材料力學(xué)性能第七章

1、10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院1材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 裴立宅裴立宅材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院Email: , 10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院2第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院3n磨損是降低機器和工具效率、精確度甚至報廢的原因，磨損是降低機器和工具效率、精確度甚至報廢的原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。摩擦也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約80%的機的機件失效是磨損引起

2、的。件失效是磨損引起的。n因此，研究磨損規(guī)律，提高機件的耐磨性，對節(jié)約能因此，研究磨損規(guī)律，提高機件的耐磨性，對節(jié)約能源、減少材料消耗、延長機件壽命具有重要意義。源、減少材料消耗、延長機件壽命具有重要意義。n本章重點討論機件中常見的磨損形式，介紹其機理和本章重點討論機件中常見的磨損形式，介紹其機理和影響磨損速率的因素，并從材料學(xué)角度研究控制磨損影響磨損速率的因素，并從材料學(xué)角度研究控制磨損的途徑。的途徑。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院4第一節(jié)第一節(jié) 磨損概念磨損概念n一、磨損一、磨損n定義：定義：機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸

3、有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失，導(dǎo)致機件尺寸變化和質(zhì)量損失，造成表面損傷失，導(dǎo)致機件尺寸變化和質(zhì)量損失，造成表面損傷的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n磨損的影響因素：磨損的影響因素：n摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運動性（方式和速度）以及工作溫度。動性（方式和速度）以及工作溫度。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院5 機件的正常磨損通常分為三個階段：機件的正常磨損通常分為三個階段：10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院6二、耐磨性二、耐磨性n通常用通常用磨損量磨損量

4、表示材料的耐磨性表示材料的耐磨性n磨損量可用試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小來表示，磨損量可用試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小來表示，稱為稱為線磨損線磨損n也可用試樣體積或質(zhì)量損失率來表示，稱為也可用試樣體積或質(zhì)量損失率來表示，稱為體積磨損體積磨損或質(zhì)量磨損或質(zhì)量磨損n如果測量單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量等，稱如果測量單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量等，稱為為比磨損量比磨損量n有時還可用磨損量的倒數(shù)來表征材料的耐磨性有時還可用磨損量的倒數(shù)來表征材料的耐磨性n相對磨損性：（標準試樣的磨損量）相對磨損性：（標準試樣的磨損量）/（被測試樣的磨（被測試樣的磨損量，其倒數(shù)也稱為磨損系數(shù)損量，其倒數(shù)也稱為

5、磨損系數(shù)10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院7第二節(jié)第二節(jié) 磨損模型磨損模型n一、粘著磨損一、粘著磨損n 二、磨粒磨損二、磨粒磨損n 三、腐蝕磨損三、腐蝕磨損10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院8一、粘著磨損一、粘著磨損n磨損機理磨損機理n粘著磨損定義：粘著磨損定義：又稱咬合磨又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較小當摩擦副相對滑動速度較?。ㄤ撔∮冢ㄤ撔∮?m/s）時發(fā)生的。）時發(fā)生的。n這是由于缺乏潤滑油，摩擦副表這是由于缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實

6、際接觸大，以致接觸應(yīng)力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院9n摩擦副表面上總存在局部凸起，當摩擦副表面雙摩擦副表面上總存在局部凸起，當摩擦副表面雙方相互接觸時，即使施加較小載荷，在真實接觸方相互接觸時，即使施加較小載荷，在真實接觸面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。n如果接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則接觸面的原如果接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則接觸面的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強烈粘著（冷焊）。子彼此十分接近而產(chǎn)生強烈粘著（冷焊）。n隨后在繼續(xù)滑動時，粘著點被剪切斷并轉(zhuǎn)移至一隨后在繼

