第7章材料的摩擦与磨损性能

1、1主讲人主讲人: : 张宁张宁 丰田公司接连爆出油门踏丰田公司接连爆出油门踏板、刹车等部件缺陷，先后板、刹车等部件缺陷，先后宣布在全球范围内召回多款宣布在全球范围内召回多款车辆合计车辆合计 850 万辆。万辆。 丰田汽车上月在美国销量丰田汽车上月在美国销量下降下降16%，召回的直接损失，召回的直接损失高达高达20亿美金，丰田汽车公亿美金，丰田汽车公司需要承担几十起诉讼费用司需要承担几十起诉讼费用，未来一年其财务方面的损，未来一年其财务方面的损失总计可能超过失总计可能超过50亿美元。亿美元。缺陷/偷工减料 丰田召回问题未根本解决4第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能5第七章第七

2、章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v丰田因为突然加速并刹不住车而引发的丰田因为突然加速并刹不住车而引发的“丰田丰田安全危机安全危机”风暴席卷全球，目前我们知道丰田风暴席卷全球，目前我们知道丰田已经开始维修和解决问题了，但是，如何解决已经开始维修和解决问题了，但是，如何解决成了大家关注的焦点，而丰田的做法那就是在成了大家关注的焦点，而丰田的做法那就是在油门踏板上加一个铁片！为了说明到底是怎么油门踏板上加一个铁片！为了说明到底是怎么回事，丰田加一个铁片的道理，是不是真的能回事，丰田加一个铁片的道理，是不是真的能解决问题？解决问题？6第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v

3、图片一：油门踏板，可以看出，丰田车用的两种油图片一：油门踏板，可以看出，丰田车用的两种油门踏板（一个是美国门踏板（一个是美国CTS公司，一个是日本公司，一个是日本Denso公司）外表是差不多的，也是可以互换的。公司）外表是差不多的，也是可以互换的。7第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v 图片二：图片二： CTS油门踏板的工作原理。这个设计是由丰田自油门踏板的工作原理。这个设计是由丰田自己的工程师设计的，可不要埋怨己的工程师设计的，可不要埋怨CTS公司。而它的要命的地公司。而它的要命的地方在于：方在于：A与与B之间不能有空隙。这样，就容易之间不能有空隙。这样，就容易“粘连粘连

4、”在在一起。为何一起。为何 CTS 给美国、德国等汽车制造厂生产的油门踏给美国、德国等汽车制造厂生产的油门踏板就没问题？请看后面的解释您就明白了。板就没问题？请看后面的解释您就明白了。8第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v 图片三：丰田召回的图片三：丰田召回的900万辆车后，就是在那个地方加一个万辆车后，就是在那个地方加一个铁片。铁片。9第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v 图片四：示意图。可看出铁片加的地方。对丰田来说，这个活太图片四：示意图。可看出铁片加的地方。对丰田来说，这个活太容易了。一个铁片造价很低。丰田计算的是成本。加一个铁片的容易了。一个铁

5、片造价很低。丰田计算的是成本。加一个铁片的目的就是不让目的就是不让A过多进入过多进入B，这样虽然这个问题解决了，但又出，这样虽然这个问题解决了，但又出现了新的问题，那就是最大油门得不到了，也就是没有办法进行现了新的问题，那就是最大油门得不到了，也就是没有办法进行全油门，虽然日常驾驶够用；但这样也绝对是会有安全隐患的！全油门，虽然日常驾驶够用；但这样也绝对是会有安全隐患的！10第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能槽状结构啮合的图片槽状结构啮合的图片为了避免上面的槽状结构卡死，为了避免上面的槽状结构卡死，丰田就在这个空隙增加了金属片丰田就在这个空隙增加了金属片11第七章第七章 材

6、料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v图片五：图片五：Denso的油门踏板。这个设计不存在粘住的油门踏板。这个设计不存在粘住问题。要是出了问题的话，那可不是靠加一个铁片问题。要是出了问题的话，那可不是靠加一个铁片就能解决的。就能解决的。12第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v那么，为何丰田不把召回的车统统换成那么，为何丰田不把召回的车统统换成Denso的的油门踏板呢？有人抱怨说如果换成新的油门踏板油门踏板呢？有人抱怨说如果换成新的油门踏板，丰田要出更多的血，买踏板要比买铁片贵多了，丰田要出更多的血，买踏板要比买铁片贵多了。这是所谓的。这是所谓的“内行内行”们非常恼火丰田的

