材料力學(xué)性能第七章-金屬的磨損

1、第七章金屬磨損和接觸疲勞金屬的磨損與接觸疲勞磨損是降低機器工作效率、準確度甚至使其報廢的一 個重要原因，同時也增加了材料的消耗。因此，生產(chǎn) 上總是力求提高零件的耐磨性，從而延長其使用壽命。主要內(nèi)容（曆損的枇念曆損的撲媲 a狽試驗方床J （僉爲接欷撤勞§ 7.1磨損概念一、（摩擦）磨損1 定義機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸分離出磨屑，使表面材料逐漸流失、造成表面損傷的現(xiàn)象0亠飛機起落架高性能炭/炭航空制動材料的制備技術(shù)黃伯云：國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎ini2. 影響因素摩擦副材料.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。磨損是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程材料的磨損是在

2、摩擦力作用下受環(huán)境介質(zhì)、材 料特性、表面形貌等眾多因素影響的一個復(fù)雜的、 變化的、兼具物理和化學(xué)特點的力學(xué)行為 過程。機件正常運行的磨損過程丿(a)磨損量與時間或行程關(guān)系曲線;(b)磨損速率與 時間或行程關(guān)系曲線丿磨損的分類方法沖蝕磨損 疲勞磨損 微動磨損 腐蝕磨損§ 7_2磨損模型1 磨損機理A定義：在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較?。ㄤ撔∮趌m/s）時發(fā)生的，A原因：缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，J位法向載荷很大，&%又稱咬合磨損粘著磨損的基本過程壓力作用一塑性變形、局部溫度升高一粘著（焊接） >摩擦力“撕脫、剪切一材料轉(zhuǎn)移圖7-3粘著翕損過程示意圖7-3

3、粘著翕損過程示意粘著-> 剪斷-轉(zhuǎn) 移-再粘著圖7-3粘著翕損過程示意2重要特征:A轉(zhuǎn)移膜、化學(xué)成分變化機件表面有大小不等的結(jié)疤Figure 3. Wear mechanism in a) the AISI 304 steel and. b) calcium titanate coated AIS! 304 steel in pin on disc test using a bovine pin as a counterpart in dry conditions粘著點強度與兩摩擦 副強度相比大于一方f相同金屬 間滑動iniA低于兩者磨損量小A大于兩者A圖73粘著康損過程示意丿3. 磨損

4、量的計算由阿查得(j.F.Archard)提出的粘著磨損量估算方法計算可得總滑動距離內(nèi)的粘著磨損體積為式中l(wèi)f總、滑動距離；%單向壓縮屈服強度; K磨屑形成幾率；材料的斷后伸長率。4. 影響因素嚴材料特性塑性材料、互溶性大的材料、單相金屬、固溶體、金屬與金屬摩擦副在V滑動一定時，F(xiàn)T、V?o F>1/3H, VTT-滑動速度在F定時，V滑動b V先f后JA表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)硬度及載荷的影響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， 如圖所示，場勺比值實際上是材料硬度與許用壓力的關(guān)系。 當載荷值超過材料硬度值的1/3時，磨損急劇增加，嚴重時 咬死。因此設(shè)計中選擇的許

5、用壓力必須低于材料硬度值的1/3。平均接觸壓力lOOMPa的增加而增加，在達到某一極大值后，又 隨著滑動速度的增加而減少。下圖為摩擦電 001XEQ 二2?、*吳殺在壓力一足的情況下, 粘著磨損隨滑動速度速度不太高的范圍內(nèi), 鋼鐵材料的磨損隨摩 擦速度、接觸壓力的 變化規(guī)律。磨損量與滑動速度、接觸壓力的關(guān)系曲線I0310210上圖為溫度對膠合磨損的影響，可以看出,表面溫度的影響表面溫度升高可使?jié)櫥?膜失效，使材料硬度下 降，摩擦表面容易產(chǎn)生 癌著磨#員。當表面溫度達到臨界值（約80°C）時，磨損量 和摩擦系數(shù)都急劇增加。潤滑油、潤滑脂的影響在潤滑油潤滑脂中加人油性或極壓添加劑能提高潤

