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現(xiàn)在很多客戶咨詢熱噴涂工藝，但是又無法詳細(xì)的描述具體的工況，這讓我感覺非常棘手。我不希望客戶浪費(fèi)時間和金錢來選擇合適的工藝和材料，所以為了讓客戶更加清晰的了解產(chǎn)品失效機(jī)理，我將詳細(xì)的闡述產(chǎn)品失效的幾種主要的原因。
產(chǎn)品的失效機(jī)理可分為兩大類，一是磨損，二是腐蝕。磨損是在產(chǎn)品日常使用過程中常見的情況，但是大部分的磨損都伴隨著腐蝕的存在，我們先拋開腐蝕，單獨(dú)看一下磨損有哪些情況。
摩擦磨損
機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)都是由運(yùn)動零部件的配合來做相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，而配合表面的相對運(yùn)動必然伴隨著摩擦而產(chǎn)生磨損。在摩擦過程中，摩擦表面發(fā)生的尺寸、形狀和表面質(zhì)量的變化稱為磨損。摩擦磨損與摩擦表面形貌有關(guān)。由于表面粗糙度的存在，兩摩擦表面僅僅是在少數(shù)孤立點(diǎn)上發(fā)生接觸，這時，法線方向載荷便由這些點(diǎn)上發(fā)生接觸。接觸面越小，法向應(yīng)力越大。當(dāng)法向應(yīng)力超過材料的屈服，接觸點(diǎn)就產(chǎn)生塑性變形。在塑性變形的同時，接觸點(diǎn)金屬表面上的氧化膜也被壓碎或剪切掉。這時，接觸點(diǎn)金屬分子間相互吸引力增大，有可能相互擴(kuò)散而溶合在一起。我們把熔合在一起的現(xiàn)場稱為冷焊。當(dāng)相對運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行時，由于剪切而使冷焊點(diǎn)破裂。以后又在接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形、冷焊和破裂，直到接觸面積增大到足以支撐法向載荷為止。這時，表面硬度增加了，表面粗糙度也有所提高。
摩擦磨損過程是一個復(fù)雜的過程，當(dāng)金屬發(fā)生塑性變形時，要釋放熱量，因此，在摩擦表面上的溫度要比基體金屬的溫度高很多。當(dāng)溫度高于再結(jié)晶溫度時，因變形而引起的表面強(qiáng)化現(xiàn)象將消失；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，金屬被軟化，摩擦表面金屬分子相互粘結(jié)；當(dāng)溫度升高到相變溫度，摩擦表面金屬就會發(fā)生相變，強(qiáng)度和硬度也大大降低。在摩擦磨損過程中，摩擦表面還要和周圍介質(zhì)起作用。例如當(dāng)氧化膜被壓碎或剪切后，裸露的金屬表面迅速與氧氣起化學(xué)反應(yīng)，形成新的氧化膜。氧化膜與基體金屬的結(jié)合力弱，容易被剪切或壓碎。另外，空氣中的水分和潤滑油中的硫均能與摩擦表面其起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化合物，加劇表面的磨損。因此，摩擦磨損過程就是由于機(jī)械和化學(xué)的作用，使物質(zhì)從表面不斷損失或產(chǎn)生殘余變形的過程。
按摩擦面之間有無潤滑材料及潤滑劑的存在狀態(tài)將摩擦分為干摩擦、邊界摩擦、液體摩擦和混合摩擦。
1、 干摩擦
摩擦面之間沒有潤滑劑存在時發(fā)生的摩擦稱為干摩擦。干摩擦的發(fā)生有很多理論解釋，常用的所謂“粘著—機(jī)械嚙合”學(xué)說。由于物體之間摩擦面的微觀狀態(tài)是凹凸不平的，摩擦面之間的接觸不發(fā)生在整個面上，摩擦只是發(fā)生在摩擦面之間凸峰與凸峰正好相對的地方，物體之間的正壓力實(shí)際上只由占摩擦面很小部分的實(shí)際接觸面積承受。由于這些凸峰和凸峰相接觸的點(diǎn)收到相當(dāng)大的壓力而產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)了粘著現(xiàn)象，使凸峰與凸峰就好像被“熔焊”在一起。當(dāng)物體做相對運(yùn)動時，將產(chǎn)生機(jī)械嚙合阻力，這是摩擦力的又一個來源。因而物體之間發(fā)生干摩擦?xí)r，其摩擦力是“熔焊”點(diǎn)造成的粘著阻力與“凹凸體”機(jī)械嚙合阻力之和。
