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1、第六章磨损检测与抗磨损设计,Chapter 6Wear Detecting and Anti-wear Designing,第六章磨损检测与抗磨损设计 Wear Detecting and Anti-wear Designing,6.1摩擦磨损实验方法与装置 Friction and Wear Experimental Methods 6.2磨损量的测量方法Wear Measurement Methods 6.3机械系统摩擦状态监测技术Monitoring Techniques of Mechanical System Frictional Statuses 6.4零件磨损失效分析Elemen
2、t Wear Failure Analysis 6.5润滑油、润滑脂和固体润滑剂的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,Grease and Solid Lubricant 6.6摩擦副材料配伍Material Compatibility of Friction Pairs 6.7表面涂层技术Surface Coating Technology,6.1摩擦磨损实验方法与装置 Friction and Wear Experimental Methods,6.1.1摩擦磨损实验的意义和标准化The Meaning and Standardization
3、 ofFriction and Wear Experiment6.1.2摩擦磨损实验方法Friction and Wear Experimental Methods 6.1.3通用的摩擦磨损实验机Universal Expermental Machine ofFriction and Wear,6.1.1摩擦磨损实验的意义和标准化The Meaning and Standardization of Friction and Wear Experiment,无论是摩擦磨损理论研究，还是摩擦磨损技术开发应用，都离不开摩擦磨损实验方法和手段。从理论研究角度，可以通过实验考察模拟工况条件与实际工况条件
4、下摩擦磨损的特征与变化，探索各种内在因素（如材料的物理、化学、力学性能）和外部因素（包括载荷、速度、温度和环境条件等）对摩擦磨损性能的影响规律，从而揭示各种摩擦磨损的成因和机理。从应用技术开发角度，可以通过实验获得大量的实验数据，从而为合理确定符合使用条件的最优设计参数提供直接依据。由于摩擦磨损现象十分复杂，实验方法和装置种类繁多，各种自制的摩擦磨损实验台所获得的实验数据具有很强的条件性，因此往往缺乏可比性，这对同行重复实验结果或者应用实验结果进行技术开发和应用很不利。所以摩擦学界同仁提出了摩擦磨损实验标准化的问题以及相应的解决措施，就是统一实验规范和方法，研制标准化的摩擦磨损实验装置。,6.
5、1.2摩擦磨损实验方法Friction and Wear Experimental Methods,1实验室试件实验方法（laboratory sample experimental method）实验室试件实验方法被摩擦学界广泛应用，它是在实验室内利用已标准化的通用摩擦磨损实验机进行实验，实验用的试件也是按标准要求（如形状和尺寸）加工制作。这种实验方法的优点是，实验环境条件和工况参数容易控制，实验数据重复性较高，实验条件的变化范围宽，可以在短时间内获得较系统的对比实验数据。其缺点是，实验条件往往与实际工况条件相差较大，导致实验数据的实用性较差。因此，在进行实验室试件实验时，应当尽可能地模拟实
6、际工况条件，包括滑动速度和表面压力的大小和变化、表面层的温度变化、润滑状态、环境介质条件和表面接触形式，等等。特别地，要使主要的实验影响因素接近实际工况条件，例如，对于高速摩擦副的摩擦磨损实验，温度影响是主要问题，应当使试件的散热条件和温度分布接近实际情况；对于低速摩擦副实验，由于磨合时间较长，为了消除磨合对实验结果的影响，可以预先将试件的摩擦表面磨合，以便形成与使用条件相适应的表面品质，如果使用未经磨合的试件，通常不采纳最初测量的几个数据，以排除这些可能不稳定的数据。实验室试件实验方法主要适用于各种摩擦磨损机理和影响因素的定性研究，以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能评定的参考性实验。,2模拟台
