磨损、高温力学性能-3.16

1、1技术技术 Performance Testing of Materials234：561.9 材料的磨损性能材料的磨损性能 磨损的基本概念与类型磨损的基本概念与类型磨损过程磨损过程耐磨性及其测量方法耐磨性及其测量方法提高材料磨损性能的途径提高材料磨损性能的途径7一、磨损的基本概念与类型一、磨损的基本概念与类型（1 1）摩擦）摩擦摩擦摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象，这种阻是接触物体间的一种阻碍运动的现象，这种阻力为摩擦力。它同接触法向压力（力为摩擦力。它同接触法向压力（p p）和摩擦系数）和摩擦系数成正比。成正比。1 1、摩擦与磨损的概念、摩擦与磨损的概念有动静区分，有动静区分，静静动动

2、。 89101112坏处：坏处：使材料磨耗，发热，使材料磨耗，发热，导致接触表导致接触表面瞬时温度面瞬时温度，工件的机械效率，工件的机械效率，材料，材料磨耗磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。低摩擦系数。好处：好处：某些情况需增大摩擦力，某些情况需增大摩擦力，车辆制动器、摩擦离合器车辆制动器、摩擦离合器等。等。13（2 2）磨损）磨损 磨损磨损是是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象离出磨屑从而不断损伤的现象。磨屑的形成是材料。磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。发生变形和断裂的结果。动

3、态特征动态特征l变形与断裂发生在材料表面的局部，反复进行。变形与断裂发生在材料表面的局部，反复进行。l 材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。l 由由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣出材料耐磨性的优劣。 14机件正常运行的磨损过程分为机件正常运行的磨损过程分为3 3个阶段个阶段，曲线上曲线上各点斜率即为磨损速率各点斜率即为磨损速率。磨损量与时间的关系图（磨损曲线）磨损量与时间的关系图（磨损曲线）15(1) 跑合跑合(磨合磨合)阶段。阶段。随着表面被磨平，实际接触面随着表面被磨平，实

4、际接触面积积，表层应变硬化，磨损速率，表层应变硬化，磨损速率。表面形成牢固的。表面形成牢固的氧化膜，也使该段的磨损速率氧化膜，也使该段的磨损速率。16(2) 稳定磨损阶段。稳定磨损阶段。该段的斜率即磨损速率为一稳定该段的斜率即磨损速率为一稳定值值。实验室的磨损试验就是根据。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、该段经历的时间、磨损速率或磨损量磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。就越低。17(3) 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段。随磨损过程的。随磨损过程的，磨耗，磨耗，

5、摩擦副接触表面间隙摩擦副接触表面间隙，机件表面质量，机件表面质量，润，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。机件快速失效。182、磨损的基本类型、磨损的基本类型磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分4类：类： 粘着磨损粘着磨损 磨粒磨损磨粒磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 麻点疲劳磨损麻点疲劳磨损(接触疲劳接触疲劳) 191、粘着磨损、粘着磨损I又称咬合磨损又称咬合磨损I 因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处因两种材料表面某些接触点局部压应

6、力超过该处材料屈服强度发生粘合，材料屈服强度发生粘合，继续运动时会发生材料在继续运动时会发生材料在表面间的转移、表面刮伤以至胶合表面间的转移、表面刮伤以至胶合I影响因素：影响因素：材料的硬度、相对滑动速度、工作温材料的硬度、相对滑动速度、工作温度及载荷大小。度及载荷大小。多发生在摩擦副相对滑动速度小，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下的滑动摩擦条件下I磨损表面特征：机件表面有大小不等的结疤磨损表面特征：机件表面有大小不等的结疤二、磨损过程二、磨损过程20粘着磨损的过程就是粘着点不断形成粘着磨损的

7、过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。又不断被损坏并脱落的过程。212 2、磨粒磨损、磨粒磨损 又称又称磨料磨损磨料磨损或或研磨磨损研磨磨损 从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的微凸体峰的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的微凸体峰尖在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，被移去尖在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹，被移去的材料一部分流动到沟纹两旁，一部分形成碎片，的材料一部分流动到沟纹两旁，一部分形成碎片，脱落成为新的游离颗粒，这样的微切削过程叫脱落成为新的游离颗粒，这样的微切削过程叫磨磨粒磨损粒磨损。 影响因素：影

8、响因素：材料的硬度和磨粒的尺寸与硬度，材料的硬度和磨粒的尺寸与硬度，材料的硬度材料的硬度，耐磨性，耐磨性；磨粒平均尺寸；磨粒平均尺寸，磨粒硬磨粒硬度度，金属的磨损量金属的磨损量 。22主要特征：主要特征：摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。沟槽。可能是因磨粒对摩擦表面产生的可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或产生的，或是它们综合作用的结果。是它们综合作用的结果。233 3、接触疲劳、接触疲劳在接触应力多次重复作用下，就会在零在接触应力多次重复作用下，就会在零件工作表面或表面下一定

