第七章材料力学性能

1、第七章第七章金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 机器运转时机件间因相对运动机器运转时机件间因相对运动产生的摩擦而磨损。产生的摩擦而磨损。磨损是降低机器和工具效率、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成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。要原因。 摩擦磨损消耗能源的三分之一摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约到二分之一，大约80%的机件失的机件失效是磨损引起的。效是磨损引起的。因此，研究磨损规律，提高机因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少件的耐磨性，

2、对节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。要意义。 磨损概念磨损概念 磨损过程磨损过程 耐磨性及试验方法耐磨性及试验方法 提高耐磨性的措施提高耐磨性的措施第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳1 磨损的基本概念磨损的基本概念一、摩擦一、摩擦两个相互接触的物体在外力作用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对运动下发生相对运动或具有相对运动趋势，接触面上具有阻止相对运趋势，接触面上具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦现象称为摩擦摩擦力同接触法向压力及摩擦系摩擦力同接触法向压力及摩擦系数成正

3、比。数成正比。 Fp 二、磨损二、磨损机件表面相接触并作相对运动时，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，造成表面损伤的化和质量损失，造成表面损伤的现象。现象。1.定义定义2.磨屑形成磨屑形成磨屑的形成是材料发生变形和断磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。裂的结果。静强度的基本理论也基本适用静强度的基本理论也基本适用于磨损过程分析。于磨损过程分析。1 磨损的基本概念磨损的基本概念磨损是发生在材料表面的局部磨损是发生在材料

4、表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。一反复进行的，具有动态特征。一旦磨屑形成，该过程就转入下一旦磨屑形成，该过程就转入下一循环。循环。在磨损过程中材料还将发生一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因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变；因摩变硬化及应力分布的改变；因摩擦热引起的二次相变淬火、回火擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶等。及回复再结晶等。因外部介质产生的吸附和腐蚀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。作用等都将影响材料的

5、耐磨性能。 3.磨损曲线磨损曲线4.磨损的基本类型磨损的基本类型根据摩擦面损伤和破坏的形式根据摩擦面损伤和破坏的形式粘着磨损粘着磨损磨料磨损磨料磨损腐蚀磨损腐蚀磨损疲劳磨损（接触疲劳）疲劳磨损（接触疲劳）1 磨损的基本概念磨损的基本概念磨损类型在不同的条件下，可以发生转化磨损类型在不同的条件下，可以发生转化第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳2 磨损过程磨损过程一、粘着磨损一、粘着磨损 (Adhesive Wear)1.定义定义粘着磨损是接触表面相互运动时，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面脱落或转

6、移到另一表面而形成的磨损，又称咬合磨损。的磨损，又称咬合磨损。2.产生的条件产生的条件滑动摩擦滑动摩擦，相对，相对滑动速度较小滑动速度较小（钢小于（钢小于1m/s）缺乏润滑油缺乏润滑油摩擦摩擦表面无氧化膜表面无氧化膜单位法向载荷很大：单位法向载荷很大：接触应力接触应力超过实际接触点处的屈服强度超过实际接触点处的屈服强度3.粘着磨损过程及机理粘着磨损过程及机理表面局部凸起表面局部凸起载荷很小时，接触面局部应力载荷很小时，接触面局部应力很大，接触点发生塑性变形很大，接触点发生塑性变形若表面洁净，原子彼此接触很若表面洁净，原子彼此接触很近，产生粘着（冷焊）近，产生粘着（冷焊）2 磨损过程磨损过程相对

7、运动产生剪切力，导致粘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着点断裂，发生材料转移或磨屑粘着、剪粘着、剪 切、再粘着的交替过程切、再粘着的交替过程就形成了粘着磨损。就形成了粘着磨损。4.分类分类按工作温度分：按工作温度分：低温粘着磨损（冷焊）低温粘着磨损（冷焊）高温粘着磨损（表面摩擦生热高温粘着磨损（表面摩擦生热温度升高使相接触的材料直接温度升高使相接触的材料直接焊合）焊合）按粘结点的强度和磨损程度分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）涂抹：当较软金属的剪切强度小于界面强度时，度小于界面强度时， 剪切断裂剪切断裂发生在较软金属的浅表层内，发生在较软金属的浅表

