12 金属材料成形过程中的磨损

1、5.1基本概念基本概念 磨损磨损：磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，它是相互接触的物体在相对运动时，表磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，它是相互接触的物体在相对运动时，表 层材料不断发生损耗的过程，或者产生残余变形的现象层材料不断发生损耗的过程，或者产生残余变形的现象。 机械零件的磨损过程机械零件的磨损过程：3 3个阶段：个阶段： （1）跑合（磨合）阶段：）跑合（磨合）阶段：oa 表面磨平，实际接触面积增大，磨损速度先快后慢。表面磨平，实际接触面积增大，磨损速度先快后慢。 （2 2）稳定磨损）稳定磨损阶段：阶段：ab 表面加工硬化，微观几何形状改变，变为弹性接触。表面加工硬化，微观几何形状改变，变

2、为弹性接触。 磨损速度稳定，磨损量与磨损时间成正比。磨损速度稳定，磨损量与磨损时间成正比。 （3）“急剧急剧”磨损阶段磨损阶段：bb 摩擦条件，如温度等发生变化，磨损速度急剧增大，出现了噪音和振动，零件完摩擦条件，如温度等发生变化，磨损速度急剧增大，出现了噪音和振动，零件完 全失效。全失效。 金属材料成形过程中工具的磨损金属材料成形过程中工具的磨损：由于加工工具经过预处理，所以不存在由于加工工具经过预处理，所以不存在3 3个阶个阶 段，只存在稳定磨损阶段。成形工具在稳定磨损时间过长，即使用时间久，工艺条段，只存在稳定磨损阶段。成形工具在稳定磨损时间过长，即使用时间久，工艺条 件差，造成工具表面

3、粗糙、尺寸偏差等而报废。件差，造成工具表面粗糙、尺寸偏差等而报废。 5.金属材料成形过程中的磨损金属材料成形过程中的磨损 5.2 磨损的评价指标磨损的评价指标 磨损量磨损量 线磨损线磨损以摩擦表面法向尺寸的磨损量来衡量磨损多少；以摩擦表面法向尺寸的磨损量来衡量磨损多少； 体积磨损体积磨损以体积的减少量来衡量磨损多少；以体积的减少量来衡量磨损多少； 以重量的损失量来衡量磨损的多少。以重量的损失量来衡量磨损的多少。 磨损率磨损率 是指磨损量对产生磨损的行程或者时间的比值。是指磨损量对产生磨损的行程或者时间的比值。 滑动单位距离的材料磨损量；滑动单位距离的材料磨损量； 单位时间的材料磨损量；单位时间

4、的材料磨损量； 每转或每一往复行程材料的磨损量。每转或每一往复行程材料的磨损量。 5.3 磨损的类型磨损的类型 粘着磨损粘着磨损: :两个表面产生黏着焊合时，如果黏着点受到剪切破坏，表面材料由一个表面两个表面产生黏着焊合时，如果黏着点受到剪切破坏，表面材料由一个表面 转移到另外一个表面的现象，称为黏着磨损。转移到另外一个表面的现象，称为黏着磨损。 磨料磨损磨料磨损: :摩擦过程中，接触表面间存在硬质颗粒或凸出物，造成材料的脱落损失，称摩擦过程中，接触表面间存在硬质颗粒或凸出物，造成材料的脱落损失，称 为磨料磨损。为磨料磨损。 疲劳磨损疲劳磨损: :由于材料表面承受周期性载荷，造成表面产生应力和

5、应变，周期性接触应力由于材料表面承受周期性载荷，造成表面产生应力和应变，周期性接触应力 使表面发生疲劳破坏，材料表面出现裂纹和微片，或者颗粒的损失，称为疲劳磨损。使表面发生疲劳破坏，材料表面出现裂纹和微片，或者颗粒的损失，称为疲劳磨损。 腐蚀磨损腐蚀磨损: :摩擦过程中，金属表面同周围介质发生化学反应或者电化学反应，产生材料摩擦过程中，金属表面同周围介质发生化学反应或者电化学反应，产生材料 损失，称为腐蚀磨损。损失，称为腐蚀磨损。 微动磨损微动磨损: :两个接触表面发生相对低幅振动而引起的材料的磨损，称为微动磨损。两个接触表面发生相对低幅振动而引起的材料的磨损，称为微动磨损。 冲蚀磨损冲蚀磨损

