材料摩擦磨损与防护课件

1、第二节 材料的摩擦、磨损防护第1页，共63页。摩擦是两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应。物体之间的摩擦往往使其系统的一部分能量以热量或噪音形式发散消失，同时伴随着表面材料的逐渐消失。磨损是物体表面相对运动而导致作用表面的物质的不断消失，它是摩擦效应的一种表现和结果。 第2页，共63页。轮胎压痕(TEM 5000X)摩擦痕迹(350X)第3页，共63页。一.固体的表面特点与表面的相互接触固体的摩擦发生在表面，而任何固体表面都不是完全光滑的。由于切削刀痕、材料的塑性变形、加工时振动的存在，使零件表面存在凸凹不平与形状误差，这种表面轮廓对其摩擦学特征有重要的影响。第4页，

2、共63页。.固体表面的几何形状 零件表面的真实几何形状是由表面形状偏差、表面波纹和表面粗糙度三部分组成。表面形状偏差：零件在成形时所具有的宏观任何形状偏差。第5页，共63页。表面波纹度：零件表面上形成的较长而有规律的波浪线，它是在加工时机床-刀具-工件系统的低频振动所引起的零件表面几何误差，具有一定的波高和波距。表面粗糙度：切削工具对工件表面切削，在表面波纹上形成较小几何轮廓偏差。不同的切削规范和不同的工件材料在表面上形成不同粗糙度。第6页，共63页。表面形貌轮廓微凸体xmm样品长度l中线：实体面积=空间面积空间实体Zi第7页，共63页。.材料表面组织结构与物理化学力学性质 零件表面层的组织结

3、构及物化性质与整体材料不同，导致其与整体材料的力学性质不同。普通脏污层吸附层氧化层贝氏层严重变形层轻度变形层金属表层的组成第8页，共63页。（）变形层：切削加工的零件表面由于材料的塑性变形使其结构发生变化，晶粒细化，形成变形层。变形层一般可达几十微米，粗加工时可深达几百微米。变形层由于硬化作用而具有较高的硬度。 第9页，共63页。（）氧化层：新加工的零件表面在大气中会很快氧化，在几秒钟内形成厚度为110nm氧化层，高温时氧化层的形成速度更快。氧化层的性质与整体材料的性质截然不同。第10页，共63页。（）吸附层：材料表面层原子形成应力场而具有很高的吸引力，因此，表面会吸附空气、水分和各种有机物的

4、分子，并被它们所覆盖。被吸附到表面的活性物质会向表面的裂纹中渗透，升高裂纹尖端应力，使裂纹进一步向深处扩展，导致表面强度下降。第11页，共63页。（）污染层：一般在吸附层的表面还存在污染层，主要由环境中微粒的沉积及磨损碎屑组成。 第12页，共63页。.固体表面的相互接触 当两个粗糙的物体表面在法向载荷的作用下贴紧时，最先进入接触的是表面上最高的微凸体，随载荷增加，接触微凸体的变形增大，原来处于较低位置的微凸体将逐渐进入接触。当载荷不太大时，接触微凸体发生的是弹性变形；当载荷增大并超过临界值时，接触微凸体发生塑性变形。第13页，共63页。运动方向AB微凸体互嵌微凸体不发生变形就不能产生运动第14

5、页，共63页。二.摩擦定义：两个接触的物体在相互运动过程中所发生的阻力。摩擦的大小一般用摩擦系数表示，其值等于摩擦力F（切向力）与法向力N（载荷）的比值，即=F/N。第15页，共63页。.摩擦机理 简单粘着理论：当固体表面相互压紧时，它们仅在微凸体的顶端相互接触。由于实际接触面积很小，接触点处的应力往往很高，因此，接触点处首先开始发生弹性变形，进而发生塑性变形。材料的塑性变形使接触面积不断增大，一直到实际接触面积增至恰好支撑外载荷为止。第16页，共63页。A=N/syA实际接触面积sy材料的压缩屈服极限N法向载荷此式表明摩擦表面的实际接触面积与法向载荷成正比。第17页，共63页。摩擦力：F粘着

6、=Ab F=Nb/sy摩擦系数可表示为：=F/N=b/sy简单粘着理论说明两条摩擦定律：即摩擦系数与名义接触面积无关；摩擦力和载荷成正比。第18页，共63页。.摩擦的分类 按摩擦副的运动形式可分为滑动摩擦和滚动摩擦；按摩擦副的运动状态可分为静摩擦和动摩擦；按表面的摩擦状态可分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。第19页，共63页。（）干摩擦：既无润滑又无湿气的摩擦为干摩擦。这种摩擦一般发生在制动器、摩擦传动及纺织、食品、化工机械的部件。在这些摩擦中，考虑到污染和安全问题，润滑剂不允许使用。第20页，共63页。（）边界润滑摩擦：相对运动的两表面被很薄的润滑膜隔开（0.11.010-3mm），

