第七章材料力學(xué)性能

1、第七章第七章金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞 機器運轉(zhuǎn)時機件間因相對運動機器運轉(zhuǎn)時機件間因相對運動產(chǎn)生的摩擦而磨損。產(chǎn)生的摩擦而磨損。磨損是降低機器和工具效率、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成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。要原因。 摩擦磨損消耗能源的三分之一摩擦磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約到二分之一，大約80%的機件失的機件失效是磨損引起的。效是磨損引起的。因此，研究磨損規(guī)律，提高機因此，研究磨損規(guī)律，提高機件的耐磨性，對節(jié)約能源、減少件的耐磨性，

2、對節(jié)約能源、減少材料消耗、延長機件壽命具有重材料消耗、延長機件壽命具有重要意義。要意義。 磨損概念磨損概念 磨損過程磨損過程 耐磨性及試驗方法耐磨性及試驗方法 提高耐磨性的措施提高耐磨性的措施第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞1 磨損的基本概念磨損的基本概念一、摩擦一、摩擦兩個相互接觸的物體在外力作用兩個相互接觸的物體在外力作用下發(fā)生相對運動或具有相對運動下發(fā)生相對運動或具有相對運動趨勢，接觸面上具有阻止相對運趨勢，接觸面上具有阻止相對運動或相對運動趨勢的作用，這種動或相對運動趨勢的作用，這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象稱為摩擦摩擦力同接觸法向壓力及摩擦系摩擦力同接觸法向壓力及摩擦系數(shù)成正

3、比。數(shù)成正比。 Fp 二、磨損二、磨損機件表面相接觸并作相對運動時，機件表面相接觸并作相對運動時，由于摩擦使摩擦表面逐漸有微小由于摩擦使摩擦表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面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，造成表面損傷的化和質(zhì)量損失，造成表面損傷的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。1.定義定義2.磨屑形成磨屑形成磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。裂的結(jié)果。靜強度的基本理論也基本適用靜強度的基本理論也基本適用于磨損過程分析。于磨損過程分析。1 磨損的基本概念磨損的基本概念磨損是發(fā)生在材料表面的局部磨損是發(fā)生在材料

4、表面的局部變形與斷裂，這種變形與斷裂是變形與斷裂，這種變形與斷裂是反復(fù)進行的，具有動態(tài)特征。一反復(fù)進行的，具有動態(tài)特征。一旦磨屑形成，該過程就轉(zhuǎn)入下一旦磨屑形成，該過程就轉(zhuǎn)入下一循環(huán)。循環(huán)。在磨損過程中材料還將發(fā)生一在磨損過程中材料還將發(fā)生一系列物理、化學(xué)狀態(tài)的變化。如系列物理、化學(xué)狀態(tài)的變化。如因表面材料的塑性變形引起的形因表面材料的塑性變形引起的形變硬化及應(yīng)力分布的改變；因摩變硬化及應(yīng)力分布的改變；因摩擦熱引起的二次相變淬火、回火擦熱引起的二次相變淬火、回火及回復(fù)再結(jié)晶等。及回復(fù)再結(jié)晶等。因外部介質(zhì)產(chǎn)生的吸附和腐蝕因外部介質(zhì)產(chǎn)生的吸附和腐蝕作用等都將影響材料的耐磨性能。作用等都將影響材料的

5、耐磨性能。 3.磨損曲線磨損曲線4.磨損的基本類型磨損的基本類型根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式粘著磨損粘著磨損磨料磨損磨料磨損腐蝕磨損腐蝕磨損疲勞磨損（接觸疲勞）疲勞磨損（接觸疲勞）1 磨損的基本概念磨損的基本概念磨損類型在不同的條件下，可以發(fā)生轉(zhuǎn)化磨損類型在不同的條件下，可以發(fā)生轉(zhuǎn)化第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞2 磨損過程磨損過程一、粘著磨損一、粘著磨損 (Adhesive Wear)1.定義定義粘著磨損是接觸表面相互運動時，粘著磨損是接觸表面相互運動時，因固相焊合作用使材料從一個表因固相焊合作用使材料從一個表面脫落或轉(zhuǎn)移到另一表面而形成面脫落或轉(zhuǎn)

6、移到另一表面而形成的磨損，又稱咬合磨損。的磨損，又稱咬合磨損。2.產(chǎn)生的條件產(chǎn)生的條件滑動摩擦滑動摩擦，相對，相對滑動速度較小滑動速度較?。ㄤ撔∮冢ㄤ撔∮?m/s）缺乏潤滑油缺乏潤滑油摩擦摩擦表面無氧化膜表面無氧化膜單位法向載荷很大：單位法向載荷很大：接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力超過實際接觸點處的屈服強度超過實際接觸點處的屈服強度3.粘著磨損過程及機理粘著磨損過程及機理表面局部凸起表面局部凸起載荷很小時，接觸面局部應(yīng)力載荷很小時，接觸面局部應(yīng)力很大，接觸點發(fā)生塑性變形很大，接觸點發(fā)生塑性變形若表面潔凈，原子彼此接觸很若表面潔凈，原子彼此接觸很近，產(chǎn)生粘著（冷焊）近，產(chǎn)生粘著（冷焊）2 磨損過程磨損過程相對