6、 滑油膜吸附能力及油膜強度，能成倍地提高抗粘著磨 損能力。油性添加劑是由極性非常強的分子組成，在常溫條件 下，吸附在金屬表面上形成邊界潤滑膜，防止金屬表 面的直接接觸，保持摩擦面的良好潤滑狀態(tài)。極壓添加劑是在高溫條件下，分解出活性元素與金屬 表面起化學(xué)反應(yīng)，生成一種低剪切強度的金屬化合物 薄膜，防止金屬因干摩擦或邊界摩擦條件下而引起的A5. 改善粘著磨損耐磨性的措施(D選擇粘著傾向較小的摩擦副配對材料互溶性小、表面易形成化合物、金屬與非金屬配對(2) 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)滲硫、滲氮、磷化、氮碳共滲等。(3) 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力改善潤滑條件，增強表面氧化膜穩(wěn)定性丿二、磨粒

7、磨損1. 磨粒磨損機理定義：當摩擦副一方表面 存在堅硬的細微突起，或 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。兩體磨粒磨損三體磨粒磨損b)丿丿圖i兩體和三體li粒iris w 誹虜曲損丿廠丿廠磨粒磨損的分類根據(jù)磨粒所受應(yīng)力大小不同:A鑿削式磨粒磨損”高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損»低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損根據(jù)磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系:硬磨粒磨損TiN涂層人工膝關(guān)節(jié)軟磨粒磨損丿磨粒磨損的特征-特征：明顯犁皺形成的溝槽剪切、犁皺或切削韌性材料，連續(xù)屑；脆性材料,斷屑在碾碎性磨粒磨損時，集中壓應(yīng) 力，塑性變形或脆性斷裂磨粒磨損過程切削作用，塑性變形和疲勞破壞丿丿作用或脆性斷裂20kUX35

8、Q 50Mm 活 h2丿磨損量的估算圖7-6磨粒磨損示意圖Fl tan0T磨粒磨損量與法向力、摩擦距離成正比與材料硬度 成反比，與硬材料凸出部分和磨粒形狀有關(guān)J丿丿3.影響因素A硬度與H/E成比例0200400600 800硬度HV硬度和Kic配合最佳時，耐磨性最高顯微組織斷裂韌度Ky圖7-8耐磨性、硬度與斷裂 韌度關(guān)系示意圖組織硬度、細化晶 粒.加工硬化磨粒硬度對磨損的影響區(qū):HavH,磨損量最小>n區(qū)：Ha=H,過渡區(qū)，直線天糸區(qū)：Ha>H,磨損量較大，1317區(qū)：硬度是控制因素疲勞、嚴重變形I硬磨粒磨損«硬度控制inI區(qū)：通過表面嚴重變形， 疲勞而發(fā)生，硬度是次要

9、因素。圖7-9磨損體積與硬度比（磨粒硬度與材料硬度比）的關(guān)系3. 改善磨粒磨損耐磨性的措施(1)增加材料硬度»(2)根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料H3)采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理>(4)經(jīng)常注意機件防塵和清洗丿丿WD35 5 mmGF6 SEM Lab5/20/2008 HV12 38:59 PM 30 00 kV鋁合金材質(zhì)的軸瓦，軸是灰鐵材質(zhì)。轉(zhuǎn)速為300rpmo運行10 秒抱死，接觸面有潤滑油。最終判斷為鋁片進入導(dǎo)致。沖蝕磨損"定義：流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對 材料表面進行沖擊所造成的磨損。廠分類：氣固沖蝕、流體沖蝕、液滴沖蝕和氣蝕磨損

