機械零件的表面質量對其使用性能的影響分析

摘要：零件的表面質量是衡量機械零件機械加工質量的重要內容之一，機械零件的表面質量對零件使用時的耐磨性、配合精度、疲勞強度、抗腐蝕性等有很大的影響，接影響到零件的工作時的性能，尤其是它的可靠性和壽命。提高加工表面的質量，對保證零件的使用性能、提高零件及其機器的壽命具有重要的意義。

關鍵詞：機械零件 表面粗糙度 使用性能 耐磨性 疲勞強度 耐腐蝕性

機械零件的機械加工質量包括尺寸精度和表面質量，機械零件的表面質量包含加工表面的幾何特征和表面層的物理化學性能兩個方面的內容。零件表面幾何特征主要指其表面粗糙度、表面波度、表面加工紋理和加工的傷痕。表面粗糙度是零件經過機械加工后表面上具有的由較小波峰和峰谷所組成的微觀幾何形狀特征，是由機械加工中切削刀具的運動軌跡形成的，其波高與波長的比值一般大于1：50。表面波度是介于宏觀幾何形狀誤差與表面粗糙度之間的中間幾何形狀誤差，主要由機械加工中切削刀具的偏移和振動造成的，其波高與波長的比值一般為1：50～1：1000。表面加工紋理是零件表面微觀結構的主要方向，它取決于形成表面所采用的機械加工方法，即主運動和進給運動的關系。加工傷痕是在加工表面上一些個別位置出現的缺陷，如砂眼、氣孔、裂痕和劃痕等，大多是隨機分布的。機械零件表面層的力學物理性能主要包括表面層的加工硬化、表面層金相組織的變化、表面層的殘余應力三個方面的內容。

設備正常使用時，隨著其零件工作性能的逐步變壞，會導致設備運行中突然損壞。除少數是因為零件的原始設計強度不夠，或使用的偶然事故原因，而引發設備超負荷而破壞外，損壞原因大多數是由于零件的逐漸磨損、疲勞破壞、腐蝕等。機械零件磨損、腐蝕、疲勞破壞的共同特征是從零件表面逐漸開始的，因此零件的表面質量直接影響到其工作性能，尤其是使用的可靠性和壽命。

1 對配合性質的影響

零件表面粗糙度值的大小，首先會影響到兩個相互配合表面的配合質量。兩個零件的配合關系有間隙配合、過渡配合和過盈配合三種。如果兩個零件是間隙配合，表面粗糙度值過大，零件的就容易磨損，磨損量加大后必然使兩零件的配合間隙增大，顯然降低了零件的配合精度；如果兩個零件是過盈配合，表面粗糙度值過大，則裝配時壓入配合表面上的微小波峰被強行擠平，使兩零件實際配合得到的過盈量減小，降低了過盈配合表面的結合強度，從而影響到零件聯接的可靠性。所以，表面粗糙度值小，才利于保證零件的配合要求。

零件的表面粗糙度值小，則其運動摩擦系數小，動配合時零件的表面運動靈活性好，工作表面的接觸剛度也高，故表面粗糙度值小能夠提高零件使用的工作精度，減少工作中的發熱和功率損失。

表面層的殘余應力會導致零件在使用過程中繼續變形，失去原有的工作精度，甚至導致零件表面出現細裂紋。因此，零件表面殘余應力過大，會使零件的工作精度下降。

2 對零件耐磨性能的影響

機械零件的耐磨性能與摩擦副的材料、潤滑條件和表面質量等因素有關，在零件的材料和潤滑條件確定以后，表面質量的好壞就對耐磨性起決定性的作用。零件的表面粗糙度直接影響到表面有效接觸面積和壓強，影響到摩擦副潤滑油的儲存狀況。

任何經過機械加工的零件，都具有一定的表面粗糙度。當摩擦副的兩表面接觸時，最早接觸的是零件表層凸起部分的材料。因此，兩表面接觸時，實際接觸面積僅僅占理論接觸面積中的小部分，這樣就使單位面積上的實際壓力增大，即壓強增大。當此壓強超過零件材料的屈服極限強度時，零件表面凸起部分就將產生塑性變形。當兩接觸面作相對運動時就會發生剪切變形，則凸起部分將被切斷或塑性移動，零件就會出現初期急劇磨損。零件的表面越粗糙，實際的接觸面積就越小，凸起處的單位面積壓力就越大，零件表面的磨損就越嚴重。即使有潤滑劑潤滑，由于表面接觸處的壓強超過了潤滑油油膜的臨界張力，也會破壞油膜的形成，從而加速零件表面層的磨損。