7、边界膜的存在可使摩擦系数降低210倍，并使表面磨损显著减少。第21页，共63页。第22页，共63页。（）流体润滑摩擦：摩擦表面完全被润滑膜隔开，靠润滑膜的压力平衡外载荷。在流体润滑中，摩擦阻力取决于润滑剂的内摩擦（粘度），这种摩擦状态具有最小的摩擦系数，在节能、延长寿命和减少磨损等方面都是最理想的。 第23页，共63页。（）混合摩擦：介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时出现干摩擦、边界摩擦和流体润滑摩擦的一种混合摩擦状态。这是生产实际中最常见的一种摩擦状态。 第24页，共63页。机械零件磨损的特性时间磨损量剧烈磨损稳定磨损跑合abo磨损的三个阶段三、磨损第25页，共63页。.磨损过程中摩擦表面

8、的变化 在摩擦过程中，两个物体的表面微凸体相互接触处会发生弹性变形或塑性变形过程，此过程将伴随一连串的物理、化学及机械性能的变化。第26页，共63页。（）表面微裂纹的生成及其破坏作用：在摩擦过程中，在摩擦表面微凸体区域的接触应力与温度很高，在该区域的组织发生变化或熔化。因此在重复性机械应力和热应力作用下，材料表层将产生微观裂纹，并向内部延伸，在某个深度处连接起来，最终导致材料从表面上脱落下来。第27页，共63页。（）化学反应过程：在磨损过程中，磨损过的新鲜材料表面会与空气和周围介质形成化合物薄膜。在磨损过程中，由于温度与压力很高，处在该区域的润滑介质或摩擦副材料中可能会分离出氢、碳等原子，材料

9、的表层原子与这些原子反应而使自身的脆性增加。第28页，共63页。（）润滑剂的作用：润滑剂决定着磨损的程度。润滑剂可减少摩擦与降低磨损，但有时润滑剂渗入材料表面的微裂纹中，由于楔挤作用可促使裂纹扩大，从而使表面材料破裂脱落。第29页，共63页。（）摩擦表面间材料的转移：在摩擦过程中，材料会从一个材料表面转移到另一个材料表面，通常是塑性大的材料由于粘着作用而转移到较硬的材料表面而发生磨损。第30页，共63页。按机理一般分为： 粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损、冲击磨损.磨损的分类 轻微磨损严重磨损点蚀胶合微动磨损凿削式擦伤粘着磨损磨料磨损剥层磨损疲劳磨损电腐蚀磨损腐蚀

10、或氧化磨损表面损坏方式磨损机理表面破坏方式和磨损机理关系简图第31页，共63页。（）疲劳磨损：两表面在相对滚动或滑动过程中，在外载荷引起的交变接触应力作用下，使裂纹在被磨面的表面或次表面形成、扩展并连通，最后剥离下来，形成点蚀或剥落。第32页，共63页。第33页，共63页。第34页，共63页。（）粘着磨损：粘着磨损是指两个相对运动的表面发生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而发生的磨损。磨损主要是微凸体接触区域受损而引起的，通常发生在重载、高速，特别是产生大量摩擦热的运动副中。第35页，共63页。粘着一剪断一转移一再粘着第36页，共63页。37举例：1、真空中洁净的硬钢压在黄铜块上后分

11、开，用高倍显微镜观察，明显看到分散的黄铜粒嵌在钢表面。2、黄铜圆销在旋转的钢制圆盘上滑动，可看到钢盘表面被涂抹上一层黄铜。如果用显微镜观察可看到分散的转移特性。3、巴克莱用单晶体碳化硅与各种金属相摩擦，第一组球形碳化硅滑块在金属平面滑动； 第二组球形金属滑块在碳化硅平面滑动。第37页，共63页。第38页，共63页。第39页，共63页。（）磨粒磨损：硬的颗粒对表面上硬的微凸体在摩擦过程中引起的材料损失，称为磨粒磨损。磨粒磨损实质上是材料表面在磨粒作用下发生塑性变形和断裂的过程。第40页，共63页。磨粒磨损主要有三种情况：在存在磨粒的介质中服役的零件表面外来硬颗粒粗糙而坚硬的表面在较软的表面上滑动

