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1、第七章金属磨损和接触疲劳第1 页，本讲稿共33 页第一节 磨损概念一、磨擦和磨损 摩 擦（Friction）是 两 个 相 互 接 触 的 物 体 在 外 力 作 用 下，发 生相 对 运 动(或 有 相 对 运 动 趋 势)时 产 生 切 向 运 动 阻 力 的 物 理现象，而磨损（Wear）是摩擦的 结果。凡相互作用、相对运动的两表面之间，都有摩擦与磨损存在。磨 损 概 念：机 件 表 面 相 接 触 并 作 相 对 运 动 时，表 面 逐 渐有 微 小 颗 粒 分 离 出 来 形 成 磨 屑(松 散 的 尺 寸 与 形 状 均 不 相同 的 碎 屑)，使 表 面 材 料 逐 渐 流 失(
2、导 致 机 件 尺 寸 和 质 量 损 失)、造成表面损伤的现象。所 谓 摩 擦 副 是 指 摩 擦 材 料 与 其 对 偶 组 成 的 整 体,例 如 制 动 盘和刹车块就是典型的摩擦副第2 页，本讲稿共33 页材料的磨损不是简单的力学过程，而是物理、力 学和化学过程的复杂综合。目前，比较常见的磨损分类方法是：（1）粘着磨损（Adhesive Wear）：接触表面相互运动 时，由于固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移 到另一表面而形成的磨损。（2）磨粒磨损(Abrasive Wear)：由于摩擦表面间硬颗 粒或硬突起，使材料产生脱落而形成的磨损。（3）冲蚀磨损(Erosion 或Erosi
3、ve Wear)：含有固体颗 粒的流体介质冲刷固体表面，使表面造成材料损失 的磨损，又称为湿磨粒磨损。（4）疲劳磨损(Fatigue Wear)：由于摩擦表面间循环交 变应力引起表面疲劳，导致摩擦表面材料脱落而形 成的磨损。（5）腐蚀磨损(Corrosive Wear)：在摩擦过程中，由于 固体界面上的材料与周围介质发生化学反应导致材 料损耗而形成的磨损。（6）微动磨损(Fretting Wear)：在两物体接触面间由 于振幅很小(1mm 以下)的相对振动引起的磨损。第3 页，本讲稿共33 页在磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂的过程。磨损发生在机件表面。在整体加载时，塑性变形集中在材料
4、一定体积内，在这些部位产生应力集中并导致裂纹形成；而在表面加载时，塑性变形和断裂发生在表面，由于接触区应力分布比较复杂，沿接触表面上任何一点都有可能参加塑性变形和断裂，反使应力集中降低。在磨损过程中，塑性变形和断裂是反复进行的，一旦磨屑形成后又开始下一循环，所以过程具有动态特征。这种动态特征标志着表层组织变化也具有动态特征，即每次循环，材料总要转变到新的状态，加上磨损本身的一些特点，所以普通力学性能试验所得到的材料力学性能数据不一定能反映材料耐磨性的优劣。第4 页，本讲稿共33 页机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶段：1)跑合阶段(磨合阶段)在此阶段内，无论摩擦副双方硬度如何，摩擦表面逐渐被
5、磨平，实际接触面积增大，故磨损速率减小。跑合阶段磨损速率减小还和表面应变硬化及表面形成牢固的氧化膜有关。2)稳定磨损阶段 这是磨损速率稳定的阶段，线段的斜率就是磨损速率。大多数机器零件均在此阶段内服役，实验室磨损试验也需要进行到这一阶段。通常即根据这一阶段的时间、磨损速率或磨损量来评定不同材料或不同工艺的耐磨性能。在跑合阶段跑合得越好，稳定磨损阶段的磨损速率就越低。3)剧烈磨损阶段 是随着机器工件时间增加，摩擦副接触表面之间的间隙增大，机件表面质量下降，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，此时机件很快失效。第5 页，本讲稿共33 页第6 页，本讲稿共33 页二、耐磨性耐磨性是材料抵抗磨损
6、的性能，这是一个系统性质。通常是用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。线磨损：用试样摩擦表面法向方向的尺寸减小来表示。体积磨损或质量磨损：用试样体积或质量损失来表示。比磨损量：若测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等等。相对耐磨性 第7 页，本讲稿共33 页第二节 磨损模型一、粘着磨损(Adhesive Wear)1.磨损机理粘 着 磨 损 又 称 为 咬 合 磨 损，是 在 滑 动 摩 擦 条 件 下，当 摩 擦 副 相 对 滑动 速 度 较 小(钢 小 于1m/s)时 发 生 的。它 是 因 缺 乏 润 滑 油，摩擦 副 表 面 无 氧 化 膜，且 单 位 法 向 载 荷 很
7、 大，以 致 接 触 应 力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。第8 页，本讲稿共33 页摩 擦 机 理：摩 擦 副 实 际 表 面 上 总 存 在 局 部 凸 起，当 摩 擦 副 双 方接 触 时，即 使 施 加 较 小 载 荷，在 真 实 接 触 面 上 的 局 部 应 力 就足 以 引 起 塑 性 变 形。倘 若 接 触 面 上 洁 净 而 未 受 到 腐 蚀，则 局部 塑 性 变 形 会 使 两 个 接 触 面 上 的 原 子 彼 此 十 分 接 近 而 产 生 强烈 粘 着(冷 焊)。所 谓 粘 着，实 际 上 就 是 原 子 间 的 键 合 作 用。随 后 在 继 续 滑 动
