材料磨损与耐磨材料（第1章课件

1、1,第一篇 材料磨损基础,Chapter 1: 材料的磨损 Chapter 2: 固体表面结构与接触特性 Chapter 3: 材料的磨损机理,2,Chapter 1 材料的磨损,1.1 材料磨损实质及分类 1.2 材料的摩擦与磨损 1.3 材料磨损与磨损参量 1.3.1 摩擦系统结构分析 1.3.2 磨损量,3,1.1 材料磨损实质及分类,磨损由摩擦引起、在日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在。如冶金矿山、电力工业、机械工业、农业机械、国防工业以及航空、航天等等，处处存在摩擦处处都有磨损,4,1.1 材料磨损实质及分类,材料磨损 是两个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质

2、、温度环境等的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，对机械零件的寿命、可靠性有极大的影响。 磨损是摩擦的结果,5,1.1 材料磨损实质及分类,对磨损的理解： 1.从磨损的特征与结果分析：任何一种磨损都发生在物体的工作表面上，不仅物体表面宏观发生变化，而且物体微观组织结构及其性能也会发生变化；同时会产生一定数量的磨损产物，造成材料损耗，能源浪费，导致机械零件失效，甚至造成重大事故和经济损失,6,1.1 材料磨损实质及分类,对磨损的理解： 2.从物理与化学观点分析：磨损是发生在两物体相对运动的表面，而且是在很薄的一层工作表面上，磨损过程中一个重要特征是

3、机械能转变为热能，加热与冷却都以非常快的速度进行，物体表面具有相当大的活性和相当高的自由能，材料表面与亚表面的组织结构和性能与材料内部不同,7,1.1 材料磨损实质及分类,对固体金属，当温度低时，原子活动较弱。低温变形后，表面的原子不会有多大变化；而在高的温度下，表面原子活动能力增强，材料的结构可能会出现某种程度的重新调整与改变，结果使金属性质和能量发生变化。材料表面原子会与环境(介质)发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反应，使材料表面可能产生加工硬化层或形成表面织构等，影响材料的磨损过程。整个磨损过程是一个动态过程,8,1.1 材料磨损实质及分类,对磨损的理解： 3. 从原子与作用力

4、分析：由于相互接触的两物体表面，其中一物体表面的原子可能与另一物体表面的原子极靠近，甚至进入斥力场。在相对运动时，两表面分子就会产生能量损耗。在相对运动中有些原子将进入斥力场，而有另一些原子将离开斥力场，其变化大小，决定于接触程度,9,1.1 材料磨损实质及分类,当两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的位置。但原子可能被撞击出，并运动得足够远，以至进入相对表面上另一个原子场内，在那里得到新的平衡位置。即原子可以从一个物体表面上被对面的另一个物体表面俘获去。( 汤姆林逊提出的磨损实质,10,1.1 材料磨损实质及分类,磨损的定义： (1)英国的机械工程师协会所下定义为：由于机

5、械作用而造成的物体表面材料的逐渐消耗。（强调机械的作用） (2)前苏联的克拉盖尔斯基所下的定义为：由于摩擦结合力的反复扰动而造成的材料破坏。（强调疲劳的作用,11,1.1 材料磨损实质及分类,3) 美国材料试验学会（ASTM）标准关于磨损的定义：由于物体的表面与相接触的物质间的相对运动造成物体表面的损伤，还常有材料的逐渐损失。 （4）联邦德国标准对于磨损的定义：磨损是一个物体由于机械的原因，即与另一个固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对运动，而造成的表面材料不断损失的过程,12,1.1 材料磨损实质及分类,5）OECD(欧洲经济合作和发展组织)关于磨损的定义： 磨损是物体由于其表面相对运

6、动，而承载表面上不断出现材料损失的过程。 由此可见，材料磨损有三大要素： 1.材料的表面特性 2.与另一物质（固体、液体及气体）的接触特性，即接触方式、力的传递、表面变形等 3.相对运动,13,1.1 材料磨损实质及分类,磨损的分类,14,Chapter 1 材料的磨损,1.1 材料磨损实质及分类 1.2 材料的摩擦与磨损 1.3 材料磨损与磨损参量 1.3.1 摩擦系统结构分析 1.3.2 磨损量,15,1.2 材料的摩擦与磨损,摩擦与磨损是两个不同的概念，两者之间既有不可分割的联系，又有本质区别。有摩擦就有磨损没有摩擦就没有磨损。摩擦是能量的转换，磨损是材料的损耗。 磨损是摩擦学研究的摩擦

