3-材料磨损与耐磨材料(第2章课件)3

1 第一篇材料磨损基础 Chapter1 材料的磨损Chapter2 固体表面结构与接触特性Chapter3 材料的磨损机理 2 Chapter2 固体表面结构与接触特性 2 1固体表面的几何形貌 2 2固体表面的表征方法 2 3物体接触与实际接触面积 2 4固体表面结构 3 2 1固体表面的几何形貌 不仅是金属 凡是固体其表面形貌都很复杂 这是因为任何机器零件的表面都要留下其加工制造工艺过程所产生的痕迹 如铸件表面 金属在铸型中凝固时留下的粗糙的表面 锻压件表面留下金属成型过程中压力加工的表面 机械加工零件表面留下的机加工刀痕 切屑分离时的塑性变形等 4 2 1固体表面的几何形貌 所有这些都造成零件的实际表面与理想的绝对光滑的 平整的表面存在有一定的几何形状的误差 如下图所示 这种形状误差可分为三类 固体表面几何形状误差1 形状误差 2 波纹 3 粗糙度 5 2 1固体表面的几何形貌 1 宏观几何形状误差 即表面形状误差 对于平面 用不直度和不平度表示 对于圆柱面 用不圆度 椭圆度 不圆柱度等表示 如图所示 表示形状误差 固体表面几何形状误差1 形状误差 2 波纹 3 粗糙度 6 2 1固体表面的几何形貌 固体表面几何形状误差1 形状误差 2 波纹 3 粗糙度 2 表面波纹度 零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差 波纹度有两个重要参数 即波高和波距 波高Hb表示波峰和波谷间的高度差 波距Lb表示相邻两波形对应点的间距 如图所示 波纹度的变化会影响零件的实际支承表面的面积 从而影响磨损 7 2 1固体表面的几何形貌 3 表面粗糙度 是指比表面波纹度更微观尺度上的几何形状误差 通常是指毫米尺度以下范围内表面凹凸不平的情况 而波纹度的波距较长 一般在1 10毫米范围 表面粗糙度的评定指标一般采用轮廓算术平均偏差Ra 微观不平度十点平均高度Rz及轮廓均方根偏差Rq 8 Chapter2 固体表面结构与接触特性 2 1固体表面的几何形貌 2 2固体表面的表征方法 2 3物体接触与实际接触面积 2 4固体表面结构 9 2 2固体表面的表征方法 2 2 1轮廓算术平均偏差Ra如下图所示是在取样长度l内 被测轮廓上各点轮廓中心线m m的距离 y1 y2 yn 绝对值总和的算术平均值 其数学表达式为 或 10 2 2固体表面表征方法 2 2 2微观不平度十点平均高度Rz它是指在取样长度l内5个最大的轮廓峰高 绝对值 的平均值和5个最大轮廓谷深 绝对值 的平均值之和 如下图所示 其数学表达式 11 2 2固体表面表征方法 2 2 3轮廓均方根偏差Rq它是指在取样长度l内轮廓偏距的均方根值 其数学表达式为 12 2 2固体表面表征方法 NOTE 上述三种参数仅反映表面高度方向的粗糙度 但不能反映表面峰 谷轮廓的斜度和其出现频率的情况 为了克服这一点 可采用表面轮廓在水平方向的参数和二维参数来补充评定表面的形貌 1 轮廓微观不平度的平均间距Sm 2 轮廓单峰平均间距S 13 2 2固体表面表征方法 1 轮廓微观不平度的平均间距Sm 它是指在取样长度l内轮廓在中线m m上间距pmi的算术平均值 如图所示 pmi为含有一个轮廓蜂和相邻轮廓谷的一段中线长度 反映表面峰 谷轮廓的斜度 14 2 2固体表面表征方法 2 轮廓单峰平均间距S 它是指在取样长度l内轮廓的单峰间距Pi的平均值 见下图所示 反映表面单峰出现的频率 15 2 2固体表面表征方法 2 2 4轮廓支承面曲线它表示表面轮廓上各微凸体沿高度分布的情况 也可以反映出摩擦表面磨损到某一定程度时 支承面积大小 表面上微凸体的高度分布 支承面曲线如图所示 其中 P为轮廓最高峰点至截线间的距离 P0为最高峰点至最深谷的距离 16 2 2固体表面表征方法 轮廓支撑面曲线可用作图法求得 它是在取样长度l内 作任一平行于中线m m的线与轮廓相截后得到的各段截线长度之和与取样长度l之比 即 其中 P为轮廓最高峰点至截线间的距离 