材料的摩擦磨损

1、材料的摩擦磨损材料的摩擦磨损姚成武姚成武20120530内内 容容概述 金属材料的摩擦磨损摩擦磨损实验及检测分析技术金属材料磨损机制及形貌特征1. 概述概述 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，这种现象就是摩擦。摩擦的定义摩擦的定义 磨损的定义磨损的定义 磨损是在摩擦的作用下，发生在材料表面的局部反复进行的变形与断裂。磨损过程的三个阶段：磨损过程的三个阶段：表面被磨平，实际接触面积不断增大，表面应变硬化，形成氧化膜，磨损速率减小。斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶

2、段 的表现来评价。随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙增大，表面质量恶 化，机件快速失效。磨损磨损类型类型摩擦学的研究内容1、流体润滑与弹性流体动力润滑理论及其应用2、表面形态与混合润滑理论3、磨损形成机理及其控制、磨损形成机理及其控制4、摩擦副材料与表面工程、摩擦副材料与表面工程5、新型润滑剂、添加剂与摩擦化学 6、微观摩擦学研究7、纳米摩擦学问题8、特殊条件下的摩擦学问题摩擦磨损材料表面间的相互作用 当两个固体或其他的介质接触并作相对运动时，就会发生下面的相互作用： 弹性变形 粘附 塑性变形 材料转移和剥落 热传导 化学反应 动能变为热能 扩散、局部熔化 2. 金属材料的摩擦磨损金属材料的摩擦

3、磨损金属表面的实际构成示意图金属表面的实际构成示意图 金属表层在摩擦过程中的变化金属表层在摩擦过程中的变化 在摩擦力和热的作用下，金属材料表面发生一系列变化： 摩擦表面几何形状的变化；摩擦表面几何形状的变化； 摩擦表面组织结构的变化；摩擦表面组织结构的变化；(1) 摩擦表面化学成分的变化。摩擦表面化学成分的变化。 (1). 表面几何形状的变化表面几何形状的变化 1）平衡粗糙度摩擦副滑动时，表面粗糙度不断改变而趋于一个稳定值。原来粗糙的表面可能变得光滑，而原来光滑的表面也可能变得粗糙。同一种材料在相同外部条件下发生摩擦时，经过几个小时的磨合，其表面都会达到同样的粗糙度，即“平衡粗糙度”。 2）塑

4、性变形 1) 同素异构转变 2) 二次淬火 表层温度超过Ac1，奥氏体将形成，冷却时，奥氏体转变为更加稳定的相，如马氏体。这种由二次奥氏体转变得来的马氏体称为摩擦马氏体。这种过程称为二次淬火。 如果在冷却时，奥氏体不发生马氏体相变而保持至室温，这种奥氏体称为摩擦奥氏体。摩擦奥氏体的特点是硬度高于原始（残余）奥氏体的硬度。 (2) 摩擦表面组织结构的变化摩擦表面组织结构的变化3) 二次回火 淬火钢在摩擦热的作用下会发生二次回火，其回火程度取决于摩擦温度和时间等。快速回火组织具有下述的特征：a) 马氏体分解后形成的相是具有高弥散性与高应力状态的亚组织，并且具有高的显微硬度；b) 残余奥氏体分解和碳

5、化物质点的聚集受阻；c) 原始组织的位向不变。(2) 摩擦表面组织结构的变化摩擦表面组织结构的变化4) 碳化物的溶解与析出 KK其中铁素体或马氏体；奥氏体； K弥散碳化物。 固溶体中碳浓度的变化可能使材料局部微区的耐磨性发生变化；5) 再结晶 6) 逆变马氏体 (2) 摩擦表面组织结构的变化摩擦表面组织结构的变化(3) 摩擦过程中表层成分的变化摩擦过程中表层成分的变化 FeFe2 2OO3 3与与FeFe3 3OO4 4 膜的摩擦特性膜的摩擦特性 最主要的一种是发生氧化反应，形成氧化物。氧化物的性质如硬度、薄厚、膜的成分、与基体的结合强度等强烈影响着摩擦磨损性能。若形成薄而致密的表面膜（小于几

