材料的摩擦与磨损性能

1、第八章 金属磨损和接触疲劳材料力学4生育皂第八章金属磨损和接触疲劳磨损概念>机器运转时机件间因相对运动 产生的摩擦而磨损。>磨损过程A磨损是降低机器和工具效率、 精确度甚至报废的原因，也是造 > 成金属材料损耗和能源消耗的重耐磨性及试验方法要原因。>提高耐磨性的措施A摩擦磨损消耗能源的三分之一 到二分之一，大约80%的机件失 > 效是磨损引起的。A因此，研究磨损规律，提高机 件的耐磨性，对节约能源、减少 材料消耗、延长机件寿命具有重 要意义。材料力学4生育皂第七章金属磨损和接触疲劳Sv§1磨损的基本概念两个相互接触的物体在外力作用 下发生相对运动或具有相

2、对运动 趋势，接触面上具有阻止相对运 动或相对运动趋势的作用，这种机件表面相接触并作相对运动时, 由于摩擦使摩擦表面逐渐有微小 颗粒分离出来形成磨屑，使表面 材料逐渐损失，导致机件尺寸变 化和质量损失，造成表面损伤的 现象。材料力学性能第七章金属磨损和接触疲劳2.磨屑形成现象称为摩擦材料力学性能第七章金属磨损和接触疲劳材料力学性能第七章金属磨损和接触疲劳摩擦力同接触法向压力及摩擦系 数成正比。F=p 二、磨损 1定义磨屑的形成是材料发生变形和断 裂的结果。静强度的基本理论也基本适用 于磨损过程分析。材料力学性能反复进行的，具有动态特征。旦磨屑形成，该过程就转入下一4磨损的基本类型§1

3、磨损的基本概念A磨损是发生在材料表面的局部 变形与断裂，这种变形与断裂是 循环。A在磨损过程中材料还将发生一 系列物理、化学状态的变化。如 因表面材料的塑性变形引起的形材料力学4生育皂变硬化及应力分布的改变；因摩 擦热引起的二次相变淬火、回火 及回复再结晶等。A因外部介质产生的吸附和腐蚀 作用等都将影响材料的耐磨性能。根据摩擦面损伤和破坏的形式厂粘着磨损 磨料磨损 腐蚀磨损材料力学4生育皂I疲劳磨损（接触疲劳）材料力学4生育皂§1磨损的基本概念A磨损类型在不同的条件下，可以发生转化材料力学4生育皂处素史橹出版社材料力学4生育皂处素史橹出版社滑动速度&我荷P临界氧化嘗损区迢力粘

4、着廝损区材料力学4生育皂处素史橹出版社§2磨损过程 材料力学4生省乞北煤史橹出版社§2磨损过程材料力学4生省乞北煤史橹出版社§2磨损过程St3粘着磨损过程及机理A表面局部凸起A载荷很小时，接触面局部应力很大，接触点发生塑性变形§2磨损过程一、粘着磨损（Adhesive Wear）1定义粘着磨损是接触表面相互运动时， 因固相焊合作用使材料从一个表 面脱落或转移到另一表面而形成 的磨损，又称咬合磨损。2产生的条件A滑动相对滑动速度较小 （钢小于lm/s）A缺乏润滑油A摩擦表面无氧化膜A单位法向载荷很大：接触应力 超过实际接触点处的屈服强度A若表面洁净，原子彼

5、此接触很 近，产生粘着（冷焊）2粘着、剪切、再粘着的交替过程 就形成了粘着磨损。A相对运动产生剪切力，导致粘着点断裂，发生材料转移或磨屑4 分类A按工作温度分：低温粘着磨损（冷焊）1高温粘着磨损（表面摩擦生热I温度升高使相接触的材料直接 焊合）按粘结点的强度和磨损程度分a）涂抹：当较软金属的剪切强 度小于界面强度时，剪切断裂 反生在较软金属的浅袅层内， 材料从软金属表面上脱落，又 粘附（涂敷）在硬金属的表面上。材料力学4生省乞北煤史橹出版社§2磨损过程Hi121软材料表面出现微小的凹坑，硬 材料表面形成微小凸起，使摩擦 面变得粗糙。最终使不同材料的摩擦副滑动变 成同初料间鬲滑动，磨损