7、地方。们非常恼火丰田的地方。然而，这两种油门踏板给出的信号可能是不一样然而，这两种油门踏板给出的信号可能是不一样的。的。vCTS出的那个踏板是金属的，测出的是出的那个踏板是金属的，测出的是A与与B之间之间的接触面积（踩油门越大，接触面积越大），也的接触面积（踩油门越大，接触面积越大），也就是测出的是就是测出的是“电流电流”然后送给电脑。而然后送给电脑。而Denso出的那个，中间是塑料的，测出来的不是金属与出的那个，中间是塑料的，测出来的不是金属与金属之间的电流，而是光学原理。中间那个塑料金属之间的电流，而是光学原理。中间那个塑料滚轮滚动的角度大小可以用简单的光学信号交给滚轮滚动的角度大小可以用

8、简单的光学信号交给电脑。电脑。13第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v就像用改锥支起这个杠杆结构一样就像用改锥支起这个杠杆结构一样14第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v这样，如果丰田把召回的车换成这样，如果丰田把召回的车换成Denso的油门踏的油门踏板，那个电脑里边的信号处理器要更换的。在美板，那个电脑里边的信号处理器要更换的。在美国，修车店里的人不会拆开电脑去换里边的部件国，修车店里的人不会拆开电脑去换里边的部件的，要换就得把整个电脑换掉。我担心的是：在的，要换就得把整个电脑换掉。我担心的是：在日本出的用日本出的用Denso油门踏板的车，不仅仅油门踏

9、油门踏板的车，不仅仅油门踏板不同而导致的电脑里的信号处理器不同，而且板不同而导致的电脑里的信号处理器不同，而且还有其它零件不同，比如电子油门开关。还有其它零件不同，比如电子油门开关。v一旦换了电脑，那个部位也要换才成。这样，每一旦换了电脑，那个部位也要换才成。这样，每部车需要数千美元（工钱加上零件钱），部车需要数千美元（工钱加上零件钱）， 900万万辆的规模，那就是数百亿美元，丰田没有那么多辆的规模，那就是数百亿美元，丰田没有那么多现金，就只好破产保护了。现金，就只好破产保护了。15第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v丰田油门踏板的毛病，根本原因可能是丰田油门踏板的毛病，根

10、本原因可能是“两层皮两层皮”导致的导致的 同样都是油门踏板，同样是同样都是油门踏板，同样是CTS一家出的，一家出的，为何美国车德国车就没这个问题？因为人家要求所为何美国车德国车就没这个问题？因为人家要求所有的钢材都是一样的。有的钢材都是一样的。16第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v而丰田的油门踏板，摩擦的部位是好钢，而不摩擦的而丰田的油门踏板，摩擦的部位是好钢，而不摩擦的部位是软铁。由于部位是软铁。由于A和和B钢材的材料不同，导致由于温钢材的材料不同，导致由于温度变化热胀冷缩的程度不同，在温度特低的时候，由度变化热胀冷缩的程度不同，在温度特低的时候，由于于A与与B钢材密度

11、有异，冷缩的系数不同，可能导致接钢材密度有异，冷缩的系数不同，可能导致接触不上。这就使得有时候你加油踩下油门踏板，车子触不上。这就使得有时候你加油踩下油门踏板，车子不走，等你再加大油门，接触面积加大后突然车子窜不走，等你再加大油门，接触面积加大后突然车子窜出去。出去。v等到车子过热的时候，油门踏板的等到车子过热的时候，油门踏板的A与与B由于热胀系数由于热胀系数不同，一下子就把不同，一下子就把A与与B靠在一起了，你即使松开油门靠在一起了，你即使松开油门踏板，踏板也回不来了，因为踏板，踏板也回不来了，因为A与与B之间太紧密了，摩之间太紧密了，摩擦力太大了，超过了弹簧的张力。那为何丰田车子会擦力太大