7、續(xù)滑動時，粘著點被剪切斷并轉(zhuǎn)移至一方金屬表面，然后脫落形成磨屑。方金屬表面，然后脫落形成磨屑。n一個粘著點斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后一個粘著點斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過程。也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過程。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院10右圖是粘著點強度比摩擦副一右圖是粘著點強度比摩擦副一方金屬強度高的情況，方金屬強度高的情況，此時常在較軟一方體內(nèi)產(chǎn)生剪此時常在較軟一方體內(nèi)產(chǎn)生剪斷，其碎片轉(zhuǎn)移至較硬一方的斷，其碎片轉(zhuǎn)移至較硬一方的表面上，表面上，軟方金屬在硬方表面逐步累積軟方金屬在硬方表面逐步累積最終不同金屬的摩擦副滑動

8、成最終不同金屬的摩擦副滑動成為金屬間的滑動，為金屬間的滑動，所以磨損量較大，表面較粗糙，所以磨損量較大，表面較粗糙，可能產(chǎn)生咬死現(xiàn)象?？赡墚a(chǎn)生咬死現(xiàn)象。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院112. 磨損量的計算磨損量的計算n在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，所以接觸壓縮強度近似在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，所以接觸壓縮強度近似為單向壓縮屈服強度為單向壓縮屈服強度sc的三倍。的三倍。n如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過3sc產(chǎn)生塑性變形，隨后因加工產(chǎn)生塑性變形，隨后因加工硬化而使變形終止。硬化而使變形終止。n設(shè)接觸點真實面積為設(shè)接觸點真實面積為A，接觸壓

9、縮屈服強度為，接觸壓縮屈服強度為3sc，作用于表面，作用于表面上的法向力為上的法向力為F，則有：，則有：n假定磨屑為半球形，直徑為假定磨屑為半球形，直徑為d，任一瞬時有，任一瞬時有n個粘著點，所有粘個粘著點，所有粘著點尺寸相同，直徑也是著點尺寸相同，直徑也是d，則，則n所以所以10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院12n假設(shè)磨屑的形成機率為假設(shè)磨屑的形成機率為K，則單位滑動距離內(nèi)的磨損，則單位滑動距離內(nèi)的磨損體積為：體積為：n所以：所以：n積分上式，且強度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動積分上式，且強度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動距離內(nèi)的粘著磨損體積為：距離內(nèi)的粘著磨損體積為：1

10、0/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院133 影響因素影響因素n塑性材料比脆性材料易于粘著；塑性材料比脆性材料易于粘著；n互溶性大的材料（相同金屬或晶格類型、點陣常數(shù)、電子密度、互溶性大的材料（相同金屬或晶格類型、點陣常數(shù)、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）組成的摩擦副粘著傾向大；電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）組成的摩擦副粘著傾向大；n單相金屬比多相金屬粘著傾向大；單相金屬比多相金屬粘著傾向大；n化合物比固溶體粘著傾向??；化合物比固溶體粘著傾向小；n金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬組成的摩擦副不易粘金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬組成的摩擦副不易粘著。著。n在摩擦速度一定時，粘著磨損

11、量隨法向力的增加而增加。試驗在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力的增加而增加。試驗表明接觸應(yīng)力超過材料硬度表明接觸應(yīng)力超過材料硬度H的三分之一，粘著磨損量急劇增加。的三分之一，粘著磨損量急劇增加。n在法向應(yīng)力一定時，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增加，但在法向應(yīng)力一定時，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增加，但達到某一極大值后又隨滑動速度的增加而減小。達到某一極大值后又隨滑動速度的增加而減小。n摩擦副表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)對粘著磨損有較大摩擦副表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)對粘著磨損有較大影響。影響。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院14n(1) 摩擦副配對材料的選擇摩

12、擦副配對材料的選擇n基本原則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性基本原則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。等配對。n(2) 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減輕粘著磨損。減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進行如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。n(3) 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨損控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨損大為減輕。大為減輕。改善

13、潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，以增強氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接的結(jié)合能力，以增強氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。接觸，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。4 改善粘著磨損耐磨性的措施改善粘著磨損耐磨性的措施10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院15二、磨粒磨損二、磨粒磨損n1. 磨粒磨損機理磨粒磨損機理n磨粒磨損是當摩擦副一方表磨粒磨損是當摩擦副一方表面存在堅硬的細微突起，或面存在堅硬的細微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨損

