材料磨损与耐磨材料（第3章粘着磨损）4详解课件

第一篇材料磨损基础Chapter1:材料的磨损Chapter2:固体表面结构与接触特性Chapter3:材料的磨损机理1第一篇材料磨损基础1Chapter3:材料的磨损机理

图(a)属粘着磨损，主要特征是磨损表面有细的划痕，严重时有材料转移现象．磨损产物多为片状或小颗粒，一般发生在蜗轮与蜗杆以及缸套与活塞环之间的磨损。

磨损按不同机理和条件，主要分为四大基本类型，如下图所示：2Chapter3:材料的磨损机理Chapter3:材料的磨损机理

图(b)为磨粒磨损，主要特征是磨损表面有明显的划痕或犁沟，磨损物为条状或切屑状，常见于农用犁铧、斗齿等。3Chapter3:材料的磨损机理Chapter3:材料的磨损机理

图(c)是接触疲劳磨损，主要特征为磨损表面有裂纹、小坑等，磨损产物为块状或饼状，通常在滚动轴承、齿轮的表面发生较普遍。4Chapter3:材料的磨损机理Chapter3:材料的磨损机理

图(d)为腐蚀磨损。它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点，但麻点比较光滑。磨损物为簿的碎片或粉末，典型工件如船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。5Chapter3:材料的磨损机理图Chapter3:材料的磨损机理§3.1粘着磨损§3.2磨粒磨损§3.3腐蚀磨损§3.4疲劳磨损§3.5冲蚀磨损§3.6微动磨损6Chapter3:材料的磨损机理6§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素7§3.1粘着磨损7§3.1.1粘着磨损的概念粘着磨损的过程描述：两相对滑动的表面在摩擦力作用下→表层发生塑变→表面的污染膜、氧化膜破裂→新鲜金属表面裸露→分子力使两表面焊合。①若外力克服不了焊合点及其附近的结合力咬合现象

8§3.1.1粘着磨损的概念粘着磨损的过程描述：8§3.1.1粘着磨损的概念若外力大于这种结合力，外力使结合处发生剪切断裂：剪切发生在原接触面：不发生磨损，即“零磨损”；剪切发生在强度较低的金属一方：强度较高的材料表面将粘附对摩件金属，发生“金属转移”，即发生”物质转移”。在以后的摩擦过程中，附着物碾转于对磨件的表面之间，有些粘附物在反复的摩擦中可能由金属表面脱落下来→磨屑。9§3.1.1粘着磨损的概念若外力大于这种结合力，外力使结合§3.1.1粘着磨损的概念

粘着磨损也称咬合(胶合)磨损。磨损产物通常呈小颗粒状，从一物体表面粘附到另一个物体表面上，然后在继续的摩擦过程中，表面层发生断裂，有时还发生反粘附．即被粘附到另一个表面上的材料又回到原来的表面上，这种粘附反粘附往往使材料以自由磨屑状脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成。粘着以后的断裂分离，并不一定在最初的接触表面产生。10§3.1.1粘着磨损的概念粘着磨损也称§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素11§3.1粘着磨损11§3.1.2粘着磨损一般规律粘着磨损过程一般分为三个阶段：(1)跑合阶段亦称磨合阶段(磨合磨损阶段)；(2)稳定磨损阶段；(3)急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段。如下图所示：12§3.1.2粘着磨损一般规律粘着磨损过程一般分为三个阶§3.1.2粘着磨损一般规律

(1)跑合阶段亦称磨合阶段(磨合磨损)：由于物体实际表面在微观上都是粗糙不平的，所以两固体表面的接触实际只是表面上微凸体的相互接触。当接触表面开始相对滑动时，接触与焊合的那些高微凸体将首先由于剪切而导致破坏。随着磨损过程的进行．摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积增大，相应的磨损量Q，开始时增加很快，然后逐渐变慢，见图oa段。随时间T的增加或行程的增长，磨损率下降。13§3.1.2粘着磨损一般规律(1§3.1.2粘着磨损一般规律