12、了，超过了弹簧的张力。那为何丰田车子会突然加速呢？按照物理学常识，油门踏板由于突然加速呢？按照物理学常识，油门踏板由于A与与B过过紧而不能弹回来，那油门也不会加大，虽然不会减小紧而不能弹回来，那油门也不会加大，虽然不会减小。17第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v 那么，到底是那么，到底是CTS的油门踏板档次高，还是日本的油门踏板档次高，还是日本Denso塑料塑料芯踏板档次高？其实还是芯踏板档次高？其实还是CTS的档次高！因为金属的寿命要的档次高！因为金属的寿命要比塑料长多了。问题在于：丰田在设计油门踏板的时候用的比塑料长多了。问题在于：丰田在设计油门踏板的时候用的材料是两

13、种，而美国车德国车用的是一种。一种材料，由于材料是两种，而美国车德国车用的是一种。一种材料，由于热胀冷缩的系数一样，就没有丰田车的问题。日本人偷工减热胀冷缩的系数一样，就没有丰田车的问题。日本人偷工减料，降低成本，又没有在意油门踏板，导致了这样料，降低成本，又没有在意油门踏板，导致了这样19人死人死亡的悲剧。亡的悲剧。18第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v 丰田油门踏板设计者太大意了，日本人只是知道中国人有丰田油门踏板设计者太大意了，日本人只是知道中国人有“好好钢用在刀刃上钢用在刀刃上”的成语，不知道有的成语，不知道有“大意失荆州大意失荆州”的典故。如的典故。如果丰田不是

14、大意而理所当然地认为美国车德国车都用这个设计果丰田不是大意而理所当然地认为美国车德国车都用这个设计没问题，他们也不会有问题，那么，他们就会把没问题，他们也不会有问题，那么，他们就会把A和和B分成两个分成两个机关：两种钢材没问题，只是在机关：两种钢材没问题，只是在A的背面或的背面或B的背面用另一弹簧的背面用另一弹簧顶着，而非现在的铸在一起。那样的话，不论温度怎么变化，顶着，而非现在的铸在一起。那样的话，不论温度怎么变化，A和和B的接触是恒定的，是靠背面的弹簧压住的。的接触是恒定的，是靠背面的弹簧压住的。19第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能v其实，这么简单的构想，丰田就没在意

15、。毕竟不是其实，这么简单的构想，丰田就没在意。毕竟不是发动机，也不是变速箱，一个踏板而已。所以，不发动机，也不是变速箱，一个踏板而已。所以，不起眼的地方，大意了，说不定就把公司给毁了。对起眼的地方，大意了，说不定就把公司给毁了。对于丰田汽车来说，我们更希望看到的是态度。愈演于丰田汽车来说，我们更希望看到的是态度。愈演愈烈的丰田召回事件，对丰田汽车的影响可谓是致愈烈的丰田召回事件，对丰田汽车的影响可谓是致命的。命的。20第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能摩擦的定义：两个接触物体表面在外力作用下相互接触并作相对运动或有运动趋势时，在接触面之间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现

16、象就是摩擦。第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能齿面磨损 齿面塑性变形第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能第七届国际摩擦学会议第七届国际摩擦学会议 CIST 7（2014.4.27）第七届国际摩擦学会议第七届国际摩擦学会议 CIST 7（2014.4.27）第七届国际摩擦学会议第七届国际摩擦学会议 CIST 7（2014.4.27）28v 一、磨损概念一、磨损概念v 二、磨损类型二、磨损类型v 三、磨损试验方法三、磨损试验方法v 四、金属接触疲劳四、金属接触疲劳第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能29v磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报

17、废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的原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一到二重要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约分之一，大约80%的机件失效是磨损引起的。的机件失效是磨损引起的。v因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对因此，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、延长机件寿命具有节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。重要意义。v本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的因素，并从材料学角度机理和影响磨损速

18、率的因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。研究控制磨损的途径。第七章第七章 材料的摩擦与磨损性能材料的摩擦与磨损性能30v一、磨损一、磨损v定义：定义：机件表面相接触并作相对运动时，表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屑，使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。损失，造成表面损伤的现象。v磨损的影响因素：磨损的影响因素：v摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工作温度。相对运动性（方式和速度）以及

