材料力学性能第6章-材料的磨损性能

第六章材料的磨损性能了解磨损方式和材料磨损的本质及其影响因素，熟习磨损机理，掌握控制磨损的方法和提高材料耐磨性的途径。主要内容:磨损的基本概念及类型；磨损过程；耐磨性及其测量方法；提高材料耐磨性的途径。重点：概念（摩擦、磨损、粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳、耐磨性)；提高材料耐磨损性的途径难点：三种磨损产生的条件、磨损过程和表面损伤形貌；金属接触疲劳的三种机理十五863子课题验收汇报前言任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。还增加能耗，产生噪音、振动，造成环境污染。十五863子课题验收汇报第一节磨损的基本概念及类型两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。一、摩擦与磨损的概念

1．摩擦

2．磨损磨损概念:是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。静强度理论基本适合于磨损过程分析。磨损的动态特征有二：①反复进行局部变形和断裂；②材料表层经过每次循环后总要变到新的状态。因而，常规力学性能研究方法不一定实用于材料耐磨损性。十五863子课题验收汇报机件正常运行的磨损过程如图6-1所示，一般分3个阶段，曲线上的各点斜率即为磨损速率。6.1磨损量与时间的关系示意图(磨损曲线）跑合(磨合)阶段（OA段）随着表面被磨平，实际接触面积不断增大，表面应变硬化，磨损速度不断减少。（汽车磨合期）表层形成牢固的氧化膜，磨损速率降低。十五863子课题验收汇报(2)稳定磨损阶段（AB段）斜率为磨损速率，为一稳定值。实验室的磨损实验就是根据该段经历的时间t的磨损速率或磨损量来评价材料的耐磨性能。大多数工件在此阶段运转，如磨合得好，该段磨损速度就越低。(3)剧烈磨损阶段（BC段）磨损↗，磨耗↗，摩擦副接触表面间隙↗，机械表面质量恶化，润滑膜破坏，磨损更新加剧，机件快速失效。十五863子课题验收汇报二、磨损的基本类型根据摩擦面损伤和破坏的形式，可分4类：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳)等。磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。如图6-2。十五863子课题验收汇报（1）概念：粘着磨损又称咬合磨损，是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损。（2）发生的条件：①摩擦副相对滑动速度小；②接触面氧化膜脆弱；③润滑条件差；④接触应力大的滑动摩擦。

第二节磨损过程粘着磨损（3）磨损表面特征：机件表面有大小不等的结疤，如图6-3所示。（4）粘着磨损过程：是粘着点不断形成又不断被破坏并脱落的过程。粘着（低温冷焊，而高温直接焊接）→剪切→脱落→再粘着不断破坏并脱落的过程。十五863子课题验收汇报①粘着点结合强度低于两侧材料沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面显得较平滑，只有轻微擦伤。锡基合金与钢的滑动属此类型。②粘着点结合强度高于两侧材料分离面便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。软材料表面根据粘着点与两侧材料强度的差异，粘着剪断可出现以下两种形式：微小凹坑硬材料表面微小凸起软材料→硬材料表面and积累变成同种材料如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。十五863子课题验收汇报式中：Hv为软材料硬度，HV≈3σsc；V’为接触点半球体积；N为接触点数

。阿查得(J．F．Archard)提出了估算粘着磨损量的方法，其粘着磨损模型如图6-4所示:

实际相对滑动中，软材料上被拉拽出半球的几率为K，则滑动一段距离L后，总拉拽出磨损量W可表示为：设在法向力P作用下，摩擦面上有n个微凸体接触粘着，每个粘着点均为直径d的球体，磨损只发生在下半球的软材料上。十五863子课题验收汇报上式表明，粘着磨损量与接触压力p、滑动距离L成正比，与材料硬度值成反比。式中K值称为粘着磨损系数，反映配对材料粘着力大小，决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力p不超过摩擦副材料硬度值的1/3时，实验证实该式反映的规律是正确的。但压力超过钢的屈服强度后，K值↑↑，磨损量也↑↑，造成大面积的焊合和咬死，整个接触表面发生塑性变形，接触面积不再与载荷成正比。钢的K-p曲线见图6-5。十五863子课题验收汇报磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损，是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。前者称两体磨粒磨损，如锉削过程；后者称三体磨粒磨损，如抛光过程。二、磨粒磨损依据磨粒受的应力大小分类:磨粒磨损凿削式高应力碾碎式低应力擦伤式十五863子课题验收汇报沟槽可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。法向力摩擦副表面作用力切向力压痕推动磨粒前进只有磨粒形状与位向适当时，被推进的磨粒才似刀具切削表面，切痕长而浅。多数情况摩擦表面受剪切、犁皱或切削综合作用。磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽.如图6-6示。十五863子课题验收汇报切削作用的磨粒磨损模型如图6-7示:

被切削下来的软材料体积(图6-7中阴影线部分)，即为磨损量W，可表示为W＝r2Ltanθ(6-5)。将式(6-4)代人式(6-5)得：(6-6)十五863子课题验收汇报三、接触疲劳接触疲劳概念: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，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。接触疲劳的宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹，如图6-11所示。1．现象与特征十五863子课题验收汇报根据剥落裂纹起始位置及形态的差异将接触疲劳分为：

