第6章-金属材料的表面摩擦与磨损PPT课件

材料成形界面工程，界面工程材料加工，武汉科技大学机械自动化学院，李贵，金属材料的表面摩擦与磨损，6/，6.1摩擦，6.2磨损，6/1，6.1摩擦，1。摩擦力定义：当两个接触物体在外力作用下相对运动(或相向运动)时，接触面产生切向力和阻力矩阻止运动的现象称为摩擦力。摩擦表面和相互运动部件的配合表面的摩擦和磨损与摩擦表面的形态以及表面层的结构和性能相关。摩擦表面的形态和表示方法有：1)表面波纹度：2)表面粗糙度：粗糙度(Ra)3)宏观几何：用圆度、圆柱度和平坦度表示。实际曲面与理想曲面有一定的几何误差。零件的表面形貌可分为：6.1摩擦，1。摩擦定义。当两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时，接触面产生切向力和阻力矩阻止运动的现象称为摩擦。表面形态，6.1摩擦，1。摩擦定义，轮廓算术平均偏差(Ra)，是指在l长度范围内，从测量表面轮廓上的每个点到轮廓中心线的mm距离的绝对值之和的算术平均值。它用表面轮廓的高度来反映表面粗糙度的大小，轮廓的算术平均偏差(RA)，6.1摩擦，2 .表面层结构，金属表面层的具体结构图，6.1摩擦，2 .表面层结构，表面层的硬度高于基体，提高了表面的耐磨性，表面层存在物理、化学和应力缺陷。它将成为磨损的应力集中源。表层较细的晶粒增加了晶界，不利于摩擦副在腐蚀介质中工作，实际表面不平整。接触面不是真正的全部接触：实际接触面积名义接触面积；即使在接触点，也可能有分离金属的表面膜。6.1摩擦，3。(滑动)摩擦机制，摩擦的原因是由于交错啮合效应的不均匀表面。表面粗糙度越大，摩擦力越大。1)机械理论(凹凸理论)1699，2)分子理论(分子理论)1734。基本观点：摩擦是由表面分子间的相互作用引起的。3)1939年分子力学理论，认为摩擦具有双重性(分子和机械效应)。4)粘附理论1942，一种相对公认的理论，鲍登等人的基本观点：是实际接触面积小(名义接触面积的千分之一或数万分之一)，并且具有大应力的表面膜破裂，并且伴随有塑性变形(变形热)和粘附以产生滑动阻力，即摩擦。6.1摩擦，4。摩擦类型，静摩擦和动摩擦，1)根据摩擦副的运动状态，2)根据摩擦副的运动形式，滑动摩擦和滚动摩擦，3)根据摩擦面的润滑状态，纯摩擦，干摩擦，边界摩擦，液体摩擦，混合摩擦，6.1摩擦，4.1干摩擦，大摩擦系数，0.1-1.5，摩擦面之间无任何润滑剂的摩擦，干摩擦的表面接触，6.1干摩擦，4.1干摩擦，摩擦机理，机械作用：小接触面积塑性分子作用：塑性变形晶格畸变和断裂加工硬化表面温度升高到再结晶温度以上硬化层再结晶温度进一步升高表面金属软化、结合和相变连续运动接触部分脱离冷却和淬火硬度进一步提高。化学作用：氧化膜被压碎或剪切暴露的金属被氧化形成新的氧化膜。6.1摩擦和4.2边界摩擦。当摩擦副表面之间有极薄的边界膜时，这种摩擦称为边界摩擦。界膜分为物理吸附膜、化学吸附膜和化学反应膜。特性：边界膜的厚度很小(0.1微米)，但摩擦系数仍可大大降低(0.05-0.5)。摩擦和磨损特性不取决于润滑剂的粘度，而是取决于表面膜的特性。减小边界摩擦的方法是：油酸、甘油等油脂添加剂。在正常工作条件下添加到机械润滑剂中。极压添加剂(也称为油膜强化剂)，如酯类，被添加到在低速和重载“极压条件”下工作的润滑剂中。边界摩擦的例子：缸套-活塞环、凸轮-挺杆等。6.1摩擦，4.2边界摩擦，边界摩擦，物理吸附膜，矿物润滑油通常含有一些极性物质，分子的一端是带强电荷的极性基团，并与金属表面有很强的亲和力，在金属表面形成单层分子或多层分子的吸附膜。因此，摩擦发生在金属表面上极性分子的非极性端，从而有效地防止摩擦表面之间的直接接触并减少摩擦。物理吸附膜是完全可逆的，受热时容易脱附，因此适用于常温、低速、轻载的摩擦副。6.1摩擦、4.2边界摩擦、化学吸附膜、润滑剂中某些极性分子与金属或其氧化表面的电子交换产生新的化合物，这些化合物定向排列并吸附在金属表面。