表面工程技术的基础理论3

1、2.3 材料表面摩擦与磨损基础2.3.1 摩擦的定义及分类 相互接触的物体（摩擦副）作相对运动时的受阻现象，称为摩擦。 摩擦产生的阻力称为摩擦力，表现摩擦力的因数称为摩擦系数。1、按摩擦副表面的润滑情况，可将摩擦分为四类： 1）干摩擦（无润滑摩擦）：两个滑动摩擦表面之间不加任何润滑剂，两表面直接接触，这种摩擦称为干摩擦。 2）边界润滑摩擦：两个滑动摩擦表面，因润滑剂供应非常不足而无法建立液体摩擦，只能在摩擦表面形成极薄的油膜，其厚度只有0.10.2微米，这种油膜润滑状态下的摩擦是液体摩擦过渡到干摩擦的最后界限，所以称为边界润滑摩擦。 3）液体润滑摩擦：两个滑动摩擦表面间充满润滑剂，表面不发生直

2、接接触，摩擦不是发生在两个摩擦表面上，而是发生在润滑剂的内部，这种摩擦称为液体润滑摩擦。 4）混合摩擦：指过渡状态的摩擦。 半干摩擦：指干摩擦和边界润滑摩擦同时存在的情况； 半液体摩擦：指边界润滑摩擦和液体润滑摩擦同时存在的情况。2、 按摩擦副的运动形式分类1） 滑动摩擦：物体接触表面相对滑动时产生的摩擦称为滑动摩擦。2）滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦。滚动摩擦系数比滑动摩擦小得多。3、 按摩擦副的运动状态分类1） 静摩擦：一个物体沿另一个物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称为静摩擦，这种摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。2） 动摩

3、擦：一个物体沿另一个物体表面相对运动时产生的摩擦称为动摩擦，其阻碍物体运动的切向力称为动摩擦力。动摩擦力通常小于最大静摩擦力。很早以前，人们从日常生活和试验研究中开始总结摩擦的基本规律，意大利科学家达芬奇（14521519年）、法国工程师阿蒙顿（16631705年）和法国科学家库仑（17361806年）通过摩擦试验，建立了摩擦基本定律，一般称为古典摩擦三定律。 （1） 第一定律：摩擦力与两接触体之间的接触面积无关；（2） 第二定律：摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比； F=N 式中：F摩擦力；N法向力；摩擦系数。（3） 第三定律：两个相对运动物体表面的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关。摩擦理论

4、摩擦理论2.3.2 磨损的定义及评定 1、磨损的定义 机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨削，使表面材料逐渐损失，造成表面损伤的现象称为磨损。 2、磨损的评定 1）磨损量（W）：材料的磨损量包括长度磨损量、体积磨损量和质量磨损量。 长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量； 体积磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积的改变量。 质量磨损量是指磨损过程中零件或试样的质量的改变量。 相对磨损量是材料在单位时间或单位距离内的磨损量。 2）磨损率（W）：单位时间或单位摩擦距离的磨损量称为磨损率。 磨损率在学术文献中的解释 ：被磨试样的体积与磨擦功的比值，即单位摩擦功所磨试样

5、的体积。 3）耐磨性：指在一定工作条件下材料抵抗磨损的特性。通常用磨损量表示。2.3.3 磨损的分类 根据磨损破坏的机理和特征分类： 1、粘着磨损 2、磨粒磨损（磨料磨损或研磨磨损） 3、腐蚀磨损 4、疲劳磨损 5、冲蚀磨损 6、微动磨损磨损形式百分数 （%）磨粒磨损 （abrasive wear）50粘着磨损 (adhesive wear)15冲蚀磨损 (erosion)8微动磨损 (fretting wear)8腐蚀磨损 (corrosion wear)5其它 (etc.)14 1、粘着磨损：粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。 原因：缺乏润滑油 摩