干摩擦是有害的，主要表現(xiàn)在能量的損失（如轉(zhuǎn)為熱能）和零件的磨損上（如溫度升高導(dǎo)致材料表面抗磨性及強(qiáng)度降低同時有磨屑的產(chǎn)生）。
2、 邊界摩擦
邊界摩擦也稱為邊界潤滑，是指物體之間摩擦面上存在一層由潤滑劑構(gòu)成的邊界膜發(fā)生的摩擦。邊界膜的性質(zhì)是影響邊界摩擦的主要因素，按其形成方式，可分為吸附膜和反應(yīng)膜兩類。吸附膜是通過物理因素（分子吸引）或化學(xué)因素（電子交換產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力），使?jié)櫥瑒┲械臉O性分子產(chǎn)生定向排列形成的一層膜。
反應(yīng)膜則是由硫、磷、氯等元素的潤滑油添加劑與摩擦表面起化學(xué)反應(yīng)，所生產(chǎn)的新的物質(zhì)而構(gòu)成的一層膜。在邊界潤滑作用比較充分，即形成的分子?xùn)庞休^大的承載能力和長度時，摩擦僅發(fā)生在邊界膜之間，摩擦系數(shù)僅與摩擦面的性質(zhì)（材料、幾何形狀等）和潤滑油的油性有關(guān)，也就是摩擦系數(shù)和摩擦面潤滑劑之間形成極性分子?xùn)诺哪芰头肿訓(xùn)疟旧淼某休d能力有關(guān)，而與潤滑油的粘度大小無關(guān)。當(dāng)邊界潤滑作用較差時，某些部位的邊界膜被破壞，造成摩擦面的直接接觸，從而形成干摩擦，使摩擦系數(shù)增大。
吸附膜的穩(wěn)定性較差，在溫度下，定向排列的極性分子會因熱運(yùn)動而變得雜亂無章，甚至從摩擦面上脫落下來，使得吸附膜失去承載能力，潤滑作用大大減小。反應(yīng)膜交吸附膜穩(wěn)定的多，因?yàn)樵诟邷叵禄瘜W(xué)反應(yīng)的速度加快，更有利于生成新的物質(zhì)來加強(qiáng)反應(yīng)膜，所以反應(yīng)膜適于重載低速和高溫的條件。但是生產(chǎn)反應(yīng)膜時，一般伴隨著對金屬的腐蝕性。
3、 液體摩擦
液體摩擦也稱為液體潤滑，當(dāng)物體之間的接觸面被潤滑油膜隔開時，物體相對運(yùn)動所產(chǎn)生的摩擦叫液體摩擦。液體摩擦?xí)r，物體之間的摩擦面沒有直接接觸，其間除了邊界潤滑膜外，還有流動油膜。因此摩擦僅發(fā)生在潤滑油之間，運(yùn)動阻力僅由潤滑油分子間的吸引力（內(nèi)聚力）形成，因而摩擦系數(shù)很小，一般在0.01-0.001的范圍內(nèi)。
4、 混合摩擦
混合摩擦也稱為混合潤滑，是屬于一種不穩(wěn)定的潤滑。它既存在著潤滑油粘度所產(chǎn)生的粘滯阻力，也存在金屬表面微凸體接觸所產(chǎn)生的摩擦阻力。實(shí)際上它是指上述三種摩擦中兩種摩擦同時存在的情形，可分為半干摩擦和半液體摩擦。半干摩擦是指干摩擦和邊界摩擦同時存在的情形，不充分的邊界摩擦將導(dǎo)致半干摩擦。半液體摩擦是液體摩擦和邊界摩擦同時存在的情形，不充分的液體摩擦?xí)?dǎo)致半液體摩擦。工業(yè)設(shè)備經(jīng)常處于混合摩擦狀況。
摩擦磨損根據(jù)過程的不同，可分為粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損四種基本形式。
1、 粘著磨損
摩擦副在法向載荷的作用下，接觸點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形，氧化膜被壓碎或剪切，接觸點(diǎn)發(fā)生冷焊。如果運(yùn)動速度較小，而法向載荷較大，摩擦表面溫升很高，金屬軟化或熔化，接觸點(diǎn)金屬就相互粘在一起。當(dāng)繼續(xù)運(yùn)動時，粘著處被剪切，這樣粘著、剪切、再粘著、剪切的過程，就構(gòu)成了粘著磨損。根據(jù)剪切部位的不同，粘著磨損又可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、撕裂和咬死五種。當(dāng)剪切發(fā)生在粘著面上，表面轉(zhuǎn)移的物質(zhì)極輕微；當(dāng)剪切發(fā)生在離粘著面不遠(yuǎn)的軟金屬淺層內(nèi)，軟金屬就涂抹到硬金屬表面；當(dāng)剪切發(fā)生在軟金屬的壓表面層內(nèi)，軟金屬表面出現(xiàn)擦傷或拉毛痕跡；當(dāng)剪切發(fā)生在摩擦副較深處，表面就出現(xiàn)撕裂；當(dāng)粘著強(qiáng)度比基體剪切強(qiáng)度高，而且粘著區(qū)域大，相對運(yùn)動時的剪切應(yīng)力又低于基體金屬的剪切強(qiáng)度，摩擦表面就咬死。