化学吸附膜非常薄，并且在解吸中不完全可逆，解吸在加热时发生，并且化学吸附膜稳定。用于高温、高压、高滑动速度的摩擦副，在润滑油中加入化学反应膜、硫、磷、氯等添加剂(极压添加剂)，这些元素与金属表面反应，在高温下形成较大厚度的化学反应膜。6.1摩擦，4.3液体摩擦，摩擦副的表面设有一层由边界膜和流体膜组成的润滑剂，摩擦表面不直接接触，流体动力润滑：利用摩擦表面的相对运动来自然产生润滑剂流体的内部压力以承受外部载荷并分离摩擦表面的润滑。摩擦系数小，特性：类型：流体静力润滑：利用压力将润滑剂驱入摩擦表面以将其分离的润滑。(需要特殊的供油系统)，6.1摩擦，4.3液体摩擦，摩擦副表面有一层由边界膜和液膜组成的润滑剂，摩擦面不直接接触，摩擦副零件的配合间隙应适当，建立液体摩擦油膜的必要条件如下：摩擦面应具有较高的加工精度和表面粗糙度等级。为保证在一定温度下连续、充足地供应具有适当粘度的润滑油，摩擦副部件必须具有足够高的相对滑动速度，6.1摩擦，4.4混合摩擦，半干摩擦：边界摩擦和干摩擦之间的摩擦，半液体摩擦：边界摩擦和液体摩擦之间的摩擦，努力保持液体润滑；应保持最低限度的边界润滑或混合润滑；避免干摩擦。4.5摩擦总结，磨损，6/2，6.2磨损，1。磨损，摩擦副的表面物质在摩擦过程中逐渐丧失，导致其尺寸、形状和位置精度以及表面层性能发生变化，称为磨损，磨损指数：磨损指数：磨损量，磨损率几何形状指数：平坦度，圆度，圆柱度，平坦度：公差带是两个平行平面之间的面积，公差值为T。半径差：是两个同心圆之间的面积，公差值为T.轴颈的圆度误差可以通过使用外径千分尺测量指定平面的两个相互垂直的直径来测量，半径差就是圆度误差。圆柱度公差带：是两个同心圆柱表面之间的面积，其半径差为公差值t。在轴或孔的同一纵向截面(包括轴)上测量几个直径，其中最大直径和最小直径之间的半径差为圆柱度误差。磨损是正常运行中不可避免的能量耗散现象因此，磨损也有条件和相对性。这种磨损特性与摩擦非常相似，因此也可以用类似的表达式来表示，即同一种机器零件在不同的机器上会产生不同类型或不同程度的磨损。即使在同一台机器上，不同的工作条件也会导致不同程度甚至不同类型的磨损。因此，在分析和处理机械零件的磨损问题时，有必要充分考虑零件所处的摩擦学系统的特点，以便对磨损现象做出准确的判断和正确的分析。6.2磨损，1。磨损，磨损指数：磨损率，1。线性磨损率：2。体积磨损率：3。重量磨损率：磨损厚度；-磨损量；-磨损重量；-滑动距离；-磨损材料的密度。磨损指数：其他参数指数，1。在磨损系数公式中，-正压；-正常负载，6.2磨损，1。磨损，磨损指数：其他参数指数，2。磨损程度(能量磨损率)，f-正压；f-正常负载，3。耐磨系数(耐磨性)，4。磨损系数(耐磨性)，其中w-磨损量；h-材料硬度；v-速度；时间。n-正压磨损系数代表磨损量和工作条件之间的关系。当载荷和速度已知时，可以得到某一工况下的磨损系数，进而估算磨损量来预测摩擦学系统的寿命。磨损类型也可以根据磨损系数来确定，因为不同的磨损类型具有不同的磨损系数。5。磨损率(磨损强度)，6。相对耐磨性，即标准样品的磨损率与测试样品的磨损率之比(%)，6.2磨损，1。磨损，导致运动副磨损的主要因素，摩擦环境因素(温度、介质、润滑条件、应力等)。)材料成分、结构和性能，以及磨损过程中的变化。装配质量，2。磨损机制、粘着剂、磨损、腐蚀磨损、摩擦磨损和表面疲劳磨损。实际磨损现象大多是多种磨损同时存在，或者磨损状态随工作条件的变化而变化。6.2磨损，2。粘着磨损，在摩擦副中，由于相对运动的摩擦表面之间的粘着现象引起的材料转移引起的磨损称为粘着磨损。这种磨损通常发生在彼此滑动(或旋转)的干摩擦表面上，即表面上的一些微突起产生固相焊接。在严重的情况下，摩擦副将被完全“杀死”。例如，柴油机烧坏的轴瓦就是在润滑条件恶化的情况下这种磨损的典型例子。有两种粘接(焊接):冷焊粘接；(2)热的局部焊接粘附体，(1)小载荷，小速度，(2)大载荷，大速度，(3)变形，断裂和材料转移，(4)新的粘附点产生，粘附磨损过程，6.2磨损，2。