8、层内，材料从软金属材料从软金属 表面上脱落，又表面上脱落，又粘附粘附(涂敷涂敷)在硬金属的表面上。在硬金属的表面上。2 磨损过程磨损过程软材料表面出现微小的凹坑，硬软材料表面出现微小的凹坑，硬材料表面形成微小凸起，使摩擦材料表面形成微小凸起，使摩擦面变得粗糙。面变得粗糙。最终使不同材料的摩擦副滑动变最终使不同材料的摩擦副滑动变成同材料间的滑动，磨损增大，成同材料间的滑动，磨损增大，甚至产生咬死现象。如铅基合金甚至产生咬死现象。如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就同这种情况。就同这种情况。 b）擦伤：当）擦伤：当界面强度大于两摩擦界面强度大于两摩擦材料基体的强度材

9、料基体的强度时，时， 剪切断裂发剪切断裂发生在软材料的亚表层内，附在硬生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面金属表面 的粘着物，在摩擦表面的粘着物，在摩擦表面的滑动方向上将软材料的表面的滑动方向上将软材料的表面 划划伤，形成伤，形成细而浅的划痕细而浅的划痕，使摩擦，使摩擦表面破坏。表面破坏。c）刮伤：当）刮伤：当界面强度大于两摩擦界面强度大于两摩擦材料基体的强度材料基体的强度时，时， 摩擦表面上摩擦表面上形成的粘着物使另一摩擦表面沿形成的粘着物使另一摩擦表面沿滑动方向产生滑动方向产生较深的划痕较深的划痕。d）胶合：在）胶合：在摩擦力和摩擦热的摩擦力和摩擦热的作用作用下，摩擦表面出现下，摩擦表面出

10、现较深的划较深的划痕和凹坑痕和凹坑的磨损。胶合是的磨损。胶合是擦伤和擦伤和撕脱联合作用的结果撕脱联合作用的结果。e）咬死：当摩擦表面形成牢固）咬死：当摩擦表面形成牢固的焊结结点时，的焊结结点时，外力克服不了结外力克服不了结点界面上的结合力点界面上的结合力，也不能使摩，也不能使摩擦面双方剪擦面双方剪 切破坏时，使摩擦切破坏时，使摩擦副双方没有相对滑动。副双方没有相对滑动。2 磨损过程磨损过程5.粘着磨损的共同特征粘着磨损的共同特征出现材料迁移以及沿滑动方向出现材料迁移以及沿滑动方向形成程度不同的划痕形成程度不同的划痕,机件表面机件表面有大小不等的结疤。有大小不等的结疤。6.磨损量的计算磨损量的计

11、算在摩擦副接触处为三向压缩应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力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度为单向压缩屈服强度sc的三倍。的三倍。接触点真实面积为接触点真实面积为A，作用于，作用于表面上的法向力为表面上的法向力为FscAF3假定磨屑为半球形，直径为假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有任一瞬时有n个粘着点，所有粘个粘着点，所有粘着点尺寸相同，则着点尺寸相同，则42dnA2 磨损过程磨损过程234dFnsc设每一粘着点滑过距离设每一粘着点滑过距离d，则，则单位距离内粘着点数为单位距离内粘着点数为scdFdnN334设粘着点成为磨屑几率为设粘着点成为磨屑几率为K

12、，则单位距离内磨损体积则单位距离内磨损体积scKFdKNlV9123总的滑动距离总的滑动距离lt 内磨损体积内磨损体积 9ttscKFlKFlVH材料的粘着磨损量与所加法向载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，而与接触面硬度或强度成反比，而与接触面积大积大 小无关。小无关。n大部分粘结点不产生磨屑，即大部分粘结点不产生磨屑，即几率几率k 值远小于值远小于17.粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素1）材料组织与性能（内因）材料组织与性能（内因）2 磨损过程磨损过程（1）点阵结构：体心立方和面）点阵结构：体心立方和面心立方结构的金属