7、、磨损与润滑三大课题之一，三者之间摩擦是根源，磨损是结果，润滑是减少磨损的有效手段。磨损又是机械零件三种主要破坏形式之一，即磨损、腐蚀和断裂,16,1.2 材料的摩擦与磨损,目前为止对磨损的研究，主要是对运动物体表面润滑介质和环境的研究，对磨损过程物理机制、磨损动力学、磨粒的形成等研究较少。 对大多数不同性质的材料，在空气中的摩擦系数相差大约不超过20倍，例如聚四氟乙烯的摩擦系数为0.05，洁净的金属为1。但磨损率差别很大，例如，聚乙烯对钢的磨损率与钢对钢磨损率之比相差105倍,17,1.2 材料的摩擦与磨损,表1.1-1列出一些材料的摩擦系数和磨损系数 的实验数据,18,1.2 材料的摩擦与

8、磨损,通常软固体比硬固体容易磨损，而且磨损随着载荷和滑动距离的增加而增加。但是，也有例外，如聚乙烯比钢软，磨损反而小。 磨损影响因素很多且十分复杂，其中环境因素有温度、湿度及周围介质；润滑条件，工作条件像载荷、速度及运动方式；材料的成分、组织结构及工作表面的物理化学性质等诸多因素。哪一个因素有变化都会引起磨损量的改变，同时也有可能引起磨损机理发生变化,19,1.2 材料的摩擦与磨损,Rabin Owicg等人对某些纯金属进行多次试验，发现摩擦系数与金属的晶体结构有关：体心立方和面心结构金属的摩擦系数大于密排六方金属。同时提出“金属共容性”的概念。所谓共容性，可用固体溶解度大小来解释；共容性大的

9、金属摩擦副摩擦系数大。 无润滑的金属摩擦副，摩擦系数一般在0.41.5范围内变化，金属与磨料接触组成的摩擦副，摩擦系数一般在0.5左右。大多数金属材料在空气中的摩擦系数值高于0.3，在真空中更高,20,1.2 材料的摩擦与磨损,从表1.1-2可看出，摩擦系数和磨损率之间没有关系，摩擦系数在很小范围内变化，而磨损则相差几个数量级，这说明不能用摩擦系数大小去判断磨损的大小,21,1.2 材料的摩擦与磨损,对金属材料，凡在铁中溶解度极小的金属或与铁组成金属间化合物的材料，因生成脆弱的共价键，有良好的抗擦伤性。而能在铁中溶解并能与铁形成原子键的金属材料则易焊合，有较差的耐擦伤性，因此选摩擦副不应选相同

10、（类型）材料,22,1.2 材料的摩擦与磨损,晶粒大小，再结晶温度、硬度、形变率等都影响材料的摩擦与磨损。摩擦由于材料变形，要消耗能量，sah等人认为，这部分消耗的能量所占比例较大。磨损形成磨屑还要附加断裂功，与变形消耗能量相比，断裂消耗能量较小,23,Chapter 1 材料的磨损,1.1 材料磨损实质及分类 1.2 材料的摩擦与磨损 1.3 材料磨损与磨损参量 1.3.1 摩擦系统结构分析 1.3.2 磨损量,24,1.3 材料磨损与磨损参量,磨损并不像金属等材料那样，拉、压强度是材料的一种基本不变的性质。磨损应被认为是一种系统工程，它的磨损量取决于所有参与磨损的构件和物料在各种负荷下相互

11、作用的结果。在任何一个摩擦系统中，摩擦与磨损都是同时发生的，摩擦主要涉及到材料接触表面变形，而磨损还涉及到材料断裂和材料的迁移,25,1.3 材料磨损与磨损参量,采用系统分析来描述磨损过程和对有关影响因素进行分析时，先把机器或设备中所要研究的构件与其他构件分隔开。将磨损结构及其他参与磨损的物件用一个所谓系统或结构的“网络”围起来，如下图所示,26,1.3 材料磨损与磨损参量,27,1.3 材料磨损与磨损参量,1.3.1 摩擦系统结构分析 (1) 基本元素A 摩擦系统中基本元素是在相对运动中相互作用的一对摩擦表面，即运动件l、固定件2以及二者之间的润滑剂3和周围环境4，此为系统的基本组成,28,