7、運動產(chǎn)生剪切力，導(dǎo)致粘相對運動產(chǎn)生剪切力，導(dǎo)致粘著點斷裂，發(fā)生材料轉(zhuǎn)移或磨屑著點斷裂，發(fā)生材料轉(zhuǎn)移或磨屑粘著、剪粘著、剪 切、再粘著的交替過程切、再粘著的交替過程就形成了粘著磨損。就形成了粘著磨損。4.分類分類按工作溫度分：按工作溫度分：低溫粘著磨損（冷焊）低溫粘著磨損（冷焊）高溫粘著磨損（表面摩擦生熱高溫粘著磨損（表面摩擦生熱溫度升高使相接觸的材料直接溫度升高使相接觸的材料直接焊合）焊合）按粘結(jié)點的強度和磨損程度分按粘結(jié)點的強度和磨損程度分a）涂抹：當(dāng)較軟金屬的剪切強）涂抹：當(dāng)較軟金屬的剪切強度小于界面強度時，度小于界面強度時， 剪切斷裂剪切斷裂發(fā)生在較軟金屬的淺表層內(nèi)，發(fā)生在較軟金屬的淺表

8、層內(nèi)，材料從軟金屬材料從軟金屬 表面上脫落，又表面上脫落，又粘附粘附(涂敷涂敷)在硬金屬的表面上。在硬金屬的表面上。2 磨損過程磨損過程軟材料表面出現(xiàn)微小的凹坑，硬軟材料表面出現(xiàn)微小的凹坑，硬材料表面形成微小凸起，使摩擦材料表面形成微小凸起，使摩擦面變得粗糙。面變得粗糙。最終使不同材料的摩擦副滑動變最終使不同材料的摩擦副滑動變成同材料間的滑動，磨損增大，成同材料間的滑動，磨損增大，甚至產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。如鉛基合金甚至產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。如鉛基合金軸瓦與鋼軸之間的滑動粘結(jié)磨損軸瓦與鋼軸之間的滑動粘結(jié)磨損就同這種情況。就同這種情況。 b）擦傷：當(dāng)）擦傷：當(dāng)界面強度大于兩摩擦界面強度大于兩摩擦材料基體的強度材

9、料基體的強度時，時， 剪切斷裂發(fā)剪切斷裂發(fā)生在軟材料的亞表層內(nèi)，附在硬生在軟材料的亞表層內(nèi)，附在硬金屬表面金屬表面 的粘著物，在摩擦表面的粘著物，在摩擦表面的滑動方向上將軟材料的表面的滑動方向上將軟材料的表面 劃劃傷，形成傷，形成細而淺的劃痕細而淺的劃痕，使摩擦，使摩擦表面破壞。表面破壞。c）刮傷：當(dāng)）刮傷：當(dāng)界面強度大于兩摩擦界面強度大于兩摩擦材料基體的強度材料基體的強度時，時， 摩擦表面上摩擦表面上形成的粘著物使另一摩擦表面沿形成的粘著物使另一摩擦表面沿滑動方向產(chǎn)生滑動方向產(chǎn)生較深的劃痕較深的劃痕。d）膠合：在）膠合：在摩擦力和摩擦熱的摩擦力和摩擦熱的作用作用下，摩擦表面出現(xiàn)下，摩擦表面出

10、現(xiàn)較深的劃較深的劃痕和凹坑痕和凹坑的磨損。膠合是的磨損。膠合是擦傷和擦傷和撕脫聯(lián)合作用的結(jié)果撕脫聯(lián)合作用的結(jié)果。e）咬死：當(dāng)摩擦表面形成牢固）咬死：當(dāng)摩擦表面形成牢固的焊結(jié)結(jié)點時，的焊結(jié)結(jié)點時，外力克服不了結(jié)外力克服不了結(jié)點界面上的結(jié)合力點界面上的結(jié)合力，也不能使摩，也不能使摩擦面雙方剪擦面雙方剪 切破壞時，使摩擦切破壞時，使摩擦副雙方?jīng)]有相對滑動。副雙方?jīng)]有相對滑動。2 磨損過程磨損過程5.粘著磨損的共同特征粘著磨損的共同特征出現(xiàn)材料遷移以及沿滑動方向出現(xiàn)材料遷移以及沿滑動方向形成程度不同的劃痕形成程度不同的劃痕,機件表面機件表面有大小不等的結(jié)疤。有大小不等的結(jié)疤。6.磨損量的計算磨損量的計

