材料性能学课件-北大fh8的摩擦磨损

1、材料性能学材料性能学l石家庄铁道大学石家庄铁道大学l材料科学与工程学院材料科学与工程学院l材料科学系：付华材料科学系：付华联系电话：联系电话QQ: 1115279899 Properties of Materials 授课方法：授课方法：l第第1-31-3章：教师主讲。章：教师主讲。l第第4-114-11章：课堂讨论为主。章：课堂讨论为主。l 下载视频，下载视频，l第第12-1512-15章：理论简介。章：理论简介。l 案例应用案例应用绪论绪论第第1章章 材料的弹性变形材料的弹性变形第第2章章 材料的塑性变形材料的塑性变形第第3章章 材料的断裂与断裂韧材料的断裂与断裂

2、韧性性第第4章章 材料的扭转材料的扭转/弯曲弯曲/压缩性能压缩性能第第5章章 材料的硬度材料的硬度第第6章章 材料的冲击韧性及低温脆材料的冲击韧性及低温脆性性第第7章章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能第第8章章 材料的磨损材料的磨损 第第9章章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能 第第10章章 材料在环境介质作用材料在环境介质作用下的腐蚀下的腐蚀 第第11章章 材料的强韧化材料的强韧化 第第12章章 材料的热学性能材料的热学性能 第第13章章 材料的磁学性能材料的磁学性能 第第14章章 材料的电学性能材料的电学性能 第第15章章 材料的光学性能材料的光学性能 第第8章章 材料的磨损材料的磨损

3、Wear of materials l8.1 金属材料的磨损性能金属材料的磨损性能Wear propeties of Metalsl8.2 陶瓷材料的磨损性能陶瓷材料的磨损性能Wear propeties of Ceramicsl8.3 高分子材料的磨损性能高分子材料的磨损性能Wear propeties of Polymersl8.4 磨损试验方法磨损试验方法 wear test methods 人类与摩擦人类与摩擦生活中的摩擦生活中的摩擦古典摩擦定律（阿蒙顿古典摩擦定律（阿蒙顿- -库伦）库伦）1.摩擦力与法向载荷成正比摩擦力与法向载荷成正比; （法向载荷较小时法向载荷较小时）2.摩擦因数

4、与接触面积无关摩擦因数与接触面积无关; (有一定屈服点有一定屈服点的材料，如金属的材料，如金属)；粘弹性材料的摩擦力粘弹性材料的摩擦力与接触面积有关。与接触面积有关。3.摩擦因数与滑动速度无关摩擦因数与滑动速度无关;（金属金属-金属金属）4.静摩擦因数大于动摩擦因数。（静摩擦因数大于动摩擦因数。（不适用粘不适用粘弹性材料弹性材料）摩擦学摩擦学l英国教育科研部关于摩擦学教育和研究的英国教育科研部关于摩擦学教育和研究的报告（报告（Jost报告）报告） l1964年年12月月22日，当时的教育科研国务日，当时的教育科研国务大臣大臣Bowden勋爵邀请勋爵邀请H. Peter Jost先生先生及润滑工

5、程专家等，查明及润滑工程专家等，查明英国润滑教育英国润滑教育的的现状和现状和工业工业需要。需要。 Jost，国际摩擦学理事会，国际摩擦学理事会 International Tribology Council， 主席主席摩擦学摩擦学l1966年，年，Jost提出提出 摩擦学摩擦学Tribology定义：定义：l摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的科学技术。其有关理论和实践的科学技术。l摩擦学包括摩擦学包括摩擦、磨损摩擦、磨损和和润滑润滑等领域。等领域。l1980年，中国年，中国 译译Tribology为为“摩擦学摩擦学”， l1984年，美国

