金属磨损试验及测量方法

范秋涛，翁 榕，陈晓慧

（中国电子科技集团公司第49 研究所，哈尔滨 150001）

概述

机件在机器运转时会发生接触，而这种相对运动会产生金属摩擦，这种摩擦会带来机件的磨损。例如，发动机的活塞环由于受磨损后尺寸的变化，致使活塞环开口间隙显著增大，结果引起发动机的功率不足，耗油量增加，产生噪音和振动等。降低工具和机器效率的一个主要原因是金属磨损，磨损也能引起机器准确率降低。如何提高机器耐磨性，研究机器磨损的规律是很重要的。

机件正常运行时，会产生如下三个磨损过程，如图1所示。

新的摩擦物件表面总是具有一定的粗糙度，这种真实接触面积比较小。在第一阶段（图0～a段）也就是跑合阶段，表面渐渐被磨平，接触真实面积慢慢变大，磨损速度逐渐减慢。第二阶段（图a～b段）是稳定磨损阶段，在这一阶段，磨损速度逐渐稳定。机件的耐磨寿命时间见坐标图的横坐标，磨损速度即为该线段的斜率。要想在稳定磨损阶段得到较低的磨损速度，跑合阶段需要跑合得好。第三阶段（图b～c段）为剧烈磨损阶段。b点以后，机件工作时间逐渐加长，摩擦接触表明间的间隙就会渐渐加大，这样带来的后果就是机件表面的质量有所降低，导致润滑剂薄膜遭到破坏。这样会加剧机件的振动，使得磨损速度加快增长，机件的寿命很快就失效了。

1 磨损类型

塑形变形与断裂过程随着磨损的过程是不断循环周而复始的。磨损产物一旦形成之后，新的循环就开始了。磨损过程是动态的。机件表面的磨损是力学、物理和化学等过程复杂的综合，不是简单的力学过程。磨损依据机件表面的破坏机理可分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损（接触疲劳）、腐蚀磨损（包括微损、气蚀、液体冲蚀磨损等）。

图1 机件正常运行的磨损过程图

材料抵抗磨损的性能指标之一便是耐磨性，我们通常用磨损量来表示。耐磨性愈低，磨损量越大，反之亦然。我们可用试样重量或体积减少来表示磨损量。我们也可用试样表层的磨损厚度去表示磨损量。线磨损量即为单位摩擦距离的磨损量表示，它可以用来反应耐磨性。磨损量即为单位摩擦距离、单位符合下的磨损量。通常表征材料的耐磨性也可用线磨损量的倒数来表征。还经常使用相对耐磨性的概念，相对耐磨性ε用式：

图2 滚子式磨损试验机原理图

式中：m0—标准试样的线磨损量（mg）；

m1—被测试样的线磨损量（mg）。

2 磨损试验方法

磨损试验方法可分为现场实物试验与实验室试验两类。现场实物试验具有与实际情况一致或接近一致的特点。如将活塞环装机并使汽车行驶一定行程后，拆机测量活塞环的开口间隙即可得摩损量。因此实物试验结果可靠性大。但这种试验所需时间长，且外界影响因素难于掌握和分析。实验室试验虽然具有试验时间短、成本低且易于控制各种影响因素等优点，但试验结果往往不能直接表明实验情况。因此研究重要机件的耐磨性时往往两种方法都要使用。现在常用的磨损试验机有滚子式磨损试验机；环块磨损试验机；旋转圆盘一销式磨损试验机；往复式摩擦、磨损试验机；四球式摩擦、磨损试验机；接触疲劳试验机；湿磨科磨损试验机。下面介绍以下滚子式磨损试验机的原理。

如图2所示为滚子式磨损试验机的原理示意图，它模拟齿轮啮合、活塞环与缸套、火车车轮与钢轨类摩擦形式的磨损。它可用来测定金属或非金属的磨损及摩擦系数。它主要进行滑动，亦可进行滚动，滚动带滑动。对滑、带冲击的磨损或带轴向运动的滑动磨损试验，可以进行干摩擦或有润滑摩擦的试验。

