第五章 材料在不同工程环境下力学性能——磨损性能

1、轮胎磨损轮胎磨损手手机机屏屏幕幕磨磨损损对于机械设备、运动构件对于机械设备、运动构件磨损十分常见！磨损十分常见！5.4 5.4 材料的磨损性能材料的磨损性能1 1、磨损、磨损概述概述2 2、磨损机理、磨损机理3 3、磨损试验方法、磨损试验方法4 4、提高、提高耐磨性耐磨性的方法的方法掌握掌握理解理解了解了解了解了解l 对德国对德国20个企业所使用的锻锤和压力机锻模个企业所使用的锻锤和压力机锻模共共160种、种、2300个不同模具模膛的损坏情况个不同模具模膛的损坏情况的进行了统计，得出如下规律：的进行了统计，得出如下规律：失效形式失效形式所占比例所占比例磨损失效磨损失效70%70%机械疲劳裂纹机

2、械疲劳裂纹25%25%冷热疲劳裂纹冷热疲劳裂纹2.5%2.5%塑性变形塑性变形2.5%2.5%1 1、磨损概述、磨损概述l机器运转时机件间因相对运动而产生的机器运转时机件间因相对运动而产生的摩擦而磨损，不仅摩擦而磨损，不仅降低机器工作效率和降低机器工作效率和精确度，直接影响零件的使用寿命精确度，直接影响零件的使用寿命，还，还将将增加能耗，产生噪音和振动，造成环增加能耗，产生噪音和振动，造成环境污染境污染。研究材料磨损过程，提高材料的耐磨性研究材料磨损过程，提高材料的耐磨性对延长机件使用寿命具有重要意义对延长机件使用寿命具有重要意义 （1 1）摩擦和磨损）摩擦和磨损 摩擦摩擦是接触物体间的一种阻

3、碍运动的现象，是接触物体间的一种阻碍运动的现象，这种阻力为这种阻力为摩擦力摩擦力。它同接触法向压力。它同接触法向压力( (P P) )及摩擦系数及摩擦系数成正比。成正比。 F=P 有动静区分有动静区分, ,静静 动动用来克服摩擦力所作的功一般用来克服摩擦力所作的功一般都是以热的形式散发出去都是以热的形式散发出去导致接触表面瞬时温度升高导致接触表面瞬时温度升高降低工件的机械效率降低工件的机械效率l 摩擦会造成机械表面材料损失摩擦会造成机械表面材料损失磨损磨损结果原因F=P减小摩擦系数，降低摩擦力比如：使用润滑油，选用适当材料摩摩 擦擦磨磨 损损如何减小磨损？如何减小磨损？有没有需要增大摩擦力的地

4、方？有没有需要增大摩擦力的地方？事物都有两面性！事物都有两面性！（2 2）磨损过程）磨损过程l 磨损磨损是由于摩擦使表面材料逐渐损失并造成表是由于摩擦使表面材料逐渐损失并造成表面损伤的现象。面损伤的现象。 一般分为三阶段一般分为三阶段, ,曲线上的各点斜率即为磨损速率。曲线上的各点斜率即为磨损速率。l跑合阶段（磨合阶段）跑合阶段（磨合阶段） 新的摩擦件表面总有粗糙度，真实接触新的摩擦件表面总有粗糙度，真实接触面积小，接触应力大，面积小，接触应力大，磨损速率快。磨损速率快。 一定载荷下，摩擦表面逐渐磨平，实际接一定载荷下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减慢磨

5、损速度逐渐减慢。l 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 出现在出现在摩擦副的正常运行阶段。摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，经过跑合，磨损已经稳定下来。磨损已经稳定下来。磨损量随时间增大缓慢磨损量随时间增大缓慢增大增大。l 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 随着机件工作时间增加，摩擦件接触表随着机件工作时间增加，摩擦件接触表面之间间隙逐渐扩大，机件表面质量下降，面之间间隙逐渐扩大，机件表面质量下降，润滑条件恶化，机件振动加剧，润滑条件恶化，机件振动加剧，磨损速度急磨损速度急剧增加，剧增加，并导致机件很快失效。并导致机件很快失效。（3 3）磨损类型）磨损类型按机理分一般主要为六类按机理分一般主要为六类l粘着磨损粘着

