第三章 磨損及磨損理論

1、第三章第三章 磨損及磨損理論磨損及磨損理論一、概述一、概述1 1、磨損定義：、磨損定義： 相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，表層材料不相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，表層材料不斷斷損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損，的現(xiàn)象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。 有些磨損是有益的，如有些磨損是有益的，如“研磨研磨”，可使零件表，可使零件表面粗糙度減小，使刀刃變得鋒利。面粗糙度減小，使刀刃變得鋒利。 但是，據(jù)統(tǒng)計(jì)，但是，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有約有80%80%左右的機(jī)械零件是由左右的機(jī)械零件是由于磨損而報(bào)廢或失效于磨損而報(bào)廢或失效。2 2、磨損研究的主要內(nèi)

2、容：、磨損研究的主要內(nèi)容：(1) (1) 主要磨損類型的發(fā)生條件、特征和變化主要磨損類型的發(fā)生條件、特征和變化規(guī)律規(guī)律; ;(2) (2) 磨損的影響因素磨損的影響因素, , 包括摩擦副材料、表包括摩擦副材料、表面形態(tài)、潤(rùn)滑狀況、環(huán)境條件面形態(tài)、潤(rùn)滑狀況、環(huán)境條件, , 以及滑動(dòng)速以及滑動(dòng)速度、載荷、工作溫度等工況參數(shù)度、載荷、工作溫度等工況參數(shù); ;(3) (3) 磨損的模型與磨損計(jì)算磨損的模型與磨損計(jì)算; ;(4) (4) 提高提高材料材料耐磨性的措施耐磨性的措施; ;(5) (5) 磨損研究的測(cè)試技術(shù)與實(shí)驗(yàn)分析方法。磨損研究的測(cè)試技術(shù)與實(shí)驗(yàn)分析方法。3 3、磨損過(guò)程、磨損過(guò)程零件的正常磨

3、損過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：零件的正常磨損過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：跑合（磨合）階段；：跑合（磨合）階段；：穩(wěn)定磨損階段；：穩(wěn)定磨損階段；：劇烈磨損階段：劇烈磨損階段：跑合（磨合）階段：跑合（磨合）階段出現(xiàn)在摩擦副的初始運(yùn)動(dòng)階段出現(xiàn)在摩擦副的初始運(yùn)動(dòng)階段，由于表面存在，由于表面存在粗糙度，微凸體接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨粗糙度，微凸體接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨損速度快。損速度快。 在一定載荷作用下，摩擦表面逐漸在一定載荷作用下，摩擦表面逐漸磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速度逐漸磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速度逐漸減慢，如圖所示。減慢，如圖所示。穩(wěn)定磨損階段：穩(wěn)定磨損階段：出現(xiàn)在摩擦副的正常運(yùn)

4、行階段。出現(xiàn)在摩擦副的正常運(yùn)行階段。經(jīng)過(guò)跑合，摩擦經(jīng)過(guò)跑合，摩擦表面加工硬化，微觀幾何形狀改變，實(shí)際接觸面表面加工硬化，微觀幾何形狀改變，實(shí)際接觸面積增大，壓強(qiáng)降低，從而積增大，壓強(qiáng)降低，從而建立了彈性接觸的條件建立了彈性接觸的條件，這時(shí)磨損已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)，如圖所示，這時(shí)磨損已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)，如圖所示，磨損量隨時(shí)磨損量隨時(shí)間增大緩慢增大間增大緩慢增大。 劇烈磨損階段：當(dāng)材料磨損量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，劇烈磨損階段：當(dāng)材料磨損量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，摩擦條件發(fā)生較大的變化，磨損速度急劇增加。摩擦條件發(fā)生較大的變化，磨損速度急劇增加。這時(shí)機(jī)械效率下降，精度降低，出現(xiàn)異常的噪音這時(shí)機(jī)械效率下降，精度降低，出現(xiàn)異常的噪

5、音及振動(dòng)，最后導(dǎo)致零件完全失效。及振動(dòng)，最后導(dǎo)致零件完全失效。* * * 從磨損過(guò)程的變化來(lái)看，為了提高機(jī)器零件的從磨損過(guò)程的變化來(lái)看，為了提高機(jī)器零件的使用壽命，應(yīng)盡量延長(zhǎng)使用壽命，應(yīng)盡量延長(zhǎng)“穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段”。二、二、磨磨損損的的分分類類1 1、粘著磨損、粘著磨損(1)(1)定義定義當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí)當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí), , 由于粘著效應(yīng)由于粘著效應(yīng)所形成的結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，接觸表所形成的結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象稱為粘著磨損；面的現(xiàn)象稱為粘著磨損；法向力和切向力共同作用的結(jié)果。法向力和切向力共同作用的結(jié)果。(

6、2) (2) 粘著磨損機(jī)理粘著磨損機(jī)理u在一定的法向載荷作用下，微凸體接觸，發(fā)生在一定的法向載荷作用下，微凸體接觸，發(fā)生塑性變形，塑性變形，產(chǎn)生粘著產(chǎn)生粘著；u在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，剪切粘著點(diǎn)，材料就會(huì)從在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，剪切粘著點(diǎn)，材料就會(huì)從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另外一表面，一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另外一表面，形成磨損形成磨損；* * * 接觸接觸- -塑性變形塑性變形- -粘著粘著- -剪斷剪斷粘著點(diǎn)粘著點(diǎn)- -材料轉(zhuǎn)移材料轉(zhuǎn)移- -再粘著，再粘著，循循環(huán)不斷進(jìn)行，構(gòu)成粘著磨損過(guò)環(huán)不斷進(jìn)行，構(gòu)成粘著磨損過(guò)程。程。u一部分轉(zhuǎn)移的材料分離，一部分轉(zhuǎn)移的材料分離，從而形成游離磨粒；從而形成游離磨粒；u再形成再形成新的

