1-材料磨损与耐磨材料(第1章)2课件

1第一篇材料磨损根底Chapter1:材料的磨损Chapter2:固体外表构造与接触特性Chapter3:材料的磨损机理2Chapter1材料的磨损§1.1材料磨损实质及分类§1.2材料的摩擦与磨损§1.3材料磨损与磨损参量§1.3.1摩擦系统构造分析§1.3.2磨损量3§1.1材料磨损实质及分类磨损由摩擦引起、在日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在。如冶金矿山、电力工业、机械工业、农业机械、国防工业以及航空、航天等等，处处存在摩擦．处处都有磨损。4§1.1材料磨损实质及分类材料磨损是两个以上的物体摩擦外表在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温度环境等的作用使其发生外形、尺寸、组织和性能变化的过程。磨损是造成机械零件失效的主要缘由之一，对机械零件的寿命、牢靠性有极大的影响。磨损是摩擦的结果。5§1.1材料磨损实质及分类对磨损的理解：1.从磨损的特征与结果分析：任何一种磨损都发生在物体的工作外表上，不仅物体外表宏观发生变化，而且物体微观组织构造及其性能也会发生变化；同时会产生确定数量的磨损产物，造成材料损耗，能源铺张，导致机械零件失效，甚至造成重大事故和经济损失。

6§1.1材料磨损实质及分类对磨损的理解：2.从物理与化学观点分析：磨损是发生在两物体相对运动的外表，而且是在很薄的一层工作外表上，磨损过程中一个重要特征是机械能转变为热能，加热与冷却都以特殊快的速度进展，物体外表具有相当大的活性和相当高的自由能，材料外表与亚外表的组织构造和性能与材料内部不同。7§1.1材料磨损实质及分类对固体金属，当温度低时，原子活动较弱。低温变形后，外表的原子不会有多大变化；而在高的温度下，外表原子活动力气增加，材料的构造可能会消逝某种程度的重新调整与转变，结果使金属性质和能量发生变化。材料外表原子会与环境(介质)发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或化学反响，使材料外表可能产生加工硬化层或形成外表织构等，影响材料的磨损过程。整个磨损过程是一个动态过程。8§1.1材料磨损实质及分类对磨损的理解：3.从原子与作用力分析：由于相互接触的两物体外表，其中一物体外表的原子可能与另一物体外表的原子极靠近，甚至进入斥力场。在相对运动时，两外表分子就会产生能量损耗。在相对运动中有些原子将进入斥力场，而有另一些原子将离开斥力场，其变化大小，预备于接触程度。9§1.1材料磨损实质及分类当两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的位置。但原子可能被撞击出，并运动得足够远，以至进入相对外表上另一个原子场内，在那里得到新的平衡位置。即原子可以从一个物体外表上被对面的另一个物体外表俘获去。(汤姆林逊提出的磨损实质)。10§1.1材料磨损实质及分类磨损的定义：(1)英国的机械工程师协会所下定义为：由于机械作用而造成的物体外表材料的渐渐消耗。〔强调机械的作用〕(2)前苏联的克拉盖尔斯基所下的定义为：由于摩擦结合力的反复扰动而造成的材料破坏。〔强调疲乏的作用〕11§1.1材料磨损实质及分类(3)美国材料试验学会〔ASTM〕标准关于磨损的定义：由于物体的外表与相接触的物质间的相对运动造成物体外表的损伤，还常有材料的渐渐损失。〔4〕联邦德国标准对于磨损的定义：磨损是一个物体由于机械的缘由，即与另一个固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对运动，而造成的外表材料不断损失的过程。