7、架实验（simulation tester experiment methods）模拟台架实验方法是在实验室试件实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件和专用的试验台架，并在模拟使用条件下进行试验。其优点是，模拟台架实验条件接近实际工况，从而提高了实验数据的可靠性和实用性。同时，模拟台架实验可以实现实验条件的强化和严格控制，也可以在较短的时间内获得系统的实验数据，还可以进行个别因素对摩擦磨损性能影响的研究。模拟台架实验主要应用于校验实验室试件实验所获得数据的可靠性以及零件磨损性能设计的合理性。模拟台架实验方法一般用于摩擦磨损应用技术开发的前期实验。,6.1.2摩擦磨损实验方法Frictio
8、n and Wear Experimental Methods,3现场实验方法(real condition experimental method)现场实验方法就是在实验室试件实验和模拟台架实验基础上，对已经进行摩擦磨损设计的零件进行现场的实际应用对比实验。现场实验方法的优点是，实验数据的真实性和可靠性好，可以直接验证摩擦磨损理论研究和应用技术的正确性和有效性，也能用于检验实验室试件实验结果和模拟台架实验结果；其缺点是，实验周期长，费用大，实验数据是所有因素综合影响作用下的结果，因而实验数据对具体的摩擦磨损影响因素的深入分析没有帮助。现场实验方法一般应用于摩擦磨损应用技术实际开发过程中的实验
9、。,6.1.2摩擦磨损实验方法Friction and Wear Experimental Methods,6.1.3通用的摩擦磨损实验机Universal Experimental Machine of Friction and Wear,目前，通用摩擦磨损实验机主要应用于各种摩擦磨损机理研究，以及评定各种摩擦副材料或润滑剂的摩擦磨损性能。图6.1为通用摩擦磨损实验机所采用的两试件间的各种接触形式和相对运动方式。两试件间的接触形式包括面接触、线接触和点接触三种。面接触试件的单位面积压力只有50MPa100MPa，常用于磨粒磨损实验。线接触试件的最大接触压力可达到1000MPa 1500MPa
10、，适合于接触疲劳磨损实验和粘着磨损实验。点接触试件的表面接触压力更高，最大可达5000MPa，适用于需要很高接触压力的实验，例如胶合磨损或高强度材料的接触疲劳磨损实验。两试件间的相对运动方式包括纯滑动、纯滚动或者滚动伴随滑动。实验机驱动试件的运动方式主要有旋转运动和往复直线运动。,图6.1 通用摩擦磨损实验机采用的两试件间的接触形式和运动方式,6.1.3通用的摩擦磨损实验机 Universal Experimental Machine of Friction and Wear,下面介绍几种通用的摩擦、磨损和润滑实验机。书上介绍了1四球试验机(four balls tester)2环块试验机(r
11、ing-block tester)3销盘式试验机4多功能摩擦磨损试验机5专用或极端工况摩擦磨损试验机6摩擦实验机7薄膜润滑与弹流润滑试验台8微纳摩擦学试验机等种试验机，在这里我主要介绍前两种，其它几种同学们可以通过书本自学。,6.1.3通用的摩擦磨损实验机 Universal Experimental Machine of Friction and Wear,1四球试验机(four balls tester)四球试验机是根据图6.2a所示的原理制成的，用于做点接触摩擦副的摩擦磨损实验。被动试件由其中的三个球组成，三球夹紧成巢状置于带有滚道的套杯中，如图6.2b。主动试件是另一个球，它位于被动试
12、件三球的上方，主动试件一个球在轴向载荷作用下与被动试件的三个球保持点接触状态，同时，主动试件被驱动作旋转运动，与被动件三个球作相对滑动运动。四球试验机通常应用于评定润滑油添加剂性能，主要原理是根据磨痕直径和摩擦系数对试验结果进行比对分析。,6.1.3通用的摩擦磨损实验机 Universal Experimental Machine of Friction and Wear,（a）四球摩擦试验机原理图(b)四球试验机中的下面三个球及滚道图6.2 四球摩擦磨损试验机,6.1.3通用的摩擦磨损实验机 Universal Experimental Machine of Friction and Wea