6、磨损l磨料磨损磨料磨损l磨蚀磨损磨蚀磨损l氧化磨损氧化磨损l微动磨损微动磨损l冲蚀磨损冲蚀磨损l 磨损类型在不同的条件下磨损类型在不同的条件下, ,可以可以发生转化发生转化, ,由一种损由一种损伤机制变成另一种损伤机制。伤机制变成另一种损伤机制。l 故解决实际磨损问题时故解决实际磨损问题时, ,要分析参与磨损过程的条件要分析参与磨损过程的条件特性特性, ,确定磨损类型确定磨损类型, ,才能采取有效的措施才能采取有效的措施, ,减少磨损。减少磨损。磨磨 损损 类类 型型 百分比百分比 / %磨料磨损磨料磨损50粘着磨损粘着磨损15冲蚀磨损冲蚀磨损8微动磨损微动磨损8腐蚀磨损腐蚀磨损5其他其他14

7、1 1）磨粒磨损）磨粒磨损 磨粒磨损又称磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损磨料磨损或研磨磨损。 是摩擦副的一方表面存在坚硬的细是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子微凸起或在接触面间存在硬质粒子( (从从外界进入或从表面剥落外界进入或从表面剥落) )时产生的磨损。时产生的磨损。 磨粒磨损是工业领域最常见的一种磨损磨粒磨损是工业领域最常见的一种磨损形式。形式。 2 2、磨损机理、磨损机理磨粒磨损分类磨粒磨损分类 摩擦副一方硬度比另一方大得多：摩擦副一方硬度比另一方大得多：两体磨粒磨损两体磨粒磨损 摩擦副接触面之间存在硬质粒子：摩擦副接触面之间存在硬质粒子：三体磨粒磨损三体磨粒磨

8、损 依据磨粒受的应力大小分类依据磨粒受的应力大小分类 凿削式凿削式 粗糙磨料使磨损表面撕裂 出很大的颗粒，形成很高应力 高应力碾碎式高应力碾碎式 磨料在两个工作表面间互相 挤压和摩擦。磨料被不断破 碎成小碎片。局部应力很高 低应力擦伤式低应力擦伤式 松散磨料自由在表面上 滑动，磨料不产生破碎。磨粒磨损机理l磨粒在材料表面的作用力可以分为磨粒在材料表面的作用力可以分为法向力法向力和和切向力切向力两种。两种。l法向力法向力形成压痕形成压痕, ,切向力切向力推动磨粒向前进。推动磨粒向前进。l磨粒似刀具切削表面磨粒似刀具切削表面, ,切痕长而浅。切痕长而浅。 微观切削微观切削 微观犁沟微观犁沟 当磨粒

9、较圆钝或材料表面塑性较高当磨粒较圆钝或材料表面塑性较高时时, ,磨磨粒滑过后仅犁出沟槽粒滑过后仅犁出沟槽, ,两侧材料沿沟槽两侧两侧材料沿沟槽两侧堆积堆积, , 随后的摩擦又会将堆积的部分压平随后的摩擦又会将堆积的部分压平, ,如此如此反复地塑性变形反复地塑性变形, ,堆积堆积, ,压平压平, ,便导致裂便导致裂纹形成并引起剥落纹形成并引起剥落 微观剥落微观剥落l 磨粒与磨粒与脆性材料脆性材料相接触时，材料表面因相接触时，材料表面因受到磨粒的压入形成受到磨粒的压入形成裂纹裂纹，裂纹扩展到表，裂纹扩展到表面时就剥落出磨屑。面时就剥落出磨屑。l实际磨粒磨损中，往往几种机制并存，但以某一种为主。工作

10、条件如果发生变化，磨损机制也会相应变化。切削作用的磨粒磨损模型切削作用的磨粒磨损模型 压力压力P将硬材料的凸起部分或磨粒压入较软材料将硬材料的凸起部分或磨粒压入较软材料中，滑动中，滑动L距离后，软材料表面犁出一条沟槽。若距离后，软材料表面犁出一条沟槽。若为为突出部分与软材料之间的夹角。磨损量突出部分与软材料之间的夹角。磨损量W为为HPLKPLWsctan3tan可见磨粒磨损量W与接触压力P、滑动距离L成正比,与材料硬度H成反比,与硬材料凸出部份或磨粒形状有关。 硬度越高的材硬度越高的材料，磨损量越料，磨损量越小，耐磨性越小，耐磨性越高。高。载荷越高，载荷越高，滑动距离越滑动距离越长，磨损越长，