8、 时，粘 着 点 被 剪 开 并 转 移 到 一 方 金 属 表 面，然 后 脱 落 下 来 便 形 成 磨 屑。一 个 粘 着 点 剪 断 了，又 在 新 的地 方 产 生 粘 着，随 后 也 被 剪 断、转 移，如 此 粘 着剪 断转 移再 粘 着 循 环 不 已，就 构 成 粘 着 磨 损 过 程。粘 着 磨 损 过程如图示。因 为 粘 着 磨 损 过 程 中 有 材 料 转 移，所 以 摩 擦 副 一 方 金 属 表 面 常 粘 附 一层 很 薄 的 转 移 膜，并 伴 有 化 学 成 分 变 化。这 是 判 断 粘 着 磨 损 的 重 要特征。第9 页，本讲稿共33 页 第10 页，
9、本讲稿共33 页2.磨损量的估算 Archard 提出的粘着磨损量估算方法如下：在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，故接触压缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度SC的三倍。若接触处因压应力很高超过SC产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。此时，外加载荷事实上作用在接触点真实面积上。设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3 SC，作用于表面上的法向力为F，则 F=A(3 SC)假定磨屑呈半球形，直径为d。任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点尺寸相同，直径也为d，则 第11 页，本讲稿共33 页可推出：再假定每一粘着点滑过距离也为d，则单位滑动距离形成的粘着点数N 为磨屑形成有个几率问题，设此几率为K，
10、则单位滑动距离内的磨损体积为由上式可知，对上式进行积分，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离内的粘着磨损体积为 上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度(或硬度)成反比，而与表观接触面积无关。第12 页，本讲稿共33 页3.3.影响因素影响因素综上所述，材料特性、法向力、滑动速度以及温度等均对粘着磨损有明显影响。1)塑 性 材 料 比 脆 性 材 料 易 于 粘 着；互 溶 性 大 的 材 料(相 同 金 属 或 晶 格 类 型、点 阵常 数、电 子 密 度、电 化 学 性 质 相 近 的 金 属)组 成 的 摩 擦 副 粘 着 倾 向 大；单 相金
11、属 比 多 相 金 属 粘 着 倾 向 大；化 合 物 比 固 溶 体 粘 着 倾 向 小；金 属 与 非 金 属 组成的摩擦副比金属与金属的摩擦副不易粘着。2)在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增大。3)在 法 向 力 一 定 时，粘 着 磨 损 量 随 滑 动 速 度 增 加 而 增 加，但 达 到 某 一 极 大 值 后 又 随 滑动速度增加而减小。4）摩 擦 副 表 面 粗 糙 度、摩 擦 表 面 温 度 以 及 润 滑 状 态 等 也 都 对 粘 着 磨 损 有 较 大 影 响。降 低 表 面 粗 糙 度，将 增 加 抗 粘 着 磨 损 能 力；但 粗 糙 度 过 低，因 润
12、 滑 剂 难 于 储 存 在摩擦面内而促进 粘着。5）提高温度促进磨损产生。6)良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。第13 页，本讲稿共33 页4.改善粘着磨损耐磨性的措施（a）首先要注意摩擦副配对材料的选择其基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对；选用表面易形成化合物的材料配对；金属与非金属配对，如金属与高分子材料配对，以及选用淬硬钢或淬硬钢与灰铸铁配对等都有明显效果。（b）采用表面化学热处理工艺（氮化、渗碳等），可提高摩 擦表面的抗粘着能力，有效地阻止材料的粘着。（c）控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损 大为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属的结合能
13、力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。第14 页，本讲稿共33 页二、磨粒磨损1.磨损机理分类：a）按接触条件或磨损表面数量分：（1）两体磨粒磨损：磨料直接作用于被磨材料的 表面，磨粒、材料表面各为一物体。（2）三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。磨粒为一物体，两材料为两物体，磨粒可以在两表面 间滑动，也可以滚动。b）按力的作用特点分为：（1）凿削式磨粒磨损：磨粒对材料表面有高应力冲 击式的运动，从材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如 挖掘机斗齿、破碎机锤头等。（2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨粒与材料表面接触 处的最大压应力大于磨料的压碎强度，磨
