趙朋飛

【摘要】金屬材料失效的主要形式可分為三大類(lèi)，分別是磨損、斷裂和腐蝕，其中最普遍的是磨損失效，占到了總體金屬材料失效的70%。本文深入探討了金屬材料磨損失效的有效防護(hù)措施，其中包括提高金屬材料表面的耐磨性、定期維修保養(yǎng)、改善金屬材料的制造工藝等，具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】金屬材料；磨損失效；防護(hù)

1.引言

材料科學(xué)一直以來(lái)都是支撐工業(yè)發(fā)展、科技進(jìn)步的基礎(chǔ)性學(xué)科。各類(lèi)材料中或多或少都會(huì)存在著失效問(wèn)題，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命都會(huì)造成直接影響，也會(huì)帶來(lái)材料的大量浪費(fèi)情況；解決和處理材料失效問(wèn)題的能力，往往體現(xiàn)了國(guó)家科技發(fā)展水平。從目前來(lái)看，金屬材料失效的主要形式可分為三大類(lèi)，分別是磨損、斷裂和腐蝕，其中最普遍的是磨損失效，占到了總體金屬材料失效的70%。本文就金屬材料磨損失效及防護(hù)進(jìn)行探討。

2.金屬材料磨損失效分析

2.1金屬材料磨損

金屬材料磨損是指在材料相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于化學(xué)作用、機(jī)械作用而導(dǎo)致其相互接觸表面不斷出現(xiàn)損耗的現(xiàn)象，屬于工程上較為常見(jiàn)的現(xiàn)象。研究表明：摩擦是金屬材料磨損的主要原因，摩擦系數(shù)、摩擦力與磨損存在著較為復(fù)雜的關(guān)系。從目前來(lái)看，很多因素都有可能會(huì)影響到金屬材料磨損，包括材料的物理化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境因素（如介質(zhì)、濕度、溫度等）、潤(rùn)滑狀況、材料組成、工作條件（如工作載荷、運(yùn)動(dòng)方式、工作速度等）；只要任一因素出現(xiàn)微小的變化，都有可能回改變金屬材料的磨損量，也有可能會(huì)改變金屬材料的磨損機(jī)理。

可基于不同的角度來(lái)分析金屬材料的磨損過(guò)程，第一，基于物理化學(xué)角度，金屬材料的磨損過(guò)程實(shí)質(zhì)上是熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程；并且無(wú)論是冷卻過(guò)程，還是加熱過(guò)程，速度都極快，屬于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；這樣一來(lái)，就會(huì)讓材料表面出現(xiàn)較高的表面活性和自由能。當(dāng)周?chē)h(huán)境介質(zhì)與金屬材料原子相互作用，就有可能會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，以及化學(xué)吸附、物理吸附，必然會(huì)有加工硬化成層出現(xiàn)在金屬材料表面，進(jìn)而對(duì)整個(gè)磨損過(guò)程造成影響。第二，基于原子與作用力角度，在相互接觸的金屬材料表面上，原子較為接近，甚至還有可能會(huì)讓原子進(jìn)入到斥力場(chǎng)，這樣必然會(huì)出現(xiàn)能量損耗。理論上來(lái)看，原子在自然作用、排斥作用的影響下，若表面處于充分接觸的狀態(tài)，那么原子必然能夠原路返回到原本的位置，但實(shí)踐與理論差異較大，基本是不可能實(shí)現(xiàn)的，換言之，原子必然會(huì)被撞擊至另一個(gè)原子場(chǎng)當(dāng)中，并在短時(shí)間之內(nèi)在該處獲得新的平衡。

2.2金屬材料的磨損失效過(guò)程分析

2.2.1跑合階段

跑合階段通常都出現(xiàn)于摩擦副的初始運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。眾所周知，金屬材料表面或多或少都必然會(huì)存在一定的粗糙度，即會(huì)出現(xiàn)微凸體，這些微凸體的接觸應(yīng)力較大，會(huì)在載荷作用下出現(xiàn)較大的磨損，逐漸磨平互相摩擦的表面，最終會(huì)增大實(shí)際接觸面積，減慢磨損速度。

2.2.2穩(wěn)定磨損階段

穩(wěn)定磨損階段通常都出現(xiàn)于摩擦副的正常運(yùn)行過(guò)程中。摩擦表面在跑合作用后會(huì)出現(xiàn)較為明顯的加工硬化現(xiàn)象，在一定程度上會(huì)改變微觀幾何形狀，增大實(shí)際接觸面積，但壓強(qiáng)也會(huì)隨之出現(xiàn)明顯的降低，這樣一來(lái)，就會(huì)為彈性接觸打下基礎(chǔ)。穩(wěn)定磨損階段的磨損速度基本趨于穩(wěn)定，但是隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，磨損量會(huì)隨之增大。