6、个nm），且膜与基体的结合牢固时，则摩擦系数大大降低。 表面偏聚表面偏聚 在摩擦过程中，由于摩擦的热效应以及表层形变造成的各种缺陷，使表层附近的扩散系数比基体的要大得多。这些缺陷本身在其周围造成的畸变，也易于使某些溶质原子富集。在摩擦过程中将更容易出现合金元素的表面偏聚，而且偏聚的浓度也可能更大些。 Fe-Ni(0.18 Fe-Ni(0.18Si)Si)合金与工具钢合金与工具钢 硅将偏聚于表面，并且硅将偏聚于表面，并且形成一个形成一个“玻璃膜玻璃膜” ” 3. 摩擦磨损实验及检测摩擦磨损实验及检测分析技术分析技术摩擦磨损分析内容摩擦磨损分析内容(1) 磨损表面形貌分析 包括宏观分析、微观分析（

7、SEM）。(2) 磨损亚表层分析 研究亚表层可能发生的变化情况：1）加工硬化；2）摩擦热和 变形热对金属组织的影响（回火、回复再结晶、相变、非晶态 层）；3）裂纹的形成部位、增殖、扩展及磨损碎片的产生和剥落。(3) 磨屑分析摩擦磨损实验的分类摩擦磨损实验的分类 目前采用的实验方法可以归纳为下列三类：(1) 实验室试件实验 根据给定的工况条件, 在通用的摩擦磨损实验机上对尺寸较小、结构简单的试件进行实验。 由于实验室实验的环境条件和工况参数容易控制, 因而实验数据的重复性较高, 实验周期短, 实验条件的变化范围宽, 可以在短时间内取得比较系统的数据。 但由于实验条件与实际工况不完全符合, 因而实

8、验结果往往实用性较差。 实验室实验主要用于：各种类型的摩擦磨损机理和影响因素的研究, 以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能的评定。(2) 模拟性台架实验 在实验室实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件，模拟零件的实际工作条件，进行台架实验。 由于台架实验的条件接近实际工况，增强了实验结果的可靠性。同时，通过实验条件的强化和严格控制，也可以在较短的时间内获得系统的实验数据；并且能够预先给定可控制的工况条件，并能够测得各种摩擦磨损的参数，进行摩擦磨损性能影响因素的研究。 台架实验的主要目的在于：校验实验室实验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理性。 常见的台架实验台有：轴承实验台、齿轮实验台、凸

9、轮挺杆实验台等。摩擦磨损实验的分类摩擦磨损实验的分类 (3) 实际使用实验 在上述两种实验的基础上, 对实际零件进行使用实验，使用实验是在实际运转现场条件下进行的。 这种实验的真实性和可靠性最好。 但是实验周期长、费用大, 实验结果是各种影响因素的综合表现，因而难以对实验结果进行深入分析。这种方法通常用作检验前两种实验数据的一种手段。*上述几种类型的试验各有特点，在磨损磨损研究工作中，通常先在实验室里进行试样实验，然后再进行模拟性台架实验和实际使用实验，构成一个所谓的“实验链”。摩擦磨损实验的分类摩擦磨损实验的分类 摩擦磨损试验系统中最多有四种参数可以与实际摩擦系统不同： 载荷； 速度； 时间

10、； 试样尺寸和形状。实验参数选择实验参数选择摩擦磨损试验机分类摩擦磨损试验机分类按摩擦副的接触形式和运动方式分：点、线、面接触；滑动、滚动、滚滑、往复运动。 摩擦磨损实验机(1) 四球式试验机工作原理： 由四球(1个上球3个下球)组成摩擦副(如图所示)，上球卡在夹头内，下球组固定不动，上球与下球组相接触。工作时，上球由主轴带动旋转，通过加载系统向下球组加载。主要用途： 主要用来评定润滑剂的性能。 常用的摩擦磨损试验机常用的摩擦磨损试验机 用于线接触摩擦副的摩擦磨损试验。工作原理：主动件是标准旋转圆环，被动件是被固定的标准尺寸矩形块。 通过测量不同载荷下，被动试件矩形块上出现的条形磨痕宽度，以及