13、r,2环块试验机(ring-block tester)环块摩擦磨损试验机又称Timken试验机，它是根据图6.3a的形式设计的，用于做线接触摩擦副的摩擦磨损试验。主动试件是一个旋转圆环（标准试件），被动试件是被固定的标准尺寸矩形试块（图6.3b）。其原理是通过测量被动试件矩形块上出现的条状磨痕的宽度，以评定润滑剂或矩形试块材料的摩擦磨损性能。高速环块摩擦磨损试验机，主要用于中高档汽车齿轮油抗擦伤性能的模拟评定，也可以用于各种金属、非金属材料及涂层等的性能研究。普通环块磨损试验机，主要用来做各种润滑油和润滑油脂在线接触滑动摩擦状态下的承载能力和摩擦特性的试验；也可以用来做各种金属材料和非金属材料
14、（尼龙、塑料等）在滑动摩擦状态下的耐磨性能的试验；同时也可用于测定各种材料摩擦副的摩擦力，并推算出各种材料摩擦副的摩擦系数。,6.1.3通用的摩擦磨损实验机 Universal Experimental Machine of Friction and Wear,(a)环块磨损试验机原理(b)环块磨损试验机试件图6.3 环块磨损摩擦磨损试验机,6.1.3通用的摩擦磨损实验机 Universal Experimental Machine of Friction and Wear,6.2磨损量的测量方法 Wear Measurement Methods,在磨损机理及耐磨技术研究中，磨损量测量是最重要
15、的研究手段之一。目前摩擦学界和工业界普遍采用的磨损量测量手段有三类，分别是试件表面材料损失的重量计量法、厚度计量法和体积计量法。具体地，常用的磨损量测量有称重法、测长法、表面轮廓法、压痕或切槽法、沉淀法或化学分析法、放射性同位素法，等等。,6.2.1 磨损量重量计量法Wear Weight Measurement Methods,1称重法(weight measurement method)它是一种直接的磨损量重量计量法。它是利用精密分析天平、电子天平等仪器称量试件在实验前后的重量的变化来确定磨损量，通常测量精度可达到0.l mg。它是一种较常用的磨损量测量法，适用于小尺寸试样或摩擦过程塑性变
16、形不大的试件。一般情况下，称重法应同时测定配对的摩擦副试件的磨损量。,6.2.1 磨损量重量计量法 Wear Weight Measurement Methods,2沉淀法或化学分析法Precipitation Method/Chemical Analysis Method 它是一种间接的磨损量重量计量法。沉淀法就是将润滑油中所含的磨屑经过过滤或者沉淀分离出来，再通过称重磨屑来测量磨损量。化学分析法就是采用定量分析化学的方法测量润滑油中所含磨屑的组成和重量，它可以测量各种磨损元素的重量，也可以根据材料使用情况来判断磨损的部位。定期地从润滑系统中取出油样，采用沉淀法或化学分析法测量磨损量随时间的
17、变化情意。问题是，测量所得到磨损量是整个摩擦副表面的总磨损量，无法确定表面磨损分布情况。,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,1测长法(length measurement method)测长法是测量试件在试验前后摩擦面法向尺寸的变化或者磨损表面与某基准面距离的变化来确定磨损量。常用的工具是精密量具、测长仪、万能工具显微镜，或其它非接触式测微仪。测长法的特点是试件经短时间工作即能测定磨损量，测量精度高，可用于确定试件不同部位的磨损量分布情况。该方法适用于表面粗糙度小、磨损量不大的试件，而不适用于测量表面有明显塑性流动的
18、试件的磨损量。,2表面轮廓法(surface profile method)表面轮廓法是利用高精度表面轮廓仪直接测量磨损前后试件表面轮廓的变化来确定试件的磨损量。表面轮廓法可应用于测量磨损厚度不超过表面粗糙峰高度的试件的磨损量。这种情况下，为了保证准确地描绘磨损前后相同部位的轮廓，可以采用如图6.12所示的装置，通过显微镜和试件上的定位基准确定测量位置。,图6.12表面轮廓法,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,表面轮廓法也可应用于测量表面的可测磨损量，即磨损厚度超过表面粗糙度的磨损量。但是，这种情况下，必须采用测量基
19、准。图6.13所示给出了两种测量基准，图6.13（a）用未磨损表面作基准；图6.9（b）是在试件表面上开设一个楔形槽，根据磨损前后楔形槽宽B和b的数值变化量计算磨损厚度h。轮廓法可以记录试件在磨损过程中表面轮廓的变化和磨损分布。但是，轮廓法测量过程操作复杂，而且试件的形状和尺寸受到量程范围的限制。,图6.13 可测磨损的轮廓法测量,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,3压痕或切槽法（press mark or cutting groove method）它是在试件表面上人为地产生压痕或者切槽作为测量基准，然后测量试件试
