材料性能学 第六章

02二月2023第六章

材料的磨损性能零件间的相对运动→摩擦→材料损耗破坏材料的磨损不仅直接影响零件的使用寿命，还会增加能耗，产生噪音和振动，造成环境污染，因此，研究材料的磨损过程及规律，提高材料的耐磨性，具有重要意义。本章重点1、材料的磨损方式2、材料的磨损机理3、影响材料磨损的因素02二月2023第一节磨损的基本概念及类型一、摩擦与磨损的概念1、摩擦摩擦是相互接触物体间的一种阻碍运动的现象。摩擦力F=f·Nf—摩擦系数f静>f动N—接触法向压力02二月2023

2、磨损在摩擦的作用下，材料表面逐渐分离出磨屑而导致材料不断损伤的现象

。磨损的本质材料表面局部变形和断裂，且这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。02二月2023零件正常运行的磨损过程一般分三个阶段：A、跑合阶段（OA段）零件表面被逐渐磨平，实际接触面积不断增大。材料表层产生应变硬化，磨损速率逐渐下降。02二月2023B、稳定磨损阶段（AB段）

该段为一直线，斜率即磨损速率（常数），零件正常工作阶段，零件的寿命取决于该阶段。C、剧烈磨损阶段（BC段）随着磨损量的增加，摩擦幅间隙增大，零件表面质量恶化（强化层磨穿），润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损加剧，零件快速失效。02二月2023二、磨损的基本类型根据磨损面损伤和破坏的形式，将磨损分为：粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损麻点疲劳磨损磨损类型在一定条件下，可以相互转化。02二月2023如图，摩擦副相对滑动速度与磨损类型的关系：解决实际磨损问题时，要根据工作条件，确定磨损类型，才能采取有效措施，减少磨损。02二月2023第二节磨损过程一、粘着磨损（咬合磨损）1、产生原因材料表面某些接触点局部压应力超过屈服强度发生粘合，随后摩擦副相对运动时拽开（拉开）而产生的一种表面损伤磨损。02二月202302二月20232、产生条件摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大以及机械性能相差不大的摩擦副的滑动摩擦条件下。3、磨损特征摩擦副表面产生大小不等的结疤。（粘着点不断形成又不断破坏并脱落）02二月20234、粘着磨损的两种形式a、若粘着点结合强度低于两侧材料，则沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面较平滑，只有轻微擦伤（巴氏合金—钢的滑动摩擦）。

b、

若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时，分离面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，结果，使软材料表面出现微小凹坑，硬材料表面形成微小凸起。使得摩擦面变得粗糙，造成进一步磨损（加剧磨损）。02二月2023

这种软材料向硬材料表面逐渐转移积累，最终使不同材料之间的摩擦副滑动变成同种材料之间的滑动，加剧磨损，严重时产生咬死现象。如，铅基合金轴瓦与钢轴之间会产生上述情况。02二月20235、阿查得（J.F.Archard）估算粘着磨损量的方法：

设在法向力P作用下，摩擦面上有n

个微凸体接触粘着。接触面的真实面积为πd2/4，则n个相同的接触点同时塑性接触时,法向力p滑动d磨损粉02二月2023单位滑动距离内出现的接触点数N=n/d=4p/(3πσscd3)。实际相对滑动中，软材料上被拉拽出半球的几率为K，总拉拽出的磨损量W可表示为：Hv为软材料硬度，Hv≈3σscV’为接触点半球体积02二月2023粘着磨损系数K与接触压力的关系02二月20236.影响粘着磨损的因素

(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。

(2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨损也越严重。反之，金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。在受力较小时，选用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。02二月2023(3)通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。

(4)改善润滑条件。(5)粘着磨损严重时表现为胶合。02二月20237.粘着磨损失效举例02二月2023二、磨粒磨损（磨料磨损、研磨磨损）1、定义是摩擦副的一方表面存在的细微凸起或接触面间存在硬质粒子时产生的磨损。前者—两体磨粒磨损，如锉削过程。后者—三体磨粒磨损，如抛光过程。02二月20232、分类按磨粒受的应力大小凿削式高应力碾碎式低应力擦伤式02二月2023磨粒对摩擦副表面作用的力分法向力和切向力。法向力在表面形成压痕；切向力推动磨料前进，产生浅长滑痕（切痕）。3、特征摩擦面上有擦伤或沟槽（犁沟）。