(2)稳定磨损阶段经过跑合，表面微观几何形状改变，接触面积增大，同时，摩擦表面加工硬化，从而建立了弹性接触条件，这时磨损已趋于稳定，磨损量Q与时间T成正比(见图ab段)，磨损率基本保持不变。14§3.1.2粘着磨损一般规律(2)稳定磨损阶段§3.1.2粘着磨损一般规律

(3)急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段见图b点以后，由于温度急剧升高或表面金属组织发生变化等原因，磨损速度急剧增加，磨损量Q剧增，工作条件恶化，机械效率降低，精度降低，出现异常的噪音与振动，最后导致零件完全失效。15§3.1.2粘着磨损一般规律(3)急剧磨损阶段亦§3.1.2粘着磨损一般规律从磨屑脱落的角度分析，下图表示粘着磨损的发展过程：图(a)为被磨表面的原始状态，表面粗糙不平，存在由于加工形成的各种缺陷。16§3.1.2粘着磨损一般规律从磨屑脱落的角度分析，下图§3.1.2粘着磨损一般规律图(b)表示两个摩擦表面相对滑动时，由于摩擦力的作用，在表层产生塑性流动(实线表示)，表层的缺陷不断扩展。表面接触部位发生金属间的粘着。17§3.1.2粘着磨损一般规律图(b)表示两个摩擦表面相§3.1.2粘着磨损一般规律图(c)表示表面层内的裂缝扩展到表面，金属从表面撕裂下来，形成磨粒。一些金属粘着在另一个金属表面。图(d)是磨损后形成的新表面。18§3.1.2粘着磨损一般规律图(c)表示表面层内的裂缝§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素19§3.1粘着磨损19§3.1.3粘着磨损分类1.按工作温度可分为低温粘着磨损和高温粘着磨损两类：（1）低温粘着磨损．按发生在摩擦面间的相对滑动速度不大(0.5m/s～0.6m/s)，表面温度不高(100—150℃)，表面间压强很高时，相互接触的微峰之间发生冷焊的粘结点。粘着点由于塑性流动产生明显的硬化，因而粘着点的强度大于摩擦副中较软金属的强度。在相对滑动时，软的金属可能从基体上脱落下来。这种粘着磨损，表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化学成分的变化，见图1.3-4(a)，图1.3-5(d)，(e)所示。20§3.1.3粘着磨损分类1.按工作温度可分为低温粘着磨§3.1.3粘着磨损分类21§3.1.3粘着磨损分类21§3.1.3粘着磨损分类（2）高温粘着磨损高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大，表面压力很高的条件下，这时微峰接触点上的瞬时温度很高。仅仅在表面的很薄一层金属发生软化，被软化的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上，沿着滑动方向形成交替的裂口、凹穴。表层的金相组织和化学成分均有明显变化。高温粘着磨损的磨屑呈薄带形．其厚度小于低温磨损的磨屑。见图1.3-4(b)，图1.3-5(a)，(b)，(c)

22§3.1.3粘着磨损分类（2）高温粘着磨损22§3.1.3粘着磨损分类23§3.1.3粘着磨损分类23§3.1.3粘着磨损分类2.粘着磨损使摩擦副表面形貌发生变化，从光学显微镜下可看到表面擦伤、材料转移、咬死焊点和疲劳点蚀等磨损形态。根据表面磨损程度可划分为5类粘着磨损：(1)轻微磨损：剪切破坏发生在粘着结合面上表面转移的材料较轻微。原因：粘着结合强度比摩擦副的两基本金属抗剪强度都弱。24§3.1.3粘着磨损分类2.粘着磨损使摩擦副表面形§3.1.3粘着磨损分类(2)涂抹(smear)

剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内，软金属涂抹在硬金属表面上形成轻微磨损。如铅基合金涂抹在钢的表面上。原因：粘着结合强度大于较软金属的抗剪强度，但小于较硬金属的抗剪强度。正压力磨损（3）擦伤(scratch/scotching)

剪切发生在软金属的亚表层内，有时硬金属表面也有划伤。如铝对钢的摩擦。擦伤时接触表面的剪切强度既大于软金属，也大于硬金属。转移到金属表面的粘着物对软金属有“犁削”作用。25§3.1.3粘着磨损分类(2)涂抹(§3.1.3粘着磨损分类（4）咬卡（咬死,seizure）

当外力不能克服界面结合强度时，摩擦副的相对运动被迫停止。这种现象叫做咬卡或咬死。粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高，而且粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。

（5）粘焊（也称胶合,scuffing/scoring）——实质是固相的焊合；塑性变形为主要起因的分子吸引造成的粘焊，这种冷焊称第一类胶合。由于摩擦热，接触表面温度升高为主要原因引起的粘焊，这种热焊称为热粘着或第二类胶合。26§3.1.3粘着磨损分类（4）咬卡（咬§3.1.3粘着磨损分类

第一类胶合的相关因素：材料性能（表面物性、表面化性、表面力性）；e.g.强度、塑性、韧性、氧化性等相对运动速度和运动方式；载荷大小和加载方式；周围环境条件（介质、温度等）。例如：用30CrMnSiA钢制成飞机起落架的轴颈和轴承，热处理后表面硬度HRC34-39。相对滑动速度0.04-0.08m/s，最大载荷12N。轴颈和轴承表面发生胶合，由于塑性变形，表层形成一定深度形变硬化层。摩擦副双方都发生撕裂现象，并产生金属磨屑，可能粘附在表面，受反复碾压。有的颗粒保留在摩擦副之间，有的在摩擦过程中剥落。27§3.1.3粘着磨损分类

第一类胶合的相关§3.1.3粘着磨损分类

在金属表层的一定深度发生明显塑性流变。流线沿摩擦方向排列，形成一定程度的织构。用X射线方法对胶合表层金属的应力进行分析：摩擦副双方的内应力均显著增加，但没有发生任何相变。用光谱法分析轴颈表面成分：没有明显的成分变化。例如：航空发动机的调速轴（12CrNi3A钢，HRC55）和它的壳体（铸铝合金，HB76）承受第一类胶合磨损。轴在壳体内平稳转动时，铝合金表面发生磨损，表面变得粗糙，发生明显失重。磨屑粘附在强度较大的钢轴表面，钢轴表面发生塑性变形和加工硬化。28§3.1.3粘着磨损分类

在金属表层的§3.1.3粘着磨损分类

第一类胶合磨损特征：破坏主要发生在软金属一方；摩擦副双方都发生撕裂现象，并产生金属磨屑磨损表面粗糙金属表层有明显塑性流变第一类胶合特点：相对滑动速度不高（～0.5m/s）；表层温度较低（～100℃）存在金属转移；磨损表面有未氧化的金属颗粒；无相变和成分变化；严重塑变，表层应力状态变化大，有时有织构；润滑有明显影响。29§3.1.3粘着磨损分类

第一类胶合磨损特征：29§3.1.3粘着磨损分类在某些条件下，发生胶合的表面也伴随氧化磨损发生。氧化磨损(即氧化膜形成)可阻止胶合的发展。但是如载荷等加重，则胶合磨损将加剧。表面层硬度增高，可防止第一类胶合发生与发展，只有在很大载荷下才能产生胶合现象。润滑状态对第一类胶合有明显影响。润滑膜的存在对胶合的发生和发展是强有力的阻碍因素。表面的液体润滑膜、固体润滑膜（氧化膜、硫化膜）等都可减轻或避免胶合发生。在宇航条件下高真空环境和地球表面不同，没有空气、氧气、二氧化碳和水汽，因此摩擦副表面不能形成具有润滑作用的氧化膜。30§3.1.3粘着磨损分类在某些条§3.1.3粘着磨损分类