6、: :固体颗粒、流体、气体、电火花等流束冲击固体表面而造成的磨损，称为冲固体颗粒、流体、气体、电火花等流束冲击固体表面而造成的磨损，称为冲 蚀磨损。蚀磨损。 热磨损热磨损: :由于温度升高，造成金属表面出现颗粒脱落、材料转移等现象，称为热磨损。由于温度升高，造成金属表面出现颗粒脱落、材料转移等现象，称为热磨损。 5.4 磨损机理磨损机理 黏着磨损机理黏着磨损机理 二表面凸体接触时，接触应力很高，导致软物体接二表面凸体接触时，接触应力很高，导致软物体接 触部位产生塑性变形温度升高，形成粘着点，粘着点在触部位产生塑性变形温度升高，形成粘着点，粘着点在 切应力下产生变形，软物体粘附在硬物体凸体部位。

7、切应力下产生变形，软物体粘附在硬物体凸体部位。 设摩擦面上有设摩擦面上有 n个微凸体个微凸体相接触，其中一个微凸体相接触，其中一个微凸体 的屈服极限为的屈服极限为s。若。若微凸体是圆锥微凸体是圆锥形，其接触面的平均形，其接触面的平均 直径为直径为 d，则全载荷，则全载荷P为：为： P=n（d2/ /4）s 在滑动在滑动单位距离单位距离上，接触微凸体上，接触微凸体(以直径以直径 d为单位为单位)总计受到总计受到 n(1d)次的摩擦。次的摩擦。 若每个微凸体摩擦一次，若每个微凸体摩擦一次，直径直径d的半球状的半球状(体积体积d3 12)微粒由于粘着磨损，便脱落掉，微粒由于粘着磨损，便脱落掉， 这时

8、滑动距离这时滑动距离L之间的总磨损量如下：之间的总磨损量如下： W=(d3 / /12）（n L / /d） 联合上两式，消去联合上两式，消去d，则有：，则有： W1/ /3PL/ /s 上式表明总的磨损量与载荷及滑动距离成正比，而与屈服应力成反比上式表明总的磨损量与载荷及滑动距离成正比，而与屈服应力成反比(或者说与材或者说与材 料的硬度成反比料的硬度成反比)。 显然，上述公式只作为研究滑动摩擦时定性分析磨损的参考，因为还有许多重要显然，上述公式只作为研究滑动摩擦时定性分析磨损的参考，因为还有许多重要 因素没有包括在内。因素没有包括在内。 磨料磨损机理磨料磨损机理 磨料磨损特点是磨料作用于材料

9、的表面。磨料磨损特点是磨料作用于材料的表面。 两种磨料磨损的作用形式：两种磨料磨损的作用形式： a 与切削、磨削加工类似的磨粒磨损；与切削、磨削加工类似的磨粒磨损； b 具有高强度、硬度的颗粒进入两个接触表面间犁出沟槽。具有高强度、硬度的颗粒进入两个接触表面间犁出沟槽。 磨料受力分解和作用磨料受力分解和作用：磨料在外力作用下以一定的角度与材料表面相接触，这时作用：磨料在外力作用下以一定的角度与材料表面相接触，这时作用 在磨粒上的力可分解为垂直和水平分力，在磨粒上的力可分解为垂直和水平分力，垂直分力垂直分力可使磨粒压入材料表面，可使磨粒压入材料表面，水平分力水平分力 则使磨粒作切向运动，在材料表

10、面产生擦伤，或切削，结果在材料表面留下磨痕。则使磨粒作切向运动，在材料表面产生擦伤，或切削，结果在材料表面留下磨痕。 当被磨材料具有一定塑性时，压入的磨粒可分两类当被磨材料具有一定塑性时，压入的磨粒可分两类：（：（1）磨粒）磨粒运动方向和棱角有利运动方向和棱角有利 于切削时，它对金属表面产生擦伤，或者显微切削。（于切削时，它对金属表面产生擦伤，或者显微切削。（2）压入深度较浅的圆滑的磨）压入深度较浅的圆滑的磨 粒，倾向于只在材料造成塑性变形产生擦伤或犁沟作用，即在磨粒作用处材料被挤压粒，倾向于只在材料造成塑性变形产生擦伤或犁沟作用，即在磨粒作用处材料被挤压 推移到磨粒运动路径的两侧，中间形成犁

11、沟，两侧形成堆积隆起，堆积隆起的材料已推移到磨粒运动路径的两侧，中间形成犁沟，两侧形成堆积隆起，堆积隆起的材料已 受到严重的塑性损伤，很容易在其它磨粒作用下被磨掉。受到严重的塑性损伤，很容易在其它磨粒作用下被磨掉。 磨损模型和磨损量的计算磨损模型和磨损量的计算 磨料磨损是磨粒对金属表面进行微量切削的过程；磨料磨损是磨粒对金属表面进行微量切削的过程； 也有人认为由于磨粒的作用，使金属表面层受交变接触也有人认为由于磨粒的作用，使金属表面层受交变接触 应力和变形，使材料表面发生疲劳破坏。右图为磨料磨应力和变形，使材料表面发生疲劳破坏。右图为磨料磨 损简化模型。其中一个表面是由一系列具有半角为损简化模