14、粒不断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球等。（3）低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应 力不超过磨料的压碎强度，材料表面为轻微划伤。第15 页，本讲稿共33 页c）按材料的相对硬度分为：（1）软磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比大于0.8。（2）硬磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比小于0.8。磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。第16 页，本讲稿共33 页在 磨 粒 磨 损 时，磨 粒 与 摩 擦 表 面 之 间 的 相 互 作 用，与 机 械 加 工 中切 削 刀 具 与 工 件 的 相 互 作 用 类 似。对 于 韧 性 金 属 材 料，每 一 磨粒 从 表 面 上 切 下 的 是
15、 一 个 连 续 屑；而 对 于 脆 性 金 属 材 料，一 个磨 粒 切 下 的 是 许 多 断 屑。由 于 磨 粒 磨 损 产 生 的 条 件 不 同，它 不是 简 单 的 切 削 过 程。当 磨 粒 受 切 向 力 作 用 而 沿 摩 擦 表 面 产 生 相对 运 动 时，摩 擦 表 面 将 受 到 剪 切、犁 皱 或 切 削。对 于 韧 性 金 属材 料 和 有 锐 刃 的 硬 粒 子，表 面 材 料 是 被 剪 切 下 来 的，且 呈 连 续屑 形 式。而 对 于 有 光 滑 刃 或 圆 刃 的 硬 粒 子，韧 性 金 属 材 料 只 被犁 皱。犁 皱 时，表 面 材 料 沿 硬 粒
16、 子 运 动 方 向 被 横 推 而 形 成 沟 槽。大 部 分 塑 性 变 形 的 材 料 沿 沟 槽 两 侧 堆 积 起 来，而 不 是 从 表 面 上切 削 下 来。对 于 脆 性 材 料，沟 槽 是 由 裂 纹 扩 展 和 随 后 的 表 面 材料成碎片脱落而形成的。第17 页，本讲稿共33 页2.磨损量估算 1966年Rabinowicz 以 两 体 磨 粒 磨 损 为 例，估 算 出 以 切 削 作 用 为 主 的 磨粒 磨 损 量。按 照 这 一 模 型，在 法 向 力F 作 用 下，硬 材 料 的 凸 出 部 分 或 磨 粒(假 定 为 圆 锥 体)被 压 入 软 材 料 中。
17、当 作 用 在 一 个 凸 出 部 分 上 的 力F 除 以 凸 出 部 分 在水 平 面 上 投 影 接 触 面 积r2等 于 软 材 料 的 压 缩 屈 服 强 度 时，则 凸 出 部 分 或 磨 粒 的 压入就会停止下来，于是可以得到 F=(3 SC)r2 设 为 凸 出 部 分 的 圆 锥 面 与 软 材 料 表 面 间 的 夹 角，当 摩 擦 副 相 对 滑 动 了l 长 的 距 离时，凸 出 部 分 或 磨 粒 切 削 下 来 的 软 材 料 体 积，即 磨 损 量V 为 V=0.5*2r*r*tan l=r2ltan第18 页，本讲稿共33 页由上两式可得因为金属材料的屈服强度与
18、硬度成正比，所以上式又可写为K为系数。可见，磨粒磨损量与法向力、摩擦距离成正比，与材料硬度成反比，同时还与硬材料凸出部分或磨粒的形状有关。第19 页，本讲稿共33 页3.3.影响因素影响因素(a)材料性能*硬 度：一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨 损能力也越高。（1）对纯金属和各种成分未经热处理的钢，耐磨性与 材料的硬度成正比。（2）对经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关 系，但直线的斜率比纯金属为小。（3）通过塑性变形虽能使钢材加工硬化、提高钢的硬 度，但不能改善其抗磨粒磨损的能力。第20 页，本讲稿共33 页*断裂韧性断裂韧性也会影响材料的磨粒磨损性能。第21 页，本讲稿共33 页
19、*显微组织马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨 性最差。*钢中碳化物：在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨 性也提高；但在硬基体(即基体硬度与碳化物硬度相 近)中，碳化物反而损害材料的耐磨性。第22 页，本讲稿共33 页(b)磨粒性能*磨粒硬度磨损体积与硬度比Ha/H（磨粒硬度Ha 与材料硬度 H 之比）的关系。第23 页，本讲稿共33 页4.改善磨粒磨损耐磨性的措施a)对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增加材 料的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损，应提高 材料的韧性。b)根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的低应 力)，合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳调质钢)。c)采用渗碳