9、深度处形成疲劳件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹逐裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹逐步扩展进而表面金属脱落，致使表面上出步扩展进而表面金属脱落，致使表面上出现许多凹坑，这种现象叫疲劳磨损，现许多凹坑，这种现象叫疲劳磨损，又称又称“点蚀点蚀” 或麻点磨损或麻点磨损。点蚀使零件不能正常工作而失效，点蚀使零件不能正常工作而失效，是齿是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。24宏观形态特征：宏观形态特征：接触表面出现许多接触表面出现许多痘状、贝痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑壳状或不规则形状的凹坑( (麻坑麻坑) )，有的凹坑较

10、，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。25摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃油中残存的少量无机酸（如硫酸）及油中残存的少量无机酸（如硫酸）及水份的化学或电化学作用，在相对运水份的化学或电化学作用，在相对运动中造成表面材料的损失叫做动中造成表面材料的损失叫做腐蚀磨腐蚀磨损损。4 4、腐蚀磨损、腐蚀磨损26耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量磨损量，耐磨性耐磨性。三、耐磨性及其测量方法三、耐磨性及其测量方法

11、称重法称重法磨损磨损量的量的测量测量用精密分析天平称量试样试验用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量前后的质量变化确定磨损量尺寸法尺寸法根据表面法向尺寸在试验前根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量后的变化确定磨损量27常用磨损量的倒数或用相对耐磨性常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()()表表征材料的耐磨性。即征材料的耐磨性。即1/1/：磨损系数磨损系数。大耐磨性好？大耐磨性好？小耐磨性好？小耐磨性好？281 1、减轻粘着磨损的主要措施、减轻粘着磨损的主要措施合理选择摩擦副材料合理选择摩擦副材料：尽量选择互溶性少，粘着：尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对。倾向小的材料配对。避

12、免或阻止摩擦副直接接触避免或阻止摩擦副直接接触：增强氧化膜的稳定：增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。可采用表面渗糙度，改善表面润滑条件等。可采用表面渗S S、渗、渗P P、渗渗NN等表面处理工艺，等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物在材料表面形成一层化合物层或非金属层。层或非金属层。四、提高材料耐磨性的途径四、提高材料耐磨性的途径292 2、减轻磨粒磨损的主要措施、减轻磨粒磨损的主要措施 提高表面硬度：提高表面硬度：确定材料硬度时，应以确定材料硬度时，应以HmHm1.3Ha(Hm1.3Ha(Hm

13、为摩擦副材料硬度，为摩擦副材料硬度，HaHa为磨粒硬度为磨粒硬度) )为依据。为依据。硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力。 应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻磨粒磨损量。磨粒磨损量。 303 3、提高接触疲劳抗力的措施、提高接触疲劳抗力的措施合理选择表面硬化工艺合理选择表面硬化工艺，在一定深度范围内，在一定深度范围内保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利。保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利。改善接触配对副的表面状态改善接触配对副

14、的表面状态，减少冷热加工，减少冷热加工缺陷，缺陷，表面粗糙度，表面粗糙度， 摩擦系数，也是很有效摩擦系数，也是很有效的措施。的措施。314 4、非金属材料的磨损特性、非金属材料的磨损特性工程陶瓷材料：工程陶瓷材料：磨损行为对表面状态极为敏感。磨损行为对表面状态极为敏感。受接触应力后，受接触应力后，在局部的应力集中区表层发生塑性变形，或在水、在局部的应力集中区表层发生塑性变形，或在水、空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的表空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的表层，进而开裂产生磨屑。层，进而开裂产生磨屑。 陶瓷材料耐磨性能不仅与组分纯度有关，还与陶瓷材料耐磨性能不仅与组分纯度有关，还与其制

15、备工艺密切相关。其制备工艺密切相关。32聚合物材料聚合物材料硬度小，柔性大，抗划伤能力较高硬度小，柔性大，抗划伤能力较高聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，聚合物对磨粒聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的。其特有的高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁沟式损伤，表现出较好的抗磨损性能。沟式损伤，表现出较好的抗磨损性能。就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优

