載荷、速度、試驗(yàn)時(shí)間等； (3)相對運(yùn)動(dòng)界面的磨損機(jī)理。 由此可知，

18、材料磨損特性與其力學(xué)、物理、化學(xué)性能不同；不是材料的固有性能，而是與外界條件密切相關(guān)的摩擦學(xué)系統(tǒng)性能。解決磨損問題時(shí)必須考慮整個(gè)系統(tǒng)的性能和各組元相互影響，這就是系統(tǒng)分析的基本出發(fā)點(diǎn)。 右圖表明一個(gè)磨損系統(tǒng)的損耗輸出特性。圖中A表示系統(tǒng)組元，P表示相關(guān)性質(zhì)，R表示相互作用，系統(tǒng)由A、P、R組成，寫作S(A，P，R)。磨損損耗輸出Z可以看作是輸入工作變量x對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)S輸入作用的結(jié)果。 故磨損損耗f (工作變量、系統(tǒng)結(jié)構(gòu))，即Zf (x, S)。 磨損失效分析應(yīng)用系統(tǒng)分析方法取得實(shí)效已有許多例子，并且采用了上述的系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)表。 “失效樹”即用數(shù)理邏輯符號，將導(dǎo)致失效事件的各種可能性(潛在原因)，

19、沿其發(fā)生過程連接起來。建樹過程是邏輯理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累應(yīng)用的過程，務(wù)必符合理輯并不使遺漏。建樹流程應(yīng)著重考慮各種分枝，如： 1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的問題； 2)摩擦副材料選擇、零件材料性能和加工工藝； 3)使用、維護(hù)條件，潤滑劑選擇等。 失效樹分析是一種從結(jié)果到原因的逆向分析方法。失效樹反映出系統(tǒng)失效各事件的內(nèi)在聯(lián)系，形象化，并使分析者一目了然，掌握這種聯(lián)系加以正確分析。另外還可進(jìn)一步根據(jù)各類失效事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出該零件或系統(tǒng)的可靠性，以及作出數(shù)學(xué)模型，用于定性或定量分析。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對各種機(jī)械裝備的表面性能要求越來越高，一些在高速、高溫、重載或腐蝕介質(zhì)下工作的零件，往往因其表面局部

20、損傷最終導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備失效。為此，通過抗磨設(shè)計(jì)方法以達(dá)到提高零件的耐磨性、延長使用壽命的目的，受到工程技術(shù)部門的廣泛重視。 機(jī)械零件抗磨損設(shè)計(jì)最有效的方法是在摩擦表面之間建立一層潤滑膜,包括流體潤滑膜、表面吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜等。為此,必須根據(jù)摩擦副的工況條件正確地選擇潤滑油脂,有時(shí)還需要選用適當(dāng)?shù)奶砑觿┮允節(jié)櫥ぞ哂刑厥庑阅堋？鼓p設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要問題是對摩擦副材料的配對、表面強(qiáng)化措施的合理選擇。此外,潤滑油供應(yīng)系統(tǒng)的過濾與摩擦表面的密封等也是抗磨損設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。表面涂層或改性是有效提高機(jī)械零件使用壽命的新技術(shù),使材料表面具有耐磨損、耐高溫、抗腐蝕等特殊的性能, 從而獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 摩擦

21、副材料的耐磨性是重要的選材依據(jù)。耐磨性是系統(tǒng)特性，但與材料的硬度、韌性、互溶性、耐熱性、耐蝕性等性質(zhì)有很大的關(guān)系。在系統(tǒng)條件一定時(shí)，不同類型的磨損，由于其磨損機(jī)理不同，可能側(cè)重要求上述性質(zhì)中的某一方面或兩方面。此外，還要注意摩擦副材料配偶表面的匹配性，有時(shí)硬配硬好如滾動(dòng)軸承，有時(shí)硬配軟耐磨如滑動(dòng)軸承，有時(shí)還不得不特意讓磨損限制在某一零件如活塞環(huán)上而保證配偶零件如缸套的耐磨性。 正確選擇摩擦副的材料是提高機(jī)器零件耐磨性的關(guān)鍵。在耐磨損的設(shè)計(jì)中，要根據(jù)不同的磨損類型來具體考慮。下面按不同磨損類型對材料選配加以介紹。 如前所述，對于磨粒磨損，純金屬和未經(jīng)熱處理的鋼的耐磨性與自然硬度成正比。靠熱處理提