19、工作温度。第一节第一节 磨损概念磨损概念31 机件的正常磨损通常分为三个阶段，机件的正常磨损通常分为三个阶段，曲线上的各点曲线上的各点斜率即为磨损速率斜率即为磨损速率。第一节第一节 磨损概念磨损概念32第一节第一节 磨损概念磨损概念跑合跑合( (磨合磨合) )阶段（阶段（OAOA段）段） 随着表面被磨平，随着表面被磨平，实际接触面积不断增实际接触面积不断增大，表面应变硬化，大，表面应变硬化，磨损速度不断减少。磨损速度不断减少。（汽车磨合期）（汽车磨合期） 表层形成牢固的氧表层形成牢固的氧化膜，磨损速率降低化膜，磨损速率降低。 33第一节第一节 磨损概念磨损概念(2) (2) 稳定磨损阶段稳定磨

20、损阶段 （ABAB段）段） 斜率为磨损速率，为一稳定值。斜率为磨损速率，为一稳定值。 实验室的磨损实验就是根据该段经历的时间实验室的磨损实验就是根据该段经历的时间t t的的磨损速率或磨磨损速率或磨损量损量来评价材料的耐磨性能。来评价材料的耐磨性能。 大多数工件在此阶段运转，如磨合得好，该段磨损速度就越低大多数工件在此阶段运转，如磨合得好，该段磨损速度就越低。(3) (3) 剧烈磨损阶段（剧烈磨损阶段（BCBC段）段） 磨损磨损 ，磨耗磨耗 ，摩擦副，摩擦副接触表面间隙接触表面间隙 ，机械表面，机械表面质量恶化，润滑膜破坏，磨损质量恶化，润滑膜破坏，磨损更新加剧，机件快速失效。更新加剧，机件快速

21、失效。34第一节第一节 磨损概念磨损概念UMT-2MUMT-2M微观多功能磨损试验机微观多功能磨损试验机35第一节第一节 磨损概念磨损概念SFT-2MSFT-2M销盘式摩擦磨损试验机销盘式摩擦磨损试验机36第一节第一节 磨损概念磨损概念摩擦系数曲线图摩擦系数曲线图37第一节第一节 磨损概念磨损概念磨损量柱状图磨损量柱状图38v二、耐磨性二、耐磨性v通常使用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越通常使用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。小，耐磨性越高。v表示磨损量的方法很多，可用摩擦表面法向尺寸表示磨损量的方法很多，可用摩擦表面法向尺寸减少量来表，称为减少量来表，称为线磨损量线磨损量

22、；也可用体积和重量；也可用体积和重量法来表示，分别称为法来表示，分别称为体积磨损量体积磨损量和和重量磨损量重量磨损量。由于上述磨损量是摩擦行程或时间的函数，因此由于上述磨损量是摩擦行程或时间的函数，因此，也可用耐磨强度或耐磨率表示其磨损特性，前，也可用耐磨强度或耐磨率表示其磨损特性，前者指单位行程的磨损量，单位为者指单位行程的磨损量，单位为m/mm/m或或mg/m;mg/m;后后者指单位时间的磨损量者指单位时间的磨损量, ,单位为单位为m/hrm/hr或或mg/hrmg/hr。第一节第一节 磨损概念磨损概念39v还经常用磨损量的倒数和相对耐磨性（还经常用磨损量的倒数和相对耐磨性（）表示所研究材

23、料的耐磨性。表示所研究材料的耐磨性。第一节第一节 磨损概念磨损概念40v一、粘着磨损一、粘着磨损v 二、磨粒磨损二、磨粒磨损v 三、腐蚀磨损三、腐蚀磨损第二节第二节 磨损模型磨损模型41一、粘着磨损一、粘着磨损v磨损机理磨损机理v 粘着磨损粘着磨损定义：定义：又称咬合磨又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于（钢小于1m/s）时发生的。）时发生的。v 这是由于缺乏润滑油，摩擦这是由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度超过

24、实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。而产生的一种磨损。第二节第二节 磨损模型磨损模型42v摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。面上的局部应力就足以引起塑性变形。v如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。v随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一方金属表面，然后脱落形成

25、磨屑。方金属表面，然后脱落形成磨屑。v一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。第二节第二节 磨损模型磨损模型粘着点结合强度低于两侧材料粘着点结合强度低于两侧材料 沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面显得沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面显得较平滑，只有轻微擦伤。锡基合金与钢的较平滑，只有轻微擦伤。锡基合金与钢的滑动属此类型。滑动属此类型。根据根据粘着点与两侧材料强度的差异粘着点与两侧材料强度的差异，粘着剪断，粘着剪断可出现以下两种形式：可出现以下两种形式： 粘着点结合强度高于两侧材