13、发生粘着磨损心立方结构的金属发生粘着磨损的倾向高于密排六方结构。的倾向高于密排六方结构。（2）材料的互溶性：摩擦副材）材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘着倾向越大。料的互溶性越大，粘着倾向越大。（3）组织结构：单晶体的粘着）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晶体；单相金属的粘着性大于多相合金；固溶体比化合性大于多相合金；固溶体比化合物粘着倾物粘着倾 向大。材料的晶粒尺向大。材料的晶粒尺寸越小，粘着磨损量越小。寸越小，粘着磨损量越小。（4）塑性材料比脆性材料易于粘）塑性材料比脆性材料易于粘着；金属着；金属/金属组成的摩擦副比金金属组成的摩擦副比金属属/非金属的摩擦副

14、易于粘着。非金属的摩擦副易于粘着。2）工作环境（外因）工作环境（外因）（1）在摩擦速度一定时，粘着）在摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的增大而增磨损量随接触压力的增大而增加。一般情况下，应小于硬度加。一般情况下，应小于硬度的的1/3。（2）在接触压力一定的情况下，）在接触压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后，而增加，但达到某一极大值后，又随滑动又随滑动 速度的增加而减小。速度的增加而减小。（3）降低表面粗糙度，将增加）降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力。但粗糙度过抗粘着磨损能力。但粗糙度过低，反因润滑剂难于储存在摩低，反因润滑剂

15、难于储存在摩擦面内而促进擦面内而促进 粘着。粘着。2 磨损过程磨损过程（4）提高温度和滑动速度，粘着）提高温度和滑动速度，粘着磨损量增加。磨损量增加。（5）良好的润滑状态能显著降低）良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。粘着磨损。二、磨粒磨损二、磨粒磨损 (Abrasive Wear)1.概念概念: 摩擦副的一方表面存在坚硬的细微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从外界进入或从表面剥落)时产生时产生的磨损。的磨损。2.分类分类:1)按接触条件或磨损表面数量分按接触条件或磨损表面数量分（1）两体磨粒磨损：磨料直接）两体磨粒磨

16、损：磨料直接作用于被磨材料的表面，磨粒、作用于被磨材料的表面，磨粒、材料表面各为一物体，如挫削材料表面各为一物体，如挫削过程。过程。（2）三体磨粒磨损：磨粒介）三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。磨粒为一于两材料表面之间。磨粒为一物体，两材料为两物体，磨粒物体，两材料为两物体，磨粒可以在两表面可以在两表面 间滑动，也可以间滑动，也可以滚动，如抛光过程。滚动，如抛光过程。2 磨损过程磨损过程2）按磨料所受应力大小）按磨料所受应力大小（1）低应力划伤式磨粒磨损：磨）低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应力不超过磨料粒作用于表面的应力不超过磨料的压碎强度，材料表面为轻微划的压碎强度，材料表面为轻

17、微划伤。伤。（2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨）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，磨粒不力大于磨料的压碎强度，磨粒不断被碾断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球碎，如球磨机衬板与磨球等。等。（3）凿削式磨粒磨损：磨粒对）凿削式磨粒磨损：磨粒对材料表面有高应力冲击式的运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动，从材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如粒的磨屑，如 挖掘机斗齿、破挖掘机斗齿、破碎机锤头等。碎机锤头等。3）按材料的相对硬度分）按材料的相对硬度分（1）软磨粒磨损：材料硬度与）软磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比大于磨粒硬度之