7、粘著點(diǎn)新的粘著點(diǎn)。(3)(3) 粘著磨損的分類粘著磨損的分類根據(jù)粘著點(diǎn)的根據(jù)粘著點(diǎn)的強(qiáng)度和破壞位置強(qiáng)度和破壞位置不同，粘著磨損不同，粘著磨損有幾種不同的形式，共同的特征是有幾種不同的形式，共同的特征是: :出現(xiàn)材料出現(xiàn)材料遷移，以及沿滑動(dòng)方向形成程度不同的劃痕遷移，以及沿滑動(dòng)方向形成程度不同的劃痕。a.a.輕微磨損輕微磨損粘著強(qiáng)度比摩擦副兩金屬基體剪切強(qiáng)度低粘著強(qiáng)度比摩擦副兩金屬基體剪切強(qiáng)度低；剪切發(fā)生在粘著結(jié)合面上，表面轉(zhuǎn)移的材料較輕剪切發(fā)生在粘著結(jié)合面上，表面轉(zhuǎn)移的材料較輕微；微；摩擦系數(shù)增大，但磨損量很?。荒Σ料禂?shù)增大，但磨損量很小；金屬表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂層時(shí)發(fā)生金屬表面具有

8、氧化膜、硫化膜或其他涂層時(shí)發(fā)生輕微粘著摩損。輕微粘著摩損。b.b.涂抹涂抹粘著強(qiáng)度大于摩擦副中較軟金屬的剪切強(qiáng)度，小于較粘著強(qiáng)度大于摩擦副中較軟金屬的剪切強(qiáng)度，小于較硬金屬的剪切強(qiáng)度；硬金屬的剪切強(qiáng)度；剪切破壞發(fā)生在離粘著結(jié)合面不遠(yuǎn)的較軟金屬淺層內(nèi)，剪切破壞發(fā)生在離粘著結(jié)合面不遠(yuǎn)的較軟金屬淺層內(nèi)，軟金屬涂抹軟金屬涂抹( (粘附粘附) )在硬金屬表面上；在硬金屬表面上；摩擦系數(shù)與輕微磨損差不多，但磨損程度加劇。摩擦系數(shù)與輕微磨損差不多，但磨損程度加劇。c.c.擦傷擦傷粘著強(qiáng)度比摩擦副的兩基體金屬的剪切強(qiáng)度都高；粘著強(qiáng)度比摩擦副的兩基體金屬的剪切強(qiáng)度都高；剪切主要發(fā)生在軟金屬的亞表層內(nèi)，有時(shí)也發(fā)生

9、在硬剪切主要發(fā)生在軟金屬的亞表層內(nèi)，有時(shí)也發(fā)生在硬金屬的亞表層內(nèi)，轉(zhuǎn)移到硬金屬上的粘著物又刮削軟金屬的亞表層內(nèi)，轉(zhuǎn)移到硬金屬上的粘著物又刮削軟金屬表面，使軟金屬表面出現(xiàn)劃痕，所以金屬表面，使軟金屬表面出現(xiàn)劃痕，所以擦傷主要發(fā)擦傷主要發(fā)生在軟金屬表層生在軟金屬表層，硬金屬表面也偶有劃傷。，硬金屬表面也偶有劃傷。d.d.咬合（膠合）咬合（膠合）粘著強(qiáng)度比兩金屬基體的剪切強(qiáng)度高得多；粘著強(qiáng)度比兩金屬基體的剪切強(qiáng)度高得多；粘著點(diǎn)面積較大粘著點(diǎn)面積較大時(shí)，剪切破壞發(fā)生在一個(gè)或兩時(shí)，剪切破壞發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)金屬表層深的地方，發(fā)生嚴(yán)重磨損，剪切應(yīng)個(gè)金屬表層深的地方，發(fā)生嚴(yán)重磨損，剪切應(yīng)力高于粘著結(jié)合力；力高

10、于粘著結(jié)合力；剪切應(yīng)力低于粘著結(jié)合力，摩擦副之間咬死不剪切應(yīng)力低于粘著結(jié)合力，摩擦副之間咬死不能滑動(dòng)。能滑動(dòng)。高速重載下，微凸體塑性變形大，溫度高，粘高速重載下，微凸體塑性變形大，溫度高，粘著點(diǎn)的強(qiáng)度和面積大，通常產(chǎn)生膠合磨損。著點(diǎn)的強(qiáng)度和面積大，通常產(chǎn)生膠合磨損。* * * * 這種破壞性很強(qiáng)的磨損形式，應(yīng)力求避免。這種破壞性很強(qiáng)的磨損形式，應(yīng)力求避免。(4)(4)簡(jiǎn)單粘著磨損計(jì)算簡(jiǎn)單粘著磨損計(jì)算( (ArchardArchard模型模型) )上圖為粘著磨損模型，假設(shè)摩擦副的一方為較硬上圖為粘著磨損模型，假設(shè)摩擦副的一方為較硬的材料，摩擦副另一方為較軟的材料；法向載荷的材料，摩擦副另一方為較

