第07章 金属磨损和接触疲劳

第七章金属磨损和接触疲劳2/2/20231安徽工业大学材料科学与工程学院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重要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机件失效是磨损引起的。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、延长机件寿命具有重要意义。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，并从材料学角度研究控制磨损的途径。2/2/20232安徽工业大学材料科学与工程学院第一节磨损概念一、磨损定义：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。磨损的影响因素：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。2/2/20233安徽工业大学材料科学与工程学院

机件的正常磨损通常分为三个阶段：2/2/20234安徽工业大学材料科学与工程学院（1）跑合阶段：摩擦表面逐渐被磨平，实际的接触面积增大，磨损速率逐渐减小。（2）稳定磨损阶段：在跑合阶段跑合的越好，稳定磨损阶段的磨损速率就越低。（3）剧烈磨损阶段：空隙增大，机件失效。2/2/20235安徽工业大学材料科学与工程学院第二节磨损模型一、粘着磨损二、磨粒磨损三、腐蚀磨损2/2/20236安徽工业大学材料科学与工程学院一、粘着磨损磨损机理粘着磨损定义：又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。这是由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。2/2/20237安徽工业大学材料科学与工程学院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，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。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）。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，然后脱落形成磨屑。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。2/2/20238安徽工业大学材料科学与工程学院右图是粘着点强度比摩擦副一方金属强度高的情况，

此时常在较软一方体内产生剪断，其碎片转移至较硬一方的表面上，

软方金属在硬方表面逐步累积最终不同金属的摩擦副滑动成为金属间的滑动，

所以磨损量较大，表面较粗糙，可能产生咬死现象。2/2/20239安徽工业大学材料科学与工程学院(1)摩擦副配对材料的选择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，表面易形成化合物的材料、金属与非金属等配对。(2)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。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。(3)控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。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，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。改善粘着磨损耐磨性的措施2/2/202310安徽工业大学材料科学与工程学院二、磨粒磨损1.磨粒磨损机理磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。2/2/202311安徽工业大学材料科学与工程学院主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽，见右图。在磨粒磨损时，对于韧性金属材料，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，一个磨粒切下的是许多新屑。。2/2/202312安徽工业大学材料科学与工程学院3.改善磨粒磨损耐磨性的措施(1)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。(2)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Mn13，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。(3)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。(4)经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入接触面，也是有效措施。2/2/202313安徽工业大学材料科学与工程学院在摩擦过程中，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，腐蚀产物的形成与脱落引起腐蚀磨损。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，故又称腐蚀机械磨损。三、腐蚀磨损1.氧化磨损2.微动磨损3.冲蚀磨损（又称气蚀）4.特殊介质腐蚀磨损分类：2/2/202314安徽工业大学材料科学与工程学院（一）氧化腐蚀机理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。氧化腐蚀过程：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所剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随着又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。2/2/202315安徽工业大学材料科学与工程学院（二）微动磨损机理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振动的影响下却能产生微小滑动。这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。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。特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的磨损产物为黑色。2/2/202316安徽工业大学材料科学与工程学院第四节金属接触疲劳（一）接触疲劳现象与接触应力接触疲劳定义：是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。2/2/202317安徽工业大学材料科学与工程学院根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为：(1)麻点剥落（点蚀）(2)浅层剥落(3)深层剥落（表面压碎）2/2/202318安徽工业大学材料科学与工程学院三、接触疲劳破坏机理（一）麻点剥落表面接触应力较小、摩擦力较大或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）地，易产生麻点剥落。2/2/202319安徽工业大学材料科学与工程学院（二）浅层剥落在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一倾角的二次裂纹。二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。2/2/202320安徽工业大学材料科学与工程学院（三）深层剥落（压碎性剥落）深层剥落的初始裂纹经常在表面硬化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。2/2/202321安徽工业大学材料科学与工程学院三接触疲劳试验方法不同材料或同一材料经不同热处理后，其接触疲劳强度用接触疲劳曲线（与高周疲劳的S-N曲线类似）来描述。是按赫兹公式计算出来的最大压应力，N为破坏循环周次。2/2/202322安徽工业大学材料科学与工程学院测定接触疲劳极限时，循环基数N0一般取107次，并规定：当试样上深层剥落面积大于或等于3mm2或当试样上麻点剥落（集中区）在10mm2面积内出现麻点率达15%的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。2/2/202323安徽工业大学材料科学与工程学院四、影响接触疲劳寿命的因素（一）内部因素1.非金属夹杂物