11、摩擦副材料间的摩擦力、摩擦系数，来评定润滑剂的承载能力以及摩擦副材料的摩擦磨损性能。 (2) 环块式试验机 用于面接触摩擦副的摩擦磨损试验。工作原理： 试验时，销固定不动，盘做旋转运动。通过力传感器采集试验过程总摩擦力和载荷的变化，通过位移传感器对试样的总磨损进行测量。 主要用于在滑动条件下，评价材料的摩擦系数和磨损率，研究工况参数对摩擦性能和磨损机理的影响，是目前用途最广泛的摩擦磨损试验设备。(3) 销盘式试验机销盘式试验机摩擦磨损实验中的参数测量摩擦磨损实验中的参数测量(1) 摩擦系数或摩擦力的测量摩擦系数或摩擦力的测量机械式： 载荷W通过上试件加到下试件上。下试件(半径为r)旋转，上试件

12、固定。试样间的摩擦力使下主轴产生一个力矩，此时与主轴相连的砝码产生一个偏角，来平衡摩擦力产生的摩擦力矩，偏角反应了摩擦力矩P的大小，可以直接从标尺读出，由此摩擦力矩可以换算出试件上的摩擦系数 = P/(W r)电测法：把压力传感器附加到测力元件上，将摩擦力转换成电信号，输入到测量和记录仪上，自动记录下摩擦过程中摩擦力的变化。这种方法目前已普遍应用。 机械零件的磨损量可以用磨下材料的质量、厚度或者磨去体积的来表示：磨损重量计量法a.称重法： 用称量试件在实验前后的质量变化来确定磨损量。这种方法简单，采用最普遍。通常采用精密分析天平称重，测量精度为0.1mg。b.沉淀法或化学分析法：将润滑油中所含

13、的磨屑经过过滤或者沉淀分离出来，再由称重法测量磨屑质量。也可以采用定量分析化学的方法测量润滑油中所含磨屑的组成和质量。(2) 磨损量的测量磨损量的测量a.测长法： 测长法是测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量，其形式有：u 压痕法： 压痕法是通过事先在试样表面压出压痕，再根据磨损前后压痕尺寸的变化来计算试样的磨损量。 磨损厚度计量法磨损厚度计量法*压痕法和切槽法只适用于磨损量不大而表面光滑的试件。由于这两种方法都要局部破坏试件的表层, 因而不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构的变化。u 切槽法：切槽法： 切槽法测磨损与压痕法十分相似, 用回转刀具刻出月牙形槽，切槽法排除了弹性变形

14、回复和四周鼓起的影响。根据几何关系，切槽宽度和磨损深度的关系为： 磨损厚度计量法b.表面轮廓法 当磨损厚度不超过表面粗糙峰高度的磨损时，用表面轮廓仪可以直接测量磨损前后表面轮廓的变化来确定零磨损量。当测量磨损厚度超过表面粗糙度的磨损必须采用测量基准。下图给出两种测量基准, 图(a) 是用未磨损表面作为基准, 而图(b)是在表面上开设一个楔形槽, 根据磨损前后楔形槽宽B和b的数值计算磨损厚度h。 磨损厚度计量法以上测量磨损量的方法都要拆卸部分机器零件，当重复试验时，反复拆卸会改变试样的相对位置，破坏摩擦表面的磨合性。用非接触式测量法可以避免这方面的缺陷。c. c.非接触式测量法非接触式测量法非接

15、触式测量磨损方法的原理如图所示：非接触式传感器装在靠近基准板的地方。此基准板与上试样连为一体。 当磨损使上试件下沉时，则传感器与基准板之间间隙增加，传感器得到此位移信号，经仪表检测放大就可以反映出磨损变化情况。 磨损厚度计量法摩擦时，接触表面温度高低和分布情况对摩擦磨损性能影响很大，因此测量摩擦表面温度很重要。测量摩擦副表面温度的主要方法有: 热电偶、 远红外辐射测温法。(3) 摩擦温度的测量摩擦温度的测量(4) 磨损微粒的分析技术磨损微粒的分析技术对磨损产物磨粒的成分和形态的分析，不仅是研究磨损机理的主要方法之一，而且是工程上磨损预测和工程监控的重要手段。光谱分析法：用来分析润滑油中的金属含