11、算在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)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。接觸點真實面積為接觸點真實面積為A，作用于，作用于表面上的法向力為表面上的法向力為FscAF3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，則著點尺寸相同，則42dnA2 磨損過程磨損過程234dFnsc設(shè)每一粘著點滑過距離設(shè)每一粘著點滑過距離d，則，則單位距離內(nèi)粘著點數(shù)為單位距離內(nèi)粘著點數(shù)為scdFdnN334設(shè)粘著點成為磨屑幾率為設(shè)粘著點成為磨屑幾率為K

12、，則單位距離內(nèi)磨損體積則單位距離內(nèi)磨損體積scKFdKNlV9123總的滑動距離總的滑動距離lt 內(nèi)磨損體積內(nèi)磨損體積 9ttscKFlKFlVH材料的粘著磨損量與所加法向載材料的粘著磨損量與所加法向載荷、摩擦距離成正比；與材料的荷、摩擦距離成正比；與材料的硬度或強度成反比，而與接觸面硬度或強度成反比，而與接觸面積大積大 小無關(guān)。小無關(guān)。n大部分粘結(jié)點不產(chǎn)生磨屑，即大部分粘結(jié)點不產(chǎn)生磨屑，即幾率幾率k 值遠小于值遠小于17.粘著磨損的影響因素粘著磨損的影響因素1）材料組織與性能（內(nèi)因）材料組織與性能（內(nèi)因）2 磨損過程磨損過程（1）點陣結(jié)構(gòu)：體心立方和面）點陣結(jié)構(gòu)：體心立方和面心立方結(jié)構(gòu)的金屬

13、發(fā)生粘著磨損心立方結(jié)構(gòu)的金屬發(fā)生粘著磨損的傾向高于密排六方結(jié)構(gòu)。的傾向高于密排六方結(jié)構(gòu)。（2）材料的互溶性：摩擦副材）材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘著傾向越大。料的互溶性越大，粘著傾向越大。（3）組織結(jié)構(gòu)：單晶體的粘著）組織結(jié)構(gòu)：單晶體的粘著性大于多晶體；單相金屬的粘著性大于多晶體；單相金屬的粘著性大于多相合金；固溶體比化合性大于多相合金；固溶體比化合物粘著傾物粘著傾 向大。材料的晶粒尺向大。材料的晶粒尺寸越小，粘著磨損量越小。寸越小，粘著磨損量越小。（4）塑性材料比脆性材料易于粘）塑性材料比脆性材料易于粘著；金屬著；金屬/金屬組成的摩擦副比金金屬組成的摩擦副比金屬屬/非金屬的摩擦副

14、易于粘著。非金屬的摩擦副易于粘著。2）工作環(huán)境（外因）工作環(huán)境（外因）（1）在摩擦速度一定時，粘著）在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸壓力的增大而增磨損量隨接觸壓力的增大而增加。一般情況下，應(yīng)小于硬度加。一般情況下，應(yīng)小于硬度的的1/3。（2）在接觸壓力一定的情況下，）在接觸壓力一定的情況下，粘著磨損量隨滑動速度的增加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，而增加，但達到某一極大值后，又隨滑動又隨滑動 速度的增加而減小。速度的增加而減小。（3）降低表面粗糙度，將增加）降低表面粗糙度，將增加抗粘著磨損能力。但粗糙度過抗粘著磨損能力。但粗糙度過低，反因潤滑劑難于儲存在摩低，反因潤滑劑

15、難于儲存在摩擦面內(nèi)而促進擦面內(nèi)而促進 粘著。粘著。2 磨損過程磨損過程（4）提高溫度和滑動速度，粘著）提高溫度和滑動速度，粘著磨損量增加。磨損量增加。（5）良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低）良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損。粘著磨損。二、磨粒磨損二、磨粒磨損 (Abrasive Wear)1.概念概念: 摩擦副的一方表面存在堅硬的細微摩擦副的一方表面存在堅硬的細微凸起或在接觸面向存在硬質(zhì)粒子凸起或在接觸面向存在硬質(zhì)粒子(從外界進入或從表面剝落從外界進入或從表面剝落)時產(chǎn)生時產(chǎn)生的磨損。的磨損。2.分類分類:1)按接觸條件或磨損表面數(shù)量分按接觸條件或磨損表面數(shù)量分（1）兩體磨粒磨損：磨料直接）兩體磨粒磨

16、損：磨料直接作用于被磨材料的表面，磨粒、作用于被磨材料的表面，磨粒、材料表面各為一物體，如挫削材料表面各為一物體，如挫削過程。過程。（2）三體磨粒磨損：磨粒介）三體磨粒磨損：磨粒介于兩材料表面之間。磨粒為一于兩材料表面之間。磨粒為一物體，兩材料為兩物體，磨粒物體，兩材料為兩物體，磨?？梢栽趦杀砻婵梢栽趦杀砻?間滑動，也可以間滑動，也可以滾動，如拋光過程。滾動，如拋光過程。2 磨損過程磨損過程2）按磨料所受應(yīng)力大?。┌茨チ纤軕?yīng)力大?。?）低應(yīng)力劃傷式磨粒磨損：磨）低應(yīng)力劃傷式磨粒磨損：磨粒作用于表面的應(yīng)力不超過磨料粒作用于表面的應(yīng)力不超過磨料的壓碎強度，材料表面為輕微劃的壓碎強度，材料表面為輕

