材料性能学(4)

1、第六章 材料的磨损性能 材料性能学（四）绪 论1。摩擦与磨损摩擦与磨损：任何一部机器在运转时，各机任何一部机器在运转时，各机件之间总要发生相对运动。当两个相互接触的机件之间总要发生相对运动。当两个相互接触的机件表面作相对运动（滑动，滚动，滚动滑动）件表面作相对运动（滑动，滚动，滚动滑动）时就产生时就产生摩擦摩擦，有摩擦就必有，有摩擦就必有磨损磨损。2。摩擦磨损的影响摩擦磨损的影响： 浪费能源；浪费能源； 降低效率及精确度。降低效率及精确度。第一节 磨损的基本概念及类型一、摩擦与磨损的概念一、摩擦与磨损的概念1。摩擦。摩擦定义定义：摩擦是接触物体间的一种阻碍运：摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现

2、象。动的现象。摩擦力摩擦力： F F pp影响影响：降低工件的机械效率，加重材料：降低工件的机械效率，加重材料磨耗，力图减少摩擦。磨耗，力图减少摩擦。2。磨损。磨损定义定义：磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，：磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑，使接触表面不断发生尺表面逐渐分离出磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失的现象。寸变化与重量损失的现象。引起磨损的原因引起磨损的原因：既有力学作用，又有物理和：既有力学作用，又有物理和化学作用。化学作用。(a、表面材料的塑性变形引起的形、表面材料的塑性变形引起的形变硬化，且应力分布的改变；变硬化，且应力分布的改变；b、摩擦热引起、

3、摩擦热引起相变淬火、回火及回复再结晶；相变淬火、回火及回复再结晶；3）外部介质）外部介质产生的吸附和腐蚀作用产生的吸附和腐蚀作用) 磨损过程：u磨合阶段（磨合阶段（oaoa）：接触面积增大；：接触面积增大；表层硬化；表面被磨平的基础上表层硬化；表面被磨平的基础上形成牢固氧化膜氧化膜；磨损速形成牢固氧化膜氧化膜；磨损速率变小，率变小，u稳定磨损阶段（稳定磨损阶段（abab）：磨损速率：磨损速率衡定（斜率衡定（斜率磨损速率）；材料磨损速率）；材料的耐磨性由该阶段来考察。的耐磨性由该阶段来考察。u剧烈磨损阶段（剧烈磨损阶段（bcbc) )：表面恶化：表面恶化( (磨耗增加，接触面间隙增大，润磨耗增加

4、，接触面间隙增大，润滑膜破坏，剧烈振动滑膜破坏，剧烈振动) )，磨损速率，磨损速率加剧。加剧。二、磨损的基本类型二、磨损的基本类型1。依据损伤机制。依据损伤机制（接触摩擦面损坏）（接触摩擦面损坏）2。磨损类型可相互转化。磨损类型可相互转化粘着磨损粘着磨损磨料磨损（磨粒磨损，研磨磨损）磨料磨损（磨粒磨损，研磨磨损）腐蚀磨损腐蚀磨损麻点疲劳磨损（接触疲劳）麻点疲劳磨损（接触疲劳）启示：解决实际磨损问题时，要分析参与磨损的条件特性，才能确定磨损类启示：解决实际磨损问题时，要分析参与磨损的条件特性，才能确定磨损类型型第二节 磨损基本类型一、粘着磨损一、粘着磨损定义定义：粘着磨损是因两材料表面某些接触点

5、局：粘着磨损是因两材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损。开而产生的一种表面损伤磨损。产生条件产生条件：滑动速度小，接触应力大，润滑条：滑动速度小，接触应力大，润滑条件差，接触面无氧化膜。件差，接触面无氧化膜。表面特征表面特征：表面有大小不等的：表面有大小不等的结疤结疤（如下图）。（如下图）。磨损过程磨损过程：粘着剪断脱落再粘着粘着剪断脱落再粘着 局部粘着的原因：局部粘着的原因：a）机件表面加工后光洁度的不同，导）机件表面加工后光洁度的不同，导致材料实际接触仅发生在少数的微凸顶尖致材料实际接触仅发生在少数的

6、微凸顶尖应力应力超超过屈服强度过屈服强度塑性变形，如果接触面上的润滑膜挤破，塑性变形，如果接触面上的润滑膜挤破，就发生冷焊。就发生冷焊。b b）表面摩擦）表面摩擦温度升高温度升高焊合焊合类型（按接触的两种材料强度的差异）类型（按接触的两种材料强度的差异）：粘着点结合强度粘着点结合强度低于低于两侧材料两侧材料沿接触面剪短沿接触面剪短 ，磨损量小，磨损量小，摩擦面较平滑，如锡基合金与钢的滑动；摩擦面较平滑，如锡基合金与钢的滑动；粘着点结合强度粘着点结合强度高于高于两侧任一材料两侧任一材料 沿强度较弱材料面剪短，沿强度较弱材料面剪短，磨损量大，甚至产生咬死现象，如铅基合金瓦与钢轴间的滑动粘磨损量大，