雖然表面粗糙度對零件的摩擦影響很大，但并不是表面粗糙度越小，零件就一定越耐磨。在一定條件下，如果表面粗糙度過大，零件表面的實際單位面積壓力即壓強增大，由于表面凸峰間材料的擠裂、切斷、破碎等作用，會加劇零件表面的磨損。但如果零件的表面粗糙度太小，兩個零件接觸表面之間就太光滑難以貯油，因而零件表面的貯油能力就很差。表面潤滑條件一旦惡化，兩零件表面的分子間就會產生較大的親和力，出現黏合現象，導致表面“咬焊”，因此加劇零件表面的磨損。因此，零件的表面粗糙度與初期磨損量之間有一個最佳值，這就是零件最耐磨的表面粗糙度。如圖所示的曲線，表示了零件得表面粗糙度與初期磨損量的關系。顯然，機器的工作條件不同，零件的最佳表面粗糙度也不同。由圖可知，重載荷情況下零件的最佳表面粗糙度值比輕載荷情況下的值大。

由于零件的表面輪廓形狀及加工紋理影響到零件的實際接觸面積與潤滑狀況，所以表面輪廓形狀和加工紋理對零件的耐磨性也有影響。表面層的加工硬化現象使得零件的表面層硬度提高，從而使零件表層的彈性和塑性變形減小、磨損減少，使得零件的耐磨性能提高。但是，如果加工硬化過度，又將使零件的表面層金屬變脆、磨損加劇，甚至出剝落現象。所以，表面硬化層也有個最佳值，必須控制零件的表面硬化層在一定的范圍內。

3 對零件疲勞強度的影響

機器在交變載荷工作條件下，零件表面微觀上的不平凹谷和缺陷處很容易引起應力集中現象，使表面產生疲勞裂紋，造成機器零件的疲勞破壞。一般來說，零件的溝槽、尖角、突變、倒角等結構形狀很容易產生應力集中，表面粗糙度對零件疲勞強度的影響更大。因此，承受交變載荷的零件，不管是否是工作表面，技術上通常都要求有較小的表面粗糙度。

加工硬化現象對零件的疲勞強度影響很大。零件表面層的加工硬化使其表面有冷硬層，這個冷硬層能夠有效地阻礙表面出現層疲勞裂紋，可以提高零件的疲勞強度。但是，如果零件加工硬化的表面層冷硬程度太大，反而很容易產生裂紋。所以，為了有效防止裂紋的產生，必須控制零件機械加工過程中加工硬化的冷硬程度與硬化深度，使其在一定的范圍內。

表面層殘余應力的性質對零件的疲勞強度影響很大。當零件表面層的殘余應力為殘余壓應力時，殘余應力能夠減小表面疲勞裂紋的產生和擴展，從而提高零件的疲勞強度；當表面層的殘余應力為殘余拉應力時，殘余應力會加速零件表面裂紋的產生和擴展，從而降低零件的疲勞強度。因此，要提高零件的疲勞強度，就應該控制其表面層殘余應力為壓應力，防止產生拉應力。

4 對零件耐腐蝕性能的影響

零件的表面粗糙度在很大程度上決定了其耐腐蝕性能。粗糙表面的凹槽處容易積存腐蝕性介質而引發化學腐蝕，凸峰處則可能因電化學作用而引起電化學腐蝕。零件表面越粗糙，凹槽也就越深，就越容易積存腐蝕性的物質，滲透和腐蝕現象也就越嚴重。因此，降低零件的表面粗糙度值，可以有效地提高零件的耐腐蝕性。

零件表面殘余應力的性質對其耐腐蝕性有較大影響。零件的表面殘余壓應力使表面更緊密，這樣腐蝕性物質就不容易進入材料內部，因此表面殘余壓應力可增強零件的耐腐蝕性能。相反，如果是表面殘余拉應力，則會降低零件的耐腐蝕性能。

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