14、。粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院16n根據(jù)磨粒所受應(yīng)力大小不同，磨粒磨損分為：根據(jù)磨粒所受應(yīng)力大小不同，磨粒磨損分為：n鑿削式磨粒磨損鑿削式磨粒磨損n高應(yīng)力碾碎磨粒磨損高應(yīng)力碾碎磨粒磨損n低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損n從磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系看，若磨從磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系看，若磨粒硬度高于被磨材料的硬度，則屬于硬磨粒磨粒硬度高于被磨材料的硬度，則屬于硬磨粒磨損，反之，則為軟磨粒磨損。損，反之，則為軟磨粒磨損。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院17n主要特征是摩擦面上有明顯犁皺主要特征是摩擦面上有明顯犁

15、皺形成的溝槽，見右圖。形成的溝槽，見右圖。n在磨粒磨損時，對于韌性金屬材在磨粒磨損時，對于韌性金屬材料，每一磨粒從表面上切下的是料，每一磨粒從表面上切下的是一個連續(xù)屑；對于脆性金屬材料，一個連續(xù)屑；對于脆性金屬材料，一個磨粒切下的是許多新屑。一個磨粒切下的是許多新屑。n在碾碎性磨粒磨損時，磨粒被壓在碾碎性磨粒磨損時，磨粒被壓碎前幾乎沒有滾動和切削的機會，碎前幾乎沒有滾動和切削的機會，所以磨粒對摩擦表面的作用是由所以磨粒對摩擦表面的作用是由于磨粒接觸點處的集中壓應(yīng)力造于磨粒接觸點處的集中壓應(yīng)力造成的，這種集中壓應(yīng)力可使韌性成的，這種集中壓應(yīng)力可使韌性材料表面產(chǎn)生塑性變形。材料表面產(chǎn)生塑性變形。n

16、磨粒磨損過程可能是磨粒對摩擦磨粒磨損過程可能是磨粒對摩擦表面的切削作用，塑性變形和疲表面的切削作用，塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果，勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果，還可能是它們綜合作用的反映，還可能是它們綜合作用的反映，而以某一種損害為主。而以某一種損害為主。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院182. 磨損量的計算磨損量的計算n現(xiàn)以兩體磨粒磨損為例推導(dǎo)以切削作用為主要磨?，F(xiàn)以兩體磨粒磨損為例推導(dǎo)以切削作用為主要磨粒磨損量計算式：磨損量計算式：n根據(jù)此模型，在法向力根據(jù)此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定為作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓

17、入軟材料中。圓錐體）被壓入軟材料中。n當作用在一個凸出部分上的力當作用在一個凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接觸面除以凸出部分在水平面上投影接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強度時，則凸出部分或磨粒的壓入就會停積等于軟材料的壓縮屈服強度時，則凸出部分或磨粒的壓入就會停止下來：止下來：10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院19n凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖中陰影部分），也凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖中陰影部分），也就是磨損量就是磨損量V：n所以所以n金屬材料的屈服強度與硬度成正比，所以上式又可寫成：金屬材料的屈服強度與硬度成正比，所以上式又可寫成：10/31

18、/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院20n(1) 據(jù)實驗，金屬材料對磨粒據(jù)實驗，金屬材料對磨粒磨損的抗力與磨損的抗力與H/E成比例，成比例，H為材料硬度。為材料硬度。n彈性模量對組織不敏感，所以彈性模量對組織不敏感，所以機件抵抗磨粒磨損的能力主要機件抵抗磨粒磨損的能力主要與材料硬度成正比。所以材料與材料硬度成正比。所以材料硬度越高，其抗磨粒磨損的能硬度越高，其抗磨粒磨損的能力也越好。力也越好。3. 影響因素影響因素10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院21(2) 斷裂韌度也影響金屬磨粒磨損的耐磨性斷裂韌度也影響金屬磨粒磨損的耐磨性10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與