26、料粘着点结合强度高于两侧材料 分离面便发生在强度较弱的材料上，被剪断的材料将转移到强度较高的材料上。软材料表面 微小凹坑 硬材料表面 微小凸起 软材料硬材料表面and 积累 变成同种材料 如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。 45右图是粘着点强度比摩擦副右图是粘着点强度比摩擦副一方金属强度高的情况，此一方金属强度高的情况，此时常在较软一方体内产生剪时常在较软一方体内产生剪断，其碎片转移至较硬一方断，其碎片转移至较硬一方的表面上，软方金属在硬方的表面上，软方金属在硬方表面逐步累积最终不同金属表面逐步累积最终不同金属的摩擦副滑动成为金属间的的摩擦副滑动成为金属间的滑动，所以磨损量较

27、大，表滑动，所以磨损量较大，表面较粗糙，可能产生咬死现面较粗糙，可能产生咬死现象。象。第二节第二节 磨损模型磨损模型462. 磨损量的计算磨损量的计算n在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触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压缩强度近似为单向压缩屈服强度sc的三倍。的三倍。n如果接触处因压应力很高，超过如果接触处因压应力很高，超过3sc产生塑性变形，产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。随后因加工硬化而使变形终止。n设接触点真实面积为设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为，接触压缩屈服强度为3sc，作用于表面上的法向力为作用于表面上的法向力为F，

28、则有：，则有：n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个粘个粘着点，所有粘着点尺寸相同，直径也是着点，所有粘着点尺寸相同，直径也是d，则，则n所以所以第二节第二节 磨损模型磨损模型47v假设磨屑的形成机率为假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内，则单位滑动距离内的磨损体积为：的磨损体积为：v所以：所以：v积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离内的粘着磨损体积为：总滑动距离内的粘着磨损体积为：第二节第二节 磨损模型磨损模型483 影响因素影响因素v 塑性材料比脆性材料易于粘着塑性材料比脆性材料易于粘着；v

29、 互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；v 单相金属比多相金属粘着倾向大；单相金属比多相金属粘着倾向大；v 化合物比固溶体粘着倾向小；化合物比固溶体粘着倾向小；v 金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副不易金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副不易粘着。粘着。v 在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试试验表明接触应力超过材料硬度验表明接触应力超过材

30、料硬度H的三分之一，粘着磨损量急的三分之一，粘着磨损量急剧增加。剧增加。v 在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，在法向应力一定时，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又随滑动速度的增加而减小。但达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。v 摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大影响。大影响。第二节第二节 磨损模型磨损模型49v (1) 摩擦副配对材料的选择摩擦副配对材料的选择v 基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对，表面易形

31、成化合物的材料、金属溶性小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属等配对。与非金属等配对。v (2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减轻粘着磨损。轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。v (3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间的结合能力，以增

32、强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。磨损。4 改善粘着磨损耐磨性的措施改善粘着磨损耐磨性的措施第二节第二节 磨损模型磨损模型50二、磨粒磨损二、磨粒磨损v1. 磨粒磨损机理磨粒磨损机理v磨粒磨损是当摩擦副一方磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一着硬质粒子时所产生的一种磨损。种磨损。第二节第二节 磨损模型磨损模型51v 主要特征是摩擦面上有明显犁皱主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽，见右图。形成的沟槽，见右

33、图。v 在磨粒磨损时，在磨粒磨损时，对于韧性金属材对于韧性金属材料，每一磨粒从表面上切下的是料，每一磨粒从表面上切下的是一个连续屑；对于脆性金属材料一个连续屑；对于脆性金属材料，一个磨粒切下的是许多新屑，一个磨粒切下的是许多新屑。v 在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压碎前几乎没有滚动和切削的机会碎前几乎没有滚动和切削的机会，所以磨粒对摩擦表面的作用是，所以磨粒对摩擦表面的作用是由于磨粒接触点处的集中压应力由于磨粒接触点处的集中压应力造成的，这种集中压应力可使韧造成的，这种集中压应力可使韧性材料表面产生塑性变形。性材料表面产生塑性变形。v 磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦磨粒磨

34、损过程可能是磨粒对摩擦表面的切削作用，塑性变形和疲表面的切削作用，塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映，还可能是它们综合作用的反映，而以某一种损害为主。而以某一种损害为主。第二节第二节 磨损模型磨损模型522. 磨损量的计算磨损量的计算v 现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒磨损量计算式：磨损量计算式：n根据此模型，在法向力根据此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为圆锥体）被压入软材料中。磨粒（假定为圆锥体）被压入软材料中。n当作用在一个凸出