20、验前后摩损表面基准尺寸沿深度方向的变化量来测量试件的磨损量。它可在摩擦表面的不同部位产生基准，用于测量试件表面不同位置的磨损量分布。压痕法通常采用维氏硬度计的压头在摩擦表面压出正方角锥形的坑，如图6.14所示。,图6.14 正方角锥压痕,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,如果锥面角为（通常136），对角线长为d，则高度为h为(6.2)式中，当表面磨损后，通过测量对角线的变化计算高度的变化。如果磨损前后对角线由d变化到d1，那么磨损厚度 可以按下式计算(6.3),6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Th
21、ickness Measurement Methods,压痕法也可以用于测量圆柱面磨损量。左图表示内圆表面磨损量测量原理，R为磨损前内圆半径，d和d1为磨损前后的对角线长，则内圆表面的磨损厚度 按下式计算。,(6.4),外圆表面的压痕尺寸如左图所示，磨损厚度 的计算公式为,(6.5),6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,由于人为地产生压痕过程并非完全塑性变形，导致压坑与压头的形状不完全相同。所以，按公式（6.3）-（6.5）计算磨损量时，应该考虑试件表面压痕的弹性变形的影响，也就是增大m数值。当锥面角=136时，m取值
22、为：塑性良好的金属，例如铅，取m=7；铸铁，取m=7.68.2；轴承钢，取m=7.78.4。压痕法产生误差的另一个原因是压坑四周鼓起，使表面形状发生变化，并影响摩擦副的配合性质和磨损量测量精度。图6.17表示压坑四周鼓起情况，尺寸a和a0的大小依材料性质而定。,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,图6.17 压坑四周鼓起情况示意图,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,如果磨损前后对角线尺寸由d1减少到d2，则实际磨损量h为考虑压坑四周鼓起影响的
23、测量磨损量h为则，测量误差为(6.6)通常E的数值达到60，甚至更高。为了减少压痕法的测量误差，必须采用专用工具修整，或实验前充分磨合，或在最终加工工序前进行压痕等方法来消除压痕四周的鼓起。人工产生压痕时的压头压入力计算公式为式（6.7）。(6.7)式中，P为压入力N；d为对角线长度mm，通常取d=1；Hv为材料的维氏硬度（MPa）。,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,切槽法测量磨损量与压痕法十分相似，但是切槽法没有弹性变形回复和四周鼓起的影响。切削中也有弹性变形和切削热等因素影响，造成一定的槽形几何误差，但一般不超
24、过5，所以测量精度比压痕法高。右图所示为切槽尺寸。,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,根据几何关系得或(6.8)按照近似公式（6.8）计算的误差不超过l。根据切槽宽度l的变化计算磨损厚度(6.9),6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,当测量圆柱表面上的磨损量时，如果圆柱半径为R，则测量内圆表面的磨损厚度计算式为：(6.10)外圆表面的磨损厚度 计算式为式（6.11）：（6.11）,为了避免磨屑堵塞槽内影响测量精度，槽的长度方向应当与滑动方向垂
25、直。通常选择槽长尺寸为1.5mm左右，而槽深应超过表面粗糙度和磨损厚度。压痕法和切槽法只适用于磨损量不大而表面光滑的试件。由于这两种方法都要局部破坏试件的表层，因而不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构变化。,6.2.2 磨损量厚度计量法Wear Volume Thickness Measurement Methods,6.2.3 磨损量体积计量法Wear Volume Measurement Method,放射性同位素法就是一种常用的磨损量体积计量法。它是将摩擦表面经放射性同位素活化，使得磨损过程中落入润滑油中的磨屑具有放射性，通过定期测定润滑油的放射性强度，换算出磨损量随时间的变化。摩擦副