17、微劃傷。傷。（2）高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損：磨）高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損：磨粒與材料表面接觸處的最大壓應(yīng)粒與材料表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓碎強度，磨粒不力大于磨料的壓碎強度，磨粒不斷被碾斷被碾 碎，如球磨機襯板與磨球碎，如球磨機襯板與磨球等。等。（3）鑿削式磨粒磨損：磨粒對）鑿削式磨粒磨損：磨粒對材料表面有高應(yīng)力沖擊式的運材料表面有高應(yīng)力沖擊式的運動，從材料表面上鑿下較大顆動，從材料表面上鑿下較大顆粒的磨屑，如粒的磨屑，如 挖掘機斗齒、破挖掘機斗齒、破碎機錘頭等。碎機錘頭等。3）按材料的相對硬度分）按材料的相對硬度分（1）軟磨粒磨損：材料硬度與）軟磨粒磨損：材料硬度與磨粒硬度之比大于磨粒硬度之

18、比大于0.8。（2）硬磨粒磨損：材料硬度與）硬磨粒磨損：材料硬度與磨粒硬度之比小于磨粒硬度之比小于0.8。4）按工作環(huán)境分）按工作環(huán)境分（1）普通型磨粒磨損：正常條）普通型磨粒磨損：正常條件下件下2 磨損過程磨損過程（2）腐蝕磨粒磨損：腐蝕介質(zhì)中）腐蝕磨粒磨損：腐蝕介質(zhì)中（3）高溫磨粒磨損：高溫下）高溫磨粒磨損：高溫下3.磨粒磨損的過程與機理磨粒磨損的過程與機理磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的微切削作微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或是它們綜合作用斷裂產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。的結(jié)果。4.特征特征摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形摩擦面上有擦

19、傷或因明顯犁皺形成的成的溝槽溝槽5.磨損量的計算磨損量的計算1966年年Rabinowicz以兩體磨粒磨以兩體磨粒磨損為例，估算切削磨損量損為例，估算切削磨損量磨粒磨損中的顆粒為圓錐體磨粒磨損中的顆粒為圓錐體被磨材料為不產(chǎn)生任何變形的被磨材料為不產(chǎn)生任何變形的剛體剛體磨損過程為滑動過程磨損過程為滑動過程當(dāng)作用在一個凸出部分上的力當(dāng)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接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強度時，磨粒的壓入就會停止強度時，磨粒的壓入就會停止2 磨損過程磨損過程23rFsc磨粒切削下來的材料體積磨粒切削下來的材料體積ltg

20、rV2scKFltgV3材料的屈服強度與硬度成正比材料的屈服強度與硬度成正比HKFltgV表明在一定磨粒條件下，磨損表明在一定磨粒條件下，磨損體積與所加的載荷成正比，而體積與所加的載荷成正比，而 與材料的硬度成反比。與材料的硬度成反比。6.磨粒磨損的影響因素磨粒磨損的影響因素1）材料性能）材料性能a.硬度：硬度：一般情況下，材料硬度越高，其一般情況下，材料硬度越高，其抗磨粒磨損能力也越高?？鼓チＤp能力也越高。（1）對純金屬和各種成分未經(jīng)）對純金屬和各種成分未經(jīng)熱處理的鋼，耐磨性與材料的硬熱處理的鋼，耐磨性與材料的硬度成正比。度成正比。2 磨損過程磨損過程（2）對經(jīng)過熱處理的鋼，其耐）對經(jīng)過熱

21、處理的鋼，其耐磨性也與硬度成線性關(guān)系，但直磨性也與硬度成線性關(guān)系，但直線的斜率比純金屬為小。線的斜率比純金屬為小。（3）通過塑性變形雖能使鋼材）通過塑性變形雖能使鋼材加工硬化、提高鋼的硬度，但不加工硬化、提高鋼的硬度，但不能改善其抗磨粒磨損的能力。能改善其抗磨粒磨損的能力。2)斷裂韌性斷裂韌性3)顯微組織顯微組織(1)鋼：鋼： M耐磨性好耐磨性好, F因硬度太因硬度太低，耐磨性最差低，耐磨性最差(2)H相同相同,下貝氏體耐磨性高于下貝氏體耐磨性高于回火馬氏體。回火馬氏體。 (3)鋼中碳化物：在軟基體中碳鋼中碳化物：在軟基體中碳化物數(shù)量增加，彌散度增加，化物數(shù)量增加，彌散度增加，耐磨性也提高；在