第二类胶合特点：与摩擦温升有重要关系。摩擦热取决于：外部条件：e.g.接触压力、滑动速度等材料性质：e.g.热容、导热性等服役和试验条件：如散热条件、润滑情况等只有当表面摩擦温度超过相变临界点时。才产生第二类胶合。明显标志是相变引起的白亮层。试验证明白（亮）层是摩擦热引起的重结晶产物，其中含有一定数量的“摩擦奥氏体”和“摩擦马氏体”，而这些组织在试验前的材料中可能完全没有。31§3.1.3粘着磨损分类第二类胶合特点：31§3.1.3粘着磨损分类

由于摩擦表面温度很高，软化作用可能很明显。但动态分析该问题可能出现不同结果。例如，摩擦表面温升高，持续时间长，钢表面温度超过临界点，奥氏体化较为充分，在高速滑动条件下表面出现大量残余奥氏体，表面软化效果可能保持，试验后表层材料硬度就较低。但如奥氏体稳定性不大，发生γ→α相变，由于冷却速度很快，很容易得到马氏体。表面硬度没有软化反而变硬。因此摩擦磨损的动态特性研究十分重要。32§3.1.3粘着磨损分类由于摩擦表面§3.1.3粘着磨损分类例如：12Cr2Ni4A渗碳齿轮与铅锡青铜轴套构成摩擦副。相对滑动速度高达4.6m／s，局部压力500MPa。在恶劣服役条件下，表层金属因胶合被加热，齿轮表面金属熔化，并粘附在对磨件表面。由于表面温度高，齿轮表面发生明显相变，由原来α相变成γ相。因此，金属材料发生第二类胶合，耐磨性与试验前的组织与性能关系不大。由于摩擦表面温度超过临界点，原来组织已发生变化。（用试验前材料的硬度、强度等性能作为耐磨性判据不合适）。与第一类胶合不同，润滑状态(尤其是有机润滑剂．容易分解和挥发的润滑剂)对第二类胶合作用不大。33§3.1.3粘着磨损分类例如：12§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素34§3.1粘着磨损34§3.1.4粘着磨损表达式与定律粘着磨损的基本原理：固体表面的作用力：短程力：金属键、共价键、离子键2块纯金接触:金属键纯净金刚石接触:近似共价键2块岩盐接触:离子键长程力：范德华力橡胶等高分子材料表面（1）长程力的产生：两物体的分子或原子中电荷分布的涨落引起。电荷涨落形成瞬时的偶极子（磨损过程中因相对运动，偶极子时隐时现，在相邻的原子或分子中诱发出偶极子）35§3.1.4粘着磨损表达式与定律粘着磨损的基本原理：3§3.1.4粘着磨损表达式与定律两表面间的范德华力：F：粘着力h＝k/2π（h是普郎克常数）c：光速Z0：表面间距两表面间距Z0达几个nm时，可能产生范德华力（2）短程力的产生：条件：Z0<1nm金属键的形成：金属原子的结构由带正电的原子核和带负电的电子壳层组成，电离能低。36§3.1.4粘着磨损表达式与定律两表面间的范德华力：3§3.1.4粘着磨损表达式与定律

金属原子相互接近时，因相互作用金属原子的外层价电子从各原子中脱离出来，并为整个金属所共有，在整个金属中运动→电子气金属正离子与自由电子间的相互作用使金属原子结合起来→金属键霍姆从微观分析入手、确定了粘着磨损量V(mm3)的表达式:式中K—系数；P—载荷，N；H—材料硬度，MPaL—摩擦距离，m。37§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.4粘着磨损表达式与定律Archard模型：两个名义平滑的表面相遇时，实际在高的微峰体上发生接触，由于局部应力集中，在接触后使表面产生塑性流动。在接触载荷很小时，接触仅在三个点上发生。当外力增加时，接触面积增大，而摩擦副之间的表面间隙小，结果使更多的微峰接触。假设磨损是在物体表面上排出磨屑而产生的，并假设磨屑是平均半径为r的半球体．而实际接触面积为：式中：n—为接触点数38§3.1.4粘着磨损表达式与定律Archard模型：式§3.1.4粘着磨损表达式与定律