26、试件表面的放射性同位素活化主要有五种方式，包括镀层法、熔铸法、嵌入法、照射法及扩散法。当然，试验时要根据试件放射性强度的大小采取不同的防护措施。优点：磨损量的重量计量法、厚度计量法的共同缺点是测量时必须拆卸机器，所以操作复杂。此外，测量磨损量随时间变化时，则磨损工况条件将因每次拆装而改变。磨损量的体积计量法可以实时测量磨损量，避免上述缺点。,1轴承部件；2流量计；3压力计；4油泵；5冷却器；6油箱；7过滤器；8盖格计数器；9漏斗图6.19放射性同位素法测量磨损原理图,图6.19为同放射性位素法测量滑动轴承磨损的装置。具有放射性的磨屑随着润滑油的循环流动通过盖格计数器附近，计数器及其定标装置记录
27、放射性辐射脉冲数目，从而连续地测量磨损量的大小。放射性同位素方法测量磨损量的灵敏度可达10-710-8g。,6.2.3 磨损量体积计量法Wear Volume Measurement Method,6.3 机械系统状态监测技术 Monitoring Techniques of Mechanical System Frictional Statuses,6.3.1 铁谱分析技术Ferrograph Analysis Method 6.3.2 光谱分析技术 Spectral Analysis Method 6.3.3 润滑油成分分析技术Analysis Technique of Ingredien
28、t of Lubricating Oil6.3.4 机械振动或噪声检测和分析技术Mechanical Vibration or Noise Detective and Analysis Technique 6.3.5 润滑状态分析技术Lubrication State Analysis Technique,一些重要的大型机械系统，如大型成套机组，连续工作过程的安全性和可靠性十分重要，除了要求对其进行振动、噪声监测之外，还需要对机械系统的摩擦状态进行监测，就是在运转过程中对机械系统中的关键摩擦副的磨损状态和润滑系统进行检测，及时预报它们的工作状况，以便采取有效的维修措施，避免突然损坏或重大事故的
29、发生。重要大型机械系统的摩擦状态监测的一般方法是，采用物理或化学检测手段，定期地或连续地显示机械装备的磨损或润滑状态6-14。常用的检测技术有：,6.3 机械系统状态监测技术 Monitoring Techniques of Mechanical System Frictional Statuses,6.3.1 铁谱分析技术Ferrograph Analysis Method 大多数机械系统磨损过程都会形成磨屑，因此，定期或连续地观察或检测润滑油中磨屑的尺寸、形状和组成就可以判断磨损的形式、磨损急烈程度和磨损发生的部位。铁谱分析技术是20世纪70年代发明的一种机械系统磨损润滑状态的在线检测技术
30、，它可用于分离和检测取样油液中磨屑状态。,6.3.1 铁谱分析技术Ferrograph Analysis Method,原理：如图，定期地从循环的润滑油系统中抽取少量润滑油样，将油样在铁谱分析仪的用玻璃片制作的流道中自上而下低速地、稳定地流动，在铁谱仪设置的有磁场梯度变化的磁场力作用下，油样中的磨屑沉淀在流道中形成铁谱片。铁谱仪中的油液流道设置在倾斜布置的玻璃片上，而且流道仅限于玻璃片的中央窄带位置。流道的倾斜布置导致磁场梯度的变化，自上而下磁场梯度增加，磨屑在粘性力和磁场力复合作用下，自动地按磨屑颗粒尺寸大小分布，较大的颗粒先沉淀，较小的颗粒后沉淀。当一定量的润滑油流经玻璃片后，经清洗及固定
31、过程，除去多余的油，并使颗粒定位，即完成铁谱片的制作。,上图所示是一张典型的铁谱片，图中白色玻璃片中间的一条暗带就是沉淀的磨屑颗粒。通常情况下，沉淀物总重量约为10g。用铁谱仪沿玻璃片不同位置处测量其光的密度即可估计出磨屑的密度和分布。,6.3.1 铁谱分析技术Ferrograph Analysis Method,根据以往工业界实际应用积累的大量铁谱检测图片，将磨屑图象汇编成标准的铁谱图册，具有重要的工程应用参考价值。例如，现在应用铁谱技术进行油液分析时，可以利用光学显微镜对制成的铁谱片进行观察，并与铁谱图对照，即可根据磨屑的形状和分布密度确定磨损的状态。依照已有经验，正常磨损的磨屑一般呈片状