19、工程學(xué)院22(4) 加工硬化對金屬材料抗磨粒磨損的影響，因磨損類型不加工硬化對金屬材料抗磨粒磨損的影響，因磨損類型不同而有不同同而有不同n在低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損時，加工硬化對材料的耐磨性沒有在低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損時，加工硬化對材料的耐磨性沒有影響；影響；n在高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損時，加工硬化能顯著提高耐磨性。在高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損時，加工硬化能顯著提高耐磨性。(3) 細化晶粒由于能提高屈服強度、硬度及靜載塑性，所細化晶粒由于能提高屈服強度、硬度及靜載塑性，所以也提高耐磨性以也提高耐磨性10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院23n在磨粒硬度低于金屬硬度的軟磨粒磨損情況下，磨損在磨粒硬

20、度低于金屬硬度的軟磨粒磨損情況下，磨損機理將會變化，所以耐磨性的影響因素也會發(fā)生變化。機理將會變化，所以耐磨性的影響因素也會發(fā)生變化。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院244. 改善磨粒磨損耐磨性的措施改善磨粒磨損耐磨性的措施n(1) 對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度，這是提高耐磨性最有效的措施。度，這是提高耐磨性最有效的措施。n(2) 根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)力沖擊載荷下，要選用高錳鋼力沖擊載荷下，要選用高錳鋼Mn13，利用其高韌性和高，利用其高

21、韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。的加工硬化能力，可提高耐磨性。n(3) 采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨損耐磨性。也能有效提高磨粒磨損耐磨性。n(4) 經(jīng)常注意機件防塵和清洗，防止大于經(jīng)常注意機件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進入微米磨粒進入接觸面，也是有效措施。接觸面，也是有效措施。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院25n在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，

22、腐蝕產(chǎn)物的形成與脫落引起成與脫落引起腐蝕磨損腐蝕磨損。n腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機械磨損（粘著磨損或腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機械磨損（粘著磨損或磨粒磨損）共存，故又稱磨粒磨損）共存，故又稱腐蝕機械磨損腐蝕機械磨損。三、腐蝕磨損三、腐蝕磨損n1. 氧化磨損氧化磨損n2. 微動磨損微動磨損n3. 沖蝕磨損（又稱氣蝕）沖蝕磨損（又稱氣蝕）n4. 特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損分類：分類：10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院26（一）氧化腐蝕機理（一）氧化腐蝕機理n大氣中的機件表面總有一層氧的吸附層，當摩擦副作大氣中的機件表面總有一層氧的吸附層，當摩擦副作相對運動時，由于表面凹凸

23、不平，在凸起部位單位壓相對運動時，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴散，從而形成了氧化膜。屬內(nèi)部擴散，從而形成了氧化膜。n氧化腐蝕過程：氧化腐蝕過程：由于形成的氧化膜強度低、在摩擦副由于形成的氧化膜強度低、在摩擦副繼續(xù)作相對運動時，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝繼續(xù)作相對運動時，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨去。去。n如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損。如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損。n宏

24、觀特征：宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院27氧化磨損的速率或磨損量的影響因素：氧化磨損的速率或磨損量的影響因素：n(1) 摩擦副表面層對塑性變形的抗力；摩擦副表面層對塑性變形的抗力；n(2) 氧在金屬中的擴散速率；氧在金屬中的擴散速率；n(3) 氧化膜的性質(zhì)和厚度以及氧化膜與基體結(jié)合的牢固氧化膜的性質(zhì)和厚度以及氧化膜與基體結(jié)合的牢固程度；程度；n(4) 摩擦學(xué)參數(shù)，如接觸壓力、滑動速度、滑動距離、摩擦學(xué)參數(shù)

25、，如接觸壓力、滑動速度、滑動距離、溫度等。溫度等。n氧化磨損不一定是有害的，如果氧化磨損先于其它類氧化磨損不一定是有害的，如果氧化磨損先于其它類型磨損（如粘著磨損）發(fā)生和發(fā)展，則氧化磨損是有型磨損（如粘著磨損）發(fā)生和發(fā)展，則氧化磨損是有利的。利的。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院28（二）微動磨損機理（二）微動磨損機理n在機器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖在機器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動載荷和振動然沒有宏觀相對位移，但在外部變動載荷和振動的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動。的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動。n這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為