7、甚至产生咬死现象，如铅基合金瓦与钢轴间的滑动粘结磨损。结磨损。磨损量的估算（Archard）：粘着磨损模型示意图粘着磨损模型示意图scdnp342334dpdnNsc234dpnscVHpLKKNLVW3单位滑动距离内单位滑动距离内出现的接触点数：出现的接触点数：磨损量：材料滑动距离磨损量：材料滑动距离L,拉出半球几率拉出半球几率K，粘着磨损系数，粘着磨损系数二、磨粒磨损二、磨粒磨损定义定义：磨粒磨损是摩擦副的一方表面存：磨粒磨损是摩擦副的一方表面存在坚硬的在坚硬的细微凸起细微凸起或在接触面间存在或在接触面间存在硬硬质粒子质粒子时产生的磨损。时产生的磨损。分类分类：按接触条件按接触条件 按磨粒

8、受力大小按磨粒受力大小两体两体磨粒磨损磨粒磨损三体三体磨粒磨损磨粒磨损凿削式凿削式高应力碾碎式高应力碾碎式低应力擦伤式低应力擦伤式表面特征表面特征：擦伤或沟槽。：擦伤或沟槽。沟槽形成原因：磨粒对摩沟槽形成原因：磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏、脆塑性变形、疲劳破坏、脆性断裂等性断裂等磨损量的估算磨损量的估算：scrp32tantan2212lrlrrW磨损过程磨损过程:滚动性磨粒滚动性磨粒法向力、切向力作用法向力、切向力作用犁皱、沟槽（沟槽边堆犁皱、沟槽（沟槽边堆积）积）塑性变形、沟槽边堆积被压平塑性变形、沟槽边堆积被压平破碎性磨粒破碎性磨粒表面应力集

9、中表面应力集中韧性材料反复变形韧性材料反复变形导致疲劳破坏及脆断导致疲劳破坏及脆断磨损量：磨损量：影响耐磨性的因素影响耐磨性的因素：基体材料基体材料力学性能（硬度与韧性）力学性能（硬度与韧性），基体基体显微组织显微组织，磨粒硬度磨粒硬度等等。三、接触疲劳三、接触疲劳1。现象与特征。现象与特征 定义定义：接触疲劳是两接触材料作接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动滚动或滚动加滑动摩擦摩擦时，时，交变接触压应力交变接触压应力长期作用使材料长期作用使材料表面疲劳损伤表面疲劳损伤，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。又称表面疲劳磨损，麻

10、点磨损现象。又称表面疲劳磨损，麻点磨损齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。 接触表面的宏观形态接触表面的宏观形态：痘状，贝壳状，痘状，贝壳状，不规则形状的凹坑（麻坑）不规则形状的凹坑（麻坑）。 麻点剥落麻点剥落：深度为：深度为0.10.2mm，痘状或，痘状或V形针形针状凹坑；状凹坑； 浅层剥落浅层剥落：深度为：深度为0.20.4mm，裂纹扩展方向，裂纹扩展方向与表面成锐角或直角；与表面成锐角或直角； 深层剥落深层剥落：深度：深度0.4mm，裂纹扩展方向与表，裂纹扩展方向与表面垂直。面垂直。接触疲劳接触疲劳类型：接触疲劳过程接触疲劳过程裂纹形成裂纹形成

11、过程长，过程长，扩展阶段扩展阶段短短2。接触应力的概念。接触应力的概念定义定义：两物体相互接触时在局部表面产生的压应力称：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。为接触应力，也叫赫兹应力。分类分类：线接触（如齿轮）线接触（如齿轮），点接触（滚珠轴承）点接触（滚珠轴承）。（1）圆柱体的线接触应力）圆柱体的线接触应力pzy45zy45maxmax 0.30.3ZmaxZmax；p出现位置：出现位置：Z Z0.786b0.786b，y y0 0；p应力性质：脉动循环应力。应力性质：脉动循环应力。（2）球体的点接触应力）球体的点接触应力（滚珠与轴套（滚珠与轴套球与平面球与平面

12、）（3）摩擦力对切应力的影响）摩擦力对切应力的影响pzy45zy45maxmax 0.30.3ZmaxZmax；p出现位置：出现位置：Z Z0.786b0.786b，y y0 0；p应力性质：脉动循环应力。应力性质：脉动循环应力。n综合切应力最大值向表面移动；n0.2时表面综合切应力最大,疲劳裂纹在机件表面产生。3。接触疲劳的过程。接触疲劳的过程maxs时，材料发生塑性变形，经多次循环，裂纹就在该处形时，材料发生塑性变形，经多次循环，裂纹就在该处形成。故可根据最大切应力与材料强度之应力判据来分析接触成。故可根据最大切应力与材料强度之应力判据来分析接触疲劳裂纹的产生与扩展：疲劳裂纹的产生与扩展：