32、；磨粒磨损或犁沟作用形成的磨屑具有螺旋状或卷曲状；而表面接触疲劳磨损则产生球形磨屑。至于氧化磨损或腐蚀磨损，由于磨屑是由化合物组成的，所以在有色光作用下会显示出不同的颜色，但不易判断形状。另一方面，可以根据磨屑的浓度，判断各种磨损类型的严重程度。,6.3.1 铁谱分析技术Ferrograph Analysis Method,下图所示是由光学显微镜观察到的各类磨屑形状。,（a）切削磨粒（b）疲劳磨粒（c）层状磨粒,（d）球状磨粒(e)氧化铜磨粒,(f)中度剥落 磨损磨粒(g)严重剥落磨损磨粒,6.3.1 铁谱分析技术Ferrograph Analysis Method,6.3.2 光谱分析技术S
33、pectral Analysis Method 光谱分析技术是利用组成物质的原子在一定条件下能发射具有各自特征的光谱的性质，分析润滑油中的金属含量。正常情况下原子处于稳定态。当原子得到一定能量以后会处于激发态而变成不稳定态，但是，在极短的时间内又会转化为稳定态，同时将多余的能量以光的形式释放出来而产生光谱。不同的原子所产生的光谱不同，因此通过光谱分析可以测定润滑油中金属元素的含量，从而预测磨损状态。光谱分析技术通常应用于铁路机车和船舶柴油机以及航空发动机的磨损检测。,6.3.3 润滑油成分分析技术Analysis Technique of Ingredient of Lubricating O
34、il润滑油成分分析技术也是一种直接的机械系统滑润或磨损状态检测技术。它是应用理化分析技术定期地对润滑油的酸度、添加剂浓度、不溶物质的含量和组成进行测定，用于检测和分析机械系统的润滑或磨损状态。,6.3.4 机械振动或噪声检测和分析技术Mechanical Vibration or Noise Detective and Analysis Technique 机械振动或噪声分析技术是一种间接的机械系统滑润或磨损状态检测技术。由于机械系统润滑系统失效或者出现严重不正常磨损状态时，机器运行将会产生异常的振动或者噪声信号。应用机械振动或噪声检测和分析技术，通过监测机械设备在运行中的振动或噪声信号，可以
35、间接地判断机械系统的润滑或磨损状态，而且它可以实现机械系统摩擦状态的在线连续监测。这种机械系统摩擦状态间接检测技术应用于低噪声机械系统的机械零件磨损状态监测效果较好，例如滑动轴承。对于较大振动和噪声的零件，如齿轮传动，由于难于区分零件本身运行产生的振动噪声信号和因磨损恶化所产生的振动噪声信号，无法保证检测的可靠性,6.3.5 润滑状态分析技术Lubrication State Analysis Technique 对于重要的机械系统，保证运行过程中运动摩擦副处于全膜润滑状态是最理解的。因此，对于重要机械系统往往要进行在线的润滑状态分析。对于油润滑状态下的摩擦副，采用适当的传感器技术测量摩擦表面
36、之间的油膜厚度、摩擦系数、接触状况以及表面温度等参数，可以检测和分析摩擦副所处的正确润滑状态。例如，采用电感传动器技术，可以通过连续测量电信号计算出相当的膜厚参数，从而分析所处润滑状态，甚至可用于实现自动控制，具体地，当油膜厚度或温度达到临界数值时，通过自动控制系统及时调节工作参数，以保证继续正常工作，或者停机，以防止事故发生。近年来也有研究应用光纤传感技术进行润滑状态监测的报道。电感传感器可以识别大的黑色金属和有色金属颗粒，光纤传感器可以测量油液中固体颗粒污染物。,6.4 零件磨损失效分析Element Wear Failure Analysis在实际生产中，为了减小零件磨损或延长零件的使用
37、寿命，必须首先准确地判断零件磨损失效的原因，然后采取相应的对策1,2,14。因此，零件磨损失效分析具有很重要的意义。这里扼要地介绍零件磨损失效分析的一般方法。6.4.1 现场调查(locale investigation)第一时间现场收集零件失效的第一手资料对零件的磨损失效分析是至关重要的，现场收集的资料信息包括以下四个方面。1被磨损零部件的实物和图纸，还有未使用的相同零件用于对比分析。2磨损失效零部件工作条件，包括载荷、速度、温度等参数，以及磨损的过程、时间和部位。3润滑油供应系统和技术性能参数。4维护保养和操作规范及其执行情况等。,6.4.2 检测分析润滑油及其供应系统(system fo
38、r analyzing and supplying lubricating oil)检测分析润滑油及其供应系统时，主要检查以下几个项目。1检测润滑油的主要化学组分和添加剂含量及性能指标。包括润滑油的粘度和粘温特性；润滑油的灰分即完全燃烧后剩余的残渣以及添加剂Zn、Ba和Ca的含量。2测定润滑油是否变质及受污染程度。检测内容包括润滑油的酸度或碱度，以及不溶物质、水分、乙二醇、污染物等的含量；还要检测润滑油中是否含有过量的、大块的或者异常的磨屑。3检查润滑油供应系统的工作状况，包括油泵和过滤器的工作性能以及供油系统的流量。,6.4.3 检测分析磨损零部件(detection and analysi