2.2.3劇烈磨損階段

劇烈磨損階段通常都出現(xiàn)于摩擦副的異常運(yùn)行過(guò)程中。在此階段中，金屬材料的磨損速度會(huì)劇增，但機(jī)械效率和精度都會(huì)隨之降低，并且還會(huì)出現(xiàn)較大的異常噪聲和振動(dòng)，最終的結(jié)果必然是金屬零件處于完全失效的狀態(tài)，即磨損失效狀態(tài)。

2.3金屬磨損失效的模式及起因

金屬磨損失效的模式主要有五種：第一種為微動(dòng)磨損失效，它是指在環(huán)境因素作用下，摩擦副材料（處于相對(duì)固定狀態(tài)）表面之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)振動(dòng)，雖然振動(dòng)幅度較小，但是持續(xù)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)磨損失效。第二種為疲勞磨損失效，它是指在接觸應(yīng)力作用下（處于循環(huán)變化狀態(tài)），摩擦副材料表面之間會(huì)由于材料疲勞剝落而出現(xiàn)諸多微笑的凹坑，進(jìn)而導(dǎo)致磨損失效。第三種是粘著磨損失效，它是指摩擦副材料表面之間在不斷接觸摩擦過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)粘著剪切效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致部分摩擦表面材料轉(zhuǎn)移到對(duì)偶表面或者出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致磨損失效。第四種是腐蝕磨損失效，它是指周?chē)橘|(zhì)與摩擦副材料不斷接觸摩擦過(guò)程中出現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)或者化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而使得金屬材料的磨損過(guò)程加速進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致磨損失效。第五種是磨粒磨損失效，它是指摩擦副材料與外界硬顆粒摩擦而出現(xiàn)塑性變形或金屬材料脫落，進(jìn)而導(dǎo)致磨損失效。

雖然確定了金屬磨損失效的模式，但并不意味著確定了金屬磨損失效的原因，主要原因在于：金屬磨損失效是由整個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)來(lái)決定的，而不僅僅是受到摩擦副材料決定；金屬磨損失效有著其復(fù)雜性、特殊性，受到多種因素的互相作用。歸納起來(lái)，金屬磨損失效的起因主要包括：第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素；第二，包括表面處理、材質(zhì)等在內(nèi)的摩擦副材料因素；第三，包括介質(zhì)、溫度等在內(nèi)的環(huán)境條件因素；第四，包括速度、接觸形式、負(fù)荷及運(yùn)動(dòng)形式等在內(nèi)的摩擦條件；第五，包括潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑等在內(nèi)的潤(rùn)滑技術(shù)。只有找準(zhǔn)導(dǎo)致出現(xiàn)金屬磨損失效的主要因素，并有針對(duì)性地采取相應(yīng)防護(hù)措施，才能夠徹底解決問(wèn)題。

3.金屬材料磨損失效的有效防護(hù)措施

3.1提高金屬材料表面的耐磨性

3.1.1化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是指通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散滲入一些外來(lái)元素來(lái)對(duì)金屬材料的化學(xué)成分進(jìn)行改變，以便達(dá)到強(qiáng)化表面的效果。但是值得注意的是，化學(xué)熱處理的成本支出較高，且處理時(shí)間較長(zhǎng)，還需要專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)操作專(zhuān)門(mén)設(shè)備，所以，僅僅只是在特殊情況下使用，使用頻率較低。

3.1.2表面薄膜強(qiáng)化

表面薄膜強(qiáng)化是指在金屬材料表面利用離子注入、氣相沉積、電鍍等化學(xué)方法或物理方法是覆蓋膜層（覆蓋膜層的材料與基體材料完全不同），以此來(lái)形成抗腐蝕膜和耐磨層。

3.1.3表面形變強(qiáng)化

表面形變強(qiáng)化是指利用冷擠壓、噴丸等機(jī)械方法來(lái)強(qiáng)化金屬材料表面層，使之形成較強(qiáng)的塑性變形，進(jìn)而使之出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度較高的硬化層。表面形變強(qiáng)化能夠?qū)饘俨牧系哪湍バ杂枰杂行У靥岣撸也僮鞣椒ê?jiǎn)單。