11、磨损越严重！严重！2 2、磨损机理、磨损机理2）粘着磨损 粘着磨损又称咬合磨损。粘着磨损又称咬合磨损。 两种材料表面某些接触点两种材料表面某些接触点局部局部压应压应力超过该处材料屈服强度力超过该处材料屈服强度发生粘合发生粘合, ,在在相对运动中粘着点相对运动中粘着点又分开又分开，导致接触面，导致接触面上有上有小颗粒被拉拽出来，反复小颗粒被拉拽出来，反复多次致使多次致使机件产生机件产生表面损伤而失效。表面损伤而失效。 l 机件即使抛光加工，表面仍然凹凸不平，局部接触。l 真实接触面的局部应力较大，产生塑性变形，产生粘着（冷焊）。l 继续相对滑动，粘着点被剪断、拉开，转移到一方材料表面，脱落形成磨

12、屑。粘着点的形成和破坏就造就了粘着磨损！粘着点的形成和破坏就造就了粘着磨损！ 多发生在摩擦付相对多发生在摩擦付相对滑动速度小滑动速度小, ,接接触面氧化膜脆弱触面氧化膜脆弱, ,润滑条件差，及接触润滑条件差，及接触应力大应力大的滑动摩擦条件下。的滑动摩擦条件下。 磨损特征是磨损特征是表面有大小表面有大小不等的不等的结疤结疤根据磨损程度，可把粘着磨损分为根据磨损程度，可把粘着磨损分为4 4类类：l 粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小于较硬金属的强度。于较硬金属的强度。剪切发生在离粘着点不剪切发生在离粘着点不远的较软金属的浅表层内。软金属涂抹（粘远的较软金

13、属的浅表层内。软金属涂抹（粘附）在硬金属表面上。如铅基合金与钢对磨。附）在硬金属表面上。如铅基合金与钢对磨。l粘着强度比两方材料强度都低时粘着强度比两方材料强度都低时 会沿分界面断开，磨损量较小。会沿分界面断开，磨损量较小。 如锡基合金与钢的摩擦。如锡基合金与钢的摩擦。l粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高都高 剪切主要发生在软金属的亚表层内，剪切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金属的亚表层内，转移有时也发生在硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面，到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面，使金属表面出现划痕。所以使金属表面出现划痕。所

14、以擦伤主要发擦伤主要发生在软金属表层，生在软金属表层，硬金属表面也偶有划硬金属表面也偶有划伤。如铝合金零件与钢摩擦。伤。如铝合金零件与钢摩擦。l 外力不能克服界面的结合强度时，外力不能克服界面的结合强度时， 摩擦副的相对运动将被迫停止。摩擦副的相对运动将被迫停止。粘着磨损机理粘着磨损机理Archard模型模型假设单位面积上有假设单位面积上有n个凸起，在压应力个凸起，在压应力P的作用下的作用下发生粘着，粘着处直径为发生粘着，粘着处直径为a，且假定粘着处材料处，且假定粘着处材料处于屈服状态，其压缩屈服极限为于屈服状态，其压缩屈服极限为sb，则，则vsbHananP4422P粘着磨损机理粘着磨损机理

15、Archard模型模型由于相对运动，粘着点分离，从较软材料中拖拽由于相对运动，粘着点分离，从较软材料中拖拽处直径为处直径为a的半球，设软材料上被拉拽处半球的几的半球，设软材料上被拉拽处半球的几率为率为K，当滑动距离，当滑动距离L后，接触面积后，接触面积S的磨损量的磨损量W为为PvHPSLKW3vHPSLKW3粘着磨损量与接触压力、摩擦距离成正比，粘着磨损量与接触压力、摩擦距离成正比，与软材料硬度（或屈服极限）成反比。与软材料硬度（或屈服极限）成反比。从此得出，增加硬度能减少磨损3 3）接触疲劳）接触疲劳现象与特征现象与特征l接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动

16、加滑动摩擦时摩擦时, ,交变接触压应力长期作用使材料表面交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤疲劳损伤, ,局部区域出现小片或小块状材料剥局部区域出现小片或小块状材料剥落落, ,而使材料磨损的现象而使材料磨损的现象, , 故又称故又称表面疲劳磨表面疲劳磨损或麻点磨损损或麻点磨损, ,是齿轮、滚动轴承等工件常见是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。的磨损失效形式。l接触疲劳的宏观形态特征是接触疲劳的宏观形态特征是: :接触表面出现许接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑( (麻坑麻坑),),有的凹坑较深有的凹坑较深, ,底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。底