10、現(xiàn)象：短程溝槽、沖蝕坑、微小裂紋 嚴塑性材料，短程微切削；脆性材料，裂紋形成與快速擴展影響因素：沖擊角、粒子性態(tài)、材料硬度丿腐蝕磨損A定義：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)物的形成和脫落引起腐蝕磨損 -分類：氧化磨損、特殊介質(zhì)腐蝕磨損微動磨損廠定義：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。特征：嵌合和緊配合處，微小滑動§ 8.3磨損試驗方法1 磨損試驗方法零件磨損試驗：以實際零件在機器實際工作條件下進行 試驗。試驗具有真實性和可靠性，但其試驗結(jié)果是結(jié)構(gòu), 材料、工藝等多種因素的綜合表現(xiàn)，不易進行單因素的 考察。試樣

11、磨損試驗：將欲試驗的材料加工成試樣，在規(guī)定的 試驗條件下進行試驗，它一般多用于研究性試驗，可以 通過調(diào)整試驗條件，對磨損某一因素進行研究，以探討 磨損機制及其影響規(guī)律。8-3磨扌員試驗方法8.3磨損試驗方法3. 磨損量的測量稱重法：根據(jù)試樣在試驗前后的重量變化，用精密分析天 平稱量，來確定磨損量。它適用于形狀規(guī)則和尺小的試樣 和在摩擦過程中不發(fā)生較大塑性變形的材料。尺寸法：根據(jù)表面法向尺寸在試驗前后的變化來確定磨損 量。為了便于測量，在摩擦表面上選一測量基準，借助長 度測量儀器及工具顯微鏡等來度量摩擦表面的尺寸。§ 7.3磨損試驗方法還要測量什么？A摩擦系數(shù)A摩擦副、潤滑材料A不同載

12、荷形式、載荷大小、速度、溫度、介質(zhì)丿磨損量越小，耐磨性越高。嚴磨損量：線磨損；體積磨損；質(zhì)量磨損。廠相對耐磨性:標準試樣的磨損巻 被測試樣的磨損乍，摩擦系數(shù)28M>Position/pm-v-0.01.40L：151Mirrl/Zpm20.010.00°r /-10.0 ；/-20.0-)z -0.0卜400.0 Ypm t'、200.006 08 1.0Xmm磨痕輪廓線怖啊卅的耐H ME。摩擦系數(shù)變化技術(shù)指標:1接觸形式：線接觸2磨損方式:純滑動磨損3加載方式：袪碼.杠桿加載（杠桿比1:10）4載荷范圍:10kg-500kg5主軸轉(zhuǎn)速：100-1440轉(zhuǎn)/分，無級調(diào)速

13、MHK-500型環(huán)塊磨損試驗機主軸轉(zhuǎn)速:60r/min 12000r/min主軸轉(zhuǎn)速示值準確度：士 2r/min高溫爐溫度范圍:室溫 800°C;高溫爐密封性能:在連續(xù)充入氮氣（純度99.9%以上）的條件下，爐內(nèi)氧氣含量應(yīng)能達到1%以下 最大負荷:2000N銷盤式摩擦磨損試驗機(MPX-2000 型)丿四球摩擦試驗機該機主要是以滑動摩擦的 形式，在極高的點接觸壓 力條件下評定潤滑劑的承 載能力。包括最大無卡咬 負荷PB、燒結(jié)負荷PD、 綜合磨損值ZMZ等三項指 標。該機還可以做潤滑劑 的長時抗磨損試驗，測定 摩擦系數(shù)，記錄摩擦力和 溫度曲線。德國布魯克公司UMT系列多功能材料力學(xué) 測

14、試系統(tǒng)UMT系列產(chǎn)品主要用于從 納米、顯微及宏觀水平上, 對各種材料，薄膜/涂層/改 性層，固態(tài)或液態(tài)的潤滑 層，潤滑油和潤滑劑的力 學(xué)、摩擦學(xué)研究及其評價 的測試系統(tǒng)。被測樣品可 以是尺寸直徑從納米尺度 （如納米碳管）到幾百毫 米的任何形狀物體。橡膠輪磨粒磨損試驗序號試驗條件材料或參數(shù)1橡膠輪材料氯丁橡膠2磨料50-70目石英砂3輪緣速度140m/min4摩擦行程1000 轉(zhuǎn)，550-660m5載荷壓力130N6試樣尺寸50 x 75 x 10mm34磨輪；5橡膠輪緣；6試 樣；7碼；8杠桿345圖沖蝕磨損試驗10-18噴砂試驗原理示意圖1 一噴砂槍；2噴嘴：3試樣；4一橡膠保護板；5一電磁