P0为最高峰点至最深谷的距离 17 2 2固体表面表征方法 轮廓支承面曲线表示表面轮廓上各微凸体沿高度分布的情况 反映出摩擦表面磨损到某一定程度时 支承面积大小 该参数对研究摩擦表面的接触状态和表面耐磨性有重要作用 其中 P为轮廓最高峰点至截线间的距离 P0为最高峰点至最深谷的距离 18 课内题 请画出轮廓支承面曲线 并说明摩擦表面特征 19 2 2固体表面表征方法 NOTE 上述表征固体表面形貌的参数只能反映被测表面某一截面上的形貌 为了反映固体表面上某一区域的全部形貌 近年来开始研究表面的三维形貌 即在x y表面上描绘出形貌轮廓后 再使被侧表面相对于轮廓仪测头在z轴方向移动一个微小的距离 然后再测出一条表面轮廓线 这样就可以得到由一组间隔很密的轮廓线组成的三维形貌图 如下图所示 20 2 2固体表面表征方法 激光共焦扫描显微镜 21 Chapter2 固体表面结构与接触特性 2 1固体表面的几何形貌 2 2固体表面的表征方法 2 3物体接触与实际接触面积 2 4固体表面结构 22 2 3物体接触与实际接触面积 2 3 1物体摩擦表面接触特点对于所有固体的真实表面都是凹凸不平的 当两个凹凸不平的固体表面相接触时 并不是整个表面都接触 只是凸起的微峰之间形成接触点 当两者的距离足够近 会产生原子的作用力 接触点以外区域表面间的原子不存在作用力 因为两表面是被完全隔开 这种接触具有不连续性和不均匀性 见下图所示 23 2 3物体接触与实际接触面积 接触面积可分三种 名义接触面积 由物体表面接触的外部尺寸决定 以An表示 An axb 24 2 3物体接触与实际接触面积 轮廓接触面积 物体接触表面凸峰被压扁的部分构成的面积 如上图中虚线所包围的面积 以Ap表示 实际接触面积 物体真实接触的面积 如上图中虚线包围的各小黑点面积的总和 以Af表示 25 2 3物体接触与实际接触面积 因此 两物体表面接触时 实际接触面积只是名义接触面积的千分之几甚至万分之几 这样即使作用在整个接触面积上的载荷F很小 但接触点上的应力却很大 随着F的增加 接触点上的应力逐步达到材料的屈服极限 s 便产生塑性流动 因而增大接触面积和接触点数 此时应力并不增加 当Ar和 s乘积等于载荷F时 接触点上的塑性流动停止 由此鲍登和泰博提出以下公式 26 2 3物体接触与实际接触面积 当时他们认为表面微峰顶部的曲率半径r很小 所以接触应力很容易达到 s而产生塑性变形 但后来许多实验证明 实际接触面积和表面粗糙度有关 即和微峰顶部曲率半径和微峰高度分布状况有关 表面间的接触变形不完全是塑性变形而有弹性变形部分 当载荷F增加时 表面接触变形y经历了弹性变形 弹 塑性变形和完全塑性变形三个阶段 如下图所示 27 2 3物体接触与实际接触面积 28 2 3物体接触与实际接触面积 在实际中 对摩擦面施加的载荷是重复加载的 微峰顶的曲率半径r经过摩擦和磨损后会显著地增大 如图所示 29 2 3物体接触与实际接触面积 而且表面的微峰硬度会随着加载的进行不断增加 表面的微峰硬度在第一次加载后约提高5 15 多次重复加载后可提高20 80 因此 即使在初次加载时出现了塑性变形 但在重复加载 载荷大小不超过初始值 时塑性变形将逐步蜕变为弹性变形 30 2 3物体接触与实际接触面积 2 3 2两固体表面的实际接触面积在实际接触面积的大量实验中 总结出形成过程的一些特点 1 由于表面祖糙度具有离散性 所以它们的接触也具有离散性 2 实际的接触点不仅由塑性变形而且也有弹性变形所产生 3 实际接触面积随载荷的增加而增大 接触斑点的平均面积几乎保持不变 而是接触斑点数量增加 所以实际接触面积的增加主要是由于接触斑点的增加 31 Chapter2 固体表面结构与接触特性 2 1固体表面的几何形貌 2 2固体表面的表征方法 2 3物体接触与实际接触面积 2 4固体表面结构 32 2 4固体表面结构 2 4 1固体表面概念及认识 2 4 2固体表面的基本特征 2 4 3晶体的表面结构 33 2 4 1固体表面概念及认识 