18、比大于0.8。（2）硬磨粒磨损：材料硬度与）硬磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比小于磨粒硬度之比小于0.8。4）按工作环境分）按工作环境分（1）普通型磨粒磨损：正常条）普通型磨粒磨损：正常条件下件下2 磨损过程磨损过程（2）腐蚀磨粒磨损：腐蚀介质中）腐蚀磨粒磨损：腐蚀介质中（3）高温磨粒磨损：高温下）高温磨粒磨损：高温下3.磨粒磨损的过程与机理磨粒磨损的过程与机理磨粒对摩擦表面产生的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，或是它们综合作用断裂产生的，或是它们综合作用的结果。的结果。4.特征特征摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形摩擦面上有擦

19、伤或因明显犁皱形成的成的沟槽沟槽5.磨损量的计算磨损量的计算1966年年Rabinowicz以两体磨粒磨以两体磨粒磨损为例，估算切削磨损量损为例，估算切削磨损量磨粒磨损中的颗粒为圆锥体磨粒磨损中的颗粒为圆锥体被磨材料为不产生任何变形的被磨材料为不产生任何变形的刚体刚体磨损过程为滑动过程磨损过程为滑动过程当作用在一个凸出部分上的力当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影除以凸出部分在水平面上投影接触面积等于软材料的压缩屈服接触面积等于软材料的压缩屈服强度时，磨粒的压入就会停止强度时，磨粒的压入就会停止2 磨损过程磨损过程23rFsc磨粒切削下来的材料体积磨粒切削下来的材料体积ltg

20、rV2scKFltgV3材料的屈服强度与硬度成正比材料的屈服强度与硬度成正比HKFltgV表明在一定磨粒条件下，磨损表明在一定磨粒条件下，磨损体积与所加的载荷成正比，而体积与所加的载荷成正比，而 与材料的硬度成反比。与材料的硬度成反比。6.磨粒磨损的影响因素磨粒磨损的影响因素1）材料性能）材料性能a.硬度：硬度：一般情况下，材料硬度越高，其一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨损能力也越高。抗磨粒磨损能力也越高。（1）对纯金属和各种成分未经）对纯金属和各种成分未经热处理的钢，耐磨性与材料的硬热处理的钢，耐磨性与材料的硬度成正比。度成正比。2 磨损过程磨损过程（2）对经过热处理的钢，其耐）对经过热

21、处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关系，但直磨性也与硬度成线性关系，但直线的斜率比纯金属为小。线的斜率比纯金属为小。（3）通过塑性变形虽能使钢材）通过塑性变形虽能使钢材加工硬化、提高钢的硬度，但不加工硬化、提高钢的硬度，但不能改善其抗磨粒磨损的能力。能改善其抗磨粒磨损的能力。2)断裂韧性断裂韧性3)显微组织显微组织(1)钢：钢： M耐磨性好耐磨性好, F因硬度太因硬度太低，耐磨性最差低，耐磨性最差(2)H相同相同,下贝氏体耐磨性高于下贝氏体耐磨性高于回火马氏体。回火马氏体。 (3)钢中碳化物：在软基体中碳钢中碳化物：在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；在

22、硬基体上分耐磨性也提高；在硬基体上分布碳化物反而损害材料的耐磨布碳化物反而损害材料的耐磨性。性。4)晶粒尺寸：细化晶粒，提高晶粒尺寸：细化晶粒，提高耐磨性。耐磨性。2 磨损过程磨损过程5)磨粒性能磨粒性能区：软磨粒，材料通过表面严区：软磨粒，材料通过表面严重变形、疲劳而发生的重变形、疲劳而发生的, 硬度是次硬度是次要因素。要因素。区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形成沟槽产生磨损，硬度是控制因成沟槽产生磨损，硬度是控制因素素(1)磨粒的硬度磨粒的硬度区：过渡区区：过渡区A点点Ha/H=0.71.1，B点点Ha/H=1.31.7；在；在AB之间，之间，H增加，磨损量下降，所以要降