12§1.1材料磨损实质及分类〔5〕OECD(欧洲经济合作和进展组织)关于磨损的定义：磨损是物体由于其外表相对运动，而承载外表上不断消逝材料损失的过程。由此可见，材料磨损有三大要素：1.材料的外表特性2.与另一物质〔固体、液体及气体〕的接触特性，即接触方式、力的传递、外表变形等3.相对运动13§1.1材料磨损实质及分类磨损的分类14Chapter1材料的磨损§1.1材料磨损实质及分类§1.2材料的摩擦与磨损§1.3材料磨损与磨损参量§1.3.1摩擦系统构造分析§1.3.2磨损量15§1.2材料的摩擦与磨损摩擦与磨损是两个不同的概念，两者之间既有不行分割的联系，又有本质区分。有摩擦就有磨损．没有摩擦就没有磨损。摩擦是能量的转换，磨损是材料的损耗。磨损是摩擦学争论的摩擦、磨损与润滑三大课题之一，三者之间摩擦是根源，磨损是结果，润滑是削减磨损的有效手段。磨损又是机械零件三种主要破坏形式之一，即磨损、腐蚀和断裂。16§1.2材料的摩擦与磨损目前为止对磨损的争论，主要是对运动物体外表润滑介质和环境的争论，对磨损过程物理机制、磨损动力学、磨粒的形成等争论较少。对大多数不同性质的材料，在空气中的摩擦系数相差大约不超过20倍，例如聚四氟乙烯的摩擦系数为0.05，洁净的金属为1。但磨损率差异很大，例如，聚乙烯对钢的磨损率与钢对钢磨损率之比相差105倍。17§1.2材料的摩擦与磨损表1.1-1列出一些材料的摩擦系数和磨损系数的试验数据。18§1.2材料的摩擦与磨损通常软固体比硬固体简洁磨损，而且磨损随着载荷和滑动距离的增加而增加。但是，也有例外，如聚乙烯比钢软，磨损反而小。磨损影响因素很多且特殊简洁，其中环境因素有温度、湿度及四周介质；润滑条件，工作条件像载荷、速度及运动方式；材料的成分、组织构造及工作外表的物理化学性质等诸多因素。哪一个因素有变化都会引起磨损量的转变，同时也有可能引起磨损机理发生变化。19§1.2材料的摩擦与磨损RabinOwicg等人对某些纯金属进展屡次试验，觉察摩擦系数与金属的晶体构造有关：体心立方和面心构造金属的摩擦系数大于密排六方金属。同时提出“金属共容性”的概念。所谓共容性，可用固体溶解度大小来解释；共容性大的金属摩擦副摩擦系数大。无润滑的金属摩擦副，摩擦系数一般在0.4～1.5范围内变化，金属与磨料接触组成的摩擦副，摩擦系数一般在0.5左右。大多数金属材料在空气中的摩擦系数值高于0.3，在真空中更高。20§1.2材料的摩擦与磨损从表1.1-2可看出，摩擦系数和磨损率之间没有关系，摩擦系数µ在很小范围内变化，而磨损则相差几个数量级，这说明不能用摩擦系数大小去推断磨损的大小。21§1.2材料的摩擦与磨损对金属材料，凡在铁中溶解度微小的金属或与铁组成金属间化合物的材料，因生成脆弱的共价键，有良好的抗擦伤性。而能在铁中溶解并能与铁形成原子键的金属材料则易焊合，有较差的耐擦伤性，因此选摩擦副不应选一样〔类型〕材料。22§1.2材料的摩擦与磨损晶粒大小，再结晶温度、硬度、形变率等都影响材料的摩擦与磨损。摩擦由于材料变形，要消耗能量，sah等人认为，这局部消耗的能量所占比例较大。磨损形成磨屑还要附加断裂功，与变形消耗能量相比，断裂消耗能量较小。23Chapter1材料的磨损§1.1材料磨损实质及分类§1.2材料的摩擦与磨损§1.3材料磨损与磨损参量§1.3.1摩擦系统构造分析§1.3.2磨损量24§1.3材料磨损与磨损参量磨损并不像金属等材料那样，拉、压强度是材料的一种根本不变的性质。磨损应被认为是一种系统工程，它的磨损量取决于全部参与磨损的构件和物料在各种负荷下相互作用的结果。在任何一个摩擦系统中，摩擦与磨损都是同时发生的，摩擦主要涉及到材料接触外表变形，而磨损还涉及到材料断裂和材料的迁移。25§1.3材料磨损与磨损参量承受系统分析来描述磨损过程和对有关影响因素进展分析时，先把机器或设备中所要争论的构件与其他构件分隔开。将磨损构造及其他参与磨损的物件用一个所谓系统或构造的“网络”围起来，如以以以下图所示。26§1.3材料磨损与磨损参量27§1.3材料磨损与磨损参量§1.3.1摩擦系统构造分析(1)根本元素A摩擦系统中根本元素是在相对运动中相互作用的一对摩擦外表，即运动件l、固定件2以及二者之间的润滑剂3和四周环境4，此为系统的根本组成。28§1.3材料磨损与磨损参量(2)元素的性质P各元素与摩擦有关的性质列入下表：29§1.3材料磨损与磨损参量(3)元素的相互关系R