12、1.3 材料磨损与磨损参量,2)元素的性质P 各元素与摩擦有关的性质 列入下表,29,1.3 材料磨损与磨损参量,3) 元素的相互关系 R 摩擦系统中主要元素之间的相 互关系,见表 1.1-4,30,1.3 材料磨损与磨损参量,31,1.3 材料磨损与磨损参量,1.3.2 磨损量 由磨损引起的材料损失量，称为磨损量。磨损量是表示物体磨损前后材料损失的量，即磨损时材料损失程度的物理量。材料磨损量的量度包括：线磨损量、体积磨损量、质量磨损量以及通常用的磨损率、耐磨性和相对耐磨性等等,32,1.3 材料磨损与磨损参量,1) 线磨损量 在一定条件下，材料磨损前后摩擦物体表面法线方向尺寸的变化量，称为线

13、磨损量。材料的线磨损量可用下式表示,式中L材料的线磨损量 Li0材料磨损前摩擦表面法线方向第i次测量长度 Li1材料磨损后摩擦表面法线方向第i次测量长度 n重复测量次数,33,1.3 材料磨损与磨损参量,2) 体积磨损量 在一定条件下，材料磨损前后的体积变化量，称为体积磨损量。通常体积磨损量用下式表示,式中 d磨损材料的密度 G材料磨损前后失去的质量 Vi0磨损前第i次测量的材料体积 Vi1磨损后第i次测量的材料体积,或,34,1.3 材料磨损与磨损参量,3) 质量 (重量）磨损量 在一定条件下，材料磨损前后的质量（重量）的变化量称为质量（重量）磨损量。即指材料的质量（重量）损失一般用下式表示

14、,式中 Gi0磨损前第i次测量材料的质量（重量） Gi1磨损后第i次测量材料的质量 （重量） n重复测量材料质量（重量）的次数,35,1.3 材料磨损与磨损参量,4) 磨损率 在一定（工况）条件下，给定的磨损过程中，材料单位摩擦距离磨损量称为磨损率。用下式表示,式中 I材料磨损率（磨损强度） W总磨损量 L总摩擦距离,36,1.3 材料磨损与磨损参量,5)磨损速度 单位时间的磨损量，称为磨损速度，可表示为,6）比磨损率 单位载荷及单位磨程的磨损 体积，称为比磨损率 。可表示为,37,1.3 材料磨损与磨损参量,耐磨性与相对耐磨性： 耐磨性是表示在某磨损过程中（一定的摩擦条件下）材料抵抗磨损的能

15、力。它是材料磨损率的倒数。即 =1/I 其物理意义是耐磨性大，说明材料抵抗磨损的能力强；耐磨性小，则材料抵抗磨损的能力弱。是表示材料抵抗磨损能力大小的数值,38,1.3 材料磨损与磨损参量,由于材料磨损性能不是材料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件（如载荷、速度、温度、环境因素等），材料本身性能及相互作用等有关的系统特性。 因此，脱离材料的工作条件来评定材料耐磨性的好坏是没有实际意义的。所以，在评定各种材料耐磨性时，采用一种“标准”材料为参考试样，用试验材料与参考试样在相同磨损条件下试验结果来进行评定,39,1.3 材料磨损与磨损参量,材料的相对耐磨性定义为： 在相同磨损条件下（同一工况条

16、件下）试验材料的耐磨性和标准材料耐磨性的比值。可表示为,相对= 标准试样的磨损量 / 试验试样的磨损量 =试验 / 标准,磨损系数：相对耐磨性的倒数，称为磨损系数,K = 1 / 相对,40,1.3 材料磨损与磨损参量,在上述这些磨损量的表示方法中，线磨损量、重量(质量)磨损量、体积磨损量都是指磨损表面的损失，它没有考虑到零件或试样的尺寸、形状以及所受载荷、速度、磨程的影响，因此是一种磨损量绝对值的表示方法。相对耐磨性相对或磨损系数(1 相对)是一种无量纲的表示方法，需要采用一个相比较的标准试样，且随试样的材料及特性而变化。比磨损率是目前国内外应用较广的计算磨损的方法。这是由于它综合考虑了载荷