16、量，通常应用于铁路机车和船舶柴油机以及航空发动机的磨损检测，以防止故障发生。铁谱分析法： 基片是装在略微倾斜的斜面上的，磁场力呈梯度分布，所以微粒就粘附在底片上并接近按大小分布。基片上的磨粒经去油和固定后，便制成了铁谱图。 由于摩擦现象发生在表面层，表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，现代表面测试技术已先后用来研究摩擦表面的各种现象。 1)、摩擦磨损表面形貌的分析 摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。2)、摩擦磨损表面相结构的分析 金属表面在摩擦磨损过程中表层结构的变化通常用衍射技术来分析，常用的有电子衍射法、 X射线衍射法 。(5) 摩擦表面的形态

17、和相结构分析摩擦表面相结构分析研究摩擦表面和亚表面的破坏特性、表面氧化膜的形貌 摩擦表化学元素的组成与分布特点可用能谱分析和X射线显微分析方法来进行。u 能谱分析的基本原理：是用X射线、真空紫外光束或电子束照射试件表面使表面受到激发而产生光电子和俄歇电子，然后测量和分析这些电子的能量，就可确定表面的化学成分。 uX射线显微分析的基本原理：是通过电子束对试件表面作用，使各元素发出相应特征的射线谱，以不同特征X射线的波长和强度来确定元素的成分和含量。(6) 摩擦磨损表面化学成分的分析4.金属材料磨损机制及形金属材料磨损机制及形貌特征貌特征磨损的机制磨损的机制 粘着磨损又称咬合磨损。由于零件面某些接

18、触点在高的局部压力下发生粘合，在相互滑动时，粘着点又被剪切分开，接触面上有金属磨屑被拉拽出来，这种过程反复进行很多次，便导致了表面的损伤。(1) 粘着磨损粘着磨损局部粘着（冷焊）粘着处被撕掉金属表面被划伤或者金属屑粒脱落局部接触接 触 面 积 小应力大润滑油膜、氧化膜被挤破粘着磨损表面特征粘着磨损表面特征特征：表面有大小不等的结疤。 磨粒磨损是指硬的磨粒或凸出物在零件表面的摩 擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。这种磨 粒或凸出物一般指石英，砂土，矿石等非金属磨 料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦 面而形成的磨粒。(2) 磨粒磨损金属表面发生局部塑性变形磨粒嵌入金属表面，切割金属表面表

19、面被划伤磨粒磨损表面特征特征：表面有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽特征：表面有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽(3) 腐蚀磨损 在摩擦力和介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）合的一种磨损。同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。l氧化磨损l微动磨损l冲蚀磨损特征：表特征：表面形成一面形成一层松脆的层松脆的化合物化合物(4) 接触疲劳u 接触疲劳也称麻点疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等类型的零件，在接触应力长期反复作用下，表面局部区域出现小片或小块状材料剥落而引起的磨损，属于一种表面疲劳现象。接触应力概念：两物体相互接触时，在表面上产生的局部压力叫做接触应力。l线接

20、触应力：两接触物体在加载前为线接触（如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触），接触区域为矩形。l点接触应力：两接触物体在加载前为点接触（如滚珠轴承），接触区域为圆形。接触疲劳的表面特征特征：痘状贝壳状凹坑接触疲劳类型 根据裂纹起始位置和形态的差异，分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。l麻点剥落: 是指深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落，裂纹一般起源于表面，剥落坑呈针状或痘状。l浅层剥落: 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。l深层剥落: 这类剥落坑较深(0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。 接触疲劳的过程l 麻点剥落条件：滚动加滑动最大综合切应力在表层反复作用表层产生裂纹，扩展方向小于45o深度0.1-0.2mml 浅层剥落条件：纯滚动或摩擦力较小，次表层受循环切应力，裂纹垂直扩展深度为0.2-0.4mm接触疲劳的过程l深层剥落条件：表面硬化层深度不足，裂纹位于硬化层与心部交界处深度0.4mm接触疲劳的过程(5) 滚动摩擦 由于滚动摩擦的影响因素很多，所以研究滚动摩擦比研究滑动摩擦更为复杂。 一、基本概念滚动摩擦按其接触装置的特点可分成如下几种类型： 自由滚动 这是滚动元件沿平面滚动时的情况，运动所受的阻力是由元件与平面之间的基本滚动摩擦