2、 磨粒磨損
摩擦副表面間存在磨粒時，它能使表面層金屬產(chǎn)生部分塑性變形，有時磨粒還會切削表層金屬，使表層產(chǎn)生擦傷和拉毛。表面產(chǎn)生塑性變形后，氧化膜被剪切，因此表面金屬繼續(xù)氧化，使氧化磨損速度加快。
磨料磨損有兩種情況，一是法向載荷作用下硬顆粒滑過軟表面時，在軟表面上刨出許多溝槽，這叫兩物體的磨粒磨損。若摩擦表面進(jìn)入硬質(zhì)顆粒，并從摩擦表面上切下微細(xì)切屑，一起在法向載荷的作用下滑過摩擦副表面，這叫三物體磨粒磨損。硬質(zhì)顆?？梢允悄p產(chǎn)物，也可以是空氣或潤滑油中的雜質(zhì)。大多數(shù)機(jī)械在含有污垢和灰塵中工作，屬于第兩種磨粒磨損。
3、 表面疲勞磨損
摩擦副的摩擦表面作滾動或滾動與滑動的復(fù)合摩擦?xí)r，在交變接觸應(yīng)力作用下，使摩擦表面疲勞而產(chǎn)生裂紋后，分離出碎片、顆粒的現(xiàn)象，稱為表面疲勞磨損。在滑動摩擦副中，盡管兩個零件沒有直接接觸，但摩擦表面仍受到由油膜傳遞的載荷影響，產(chǎn)生應(yīng)力。其中很大壓應(yīng)力發(fā)生在表面上，而很大的剪切力則發(fā)生在表層內(nèi)。當(dāng)應(yīng)力超過限值，材料就破壞了。
4、 腐蝕磨損
在摩擦過程中，摩擦表面與周圍液體、氣體或汽體發(fā)生以化學(xué)或電化學(xué)腐蝕為主的磨損，稱為腐蝕磨損。腐蝕產(chǎn)物通常與表面結(jié)合不牢，因而繼續(xù)摩擦?xí)顾鼈兎蛛x，這一過程又重復(fù)進(jìn)行。當(dāng)腐蝕成為磨損的主因時，通常有幾種磨損形式同時發(fā)生。例如，常見的表面膜往往是氧化鐵，從表面脫落后都變成磨料。因此，兩摩擦表面將同時發(fā)生腐蝕磨損和磨粒磨損。
磨損規(guī)律
任何一對摩擦副零件，在正常使用條件下，其產(chǎn)生的磨損是有規(guī)律的。磨損一般分為三個階段：首階段為磨合期。磨合期是摩擦初期改變摩擦表面幾何形狀和表面物理化學(xué)特性的過程。在磨合期內(nèi)，由于表面高低不平，實(shí)際接觸表面小，接觸點(diǎn)的壓應(yīng)力大，磨損較大。如果在兩表面定期注入潤滑油，也往往由于摩擦產(chǎn)生大量熱而使油膜遭到破壞，引起粘著磨損。所以在磨合期運(yùn)行時，要求載荷和速度小，潤滑油多一些。載荷小，接觸點(diǎn)壓應(yīng)力小，磨損小，因塑性變形產(chǎn)生的熱量?。粷櫥投?，使摩擦表面獲得較好的潤滑和冷卻，并將磨屑帶走，減少磨粒磨損。如果在磨合期一開始就提高載荷和速度，潤滑油也供應(yīng)不充分，這時，摩擦表面不僅不能獲得光滑表面，而且越來越粗糙，使配合性質(zhì)發(fā)生惡化；二階段為正常磨損期，或者稱為穩(wěn)定磨損期。這個階段，磨損趨于緩慢，因?yàn)槟ズ弦院?，摩擦表面已?jīng)比較光滑，冷加工硬化層也逐步形成，表面硬度增加，磨損顯著減少。這時可以承受較大的載荷和較高的速度。但要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)工作，注意排除某些增加磨損的因素：例如，潤滑油要清潔、供給要充分、冷卻要良好等。使正常磨損階段盡可能延長；三階段為急劇磨損期，是磨損的末期階段。經(jīng)長期運(yùn)行后，不僅使零件摩擦表面幾何形狀發(fā)生較大變化，而且使零件精度和配合性質(zhì)變壞，產(chǎn)生振動，溫度升高，磨損急劇增加，此時機(jī)器應(yīng)停止運(yùn)行，進(jìn)行檢修。
在我們分析磨損失效機(jī)理的同時，還需要關(guān)注產(chǎn)品使用溫度的高低，產(chǎn)品承受壓力的大小，承受壓力的形式。其中承受壓力的形式主要是靜壓力、沖擊力、還要考慮產(chǎn)品承受壓力的方向是法向力，還是切向力，這些因素都會影響工藝和材料的選擇。在選擇材料的時候，硬度、結(jié)合強(qiáng)度、高溫性能、韌性等綜合考慮，同時還要考慮到產(chǎn)品的形狀和尺寸要求。磨損不只是受硬度影響，有很多客戶直觀的認(rèn)為“硬度越高越好”，但是對于很多工況來說，不能把硬度作為首要標(biāo)準(zhǔn)。作者接觸了很多因?yàn)槟p而失效的產(chǎn)品，這些沒有經(jīng)過表面處理或者做了錯誤的表面處理的產(chǎn)品，產(chǎn)品磨損失效給企業(yè)帶來了大量的經(jīng)濟(jì)損失。后續(xù)將講述產(chǎn)品失效的另一種形式——腐蝕。