6、增头， 甚至产生咬死现象。如铅基合金 轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损 就同这种情况。b）擦伤：当界面强度大于两摩擦 材料基体的强度时，剪切断裂发 生在软材料的亚表层内，附在硬 金属表面的粘着物，在摩擦表面 的滑动方向上将软材料的表面划 伤，形成细而浅的划痕，使摩擦C）刮伤：当界面强度大于两摩擦 材料基体的强度时，摩擦表面上 形成的粘着物使另一摩擦表面沿 滑动方向产生较深的划痕。d）胶合：在摩擦力和摩擦热的 作用下，摩擦表面出现较深的划 痕和凹坑的磨损。胶合是擦伤和 撕脱联合作用的结果。e）咬死：当摩擦表面形成牢固 的焊结结点时，外力克服不了结 点界面上的结合力，也不能使摩 擦面双方剪切破坏时，使

7、摩擦 副双方没有相对滑动。材料力学4生育皂§2磨损过程表面破坏。材料力学4生育皂§25粘着磨损的共同特征 出现材料迁移以及沿滑动方向 形成程度不同的划痕，机件表面 有大小不等的结疤。材料力学4生育皂§26.磨损量的计算A在摩擦副接触处为三向压缩应 力状态，所以接触压缩强度近似 为单向压缩屈服强度的三倍。A接触点真实面积为A,作用于 表面上的法向力为FF = 4邑）假定磨屑为半球形，直径为 任一瞬时有个粘着点，所有粘着点尺寸相同,则4Fn-y3叫dA设每一粘着点滑过距离d,则 单位距离内粘着点数为N=n=F_d3 九is/A设粘着点成为磨屑几率为K, 则单位距离内磨

8、损体积KF9 by材料力学q生育皂§2材料力学q生育皂§2A总的滑动距离A内磨损体积材料力学q生育皂§2材料力学q生育皂§2KFL aKFLV =9crsc H材料力学q生育皂磨损过程材料的粘着磨损量与所加法向载 荷、摩擦距离成正比；与材料的 硬度或强度成反比，而与接触面 积大小无关。大部分粘结点不产生磨屑，即 几率氐值远小于1摩擦副材料摩擦系数粘着磨损常数E软钢软钢0.6io-2硬质合金淬硬钢0.65 X IO聚乙烯淬硬钢0.65io-77.粘着磨损的影响因素1）材料组织与性能（内因）§2磨损过程1=1(1) 点阵结构：体心立方和面 心立结构

9、的金属发生寤着磨损 的倾向高于密排六方结构。(2) 材料的互溶性：摩擦副材 料的互溶性越大，粘着倾向越大。(3) 组织结构：单晶体的粘着 性大于多晶体；单相金属的粘着 性大于多相合金；固溶体比化合 物粘着倾向大。材料的晶粒尺 寸窥小，粘着磨损量越小。(4) 塑性材料比脆性材料易于粘 着；金属/金属组成的摩擦副比金 属/非金属的摩擦副易于粘着。2) 工作环境(外因)(1) 在摩擦速度一定时，粘着 磨损量随接触压力的增大而增 加。一般情况下，应小于硬度 的 1/3。(2) 在接触压力一定的情况下, 粘着磨损量随滑动速度的增加 而博加，但达到棄一祓大值后， 又随滑动速度的增加而减小。(3) 降低表面

10、粗糙度，将增加 抗粘着磨损能力。但粗糙度过 低，反因润滑剂难于储存在摩 擦面内而促进粘着。(4) 提高温度和滑动速度，粘着 磨损量增加。(5) 良好的润滑状态能显著降低 粘着磨损。二、磨粒磨损(Abrasive Wear)1概念：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微 凸起或在接触面向存在硬质粒子 (从外界进入或从表面剥落)时产生 的磨损。2 分类：1)按接触条件或磨损表面数量分(1)两体磨粒磨损：磨料直接 作用于被磨材料的表面，磨粒、 材料表面各为一物体，如挫削 过程。V/入(2)三体磨粒磨损：磨粒介 于两材料表面之间。磨粒为一 物体，两材料为两物体，磨粒 可以在两表面间滑动，也可以 滚动，如抛光过

11、程。2)按磨料所受应力大小(1)低应力划伤式磨粒磨损: 粒作用于表面的应力不超过磨料 的压碎强度，材料表面为轻微划 伤。(2)高应力碾碎式磨粒磨损：磨 粒与材料表面接触处的最大压应 力大于磨料的压碎强度，磨粒不 断被碾碎，如球磨机衬板与磨球(3) 凿削式磨粒磨损：磨粒对 材料表面有高应力冲击式的运 动，从材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如挖掘机斗齿.破碎机锤头等。3) 按材料的相对硬度分(1) 软磨粒磨损：材料硬度与 磨粒硬度之比大于0.8。(2) 硬磨粒磨损：材料硬度与 磨粒硬度之比小于08。等。 件下普通型磨粒磨损:正常条按工作环境分材料力学4生育皂§2磨损过程腐蚀介质中 高温下(