11、軟的材料；法向載荷W W由由n個(gè)半徑為個(gè)半徑為a的相同微凸體承受。的相同微凸體承受。則當(dāng)材料產(chǎn)生塑性變形時(shí)，法向載荷則當(dāng)材料產(chǎn)生塑性變形時(shí)，法向載荷W與較軟材料與較軟材料的屈服極限的屈服極限s之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： (1)當(dāng)摩擦副產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，且滑動(dòng)時(shí)每個(gè)微凸體上產(chǎn)當(dāng)摩擦副產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，且滑動(dòng)時(shí)每個(gè)微凸體上產(chǎn)生的磨屑為半球形生的磨屑為半球形, ,其體積為其體積為( (2/3)2/3)a3，則，則單位滑動(dòng)單位滑動(dòng)距離的總磨損量距離的總磨損量( (即體積磨損率，通常用于判斷材料即體積磨損率，通常用于判斷材料磨損的快慢程度磨損的快慢程度) )為為: :(2)式式(3)(3)是假設(shè)了各個(gè)微凸體在接觸

12、時(shí)均產(chǎn)生一個(gè)磨粒而導(dǎo)出。是假設(shè)了各個(gè)微凸體在接觸時(shí)均產(chǎn)生一個(gè)磨粒而導(dǎo)出。如果考慮到微凸體相互產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)如果考慮到微凸體相互產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)K K和滑動(dòng)距離和滑動(dòng)距離L L，則則接觸表面的粘著磨損量接觸表面的粘著磨損量表達(dá)式為：表達(dá)式為：(3)(4)由由(4)(4)式可得粘著式可得粘著磨損的三個(gè)定律：磨損的三個(gè)定律：材料磨損量與滑動(dòng)距離成正比：材料磨損量與滑動(dòng)距離成正比：適用于多種條件適用于多種條件材料磨損量與法向載荷成正比：材料磨損量與法向載荷成正比：適用于有限載荷范圍適用于有限載荷范圍材料磨損量與較軟材料的屈服極限材料磨損量與較軟材料的屈服極限s( (或硬度或硬度H H) )成反比成反

13、比由于對(duì)于彈性材料由于對(duì)于彈性材料sH/3，H為布氏硬度值，則式為布氏硬度值，則式(4)可可變?yōu)椋鹤優(yōu)椋菏街惺街蠯 K為粘著磨損系數(shù)為粘著磨損系數(shù)由由(1)(1)和和(2)(2)式，可得：式，可得：縱坐標(biāo)為縱坐標(biāo)為K/HK/H，代表單位載荷、，代表單位載荷、單位滑動(dòng)距離的磨損量，橫坐標(biāo)單位滑動(dòng)距離的磨損量，橫坐標(biāo)代表平均接觸壓力。代表平均接觸壓力。u 壓力值小于壓力值小于H/3H/3（s ），磨損率小而且保持不變，磨損率小而且保持不變( (即即K K保保持常數(shù)持常數(shù)- -磨損量與壓力成正比磨損量與壓力成正比) )；u 壓力值為壓力值為H/3H/3，各個(gè)微凸體上的塑性變形區(qū)開(kāi)始發(fā)生相，各個(gè)微凸體

14、上的塑性變形區(qū)開(kāi)始發(fā)生相互影響；互影響；u 壓力值超過(guò)壓力值超過(guò)H/3H/3，磨損量急劇增大，磨損量急劇增大( (K K值急劇增大值急劇增大) )，高，高的載荷作用下，整個(gè)表面變成塑性流動(dòng)區(qū)，發(fā)生大面的載荷作用下，整個(gè)表面變成塑性流動(dòng)區(qū)，發(fā)生大面積的粘著焊連，出現(xiàn)劇烈的粘著磨損。積的粘著焊連，出現(xiàn)劇烈的粘著磨損。式中的式中的K K代表微凸代表微凸體中產(chǎn)生磨粒的體中產(chǎn)生磨粒的概率，即粘著磨概率，即粘著磨損系數(shù)。損系數(shù)。K K值必須按不同的值必須按不同的滑動(dòng)材料組合和滑動(dòng)材料組合和不同的摩擦條件不同的摩擦條件求得求得。右表給出。右表給出了不同工況和摩了不同工況和摩擦副配對(duì)時(shí)的磨擦副配對(duì)時(shí)的磨損系數(shù)

15、損系數(shù)K K值。值。(5)(5) 粘著磨損的影響因素粘著磨損的影響因素摩擦副材料性質(zhì)的影響摩擦副材料性質(zhì)的影響a.a.脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高。塑性材料粘著點(diǎn)的破壞以塑性流動(dòng)為主，發(fā)生在塑性材料粘著點(diǎn)的破壞以塑性流動(dòng)為主，發(fā)生在表層深處，磨損顆粒大。脆性材料粘著點(diǎn)的破壞表層深處，磨損顆粒大。脆性材料粘著點(diǎn)的破壞主要是剝落，發(fā)生在表層淺處，磨損顆粒小，呈主要是剝落，發(fā)生在表層淺處，磨損顆粒小，呈磨屑狀，磨屑容易脫落磨屑狀，磨屑容易脫落, , 不堆積在表面上。不堆積在表面上。b.b. 相同金屬或相同金屬或冶金相溶性冶金相溶性大的材料摩擦副易發(fā)生大的材料摩擦副