22、硬基體上分耐磨性也提高；在硬基體上分布碳化物反而損害材料的耐磨布碳化物反而損害材料的耐磨性。性。4)晶粒尺寸：細化晶粒，提高晶粒尺寸：細化晶粒，提高耐磨性。耐磨性。2 磨損過程磨損過程5)磨粒性能磨粒性能區(qū)：軟磨粒，材料通過表面嚴(yán)區(qū)：軟磨粒，材料通過表面嚴(yán)重變形、疲勞而發(fā)生的重變形、疲勞而發(fā)生的, 硬度是次硬度是次要因素。要因素。區(qū)：硬磨粒，通過磨粒嵌入形區(qū)：硬磨粒，通過磨粒嵌入形成溝槽產(chǎn)生磨損，硬度是控制因成溝槽產(chǎn)生磨損，硬度是控制因素素(1)磨粒的硬度磨粒的硬度區(qū)：過渡區(qū)區(qū)：過渡區(qū)A點點Ha/H=0.71.1，B點點Ha/H=1.31.7；在；在AB之間，之間，H增加，磨損量下降，所以要降

23、低增加，磨損量下降，所以要降低磨損速率，必須使磨損速率，必須使H/Ha1.3(2)磨粒尺寸磨粒尺寸磨粒大小磨粒大小對耐磨性對耐磨性的影響，的影響， 存在一個存在一個臨界尺寸。臨界尺寸。2 磨損過程磨損過程(3)磨粒形狀磨粒形狀尖銳磨粒造成的磨損量高于同樣尖銳磨粒造成的磨損量高于同樣條件下的多角型和圓型磨粒產(chǎn)生條件下的多角型和圓型磨粒產(chǎn)生的磨損量的磨損量三、接觸疲勞三、接觸疲勞 1、現(xiàn)象、現(xiàn)象接觸疲勞是兩接觸材料作滾動或接觸疲勞是兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，交變接觸壓滾動加滑動摩擦?xí)r，交變接觸壓應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀傷，局部區(qū)

24、域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落，而使材料磨損的現(xiàn)象，材料剝落，而使材料磨損的現(xiàn)象，故又稱表面疲勞磨損或麻點磨損。故又稱表面疲勞磨損或麻點磨損。2、特征、特征宏觀形態(tài)特征是：接觸表面出現(xiàn)宏觀形態(tài)特征是：接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑的凹坑(麻坑麻坑)，有的凹坑較深，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。2 磨損過程磨損過程3、分類、分類按剝落裂紋的起始位置及形態(tài)按剝落裂紋的起始位置及形態(tài)分為：分為：麻點剝落麻點剝落(點蝕點蝕)：深度在深度在0.2mm以下的小塊剝落，以下的小塊剝落， 常呈針狀或常呈針狀或痘狀凹坑，截面呈不對稱

25、痘狀凹坑，截面呈不對稱V形。形。淺層剝落淺層剝落: 深度深度0.20.4mm，剝，剝塊底部大致和表面平行，裂紋塊底部大致和表面平行，裂紋走向與表面成銳角和垂直。走向與表面成銳角和垂直。深層剝落深層剝落(表面壓碎表面壓碎): 深度和表面深度和表面強化層深度相當(dāng)，強化層深度相當(dāng)， 裂紋走向與表裂紋走向與表面垂直。面垂直。4.接觸應(yīng)力的概念接觸應(yīng)力的概念 1）定義）定義兩物體相互接觸時在局部表面產(chǎn)兩物體相互接觸時在局部表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也叫生的壓應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也叫赫茲應(yīng)力赫茲應(yīng)力2 磨損過程磨損過程2）分類）分類(1) 線接觸應(yīng)力線接觸應(yīng)力 設(shè)有兩圓柱體，半徑分別為設(shè)有兩圓柱體，半徑

26、分別為Rl、R2，長度為，長度為L。末變形前兩者是。末變形前兩者是線接觸；線接觸；施加法向力多后，因彈性變形成施加法向力多后，因彈性變形成為面接觸，接觸面積為為面接觸，接觸面積為2bL。接觸壓應(yīng)力接觸壓應(yīng)力z沿沿y軸按半橢圓規(guī)軸按半橢圓規(guī)律分布；在接觸中心律分布；在接觸中心(y0)處，處，z達到最大值。達到最大值。在一定的接觸深度范圍內(nèi)，在一定的接觸深度范圍內(nèi)， zy x ，超過該深度，超過該深度z x y2 磨損過程磨損過程相應(yīng)的最大切應(yīng)力為相應(yīng)的最大切應(yīng)力為:452ozyzy452ozxzx452oyxyx其中其中zy45最大，其值在離表面一最大，其值在離表面一定距離定距離Z=0.786b