26、微動。這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為微動。n接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復(fù)運動接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復(fù)運動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。n特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的磨損產(chǎn)物為黑色。磨損產(chǎn)物為黑色。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院29n第一階段：第一階段：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂紋產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂紋和擴展，或去除表面污物形成粘著和粘著點斷裂；和擴展，或去除表面污物形成粘著和粘著點斷裂；n第二階段：第二階段：通過疲勞破壞或粘著點

27、斷裂形成磨屑，通過疲勞破壞或粘著點斷裂形成磨屑，磨屑形成后隨即氧化；磨屑形成后隨即氧化；n第三階段：第三階段：磨粒磨損階段，磨粒磨損又反過來加速磨粒磨損階段，磨粒磨損又反過來加速第一階段，如此循環(huán)不已則構(gòu)成了微動磨損。第一階段，如此循環(huán)不已則構(gòu)成了微動磨損。微動磨損過程有三個階段：微動磨損過程有三個階段：10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院30第三節(jié)第三節(jié) 磨損試驗方法磨損試驗方法n（1）實物試驗）實物試驗n（2）實驗室試驗）實驗室試驗n右圖是銷盤型試驗機：右圖是銷盤型試驗機：將試樣加上試將試樣加上試驗力緊壓在旋轉(zhuǎn)圓盤上，試樣可在半驗力緊壓在旋轉(zhuǎn)圓盤上，試樣可在半徑方向往復(fù)運動

28、，徑方向往復(fù)運動，n這類試驗機可用來評定各種摩擦副及這類試驗機可用來評定各種摩擦副及潤滑材料的低溫與高溫摩擦和磨損性潤滑材料的低溫與高溫摩擦和磨損性能，可做磨粒磨損和粘著磨損試驗。能，可做磨粒磨損和粘著磨損試驗。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院31n高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機主要用于評定金屬、非金屬及復(fù)高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機主要用于評定金屬、非金屬及復(fù)合材料等材料在各種條件下的摩擦磨損性能，可在改變溫度、合材料等材料在各種條件下的摩擦磨損性能，可在改變溫度、速度、負荷、摩擦配偶材料、表面粗糙速度、負荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等參數(shù)的各種度、硬度等參數(shù)的各種情況

29、下進行試驗，可測量材料摩擦溫升、摩擦系數(shù)等值。該機情況下進行試驗，可測量材料摩擦溫升、摩擦系數(shù)等值。該機適用于科學(xué)研究、教學(xué)實驗、質(zhì)量監(jiān)督、航空航天、鋼鐵冶金、適用于科學(xué)研究、教學(xué)實驗、質(zhì)量監(jiān)督、航空航天、鋼鐵冶金、塑料、陶瓷、建塑料、陶瓷、建 工建材、軍工等領(lǐng)域。該機的標準為工建材、軍工等領(lǐng)域。該機的標準為Q/01J042-2003MMS-1G高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機。銷盤式摩擦磨損試驗機銷盤式摩擦磨損試驗機(MPX-2000型型)主軸轉(zhuǎn)速范圍主軸轉(zhuǎn)速范圍 60r/min 12000r/min主軸轉(zhuǎn)速示值準確度主軸轉(zhuǎn)速示值準確度 在在 1000r/min 以下，示

30、值誤差不超過以下，示值誤差不超過 2r/min ，示，示值重復(fù)性誤差不大于值重復(fù)性誤差不大于 2r/min 。在。在 1000r/min 以上，以上，示值相對誤差不超過示值相對誤差不超過 0.2% ，示值重復(fù)性相對誤，示值重復(fù)性相對誤差不大于差不大于 0.2% 。 高溫爐溫度范圍高溫爐溫度范圍 室溫室溫 800； 高溫爐密封性能高溫爐密封性能 在連續(xù)充入氮氣（純度在連續(xù)充入氮氣（純度 99.9%以上）的條件下，爐以上）的條件下，爐內(nèi)氧氣含量應(yīng)能達到內(nèi)氧氣含量應(yīng)能達到1%以下。以下。 試驗力范圍試驗力范圍 75N450N10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院32n右圖是環(huán)塊型磨損試