16、易發(fā)生粘著磨損。異種金屬或冶金相溶性小的材料摩粘著磨損。異種金屬或冶金相溶性小的材料摩擦副抗粘著磨損能力較高。金屬與非金屬摩擦擦副抗粘著磨損能力較高。金屬與非金屬摩擦副抗粘著磨損能力高于異種金屬摩擦副。副抗粘著磨損能力高于異種金屬摩擦副。應(yīng)避免使用同種金屬或冶金相溶性大的金屬組成應(yīng)避免使用同種金屬或冶金相溶性大的金屬組成摩擦副摩擦副。 冶金的相冶金的相( (互互) )溶性溶性：兩種金屬能在固態(tài)互相溶解的性能。：兩種金屬能在固態(tài)互相溶解的性能。摩擦的相摩擦的相( (互互) )溶性：溶性：一定配對(duì)材料在發(fā)生摩擦和磨損時(shí)抵一定配對(duì)材料在發(fā)生摩擦和磨損時(shí)抵抗粘著的性能?？拐持男阅?。一般，一般，冶金相

17、溶性好的金屬摩擦副，其摩擦相溶性就差冶金相溶性好的金屬摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金屬摩擦副，摩擦互溶性最差。相同金屬摩擦副，摩擦互溶性最差。c.c.材料的組織結(jié)構(gòu)和表面處理材料的組織結(jié)構(gòu)和表面處理多相金屬比單相金屬的抗粘著磨損能力高；金多相金屬比單相金屬的抗粘著磨損能力高；金屬中化合物相比單相固溶體的粘著傾向小。屬中化合物相比單相固溶體的粘著傾向小。通過(guò)表面處理技術(shù)在金屬表面生成硫化物、磷通過(guò)表面處理技術(shù)在金屬表面生成硫化物、磷化物或氯化物等化物或氯化物等薄膜可以減少粘著效應(yīng)薄膜可以減少粘著效應(yīng)，同時(shí)，同時(shí)表面膜限制了破壞深度，提高抗粘著磨損的能表面膜限制了破壞深度，提高抗粘著磨損的能力。

18、力。d.d.元素周期表中的元素周期表中的B B族元素族元素，如鍺、銀、鎘、銦、，如鍺、銀、鎘、銦、錫、銻、鉈、鉛、鉍錫、銻、鉈、鉛、鉍與鐵的冶金相容性差與鐵的冶金相容性差，抗，抗粘著磨損性能好。而鐵與粘著磨損性能好。而鐵與A A族元素組成的摩擦副族元素組成的摩擦副粘著傾向大。粘著傾向大。e.e.材料的硬度材料的硬度硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強(qiáng)硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強(qiáng)，因，因?yàn)楸砻娼佑|應(yīng)力大于較軟金屬硬度的為表面接觸應(yīng)力大于較軟金屬硬度的1/31/3時(shí)，很時(shí)，很多金屬將由輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重的粘著磨損。多金屬將由輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重的粘著磨損。載荷的影響載荷的影響粘著磨損一般

19、隨法向載荷增加到某一臨界值后粘著磨損一般隨法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加。而急劇增加。當(dāng)載荷值超過(guò)材料硬度值的當(dāng)載荷值超過(guò)材料硬度值的1/31/3時(shí)，磨損急劇時(shí)，磨損急劇增加，嚴(yán)重時(shí)咬死。增加，嚴(yán)重時(shí)咬死。設(shè)計(jì)中選擇的許用壓力必設(shè)計(jì)中選擇的許用壓力必須低于材料硬度值的須低于材料硬度值的1/31/3。隨著滑動(dòng)速度的變化，磨損類型由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N隨著滑動(dòng)速度的變化，磨損類型由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。形式。如圖如圖(a)(a)所示，當(dāng)摩擦速度很低時(shí)，主要是所示，當(dāng)摩擦速度很低時(shí)，主要是氧化磨損，出氧化磨損，出現(xiàn)現(xiàn)FeFe2 2O O3 3的磨屑，的磨屑，磨損量很小磨損量很小。隨速度的增

20、大，氧化膜破裂，金屬的直接接觸，轉(zhuǎn)化為隨速度的增大，氧化膜破裂，金屬的直接接觸，轉(zhuǎn)化為粘粘著磨損著磨損，磨損量顯著增大。磨損量顯著增大?；瑒?dòng)速度再高，摩擦溫度上升，有利于氧化膜形成，又轉(zhuǎn)滑動(dòng)速度再高，摩擦溫度上升，有利于氧化膜形成，又轉(zhuǎn)為為氧化磨損氧化磨損，磨屑為，磨屑為FeFe3 3O O4 4，磨損量又減小磨損量又減小。如摩擦速度再增大，將再次轉(zhuǎn)化為如摩擦速度再增大，將再次轉(zhuǎn)化為粘著磨損粘著磨損，磨損量又開(kāi)，磨損量又開(kāi)始增加。始增加。速度的影響速度的影響圖圖(b)(b)是滑動(dòng)速度保持一定而改變載荷所得到的鋼對(duì)鋼磨是滑動(dòng)速度保持一定而改變載荷所得到的鋼對(duì)鋼磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果。損實(shí)驗(yàn)結(jié)果。載荷小產(chǎn)生

21、氧化磨損載荷小產(chǎn)生氧化磨損, , 磨屑主要是磨屑主要是FeFe2 2O O3 3；當(dāng)載荷達(dá)到當(dāng)載荷達(dá)到W W0 0后后, , 磨屑是磨屑是FeOFeO、FeFe2 2O O3 3 和和FeFe3 3O O4 4的混合物。的混合物。載荷超過(guò)臨界載荷載荷超過(guò)臨界載荷W Wc c以后以后, , 便轉(zhuǎn)入危害性的便轉(zhuǎn)入危害性的粘著磨損粘著磨損。表面溫度的影響表面溫度的影響表層溫度特性對(duì)于摩表層溫度特性對(duì)于摩擦表面的相互作用和擦表面的相互作用和破壞影響很大。表面破壞影響很大。表面溫度升高可使?jié)櫥囟壬呖墒節(jié)櫥な?，使材料硬度下失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易產(chǎn)降，摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損。生粘著磨