12、型。其中一个表面是由一系列具有半角为r的硬的硬 圆圆 锥形粗糙微凸体所组成，而另一表面是由较软而平坦锥形粗糙微凸体所组成，而另一表面是由较软而平坦 的材料构成。的材料构成。 设一粗糙微凸体在软材料表面上划一条痕迹，在移动设一粗糙微凸体在软材料表面上划一条痕迹，在移动一个单位距离一个单位距离时，其移动体时，其移动体 积为积为 rd, 而而d=r cot , 那么单位移动距离内转移的材料体积为：那么单位移动距离内转移的材料体积为： r2 cot 若材料在法向载荷作用下屈服，则每个微凸体支承的载荷为：若材料在法向载荷作用下屈服，则每个微凸体支承的载荷为： r2s /2 如果单位距离内有如果单位距离内

13、有 n个微凸体进行接触，则总的法向载荷为：个微凸体进行接触，则总的法向载荷为： P(r2s /2) n 单位移动距离内材料的总转移体积为：单位移动距离内材料的总转移体积为： W nr2Cot 将上绿色两式联合，有：将上绿色两式联合，有： W2P Cot/ /s 上式是根据极简单模型推导出来的，对于微凸体的高度和形状的分布都简化了。 上式是根据极简单模型推导出来的，对于微凸体的高度和形状的分布都简化了。 如果以如果以H代替代替 s，以，以Ka=（2/）cot代入，则：代入，则： WKaP/ /H 式中：式中：Ka磨粒磨损系数；磨粒磨损系数；H材料硬度。材料硬度。 磨料磨损与粘着磨损有一些相似之处

14、，即磨损率磨料磨损与粘着磨损有一些相似之处，即磨损率Wv与载荷成正比，与软材料屈与载荷成正比，与软材料屈 服压力或硬度成反比。服压力或硬度成反比。 疲劳磨损机理疲劳磨损机理 疲劳磨损的特点是表面或次表面受到接触应力的反复作用而产生疲劳破坏。接触疲劳磨损的特点是表面或次表面受到接触应力的反复作用而产生疲劳破坏。接触 表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，由于周期性载荷的作用，使表面产生应力与变表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，由于周期性载荷的作用，使表面产生应力与变 形，从而导致材料表面内部出现裂纹和分离出微片或者颗粒的磨损，形，从而导致材料表面内部出现裂纹和分离出微片或者颗粒的磨损，微裂纹在随后的微裂

15、纹在随后的 加载、卸载过程中扩大。当微裂纹达到一定临界尺寸时，它将改变方向而露出表面，加载、卸载过程中扩大。当微裂纹达到一定临界尺寸时，它将改变方向而露出表面， 结果造成板状颗粒从表面脱离，当脱离的颗粒较大时则称之为剥落或形成微坑。结果造成板状颗粒从表面脱离，当脱离的颗粒较大时则称之为剥落或形成微坑。即为即为 疲劳磨损。疲劳磨损。 疲劳裂纹一般是在固体有缺陷的地方最先出现，这些缺陷可能是机械加工时的擦疲劳裂纹一般是在固体有缺陷的地方最先出现，这些缺陷可能是机械加工时的擦 伤或材料在冶金过程中造成的缺陷伤或材料在冶金过程中造成的缺陷(如气孔、夹杂物等如气孔、夹杂物等)。疲劳裂纹还可能在金属相间。

16、疲劳裂纹还可能在金属相间 和晶界处形成。和晶界处形成。 通常齿轮、滚动轴承、轧辊、模具等比较容易出现表面疲劳磨损。通常齿轮、滚动轴承、轧辊、模具等比较容易出现表面疲劳磨损。 疲劳磨损分类：疲劳磨损分类： (1)非扩展性的表面疲劳磨损非扩展性的表面疲劳磨损 接触点少，单位面积上的压力大，可能产生小麻点。随着接触面的扩大，单位面积的接触点少，单位面积上的压力大，可能产生小麻点。随着接触面的扩大，单位面积的 实际压力降低，小麻点停止扩展。特别是塑性较好的金属表面，因加工硬化提高了表面实际压力降低，小麻点停止扩展。特别是塑性较好的金属表面，因加工硬化提高了表面 强度，使小麻点不能继续扩展，机器可继续正