17、和磨程等因素的影响,41,1.3 材料磨损与磨损参量,1.3.3 材料耐磨性的测定方法 精确而可靠地测定磨损试验的结果是获得材料耐磨性准确信息的保证，也是评定材料耐磨性的依据。首先，必须根据实际零件的使用情况和工作条件(即工况条件）来选择便于模拟的磨损试验装置。然后再来确定适当的测定磨损量的仪器和评定方法。 目前，对磨损量的测定方法主要有：失重法、尺寸变化法、形貌测定法、刻痕测定法及放射性同位素测定法等,42,1.3 材料磨损与磨损参量,1、失重法（称重法） 这种方法比较简单，广泛适用于各种高、低精度磨损量测定。但要注意称量前、后试样的清洗和干燥以及合适的称量天平的选择。一般对中等硬度材料可选

18、万分之一克（即0.1mg）的天平。对某些产生不均匀磨损或局部严重磨损的零部件（如SG管），以及在磨损过程中发生粘着转移时，失重法不够准确,43,1.3 材料磨损与磨损参量,1、失重法（称重法） 对于多孔性材料，在磨损过程中易进油污不易清洗，失重法误差大。 对试件磨损量很小，但发生较大塑性变形，不宜用称重法。如微动磨损 。 对比重相差较大的材料比较磨损量时，可采用将磨损失重换算成体积变化来评定磨损结果,44,1.3 材料磨损与磨损参量,例如：沈阳金属所研制的球-盘式（销-盘式）摩擦磨损试验机（主要针对涂镀层）。磨痕的测量采用失重法。对比重相差较大的材料比较磨损量时（如钛合金基材比重较小，而涂层比

19、重较大的情况 ），将磨损失重换算成体积变化来评定磨损结果。或直接测量体积变化来评定磨损结果。 另外，磨损增重问题。如（核动力院核燃料及材料级重点国家实验室）复合材料磨损增重。（观察测量磨痕剖面损伤程度评定,45,1.3 材料磨损与磨损参量,2、尺寸变化测定法 测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。常用测量长度的仪器有：测微卡尺、螺旋测微仪、读数显微镜等。较精密的电感式测微仪的测量精度可达0.1um数量级。为便于测量，往往在摩擦表面人为做出测量基准，以此测量摩擦表面的尺寸变化。测量基准是根据试件形状尺寸，不影响试验结果设置,46,1.3 材料磨损与磨损参量,2、尺寸变化测定法 如压印

20、式用硬度压头在试件表面压下凹痕，测量压痕尺寸在磨损前后的变化来评价磨损量。依据该原理的刻痕磨损测量仪可对气缸套的磨损进行测量：在气缸套一定部位横向刻月牙槽。用显微读数仪量出磨损前后的月牙槽长度变化，求出摩擦面法向尺寸变化,47,1.3 材料磨损与磨损参量,3、表面形貌测定法 用触针式表面形貌测量仪（轮廓仪、台阶仪）可测出磨损前后表面粗糙度变化。这种方法能全面评价磨损表面特征，但不易定量估计出零件或试样的磨损值。该方法主要适用于磨损量非常小的超硬材料 (如陶瓷，硬涂层) 的磨损或轻微磨损的情况。 但激光共焦扫描显微镜可定量测出试样的微小磨损值,48,1.3 材料磨损与磨损参量,激光共焦扫描显微镜测量原理： 先在y、z方向上（垂直方向）描绘出形貌轮廓后，再使被测表面相对于（激光）测头在x轴方向（水平方向）移动一个微小的距离dx，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，从而求得磨损体积。如下图所示,49,1.3 材料磨损与磨损参量,激光共焦扫描显微镜图片,50,1.3 材料磨损与磨损参量,4、非接触式测量法 以上测量磨损量的方法都要拆卸部分机械零件。 非接触式传感器靠近基准板，基准板与试件连成一体。当磨损使试件下沉时，传感器