22、損。 上圖為溫度對(duì)膠合磨損的影響，可以看出，當(dāng)表上圖為溫度對(duì)膠合磨損的影響，可以看出，當(dāng)表面溫度達(dá)到臨界值面溫度達(dá)到臨界值( (約約8080) )時(shí)時(shí), , 磨損量和摩擦系磨損量和摩擦系數(shù)都急劇增加。數(shù)都急劇增加。影響溫度特性的主要因素是表面壓力影響溫度特性的主要因素是表面壓力p和滑動(dòng)速度和滑動(dòng)速度v，其中速度的影響更大，因此限制其中速度的影響更大，因此限制pv值是減少粘著磨值是減少粘著磨損和防止膠合發(fā)生的有效方法損和防止膠合發(fā)生的有效方法。潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的影響潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂的影響 在潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂中加人油性或極壓添加劑在潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂中加人油性或極壓添加劑能提高潤(rùn)滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能

23、成倍地能提高潤(rùn)滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。提高抗粘著磨損能力。 油性添加劑油性添加劑是由極性非常強(qiáng)的分子組成，在是由極性非常強(qiáng)的分子組成，在常溫條件下，吸附在金屬表面上形成邊界潤(rùn)滑膜，常溫條件下，吸附在金屬表面上形成邊界潤(rùn)滑膜，防止金屬表面的直接接觸，保持摩擦面的良好潤(rùn)防止金屬表面的直接接觸，保持摩擦面的良好潤(rùn)滑狀態(tài)?；瑺顟B(tài)。 極壓添加劑極壓添加劑是在高溫條件下，分解出活性元是在高溫條件下，分解出活性元素與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)，生成一種低剪切強(qiáng)度素與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)，生成一種低剪切強(qiáng)度的金屬化合物薄膜，防止金屬因干摩擦或邊界摩的金屬化合物薄膜，防止金屬因干摩擦或邊界摩

24、擦條件下而引起的粘著現(xiàn)象。擦條件下而引起的粘著現(xiàn)象。 2 2、磨粒、磨粒( (磨粒磨粒) )磨損磨損(1)定義 外界硬顆?；蛘邔?duì)磨表面上的硬突起物外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦過(guò)程中引起或粗糙峰在摩擦過(guò)程中引起表面材料脫落表面材料脫落的的現(xiàn)象現(xiàn)象, , 稱為磨粒磨損。稱為磨粒磨損。例如：掘土機(jī)鏟齒、犁耙、球磨機(jī)襯板、機(jī)例如：掘土機(jī)鏟齒、犁耙、球磨機(jī)襯板、機(jī)床導(dǎo)軌面等的磨損。床導(dǎo)軌面等的磨損。水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等與含泥沙的水之水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等與含泥沙的水之間的侵蝕磨損。間的侵蝕磨損。(2)(2)磨粒磨損分類及其磨粒磨損分類及其磨磨 損特征損特征 按摩擦表面的數(shù)目分為

25、按摩擦表面的數(shù)目分為: : 兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損 a. a.二體磨粒磨損：二體磨粒磨損：磨粒沿一個(gè)固體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)磨粒沿一個(gè)固體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損。產(chǎn)生的磨損。 磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近平行磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近平行, , 磨粒與表面接磨粒與表面接觸處的應(yīng)力較低觸處的應(yīng)力較低, , 表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。 磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近垂直時(shí)，磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近垂直時(shí)，磨粒與表面磨粒與表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞, , 在表面上磨出較深的溝槽在表面上磨出較深的溝槽, , 并有并有大顆粒材料從表面脫落。大顆粒

26、材料從表面脫落。b.b.三體磨粒磨損三體磨粒磨損 外界磨粒移動(dòng)于兩摩擦表面之間外界磨粒移動(dòng)于兩摩擦表面之間, , 類似類似于研磨作用于研磨作用, , 稱為三體磨粒磨損。稱為三體磨粒磨損。 通常三體磨損的磨粒與表面產(chǎn)生通常三體磨損的磨粒與表面產(chǎn)生極高的接觸極高的接觸應(yīng)力應(yīng)力, , 往往超過(guò)磨粒的壓潰強(qiáng)度往往超過(guò)磨粒的壓潰強(qiáng)度。這種壓應(yīng)。這種壓應(yīng)力使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲力使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞勞, , 而脆性金屬表面則發(fā)生脆裂或剝落。而脆性金屬表面則發(fā)生脆裂或剝落。鑿削式磨粒磨損鑿削式磨粒磨損特征：特征： 沖擊力大沖擊力大- -磨粒以很大的沖擊力切入金屬表面，工磨粒以

27、很大的沖擊力切入金屬表面，工件受到很高的應(yīng)力，造成表面宏觀變形，并可以件受到很高的應(yīng)力，造成表面宏觀變形，并可以從摩擦表面鑿削下金屬大顆粒，在被磨損表面有從摩擦表面鑿削下金屬大顆粒，在被磨損表面有較深的溝槽和壓痕。較深的溝槽和壓痕。 按摩擦表面所受的應(yīng)力和沖擊的大小分按摩擦表面所受的應(yīng)力和沖擊的大小分: : 鑿削式磨粒磨損、高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損和鑿削式磨粒磨損、高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損和低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損。b.b.高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損特點(diǎn)：特點(diǎn)： 應(yīng)力高應(yīng)力高- -當(dāng)磨粒夾在兩摩擦當(dāng)磨粒夾在兩摩擦表面之間，局部產(chǎn)生很高表面之間，局部產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力。的接