31、驗機右圖是環(huán)塊型磨損試驗機n這種試驗機可測定金屬及非金屬這種試驗機可測定金屬及非金屬材料（如尼龍、塑料）在滑動狀材料（如尼龍、塑料）在滑動狀態(tài)下的耐磨性能：環(huán)形試樣安裝態(tài)下的耐磨性能：環(huán)形試樣安裝在主軸上，順時針轉(zhuǎn)動，塊形試在主軸上，順時針轉(zhuǎn)動，塊形試樣安裝在夾具上。樣安裝在夾具上。n通常試驗后測量環(huán)形試樣的失重通常試驗后測量環(huán)形試樣的失重和塊狀試樣的磨痕寬度，分別計和塊狀試樣的磨痕寬度，分別計算體積磨損以評定試驗材料的耐算體積磨損以評定試驗材料的耐磨性。磨性。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院33MHK-500型環(huán)塊磨損試驗機型環(huán)塊磨損試驗機 應(yīng)用領(lǐng)域：材料摩擦磨損性能測應(yīng)

32、用領(lǐng)域：材料摩擦磨損性能測試、對比、評定，測試結(jié)果為摩試、對比、評定，測試結(jié)果為摩擦系數(shù)及磨損量數(shù)值。擦系數(shù)及磨損量數(shù)值。技術(shù)指標：技術(shù)指標：1.接觸形式：線接觸接觸形式：線接觸2.磨損方式：純滑動磨損磨損方式：純滑動磨損3.加載方式：砝碼、杠桿加載加載方式：砝碼、杠桿加載（杠桿比（杠桿比1:10）4.載荷范圍：載荷范圍：10Kg-500Kg5.主軸轉(zhuǎn)速：主軸轉(zhuǎn)速：100-1440轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，無分，無級調(diào)速級調(diào)速10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院34n右圖為往復(fù)運動型試驗機，右圖為往復(fù)運動型試驗機，n試樣在靜止平面上作往復(fù)運動，試樣在靜止平面上作往復(fù)運動，可評定往復(fù)運動的機件，

33、如導(dǎo)可評定往復(fù)運動的機件，如導(dǎo)軌、缸套與活塞環(huán)等摩擦副的軌、缸套與活塞環(huán)等摩擦副的耐磨性。耐磨性。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院35n本機試驗拉鏈橫向及縱向張本機試驗拉鏈橫向及縱向張力作用下，能否承受規(guī)定次力作用下，能否承受規(guī)定次數(shù)之往數(shù)之往 復(fù)拉動操作。復(fù)拉動操作。n試驗時本機以等速帶動拉鏈試驗時本機以等速帶動拉鏈之拉頭，作每分鐘之拉頭，作每分鐘30 次之往次之往復(fù)運動，至規(guī)定之次數(shù)為止。復(fù)運動，至規(guī)定之次數(shù)為止。 n往復(fù)行程：往復(fù)行程：75mm n橫向夾緊裝置寬度：橫向夾緊裝置寬度：25mm n縱向夾緊裝置總重：縱向夾緊裝置總重：0.280.34kg HK-5022拉

34、鏈往復(fù)試驗機拉鏈往復(fù)試驗機 10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院36n右圖是滾子型磨損試驗機：右圖是滾子型磨損試驗機：n主要用來測定金屬材料在滑主要用來測定金屬材料在滑動摩擦、滾動摩擦、滾動滑動摩擦、滾動摩擦、滾動滑動復(fù)合摩擦及間隙摩擦情況動復(fù)合摩擦及間隙摩擦情況下的磨損量，下的磨損量，n用來比較各種材料的耐磨性用來比較各種材料的耐磨性能。能。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院37n1、最大負荷：、最大負荷：2000Nn2、負荷測量范圍：、負荷測量范圍：0300N，3002000N n3、下試樣軸轉(zhuǎn)速：、下試樣軸轉(zhuǎn)速：400，200 轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)分n4、上試樣軸轉(zhuǎn)速