图3 上试样

试样分上试样和下试样两种。下试样为圆盘形，其标准直径为40mm。上试样可以是圆盘形，也可是轴瓦形和长方形，见图3。

3 磨损量的测量

磨损试验后，要确定其磨损量就一定要有最适宜的磨损量测量方法，下面就目前常用和特殊的几种方法进行介绍。

1）称重法

测量磨损试验前后试样重量变化，其差数即为磨损量。最常用的测量器具是感量为万分之一克的分析天平。对于一些磨损量较大或本身质量太大的试样，分析天平称量的总重量不够时，可由感量千分之一克的天平或百分之一克的工业天平代替。称量法不适用于磨损量极微的磨损样品的测量。

2）测长法

适用当精度的长度测量器对磨损试验前后的摩擦表面法向尺寸进行测量，其差数即为磨损量。测量器具可以是千分尺、指示百分表、指示千分尺、测长仪、比较仪读数显微镜、电子量仪或气动量仪。选用器具要根据磨损样品的大小、形状及磨损量大小进行。对于磨损量在μm级的极小样品，测量时应在恒定条件下进行。

3）微观轮廓法

试验前后在摩擦表面上同一部位记录其微观轮廓起伏曲线，即测定同一部位轮廓线的试验前后变化量，根据其变化量来确定磨损量。它主要用于磨损量及微小的样品。测量器具是表面粗糙轮廓仪。

4）人工测量基准法

这种方法是在磨损试样表面上人为地做一个测量基准——凹痕，用试验前后测量凹痕的变化来确定磨损量。这种人工测量基准法使用于磨损量较小的磨损样品的磨损量测量。按人工基准形成方法不同又可分为三种：①压痕法；②台阶法；③切槽磨槽法。

5）化学分析法

此法是利用化学分析来测定磨损试验摩擦偶件落在润滑剂中的磨损产物的含量，从而间接测定磨损速度。因为磨损试验时，金属屑不断掉入润滑剂中，润滑剂中的金属含量就不断增加，只需知道润滑剂的总量，便可每隔一定时间从油箱中取油样分析出单位体积的润滑剂的金属含量，得出每段时间的磨损速度。

6）放射性同位素法

此方法的基本原理是首先使磨损试样带有放射性，或嵌入放射性物质，这样，在磨损过程中，落入润滑剂油中的磨损产物具有放射性，因此尚可利用计数器（盖率计数器或闪烁计数器等）确定润滑油中的放射性强度。通过标定，可换算成相应的磨损量。这种方法灵敏、迅速，可测微量磨损，但需特殊的防护措施及测量仪器。

7）运转特性改变法

根据试样或零部件运转性的改变，来决定磨损程度。它是一种间接而综合的判定磨损的方法。如利用密封件泄露量的改变等。

4 磨损量的表示法

磨损试验结果的表示方法有很多，上面所介绍的7种磨损试验方法其试验结果的表示方法可归纳为以下6种表示法：

1）线磨损

线磨损的物理意义为磨损试样摩擦表面试验前后法向尺寸的变化。

线磨损量=试样原始尺寸-磨损后尺寸

2）质量磨损

其物理意义为磨损试验前后试样质量的变化。其表示式为：

质量磨损量=试样原始尺寸—磨损后尺寸

3）体积磨损

其物理意义为磨损试验前后试样的体积变化。其表示式为：

4）磨损率

其物理意义为磨损试验单位时间试样的质量磨损量或单位摩擦距离的质量磨损量。其表示式为：

5）磨损系数

其物理意义为磨损试验后试验材料与对比材料质量磨损量之比。其表示式为：

6）耐磨性系数

其物理意义为磨损试验后对比材料与试验材料质量磨损量之比，即磨损系数的倒数。其表示式为:

5 结论

本文对金属磨损试验方法进行了简要分析，给出了磨损量的测量算法，在工作中有很重要的作用。

[1]郑玉贵,姚治铭,何莉,等.泥浆型冲刷和腐蚀交互作用研究综述[J].材料科学与工程, 1994,12(4) : 24.

[2]杨黎明.机械原理及机械零件仁(下册)[M].上海:高等教育出版社,1997.