17、常工作。强度，使小麻点不能继续扩展，机器可继续正常工作。 (2)扩展性的表面疲劳磨损扩展性的表面疲劳磨损 若作用在两接触面上的交变压应力较大时，以及由于材料选择和润滑不当若作用在两接触面上的交变压应力较大时，以及由于材料选择和润滑不当,在跑合阶段在跑合阶段 就产生小麻点。在长时间或短时间内，小麻点发展成斑状凹坑导致零件迅速失效。疲劳就产生小麻点。在长时间或短时间内，小麻点发展成斑状凹坑导致零件迅速失效。疲劳 磨损理论第一次把表面几何特性、表面机械特性和输入特性磨损理论第一次把表面几何特性、表面机械特性和输入特性(载荷、温度等载荷、温度等)用磨损联系用磨损联系 起来。该理论是以接触不连续和接触载

18、荷分布不均匀为基础的。起来。该理论是以接触不连续和接触载荷分布不均匀为基础的。 表面疲劳磨损的形成表面疲劳磨损的形成 静弹性接触的赫兹理论表明：最大压应力发生在表面，最大单向剪应力发生在表静弹性接触的赫兹理论表明：最大压应力发生在表面，最大单向剪应力发生在表 面以下某一距离面以下某一距离y处。处。 根据滑动摩擦疲劳磨损时，微凸体接触点表面下区域内的弹塑性应力场和位错相根据滑动摩擦疲劳磨损时，微凸体接触点表面下区域内的弹塑性应力场和位错相 互作用。在互作用。在1973年年N.Psuh提出剥层理论，以位错理论及靠近表面金属的断裂和塑性提出剥层理论，以位错理论及靠近表面金属的断裂和塑性 变形为基础的

19、。这个理论根据片状磨粒的形成过程，解释了片状磨粒的形成的原因。变形为基础的。这个理论根据片状磨粒的形成过程，解释了片状磨粒的形成的原因。 N.Psuh的剥层理论的剥层理论 四个连续过程：四个连续过程： （1） 表面层在法向和切向作用下发生周期性塑性变形和位错行为；表面层在法向和切向作用下发生周期性塑性变形和位错行为； （2） 在位错堆积应力作用下，裂纹、空穴在变形层中形成，在夹杂物或第二相微粒中在位错堆积应力作用下，裂纹、空穴在变形层中形成，在夹杂物或第二相微粒中 聚集；聚集； （3）在塑性剪切变形时裂纹和空穴相互结合，裂纹并在表面接近平行方向扩展；）在塑性剪切变形时裂纹和空穴相互结合，裂纹并

20、在表面接近平行方向扩展； （4） 裂纹扩展到表面时，形成薄而长的磨损层，最后分离成磨损碎片。裂纹扩展到表面时，形成薄而长的磨损层，最后分离成磨损碎片。 交变应力交变应力 应力集中应力集中 形成空穴形成空穴 空穴汇合空穴汇合 裂纹形成裂纹形成 裂纹增长裂纹增长 裂纹交织裂纹交织 片状磨粒片状磨粒 脱落脱落 影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素： （1）工作条件）工作条件 温度温度 温度升高，疲劳极限下降；温度升高，疲劳极限下降； 介质环境为腐蚀介质，疲劳极限下降。介质环境为腐蚀介质，疲劳极限下降。 （2）表面状态）表面状态 表面加工质量、表面粗糙度、表面缺陷。表面加工质量、表面粗糙度、表面缺陷。

21、 （3）材质）材质 材料的成分、组织、缺陷。材料的成分、组织、缺陷。 （4）残余应力）残余应力 残余压应力可使疲劳极限升高，拉应力下降。残余压应力可使疲劳极限升高，拉应力下降。 腐蚀磨损机理腐蚀磨损机理 腐蚀磨损又称摩擦化学磨损。可以认为：腐蚀磨损时材料的摩擦表面破坏是由腐蚀磨损又称摩擦化学磨损。可以认为：腐蚀磨损时材料的摩擦表面破坏是由 于同时发生了两个过程：即腐蚀和机械磨损。于同时发生了两个过程：即腐蚀和机械磨损。 机械磨损可能是由于两个相配合表面的滑动摩擦引起的，也可能是在气蚀和非机械磨损可能是由于两个相配合表面的滑动摩擦引起的，也可能是在气蚀和非 气蚀条件下气蚀条件下,固有硬颗粒介质流