39、s of worn element or part)1分析零件开始破坏的位置和破坏的发展过程。2确定主要磨损形式。一般采用光学显微镜观察摩擦表面，根据磨损特征判断磨损形式。用切截剖面观察疲劳裂纹和白层结构等组织变化。对于不便直接在实验室进行分析的大型零件，可以采用专门的聚合物贴附在磨损表面，将破坏部位的形貌详尽地复印出来，然后到实验室进行观察和分析。3材料配伍分析。采用能谱技术分析材料的化学成分和含量，检查零件磨损前后的表面形貌和硬度等机械性能的变化。用切截剖面观察非金属夹杂物尺寸和分布情况。,6.4.3 检测分析磨损零部件(detection and analysis of worn ele
40、ment or part)4.检验零件的设计合理性及其运行情况检验分析失效零部件设计的合理性。例如，如果全膜润滑状态下的摩擦副产生磨损失效，应核算油膜厚度、膜厚比、润滑油流量、表面压力以及工作温度等。了解零件磨损失效前后载荷、速度、温度以及振动、噪声的变化情况。通过以上几种手段的观察和分析，基本上可以确定造成零部件失效的主要磨损形式和原因。零件磨损失效最常见的原因有以下几种。1摩擦副材料配伍或润滑剂选择不当；2润滑油供应系统工作不正常或润滑油变质或受污染；3.工况条件超过设计参数所允许的范围；4.制造和安装误差造成恶劣工作条件。,6.5润滑油、润滑脂和固体润滑剂的合理选用Properly Se
41、lecting of Lubricating Oil,Grease and Solid Lubricant,6.5.1 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil6.5.2 润滑脂的合理选用Properly Selecting of Grease6.5.3 固体润滑剂的合理选用Properly Selecting of Solid Lubricant6.5.4 过滤与密封Filtration and Seal,机械设备，尤其是在高速、高温、重载或腐蚀介质条件下工作的机器，经常因机械零件工作表面磨损导致整个设备失效。因此，工业界已经广泛地重视机械零
42、件的抗磨损设计，以达到提高机械零件耐磨性、延长机器使用寿命的目的。机械零件抗磨损设计的方法和技术很多，其中最有效的方法就是在运动摩擦副表面之间建立润滑膜。要建立可靠的润滑膜，除了必要的润滑理论计算外，还要正确地选择适用的润滑油、润滑油脂、固体添加剂1,2,14。本节扼要介绍如何合理选用润滑油、润滑油脂与固体润滑剂。,6.5 润滑油、润滑脂和固体润滑剂的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,Grease and Solid Lubricant,润滑油的合理选用是决定运动副润滑性能或零件抗磨损性能的重要因素，它是建立在对机械零件的使用条件和润滑油的主要
43、特性综合分析基础上的。下表为常用润滑油的主要特征,6.5.1 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,要建立良好的润滑油膜，润滑油一般要求具备以下基本特性。（1）适当的粘度适当的润滑油粘度是达到所要求的流体润滑膜厚度的必要条件。但是，润滑油粘度值太高，则可能因运动副的摩擦阻力过大而并引起发热。同时，润滑油粘度受温度影响很大，当工作温度和环境温度变化较大时，润滑油粘度可能也会变化较大。因此，工程实际中，引入粘度指数来表示润滑油的热稳定性，粘度指数越高则温度影响越小。如果粘度指数低或粘温特性差，可以在润滑基础油中加入更多的增粘剂加以改进。,6.5
44、.1 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,常用的增粘剂有：聚乙烯基正丁基醚、聚甲基丙烯酸酯和聚异丁烯等。这些高分子聚合物不仅可以使油的粘度增大，而且其分子链能随温度而改变形态。低温时卷曲成小球状，增粘作用小，而高温时舒展成线状，增粘作用加强，从而改善润滑油的粘温特性。另一方面，压力对润滑油粘度变化也会产生较大的影响，即润滑油的粘压系数对于弹流润滑的油膜厚度有显著的影响。,6.5.1 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,（2）抗氧化稳定性如果润滑油使用过程由于氧化而变质将会造成润滑失效