22、高硬度時(shí)，其耐磨性提高不如同樣硬度的退火鋼。對淬硬鋼來說，硬度相同時(shí)，含碳量高的牌號耐磨性優(yōu)于含碳量低的。 耐磨性與金屬的顯微組織有關(guān)。馬氏體耐磨性優(yōu)于珠光體，珠光體優(yōu)于鐵素體。對珠光體的形態(tài)，片狀的比球狀的耐磨，細(xì)片的比粗片的耐磨。回火馬氏體常常比不回火的耐磨是因?yàn)槲椿鼗鸬奈⒔M織硬而脆。 對于同樣硬度的鋼，含合金碳化物比普通滲碳體耐磨，形成碳化物的元素原子越多就越耐磨。鋼中所加合金元素若越容易形成碳化物則越能提高耐磨性，例如Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，W，Mo等元素優(yōu)于Cr，Mn等元素。 對于由固體顆粒的沖擊所造成的磨粒磨損來說，需要正確的硬度和韌性相配。對于小沖擊角即沖擊速度方向與表

23、面接近平行的情況，例如犁鏵、運(yùn)輸?shù)V砂的槽板等，如圖所示。 在硬度和韌性的配合中更偏重于高硬度，可用淬硬鋼、陶瓷、鑄石、碳化鎢等以防切削性磨損；對于大沖擊角的情況，則應(yīng)保證適當(dāng)?shù)捻g性，可用橡膠、奧氏體高錳鋼、塑料等，否則碰撞的動(dòng)能易使材料表面產(chǎn)生裂紋而剝落。 對于高應(yīng)力沖擊,如圖所示的破碎機(jī)碾子、球磨機(jī)滾筒、鋼軌等,可用塑性良好且在高沖擊應(yīng)力下能變形硬化的奧氏體高錳鋼。 對于三體磨損來說，一般是提高摩擦表面的硬度，當(dāng)表面硬度約為1.4倍顆粒硬度時(shí)耐磨效果最好，再高則無效。三體磨損的顆粒粒度對磨損率也有影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)粒度小于100m時(shí)，越小則表面磨損率越低。粒度大于100m時(shí)，粒度與磨損率無關(guān)

24、。 前已述及，粘著現(xiàn)象常常是因摩擦熱引起材料的再結(jié)晶、擴(kuò)散加速或表面軟化開始。甚至由于接觸區(qū)的局部高壓、高溫而導(dǎo)致表面熔化。因此粘著磨損與表面材料匹配密切相關(guān)。對于材料的匹配有以下規(guī)律： 固態(tài)互溶性低的兩種材料不易粘著。一般說來，晶格類型相近、晶格常數(shù)相近的材料互溶性較大，最典型的例據(jù)是相同材料很容易粘著。 兩種材料形成金屬間化合物，也較少粘著效應(yīng)，因金屬間化合物具有脆弱的共價(jià)鍵。塑性材料往往比脆性材料易發(fā)生粘著現(xiàn)象，且塑性材料形成的粘著結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度常大于母體金屬，因而撕裂常發(fā)生于次表層，產(chǎn)生的磨粒較大。 材料熔點(diǎn)、再結(jié)晶溫度、臨界回火溫度越高，或表面能越低，越不易粘著。從金相結(jié)構(gòu)上看，多相結(jié)構(gòu)比

25、單相結(jié)構(gòu)粘著效應(yīng)低，例如珠光體就比鐵素體或奧氏體粘著效應(yīng)差。金屬中化合物相比單相固溶體粘著效應(yīng)低，六方晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)于立方晶體結(jié)構(gòu)。金屬與非金屬如碳化物、陶瓷、聚合物等的配對比金屬與金屬的配對抗粘著能力高，聚四氟乙烯(PTFE)與鋼配對抗粘著能力很高，而且摩擦系數(shù)低，表面溫度低，耐熱的熱固性塑料較熱塑性塑料為好。 其他條件相似的情況下，提高硬度則表面不易塑性變形因而不易粘著。對于鋼來說，700HV（或70HRC）以上可避免粘著磨損。 接觸疲勞磨損是由于循環(huán)應(yīng)力使表面或表層內(nèi)裂紋萌生和擴(kuò)展的過程。由于硬度與抗疲勞磨損能力大體上呈正比關(guān)系,一般提高表面層的硬度有利于抗接觸疲勞磨損。但表面硬度過高，材料

26、太脆，抗接觸疲勞磨損能力也會(huì)下降。軸承鋼硬度62HRC時(shí)抗接觸疲勞磨損的能力最高, 硬度再高反而會(huì)降低平均壽命。對于高副接觸的摩擦副,配對材料的硬度差5070HBS時(shí), 兩表面易于磨合和服貼, 有利于抗接觸疲勞。 為控制初始裂紋和非金屬夾雜物，應(yīng)嚴(yán)格控制材料冶煉和軋制過程。因此軸承鋼常采用電爐冶煉，甚至真空重熔、電渣重熔等技術(shù)。灰口鑄鐵雖然硬度低于中碳鋼，但由于石墨片不定向，而且摩擦系數(shù)低，所以有較好的抗接觸疲勞性；合金鑄鐵、冷激鑄鐵，抗接觸疲勞能力更好；陶瓷材料通常具有高硬度和良好的抗接觸疲勞能力，而且高溫性能好，但多數(shù)不耐沖擊，性脆。 由于微動(dòng)磨損是粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損等的復(fù)合形式