23、低增加，磨损量下降，所以要降低磨损速率，必须使磨损速率，必须使H/Ha1.3(2)磨粒尺寸磨粒尺寸磨粒大小磨粒大小对耐磨性对耐磨性的影响，的影响， 存在一个存在一个临界尺寸。临界尺寸。2 磨损过程磨损过程(3)磨粒形状磨粒形状尖锐磨粒造成的磨损量高于同样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条件下的多角型和圆型磨粒产生的磨损量的磨损量三、接触疲劳三、接触疲劳 1、现象、现象接触疲劳是两接触材料作滚动或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伤，局部区

24、域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，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。故又称表面疲劳磨损或麻点磨损。2、特征、特征宏观形态特征是：接触表面出现宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑的凹坑(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。底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。2 磨损过程磨损过程3、分类、分类按剥落裂纹的起始位置及形态按剥落裂纹的起始位置及形态分为：分为：麻点剥落麻点剥落(点蚀点蚀)：深度在深度在0.2mm以下的小块剥落，以下的小块剥落， 常呈针状或常呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称

25、痘状凹坑，截面呈不对称V形。形。浅层剥落浅层剥落: 深度深度0.20.4mm，剥，剥块底部大致和表面平行，裂纹块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。走向与表面成锐角和垂直。深层剥落深层剥落(表面压碎表面压碎): 深度和表面深度和表面强化层深度相当，强化层深度相当， 裂纹走向与表裂纹走向与表面垂直。面垂直。4.接触应力的概念接触应力的概念 1）定义）定义两物体相互接触时在局部表面产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，也叫生的压应力称为接触应力，也叫赫兹应力赫兹应力2 磨损过程磨损过程2）分类）分类(1) 线接触应力线接触应力 设有两圆柱体，半径分别为设有两圆柱体，半径

26、分别为Rl、R2，长度为，长度为L。末变形前两者是。末变形前两者是线接触；线接触；施加法向力多后，因弹性变形成施加法向力多后，因弹性变形成为面接触，接触面积为为面接触，接触面积为2bL。接触压应力接触压应力z沿沿y轴按半椭圆规轴按半椭圆规律分布；在接触中心律分布；在接触中心(y0)处，处，z达到最大值。达到最大值。在一定的接触深度范围内，在一定的接触深度范围内， zy x ，超过该深度，超过该深度z x y2 磨损过程磨损过程相应的最大切应力为相应的最大切应力为:452ozyzy452ozxzx452oyxyx其中其中zy45最大，其值在离表面一最大，其值在离表面一定距离定距离Z=0.786b

27、处达到最大。处达到最大。(2) 点接触应力点接触应力 在在纯滚动纯滚动条件下，施加法向应条件下，施加法向应力后，视两接触物体形状不同，力后，视两接触物体形状不同，接触面可能是椭圆或圆。接触面可能是椭圆或圆。接触面为椭圆接触面为椭圆时，如滚珠与轴承时，如滚珠与轴承套圈接触，接触应力按半椭圆球套圈接触，接触应力按半椭圆球规律分布。规律分布。最大剪应力最大剪应力max 发生在离表面发生在离表面一定距离一定距离Z=0.786b处。处。球与球或球与平面接触时，球与球或球与平面接触时，接触面为圆形。接触面为圆形。球与平面接触时，最大剪应力球与平面接触时，最大剪应力发生在发生在Z=0.786b处。处。球与球

28、接触时，最大剪应力发球与球接触时，最大剪应力发生在生在Z=0.5b处。处。2 磨损过程磨损过程对于滚动加滑动条件下：对于滚动加滑动条件下：滑动产生的切向摩擦力与接触应滑动产生的切向摩擦力与接触应力场叠加，摩擦力和力场叠加，摩擦力和zy45叠加叠加的最大综合切应力的最大值从的最大综合切应力的最大值从z=0.786b处向表面移动，当摩擦处向表面移动，当摩擦系数大于系数大于0.1时，将移动到表面。时，将移动到表面。因滚动接触应力为交变应力，因滚动接触应力为交变应力，因而对接触面上某一位置，其亚因而对接触面上某一位置，其亚表层受表层受0max 重复循环应力作用，重复循环应力作用，应力半幅为应力半幅为0

