表面质量对零件的使用性能有何影响

任何机械加工所得的零件表面，实际上都不是完全理想的表面，因为加工所得的表面总是存在着一定程度的微观不平度、残余应力、冷作硬化以及金相组织的变化等问题。虽然这样的问题仅存在于极薄的表面层中，却错综复杂地影响着机械零件的精度、耐磨性、配合性质的保持、抗腐蚀性和疲劳强度，从而影响着产品的使用性能和使用寿命。所以应首先了解它对零件使用性能的影响。
1 表面质量对耐磨性的影响
众所周知，两相互作用的表面作相对运动时，由于摩擦会消耗许多有用的能量，世界上约有1/3的能源是被无用的摩擦所消耗。形成摩擦阻力的主要原因之一是由于零件表面粗糙不平。表面越粗糙，摩擦系数就越大，磨损现象就越严重。
如果零件加工表面粗糙不平，当两互相摩擦零件配合时，不是全部表面接触，而只是一些凸峰相接触。由试验知，经过车铣的加工表面实际接触面积为15%~20%；细磨过的表面为30%~50%；经超精加工、巧磨、研磨的表面为90%~97%。
实际接触面积小，导致单位压力增大，磨损加快，这些零件的凸峰会很快压扁磨平，产生剧烈的初期磨损，这多发生在装配和使用过程中，从而失去原有的精度。
零件表面磨损情况如图1所示，在最初阶段，磨损很快，磨损曲线急速上升；在经过一段运转之后，表面接触面积逐渐增大，磨损速度减缓；当接触表面的粗糙度降低到65%~75%时，磨损速度稳定下来，曲线趋于平坦，初期磨损阶段结束，进入正常磨损阶段。这一过程表明，粗糙度值较低的零件表面比粗糙度值较高的表面要耐磨。故为了提高耐磨性，必须规定表面粗糙度。

表面粗糙度对磨损的影响极大，但并不是表面粗糙度值愈小愈耐磨。图2所示的两条曲线是实验所得的表面粗糙度对初期磨损的影响曲线。从曲线可知，存在着某个最佳点，这一点所对应的粗糙度是零件最耐磨的粗糙度，具有这样粗糙度的零件的初期磨损量很小。如果摩擦载荷加重或润滑等条件恶化时，磨损曲线向上向右移动，最佳粗糙度也随之右移。在一定工作条件下，如果粗糙度值过高，实际压强增大，粗糙不平的凸峰互相啮合、挤裂和切断加剧，磨损也加剧。粗糙度值过低，也会导致磨损加剧。因为表面如此光滑，存储润滑油的能力很差，金属分子的吸附力增大，一旦润滑条件恶化，紧密接触的两表面便会发生分子粘合现象而咬合起来，金属表面发热而产生胶合，导致磨损加剧。粗糙度的最佳点大致在1.6~0.8左右。此外，表面加工纹理方向（主要指加工痕迹方向）对摩擦也有重要影响。试验表明，当表面纹理与运动方向重合时，摩擦阻力最大；而当两者之间成一定的角度或表面纹理方向无规则时，摩擦阻力最小。