接触疲劳破坏麻点剥落(点蚀)浅层剥落深层剥落(表面压碎)深度在0.1～0.2mm的小块剥落称点蚀，剥块形状为不对称V型针状或痘状凹坑。浅层剥落深度一般为0.2～0.4mm，剥块底部大致与表面平行，裂纹沿与表面成锐角或直角扩展。深层剥落深度与表面强化层深相当(>0.4mm)，剥落时裂纹垂直于表面扩展。发生在兼有滚动和滑动纯滚动或摩擦很小表面强化层深度不够十五863子课题验收汇报第三节耐磨性及其测量方法耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。磨损量的测量有称重法和尺寸法两种：称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。有时还测量比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量一、材料的耐磨性十五863子课题验收汇报常用磨损量的倒数或用相对耐磨性(ε)表征材料的耐磨性亦称磨损系数。二、磨损试验方法磨损试验方法实物试验实验室试验条件与实际情况一致或接近。结果可靠性高，但实验周期长，单因素的影响难以掌握。周期短、成本低、易于控制各种影响因素等优点，但结果常不能直接反映实际情况，多用于研究性试验，研究单个因素的影响规律及探讨磨损机制。研究重要机件的耐磨性时，往往要兼用这两种方法。十五863子课题验收汇报第四节提高材料耐磨性的途径磨损是造成材料损耗的主要原因，也是机件3种主要失效形式(磨损、腐蚀、断裂)之一。提高摩擦副表面的强度(或硬度)及韧性，可望提高耐磨性。

一、减轻粘着磨损的主要措施1）合理选择摩擦副材料粘着互溶性小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差较远的多相或化合物材料；强度不易塑变的材料。2）避免或阻止两摩擦副间直接接触3）表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺十五863子课题验收汇报二、减轻磨粒磨损的主要措施1）若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。2）若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体。3）控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。4）对于经渗碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻磨粒磨损量。5）确定材料硬度时，应以Hm＝1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。6）单相组织的高锰钢[w(C)＝1.0％～1.3％，w(Mn)＝11％-14％]因其有很高的加工硬化能力，是公认的理想抗凿削磨损材料。

十五863子课题验收汇报三、提高接触疲劳抗力的措施1）工艺:采用真空电弧冶炼和电渣重熔等工艺提供优质纯净的材料；或钢中含有适量塑性硫化物夹杂，能将脆性氧化物夹杂包住形成共生夹杂物，降低氧化物的破坏作用，于提高材料接触疲劳抗力有益。2）组织1:对轴承钢接触疲劳性能的研究表明，未溶碳化物状态相同的条件下，马氏体含碳量在0.4％～0.5％左右时，接触疲劳抗力、寿命最高。3）组织2:在基体为马氏体的组织中，减小碳化物粒度并使之呈球状均匀分布，使基体中马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物量之间有最佳匹配，可最大限度地提高接触疲劳抗力。十五863子课题验收汇报4）材料表面硬度可部分地反映材料抗塑变能力及剪切强度的高低，因此对材料表面硬度应有最佳要求，同时还要考虑心部硬度和足够的硬化层深度，使表层材料硬度变化不要太陡。5）合理选择表面硬化工艺，在一定深度范围内保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利。6）改善接触配对副的表面状态，减少冷热加工缺陷，降低表面粗糙度，降低摩擦系数，也是有效的措施。十五863子课题验收汇报四、非金属材料的磨损特性

1)陶瓷的摩擦磨损行为对表面状态极为敏感。2)陶瓷材料抗冲蚀性能不仅与组分纯度有关，还与其制备工艺密切相关。优点:1)抗划伤能力(柔性大,硬度小)2)聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。3)高弹性又可在接触表面产生变形而不发生切削犁沟式损伤4)就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副。陶瓷聚合物十五863子课题验收汇报缺点:摩擦热使聚合物有显著的蠕变现象影响因素:载荷、速度、环境、接触精度等减小摩擦的措施:液体润滑剂;聚合物中加入二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等作润滑填料;某些情况，塑料对塑料的摩擦系数比金属对塑料低.如聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦系数几乎是所有固体摩擦副中最低的。

十五863子课题验收汇报塑料的热膨胀系数约比金属的大10倍，因此塑料轴承与钢座配合时，应视具体服役条件，仔细考虑合适的转动间隙，以避免非正常失效。以聚合物(多用聚乙烯——PTFE)为基体纤维增强的复合材料，比任何半晶化聚合物的抗磨损性能都好得多。作业P122:1、2、3十五863子课题验收汇报随堂练习题一真空题1机件正常运行的磨损过程一般分

、

和

3个阶段。2根据摩擦面损伤和破坏的形式可分

、

、

及

4类。3磨粒磨损是摩擦副的一方表面存在坚硬的

或在接触面间存在

时产生的磨损。4磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有

或因明显犁皱形成的

。二判断题1磨损类型随着滑动速度的加快而变化：粘着磨损→氧化磨损→粘着磨损。2就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副。3铅基合金轴瓦与钢轴之间滑动粘结磨损的分离面便发生在强度较弱的材料上，被剪断的材料