27、處達到最大。處達到最大。(2) 點接觸應(yīng)力點接觸應(yīng)力 在在純滾動純滾動條件下，施加法向應(yīng)條件下，施加法向應(yīng)力后，視兩接觸物體形狀不同，力后，視兩接觸物體形狀不同，接觸面可能是橢圓或圓。接觸面可能是橢圓或圓。接觸面為橢圓接觸面為橢圓時，如滾珠與軸承時，如滾珠與軸承套圈接觸，接觸應(yīng)力按半橢圓球套圈接觸，接觸應(yīng)力按半橢圓球規(guī)律分布。規(guī)律分布。最大剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力max 發(fā)生在離表面發(fā)生在離表面一定距離一定距離Z=0.786b處。處。球與球或球與平面接觸時，球與球或球與平面接觸時，接觸面為圓形。接觸面為圓形。球與平面接觸時，最大剪應(yīng)力球與平面接觸時，最大剪應(yīng)力發(fā)生在發(fā)生在Z=0.786b處。處。球與球

28、接觸時，最大剪應(yīng)力發(fā)球與球接觸時，最大剪應(yīng)力發(fā)生在生在Z=0.5b處。處。2 磨損過程磨損過程對于滾動加滑動條件下：對于滾動加滑動條件下：滑動產(chǎn)生的切向摩擦力與接觸應(yīng)滑動產(chǎn)生的切向摩擦力與接觸應(yīng)力場疊加，摩擦力和力場疊加，摩擦力和zy45疊加疊加的最大綜合切應(yīng)力的最大值從的最大綜合切應(yīng)力的最大值從z=0.786b處向表面移動，當(dāng)摩擦處向表面移動，當(dāng)摩擦系數(shù)大于系數(shù)大于0.1時，將移動到表面。時，將移動到表面。因滾動接觸應(yīng)力為交變應(yīng)力，因滾動接觸應(yīng)力為交變應(yīng)力，因而對接觸面上某一位置，其亞因而對接觸面上某一位置，其亞表層受表層受0max 重復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用，重復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用，應(yīng)力半幅為應(yīng)力半幅為0

29、.5max ，即為，即為(0.150.16) max 。在交變剪應(yīng)力的影響下，裂紋在交變剪應(yīng)力的影響下，裂紋容易在最大剪應(yīng)力處成核，并擴容易在最大剪應(yīng)力處成核，并擴展到表面而產(chǎn)生剝落，在零件表展到表面而產(chǎn)生剝落，在零件表面形成面形成 針狀或豆?fàn)畎伎樱斐舍槧罨蚨範(fàn)畎伎?，造成疲勞磨損。疲勞磨損。5.疲勞磨損機理疲勞磨損機理1）麻點剝落）麻點剝落a.在表面最大綜合切應(yīng)力的反復(fù)在表面最大綜合切應(yīng)力的反復(fù)作用下，在材料表面的局部區(qū)作用下，在材料表面的局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，由于損傷的域產(chǎn)生塑性變形，由于損傷的積累，當(dāng)最大綜合切應(yīng)力超過積累，當(dāng)最大綜合切應(yīng)力超過抗剪強度時產(chǎn)生裂紋?？辜魪姸葧r產(chǎn)生裂紋。2

30、磨損過程磨損過程在純滾動條件下，裂紋擴展方在純滾動條件下，裂紋擴展方向與向與max 方向方向(450傾角傾角)一致一致b. 在連續(xù)滾動接觸過程中潤滑在連續(xù)滾動接觸過程中潤滑油反復(fù)進入裂紋內(nèi)，并被封閉，油反復(fù)進入裂紋內(nèi)，并被封閉，產(chǎn)生高壓導(dǎo)致裂紋擴展。產(chǎn)生高壓導(dǎo)致裂紋擴展。c. 裂紋擴展到一定程度，尖端裂紋擴展到一定程度，尖端應(yīng)力集中，產(chǎn)生與主裂紋垂直應(yīng)力集中，產(chǎn)生與主裂紋垂直的二次裂紋的二次裂紋d. 潤滑油進入二次裂紋中，使其潤滑油進入二次裂紋中，使其向表面擴展向表面擴展e. 裂紋擴展到表面形成不對稱裂紋擴展到表面形成不對稱V字形凹坑。字形凹坑。表面接觸應(yīng)力較小，摩擦力較表面接觸應(yīng)力較小，摩擦

31、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、夾雜物脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）時，易產(chǎn)生麻點剝落。等）時，易產(chǎn)生麻點剝落。前者是因為表面最大綜合切應(yīng)前者是因為表面最大綜合切應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強度力較高，后者則是材料抗剪強度較低所致。較低所致。2 磨損過程磨損過程2）淺層剝落）淺層剝落a. 在和最大綜合切應(yīng)力相當(dāng)?shù)奈辉诤妥畲缶C合切應(yīng)力相當(dāng)?shù)奈恢弥?.5或或0.786b處產(chǎn)生塑變處產(chǎn)生塑變b. 在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性變形反復(fù)進行，使材料局部弱化，變形反復(fù)進行，使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。遂在該處形成裂紋。裂紋常出

