摘要：材料失效问题存在于各类材料中，它直接影响到产品质量，关系到企业的信誉及生存。材料的失效分析和预防预测工作在工业发展中占有十分重要的地位。而材料失效问题的处理和解决能力，代表了该国的基础科学的发展水平和管理的先进水平。腐蚀、断裂和磨损是金属材料失效的主要形式，其中以摩擦所导致的磨损失效最普遍，约占设备损坏的70%，是机电材料失效的主要原因。材料失效造成大量材料及零部件的浪费，且有可能直接导致灾难性后果，如机毁人亡等。
关键词：金属材料；失效；磨损；防护；
随着我国对金属材料磨损失效的研究非常重视，而材料磨损失效的模式很多，磨损失效的起因更是多样，如何做好金属材料磨损失效的分析与防护对我国工业建设起着重要的作用。
一、金属磨损失效的模式及起因
金属磨损一般有五种主要模式：一是粘着磨损失效，它是指在摩擦过程中，摩擦副材料表面之间由于发生了粘着剪切效应，使摩擦表面材料发生脱落或向对偶表面转移而导致的失效。二是磨粒磨损失效，它是指由外界硬颗粒或偶件表面的硬物在摩擦过程中引起的摩擦表面材料脱落或塑性变形所导致的失效。三是疲劳磨损失效，它是指摩擦副表面在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落形成凹坑而导致的失效。四是腐蚀磨损失效，它是指在摩擦过程中，摩擦副材料与周围介质发生了化学或电化学相互作用，这种作用加剧了材料的磨损过程而导致的失效。五是微动磨损失效，它是指相对固定的摩擦副材料表面之间，由于环境因素所带来的幅度很小的相对振动而产生磨损所导致的失效。对金属磨损失效的模式确定，并不等于找到所导致金属磨损失效的原因，这是由于金属材料的磨损特性并不仅仅由摩擦副材料所决定，而是由整个摩擦学系统所决定。金属材料的磨损过程往往是多因素共同作用的系统过程和动态过程，有其特殊性和复杂性。影响金属材料磨损性能的各种因素包括：①摩擦条件（包括接触形式、运动形式、负荷及速度）；②摩擦副材料（包括材质和表面处理）；③环境条件（包括温度和介质）；④润滑技术（包括润滑剂和润滑方式）；⑤润滑管理；⑥结构设计等。对一个具体的磨损失效问题而言，如何透过现象看本质，在诸多影响因素中找到主导因素，并提出合理的预防应对措施，是解决问题的关键和难点所在。
二、金属材料磨损失效分析
1.金属材料磨损。金属材料磨损是指在材料相对运动过程中，由于化学作用、机械作用而导致其相互接触表面不断出现损耗的现象，属于工程上较为常见的现象。研究表明：摩擦是金属材料磨损的主要原因，摩擦系数、摩擦力与磨损存在着较为复杂的关系。从目前来看，很多因素都有可能会影响到金属材料磨损，包括材料的物理化学性质、环境因素（如介质、湿度、温度等）、润滑状况、材料组成、工作条件（如工作载荷、运动方式、工作速度等）；只要任一因素出现微小的变化，都有可能回改变金属材料的磨损量，也有可能会改变金属材料的磨损机理。可基于不同的角度来分析金属材料的磨损过程，第一，基于物理化学角度，金属材料的磨损过程实质上是热能与机械能相互转化的过程；并且无论是冷却过程，还是加热过程，速度都极快，属于动态变化过程；这样一来，就会让材料表面出现较高的表面活性和自由能。当周围环境介质与金属材料原子相互作用，就有可能会出现化学反应，以及化学吸附、物理吸附，必然会有加工硬化成层出现在金属材料表面，进而对整个磨损过程造成影响。第二，基于原子与作用力角度，在相互接触的金属材料表面上，原子较为接近，甚至还有可能会让原子进入到斥力场，这样必然会出现能量损耗。理论上来看，原子在自然作用、排斥作用的影响下，若表面处于充分接触的状态，那么原子必然能够原路返回到原本的位置，但实践与理论差异较大，基本是不可能实现的，换言之，原子必然会被撞击至另一个原子场当中，并在短时间之内在该处获得新的平衡。
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三、金属材料失效的防护