6、擦副表面无氧化膜 单位法向负荷很大 当接触应力较大时，将引起材料塑性变形和“冷焊”现象。此时若摩擦副相对滑动，焊合点被剪断。若微凸体较硬，也会对较软的对磨材料造成犁削作用。 粘着点的剪切过程 粘着磨损过程中的粘焊（胶合）： 第一类胶合：以塑性变形为主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用。特点是相对滑动速度不高(0.5m/s)，表层温度较低(100)，金属摩擦表层没有相变和成分变化。 第二类胶合：由于摩擦热引起接触表面温度升高而引起的粘焊。特点是接触压力高、相对滑动速度快，摩擦面温度超过临界点，有相变发生。 根据粘着的程度，粘着磨损类型有： 轻微磨损：剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微

7、，如缸套活塞环的正常磨损。 涂抹：剪切发生在软金属浅层里面，软金属转移到硬金属表面上，如重载蜗轮副的蜗杆的磨损。 擦伤：剪切发生在软金属表层，硬表面可能被软金属内的硬质点划伤，如内燃机铝活塞壁与缸体摩擦的“拉伤”。 撕脱：剪切发生在摩擦副一方或两方金属较深的地方，如在主轴轴瓦摩擦副的轴承表面可见到这种现象。 咬死：若摩擦副之间咬死，不能相对运动，如不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中常发生咬死的现象。 工程实例：活塞环与气缸套之间的粘着磨损工程实例：活塞环与气缸套之间的粘着磨损 2、磨粒磨损：过去也称为磨料磨损或研磨磨损，是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或者在接触面之间存在着硬质粒子所产生

8、的一种磨损。 两种材料去除机制显微切削显微切削由塑性变形机制引起的由塑性变形机制引起的显微犁沟显微犁沟 若磨粒是个刚性三角锥体，被磨损材料呈塑性时，磨粒与材料之间会发生显微切削和显微犁沟两种塑性变形的磨损方式磨粒锥体在滑动一定距离所磨掉的材料体积 V = KPH-1L 式中，K比例系数，P施加载荷，H被磨材料的硬度，L滑动距离。由断裂机制引起的由断裂机制引起的 当磨粒和脆性材料表面接触时，主要以表面断裂破坏为主。此时材料去除体积 V = KP5/4d1/2KIC-3/4H-1/2L 式中，KIC材料的断裂韧度；K是与磨粒形状及其分布状态有关的函数。(1) 磨粒特性的影响： 1) 磨粒硬度：磨粒

9、硬度Ha和材料硬度Hm的比Ha/Hm 当Ha/Hm 1.2时，为硬磨粒磨损，继续增加Ha对磨损速率的影响不大； 当1.0Ha/Hm1.2时，磨损速率与Ha/Hm成正比，磨损速率很高。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素磨料硬度和材料硬度比值对材料耐磨性的影响规律3) 磨粒形状：磨粒越尖锐，磨损速率越大。4） 磨粒脆性：脆性的磨料磨粒可能碎裂，使磨粒边缘变得锐利，因而磨损率又可能增高。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素2) 磨粒粒度：当磨粒在某一临界尺寸以下，材料的磨损率随磨粒尺寸增加而大幅度增加；超过临界尺寸后，磨损增大的幅度显著降低。(2) 材料力学性能：材料耐磨粒磨损性能

10、主要决定于其硬度，而与其它力学性能关系不大。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素(4) 工况和环境条件：速度、载荷、磨粒冲击角、环境湿度、温度和腐蚀介质等工况和环境条件都会影响到材料的磨粒磨损性能。磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素（4）(3) 材料微观组织：在同样硬度条件下，奥氏体、贝氏体的耐磨性优于珠光体和马氏体。夹杂物和内部缺陷会大大降低耐磨性。奥氏体:铁内固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。珠光体:奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形态为铁素体薄层和碳化物(包括渗碳体)薄层交替重叠的层状复相物。广义则包括过冷奥氏体发生珠光体转变所形

11、成的层状复相物。马氏体:过冷奥氏体发生无扩散的共格切变型相转变即马氏体转变所形成的产物。铁基合金中常见的马氏体，就其本质而言，是碳和(或)合金元素在铁中的过饱和固溶体。就铁-碳二元合金而言，是碳在铁中的过饱和固溶体。 贝氏体:钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区间以上这一中温度区间(所谓“贝氏体转变温度区间”)转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织，即贝氏体转变的产物。 磨粒磨损过程的影响因素磨粒磨损过程的影响因素（5）磨料磨损 （abrasive wear） 工程实例：犁铧工程实例：犁铧犁铧用于耕作土壤翻耕农田，它主要受到土壤磨粒冲击、摩擦作用而