摩擦系统中主要元素之间的相互关系,见表1.1-430§1.3材料磨损与磨损参量31§1.3材料磨损与磨损参量§1.3.2磨损量由磨损引起的材料损失量，称为磨损量。磨损量是表示物体磨损前后材料损失的量，即磨损时材料损失程度的物理量。材料磨损量的量度包括：线磨损量、体积磨损量、质量磨损量以及通常用的磨损率、耐磨性和相对耐磨性等等。32§1.3材料磨损与磨损参量(1)线磨损量在确定条件下，材料磨损前后摩擦物体外表法线方向尺寸的变化量，称为线磨损量。材料的线磨损量可用下式表示：式中△L—材料的线磨损量Li0—材料磨损前摩擦外表法线方向第i次测量长度Li1—材料磨损后摩擦外表法线方向第i次测量长度n—重复测量次数33§1.3材料磨损与磨损参量(2)体积磨损量在确定条件下，材料磨损前后的体积变化量，称为体积磨损量。通常体积磨损量用下式表示：式中d—磨损材料的密度△G—材料磨损前后失去的质量

Vi0—磨损前第i次测量的材料体积

Vi1—磨损后第i次测量的材料体积

或34§1.3材料磨损与磨损参量(3)质量(重量〕磨损量在确定条件下，材料磨损前后的质量〔重量〕的变化量称为质量〔重量〕磨损量。即指材料的质量〔重量〕损失．一般用下式表示：式中Gi0—磨损前第i次测量材料的质量〔重量〕Gi1—磨损后第i次测量材料的质量〔重量〕n—重复测量材料质量〔重量〕的次数35§1.3材料磨损与磨损参量(4)磨损率在确定〔工况〕条件下，给定的磨损过程中，材料单位摩擦距离磨损量称为磨损率。用下式表示：式中I—材料磨损率〔磨损强度〕W—总磨损量L—总摩擦距离36§1.3材料磨损与磨损参量

(5)磨损速度单位时间的磨损量，称为磨损速度，可表示为：〔6〕比磨损率单位载荷及单位磨程的磨损体积，称为比磨损率。可表示为：37§1.3材料磨损与磨损参量耐磨性与相对耐磨性：耐磨性是表示在某磨损过程中〔确定的摩擦条件下〕材料反抗磨损的力气。它是材料磨损率的倒数。即ε=1/I其物理意义是耐磨性大，说明材料反抗磨损的力气强；耐磨性小，则材料反抗磨损的力气弱。是表示材料反抗磨损力气大小的数值。38§1.3材料磨损与磨损参量由于材料磨损性能不是材料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件〔如载荷、速度、温度、环境因素等〕，材料本身性能及相互作用等有关的系统特性。因此，脱离材料的工作条件来评定材料耐磨性的好坏是没有实际意义的。所以，在评定各种材料耐磨性时，承受一种“标准”材料为参考试样，用试验材料与参考试样在一样磨损条件下试验结果来进展评定。39§1.3材料磨损与磨损参量材料的相对耐磨性定义为：在一样磨损条件下〔同一工况条件下〕．试验材料的耐磨性和标准材料耐磨性的比值。可表示为：