29、.5max ，即为，即为(0.150.16) max 。在交变剪应力的影响下，裂纹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，在零件表展到表面而产生剥落，在零件表面形成面形成 针状或豆状凹坑，造成针状或豆状凹坑，造成疲劳磨损。疲劳磨损。5.疲劳磨损机理疲劳磨损机理1）麻点剥落）麻点剥落a.在表面最大综合切应力的反复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作用下，在材料表面的局部区域产生塑性变形，由于损伤的域产生塑性变形，由于损伤的积累，当最大综合切应力超过积累，当最大综合切应力超过抗剪强度时产生裂纹。抗剪强度时产生裂纹。2

30、磨损过程磨损过程在纯滚动条件下，裂纹扩展方在纯滚动条件下，裂纹扩展方向与向与max 方向方向(450倾角倾角)一致一致b. 在连续滚动接触过程中润滑在连续滚动接触过程中润滑油反复进入裂纹内，并被封闭，油反复进入裂纹内，并被封闭，产生高压导致裂纹扩展。产生高压导致裂纹扩展。c. 裂纹扩展到一定程度，尖端裂纹扩展到一定程度，尖端应力集中，产生与主裂纹垂直应力集中，产生与主裂纹垂直的二次裂纹的二次裂纹d. 润滑油进入二次裂纹中，使其润滑油进入二次裂纹中，使其向表面扩展向表面扩展e. 裂纹扩展到表面形成不对称裂纹扩展到表面形成不对称V字形凹坑。字形凹坑。表面接触应力较小，摩擦力较表面接触应力较小，摩擦

31、力较大、或表面质量较差（如表面有大、或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）时，易产生麻点剥落。等）时，易产生麻点剥落。前者是因为表面最大综合切应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力较高，后者则是材料抗剪强度较低所致。较低所致。2 磨损过程磨损过程2）浅层剥落）浅层剥落a. 在和最大综合切应力相当的位在和最大综合切应力相当的位置置0.5或或0.786b处产生塑变处产生塑变b. 在接触应力反复作用下，塑性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，变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。遂在该处形成裂纹。裂纹常出

32、现在非金属夹杂物附近，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裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展表面扩展c.在滚动及摩擦力作用下又产生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，成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。从而形成浅层剥落。形成底部大致和表面平行，而其形成底部大致和表面平行，而其侧面的一侧与表面约成侧面的一侧与表面约成 450，另，另一侧垂直于表面的凹坑。一侧垂直于表面的凹坑。2 磨损过程磨损过程3）深层剥落（压碎性剥落）深层剥落（

33、压碎性剥落）a.深层剥落的初始裂纹经常在表深层剥落的初始裂纹经常在表面硬化机件的过渡区内产生。面硬化机件的过渡区内产生。该处切应力虽不是最大，但因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，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表面扩展，最后形成较深的剥落坑。坑。6.影响接触疲劳寿命的因素影响接触疲劳寿命的因素1）非金属夹杂物）非金属夹杂物脆性的、带有棱角的非金属夹脆性的、带有棱角的非金属夹杂（如

34、硅酸盐等）在和基体的交杂（如硅酸盐等）在和基体的交界处由于塑性变形不协调，产生界处由于塑性变形不协调，产生应力集中，导致在夹杂物边缘产应力集中，导致在夹杂物边缘产生裂纹。生裂纹。塑性夹杂物塑性夹杂物(硫化物硫化物)可以与基可以与基体一起变形，当硫化物把氧化物体一起变形，当硫化物把氧化物夹杂包裹形成共生夹杂物时，可夹杂包裹形成共生夹杂物时，可以降低氧化物的不良影响。以降低氧化物的不良影响。2 磨损过程磨损过程2）热处理组织）热处理组织a. M的含碳量的含碳量对于轴承钢，在未溶碳化物状对于轴承钢，在未溶碳化物状态相同的条件下，态相同的条件下，M含碳量在含碳量在0.40.5左右最好。左右最好。b.