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4.磨料磨损的机制微观切削（2）微观犁沟（3）微观断裂（剥落）02二月20235、磨粒切削磨损模型压力P将硬材料的凸出部分或磨粒（圆锥体）压入较软材料中p/πr2=3σscp=3σscπr2=Hvπr202二月2023被切削下来的软材料体积，即为磨损量W，可表示为W=r2Ltgθp=3σscπr2=Hπr202二月2023

6.影响磨粒磨损的因素(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。

(2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。(3)材料自身的硬度及内部组织02二月2023三、接触疲劳（滚动轴承、齿轮）

1、定义接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用，使材料表面疲劳损伤，局部出现片状或块状剥落的现象→表面疲劳磨损或麻点磨损。02二月20232、特征接触表面出现许多痘状，贝壳状或不规则形状的麻坑（点）麻点剥落（0.1～0.2mm）浅层剥落(0.2～0.4mm)深层剥落(>0.4mm)接触疲劳与一般疲劳相似，只是裂纹形成过程长，而扩展阶段仅占总过程的很短时间。02二月2023接触疲劳的表面形貌02二月20233、接触应力的概念两物体相互接触时，在局部表面产生的压应力称为接触应力。接触点接触：滚珠轴承线接触：齿轮02二月2023a、圆柱体的线接触应力设有两圆柱体，半径分别为R1，R2，长度为L；未变形前两者是线接触，施加法向力P后，因弹性变形成为面接触，接触面积为2bL，根据弹性力学，接触压应力σz沿2b（宽度）呈半椭圆规律分布。在接触面中心，压应力达到最大值。02二月2023E为综合弹性模量：E1，E2—两圆柱的弹性模数02二月2023实际接触应力是三向压应力σz

、σx

、σy

，最大切应力τyz45ºmax，在Z=0.786b深处最大,且τyz45ºmax≈0.3σzmax02二月2023b、球体的点接触应力（滚珠与轴承套圈之间的接触）02二月2023最大切应力τyz45ºmax发生在Z=0.786b深处τyz45ºmax=0.3σmax以上为纯滚动时的值，若两接触物体既作滚动又有滑动，则应附加切向摩擦力，最大切应力分布如图:当摩擦系数f>0.2时，最大切应力位置移到材料表面，此时接触疲劳裂纹源也移到表面。02二月2023

4、接触疲劳过程当最大切应力超过材料屈服强度时，便在此处引起塑性变形，经过多次循环作用后，裂纹便在此处产生（萌生）。a、麻点剥落多发生在滚动+滑动场合，最大切应力位置移至表层,f>0.2，使表层材料累积损伤，结果在表层萌生裂纹。02二月2023在此后的循环中，润滑油反复挤入裂纹内形成油楔，使裂纹沿与滚动方向倾斜角小于45º方向扩展（滚动+滑动叠加）；滑动摩擦力越大，倾角越小，当裂纹扩展到一定深度后，裂纹与表层材料间犹如受弯曲的悬]臂梁被折断→形成0.1～0.2mm的痘状凹坑，即麻点剥落。02二月2023b、浅层剥落纯滚动或摩擦力很小,f<0.2时，由于次表层（0.5b～0.7b深）承受着最大切应力，故此处萌生疲劳裂纹，并沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后垂直扩展至表面，形成盆状剥落凹坑（深0.2～0.4mm）。02二月2023

c、深层剥落经表面强化的材料，若强化层深度不足，裂纹则起源于硬化层与非硬化层的过渡处（界面），造成沿硬化层的大块剥落。因此，接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。循环切应力的大小及分布是决定接触疲劳破坏形成的主要因素。02二月2023表面渗碳淬火试样实验表明：a