15、盤高溫沖蝕磨損試驗1- 砂量調(diào)節(jié)桿2- 砂斗3 -進砂管4 -電阻爐5-砂氣混合室6 -排氣管7-8-載氣預(yù)熱管9. 11-熱電偶10-噴管GW/CS - MS裝置結(jié)構(gòu)簡圖43§ 7.4金屬接觸疲勞A形態(tài)特征：小針狀或痘狀凹坑,一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力1. 接觸疲勞定義：機件兩接觸面作滾動或 滾動加滑動摩擦?xí)r，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)致局部區(qū)域 產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而 使材料損失的現(xiàn)象貝殼狀A(yù)根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，分為:A(l)麻點剝落(點蝕)> (2)淺層剝落> (3)深層剝落(表面壓碎)2. 接觸應(yīng)力A兩物體相互接觸時，在

16、表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力稱 »線接觸（齒輪）與點接觸（滾珠軸承）為接觸應(yīng)力,也稱為赫茲應(yīng)力線接觸:"假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為 Ri、R2,長1,線接觸-面接 觸（面積2bl）圖7-15兩圓柱體滾動接觸時 的應(yīng)力狀況和應(yīng)力分布azmax= 0418彈性力學(xué)，接觸壓應(yīng)力沿y軸 按半橢圓柱規(guī)律分布，y=0處, 達到最大值：丿4545745沿Z軸，z = O780心45。達最大值0b2b36接總課度z&歹 45° max=（03033）嘰脈動切應(yīng)力沿接觸深度的主應(yīng)力和最大 切應(yīng)力分布Z軸周邊，z = 0.5b, y = ±0-85/?,TQmax = 0

17、.256crzmax, 對稱循環(huán)切應(yīng)力點接觸:才接觸面可能是橢圓或圓，橢圓時，接觸應(yīng)力按半橢圓球 規(guī)律分布十2“2久y丄彳呼»對于半徑為R的圓球和平面的點 接觸，接觸圓半徑：圖7-18接觸面上壓應(yīng)力的橢圓分布0.7 8$,廠艸。達最大值計 FR3/FE2b = 11 J耳nwc = 0* 388 J R2丿接觸壓應(yīng)力：表面最大，沿z減小圖7-15兩圓柱體滾動接觸時 的應(yīng)力狀況和應(yīng)力分布切應(yīng)力：表層下（0.786b或0. 5b) t yz45o 或 t °存在滑動摩擦，切向力+主切應(yīng)力T最大綜合切 應(yīng)力移向表面 U二0移到表面。（麻點）二、接觸疲勞破壞機理1 麻點剝落（點蝕）

18、起源于表面，0.1-0.2mm 深，針狀或痘狀凹坑介表面最大綜合切應(yīng)力廬滾動+滑動f)5b）初始裂紋擴展d）二次裂紋擴展f）鋸齒形表面® 7-19麻點剝落形成過程示意圖3）初始裂紋形成C）二次裂紋形成e）形成磨屑2.淺層剝落起源于亞表面層，0.204mm 深-接觸應(yīng)力反復(fù)作用非金屬夾雜物附近13軸承滾道表面剝落，可見夾雜物71777Z卜 aO.50a)圖 7-20淺層剝落過程示意圖3）在05b處形成交變塑性變形區(qū)b）形成裂紋c）裂紋擴展剝落3.深層剝落（壓碎性剝落）>起源于表面硬化過渡區(qū)> 0.4mm/ / / / / /a)/7/裂紋形成后沿過渡區(qū)平 行擴展，而后再垂直于 表面擴展，最后形成較 深的剝落坑。圖7-21深層剝落過程示意圖a）在過渡區(qū)產(chǎn)生塑性變形b）在過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋形成大塊剝落三、接觸疲勞試驗方法接觸疲勞曲線-N叫和是按赫茲公式計算出