27、，一般說來，適于抗粘著磨損的材料配對也適于抗微動(dòng)磨損。實(shí)際上，能在微動(dòng)磨損整個(gè)過程的任何一個(gè)環(huán)節(jié)起抑制作用的材料配對都是可取的，例如，抗氧化磨損或抗磨粒磨損良好的材料都能改善抗微動(dòng)磨損能力。 應(yīng)選擇耐腐蝕性好的材料，尤其是在表面形成的氧化膜能與基體結(jié)合牢固，氧化膜韌性好，而且是致密的材料，具有優(yōu)越的抗腐蝕磨損能力。常用的表面摩擦學(xué)改性處理有三類：機(jī)械加工強(qiáng)化是不改變表面的化學(xué)成分，通過加工過程改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能或幾何形貌來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。擴(kuò)散處理強(qiáng)化是依靠滲入或注入某些元素的辦法改變表面的化學(xué)成分，或同時(shí)附加熱處理的手段，使表面得以強(qiáng)化。例如各種化學(xué)處理和化學(xué)熱處理。表面涂覆的特點(diǎn)是直

28、接在材料表面進(jìn)行鍍、涂或用物理、化學(xué)方法覆蓋上一層強(qiáng)化表面層。覆蓋層分硬涂層和軟涂層兩種，硬涂層經(jīng)常是鍍鋁、堆焊以及噴涂碳化物與陶瓷等，軟涂層則常常是針對粘著磨損的，目的是降低摩擦系數(shù)和提高耐溫性等。軟涂層包括涂覆銅、銦、金、銀等軟金屬，也包括涂覆PTFE和MoS2等固體潤滑劑。 首先須了解預(yù)涂零件的工作條件和可能發(fā)生的失效類型，從而設(shè)計(jì)涂層性能和選擇涂層材料。其次是根據(jù)各種涂層方法特點(diǎn)及其適用范圍，選擇適合的涂層工藝。根據(jù)涂層受力狀態(tài)和工況條件需要選擇涂層類型。例如在氧化氣氛或腐蝕介質(zhì)中工作可以采用熱噴涂, 選擇如陶瓷、塑料等非金屬噴涂材料。而提高表面耐磨性則應(yīng)選用陶瓷或者合金鋼涂層材料。如

29、果涂層工作溫度很高或變化很大則必須選用耐熱鋼、耐熱合金或陶瓷涂層。根據(jù)涂層的工況條件，設(shè)計(jì)涂層厚度、結(jié)合強(qiáng)度、尺寸精度，以及確定涂層內(nèi)是否允許有孔洞、是否需要機(jī)械加工及加工后的表面粗糙度等。涂層與基體的材質(zhì)、尺寸外形、物理化學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)、表面熱處理狀態(tài)等應(yīng)有良好的適應(yīng)性。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的表面涂層性能，應(yīng)分析選定的涂層方法的可行性。若單一表面涂層的性能不能滿足要求時(shí)，可否采用復(fù)合涂層。 在選擇表面涂層方法時(shí)，通常應(yīng)從以下方面考慮： 例如陶瓷涂層材料的熔點(diǎn)高于金屬材料，故常選用等離子噴涂或鍍膜等表面涂層方法。涂層方法不同，其最佳涂層厚度也不相同。一般情況下，堆焊層厚度范圍較寬，為25mm；熱噴

30、涂涂層厚度為0.20.6mm；噴熔涂層厚度為0.21.2mm；電刷鍍涂層厚度在0.5mm以下；鍍膜涂層厚度在0.05mm以下。堆焊與噴熔涂層可獲得高的結(jié)合強(qiáng)度，例如：鎳基自熔性合金粉末噴熔 涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)3.43MPa以上；熱噴涂涂層一般為 0.30.5MP；電刷鍍涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度大體上相當(dāng)；鍍膜涂層高于電刷鍍涂層而低于噴熔涂層。堆焊涂層可使基材表面達(dá)到熔化狀態(tài)；噴熔涂層使基材表面溫度在1000左右；噴涂涂層使基材表面溫度上升至300以下；電刷鍍和漿液涂層可在室溫條件下進(jìn)行；鍍膜工藝的基材溫升也較低，通?？稍谑覝鼗蚵愿叩臏囟认逻M(jìn)行。 潤滑膜應(yīng)有適當(dāng)?shù)暮穸炔拍鼙Ｗo(hù)摩擦表面達(dá)到防止或減