32、現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表面擴展表面擴展c.在滾動及摩擦力作用下又產(chǎn)生在滾動及摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋。二與表面成一傾角的二次裂紋。二次裂紋擴展至表面，另一端則形次裂紋擴展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，成懸臂梁，因反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。從而形成淺層剝落。形成底部大致和表面平行，而其形成底部大致和表面平行，而其側(cè)面的一側(cè)與表面約成側(cè)面的一側(cè)與表面約成 450，另，另一側(cè)垂直于表面的凹坑。一側(cè)垂直于表面的凹坑。2 磨損過程磨損過程3）深層剝落（壓碎性剝落）深層剝落（

33、壓碎性剝落）a.深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表面硬化機件的過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。面硬化機件的過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。該處切應(yīng)力雖不是最大，但因該處切應(yīng)力雖不是最大，但因過渡區(qū)是弱區(qū)，切應(yīng)力可能高于過渡區(qū)是弱區(qū)，切應(yīng)力可能高于材料材料強度而在該處產(chǎn)生裂紋材料材料強度而在該處產(chǎn)生裂紋b.裂紋形成后先平行于表面擴展，裂紋形成后先平行于表面擴展，即沿過渡區(qū)擴展，而后再垂直于即沿過渡區(qū)擴展，而后再垂直于表面擴展，最后形成較深的剝落表面擴展，最后形成較深的剝落坑。坑。6.影響接觸疲勞壽命的因素影響接觸疲勞壽命的因素1）非金屬夾雜物）非金屬夾雜物脆性的、帶有棱角的非金屬夾脆性的、帶有棱角的非金屬夾雜（如

34、硅酸鹽等）在和基體的交雜（如硅酸鹽等）在和基體的交界處由于塑性變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生界處由于塑性變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在夾雜物邊緣產(chǎn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致在夾雜物邊緣產(chǎn)生裂紋。生裂紋。塑性夾雜物塑性夾雜物(硫化物硫化物)可以與基可以與基體一起變形，當(dāng)硫化物把氧化物體一起變形，當(dāng)硫化物把氧化物夾雜包裹形成共生夾雜物時，可夾雜包裹形成共生夾雜物時，可以降低氧化物的不良影響。以降低氧化物的不良影響。2 磨損過程磨損過程2）熱處理組織）熱處理組織a. M的含碳量的含碳量對于軸承鋼，在未溶碳化物狀對于軸承鋼，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，態(tài)相同的條件下，M含碳量在含碳量在0.40.5左右最好。左右最好。b.

35、M和殘余奧氏體的級別和殘余奧氏體的級別殘余奧氏體越多，殘余奧氏體越多，M針越大表層針越大表層的壓應(yīng)力越小，滲碳層強度越低，的壓應(yīng)力越小，滲碳層強度越低，易于產(chǎn)生裂紋。易于產(chǎn)生裂紋。c. 未溶碳化物的大小未溶碳化物的大小碳化物越粗大，相鄰碳化物越粗大，相鄰M邊界含碳邊界含碳量越高，易形成裂紋。量越高，易形成裂紋。3） 表面硬度與心部硬度表面硬度與心部硬度a. 表面硬度表面硬度2 磨損過程磨損過程表面脫碳表面脫碳可以降低表面的硬可以降低表面的硬度，同時易生成非馬氏體組織，度，同時易生成非馬氏體組織，在表面形成拉應(yīng)力，降低接觸在表面形成拉應(yīng)力，降低接觸疲勞壽命。疲勞壽命。若表面脫碳層很?。ㄈ舯砻婷撎?/p>

36、層很?。?.10.3mm)，表面易于塑變，增加，表面易于塑變，增加接觸面積，降低應(yīng)力集中，反接觸面積，降低應(yīng)力集中，反而有利于提高接觸疲勞壽命而有利于提高接觸疲勞壽命b. 心部硬度心部硬度心部硬度太低，應(yīng)力梯度增大，心部硬度太低，應(yīng)力梯度增大，易在過渡區(qū)形成裂紋，造成深易在過渡區(qū)形成裂紋，造成深層剝落（滲碳齒輪心部層剝落（滲碳齒輪心部3540HRC）4） 表面硬化層深度表面硬化層深度最佳硬化層深度：最佳硬化層深度：1002015mt第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞3 耐磨性及其測量方法耐磨性及其測量方法一、材料的耐磨性一、材料的耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，耐磨性是指材

37、料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一個明確的統(tǒng)一指標(biāo)，迄今還沒有一個明確的統(tǒng)一指標(biāo)，通常用磨損量表示。磨損量愈小，通常用磨損量表示。磨損量愈小，耐磨性愈高。耐磨性愈高。1. 磨損量：磨損量：線磨損量；體積線磨損量；體積(質(zhì)量質(zhì)量)磨損量；比磨損量；比磨損量磨損量2. 相對耐磨性相對耐磨性被測試樣的磨損量標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量3. 磨損系數(shù)磨損系數(shù)1二、磨損試驗方法二、磨損試驗方法1.銷盤型試驗機銷盤型試驗機可用來評定各種摩擦副及潤可用來評定各種摩擦副及潤滑材料的低溫與高溫摩擦和滑材料的低溫與高溫摩擦和磨損性能，可做磨粒磨損和磨損性能，可做磨粒磨損和粘著磨損試驗。粘著磨損試驗。2.環(huán)塊型磨損試驗機環(huán)塊型磨損