每个接触点所受的载荷为p则式中σs—材料的屈服极限。那么总的载荷应为:故由于直径按2r计算，当因切向力而产生牵引力时，只要两表面的摩擦滑动行程为2r时，就可断开接点，每个微凸体都产生一粒磨屑，若每个磨屑的体积为vi:则39§3.1.4粘着磨损表达式与定律

每个接触点所受的载荷§3.1.4粘着磨损表达式与定律表面单位摩擦滑动行程中的磨损量应为v，则若滑动行程为L，则总磨损量为V=vL，可得出

若设屈服极限与材料硬度H相等，即σs＝H，则上面公式为40§3.1.4粘着磨损表达式与定律表面单位摩擦滑§3.1.4粘着磨损表达式与定律

在粘着磨损中K表示的是一个接触微突点产生一个磨损碎屑的几率。也可以说K在所有接触微突点中，能产生磨损碎屑的接触微突点比例。

因为不可能所有接触点都成为断开的磨粒，所以假设在n个接触点中，成为磨粒(半球形)的概率为K，则41§3.1.4粘着磨损表达式与定律在粘着磨损§3.1.4粘着磨损表达式与定律由以上公式可看出，粘着磨损具有如下规律：

(1)两摩擦物体的磨损量与所加法向载荷，摩擦距离长度成正比。(2)与系数K成正比。(3)与金属的硬度或强度成反比，而与接触面积大小无关。

42§3.1.4粘着磨损表达式与定律由以上公§3.1.4粘着磨损表达式与定律

总之，增加载荷，增加滑动距离提高接触表面的温度，增加滑动速度，使润滑条件恶化，都将使粘着磨损加剧，磨损量增大。以致零部件失效。Archard模型的缺陷忽略了金属变形的物理特征及材料的变化；假设过于粗糙，不尽合理；对不同条件下的金属磨损过程不能确切说明。43§3.1.4粘着磨损表达式与定律总之，§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素44§3.1粘着磨损44§3.1.5影响粘着磨损的因素

粘着磨损影响因素很多，十分复杂。可归结为两大类：一类为材料本身的组织与特性，称为内因；另一类为摩擦副的工作环境，称为外因，二者相互影响。

一、材料组织与性能的影响第一，金属的晶体结构金属的点阵形式对粘着磨损有很大影响，其中体心立方和面心立方结构较密排六方结构耐磨性差，c／a的比值愈大，粘着倾向性愈小。45§3.1.5影响粘着磨损的因素粘着磨损影响因素很多，§3.1.5影响粘着磨损的因素第二，金属互溶性对粘着磨损的影响互溶性愈好，粘着倾向愈大。通过试验研究了铜与铁、铜与铜、铁与铁的对磨情况。试验条件为纯铁99.5％，硬度为HVl64；纯铜为99.97％，硬度HVl20，在销筒式试验机上对磨，载荷为20N。试验结果见下图。46§3.1.5影响粘着磨损的因素第二，金属互溶性对粘着磨§3.1.5影响粘着磨损的因素

相同金属配对，耐磨性差，同族金属如铁、镍耐磨性亦差。分析其原因是，在化学元素周期表中，属于相同周期或同族元素，则原子结构相同，性质相似，属无限固溶金属，摩擦区表面有高的结合能，所以粘着磨损较为严重。47§3.1.5影响粘着磨损的因素相同§3.1.5影响粘着磨损的因素