17、部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。接触疲劳表面形貌接触疲劳表面形貌 接触疲劳的基本类型 根据剥落裂纹起始位置及形态的差根据剥落裂纹起始位置及形态的差异，接触疲劳破坏分为三类。异，接触疲劳破坏分为三类。 接触疲劳接触疲劳也经历了也经历了裂纹形成与扩展裂纹形成与扩展两阶段。裂纹形成过程长两阶段。裂纹形成过程长, , 扩展阶段扩展阶段仅占总破坏时间的很小部分。仅占总破坏时间的很小部分。 接触疲劳的过程(1)(1)麻点剥落麻点剥落 滚动滚动+滑动，最大综合切应力位置在表层滑动，最大综合切应力位置在表层 麻点剥落麻点剥落(点蚀点蚀),剥落深度剥落深度0.1 0.2mm，剥块形状为不，剥块形状为不对称对称V型针状

18、或痘状凹坑。型针状或痘状凹坑。(2)(2)浅层剥落浅层剥落 纯滚动，最大综合切应力位置在次表层纯滚动，最大综合切应力位置在次表层（0.5-0.7b ）浅层剥落浅层剥落:剥落深度一般为剥落深度一般为0.2mm 0.4mm,剥块底部剥块底部大致与表面平行大致与表面平行,裂纹沿与表面成锐角或直角扩展。裂纹沿与表面成锐角或直角扩展。(3)(3)深层剥落深层剥落 裂纹沿非金裂纹沿非金属夹杂物平属夹杂物平行与表面扩行与表面扩展，而后垂展，而后垂直扩展至表直扩展至表面面深层剥落深层剥落(表面压碎表面压碎), 剥落深度与表面强化层深相当剥落深度与表面强化层深相当(0.4mm),剥落时裂纹垂直于表面扩展。剥落时

19、裂纹垂直于表面扩展。4 4）磨蚀磨损）磨蚀磨损l外界环境引起金属表层的腐蚀产物（主外界环境引起金属表层的腐蚀产物（主要是氧化物）剥落，与金属磨面之间的要是氧化物）剥落，与金属磨面之间的机械磨损（磨粒磨损与粘着磨损）相结机械磨损（磨粒磨损与粘着磨损）相结合而出现的磨损。合而出现的磨损。l故腐蚀性介质会加速磨蚀磨损。在不活故腐蚀性介质会加速磨蚀磨损。在不活泼气氛中则可以减少磨蚀磨损。泼气氛中则可以减少磨蚀磨损。5 5）氧化磨损）氧化磨损l摩擦副一方的突起部分与另一方作相对摩擦副一方的突起部分与另一方作相对滑动时，有氧气扩散到变形层内滑动时，有氧气扩散到变形层内形成氧形成氧化膜化膜，这种氧化膜在遇到

20、第二个突起时，这种氧化膜在遇到第二个突起时有可能剥落或者因应力而自身破裂，使有可能剥落或者因应力而自身破裂，使新露出的金属又被氧化新露出的金属又被氧化，这种氧化膜不，这种氧化膜不断生成又被破坏的过程就是断生成又被破坏的过程就是氧化磨损氧化磨损。l磨损速率较小，也是生产中允许的一种磨损速率较小，也是生产中允许的一种磨损形态。磨损形态。6 6）微动磨损微动磨损 指两个相互接触、名义上相对静止而实际上指两个相互接触、名义上相对静止而实际上处于周期性小幅相对滑动处于周期性小幅相对滑动(通常为振动通常为振动)的固体的固体表面产生的磨损表面产生的磨损 产生微动腐蚀的相对滑动极小，振幅约产生微动腐蚀的相对滑

21、动极小，振幅约220m 必要条件：必要条件：反复的相对运动反复的相对运动 例如：轴与轴套、铆接接头、螺栓联接、键销固例如：轴与轴套、铆接接头、螺栓联接、键销固定等固定部位；定等固定部位； 钢丝绳股与股、丝与丝之间；钢丝绳股与股、丝与丝之间； 轨道与道钉之间轨道与道钉之间l 因为集中在局部区域，磨损产物不易往外排因为集中在局部区域，磨损产物不易往外排出，故兼有出，故兼有氧化磨损、研磨磨损、粘着磨损氧化磨损、研磨磨损、粘着磨损的作用的作用l微动磨损通常发生在一对紧配合的零件微动磨损通常发生在一对紧配合的零件l微动磨损是几种磨损型式的复合微动磨损是几种磨损型式的复合l微动磨损量与材料性质微动磨损量与

