金屬磨損試驗及測量方法

范秋濤，翁 榕，陳曉慧

（中國電子科技集團公司第49 研究所，哈爾濱 150001）

概述

機件在機器運轉時會發生接觸，而這種相對運動會產生金屬摩擦，這種摩擦會帶來機件的磨損。例如，發動機的活塞環由于受磨損后尺寸的變化，致使活塞環開口間隙顯著增大，結果引起發動機的功率不足，耗油量增加，產生噪音和振動等。降低工具和機器效率的一個主要原因是金屬磨損，磨損也能引起機器準確率降低。如何提高機器耐磨性，研究機器磨損的規律是很重要的。

機件正常運行時，會產生如下三個磨損過程，如圖1所示。

新的摩擦物件表面總是具有一定的粗糙度，這種真實接觸面積比較小。在第一階段（圖0～a段）也就是跑合階段，表面漸漸被磨平，接觸真實面積慢慢變大，磨損速度逐漸減慢。第二階段（圖a～b段）是穩定磨損階段，在這一階段，磨損速度逐漸穩定。機件的耐磨壽命時間見坐標圖的橫坐標，磨損速度即為該線段的斜率。要想在穩定磨損階段得到較低的磨損速度，跑合階段需要跑合得好。第三階段（圖b～c段）為劇烈磨損階段。b點以后，機件工作時間逐漸加長，摩擦接觸表明間的間隙就會漸漸加大，這樣帶來的后果就是機件表面的質量有所降低，導致潤滑劑薄膜遭到破壞。這樣會加劇機件的振動，使得磨損速度加快增長，機件的壽命很快就失效了。

1 磨損類型

塑形變形與斷裂過程隨著磨損的過程是不斷循環周而復始的。磨損產物一旦形成之后，新的循環就開始了。磨損過程是動態的。機件表面的磨損是力學、物理和化學等過程復雜的綜合，不是簡單的力學過程。磨損依據機件表面的破壞機理可分為粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損（接觸疲勞）、腐蝕磨損（包括微損、氣蝕、液體沖蝕磨損等）。

圖1 機件正常運行的磨損過程圖

材料抵抗磨損的性能指標之一便是耐磨性，我們通常用磨損量來表示。耐磨性愈低，磨損量越大，反之亦然。我們可用試樣重量或體積減少來表示磨損量。我們也可用試樣表層的磨損厚度去表示磨損量。線磨損量即為單位摩擦距離的磨損量表示，它可以用來反應耐磨性。磨損量即為單位摩擦距離、單位符合下的磨損量。通常表征材料的耐磨性也可用線磨損量的倒數來表征。還經常使用相對耐磨性的概念，相對耐磨性ε用式：

圖2 滾子式磨損試驗機原理圖

式中：m0—標準試樣的線磨損量（mg）；

m1—被測試樣的線磨損量（mg）。

2 磨損試驗方法

磨損試驗方法可分為現場實物試驗與實驗室試驗兩類。現場實物試驗具有與實際情況一致或接近一致的特點。如將活塞環裝機并使汽車行駛一定行程后，拆機測量活塞環的開口間隙即可得摩損量。因此實物試驗結果可靠性大。但這種試驗所需時間長，且外界影響因素難于掌握和分析。實驗室試驗雖然具有試驗時間短、成本低且易于控制各種影響因素等優點，但試驗結果往往不能直接表明實驗情況。因此研究重要機件的耐磨性時往往兩種方法都要使用。現在常用的磨損試驗機有滾子式磨損試驗機；環塊磨損試驗機；旋轉圓盤一銷式磨損試驗機；往復式摩擦、磨損試驗機；四球式摩擦、磨損試驗機；接觸疲勞試驗機；濕磨科磨損試驗機。下面介紹以下滾子式磨損試驗機的原理。

如圖2所示為滾子式磨損試驗機的原理示意圖，它模擬齒輪嚙合、活塞環與缸套、火車車輪與鋼軌類摩擦形式的磨損。它可用來測定金屬或非金屬的磨損及摩擦系數。它主要進行滑動，亦可進行滾動，滾動帶滑動。對滑、帶沖擊的磨損或帶軸向運動的滑動磨損試驗，可以進行干摩擦或有潤滑摩擦的試驗。