35、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强度时，则凸出上投影接触面积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停止下来：部分或磨粒的压入就会停止下来：第二节第二节 磨损模型磨损模型53n凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也就是磨损量部分），也就是磨损量V：n所以所以n金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：写成：第二节第二节 磨损模型磨损模型54v(1) 据实验，金属据实验，金属材料对磨粒磨损的材

36、料对磨粒磨损的抗力与抗力与H/E成比例成比例，H为材料硬度。为材料硬度。v弹性模量对组织不弹性模量对组织不敏感，所以机件抵敏感，所以机件抵抗磨粒磨损的能力抗磨粒磨损的能力主要与材料硬度成主要与材料硬度成正比。所以材料越正比。所以材料越高，其抗磨粒磨损高，其抗磨粒磨损的能力也越好。的能力也越好。3. 影响因素影响因素第二节第二节 磨损模型磨损模型55(2) 断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性第二节第二节 磨损模型磨损模型56(4) 加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不同而有不同同而有不同n在低应力擦伤性

37、磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响；没有影响；n在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。性。(3) 细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性以也提高耐磨性第二节第二节 磨损模型磨损模型57v 在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。第二节第二节 磨损模型磨损模型584.

38、改善磨粒磨损耐磨性的措施改善磨粒磨损耐磨性的措施v(1) 对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。v(2) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢如在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。磨性。v(3) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。面硬度，

39、也能有效提高磨粒磨损耐磨性。v(4) 经常注意机件防尘和清洗，防止大于经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米微米磨粒进入接触面，也是有效措施。磨粒进入接触面，也是有效措施。第二节第二节 磨损模型磨损模型59v在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成与脱落引起腐蚀产物的形成与脱落引起腐蚀磨损腐蚀磨损。v腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着磨损或磨粒磨损）共存，故又称磨损或磨粒磨损）共存，故又称腐蚀机械磨损腐蚀机械磨损。三

40、、腐蚀磨损三、腐蚀磨损n1. 氧化磨损氧化磨损n2. 微动磨损微动磨损n3. 冲蚀磨损（又称气蚀）冲蚀磨损（又称气蚀）n4. 特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损分类：分类：第二节第二节 磨损模型磨损模型60（一）氧化腐蚀机理（一）氧化腐蚀机理v大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。v氧化腐蚀过程：氧化腐

41、蚀过程：由于形成的氧化膜强度低、在摩擦由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随着又所剥落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随着又再被磨去。再被磨去。v如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。n宏观特征：宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨匀细磨痕痕，其，其磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁氧化三铁。第二节第二节 磨损模型磨损模型61氧化磨损的速率或磨损量的影响因素

42、：氧化磨损的速率或磨损量的影响因素：v(1) 摩擦副表面层对塑性变形的抗力；摩擦副表面层对塑性变形的抗力；v(2) 氧在金属中的扩散速率；氧在金属中的扩散速率；v(3) 氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固程度；合的牢固程度；v(4) 摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、温度等。动距离、温度等。v氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于其它类型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则其它类型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则氧化磨损是有利的。氧化磨损是有利的。第二节第二节 磨损

43、模型磨损模型62（二）微动磨损机理（二）微动磨损机理v在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。振动的影响下却能产生微小滑动。v这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。v接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。v特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的

44、磨损产物为黑色。的磨损产物为黑色。第二节第二节 磨损模型磨损模型63v第一阶段：第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；点断裂；v第二阶段：第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即氧化；屑，磨屑形成后随即氧化；v第三阶段：第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。损。微动磨损过程有三个阶段：微动磨损过程有三个阶段：第二节

45、第二节 磨损模型磨损模型磨损试验方法 实物试验 实验室试验 条件与实际情况一致或接近。结果可靠性高，但实验周期长，单因素的影响难以掌握。周期短、成本低、易于控制各种影响因素等优点，但结果常不能直接反映实际情况，多用于研究性试验，研究单个因素的影响规律及探讨磨损机制。 研究重要机件的耐磨性时，往往要兼用这两种方法。 第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法65v（2）实验室试验）实验室试验n右图是销盘型试验机：右图是销盘型试验机：将试样将试样加上试验力紧压在旋转圆盘上，加上试验力紧压在旋转圆盘上，试样可在半径方向往复运动，试样可在半径方向往复运动，n这类试验机可用来评定各种摩这类试验机可用来评定各