28、觸應(yīng)力。 磨粒所受的應(yīng)力超過(guò)磨粒磨粒所受的應(yīng)力超過(guò)磨粒的壓碎強(qiáng)度，磨粒不斷被的壓碎強(qiáng)度，磨粒不斷被碾碎，被碾碎的磨粒顆粒碾碎，被碾碎的磨粒顆粒呈多角形，擦傷金屬，在呈多角形，擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。摩擦表面留下溝槽和凹坑。c.c.低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損特征：特征： 應(yīng)力低應(yīng)力低- -磨粒作用于摩擦表面的應(yīng)力不磨粒作用于摩擦表面的應(yīng)力不超過(guò)它本身的壓潰強(qiáng)度。磨粒僅擦傷表超過(guò)它本身的壓潰強(qiáng)度。磨粒僅擦傷表面，表面有微小的切削痕跡。面，表面有微小的切削痕跡。(3)(3)磨粒磨損機(jī)理磨粒磨損機(jī)理 微觀切削假說(shuō)：微觀切削假說(shuō)：磨粒對(duì)表面產(chǎn)生切削作用。磨粒對(duì)表面產(chǎn)生切削作用。

29、 壓痕破壞假說(shuō)壓痕破壞假說(shuō)( (擦痕假說(shuō)擦痕假說(shuō)) )：磨粒壓入表面產(chǎn)生：磨粒壓入表面產(chǎn)生壓痕，滑動(dòng)時(shí)使表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，壓壓痕，滑動(dòng)時(shí)使表面產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，壓痕兩側(cè)材料受到損傷。痕兩側(cè)材料受到損傷。 疲勞破壞假說(shuō)疲勞破壞假說(shuō)：磨粒在表面產(chǎn)生交變應(yīng)力。：磨粒在表面產(chǎn)生交變應(yīng)力。(4) (4) 磨粒磨損模型：磨粒磨損模型：簡(jiǎn)單的磨粒磨損計(jì)算方法是根據(jù)微量切削假說(shuō)得簡(jiǎn)單的磨粒磨損計(jì)算方法是根據(jù)微量切削假說(shuō)得出，下圖為磨粒磨損模型。出，下圖為磨粒磨損模型。 可以將磨?？醋鍪蔷哂绣F形的硬質(zhì)顆粒在軟材可以將磨?？醋鍪蔷哂绣F形的硬質(zhì)顆粒在軟材料上滑動(dòng)，犁出一條溝。料上滑動(dòng)，犁出一條溝。假設(shè)磨粒為

30、形狀相同的圓錐體，半角為假設(shè)磨粒為形狀相同的圓錐體，半角為，錐底直徑為，錐底直徑為2 2r( (即犁出的溝槽寬度即犁出的溝槽寬度) )，載荷為，載荷為W，壓入深度，壓入深度h，滑動(dòng)距，滑動(dòng)距離為離為L(zhǎng)，屈服極限，屈服極限s s。垂直方向的投影面積為垂直方向的投影面積為r2，滑動(dòng)時(shí)只有半個(gè)錐面承受載，滑動(dòng)時(shí)只有半個(gè)錐面承受載荷，共有荷，共有n個(gè)微凸體，個(gè)微凸體，則所受的法向載荷為：則所受的法向載荷為：犁去的體積作為磨損量，犁去的體積作為磨損量，單位滑動(dòng)距離的磨損量單位滑動(dòng)距離的磨損量(磨損率磨損率)為為Q0=nhr, 因?yàn)橐驗(yàn)閞=htan ，因此：，因此：(1)如果考慮到微凸體相互作用產(chǎn)生磨粒的

31、概率數(shù)如果考慮到微凸體相互作用產(chǎn)生磨粒的概率數(shù)K和滑動(dòng)和滑動(dòng)距離距離L，并且代人材料的硬度，并且代人材料的硬度H=3=3s，則則接觸表面的磨損接觸表面的磨損量量表達(dá)式為：表達(dá)式為：式中式中K Ks s為磨粒磨損系數(shù)為磨粒磨損系數(shù)，是幾何因素，是幾何因素2/2/tan 和概率常數(shù)和概率常數(shù)K K的乘積，的乘積，K Ks s與磨粒硬度、形狀和起切削作用的磨粒數(shù)量與磨粒硬度、形狀和起切削作用的磨粒數(shù)量等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。* * * *應(yīng)當(dāng)指出，上述分析忽略了許多實(shí)際因素，例如應(yīng)當(dāng)指出，上述分析忽略了許多實(shí)際因素，例如磨粒的分布情況、材料彈性變形和滑動(dòng)前方材料堆積產(chǎn)磨粒的分布情況、材料彈性變形和滑

32、動(dòng)前方材料堆積產(chǎn)生的接觸面積變化等等。生的接觸面積變化等等。式式(2)(2)近似地適用于二體磨粒近似地適用于二體磨粒磨損。磨損。在三體磨損中，一部分磨粒的運(yùn)動(dòng)是沿表面滾動(dòng)，在三體磨損中，一部分磨粒的運(yùn)動(dòng)是沿表面滾動(dòng)，它們不產(chǎn)生切削作用，因此它們不產(chǎn)生切削作用，因此K Ks s值明顯減小。值明顯減小。由公式由公式(2)(2)可看出可看出: :粘著磨損定律也同樣適用于磨粒磨損。粘著磨損定律也同樣適用于磨粒磨損。(2)相對(duì)耐磨度相對(duì)耐磨度：標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損量和被評(píng)價(jià)試量和被評(píng)價(jià)試驗(yàn)試樣磨損量驗(yàn)試樣磨損量之比，其值越之比，其值越大，材料耐磨大，材料耐磨性越好。性越好。 材料硬度的影響：材料硬度