6、接受以年，美国接受以Tribology代替代替Lubrication的地位。的地位。世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。消耗于摩擦。 摩擦起因的学说摩擦起因的学说 l1.1.机械啮合学说机械啮合学说 l2.2.分子吸引理论分子吸引理论 l3.3.分子分子机械学说机械学说 l4.4.粘着学说粘着学说 l5.5.机械机械粘着粘着犁沟综合作用学说犁沟综合作用学说 现代摩擦学问题现代摩擦学问题l航天器的固体润滑，航天器的固体润滑，l航空发动机的摩擦磨损。航空发动机的摩擦磨损。现代摩擦学问题现代摩擦学问题l水轮机叶片的冲蚀，水轮机叶片的冲蚀，l高速列车的接触疲劳。高速列车

7、的接触疲劳。摩擦学的新兴研究领域摩擦学的新兴研究领域l碳摩擦学碳摩擦学l碳纳米管碳纳米管l多层石墨烯多层石墨烯l纳米摩擦学纳米摩擦学l空间摩擦学空间摩擦学l生物摩擦学（人体生物摩擦学（人体/动物仿生）动物仿生）l涂层摩擦学涂层摩擦学 .摩擦学涉及的学科领域摩擦学涉及的学科领域l摩擦副、压力、速度、介质等因素。计算机计算机相关高校相关高校-实验室实验室1. 中南大学中南大学中南大学粉末冶金国家工程研究中心中南大学粉末冶金国家工程研究中心蝉联评估第一名蝉联评估第一名湖南博云新材料股份有限公司湖南博云新材料股份有限公司（黄伯云，熊翔）（黄伯云，熊翔）中南大学粉末冶金研究院摩擦耐磨材料研究所中南大学粉

8、末冶金研究院摩擦耐磨材料研究所2. 清华大学清华大学清华大学摩擦学国家重点实验室清华大学摩擦学国家重点实验室3. 中国科学院中国科学院兰州化学物理研究所兰州化学物理研究所-固体润滑国家固体润滑国家重点实验室重点实验室4. 合肥工业大学摩擦学研究所合肥工业大学摩擦学研究所 相关协会相关协会-企业企业1. 国际摩擦学理事会国际摩擦学理事会 （International Tribology Council，ITC） 总部总部-英国伦敦英国伦敦2. 中国机械工程学会摩擦学分会中国机械工程学会摩擦学分会 摩擦耐磨减摩材料与技术专业委员会摩擦耐磨减摩材料与技术专业委员会 http:/ 中国摩擦材料网中国摩

9、擦材料网http:/ 石家庄泰明顿摩擦材料有限公司石家庄泰明顿摩擦材料有限公司(中国太行机械工中国太行机械工业有限公司业有限公司,中德合资中德合资)2. 泰明顿摩擦材料技术（上海）有限公司泰明顿摩擦材料技术（上海）有限公司3. 杭州泰明顿摩擦材料有限公司杭州泰明顿摩擦材料有限公司 泰明顿集团是排名世界第一的原装配套摩擦材料泰明顿集团是排名世界第一的原装配套摩擦材料供应商供应商.4. 德国德国(Bremskerl)勃兰姆斯克摩擦材料有限公司勃兰姆斯克摩擦材料有限公司 勃兰姆斯特摩擦材料南通有限公司勃兰姆斯特摩擦材料南通有限公司5. 美国美国霍尼韦尔霍尼韦尔(Honeywell Internati

10、onal)摩擦材摩擦材料料(广州广州)有限公司有限公司摩擦：摩擦：摩擦的结果摩擦的结果-磨损磨损摩擦做功表面层塑变（25%）-形变硬化、应力。摩擦热（75%）-磨损量，效率相对运动机件汽缸套的磨损滑动或滚动摩擦Sliding or rolling friction磨损wear作用：有害有害： 失效形式。工作效率下降，寿命降低，断裂破坏。有利有利：对材料进行磨削加工磨削加工。掌握要求：掌握要求： 一、填空一、填空 l1. 按磨损的机理按磨损的机理 即摩擦面损伤和破坏形即摩擦面损伤和破坏形式，磨损一般分为式，磨损一般分为 、 、 和和 。l2. 滚动轴承在纯滚动的条件下常发生的磨滚动轴承在纯滚动的