圖3 上試樣

試樣分上試樣和下試樣兩種。下試樣為圓盤形，其標準直徑為40mm。上試樣可以是圓盤形，也可是軸瓦形和長方形，見圖3。

3 磨損量的測量

磨損試驗后，要確定其磨損量就一定要有最適宜的磨損量測量方法，下面就目前常用和特殊的幾種方法進行介紹。

1）稱重法

測量磨損試驗前后試樣重量變化，其差數即為磨損量。最常用的測量器具是感量為萬分之一克的分析天平。對于一些磨損量較大或本身質量太大的試樣，分析天平稱量的總重量不夠時，可由感量千分之一克的天平或百分之一克的工業天平代替。稱量法不適用于磨損量極微的磨損樣品的測量。

2）測長法

適用當精度的長度測量器對磨損試驗前后的摩擦表面法向尺寸進行測量，其差數即為磨損量。測量器具可以是千分尺、指示百分表、指示千分尺、測長儀、比較儀讀數顯微鏡、電子量儀或氣動量儀。選用器具要根據磨損樣品的大小、形狀及磨損量大小進行。對于磨損量在μm級的極小樣品，測量時應在恒定條件下進行。

3）微觀輪廓法

試驗前后在摩擦表面上同一部位記錄其微觀輪廓起伏曲線，即測定同一部位輪廓線的試驗前后變化量，根據其變化量來確定磨損量。它主要用于磨損量及微小的樣品。測量器具是表面粗糙輪廓儀。

4）人工測量基準法

這種方法是在磨損試樣表面上人為地做一個測量基準——凹痕，用試驗前后測量凹痕的變化來確定磨損量。這種人工測量基準法使用于磨損量較小的磨損樣品的磨損量測量。按人工基準形成方法不同又可分為三種：①壓痕法；②臺階法；③切槽磨槽法。

5）化學分析法

此法是利用化學分析來測定磨損試驗摩擦偶件落在潤滑劑中的磨損產物的含量，從而間接測定磨損速度。因為磨損試驗時，金屬屑不斷掉入潤滑劑中，潤滑劑中的金屬含量就不斷增加，只需知道潤滑劑的總量，便可每隔一定時間從油箱中取油樣分析出單位體積的潤滑劑的金屬含量，得出每段時間的磨損速度。

6）放射性同位素法

此方法的基本原理是首先使磨損試樣帶有放射性，或嵌入放射性物質，這樣，在磨損過程中，落入潤滑劑油中的磨損產物具有放射性，因此尚可利用計數器（蓋率計數器或閃爍計數器等）確定潤滑油中的放射性強度。通過標定，可換算成相應的磨損量。這種方法靈敏、迅速，可測微量磨損，但需特殊的防護措施及測量儀器。

7）運轉特性改變法

根據試樣或零部件運轉性的改變，來決定磨損程度。它是一種間接而綜合的判定磨損的方法。如利用密封件泄露量的改變等。

4 磨損量的表示法

磨損試驗結果的表示方法有很多，上面所介紹的7種磨損試驗方法其試驗結果的表示方法可歸納為以下6種表示法：

1）線磨損

線磨損的物理意義為磨損試樣摩擦表面試驗前后法向尺寸的變化。

線磨損量=試樣原始尺寸-磨損后尺寸

2）質量磨損

其物理意義為磨損試驗前后試樣質量的變化。其表示式為：

質量磨損量=試樣原始尺寸—磨損后尺寸

3）體積磨損

其物理意義為磨損試驗前后試樣的體積變化。其表示式為：

4）磨損率

其物理意義為磨損試驗單位時間試樣的質量磨損量或單位摩擦距離的質量磨損量。其表示式為：

5）磨損系數

其物理意義為磨損試驗后試驗材料與對比材料質量磨損量之比。其表示式為：

6）耐磨性系數

其物理意義為磨損試驗后對比材料與試驗材料質量磨損量之比，即磨損系數的倒數。其表示式為:

5 結論

本文對金屬磨損試驗方法進行了簡要分析，給出了磨損量的測量算法，在工作中有很重要的作用。

[1]鄭玉貴,姚治銘,何莉,等.泥漿型沖刷和腐蝕交互作用研究綜述[J].材料科學與工程, 1994,12(4) : 24.

[2]楊黎明.機械原理及機械零件仁(下冊)[M].上海:高等教育出版社,1997.