22、材料性质, ,滑动振幅和施滑动振幅和施加载荷有关加载荷有关l微动磨损可引起微动疲劳破坏微动磨损可引起微动疲劳破坏l滚压滚压, ,喷丸和表面热处理都可因为表层喷丸和表面热处理都可因为表层产生压应力产生压应力, ,能有效地提高微动磨损与能有效地提高微动磨损与疲劳的抗力疲劳的抗力7）冲刷磨损）冲刷磨损 简称冲蚀，又称磨耗腐蚀金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动引起的金属损伤流体对电化学腐蚀行为的影响冲刷腐蚀流体产生的机械作用两者交互作用加速传质过程，促进去极化剂达到金属表面和腐蚀产物从表面离开高流速引起的切应力和压力变化，以及多相流固体颗粒或气泡的冲击作用，腐蚀流体高速运动，破坏保护性表面膜，表面

23、膜的减薄或去除加速金属的腐蚀过程常发生在近海及海洋工程、油气生产与集输、石油化工、能源、造纸等工业领域冲蚀金属表面一般呈现沟槽、凹谷、泪滴状及马蹄状，表面光亮无腐蚀产物积存，与流向有明显的依赖关系通常是沿着流体的局部流动方向或表面不规则所形成的紊流1 1）耐磨性）耐磨性l 材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力，常以材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力，常以磨损率的倒数来表示。磨损率的倒数来表示。W1磨损率：单位时间或单位距离内产生的磨损量。磨损率越小，则耐磨性越高。磨损量可以用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示，称为线磨损量；也可以用试样体积或质量损失来表示，称为体积磨损或质量磨损。3、磨损试验

24、方法、磨损试验方法l 磨损率不是材料的固有特性磨损率不是材料的固有特性，与工作条，与工作条件、材料性能和相互作用有关，所以件、材料性能和相互作用有关，所以耐耐磨性是工作条件的函数磨性是工作条件的函数。l 工程中找不到一个适用于所有工作条件工程中找不到一个适用于所有工作条件的耐磨材料。的耐磨材料。l 可以用一种可以用一种“标准标准”材料作为参考值材料作为参考值，用用待测材料与参考材料待测材料与参考材料在相同磨损条件在相同磨损条件下进行试验的下进行试验的相对耐磨性相对耐磨性所为结果进行所为结果进行评定。评定。试标标试标试相WWWW11 磨损试验方法分为磨损试验方法分为实物试验实物试验与与实验室试验

25、实验室试验两类。两类。 实物实验实物实验的条件与实际情况一致或接近。因而的条件与实际情况一致或接近。因而结果可靠性高结果可靠性高, ,但试验周期长但试验周期长, ,又因结果是摩擦副结又因结果是摩擦副结构材料及其工艺等诸多因素的综合反映，单因素的构材料及其工艺等诸多因素的综合反映，单因素的影响难于掌握与分析。影响难于掌握与分析。 实验室试验实验室试验具有周期短具有周期短, ,成本低、易于控制各成本低、易于控制各种影响因素等优点种影响因素等优点, ,但结果常不能直接反映实际情但结果常不能直接反映实际情况况, ,多用于研究性试验多用于研究性试验, ,研究单个因素的影响规律及研究单个因素的影响规律及探

26、讨磨损机制。因此探讨磨损机制。因此, ,研究重要机件的耐磨性时研究重要机件的耐磨性时, ,往往往要兼用这两种方法。往要兼用这两种方法。2 2）磨损试验）磨损试验磨损试验机示意图磨损试验机示意图 (a) (a) 销盘式销盘式 (b) (b) 销筒式销筒式 (c) (c) 往复运动式往复运动式(d) (d) 对滚型对滚型 (e) (e) 砂纸磨损砂纸磨损试验试验 (f) (f) 快速度试验快速度试验4 4、提高材料耐磨性的途径、提高材料耐磨性的途径 1）减轻粘着磨损量的主要措施）减轻粘着磨损量的主要措施 (1)(1)合理选择摩擦付材料合理选择摩擦付材料: :尽量选择互溶性少尽量选择互溶性少, ,粘着倾向小的材料配对粘着倾向小的材料配对, ,如非同种或晶格类型、如非同种或晶格类型、电子密度、电化