3.1.4表面熱處理強(qiáng)化

表面熱處理強(qiáng)化是指利用快速加熱、高溫等方式來(lái)熱處理金屬材料表面，其工作原理為固態(tài)相變。金屬材料在熱處理之后，不僅能夠明顯提高抗疲勞強(qiáng)度，還能夠提高耐磨性，屬于工程上應(yīng)用較多的方法。

3.1.5表面合金強(qiáng)化

表面合金強(qiáng)化是指重新凝固、重新熔化金屬材料表面，以此來(lái)獲得較佳的組織或者成分。表面合金強(qiáng)化主要是采用高能量密度的快速加熱，使金屬表層熔化，或是將覆蓋在金屬表層上的合金材料熔化，然后通過(guò)冷卻的方式進(jìn)行凝固，從而獲得硬化層，這樣金屬表層便會(huì)具有足夠的耐磨性。

3.2定期維修保養(yǎng)

3.2.1定期的潤(rùn)滑保養(yǎng)

當(dāng)使用機(jī)械設(shè)備一段時(shí)間之后，為了能夠避免出現(xiàn)金屬材料磨損失效的問(wèn)題，可利用潤(rùn)滑油（耐磨性較高）來(lái)保養(yǎng)金屬材料，這樣一來(lái)，不僅能夠增強(qiáng)金屬材料的抗磨性及自身性能，還能夠?qū)C(jī)械設(shè)備的使用壽命予以有效地延長(zhǎng)。

3.2.2改善工作環(huán)境

導(dǎo)致金屬材料磨損失效的主要因素之一是工作環(huán)境，可通過(guò)對(duì)工作環(huán)境機(jī)械改善來(lái)達(dá)到防護(hù)金屬材料磨損失效的效果。第一，要最大限度防止機(jī)械設(shè)備中滲入各種腐蝕性物質(zhì)；第二，正常使用機(jī)械設(shè)備，不能讓其長(zhǎng)期處于超額作業(yè)狀態(tài)；第三，保持機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境的整潔。

3.2.3采取預(yù)防性維修方式

第一，以環(huán)境、質(zhì)量、安全、成本、利用率為依據(jù)，基于檔案資料來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)備金屬材料磨損故障后果和原因進(jìn)行分析；同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的反饋（損失、停機(jī)、可靠性等）；運(yùn)用分析結(jié)果來(lái)改進(jìn)金屬材料磨損失效工作，并及時(shí)確定預(yù)防性維修的方式。第二，將機(jī)械設(shè)備分解成若干個(gè)模塊，同時(shí)要深入調(diào)查分析重要部件材料磨損情況。第三，應(yīng)該由機(jī)械設(shè)備的操作人員、熟悉此設(shè)備的人員或者專(zhuān)家來(lái)選擇具體的維修方式。為了讓所選擇的維修方式變得更加有效，設(shè)備管理部門(mén)應(yīng)該編寫(xiě)下列文件：①選擇出最有效維修方式的維修工作任務(wù)手冊(cè)；②將設(shè)備維修方法進(jìn)行分類(lèi)；③建立設(shè)備維護(hù)邏輯判斷程序，以適合多種故障模式維修。

3.3改善金屬材料的制造工藝

針對(duì)金屬材料表面存在的摩擦力和粗糙度，可對(duì)金屬材料的制造工藝予以改善，降低摩擦系數(shù)，提升光滑度，從而有效地讓粘著磨損得以降低；與此同時(shí)，還應(yīng)該要進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)械設(shè)備的切削工藝、鑄造工藝、焊接工藝、鍛造工藝，進(jìn)而有效提高機(jī)械設(shè)備的機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能。例如：機(jī)械設(shè)備的抗電化學(xué)腐蝕性能和抗化學(xué)腐蝕性能可通過(guò)改進(jìn)鍛造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)備人員還應(yīng)該針對(duì)機(jī)械設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中存在的各種缺陷來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，如選用適宜的摩擦副材料、設(shè)計(jì)合理的金屬零件摩擦學(xué)結(jié)構(gòu)等等，為機(jī)械設(shè)備正常工作的發(fā)揮出積極的作用。

4.結(jié)語(yǔ)

總之，應(yīng)該及時(shí)評(píng)定機(jī)械設(shè)備的使用情況，對(duì)其磨損失效予以高度重視，并且還要給出合理、科學(xué)的防護(hù)措施，以保證機(jī)械設(shè)備可靠、經(jīng)濟(jì)、安全地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性運(yùn)行。

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