粘着磨损、磨损类型、波顿根据剪切位置进行分类，并以轴承合金为例1。类型1:小粘合强度2。类型ii: 3。iii型粘合强度：大粘合强度4。iv型：相同的材料组合，加工硬化材料，内部发生剪切，磨损大；相反，加工软化，粘合部分软化并具有良好的耐磨性。根据磨损程度，粘着磨损可分为以下五类：1)轻微磨损的粘着点的剪切强度小于形成粘着点的基体金属的剪切强度(例如，锡和铁相互磨损)，磨损发生在粘着点的界面处，并且材料转移非常轻微，甚至没有材料转移发生。磨合属于这种磨损。6.2磨损，2。粘合磨损，磨损类型，2)涂覆粘合点的剪切强度介于形成粘合点的两种基底金属的剪切强度之间(例如，铅和钢研磨)。剪切损伤发生在较软金属的浅表面层中，并且表面层的材料转移到较硬金属的表面，从而在后者的表面上涂覆一薄层。(3)划痕粘合点的剪切强度介于形成粘合点的两种贱金属的剪切强度之间(如铅和钢研磨)。剪切损伤发生在较软金属的浅表层，表层的材料转移到较硬金属的表面，从而在后者的表面上涂覆一薄层。6.2磨损，2。粘合剂磨损，磨损类型，4)粘合表面的局部温度相当高，并且粘合点的面积大。由于粘合点的剪切强度高于形成粘合的任何基体金属的剪切强度(例如，铜和钢相互磨损)，对摩擦副一侧或两侧的基体金属造成更深的损伤，因此，更多的软金属转移到硬金属表面，而一些硬金属转移到软金属表面。5)咬死由于粘结点面积大，其剪切强度也相当高，导致摩擦面由于局部熔化而停止相对运动。6.2磨损，2。粘合剂磨损，磨损类型，6.2磨损，2。粘着磨损、磨损机理、粘着磨损是固体/固体界面严重滑动摩擦的结果。粘合剂磨损的基本物理过程是粘合剂-剪切-再附着-再附着的循环过程，或者是形成-消失-再生-粘合点消失的过程。在这个过程中，磨损主要表现为材料转移的形式，有时带有少量的研磨粉尘。1) Achard模型理论，(1)面积(2)载荷(3)滑动距离是磨损量，P，F，r，6.2磨损，2)粘着磨损，磨损机理，1) Achard模型理论，(4)每滑动距离的总磨损量是：如果n个微突出物，总载荷是P，那么有：那么有：考虑磨损概率k实际磨损：滑动距离l总磨损是：6.2磨损，2。粘着磨损，磨损机理，1)阿查德模型理论，粘着磨损的磨损率：体积磨损率的理论计算公式：其中，-软材料的屈服强度，-粘着磨损的磨损系数。它表示微突出物在所有负载接触下滑动以产生磨粒的概率，或者在所有负载接触中产生磨粒的微突出物的百分比。越大，材料磨损越严重。根据霍尔姆的理论，如果不同物体表面上原子之间的距离m小于物体本身原子之间的距离d(如图所示)，那么不同原子之间就会产生很强的分子力，并会发生严重的粘连。当两个粘附的表面被拉开时，一定数量的原子将会丢失，并且会发生磨损。(1)物体1上的原子a1在运动过程中相继与物体2上的原子b1和b2接触。每个滑动距离D与一个新原子接触。当滑动距离L时，a1满足的原子序数L/D(2)每两个物体的接触面积为氩，氩面积上的原子序数等于氩/D2；结果，当两个接触表面滑动L距离时，原子的总接触数Na等于6.2磨损，2粘合剂磨损，磨损机理，2)霍尔姆理论，磨损(过程)量计算，3)已知规则：(4)如果z原子在每次接触中损失，总磨损量V等于：然后：6.2磨损，2)粘合剂磨损，磨损机理，3)阿尔卡德理论-结块去除理论，霍尔姆从原子尺度研究磨损，并研究磨损颗粒在实际接触区域上的产生机理。为了便于分析，阿尔卡德发表了一个新理论，叫做结块清除理论。这意味着块状颗粒由于两个表面上的凸峰相遇而丢失。阿尔卡德的理论模型：据信真实接触面积是由N个(如图所示)接触点组成的。即：接触表面滑动，接触面积的大小改变，并且接触点完全分离，如图c所示(即滑动2a的距离)。6.2磨损，2。粘着磨损，磨损机理，3)Archard理论-结块去除理论，由公式可知，当滑动超过l距离时，与双表面上的微突出物接触的点的次数为l/2a；那么接触面L的整个滑动距离的总接触数Np是：假设磨粒的半径和产生磨粒的概率，滑动距离磨