35、M和残余奥氏体的级别和残余奥氏体的级别残余奥氏体越多，残余奥氏体越多，M针越大表层针越大表层的压应力越小，渗碳层强度越低，的压应力越小，渗碳层强度越低，易于产生裂纹。易于产生裂纹。c. 未溶碳化物的大小未溶碳化物的大小碳化物越粗大，相邻碳化物越粗大，相邻M边界含碳边界含碳量越高，易形成裂纹。量越高，易形成裂纹。3） 表面硬度与心部硬度表面硬度与心部硬度a. 表面硬度表面硬度2 磨损过程磨损过程表面脱碳表面脱碳可以降低表面的硬可以降低表面的硬度，同时易生成非马氏体组织，度，同时易生成非马氏体组织，在表面形成拉应力，降低接触在表面形成拉应力，降低接触疲劳寿命。疲劳寿命。若表面脱碳层很薄（若表面脱碳

36、层很薄（0.10.3mm)，表面易于塑变，增加，表面易于塑变，增加接触面积，降低应力集中，反接触面积，降低应力集中，反而有利于提高接触疲劳寿命而有利于提高接触疲劳寿命b. 心部硬度心部硬度心部硬度太低，应力梯度增大，心部硬度太低，应力梯度增大，易在过渡区形成裂纹，造成深易在过渡区形成裂纹，造成深层剥落（渗碳齿轮心部层剥落（渗碳齿轮心部3540HRC）4） 表面硬化层深度表面硬化层深度最佳硬化层深度：最佳硬化层深度：1002015mt第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳3 耐磨性及其测量方法耐磨性及其测量方法一、材料的耐磨性一、材料的耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，耐磨性是指材

37、料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量愈小，通常用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。耐磨性愈高。1. 磨损量：磨损量：线磨损量；体积线磨损量；体积(质量质量)磨损量；比磨损量；比磨损量磨损量2. 相对耐磨性相对耐磨性被测试样的磨损量标准试样的磨损量3. 磨损系数磨损系数1二、磨损试验方法二、磨损试验方法1.销盘型试验机销盘型试验机可用来评定各种摩擦副及润可用来评定各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能，可做磨粒磨损和磨损性能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。粘着磨损试验。2.环块型磨损试验机环块型磨损

38、试验机可测定金属及非可测定金属及非金属材料（如尼金属材料（如尼龙、塑料）在滑龙、塑料）在滑动状态下的耐磨动状态下的耐磨性能性能3 耐磨性及其测量方法耐磨性及其测量方法环形试样安装在主轴上，顺时针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。转动，块形试样安装在夹具上。测量环形试样的失重和块状试测量环形试样的失重和块状试样的磨痕宽度，分别计算体积磨样的磨痕宽度，分别计算体积磨损量。损量。3.往复运动型试验机往复运动型试验机试样在静止平面上作往复运动，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、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缸套与活塞环等摩擦副的

39、耐磨性4.滚子型磨损试验机滚子型磨损试验机用来测定金属材料在滑动摩擦、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滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量间隙摩擦情况下的磨损量5.快速磨损试验机快速磨损试验机能较快测定材料的耐磨性，也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可测定润滑剂的摩擦及磨损性能能第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳4 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径一、减轻粘着磨损的主要措施一、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，互溶性少，粘着倾向小

40、的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、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物材料；强度高不易塑变的材料;表表面易形成化合物的材料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。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，基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。改善表面润滑条件等。 (3) 为使磨屑多沿接触面剥为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表表

41、面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。等工艺以提高另一方的硬度。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳4 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径一、减轻粘着磨损的主要措施一、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

42、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，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、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物材料；强度高不易塑变的材料;表表面易形成化合物的材料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。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，基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。改善表面润滑条件等。 (3) 为使磨屑多沿接触面剥为使磨屑多沿接

43、触面剥落，以降低磨损量，可采用落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。等工艺以提高另一方的硬度。4 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径(4)控制摩擦滑动速度和接触压应控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。力，可使粘着磨损