12、2) 腐蚀磨粒磨损：(3) 高温磨粒磨损：3.磨粒磨损的过程与机理磨粒对摩擦表面产生的微切削作 用、塑性变形、疲劳破坏或脆性 断裂产生的，或是它们综合作用 的结果。4特征摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形 成的沟槽5.磨损量的计算的颗粒为圆m体 形的A磨命A被廛 刚体A磨电影软强度时，磨粒的压入就会停止1966年Rabinowicz以两体磨粒磨 损为例，估算切削磨损量材料力学性能§2磨损过程6磨粒磨损的影响因素材料力学q生育皂北累史橹出版社§2磨损过程材料力学q生育皂北累史橹出版社§2磨损过程A磨粒切削下来的材料体积V = rltgOKFitge3crsc1)材料性能a

13、硬度：一般情况下，材料硬度越高，其 抗磨粒磨损能力也越高。A材料的屈服强度与硬度成正比(1)对纯金属和各种成分未经KFitg eH热处理的钢，耐磨性与材料的硬度成正比。表明在一定磨粒条件下，磨损体积与所加的载荷成正比，而与材料的硬度成反比。3020型cfcw材料力学q生育皂北累史橹出版社§2磨损过程60钢. 低，WH相 回火马儘耐磨性高于1=1|51在软基体中碳 弥鼓度增加， 在硬基体上分(2) 对经过热处理的钢，其耐 磨性也与硬度成线性关系，但直 线的斜率比纯金属为小。(3) 通过塑性变形虽能使钢材 加工硬化、提高钢的硬度，但不 能改善其抗磨粒磨损的能力。2)断裂韧性断裂韧度心。o

14、aatHvC3)钢中碳化物： 化物数量增加， 耐磨性也提高； 布碳化物反而损害材料的耐磨 性。4)晶粒尺寸：细化晶粒，提高 耐磨性。5)磨粒性能I区：软磨粒，材料通过表面严 重变形.疲劳而发生的，硬度是次 要因素。m区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形 成沟槽产生磨损，硬度是控制因 素II区：过渡区»人点11 a/H=0.71.1, B点Ha/H=1.31.7;在A B之间，H 增加，磨损量下降，所以要降低 磨损速率，必须使H/Ha>1.3(2)磨粒尺寸磨粒大小 对耐磨性 的影响， 存在一个 临界尺寸。200400600800HI粒的平均直铉/呻45403530252015105材料力学

15、4生育皂§2磨损过程材料力学4生育皂§2磨损过程2、特征磨粒形状材料力学4生育皂§2磨损过程尖锐磨粒造成的磨损量高于同样 条件下的多角型和圆型磨粒产生 的磨损量三、接触疲劳1、现象接触疲劳是两接触材料作滚动或 滚动加滑动摩擦时，交变接触压 应力长期作用使材料表面疲劳损 伤，局部区域出现小片或小块状 材料剥落，而使材料磨损的现象, 故又称表面疲劳磨损或麻点磨损。宏观形态特征是：接触表面出现 许多痘状、贝壳状或不规则形状 的凹坑（麻坑），有的凹坑较深， 底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。3分类按剥落裂纹的起始位置及形态 分为： 麻点剥落（点蚀）：深度在0.2mm以下的小块剥

16、落，常呈针状或 痘状凹坑，截面呈不对称V形。浅层剥落:深度020.4mm，剥 块底部大致和表面平行，裂纹 走向与表面成锐角和垂直。 深层剥落（表面压碎）:深度和表面 强化层深度相当，裂纹走向与表 面垂直。4接触应力的概念 1）定义两物体相互接触时在局部表面产 生的压应力称为接触应力，也叫 赫兹应力材料力学4生育皂§2磨损过程材料力学性育皂处喙史橹出版社§2磨损过程2)分类(1)线接触应力设有两圆柱体，半径分别为R|、 R2,长度为L。末变形前两者是 线藝触；施加法向力多后，因弹性变形成 为面接触，接触面积为2bL。Stlb接触压应力沿y轴按半椭圆规 律分布;在樓触中心(y=