45、，大大降低机械零件的工作寿命。因此，润滑油要有良好的抗氧化稳定性。各种润滑油的使用温度都有一个范围，如超出允许温度上限，润滑油将会加速氧化。为了改善或提高润滑油的抗氧化稳定性，通常在润滑基础油中加入抗氧化添加剂。常用的润滑油抗氧化添加剂有：二烷基二硫磷酸盐对羟基二苯胺、2.6二叔丁基对甲酚二苯胺。它们可以在金属表面层形成保护膜，防止锈蚀，同时阻止金属对润滑油氧化产生的触媒作用，从而阻止或者延缓润滑油的氧化。,6.5.1 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,（3）其他性能要达到优良的润滑性能，润滑油还要求具备其它性能，如：冷却性能、密封性能
46、、防蚀性能、排屑性能、防火安全性以及与环境相容性等。,右表概括了综合考虑工作要求和润滑油性能来选取润滑油的一些基本原则。,6.5.1 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,当然，选用润滑油时还有其它一些注意事项，包括：1、易氧化润滑油和循环的润滑系统中，不宜掺入动物油或植物油；2、潮湿处不宜选用汽油机油和柴油机油；3、变压器油不可用作润滑基础油；4、高温机械（如内燃机）不宜选用汽轮机油和液压油；5、低温工作条件或者要求润滑油粘度较低时，可在润滑基础油中掺入煤油混合使用，但是，煤油体积比不超过50；6、精密机械润滑油不能选用煤油。,6.5.1
47、 润滑油的合理选用Properly Selecting of Lubricating Oil,6.5.2 润滑脂的合理选用Properly Selecting of Grease(1)润滑油脂的组成润滑油脂（润滑脂）俗称黄油或干油，它是润滑油加入稠化剂在高温下混合而成的。在润滑脂中，润滑油占总重量的7585，稠化剂占1020，还有0.55为添加剂。润滑油决定了润滑脂的润滑性能、低温性能和抗氧化稳定性。高速轻载工作条件下使用的润滑脂要求用粘度较低的润滑油，低温条件下使用的润滑脂须用低凝点的矿物油。（2）稠化剂的作用稠化剂的作用是减少润滑油的流动性，同时，决定润滑脂的耐温性、耐水性和软硬程度。它可
48、以增强润滑的密封性、耐压性、缓冲性等。例如，用钙皂作稠化剂的润滑脂耐水不耐温，而钠皂稠化剂耐温不耐水。润滑脂的分类按所用的稠化剂种类来划分，如钙基脂、钠基脂等。（3）润滑脂添加剂添加剂在润滑脂中的作用与润滑油添加剂相似，例如，添加石墨和MoS2可提高润滑脂的抗磨耐压性能，添加胺基化合物可提高其抗氧化稳定性。添加剂有抗氧化剂、增强剂、增滑剂、抗磨剂等。,6.5.3 固体润滑剂的合理选用Properly Selecting of Solid Lubricant固体润滑剂是指一些低剪切强度的固体，例如软金属、软金属化合物、无机物、有机物和自润滑复合材料。它们的特点是耐热、化学稳定性好、耐高压、不挥发
49、、不污染，因此特别适用于不能密封和供油的特殊机械系统中。对某些难以使用常规润滑技术的场合，如原子能工业、塑料工业、火箭、人造卫星等领域具有特殊的重要意义。其缺点是，通常摩擦表面磨损比常规的油润滑的高。由于不能有效地带走热量，因而也可能导致胶合的发生。所以要根据固体摩擦剂的特性合理选用。常用固体摩擦剂的特性见课本P236 表6.3,6.5.4 过滤与密封（Filtration and Seal）机械系统中运动副表面之间需要加入润滑剂或冷却剂，如果没有采取相应的保护措施，这些润滑剂和冷却剂经常会受环境带来的尘土等污染，从而破坏正常的润滑状态导致零件表面磨损加剧。实践表明：能否保持润滑剂清洁，可使摩
50、擦副磨损寿命相差10倍以上。因此，通常情况下都要求进入机械系统的润滑剂和冷却剂进行过滤和密封，这也是抗磨设计技术之一。进入润滑剂中的颗粒可分为硬颗粒和软颗粒，其中硬颗粒容易造成摩擦副过早磨损和油孔梗阻。润滑剂中的硬颗粒造成运动副表面加剧磨损的机理大致上有三种。（1）硬颗粒嵌在运动副较软的摩擦表面上，运动副作相对运动时，硬颗粒在另一方对偶表面上发生切削作用造成磨粒磨损，其磨损的严重程度与颗粒的数目和硬度成正比。（2）摩擦表面间的硬颗粒在摩擦过程中不断地发生辗、划、挤压作用，使摩擦表面产生局部塑性变形和原子位错，最终导致表面的疲劳磨损。,6.5.4 过滤与密封（Filtration and Sea