ε相对=标准试样的磨损量/试验试样的磨损量

=ε试验/ε标准磨损系数：相对耐磨性的倒数，称为磨损系数。K=1/

ε相对40§1.3材料磨损与磨损参量在上述这些磨损量的表示方法中，线磨损量、重量(质量)磨损量、体积磨损量都是指磨损外表的损失，它没有考虑到零件或试样的尺寸、外形以及所受载荷、速度、磨程的影响，因此是一种磨损量确定值的表示方法。相对耐磨性ε相对或磨损系数(1／ε相对)是一种无量纲的表示方法，需要承受一个相比较的标准试样，且随试样的材料及特性而变化。比磨损率是目前国内外应用较广的计算磨损的方法。这是由于它综合考虑了载荷和磨程等因素的影响。41§1.3材料磨损与磨损参量§1.3.3材料耐磨性的测定方法准确而牢靠地测定磨损试验的结果是获得材料耐磨性准确信息的保证，也是评定材料耐磨性的依据。首先，必需依据实际零件的使用状况和工作条件(即工况条件〕来选择便于模拟的磨损试验装置。然后再来确定适当的测定磨损量的仪器和评定方法。目前，对磨损量的测定方法主要有：失重法、尺寸变化法、形貌测定法、刻痕测定法及放射性同位素测定法等。42§1.3材料磨损与磨损参量1、失重法〔称重法〕这种方法比较简洁，广泛适用于各种高、低精度磨损量测定。但要留意称量前、后试样的清洗和枯燥以及适宜的称量天平的选择。一般对中等硬度材料可选万分之一克〔即0.1mg〕的天平。对某些产生不均匀磨损或局部严峻磨损的零部件〔如SG管〕，以及在磨损过程中发生粘着转移时，失重法不够准确。43§1.3材料磨损与磨损参量1、失重法〔称重法〕对于多孔性材料，在磨损过程中易进油污不易清洗，失重法误差大。对试件磨损量很小，但发生较大塑性变形，不宜用称重法。如微动磨损。比照重相差较大的材料比较磨损量时，可承受将磨损失重换算成体积变化来评定磨损结果。44§1.3材料磨损与磨损参量例如：沈阳金属所研制的球-盘式〔销-盘式〕摩擦磨损试验机〔主要针对涂镀层〕。磨痕的测量承受失重法。比照重相差较大的材料比较磨损量时〔如钛合金基材比重较小，而涂层比重较大的状况〕，将磨损失重换算成体积变化来评定磨损结果。或直接测量体积变化来评定磨损结果。另外，磨损增重问题。如〔核动力院核燃料及材料级重点国家试验室〕复合材料磨损增重。〔观看测量磨痕剖面损伤程度评定〕45§1.3材料磨损与磨损参量2、尺寸变化测定法测量摩擦外表法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。常用测量长度的仪器有：测微卡尺、螺旋测微仪、读数显微镜等。较周密的电感式测微仪的测量精度可达0.1um数量级。为便于测量，往往在摩擦外表人为做出测量基准，以此测量摩擦外表的尺寸变化。测量基准是依据试件外形尺寸，不影响试验结果设置。46§1.3材料磨损与磨损参量2、尺寸变化测定法如压印式—用硬度压头在试件外表压下凹痕，测量压痕尺寸在磨损前后的变化来评价磨损量。依据该原理的刻痕磨损测量仪可对气缸套的磨损进展测量：在气缸套确定部位横向刻月牙槽。用显微读数仪量出磨损前后的月牙槽长度变化，求出摩擦面法向尺寸变化。47§1.3材料磨损与磨损参量3、外表形貌测定法用触针式外表形貌测量仪〔轮廓仪、台阶仪〕可测出磨损前后外表粗糙度变化。这种方法能全面评价磨损外表特征，但不易定量估量出零件或试样的磨损值。该方法主要适用于磨损量特殊小的超硬材料(如陶瓷，硬涂层)的磨损或略微磨损的状况。但激光共焦扫描显微镜可定量测出试样的微小磨损值。

48§1.3材料磨损与磨损参量激光共焦扫描显微镜测量原理：先在y、z方向上〔垂直方向〕描绘出形貌轮廓后，再使被测外表相对于〔激光〕测头在x轴方向〔水平方向〕移动一个微小的距离dx，然后再测出一条外表轮廓线，这样就可以得到由一组间隔很密的轮廓线组成的三维形貌图，从而求得磨损体积。如以以以下图所示：49§1.3材料磨损与磨损参量激光共焦扫描显微镜图片50§1.3材料磨损与磨损参量4、非接触式测量法以上测量磨损量的方法都要拆卸局部机械零件。非接