35、：、上試樣軸轉(zhuǎn)速：360，180 轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)分n5、負荷刻度尺之分度值；、負荷刻度尺之分度值； 0300N，10N格，格，3002000N，50 N格格 n6、摩擦力矩測量范圍、摩擦力矩測量范圍 015牛頓牛頓.米米n7、上試樣的軸向最大移動距離土、上試樣的軸向最大移動距離土4毫毫米米 n8、雙速電動機：、雙速電動機：YD90S-4/2 （1）三）三相，相， 380V， 50周秒周秒 n（2）轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速2880、1440 轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)分 n（3）功率）功率0.85、1.1 千瓦千瓦 n9、試驗機外形尺寸：約長、試驗機外形尺寸：約長970寬寬660高高ll00 毫米毫米 M-2000型型 摩擦磨損試驗機摩

36、擦磨損試驗機 10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院38第四節(jié)第四節(jié) 金屬接觸疲勞金屬接觸疲勞n（一）接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力（一）接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力n接觸疲勞定義：接觸疲勞定義：n是機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動是機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用摩擦時，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損表面疲勞磨損或疲勞磨損或疲勞磨損。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院39根據(jù)

37、剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破壞分為：壞分為：n(1) 麻點剝落（點蝕）麻點剝落（點蝕）n (2) 淺層剝落淺層剝落n (3) 深層剝落（表面壓碎）深層剝落（表面壓碎）10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院40二、接觸應(yīng)力二、接觸應(yīng)力n兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力稱兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也稱為赫茲應(yīng)力。為接觸應(yīng)力，也稱為赫茲應(yīng)力。n按接觸面初始幾何條件不同，可分為按接觸面初始幾何條件不同，可分為線接觸與點接觸線接觸與點接觸。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院41

38、n線接觸：線接觸：n假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為R1、R2，長，長l，未變形前兩，未變形前兩者為線接觸，施加法向力后，者為線接觸，施加法向力后，因彈性變形變?yōu)槊娼佑|，接因彈性變形變?yōu)槊娼佑|，接觸面積觸面積2bl。n據(jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)據(jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)力沿力沿y軸按半橢圓柱規(guī)律分軸按半橢圓柱規(guī)律分布，見右圖，在接觸中間布，見右圖，在接觸中間（y=0）處，接觸壓應(yīng)力達）處，接觸壓應(yīng)力達到最大值，所以：到最大值，所以：10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院42n由上圖可知，接觸面有三向主應(yīng)力，由上圖可知，接觸面有三向主應(yīng)力，沿接觸深度方向的分布如右圖。沿

39、接觸深度方向的分布如右圖。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院43點接觸：點接觸：n施加法向應(yīng)力后，視兩接觸物體施加法向應(yīng)力后，視兩接觸物體形狀不同，接觸面可能是橢圓或形狀不同，接觸面可能是橢圓或圓，滾珠與軸承套圈接觸，接觸圓，滾珠與軸承套圈接觸，接觸面為橢圓，球與球或球與平面接面為橢圓，球與球或球與平面接觸，接觸面為圓。觸，接觸面為圓。n接觸面為橢圓時，見右圖，接觸接觸面為橢圓時，見右圖，接觸應(yīng)力按半橢圓球規(guī)律分布，且應(yīng)力按半橢圓球規(guī)律分布，且n對于半徑為對于半徑為R的圓球和平面的點接的圓球和平面的點接觸，按彈性力學(xué)計算，接觸圓半觸，按彈性力學(xué)計算，接觸圓半徑：徑：10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院44三、接觸疲勞破壞機理三、接觸疲勞破壞機理n（一）麻點剝落（一）麻點剝落n表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如表面有大或表面質(zhì)量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）地，易產(chǎn)生麻點剝落。物等）地，易產(chǎn)生麻點剝落。n前者因為表面最大綜合切應(yīng)力前者因為表面最大綜合切應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強度較高，后者則是材料抗剪強度較低引起的。較低引起的。10/31/2021安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院45n（二）淺層剝落（