31、輕磨損的目的。實(shí)踐證明：在多數(shù)情況下油膜厚度無需完全覆蓋住表面的粗糙峰就可以有效地潤滑，而油膜過厚也有不良影響，例如剛性較差。通常利用膜厚比hmin/，作為衡量潤滑狀態(tài)的參數(shù)。 一般認(rèn)為，1.5就可把各種類型的磨損控制在輕微的程度內(nèi)而獲得合理的壽命。還可以進(jìn)一步地劃分：對于較低的速度或較低的表面粗糙度，要求0.51；對于較高的速度或粗糙的表面，則應(yīng)使2；對于磨合過的表面，取0.51；而對于未磨合的表面則應(yīng)取2；如果是平面或圓柱面接觸，要求且大些，例如25，甚至更大，以補(bǔ)償表面的波紋度和形狀誤差；在載荷不穩(wěn)定的情況下，也應(yīng)提高值。 潤滑油選擇應(yīng)根據(jù)使用條件對潤滑油的主要特性（可查相關(guān)手冊）進(jìn)行綜

32、合分析。對潤滑油的一般要求如下： 適當(dāng)?shù)恼扯瓤梢员ＷC達(dá)到油膜厚度的要求,但粘度值太高則摩擦阻力增加并引起發(fā)熱。粘度值受溫度影響很大,當(dāng)工作溫度和環(huán)境溫度變化較大時(shí),除潤滑油粘度之外,還需要選擇合適的粘度指數(shù)，它是衡量潤滑油熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo),粘度指數(shù)越高即溫度影響越小。如果粘度低或粘溫特性不夠好,可以加入增粘添加劑加以改進(jìn)。常用的增粘劑有：聚乙烯基正丁基醚、聚甲基丙烯酸酯和聚異丁烯等。這些高分子聚合物不僅可以使油的粘度增大,而且其分子鏈能隨溫度改變形態(tài)。低溫時(shí)卷曲成小球狀,增粘作用小,而高溫時(shí)舒展成線狀,增粘作用加強(qiáng),從而改善粘溫特性。如前所述,潤滑油的粘壓系數(shù)對于彈流潤滑的油膜厚度有顯著的影

33、響。 在潤滑油使用過程中，由于氧化變質(zhì)會(huì)喪失潤滑性能，大大降低工作壽命。因此潤滑油需要有較好的穩(wěn)定性。注意各種常用合成油的使用溫度界限，如超出允許溫度上限，則會(huì)加速氧化。常用的抗氧化添加劑有：二烷基二硫磷酸鹽對羥基二苯胺、2，6二叔丁基對甲酚二苯胺。它們在金屬表層形成的保護(hù)膜既可防止銹蝕，又可阻止金屬對潤滑油氧化所起的觸媒作用，因而降低氧化速度。 對潤滑油的要求還需要考慮其他功能，如冷卻、密封、防蝕、排屑、防火、安全性以及與環(huán)境的相容性等。下表列出一些選取潤滑油基本原則。 工工 作作 條條 件件潤潤 滑滑 油油 特特 性性重載重載應(yīng)選用粘度較高的油應(yīng)選用粘度較高的油高速高速潤滑油的動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)，

34、但發(fā)熱量大，應(yīng)選用粘潤滑油的動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)，但發(fā)熱量大，應(yīng)選用粘度較低的油，并采用循環(huán)供油系統(tǒng)度較低的油，并采用循環(huán)供油系統(tǒng)變速變載變向變速變載變向潤滑油粘度增高潤滑油粘度增高25左右左右精密機(jī)床和液壓系統(tǒng)精密機(jī)床和液壓系統(tǒng)粘度可低，以避免發(fā)熱粘度可低，以避免發(fā)熱溫升大溫升大選用粘度高、抗氧化性能好的礦物油或合成油選用粘度高、抗氧化性能好的礦物油或合成油溫度變化大溫度變化大選用粘度指數(shù)高的油選用粘度指數(shù)高的油低溫低溫潤滑油凝點(diǎn)應(yīng)低于最低工作溫度潤滑油凝點(diǎn)應(yīng)低于最低工作溫度50磨損嚴(yán)重磨損嚴(yán)重應(yīng)增加油的粘度，并加入抗磨或油性添加劑應(yīng)增加油的粘度，并加入抗磨或油性添加劑磨屑多磨屑多應(yīng)增加潤滑油用量并在循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置過慮裝應(yīng)增加潤滑油用量并在循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置過慮裝置，必要時(shí)還應(yīng)使用清凈添加劑或分散添加劑置，必要時(shí)還應(yīng)使用清凈添加劑或分散添加劑使用壽命長使用壽命長粘度較高、抗氧化性能較好的潤滑油粘度較高