、当切应力/抗切强度>0.55时产生深层剥落（大块剥落）。b、

当切应力/抗切强度=0.5～0.55时产生表层剥落和麻点剥落混合区。c、当切应力/抗切强度<0.5时产生麻点剥落。

02二月2023影响接触疲劳寿命的若干因素接触疲劳寿命首先取决于加载条件，特别是载荷大小。此外，还与许多其它因素有关，这里仅简叙其中若干有代表性的因素。1．非金属夹杂物2．马氏体含碳量3．剩余碳化物颗粒大小和数量02二月2023第三节耐磨性及其测量方法一、材料的耐磨性1、耐磨性：是指材料抵抗磨损的能力。2、耐磨性的表征方法：通常用磨损量表示，磨损量↓→耐磨性↑。3、磨损量：用质量法或尺寸法衡量质量法：磨损前后的质量变化量（精密分析天平）。尺寸法：磨损前后的表面法向尺寸变化02二月20234、比磨损量：单位摩擦距离，单位压力下的磨损量。5、相对耐磨性：ε=标准试样的磨损量/被测样的磨损量6、磨损系数：1/ε02二月2023二、磨损试验方法1、磨损试验实物试验与实际情况相同（似），结果可靠，但周期长，单因素的影响，难以分析。实验室试验周期短，成本低，易于控制各影响因素，但结果不能直接反映实际情况。（1）试样试验（2）台架试验02二月2023销盘式

环块式往复运动式

对滚式

砂纸磨损式

快速磨损试验机

2、实验室常用摩擦磨损试验机02二月20233、选择磨损试验方法的依据a、摩擦副运动方式：往复、旋转b、摩擦方式：滚动、滑动、复合c、试样形状：尺寸、载荷、速度、温度尽可能接近实际情况。注意问题磨损试验结果分散性大，应做多次（4～5次）试验，取平均值。02二月20234.接触疲劳试验常用接触疲劳实验机双面对滚式单面对滚式02二月2023止推式通过实验，测出σmax—N曲线（接触疲劳曲线），即最大接触压应力与断裂周次曲线。图中，水平线对应的应力为接触疲劳强度，斜线为过载持久值。02二月2023接触疲劳极限的循环基数N0，以不产生大量扩展性麻点为依据低碳钢N0=2～4106

周次淬火+回火钢N0=10～20106

周次铸铁N0=（2～6）106

周次铜合金N0=（3～10）106周次当应力低于接触疲劳强度时，经过相当数量的循环后，虽可能产生一些麻点，但均是非扩展性的。02二月2023当应力大于接触疲劳强度时，麻点不断长大，数量急剧增多。测出完整的接触疲劳曲线非常困难，一般只作过载区的接触疲劳寿命。02二月2023第四节提高材料耐磨性的途径一、减轻粘着磨损的主要措施1、合理选择摩擦副材料①互溶性少②粘着倾向小选择非同种或晶格类型不同，电子密度、电化学性质差异大的材料配对。③强度高不易塑变④保护价值高的一方02二月2023

2、避免两摩擦副间直接接触①增大氧化膜的稳定性，提高氧化膜的附着力②降低表面粗糙度，提高实际接触面积③改善润滑条件02二月2023

3、表面改性处理

采用渗硫、渗磷、渗氮、复合MoS2、PTFE复合等工艺，在接触面形成一层化合物或非金属层（或复合涂层），既防止粘着又降低摩擦系数。02二月20234.工作条件的影响（1）摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的增大而增加，而在接触一定的情况下，粘着磨损量也随滑动摩擦速度的增加而增加，但达到某一极大值后，又随滑动摩擦速度增加而减小（2）提高光洁度，将增加抗粘着磨损能力，但光洁度过高，反而润滑剂不能储存于摩擦面内而促进粘着，在摩擦面内维持良好的润滑状态能显著降低粘着磨损量。02二月2023二、减轻磨粒磨损的主要措施1、低应力磨粒磨损：提高表面硬度（表面淬火、渗碳、渗氮、涂层等）。2、高应力、冲击载荷下的磨粒磨损

基体强化（等温淬火→贝氏体）02二月20233、改善第二相的数量、形态、分布情况，提高耐磨粒磨损能力。碳化物脆性相弥散分布耐磨性↑残余奥氏体韧性相基体韧性↑4、机件、润滑油防尘，经常过滤润滑油，除去磨粒。02二月20235、摩擦副硬度合理Hm=1.3Ha摩擦副硬度磨粒硬度6、耐磨钢高锰钢Mn13淬火后单相奥氏体冲击载荷ε-碳化物沿滑移面产生表层硬度急剧提高，心部仍保持良好的韧性。02二月20237.断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐磨性KIC耐磨性和硬度1231.磨损受断裂过程控制，耐磨性随KIC提高而提高2.当硬度跟断裂韧度配合最佳时，耐磨性最高3.耐磨性随硬度降低而下降，可见磨粒磨损抗力不唯一决定于硬度，还与材料的韧性有关02二月2023三、提高接触疲劳抗力的措施1、采用脆性氧化物含量低的钢材，