2 表面质量对零件配合性质的影响
对于相配零件，无论是间隙配合、过渡配合、还是过盈配合，如果表面加工得太粗糙，Rz值很大，则必然会影响到它们的实际配合性质。
机器运转时，配合表面将不断磨损，最明显的磨损是初期磨损。初期磨损结束后就进入正常磨损阶段，这一阶段的磨损很不明显，常可在很长时间的运转中不发生明显磨损。初期磨损量△0与表面粗糙度Rz有关，△0= KRz（μm）。
一台新机器的正常持久的工作状态是从初期磨损后才开始的。就是说，机器先要经过磨合阶段才进入正常的工作状态。如果表面粗糙度太差，Rz太大，则初期磨损量就会很大，装配时所得的间隙就会增大很多，从而改变应有的配合性质。很可能机器刚经过磨损阶段就已经漏气、漏油或晃动而不能正常工作。所以，在配合间隙要求很小、很精密的情况下，就不仅要保证配合表面具有较高的尺寸和几何形状精度，还应保证有足够的表面粗糙度。
对于精度很高的配合，零件的配合面粗糙度必须有相当的要求。在实际研究的基础上，可以提出如下的要求：
零件尺寸
>50 mm时，Rz=（0.10~0. 15）T
＞18~50 mm时，Rz=（0.15~0. 20）T
＜18 mm时，Rz=（0.20~0. 25）T
式中，T为尺寸公差
表面的冷硬现象也影响配合的可靠性，合理的强化能使表面变形减小，使接触刚度提高，但过分强化，表面的金属层在受力后有可能与内部金属脱离，从而破坏了配合性质。
3 表面质量对疲劳性能的影响
零件在承受交变载荷、重载荷及高速工作条件下，其疲劳强度除了与零件材料的物理机械性能有关外，还与表面粗糙度关系很大。因为零件表面微观的高低不平，会引起应力集中现象，在微观低凹点的应力易于超过疲劳极限而出现疲劳裂纹。
零件表面越粗糙，凹痕越深，其根部曲率半径越小，对应力集中越敏感。所以表面粗糙度越小，形成应力集中的可能性就越小，出现显微裂纹的机会也越小。因而疲劳强度就高。表面粗糙度大时，在外力作用下，极易产生应力集中，因而疲劳强度就低。特别是在交变载荷作用下，影响更大，零件往往因此而很快产生疲劳裂纹而损坏。
由粗糙度而产生应力集中的实际表面应力，约为平均应力的1.5~2.5倍。从许多事故的分析中发现零件的破坏原因，常是以表面粗糙度的峰谷，尤其是以表面撕裂出毛刺、鳞刺的尖端为源而断裂的。
通常采用应力集中系数ασ来评定表面粗糙度对零件疲劳强度的影响。将实际表面当作带有划痕或切口的某种假想表面来观察。如切削加工的表面是由许多相间的凹谷和凸峰组成的，表面本身是许多切口形成的应力集中的集合体。
根据前苏联学者的研究，应力集中系数ασ与表面上多次重复出现的凹谷几何参数之间的理论关系为：
扭曲和剪时，
拉伸和弯曲时，
式中：R—微观不平度高度；
P—波谷曲率半径；
r一不平度间距与其高度之比的相关系数。
机械加工后的表面构形通常取：r=1，R/ρ= 0. 5~0.3，故理论应力集中系数为：ασ=1.5~2.5。
磨削表面的粗糙度为0.4、0. 8、1. 6，其应力集中系数分别为1.2、1.24、1.48。
所以，零件的使用性能，不仅取决于表面微观不平度的高度，同时还取决于它们的形状，如波谷和波峰的圆角半径、不平度的间距等。
4 表面质量对耐腐蚀性的影响
零件表面粗糙度对零件的耐腐蚀性有很大的影响。表面粗糙值大，腐蚀物质易积于坑凹中，腐蚀表面金属。尖峰状表面纹理形状、有裂纹缺陷的表面，耐蚀性更差，如图3所示。

表面层残余应力对耐腐蚀性也有影响，残余拉应力加速了表面的腐蚀，残余压应力阻止裂纹的扩展，腐蚀介质不易侵入，增强了耐腐蚀性能。
5 表面质量对接触刚度的影响
影响两相互接触的表面的接触刚度的主要因素有：接触表面的材料及其物理机械性能、几何形状和表面的质量等。
6 表面完整性对零件使用性能的影响
零件的使用性能如耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等除与材料本身的性能和热处理有关外，还主要决定于加工后的表面完整程度。表面完整性指的是：零件表面加工后，表面层的状态和性能未受到任何损伤，甚至还有所提高的结果。也就是说，表面完整性是解释和控制加工过程中在一个表层中可能发生的许多变化，包括这种变化对材料性能和该表面的使用性能的影响。按照加工过程对工件材料主要技术性能的影响，选择并控制加工过程，从而达到所需的表面完整性。