38、試驗機可測定金屬及非可測定金屬及非金屬材料（如尼金屬材料（如尼龍、塑料）在滑龍、塑料）在滑動狀態(tài)下的耐磨動狀態(tài)下的耐磨性能性能3 耐磨性及其測量方法耐磨性及其測量方法環(huán)形試樣安裝在主軸上，順時針環(huán)形試樣安裝在主軸上，順時針轉(zhuǎn)動，塊形試樣安裝在夾具上。轉(zhuǎn)動，塊形試樣安裝在夾具上。測量環(huán)形試樣的失重和塊狀試測量環(huán)形試樣的失重和塊狀試樣的磨痕寬度，分別計算體積磨樣的磨痕寬度，分別計算體積磨損量。損量。3.往復(fù)運動型試驗機往復(fù)運動型試驗機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，如導(dǎo)軌、可評定往復(fù)運動的機件，如導(dǎo)軌、缸套與活塞環(huán)等摩擦副的耐磨性缸套與活塞環(huán)等摩擦副的

39、耐磨性4.滾子型磨損試驗機滾子型磨損試驗機用來測定金屬材料在滑動摩擦、用來測定金屬材料在滑動摩擦、滾動摩擦、滾動滑動復(fù)合摩擦及滾動摩擦、滾動滑動復(fù)合摩擦及間隙摩擦情況下的磨損量間隙摩擦情況下的磨損量5.快速磨損試驗機快速磨損試驗機能較快測定材料的耐磨性，也能較快測定材料的耐磨性，也可測定潤滑劑的摩擦及磨損性可測定潤滑劑的摩擦及磨損性能能第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞4 提高材料耐磨性的途徑提高材料耐磨性的途徑一、減輕粘著磨損的主要措施一、減輕粘著磨損的主要措施(1) 合理選擇摩擦副材料。盡量選擇合理選擇摩擦副材料。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對，互溶性少，粘著傾向小

40、的材料配對，如非同種或晶格類型、電子密度、如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠的多相或化合電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠的多相或化合物材料；強度高不易塑變的材料物材料；強度高不易塑變的材料;表表面易形成化合物的材料面易形成化合物的材料。(2) 避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，改善表面潤滑條件等。改善表面潤滑條件等。 (3) 為使磨屑多沿接觸面剝?yōu)槭鼓バ级嘌亟佑|面剝落，以降低磨損量，可采用落，以降低磨損量，可采用表面滲硫、滲磷、滲氮等表表

41、面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝，在材料表面形面處理工藝，在材料表面形成一層化合物層或非金屬層，成一層化合物層或非金屬層，既降低接觸層原子間結(jié)合力，既降低接觸層原子間結(jié)合力，減少摩擦系數(shù)，又避免直接減少摩擦系數(shù)，又避免直接接觸。為使磨損發(fā)生在較軟接觸。為使磨損發(fā)生在較軟方材料表層，可采用滲碳、方材料表層，可采用滲碳、滲氮共滲、碳氮硼三元共滲滲氮共滲、碳氮硼三元共滲等工藝以提高另一方的硬度。等工藝以提高另一方的硬度。第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞4 提高材料耐磨性的途徑提高材料耐磨性的途徑一、減輕粘著磨損的主要措施一、減輕粘著磨損的主要措施(1) 合理選擇摩擦副材料。盡量選擇

42、合理選擇摩擦副材料。盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對，互溶性少，粘著傾向小的材料配對，如非同種或晶格類型、電子密度、如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠的多相或化合電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠的多相或化合物材料；強度高不易塑變的材料物材料；強度高不易塑變的材料;表表面易形成化合物的材料面易形成化合物的材料。(2) 避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。避免或阻止兩摩擦副間直接接觸。增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，改善表面潤滑條件等。改善表面潤滑條件等。 (3) 為使磨屑多沿接觸面剝?yōu)槭鼓バ级嘌亟?/p>

43、觸面剝落，以降低磨損量，可采用落，以降低磨損量，可采用表面滲硫、滲磷、滲氮等表表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝，在材料表面形面處理工藝，在材料表面形成一層化合物層或非金屬層，成一層化合物層或非金屬層，既降低接觸層原子間結(jié)合力，既降低接觸層原子間結(jié)合力，減少摩擦系數(shù)，又避免直接減少摩擦系數(shù)，又避免直接接觸。為使磨損發(fā)生在較軟接觸。為使磨損發(fā)生在較軟方材料表層，可采用滲碳、方材料表層，可采用滲碳、滲氮共滲、碳氮硼三元共滲滲氮共滲、碳氮硼三元共滲等工藝以提高另一方的硬度。等工藝以提高另一方的硬度。4 提高材料耐磨性的途徑提高材料耐磨性的途徑(4)控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)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。力，可使粘著磨損