22、的作用。固有硬颗粒介质流的作用。 而腐蚀是由于材料与介质发生化学或电化学的相互作用过程引起的。在金属与而腐蚀是由于材料与介质发生化学或电化学的相互作用过程引起的。在金属与 气体气体 (特别在高温时特别在高温时)和非导电液体介质的接触条件下，则发生化学腐蚀。这时金属和非导电液体介质的接触条件下，则发生化学腐蚀。这时金属 与介质直接相互作用而不伴随产生电流。在金属与电解质与介质直接相互作用而不伴随产生电流。在金属与电解质(酸盐水溶液等酸盐水溶液等)相接触时，相接触时， 则发生电化学腐蚀。则发生电化学腐蚀。 腐蚀磨损分类腐蚀磨损分类 根据腐蚀磨损出现的状态的不同，腐蚀磨损可区分为三类：根据腐蚀磨损出

23、现的状态的不同，腐蚀磨损可区分为三类： (1) 氧化磨损氧化磨损大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损型式。大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损型式。 (2) 特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损当摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而形当摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而形 成的磨损称特殊介质腐蚀磨损。成的磨损称特殊介质腐蚀磨损。 (3) 气蚀磨损气蚀磨损气体与零件及液体接触并有相对运动时气体与零件及液体接触并有相对运动时,在液相中形成气泡，气泡在在液相中形成气泡，气泡在 高压区破裂，产生的冲击力，反复进行，使材料产生疲劳而逐渐脱落。高压区破裂，产生的冲击力，反

24、复进行，使材料产生疲劳而逐渐脱落。 微动磨损机理微动磨损机理 微动磨损是一种典型的复合式磨损，它是在两个表面微动磨损是一种典型的复合式磨损，它是在两个表面 之间由于振幅很小之间由于振幅很小(l毫米以下毫米以下)的相对振动而产生的磨损的相对振动而产生的磨损,如果如果 在微动磨损过程中在微动磨损过程中,两个表面之间的化学反应起主要作用时两个表面之间的化学反应起主要作用时, 可称为微动腐蚀磨损。可称为微动腐蚀磨损。 微动磨损过程微动磨损过程 接触压力接触压力表面塑性变形与粘着表面塑性变形与粘着小振动粘着点剪切脱落小振动粘着点剪切脱落新金属露出。新金属露出。 脱落的颗粒与新表面又氧化，这些氧化物不易排

25、出，故在摩擦面起着磨料磨损的脱落的颗粒与新表面又氧化，这些氧化物不易排出，故在摩擦面起着磨料磨损的 作用。如此循环不止。若振动应力很大时，微动磨损处能形成表面应力源，由疲劳作用。如此循环不止。若振动应力很大时，微动磨损处能形成表面应力源，由疲劳 裂纹发展引起完全的破坏。裂纹发展引起完全的破坏。 微动磨损微动磨损的主要影响因素的主要影响因素 1)相对滑动振幅的影响相对滑动振幅的影响 接触表面的相对滑动是产生微动磨损的必要条件。很小的滑动振幅接触表面的相对滑动是产生微动磨损的必要条件。很小的滑动振幅(8x10-7mm) 已足够产生明显的破坏源。随着滑动振幅的增加，其磨损量也增加。一般说来，已足够产

26、生明显的破坏源。随着滑动振幅的增加，其磨损量也增加。一般说来， 在微动磨损量与滑动振幅大小直接成正比。在微动磨损量与滑动振幅大小直接成正比。 2)接触压力的影响接触压力的影响 磨损量与法向载荷的关系有多种形式，可能是直线或抛物线变化，这与试验条磨损量与法向载荷的关系有多种形式，可能是直线或抛物线变化，这与试验条 件，材料性质，滑动振幅和载荷范围有关。件，材料性质，滑动振幅和载荷范围有关。 3)外界介质的影响外界介质的影响 主要是气体和湿度，在空气中比真空、氮气中磨损大；氧气中比空气中大。湿主要是气体和湿度，在空气中比真空、氮气中磨损大；氧气中比空气中大。湿 度对磨损的影响有两种说法：度对磨损的影响有两种说法： 减少磨损；减少磨损； 磨损增大到一定值后下降。磨损增大到一定值后下降。 4) 润滑剂的影响润滑剂的影响 可减少磨损。可减少磨损。 5) 材料的影响材料的影响 不同的材质磨损的情况不同。不同的材质磨损的情况不同。 1）轧制时的磨损）轧制时的磨损 冷轧：冷轧：主要是黏着磨损，有润滑时还存在腐蚀磨损等。主要是黏着磨损，有润滑时还存在腐蚀磨损等。 热轧：热轧：主要是化学磨损、热磨损和其它形式的磨损。主要是化学磨损、热磨损和其它形式的磨损。 2）拉拔时的磨损）拉拔时的磨损 拉拔模有拉拔模有3个磨损的主要位置：个