应针对具体的金属材料磨损失效，掌握已磨损报废的零件及其磨屑，查明该部件的摩擦工况，包括摩擦副的运动形式、接触形式、介质、速度、载荷、湿度、温度、润滑剂种类及润滑方式等，了解失效发生时设备的使用情况及日常维护保养情况。在掌握情况的基础上，对金属材料磨损失效表面和磨屑进行仔细分析，检查磨损失效前后硬度和表面形貌等物理机械性能的变化，根据表面磨屑形状和磨损特征判定磨损失效模式，确定失效是由外界偶然因素引起的突发过程，还是在设计工况条件下运行后的累计结果。对后者，还需对磨损次表层进行分析，了解裂纹的形成部位及扩展方向，并由此确定磨损的发生和发展过程。对于有可能发生化学腐蚀磨损的部件，则需对磨损失效表面和磨屑进行化学分析。如有必要，还应进行零件磨损失效的模拟试验。只有认真获取上述信息，并进一步结合失效零件摩擦学设计的合理性进行综合分析，才能对导致金属材料磨损失效的主要原因和过程本质有深入的认识，才有可能为磨损失效的预防提出合理的改进措施。一般而言，除了设备管理、外界因素和润滑剂变质等因素之外，引起金属零部件磨损失效的工艺和设计方面的因素主要有：（1）金属零件的摩擦学结构设计不合理；（2）金属零件的安装或加工精度未达到要求；（3）摩擦副材料或表面处理工艺选择不当。
四、定期维修保养
1.定期的润滑保养。当使用机械设备一段时间之后，为了能够避免出现金属材料磨损失效的问题，可利用润滑油（耐磨性较高）来保养金属材料，这样一来，不仅能够增强金属材料的抗磨性及自身性能，还能够对机械设备的使用寿命予以有效地延长。
2.改善工作环境。导致金属材料磨损失效的主要因素之一是工作环境，可通过对工作环境机械改善来达到防护金属材料磨损失效的效果。第一，要最大限度防止机械设备中渗入各种腐蚀性物质；第二，正常使用机械设备，不能让其长期处于超额作业状态；第三，保持机械设备工作环境的整洁。
3.采取预防性维修方式。第一，以环境、质量、安全、成本、利用率为依据，基于档案资料来对机械设备金属材料磨损故障后果和原因进行分析；同时，对其进行相应的反馈（损失、停机、可靠性等）；运用分析结果来改进金属材料磨损失效工作，并及时确定预防性维修的方式。第二，将机械设备分解成若干个模块,同时要深入调查分析重要部件材料磨损情况。第三，应该由机械设备的操作人员、熟悉此设备的人员或者专家来选择具体的维修方式。为了让所选择的维修方式变得更加有效，设备管理部门应该编写下列文件：①选择出最有效维修方式的维修工作任务手册；②将设备维修方法进行分类；③建立设备维护逻辑判断程序，以适合多种故障模式维修。
4.改善金属材料的制造工艺。针对金属材料表面存在的摩擦力和粗糙度，可对金属材料的制造工艺予以改善，降低摩擦系数，提升光滑度，从而有效地让粘着磨损得以降低；与此同时，还应该要进一步改进机械设备的切削工艺、铸造工艺、焊接工艺、锻造工艺，进而有效提高机械设备的机械性能、化学性能、物理性能。例如：机械设备的抗电化学腐蚀性能和抗化学腐蚀性能可通过改进锻造工艺来实现。此外，设备人员还应该针对机械设备在实际应用中存在的各种缺陷来进行改进，如选用适宜的摩擦副材料、设计合理的金属零件摩擦学结构等等，为机械设备正常工作的发挥出积极的作用。
总之，关于金属材料磨损失效的分析和失效的预防对我国工业建设起着重要的作用。我们应加大金属材料失效分析的力度，推动耐磨金属材料的进一步研发。
参考文献：
[1]刘晓磊.浅析金属材料的磨损失效和防护.2017.
[2]王风春.浅析金属材料的磨损失效及防护措施.2017.
论文作者:杨丹娜,许诺,呼唤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/26
标签：磨损论文; 金属材料论文; 摩擦论文; 材料论文; 表面论文; 机械设备论文; 过程论文; 《防护工程》2018年第32期论文;