12、产生磨损。犁铧用于耕作土壤翻耕农田，它主要受到土壤磨粒冲击、摩擦作用而产生磨损。 3、腐蚀磨损：摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表面损伤。 腐蚀磨损是材料受腐蚀和磨损综合作用的一种复杂过程： 1）腐蚀对磨损的影响：腐蚀使材料表面生成疏松或脆的腐蚀产物，在磨粒作用下容易破碎去除，导致材料磨损的增加； 2）磨损对腐蚀的影响：金属表面钝化膜可阻止材料进一步腐蚀，若钝化膜被磨掉，裸露出新鲜表面可加速电化学反应，所以磨损可以使腐蚀速度增加几个数量级。 腐蚀磨损分为：（1） 氧化磨损：大多数金属表面都被氧化膜覆盖，氧化膜分：1） 脆性氧化膜：氧化膜的磨损速度大于氧化速度，容易磨损，如

13、氧化铁； 影响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜的硬度、介质的含氧量、润滑条件及材料性能等因素。 一般说来，氧化磨损率比其它磨损轻微得多。2） 韧性氧化膜：氧化膜与基体结合牢固，磨损速度小于氧化速度，氧化膜可以起到保护作用，磨损率小，如氧化铝。（2） 特殊介质腐蚀磨损： 摩擦副在酸、碱、盐等特殊介质中发生的磨损叫特殊介质腐蚀磨损。 4、疲劳磨损：机件接触表面作滚动或滚动加滑动摩擦时，由于长期交变接触应力的作用使材料表面出现麻点或脱落的现象称为疲劳磨损，也称为接触疲劳。当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，表面层将引发裂纹，并逐步扩展，最后裂纹以

14、上的材料断裂剥落下来的磨损过程。 材料内部夹杂物的存在方式与数量； 材料表面粗糙度； 材料的硬度； 材料组织结构； 润滑状态和零件工作环境等。 对于一些要求疲劳磨损寿命较高的零件，应采用高纯度的钢材，尽量降低材料表面粗糙度，提高表面硬度，尽量使零件在良好润滑条件下工作。影响疲劳磨损因素影响疲劳磨损因素 5、冲蚀磨损：指流体或固体颗粒以一定的速率和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。 粒子冲击固体表面时发生能量交换，根据粒子的入射速度和材料的流动应力，固体表面可能发生弹性变形，也可能出现塑性压痕。冲蚀磨损机制冲蚀磨损机制（1） (1) 脆性磨损机制：脆性材料受到粒子的冲击作用时，不发生塑性变形，

15、而出现裂纹并很快脆断。脆性冲蚀时的磨损体积 V = v03.2r3.71.58 KIC-1.3H-0.25式中，KIC断裂韧度，H硬度，v0粒子速度，r粒度，密度(2) 延性磨损机制：当撞击角为90时冲蚀很小，而在撞击角为20时冲蚀最大（切削磨损）。 冲蚀磨损机制冲蚀磨损机制（2） 气蚀： 流体高速运动时产生大量的气泡，不断生成、长大和破灭，在气泡破灭的瞬间可产生几千个大气压，足以使金属粒子脱离金属表面，在材料表面产生蚀坑。 材料的冲蚀率： 喷砂型冲蚀：单位重量粒子造成材料流失的重量或体积（其量纲为mg/g或mm2/g）； 液滴冲蚀或气蚀：除用单位时间的失重表示外，还可用减薄的厚度表示(材料冲

16、蚀失重除以密度与冲蚀面积的乘积，单位为mm)。 冲蚀磨损冲蚀磨损（3） 冲蚀主要受三个方面因素的控制：（1）环境参数：如粒子的入射角、速度、浓度、冲蚀时间、环境温度等；冲蚀磨损冲蚀磨损（4） 1)入射角：粒子入射轨迹与固体表面的夹角。 材料冲蚀率随入射角变化：（1）塑性材料在2030入射角时冲蚀率出现最大值；（2）脆性材料最大冲蚀率出现在90入射角处。 2） 速度：粒子速度对材料冲蚀率有很大的影响 = Kn 式中 粒子速度，n、K常数。 实验证明，粒子动能是造成材料冲蚀的主要原因。粒子入射速度低到某一下限时，只在冲击时出现弹性变形而无材料流失，称此速度下限为门坎速度值。这个速度值随粒子材质、形