13、（1）麻点剥落）麻点剥落过程过程： 滚动滑动滚动滑动 最大综合切应力移至表层最大综合切应力移至表层 反复作用，累计损伤反复作用，累计损伤 裂纹萌生裂纹萌生 裂纹扩展裂纹扩展 表层材料断裂表层材料断裂 麻点剥落麻点剥落 影响因素影响因素： 摩擦力的大小，表面质量摩擦力的大小，表面质量。一般表面接触应力较小，摩擦力。一般表面接触应力较小，摩擦力较大或表面质量较差时，容易出现较大或表面质量较差时，容易出现麻点剥落。麻点剥落。（2）浅层剥落）浅层剥落纯滚动纯滚动 次表层的切应力最大次表层的切应力最大 塑性变形塑性变形 形成位错塞形成位错塞积和空位积和空位 裂纹形成裂纹形成 平行表面扩展平行表面扩展垂直

14、表面扩展垂直表面扩展 断裂断裂 形成盆状剥落凹坑形成盆状剥落凹坑(0.2-0.4mm)(0.2-0.4mm)（3 3）深层剥落）深层剥落硬化层与心部过渡区，由于切应力硬化层与心部过渡区，由于切应力/ /材料强度值为最大材料强度值为最大 裂纹裂纹 硬化层大块剥落硬化层大块剥落总结：总结：接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。材料接触疲劳强度的结果。1）循环切应力大小、分布与接触物载荷，接触物）循环切应力大小、分布与接触物载荷，接触物尺寸有关尺寸有关2）材料强度与材料成分、组织、表面强化、缺陷）材料强度与材料成分、组织、表面

15、强化、缺陷有关。有关。第三节 耐磨性及其测量方法一、材料的耐磨性一、材料的耐磨性 定义定义：耐磨性是指材料抵抗磨损的性能耐磨性是指材料抵抗磨损的性能。 磨损量的测量方法磨损量的测量方法：称重称重法和法和尺寸尺寸法法。常用磨损量的倒数或用相对耐磨性表征材料的耐磨性。常用磨损量的倒数或用相对耐磨性表征材料的耐磨性。二、磨损试验方法二、磨损试验方法 实物试验实物试验：结果可靠，周期长结果可靠，周期长； 实验室试验实验室试验：周期短，成本低，不能直接反映实际情况周期短，成本低，不能直接反映实际情况。第四节 提高材料耐磨性的途径一、减轻一、减轻粘着磨损粘着磨损的主要措施的主要措施（1）合理选择摩擦副材料

16、：互溶性少、粘着倾向小的材料配对。）合理选择摩擦副材料：互溶性少、粘着倾向小的材料配对。（2）避免或阻止两摩擦副间直接接触：氧化膜稳定性好、且与基体结合牢）避免或阻止两摩擦副间直接接触：氧化膜稳定性好、且与基体结合牢固；降低接触面粗糙度、改善表面润滑条件。固；降低接触面粗糙度、改善表面润滑条件。（3）进行表面处理。如表面渗硫、磷、氮、碳等）进行表面处理。如表面渗硫、磷、氮、碳等二、减轻二、减轻磨粒磨损磨粒磨损的主要措施（的主要措施（p120）三、提高三、提高接触疲劳抗力接触疲劳抗力的措施（的措施（p120）常规条件下摩擦磨损试验方案常规条件下摩擦磨损试验方案 Cu/FeS复合材料摩擦磨损实验T

17、able3.1 Experimental parameters of every team序号序号 载荷载荷/N 滑动速滑动速/r/min磨损时磨损时/h滑动距离滑动距离/km试样硬度试样硬度/kgf/mm2a502001013.5648118.7628b50400513.5648118.7628c302001013.5648118.7628d30400513.5648118.7628e5020045.42680.3273（退火：（退火：900/0.5h）f70200810.852118.7628图所示为a组试验样品磨损后的表面形貌。A图为放大50倍的边界处形貌，a处为样品的磨损边界，左边为磨

18、损区，右边为未磨损区，未磨损区的犁沟主要是磨损前金相砂纸打磨所致。试样所发生的磨损比较严重，由各种磨损产生的条件及磨损后样品的形貌特征可以认为磨损表面主要有粘着磨损和磨粒磨损发生，粘着磨损的磨屑表现为片状和不规则的碎屑（如图中c点所指区域）。由于磨料磨损的作用，使磨损样品表面出现了许多犁沟，犁沟宽度和深度不均匀，如d点所示。同时样品表面还出现了粘着坑（如b点所示）和“痘斑”状的小坑（如e点所示），这说明发生了胶合和点蚀，胶合主要是由于在磨损过程中产生大量的热，使摩擦副工作表面焊合，以致有些地方撕脱后留下了粘着坑，“痘斑”状小凹坑的出现则是由于细小的颗粒从表面上脱落所致，这些脱落的小颗粒也是导致发生严重磨粒磨损的根源。图所示为b组试验样品磨损后的表面形貌，从总体上看，磨损情况较之a组试验样品轻微，这正与我们计算得到的磨损量的结果相对应。从图中我们可以看到样品表面一些地方