16、于金属与金属配对的摩擦副于金属与金属配对的摩擦副 PTFE：固体材料中摩擦系数最低固体材料中摩擦系数最低331.10 材料的高温力学性能材料的高温力学性能 高温蠕变性能高温蠕变性能其他高温力学性能其他高温力学性能34在航天航空、能源和化工等工业领域，许在航天航空、能源和化工等工业领域，许多机件在高温下长期服役多机件在高温下长期服役35锅炉锅炉炼油设备炼油设备36温度温度对材料的力学性能影响很大。对材料的力学性能影响很大。时间时间：常温下，时间对材料的力学性能几乎没有：常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响影响( (高分子材料除外高分子材料除外），），高温时，力学性能就表高温时，力学性能就表现

17、出了时间效应现出了时间效应。所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的， 约比温度约比温度(T(TT Tmm) )，TT试验温度，试验温度，T Tmm熔点，（热熔点，（热力学温度）。力学温度）。 当当T TT Tmm0.4-0.50.4-0.5时为高温，反之则为低温。时为高温，反之则为低温。37材料在高温下力学行为的一个重要特点材料在高温下力学行为的一个重要特点蠕变：蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象产生塑性变形的现象。蠕变断裂：蠕变断裂：由于蠕变而最后导致材料的断裂由于蠕变而最后导致材料

18、的断裂蠕变可以发生在任何温度，蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕变效应不在低温时，蠕变效应不明显；当约比温度大于明显；当约比温度大于0.30.3时，蠕变效应比较显著时，蠕变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过300300、合金、合金钢超过钢超过400400，就必须考虑蠕变效应。，就必须考虑蠕变效应。1、蠕变、蠕变一、高温蠕变性能一、高温蠕变性能38蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。（1 1）金属材料和陶瓷材料）金属材料和陶瓷材料OAOA线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变o o，不属于

19、蠕变。不属于蠕变。2 2、蠕变的一般规律、蠕变的一般规律39 I阶段：阶段：AB段：段：减速蠕变阶段减速蠕变阶段(过渡蠕变阶段过渡蠕变阶段) II阶段：阶段：BC段：段：恒速蠕变阶段恒速蠕变阶段(稳态蠕变阶段）稳态蠕变阶段） III阶段：阶段：CD段：段：加速蠕变阶段加速蠕变阶段(失稳蠕变阶段失稳蠕变阶段)。曲线上任一点的斜率，表示曲线上任一点的斜率，表示该点的该点的蠕变速率蠕变速率(=d/dt）按照蠕变速率的变化，可将按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程分为蠕变过程分为3个阶段。个阶段。40蠕变曲线随蠕变曲线随应力应力的大小和的大小和温度温度的高低而变化的高低而变化减小应力或降低温度，蠕变第减小

20、应力或降低温度，蠕变第阶段延长，甚至不阶段延长，甚至不出现第出现第阶段阶段。增加应力或提高温度，蠕变第增加应力或提高温度，蠕变第阶段缩短，甚至消阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第失，试样经过减速蠕变后很快进入第阶段而断裂阶段而断裂。41（2 2）高分子材料）高分子材料可分为可分为3 3个阶段。个阶段。第第阶段阶段：ABAB段，可逆形变阶段，普弹变形，应力和应段，可逆形变阶段，普弹变形，应力和应变成正比；变成正比；第第阶段阶段：BCBC段，推迟弹性变形阶段，也称高弹性变形段，推迟弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段；发展阶段；第第阶段阶段：CDCD段，不可逆变形阶段，是以较小的恒定

21、应段，不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。变速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。ABCD42 弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，称为蠕变回复回复，称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。他材料的不同之一。 材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的3 3个阶个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。ABCD43粘弹性机理粘弹性机理高分子材料在恒定应力的作用下，分

22、子高分子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形。链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形。当外力减小或去除后，体系自发地趋向当外力减小或去除后，体系自发地趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲状态回复，表现为高分子材料的蠕卷曲状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。变回复特性。44高温抗折蠕变仪高温抗折蠕变仪45（1 1）蠕变极限）蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。3 3、蠕变性能指标、蠕变性能指

23、标表表示示方方法法l 在给定的温度下，使试样在蠕变第二在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力l 在给定温度和时间的条件下，使试样在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力产生规定的蠕变应变的最大应力46 （2 2）持久强度）持久强度某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断裂。在这种情况下，要用裂。在这种情况下，要用持久强度持久强度作为评价材料、作为评价材料、设计机件的主要依据。设计机件的主

24、要依据。持久强度持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力不发生蠕变断裂的最大应力。材料的持久强度是实验测定的，试验时间通常比材料的持久强度是实验测定的，试验时间通常比蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万h h。47（3 3）松弛稳定性）松弛稳定性应力松弛：应力松弛：材料在恒定变形的条件下，随着材料在恒定变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象松弛稳定性：松弛稳定性：材料抵抗应力松弛的能力材料抵抗应力松弛的能力松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，曲线是在规定温度下，对试样弛曲线来评定，曲线是在规