11、条件下常发生的磨损失效形式是损失效形式是 ；一般齿轮摩擦副在；一般齿轮摩擦副在滚动兼滑动的条件下常发生的磨损失效形滚动兼滑动的条件下常发生的磨损失效形式是式是 。 本章学习要点本章学习要点:l磨损的机理磨损的机理( (基本类型基本类型)?)?wear mechanism 粘着磨损、粘着磨损、 Adhesive wear磨粒磨损、磨粒磨损、 Abrasive wearp腐蚀磨损、腐蚀磨损、Corrosive Wear 表面疲劳磨损表面疲劳磨损 surface fatigue wear （麻点（麻点pitting corrosion、 接触疲劳接触疲劳Contact Fatigue ） 磨损磨损w

12、earwear：摩擦作用下，物体表面机械、物理、化学作用，逐渐分离出磨屑，表面尺寸变化和不断损伤的过程。磨损是发生在材料表面的磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂。局部变形与断裂。Wear is local deformation and fracture occurred in material surface. 8.1 金属材料的磨损性能金属材料的磨损性能Wear propeties of Metals8.1.1 磨损过程磨损过程 Wear process：磨合：磨合阶段-氧化膜形成，表面应变硬化。：稳定磨损：稳定磨损阶段-服役阶段。 阶段跑合越好，此阶段磨损速率越低。：剧烈磨损：剧烈磨损

13、阶段-润滑膜破坏， 间隙增大，振动加剧失效。1. 磨损机制：磨损机制：1957年年Burwell粘着磨损、粘着磨损、 Adhesive wear磨粒磨损、磨粒磨损、 Abrasive wearp腐蚀磨损、腐蚀磨损、Corrosive Wear 表面疲劳磨损表面疲劳磨损 surface fatigue wear （麻点（麻点pitting corrosion、 接触疲劳接触疲劳Contact Fatigue ）8.1.2 磨损的基本类型（机理）磨损的基本类型（机理）Type ( mechanism ) of wear 2. 三类影响因素三类影响因素：摩擦偶件；摩擦偶件；外在机械作用外在机械作用（

14、速度、比压（速度、比压P、摩擦类型）；、摩擦类型）； 介质（气、液、固）。介质（气、液、固）。磨损类型随磨损类型随工作条件而变化。工作条件而变化。8.1.2 磨损的基本类型（机理）磨损的基本类型（机理）一、粘着磨损（一、粘着磨损（咬合磨损咬合磨损）Adhesive wear粘着粘着剪断剪断脱落脱落再粘着再粘着 的循环过程。多为滑动摩擦：压力 P大，相对v小，润滑差。（一）特点（一）特点：表面特征：大小不等的结疤结疤。（一）特点（一）特点： 剪断形式：粘着点强度低粘着点强度低：沿接触面剪断，磨损量小，平滑。粘着点粘着点强度高强度高-软材料（凹）硬材料（凸）转移，W。 磨损量 W=KPL/3Hv

15、K-粘着磨损系数粘着磨损系数（取决于摩擦副材料、摩擦条件） a. 异名材料、硬度差大异名材料、硬度差大的摩擦副？ K b. 表面处理： 硫(磷)化、氮化处理 P-接触压力； L滑动距离， Hv-硬度； P ,L ,HvW。 二、磨粒磨损（磨料磨损、研磨磨损） l硬粒子硬粒子对摩擦表面产生对摩擦表面产生微切削微切削 塑性变形塑性变形 疲劳破疲劳破坏坏 脆性断裂脆性断裂产生的磨损。产生的磨损。l两体两体磨粒磨损：锉削锉削l摩擦副一方表面坚硬微凸体l三体三体磨粒磨损：抛光抛光l摩擦表面间有硬粒子：外界进入：抛光外界进入：抛光沙沙灰尘灰尘表面剥落：氧化物表面剥落：氧化物等。等。Abrasive wea