固体表面是指固气界面或固液界面 它实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层 0 5 10nm 组成 是凝聚态对气体或真空的一种过渡 任何表面系统都有自发降低其表面能的趋势 问题1 液体以什么样的方式降低表面能 问题2 固体以什么样的方式降低表面能 34 在表面张力的作用下 液体是以形成球形表面来降低表面能 而固体由于质点不能自由流动 只能借助于离子重排 变形 极化并引起晶格畸变来降低表面能 35 2 4 1固体表面概念及认识 材料的摩擦与磨损和它的表面结构有关 一般材料表面层的性质与整体性质之间可能有很大的差异 如金属材料如下图所示 36 2 4 1固体表面概念及认识 金属的最表层约有30 厚的污染层 还有厚度约为3 的气体吸附层和100 左右的金属氧化层 金属表层在加工过程中由于晶格歪曲变形以及最外层分子在熔化后骤然冷却而形成的微细结晶结构层 比金属基体要硬 这层结构称为硬化层 37 2 4固体表面结构 2 4 1固体表面概念及认识 2 4 2固体表面的基本特征 2 4 3晶体的表面结构 38 2 4 2固体表面的基本特征 1 固体表面的基本特征 不均一性绝大多数晶体是各向异性的 这一性质也体现在不同方位的表面上 同种固体的表面性质会发生与制备或加工过程密切相关的变化 39 2 4 2固体表面的基本特征 晶体中晶格缺陷如空位或位错等也会在表面存在并引起表面性质的变化 固体暴露在空气中 其表面被外来物质所污染 被吸附的外来原子可占据不同的表面位置 形成有序或无序排列 从原子尺度上 实际固体表面并非光滑 是凹凸不平的 40 请问这些分别影响材料哪些层 晶体是各向异性的 制备或加工过程 晶体中晶格缺陷如空位或位错 固体暴露在空气中 其表面被外来物质所污染 从原子尺度上 实际固体表面并非光滑 是凹凸不平的 41 2 4 2固体表面的基本特征 2 固体表面的基本特征 表面力场晶体中每个质点周围都存在一个力场 在晶体内部这个力场是对称的 但在固体表面 质点排列的周期性被中断 使处于表面上的质点力场对称性破坏 产生有指向的剩余力场 这种剩余力场表现出固体表面对其他物质有吸引作用 如吸附 润湿等 这种作用力称为固体表面力 42 2 4 2固体表面的基本特征 2 1化学力化学力本质是静电力 主要来自表面质点的不饱和键 当固体表面质点和被吸附物间发生电子转移时 形成化学键 产生化学力 表面力主要可分为化学力和分子引力 分别对应化学吸附和物理吸附 43 2 4 2固体表面的基本特征 当固体吸附剂利用表面质点的不饱和价键将吸附物吸附到表面之后 吸附剂可能把它的电子完全给予吸附物 使吸附物变成负离子 如吸附于大多数金属表面上的氧气 或 吸附物把其电子完全给予吸附剂 而变成吸附在固体表面上的正离子 如吸附在钨上的钠蒸气 多数情况下吸附是介于上述二者之间 即在固体吸附剂和吸附物之间共有电子 并且经常是不对称的 44 2 4 2固体表面的基本特征 2 2分子引力范德华力又称分子引力 主要来源于三种力 定向作用力 静电力 主要发生在极性物质之间 相邻两个极化电矩因极性不同而发生作用的力 诱导作用力 发生在极性物质与非极性物质之间 诱导是指在极性物质作用下 非极性物质被极化诱导出暂态的极化电矩 随后与极性物质产生定向作用 45 2 4 2固体表面的基本特征 分散作用力 色散力 主要发生在非极性物质之间 非极性物质是指其核外电子云呈球形对称而不显示永久的偶极矩 但就电子在绕核运动的某一瞬间 在空间各个位置上 电子分布并非严格对称 这样就将呈现出瞬间的极化电矩 许多瞬间极化电矩之间以及它对相邻物质的诱导作用都会引起相互作用效应 这称为色散力 46 2 4固体表面结构 2 4 1固体表面概念及认识 2 4 2固体表面的基本特征 2 4 3固体的表面结构 47 表面力的存在使固体表面处于较高能量状态 但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量 