12、所造成的损伤。第41页，共63页。（）腐蚀磨损：同时受到腐蚀和磨损的综合作用下的材料表面损伤叫腐蚀磨损。氧化磨损特殊介质腐蚀磨损第42页，共63页。（）冲蚀磨损：材料表面受到细小而松散的流动粒子冲击时而出现的一种磨损形式。粒子的直径一般小于1mm，冲击速度在550m/s以下。第43页，共63页。（）微动磨损：两固体接触表面上因出现周期性小幅振动所造成损伤的一种特殊的磨损方式。微动磨损主要发生在相对静止的摩擦副表面，两接触表面无宏观相对运动，只是在外界变载荷影响下存在微小振幅的相对震动而引起的磨损。第44页，共63页。第45页，共63页。.影响磨损的因素 （）服役条件的影响载荷：随载荷增加，实际

13、接触面积增大，摩擦力增大，摩擦热增加，损伤加速。第46页，共63页。速度：若滑动速度的增加未引起摩擦表面温度的激增，则随滑动速度的增加，摩擦时间减少，材料来不及变形，从而使磨损量减少。若滑动速度增加使摩擦副表面急剧升温而软化，则会加剧接触表面的粘着倾向，使粘着磨损增加。第47页，共63页。温度：随温度升高，材料表面的硬度降低，使实际接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升，当温度升到一定程度后，将使接触表面局部熔化焊合，使粘着磨损急剧增加。温度升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至失效，也会加剧磨损。在高温的服役条件下，应选择石墨、二氧化钼作为润滑剂。第48页，共63页。表面粗糙度：表面越粗糙，摩擦阻力

14、越大，摩擦系数也越大，摩擦就愈严重。但表面太光滑又会使接触面积增加和表面的储油能力下降，从而使磨损增加。通常许多带有凹沟的平滑表面的耐磨性较好。 第49页，共63页。表面污染层与润滑膜：表面污染层在摩擦过程中可降低接触表面间的粘着倾向，起到减磨润滑作用。但是，若污染层中含有硬颗粒时，则会使磨料磨损加剧。第50页，共63页。（）材料本身的影响 材料的机械性能：硬度对耐磨性有很大影响。硬度越高，耐磨性越好。塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大。硬脆材料在磨损过程中，表层容易萌生裂纹并扩展，从而导致表层剥离，若提高材料的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展的能力，可明显提高耐磨性。第51页，共63页。

15、化学成分和组织结构的影响：有强化作用的元素都能提高耐磨性。能提高淬透性的元素，提高耐磨性。软与脆的元素，如铅、硫、磷等元素能够提高耐磨性。第52页，共63页。铅被碾压成膜具有良好的润滑效果；硫元素反应形成具有减磨效果的化合物；磷元素可在表面形成五氧化二磷保护膜，减少表面粘着倾向，并抵抗大气腐蚀。材料的组织结构对磨损有较大的影响。两种金属材料的互溶性越好，粘着磨损的倾向越大。第53页，共63页。四、润滑与润滑材料润滑的目的：降低零部件表面间的摩擦，减少或防止磨损，带走摩擦热，去除摩擦表面的污染物或磨损产物，保护摩擦表面不受腐蚀等。第54页，共63页。.流体润滑 固体摩擦表面之间靠一层充分厚的粘性

16、流体膜进行润滑，叫流体润滑。在流体润滑状态下，摩擦表面并不直接接触，而是两表面间的粘性流体分子之间发生内摩擦。 第55页，共63页。流体润滑的条件是在摩擦表面之间维持一层足够厚度的流体润滑膜，因此流体膜内必须存在压力，足以平衡外载荷。分为流体动压润滑和流体静压润滑。第56页，共63页。.边界润滑 如果摩擦表面粘性流体润滑剂的压力不足以平衡外载，流体膜的厚度减少到分子级大小，形成流体膜，在一定程度上起保护摩擦表面的作用，这种摩擦状态叫做边界润滑。边界膜的厚度很薄，摩擦表面的形貌和表面性能对润滑状态有很大影响，边界润滑的摩擦系数高于流体动压润滑，但比干摩擦的摩擦系数低。第57页，共63页。.润滑材料 （）液体润滑剂：矿物油，合成油，水基液体 （）固体润滑剂：主要应用于超高温、超低温、超高速、超高压、高真空等超出润滑油或润滑脂使用极限的情况下。有石墨、二硫化钼、软金属等第58页，共63页。（）润滑脂：润滑脂是由润滑液体稠化而成的、具有可塑性的润滑剂，在低载荷时，呈固体性质；当超过某临界负荷时，能够像液体那样流动。凡士林。第59页，共63页。五、常见