33、的影響：(5) (5) 影響磨粒磨損的因素：影響磨粒磨損的因素：如圖如圖(a)(a)所示，所示，磨粒磨損時(shí)，對(duì)于純金屬和退火鋼，磨粒磨損時(shí)，對(duì)于純金屬和退火鋼，其耐磨性與硬度成正比其耐磨性與硬度成正比。圖圖(b)(b)是正常淬火后，不同是正常淬火后，不同溫度回火的幾種鋼的溫度回火的幾種鋼的磨粒磨磨粒磨損試驗(yàn)損試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果。 淬火回火鋼的耐磨性隨著硬淬火回火鋼的耐磨性隨著硬度的增加而增大，但是與退度的增加而增大，但是與退火鋼相比，耐磨性的增火鋼相比，耐磨性的增大速大速度緩慢些，度緩慢些，即用淬火回火方即用淬火回火方法提高耐磨性效果不明顯法提高耐磨性效果不明顯。 相同硬度下，相同硬度下，鋼中的碳

34、含量及碳化物形成元素鋼中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越強(qiáng)。含量越高，其耐磨性也越強(qiáng)。 冷作硬化后，表層冷作硬化后，表層硬度的提高并沒(méi)有硬度的提高并沒(méi)有使耐磨性增加。所使耐磨性增加。所以以在低應(yīng)力磨損時(shí)，在低應(yīng)力磨損時(shí)，冷作硬化不能提高冷作硬化不能提高表面的耐磨性表面的耐磨性( (只只要在塑性變形的過(guò)要在塑性變形的過(guò)程中組織未發(fā)生變程中組織未發(fā)生變化化) )。 加工硬化的影響：加工硬化的影響：冷作硬化對(duì)低應(yīng)力磨粒磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)的耐磨性冷作硬化對(duì)低應(yīng)力磨粒磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)的耐磨性 應(yīng)提出的是，零件實(shí)際使用條件與上述試驗(yàn)應(yīng)提出的是，零件實(shí)際使用條件與上述試驗(yàn)條件相近時(shí)，以上結(jié)論才是適用的。條件

35、相近時(shí)，以上結(jié)論才是適用的。 如果零件在更復(fù)雜的條件下工作，如果零件在更復(fù)雜的條件下工作，如除了磨如除了磨粒磨損之外，可能還有其他因素起作用，這時(shí)就粒磨損之外，可能還有其他因素起作用，這時(shí)就不能簡(jiǎn)單套用上述結(jié)論。不能簡(jiǎn)單套用上述結(jié)論。例如，冷作硬化是提高例如，冷作硬化是提高零件疲勞強(qiáng)度的方法，由于提高了材料的表面硬零件疲勞強(qiáng)度的方法，由于提高了材料的表面硬度，這對(duì)于以度，這對(duì)于以粘著磨損為主粘著磨損為主的磨損，也能提高摩的磨損，也能提高摩擦副的相對(duì)耐磨性。擦副的相對(duì)耐磨性。 以上所述是指冷作硬化對(duì)以上所述是指冷作硬化對(duì)低應(yīng)力磨粒磨損低應(yīng)力磨粒磨損時(shí)時(shí)的耐磨性的影響。的耐磨性的影響。 u對(duì)于對(duì)于

36、高應(yīng)力磨粒磨損高應(yīng)力磨粒磨損，加工硬化后的硬度愈高，加工硬化后的硬度愈高，其耐磨抗力也愈高其耐磨抗力也愈高。u高錳鋼淬火后為軟而韌的奧氏體組織，當(dāng)受低高錳鋼淬火后為軟而韌的奧氏體組織，當(dāng)受低應(yīng)力磨損時(shí)，它的耐磨性不好，而在高應(yīng)力磨應(yīng)力磨損時(shí)，它的耐磨性不好，而在高應(yīng)力磨損的場(chǎng)合，它具有特別高的耐磨性。這是由于損的場(chǎng)合，它具有特別高的耐磨性。這是由于奧氏體在塑性變形時(shí)其加工硬化率很高，同時(shí)奧氏體在塑性變形時(shí)其加工硬化率很高，同時(shí)還因?yàn)槠溥€因?yàn)槠滢D(zhuǎn)變?yōu)楹苡驳鸟R氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楹苡驳鸟R氏體。綜合和所述綜合和所述, 提高鋼材硬度的方法有改提高鋼材硬度的方法有改善合金成分、熱處理或冷作硬化等三種。善合金成分、

37、熱處理或冷作硬化等三種。而材料抗磨粒磨損的能力與硬化方法有關(guān)，而材料抗磨粒磨損的能力與硬化方法有關(guān)，所以必須根據(jù)各種提高硬度的方法來(lái)考慮所以必須根據(jù)各種提高硬度的方法來(lái)考慮耐磨性與硬度的關(guān)系。耐磨性與硬度的關(guān)系。相對(duì)硬度影響：相對(duì)硬度影響：磨粒磨損取決于磨粒磨損取決于磨粒硬度磨粒硬度H0與試件與試件材料硬度材料硬度H比值比值: :： H0 0.7H 時(shí)，輕微磨時(shí)，輕微磨損階段。損階段。 ： 0.7H H0 H H，氧化膜容易破碎，產(chǎn)生磨損。氧化膜容易破碎，產(chǎn)生磨損。H H0 0 H H，小變形，氧化膜和基體金屬同時(shí)變形，小變形，氧化膜和基體金屬同時(shí)變形，氧化磨損?。蛔冃瘟看?，則氧化膜容易破碎，