20、、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬 度，也能有效地改善材料的磨粒磨损性能。另外，经常注意机件防尘和清洗，防止大于1um 磨粒进入接触面，也是有效的措施。第24 页，本讲稿共33 页三、冲蚀磨损1.磨损机理冲蚀磨损是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。第25 页，本讲稿共33 页在冲蚀磨损过程中，表面材料流失主要是机械力引起的。在高速粒子不断冲击下，塑性材料表面逐渐出现短程沟槽和鱼鳞状小凹坑(冲蚀坑)，且变形层有微小裂纹。第26 页，本讲稿共33 页脆性材料(如陶瓷、玻璃等)冲蚀磨损是裂纹形成与快速扩展的过程。当用锐角粒子冲击脆性材料表面时，发现有两种形状
21、的裂纹：一种是垂直于表面的初生径向裂纹；另一种是平行于表面的横向裂纹。在粒子冲击下，径向裂纹形成及其扩展降低材料强度。横向裂纹形成并扩展到表面，材料脱落变为磨屑而流失。第27 页，本讲稿共33 页2.改善冲蚀磨损耐磨性的措施a.设法减小入射粒子和介质的速度b.改变冲击角以减轻冲蚀磨损，塑性材料尽量避免在2030 之间服役，脆性材料则应力求不受粒子垂直入射。c.合理利用粒子浓度和粒度减轻冲蚀磨损。d.合理设计机件形状，如合理设计涡轮叶片、飞行器或其他机件的迎风面，输送管线平滑过渡和弯曲等。e.在保持良好设计条件时，应尽可能选用冲蚀磨损抗力较高的材料及表面处理方法。选材时，关键是要根据服役条件正确
22、处理硬度和韧性的合理配合。第28 页，本讲稿共33 页四、腐蚀磨损在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损(粘着磨损或磨粒磨损)共存，故又称为腐蚀机械磨损。典型的腐蚀磨损有各类机械中普遍存在的氧化磨损，以及在化工机械中因特殊腐蚀气氛而产生的特殊介质腐蚀磨损两类。特殊介质腐蚀磨损在一般机械中比较少见。第29 页，本讲稿共33 页氧化磨损的磨损率最小，其值仅为0.10.5um/h,属于正常类型的磨损。任何存在于大气中的机件表面总有一层氧的吸附层。当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起
23、部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成氧化膜。由于形成的氧化膜强度低，在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损，这就是氧化磨损过程。氧化磨损的特征是，是在摩擦面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产物或为红褐色的Fe2O3，或为灰黑色Fe3O4。第30 页，本讲稿共33 页五、微动磨损在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动，其振幅约为10-2um
24、数量级。接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀，其特征是摩擦副接触区有大量红色Fe2O3磨损粉末，如果是铝件，则磨损产物是黑色的。产生微动磨损时在摩擦面上还常常见到因接触疲劳破坏而形成的麻点或蚀坑。第31 页，本讲稿共33 页微动磨损是一种复合磨损，兼有粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损的作用，其过程有三个阶段：在第一阶段产生凸起塑性变形，并由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；第二阶段是通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即被氧化；第三阶段是磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已就构成了微动磨损。第32 页，本讲稿共33 页由于微动磨损集中在局部地区，又因两摩擦表面永不脱离接触，故磨损产物不易排出。在连续振动时，由于磨屑对于摩擦副表面产生交变接触压应力，导致表面疲劳破坏形成麻点或蚀坑。蚀坑有可能是应力集中源，并随后因疲劳裂纹发展，引起机件完全破坏。改善微动磨损耐磨性的措施，首先是加强紧配，保证足够的过盈量，避免产生微小振动。还可以用化学热处理方法，提高摩擦副表面抗粘着能力，以减轻微动磨损。钢制机件经表面渗硫或硫氮共渗处理，可以显著提高抗微动磨损能力。此外，在摩擦副间加绝缘层或充填四氟乙烯，既可以防止微凸起接触，又阻止氧参与磨损过程，可以大大减轻微动磨损。第33 页，本讲稿共33 页