17、o)处， 仍达到最大值。在一定的接触深度范围内，q> by >%，超过该深度6>>円一1.0-0.23b8O4 O接)M深度N材料力学性育皂处喙史橹出版社§2磨损过程材料力学性育皂处喙史橹出版社§2磨损过程即 45。2球与球接触时，最大剪应力发相应的最大切应力为:6 CT 乞旷45。_j 2其中勺45。最大，其值在离表面一 定距离Z=0786方处达到最大。点接触应力A在纯滚动条件下，施加法向应 力后，视两接触物体形状不同， 接触面可能是椭圆或圆。接触面为椭圆时，如滚珠与轴承 套圈接触，接触应力按半椭圆球 规律分布。最大剪应力Tmax发生在离表面 一定

18、距离Z=0786方处。A球与球或球与平面接触时， 接触面为圆形。球与平面接触时，最大剪应力 发生在Z=0786处。生在Z=0.5方处。A对于滚动加滑动条件下： 滑动产生的切向摩擦力与接触应 力场叠加，摩擦力和2x45。叠加 的最大综合切应力的最大值从 Z=0786方处向表面移动，当摩擦 系数大于01时，将移动到表面。St应力半幅为0.5xmax , (0.150.16) % oA因滚动接触应力为交变应力， 因而对接触面上某一位置，其亚 表层受卜6作重复循环应力作用， 即为A在交变剪应力的影响下，裂纹 容易在最大剪应力处成核，并扩 展到表面而产生剥落，在零件表 面形成针状或豆状凹坑，造成 疲劳磨

19、损。5疲劳磨损机理1）麻点剥落抗剪强度时产生裂纹。乩在表面最大综合切应力的反复 作用下，在材料表面的局部区 域产生塑性变形，由于损伤的 积累，当最大综合切应力超过材料力学性育皂处喙史橹出版社§2磨损过程向表面扩展d润滑油进入二次裂纹中，使其e.裂纹扩展到表面形成不对称V 字形凹坑。A表面接触应力较小，摩擦力较在纯滚动条件下，裂纹扩展方向与Tmax方向（45。倾角）一致 b在连续滚动接触过程中润滑 油反复进入裂纹内，并被封闭， 产生高压导致裂纹扩展。C裂纹扩展到一定程度，尖端 应力集中，产生与主裂纹垂直 的二次裂纹大、或表面质量较差（如表面有 脱碳.烧伤.淬火不足.夹杂物 等）时，易产

20、生麻点剥落。A前者是因为表面最大综合切应 力较高，后者则是材料抗剪强度 较低所致。2) 浅层剥落a.在和最大综合切应力相当的位 置0.5或0.786方处产生塑变/!/0.5或0力61)b.在接触应力反复作用下，塑性 变形反复进行，使材料局部弱化, 遂在该处形成裂纹。c在滚动及摩擦力作用下又产生 与表面成一倾角的二次裂纹。二 次裂纹扩展至表面，另一端则形 成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断, 从而形成浅层剥落。L_A裂纹常出现在非金属夹杂物附近， 裂纹开始沿非金属夹杂物平行于 表面扩展形成底部大致和表面平行，而其 侧面的一侧与表面约成45。，另 一侧垂直于表面的凹坑。3）深层剥落（压碎性剥落） a深层

21、剥落的初始裂纹经常在表 面硬化机件的过渡区内产生。/JJJJ-rrTTrA该处切应力虽不是最大，但因 过渡区是弱区，切应力可能高于 材料材料强度而在该处产生裂纹b.裂纹形成后先平行于表面扩展, 即沿过渡区扩展，而后再垂直于 表面扩展，最后形成较深的剥落 坑。6 影响接触疲劳寿命的因素1）非金属夹杂物A脆性的、带有棱角的非金属夹 杂（如硅酸盐等）在和基体的交 界处由于塑性变形不协调，产生 应力集中，导致右夹棗物边缘产 生裂纹。A塑叵翼杂物（硫化物）可以与基 体一起变形，当硫化物把氧化物 夹杂包裹形成共生夹杂物时，可 以降低氧化物的不良影响。材料力学4生育皂2）热处理组织 aM的含碳量S5 O 5