38、氧化磨損??；變形量大，則氧化膜容易破碎，產(chǎn)生磨損。產(chǎn)生磨損。H H0 0與與H H都很高都很高，載荷引起的變形小，氧化膜不易，載荷引起的變形小，氧化膜不易破碎，耐磨性好，如破碎，耐磨性好，如CrCr2 2O O3 3。d.d.潤(rùn)滑狀態(tài)的影響潤(rùn)滑狀態(tài)的影響 潤(rùn)滑油（脂）隔絕表面與空氣中氧的直接接觸，潤(rùn)滑油（脂）隔絕表面與空氣中氧的直接接觸，減緩氧化膜的生成速度；但油脂與氧的反應(yīng)，減緩氧化膜的生成速度；但油脂與氧的反應(yīng)，生成酸性氧化物，會(huì)腐蝕摩擦面。生成酸性氧化物，會(huì)腐蝕摩擦面。 利用危害性小的腐蝕磨損以防止危害性大的粘利用危害性小的腐蝕磨損以防止危害性大的粘著磨損著磨損- -在潤(rùn)滑中加入腐蝕性在

39、潤(rùn)滑中加入腐蝕性極壓添加劑極壓添加劑，提高，提高油膜強(qiáng)度。油膜強(qiáng)度。(4)(4)特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損: : 金屬表面與酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)腐金屬表面與酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)腐蝕作用而造成的磨損。蝕作用而造成的磨損。 磨損的機(jī)理與氧化磨損相似磨損的機(jī)理與氧化磨損相似, , 但但腐蝕磨損速度腐蝕磨損速度較快，磨損痕跡較深較快，磨損痕跡較深, , 磨損量也較大磨損量也較大。磨屑呈。磨屑呈點(diǎn)狀和絲狀。點(diǎn)狀和絲狀。 特殊介質(zhì)腐蝕磨損的影響因素特殊介質(zhì)腐蝕磨損的影響因素a.a.介質(zhì)性質(zhì)和溫度的影響介質(zhì)性質(zhì)和溫度的影響 鋼的鋼的磨損率隨介質(zhì)腐蝕性、溫度的增大加快磨損率隨介質(zhì)腐蝕性、

40、溫度的增大加快。b.b.合金元素的影響合金元素的影響 鎳、鉻、鈦鎳、鉻、鈦等在特殊介質(zhì)作用下，易形成等在特殊介質(zhì)作用下，易形成鈍化鈍化膜膜，減輕腐蝕磨損。，減輕腐蝕磨損。 鎢、鉬在鎢、鉬在500500CC以上，以上，表面生成保護(hù)膜，是表面生成保護(hù)膜，是抗抗高溫腐蝕磨損的重要金屬材料高溫腐蝕磨損的重要金屬材料。 鎘、鉛鎘、鉛等容易被潤(rùn)滑油里的酸性物質(zhì)腐蝕。等容易被潤(rùn)滑油里的酸性物質(zhì)腐蝕。 銀、銅銀、銅等在等在溫度不高溫度不高時(shí)，與油中硫化物生成硫時(shí)，與油中硫化物生成硫化物膜，能起減摩作用，但化物膜，能起減摩作用，但高溫時(shí)高溫時(shí)膜易破裂。膜易破裂。 5.5.氣蝕氣蝕: : 定義：定義：氣蝕是固體表

41、面與液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生氣蝕是固體表面與液體相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的表面損傷。的表面損傷。 氣蝕的機(jī)理：氣蝕的機(jī)理： 表面壓力低于液體蒸汽壓，表面形成氣泡，氣表面壓力低于液體蒸汽壓，表面形成氣泡，氣泡潰滅，產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，沖擊力反泡潰滅，產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，沖擊力反復(fù)作用，材料發(fā)生疲勞脫落，表面出現(xiàn)小凹坑，復(fù)作用，材料發(fā)生疲勞脫落，表面出現(xiàn)小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀。進(jìn)而發(fā)展成海綿狀。* * * 由于沖擊應(yīng)力造成的表面疲勞破壞，但液體的由于沖擊應(yīng)力造成的表面疲勞破壞，但液體的化學(xué)和電化學(xué)作用、液體中含有磨粒等都能加化學(xué)和電化學(xué)作用、液體中含有磨粒等都能加速氣蝕的破壞過(guò)程。速氣蝕的破壞過(guò)程。 防止氣蝕的措施：防止氣蝕的措施： 減少氣蝕的有效措施是防止氣泡的產(chǎn)生。減少氣蝕的有效措施是防止氣泡的產(chǎn)生。 液體中運(yùn)動(dòng)的液體中運(yùn)動(dòng)的表面具有流線形表面具有流線形，避免在局部出，避免在局部出現(xiàn)壓力低的渦流區(qū)；現(xiàn)壓力低的渦流區(qū)； 減少液體中的含氣量和液體流動(dòng)中的擾動(dòng)。減少液體中的含氣量和液體流動(dòng)中的擾動(dòng)。 選擇適當(dāng)?shù)牟牧希哼x擇適當(dāng)?shù)牟牧希簂強(qiáng)度和韌性高的金屬材料、非金屬材料強(qiáng)度和韌性高的金屬材料、非金屬材料如如橡膠、尼龍等；橡膠、尼龍等；l提高材料的抗腐蝕性。提高材料的抗腐蝕性。