这就导致表面质点的极化 变形 重排并引起原来晶格的畸变 对于不同结构的物质 其表面力的大小和影响不同 因而表面结构状态也会不同 2 4 3固体的表面结构 48 2 4固体表面的结构 2 4 1理想表面结构 2 4 2清洁表面结构 2 4 3实际表面结构 49 2 4 1理想表面结构 如果把固体表面结构看成和体内相同 即体内的晶体结构不变地延续到表面后中断 这种表面称为理想表面 理想表面结构是理论上结构完整的二维点阵平面 忽略了晶体内部周期性势场在晶体中断的影响 忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象 忽略了外界对表面的物理化学作用等对晶体表面的影响 50 2 4 1理想表面结构 d 这种理想表面作为半无限的晶体 体内的原子的位置及其结构的周期性 与原来无限的晶体完全一样 晶体的解理面可以认为是理想表面 理想表面结构示意图 51 2 4固体表面的结构 2 4 1理想表面结构 2 4 2清洁表面结构 2 4 3实际表面结构 52 2 4 2清洁表面结构 晶体表面是原子排列面 有一侧无固体原子键合 形成了附加的表面能 从热力学来看 表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态 达到这个稳定态的方式有两种 一是自行调整 原子排列情况与材料内部明显不同 二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态 因而使表面组分与材料内部不同 53 2 4 2清洁表面结构 2 4 2 1清洁表面的特征清洁表面是指不存在任何吸附 催化反应 杂质扩散等物理化学效应的表面 这种清洁表面的化学组成与体内相同 但周期结构可以不同于体内 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部 一般大约要经过4 6个原子层之后才与体内基本相似 所以晶体表面实际上只有几个原子层范围 54 2 4 2清洁表面结构 严格地说 清洁表面是不存在任何污染的化学纯表面 即不存在吸附 催化反应或杂质扩散等一系列物理 化学效应的表面 因此 制备清洁表面是很困难的 而在几个原子层范围内的清洁表面 其偏离三维周期性结构的主要特征应该是表面弛豫 表面重构以及表面台阶结构 表面驰豫 表面重构 表面台阶 55 2 4 2清洁表面结构 1 表面台阶台阶表面不是一个平面 它是由有规则的或不规则台阶的表面所组成 Pt 557 有序原子台阶表面示意图 56 弛豫表面示意图 2 表面弛豫 surfacerelaxation 由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断 表面上原子产生的相对于正常位置的上 下位移 称为表面弛豫 LiF 001 弛豫表面示意图 Li F d 2 4 2清洁表面结构 57 2 4 2清洁表面结构 发生弛豫的原因晶体的三维周期性在表面处突然中断 表面上原子的配位情况发生变化 并且表面原子附近的电荷分布也有改变 使表面原子所处的力场与体内原子不同 因此 表面上的原子会发生相对于正常位置的上 下位移以降低体系能量 如右图所示 表面质点间的垂直距离为ds 与体内质点间距do相比有所膨胀 58 2 4 2清洁表面结构 表面结构弛豫表面结构与体内基本相同 但点阵参数略有差异 特别表现在垂直于表面质点方向上的法向弛豫 发生弛豫现象的原因是由于表面质点受力的情况不对称 它可以波及几个质点层 而每一层间的膨胀 或压缩 程度可能是不同的 而且越接近最表层 变化越显著 59 重构表面示意图 3 表面重构 surfacereconstruction 重构是指表面原子结构在水平方向上的周期性不同于体内 但垂直方向的层间距则与体内相同 2 4 2清洁表面结构 60 2 4 2清洁表面结构 重构后 在平行基底的表面上 原子的平移对称性与体内显著不同 原子位置作了较大幅度的调整 表面重构与表面悬挂键有关 这