22、 O 55 5 4 4 30,20.30.4 0.5 0.6 0.70.8马氏体含碳MC（%）3000.00064.2J10.$4 21.000 O2晅92冬疋妇欣农H-对于轴承钢，在未溶碳化物状 态相同的条件下，M含碳量在040.5%左右最好。材料力学4生育皂磨损过程b. M和残余奥氏体的级别残余奥氏体越多，M针越大表层 的压应力越小，渗碳层强度越低, 易于产生裂纹。c未溶碳化物的大小碳化物越粗大，相邻M边界含碳 量越高，易形成裂纹。3）表面硬度与心部硬度a.表面硬度 一 I1010090SO 兴匣92XW娠裱丹产701»ii»_5R 60626466喚度HRC§

23、;2磨损过程4）表面硬化层深度最佳硬化层深度：（15 20）J 100 丿t-m表面脱碳可以降低表面的硬 度，同时易生成非马氏体组织, 在表面形成拉应力，降低接触 疲劳寿命。若表面脱碳层很薄（01 0.3mm）,表面易于塑变，增加 接触面积，降低应力集中，反 而有利于提高接触疲劳寿命 b.心部硬度心部硬度太低，应力梯度增大, 易在过渡区形成裂纹，造成深 层剥落（渗碳齿轮心部35 40HRC）材料力学4生育皂第七章金属磨损和接触疲劳 材料力学4生育皂处素史橹出版社第七章金属磨损和接触疲劳材料力学4生育皂处素史橹出版社第七章金属磨损和接触疲劳§3耐磨性及其测量方法 一、材料的耐磨性 耐磨

24、性是指材料抵抗磨损的性能， 迄今还没有一个明希的统一指标， 通常用磨损量表示。磨损量愈小， 耐磨性愈高。1磨损量：线磨损量；体积（质量）磨损量； 磨损量2 相对耐磨性标准试样的磨损量 * 被测试样的磨损量3磨损系数丄二、磨损试验方法 1销盘型试验机 r 一丄击A可用来评定各种摩擦副及润 滑材料的低温与高温摩擦和 磨损性能，可做磨粒磨损和 粘着磨损试验。2 环块型磨损试验机可测定金属及非 金属材料（如尼 龙、塑热）在滑 动状态下的耐磨 性能材料力学4生育皂处素史橹出版社§3耐磨性及其测量方法材料力学4生育皂材料力学4生育皂环形试样安装在主轴上，顺时针 转动，块形试样安装在夹具上。A测量

25、环形试样的失重和块状试 用来测定金属材料在滑动摩擦. 滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及 间隙摩擦情况下的磨损量材料力学4生育皂样的磨痕宽度，分别计算体积磨损量。3往复运动型试验机5快速磨损试验机试样在静止平面上作往复运动， 可评定往复运动的机件，如导轨. 缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性4滚子型磨损试验机能较快测定材料的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能材料力学4生育皂第八章金属磨损和接触疲劳材料力学4生育皂第八章金属磨损和接触疲劳§4提高材料耐磨性的途径 一、减轻粘着磨损的主要措施(1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择 互溶性少，粘着倾向小的材料配对， 如非同种或晶格类型、电子密度、 电

26、化学性质相差甚远的多相或化合 物材料；强度高不易塑变的材料;表 面易形成化合物的材料。(2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触。 增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与 基体的结合力；降低接触表面粗糙度, 改善表面润滑条件等。|51(3)为使磨屑多沿接触面剥 落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表 面处理工艺，在材料表面形 成一层化合物层或非金属层, 既降低接触层原子间结合力, 减少摩擦系数，又避免直接St接触。为使磨损发生在较软 方材料表层，可采用渗碳、 渗氮共渗、碳氮硼三元共渗 等工艺以提高另一方的硬度。材料力学4生育皂第八章金属磨损和接触疲劳材料力学4生育皂第八章金属磨损和接触疲劳

27、67;4提高材料耐磨性的途径 一、减轻粘着磨损的主要措施(1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择 互溶性少，粘着倾向小的材料配对， 如非同种或晶格类型、电子密度、 电化学性质相差甚远的多相或化合 物材料；强度高不易塑变的材料;表 面易形成化合物的材料。(2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触。 增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与 基体的结合力；降低接触表面粗糙度, 改善表面润滑条件等。|51(3)为使磨屑多沿接触面剥 落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表 面处理工艺，在材料表面形 成一层化合物层或非金属层, 既降低接触层原子间结合力, 减少摩擦系数，又避免直接St接触。为使磨损发生在较软 方材料表层，可采用渗碳、 渗氮共渗、碳氮硼三元共渗 等工艺以提高另一方的硬度。材料力学4生育皂§4提高材料耐磨性的途径(4)控制摩擦滑动速度和接触压应 力，可使粘着磨