16、r摩擦面擦伤、犁皱沟槽沟槽特点特点：磨粒尖锐切痕长而浅（刀具切削）磨粒圆钝塑性材料沟槽、堆积裂纹、剥落；Abrasive wearl磨粒磨损是普遍存在普遍存在的一种磨损形式， 在各种V P 下都可发生。l 矿山矿山机械、农业农业机械中齿轮磨损、 润滑油滤清不良等。 三、接触疲劳 Contact Fatigue （点蚀、麻点磨损、表面疲劳磨损）l滚动滚动或滚动滚动+ +滑动滑动摩擦时，两表面在交变接触压应力长期作用下的一种表面疲劳损伤。l局部区域出现小片、小块状剥落。 表面痘状、贝壳状、凹坑、麻坑表面痘状、贝壳状、凹坑、麻坑。( (一）宏观特征一）宏观特征：纯滚动纯滚动（二）接触应力（二）接触应

17、力：线接触/点接触：正应力正应力：表面处最大;切应力切应力：距表面0.786b处最大。pure rolling friction 对磨损的贡献？对磨损的贡献？磨损是发生在材料表面的磨损是发生在材料表面的局部局部变形变形与与断裂断裂。切应力切应力：距表面0.786b处最大。塑性变形塑性变形滚动滚动rolling+滑动滑动sliding最大综合切应力移到材料表面移到材料表面表面产生接触疲劳裂纹 滑动摩擦 f 越大，合越移向表面1点蚀（麻点剥落）点蚀（麻点剥落）（三）接触疲劳破坏类型（三）接触疲劳破坏类型裂纹起源于表层表层（0.10.2mm深，小块剥落）易发生情况：滚动滚动+ +滑动滑动齿轮设计齿轮

18、设计表面接触应力小，滑动摩擦表面接触应力小，滑动摩擦f大，大，0.2； 材料表面质量差材料表面质量差抗剪强度低。抗剪强度低。pock exfoliation Pitting and spalling 2浅层剥落浅层剥落裂纹起源于次表面次表面（0.20.4mm深，0.50.7b ）发生条件：发生条件：纯滚动纯滚动/f /f很小很小滚动轴承设计滚动轴承设计；max在次表层在次表层0.786b处；处；塑变塑变位错塞位错塞积积/ /空位空位裂纹裂纹平行平行/ /倾斜表面分枝倾斜表面分枝/ /扩展扩展盆状剥落盆状剥落。 3深层剥落深层剥落 裂纹起源于硬化层硬化层/心部交界处心部交界处，切应力切应力/抗切

19、强度抗切强度最大。易发生：表面热（化学）处理工件。易发生：表面热（化学）处理工件。8.2 陶瓷陶瓷材料的耐磨性材料的耐磨性 耐磨性优良。对表面状态对表面状态/ /气氛压力气氛压力/ /温度极其敏感。温度极其敏感。陶瓷材料的摩擦磨损机理陶瓷材料的摩擦磨损机理 粘着磨损：粘着磨损：u摩擦副：陶瓷摩擦副：陶瓷/ /陶瓷陶瓷 ；金属；金属/ /陶瓷陶瓷 磨粒磨损磨粒磨损 摩擦化学（高温氧化）磨损摩擦化学（高温氧化）磨损 硬度：聚合物金属陶瓷， 柔性柔性与弹性弹性大抗划伤抗划伤能力大。8.3 8.3 聚合物聚合物材料的耐磨性材料的耐磨性 聚合物/金属 ：粘着倾向小。 f=0.050.2 塑料塑料/塑料的塑料的f 更低，更低，聚四氟乙烯聚四氟乙烯/聚四氟乙烯聚四氟乙烯 的的f最低。最低。抗磨粒磨损抗磨粒磨损能力好：能力好：对