17、状及材料性能而变化。冲蚀磨损冲蚀磨损（5）3）冲蚀时间：冲蚀磨损存在较长的潜伏期或孕育期。首批粒子冲击表面时主要造成加工硬化和表面粗糙化，经过一定的累积损伤后才能逐渐过渡到稳定冲蚀阶段。 对于喷砂型冲蚀，冲蚀初期可能因粒子嵌入而呈现“增重”。 冲蚀磨损冲蚀磨损（6）4） 环境温度：一般随着温度增加，材料冲蚀率上升。但温度过高时，材料表面生成的氧化膜反而会提高材料的抗冲蚀能力。 （2）磨料性质：如硬度、粒度、可破碎性、固体还是液体等。冲蚀磨损冲蚀磨损（7） 入射粒子性能： 1）固体粒子：固体粒子的形状和粒度对冲蚀有很大影响。当粒子超过临界尺寸后，冲蚀率趋于平稳。尖颗粒造成的破坏要比球形粒子严重；

18、硬粒子产生的冲蚀破坏比软粒子严重。2）液滴：冲蚀中液滴直径变大其冲蚀能力也增大。在滴径从1.02.5mm范围内，相对冲蚀率几乎不变。随着材料表面粗糙度的降低，其抗冲蚀能力增高。冲蚀磨损冲蚀磨损（8）（3）材料性能：如热物理性能和材料强度等。 6、微动磨损：微动磨损发生在两个作小振幅往复滑动的表面之间，故其磨损是轻微的。 判断微动磨损的根据： 1）具有引起微动的震动源； 2）磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑、塑性变形和微裂纹； 3）磨屑易于聚团，含有大量类似锈蚀产物的氧化物。典型磨损失效类型及提高耐磨性对材料表面的性能要求2.3.4 提高材料耐磨性的途径提高固体材料耐磨性： 硬度：一般认为硬度越高

19、，耐磨性越好。晶体结构和晶体互溶性：密排六方结构具有低磨擦系数，磨损率也低；冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可获得低摩擦系数和低磨损率。温度：温度越高，硬度下降，且互溶性增强，摩擦加剧；温度升高导致氧化速度加剧也可影响磨损性能。环境：真空条件下材料粘着磨损严重，而大气中，五分钟内，大气即可对表面形成5到50分子层的氧化膜，从而有防止粘着的作用，同理，添加加润滑剂，可有效减小磨损。 1、结构的合理设计 正确设计摩擦副的结构。如有利于摩擦副间润滑膜的形成、摩擦热的散失、防止外界杂物的进入等。 1）产品内部结构的合理设计 2）设计时的综合分析 2、摩擦副材料的合理选择 （1） 粘着磨损的选材原则： 塑

20、性材料比脆性材料容易产生粘着磨损。 相同金属或晶格类型、电化学性能相近的金属制造的摩擦副粘着倾向大。 金属与非金属材料组成的摩擦副粘着倾向小。 （2） 磨料磨损的选材原则： 一般是提高材料的硬度来提高它的耐磨性。 （3） 疲劳磨损的选材原则： 要求钢材质量好，控制钢中有害的非金属夹杂物。 1）减摩材料 2）耐磨材料抗磨材料的选择 确定材料在使用方面是否存在限制.（这些限制包括工艺性能，使用环境，机械性能等）。 确定负荷限制：考察材料能否经受住运行中的载荷而不变形或无过分变形。 确定温度范围：温度对于一些滑动系统有强烈影响，温度升高会导致材料软化，咬合加剧。温度升高与摩擦生热有关，由此产生的温升T可用下式求得： TWv/2a（1+2）J式中:为摩擦系数，W为施加载荷，V为滑动速度（M/S），1与2为材料的热传导率（W/MK），A为与滑动零件之间广泛分布触点有关的量，J为热功当量。3.2.3 3.2.3 磨损的控制