46、种摩擦副及润滑材料的低温与高温擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能，可做磨粒磨摩擦和磨损性能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。损和粘着磨损试验。第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法66v 高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复合高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复合材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、速度材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、速度、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等参数的各种情况下度、硬度等参数的各种情况下进行试验，可测量材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机适用于科进行试验，可测量

47、材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机适用于科学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、塑料、陶学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、塑料、陶瓷、建瓷、建 工建材、军工等领域。该机的标准为工建材、军工等领域。该机的标准为Q/01J042-2003MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机高温高速销盘摩擦磨损试验机。销盘式摩擦磨损试验机(MPX-2000型)主轴转速范围 60r/min 12000r/min主轴转速示值准确度 在 1000r/min 以下，示值误差不超过 2r/min ，示值重复性误差不大于 2r/min 。在 1000r/min 以上，示值相对误差不超过 0.2% ，示值

48、重复性相对误差不大于 0.2% 。 高温炉温度范围 室温 800； 高温炉密封性能 在连续充入氮气（纯度 99.9%以上）的条件下，炉内氧气含量应能达到1%以下。 试验力范围 75N450N第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法67v右图是环块型磨损试验机右图是环块型磨损试验机v这种试验机可测定金属及非金这种试验机可测定金属及非金属材料（如尼龙、塑料）在滑属材料（如尼龙、塑料）在滑动状态下的耐磨性能：环形试动状态下的耐磨性能：环形试样安装在主轴上，顺时针转动样安装在主轴上，顺时针转动，块形试样安装在夹具上。，块形试样安装在夹具上。v通常试验后测量环形试样的失通常试验后测量环形试样的失重和块状试

49、样的磨痕宽度，分重和块状试样的磨痕宽度，分别计算体积磨损以评定试验材别计算体积磨损以评定试验材料的耐磨性。料的耐磨性。第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法68MHK-500型环块磨损试验机 应用领域：材料摩擦磨损应用领域：材料摩擦磨损性能测试、对比、评定，性能测试、对比、评定，测试结果为摩擦系数及磨测试结果为摩擦系数及磨损量数值。损量数值。技术指标：1.接触形式：线接触2.磨损方式：纯滑动磨损3.加载方式：砝码、杠杆加载（杠杆比1:10）4.载荷范围：10Kg-500Kg5.主轴转速：100-1440转/分，无级调速第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法69第三节第三节 磨损试验方法磨损试验

50、方法M2000型环块磨损试验机型环块磨损试验机 70v右图为往复运动型试验机右图为往复运动型试验机，v试样在静止平面上作往复试样在静止平面上作往复运动，可评定往复运动的运动，可评定往复运动的机件，如导轨、缸套与活机件，如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性。塞环等摩擦副的耐磨性。第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法71v 本机试验拉链横向及纵向张本机试验拉链横向及纵向张力作用下，能否承受规定次力作用下，能否承受规定次数之往数之往 复拉动操作。复拉动操作。v 试验时本机以等速带动拉链试验时本机以等速带动拉链之拉头，作每分钟之拉头，作每分钟30 次之往次之往复运动，至规定之次数为止复运动，至规定之

51、次数为止。 v 往复行程：往复行程：75mm v 横向夹紧装置宽度：横向夹紧装置宽度：25mm v 纵向夹紧装置总重：纵向夹紧装置总重：0.280.34kg HK-5022拉链往复试验机 第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法72v右图是滚子型磨损试验机右图是滚子型磨损试验机：v主要用来测定金属材料在主要用来测定金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑动摩擦、滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及间隙摩动滑动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量，擦情况下的磨损量，v用来比较各种材料的耐磨用来比较各种材料的耐磨性能。性能。第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法73v 1、最大负荷：、最大负荷：2000Nv 2、负荷测量范围：、负荷测量范围：0300N，3002000N v 3、下试样轴转速：、下试样轴转速：400，200 转分转分v 4、上试样轴转速：、上试样轴转速：360，180 转分转分v 5、负荷刻度尺之分度值；、负荷刻度尺之分度值； 0300N，10N格