铁分别与铝、银、锌和铅等金属配对时，磨损小，耐磨性好，因为铝、银、锌和铅等与铁在周期表中，不同周期不同族，则原子结构不同，性质亦异，耐磨性好。金属学原理指出，形成固溶体的控制因素主要是原子尺寸，电子浓度，等等。用同种金属材料做摩擦副易发生粘着，相近的金属次之，相远的金属不易发生粘着。48§3.1.5影响粘着磨损的因素铁分别§3.1.5影响粘着磨损的因素第三，金属组织的影响金属组织状态对粘着磨损至关重要。金属组织的影响与塑性变形特点、晶界和晶粒的位向差等有关：（1）晶粒尺寸的影响Hall-Petch公式决定：d

→强度硬度、塑性韧性d→磨损量例如：(见右图）随晶粒尺寸增加，磨损量增加。49§3.1.5影响粘着磨损的因素§3.1.5影响粘着磨损的因素（2）铁素体F的影响F硬度低(碳钢HV50~135，合金钢HV100~270)→F

→耐磨性铁素体含量对碳钢耐磨性的影响1:0.2％CHB1232:0.4%CHB1673:0.9%CHB20150§3.1.5影响粘着磨损的因素（2）铁素体F的影响铁素§3.1.5影响粘着磨损的因素(3)珠光体P的影响片状P耐磨性>粒状P（下图是在硬度相同的条件下片状P和粒状P对45#碳钢磨损量的影响）1:粒状珠光体2:片状珠光体51§3.1.5影响粘着磨损的因素(3)珠光体P的影响1:§3.1.5影响粘着磨损的因素珠光体P形态对中碳钢耐磨性的影响中碳调质钢渗碳体为粒状，综合性能良好，但耐磨性低于未调质钢。（下图是不同温度下回火和等温处理的45#钢磨损量的变化）1:回火处理2:等温处理52§3.1.5影响粘着磨损的因素珠光体P形态对中碳钢耐磨§3.1.5影响粘着磨损的因素珠光体P形态对高碳钢（0.95%C)耐磨性的影响珠光体中渗碳体的形态粒状片状粒状片状粒状片状载荷/N4.454.456.676.678.9022.2失重/mg1.00.129.50.172.30.2磨损率/mg·cm-22.60.385.80.32130.6磨损性质轻微轻微严重轻微严重轻微（4）马氏体M的影响:马氏体，特别是高碳马氏体中有较大的淬火应力和显微缺陷，脆性较大，对耐磨性不利。如轴承钢的磨损试验表明：低温回火M耐磨性>淬火M（淬火应力、微观缺陷、脆性）53§3.1.5影响粘着磨损的因素珠光体P形态对高碳钢（0§3.1.5影响粘着磨损的因素（5）残余奥氏体A’的影响残余奥氏体A’的影响存在争议，多数有利。残余奥氏体A’在摩擦过程中存在加工硬化效应，有利于提高耐磨性不稳定的残余奥氏体A’在外力和摩擦热作用下可能转变为B或M→（体积膨胀）压应力→有利于提高耐磨性残余奥氏体A’对裂纹的扩展有阻碍作用→提高表层断裂韧性→有利于提高耐磨性残余奥氏体A’的含量过多→硬度→塑变→粘着54§3.1.5影响粘着磨损的因素（5）残余奥氏体A§3.1.5影响粘着磨损的因素

第四、硬度的影响

硬度对耐磨性的影响十分重要，也十分复杂。就粘着磨损机理而言。理想的粘着磨损材料表面应当是软些(Ⅰ)，亚表面层要硬(Ⅱ)，下面应有一层平缓过渡区(Ⅲ)，如图1.3-10。55§3.1.5影响粘着磨损的因素第四、硬度的影响§3.1.5影响粘着磨损的因素按粘着磨损的要求希望极表面层润滑性好．亚表层有良好的支撑作用，大的屈服强度，平缓过渡区可防止层状剥落的发生。对粘着磨损的硬度要求，一般表面接触应力(赫兹应力)不宜大于材料硬度的1／3，否则磨损会迅速增加。56§3.1.5影响粘着磨损的因