材料力學性能第七章-金屬的磨損

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)容主要內(nèi)容磨損的模型磨損的模型磨損的概念磨損的概念磨損試驗方法磨損試驗方法金屬接觸疲勞金屬接觸疲勞7.1 7.1 磨損概念磨損概念機件表面相機件表面相接觸接觸并作并作相對運動相對運動時，表面逐漸分離時，表面逐漸分離出出磨屑磨屑，使，使表面材料逐漸流失表面材料逐漸流失、造成、造成表面損傷表面損傷的的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 一一、（摩擦）磨、（摩擦）磨損損1. 定義高性能炭/炭航空制動材料的

2、制備技術(shù)黃伯云：國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎飛機起落架摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運動性摩擦副材料、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（方式和速度）以及工作溫溫度。度。2. 影響因素l 磨損是一個復雜的系統(tǒng)工程機件正常運行的磨損過程（a）磨損量磨損量與與時間或行程關(guān)系曲線；時間或行程關(guān)系曲線；（b）磨損速率磨損速率與與時間或行程關(guān)系曲線時間或行程關(guān)系曲線 3. 磨損的分類方法粘著磨損粘著磨損磨粒磨損磨粒磨損沖蝕磨損沖蝕磨損疲勞磨損疲勞磨損微動磨損微動磨損腐蝕磨損腐蝕磨損7.2 7.2 磨損模型磨損模型定義：在定義：在滑動滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動摩擦條件下，

3、當摩擦副相對滑動速速度較小度較?。ㄤ撔∮冢ㄤ撔∮?m/s）時發(fā)生的）時發(fā)生的，原因：缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單原因：缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，位法向載荷很大，接觸接觸s又稱咬合磨損又稱咬合磨損一、粘著磨損一、粘著磨損1. 磨損機理l 粘著磨損的基本過程粘著粘著剪斷剪斷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移再粘著再粘著 壓力作用壓力作用塑性變形、局部溫度升高塑性變形、局部溫度升高粘著（焊接）粘著（焊接） 摩擦力摩擦力-撕脫、剪切撕脫、剪切材料轉(zhuǎn)移材料轉(zhuǎn)移2 重重要特征：要特征：轉(zhuǎn)移膜轉(zhuǎn)移膜、化學成分變、化學成分變化化機機件表面有件表面有大小不等的結(jié)疤大小不等的結(jié)疤l粘著點強度與兩摩擦粘著點

4、強度與兩摩擦副強度相比副強度相比大于一方大于一方相同金屬相同金屬間滑動間滑動低于兩者低于兩者磨損量小磨損量小大于兩者大于兩者3. 磨損量的計算 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 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。sctKFlV9tlscK/10-144. 影響因素材料特性材料特性 塑性材料、互溶性大的材料、單相金屬、固溶體、塑性材料、互溶性大的材料、單相金屬、固溶體、金屬與金屬摩擦副金屬與金屬摩擦副法向力法向力 在在V滑動滑動一定時，一定時，F(xiàn)、V。F1/3H，V 滑動速度滑動速度 在在F

5、一定時，一定時， V滑動滑動、V先先后后表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)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，K/H的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。因此設計中選擇的許用壓力必須低于材料硬度值的1/3。速度的影響在壓力一定的情況下，粘著磨損隨滑動速度的增加而增加，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。表面溫度的影響表面溫度升高可使?jié)櫥な?，使材料硬度下降，摩擦表面容易產(chǎn)生

6、粘著磨損。上圖為溫度對膠合磨損的影響，可以看出，上圖為溫度對膠合磨損的影響，可以看出，當表面溫度達到臨界值當表面溫度達到臨界值( (約約8080) )時時, , 磨損量磨損量和摩擦系數(shù)都急劇增加。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反應，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

7、而引起的粘著現(xiàn)象。5. 改善粘著磨損耐磨性的措施(1) (1) 選擇粘著傾向較小的摩擦副配對材料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、金屬與非金屬配對互溶性小、表面易形成化合物、金屬與非金屬配對(2) (2) 采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài) 滲硫滲硫、滲氮、磷化、氮碳共滲等。、滲氮、磷化、氮碳共滲等。(3) (3) 控制摩擦滑動速度和接觸壓應力控制摩擦滑動速度和接觸壓應力(4)(4)改善潤滑條件，增強表面氧化膜穩(wěn)定性改善潤滑條件，增強表面氧化膜穩(wěn)定性二、磨粒磨損二、磨粒磨損 定義：當摩擦副一方表面定義：當摩擦副一方表面存在堅硬的細微

8、突起，或存在堅硬的細微突起，或者在接觸面之間存在著硬者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。損。 兩體磨粒磨損兩體磨粒磨損 三體磨粒磨損三體磨粒磨損1. 磨粒磨損機理l 磨粒磨損的分類p根據(jù)磨粒所受應力大小不同：根據(jù)磨粒所受應力大小不同：鑿削式磨粒磨損鑿削式磨粒磨損高應力碾碎性磨粒磨損高應力碾碎性磨粒磨損低應力擦傷性磨粒磨損低應力擦傷性磨粒磨損p根據(jù)磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系：根據(jù)磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系：硬磨粒磨損硬磨粒磨損軟磨粒磨損軟磨粒磨損TiN涂層人工膝關(guān)節(jié)l 磨粒磨損的特征在碾碎性磨粒磨損時，集中壓應在碾碎性磨粒磨損時，集中壓應力，塑性變形或脆

9、性斷裂力，塑性變形或脆性斷裂磨粒磨損過程磨粒磨損過程 切削作用，塑性變形和疲勞破壞切削作用，塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂作用或脆性斷裂 特征：明顯犁皺形成的溝槽特征：明顯犁皺形成的溝槽 剪切、犁皺或切剪切、犁皺或切削削 韌韌性材料，連續(xù)屑；脆性材料，性材料，連續(xù)屑；脆性材料，斷屑斷屑2. 磨損量的估算磨粒磨損量與法向力、摩擦距離成正比與材料硬度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)成反比，與硬材料凸出部分和磨粒形狀有關(guān)tanFlVKH3. 影響因素硬度硬度與與H/E成比例成比例斷裂韌度斷裂韌度 硬度和硬度和KIC配合最佳時，耐磨性最高配合最佳時，

10、耐磨性最高顯微組織顯微組織 組織硬度、細化晶組織硬度、細化晶粒、加工硬化粒、加工硬化l磨磨粒粒硬硬度對磨損的影響度對磨損的影響I區(qū)：區(qū)：HaH，磨損量較，磨損量較大大, 1.31.7III區(qū)：硬度是控制因素區(qū)：硬度是控制因素I區(qū)：通過表面嚴重變形，區(qū)：通過表面嚴重變形，疲勞而發(fā)生，硬度是次要疲勞而發(fā)生，硬度是次要因素。因素。4. 改善磨粒磨損耐磨性的措施(1) 增加材料硬度增加材料硬度(2) 根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料料(3) 采用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理采用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理(4) 經(jīng)常注意機件防塵和清洗經(jīng)常注意機件防塵和清洗鋁合金材質(zhì)的軸瓦

11、，軸是灰鐵材質(zhì)。轉(zhuǎn)速為300rpm。運行10秒抱死,接觸面有潤滑油。最終判斷為鋁片進入導致。l 沖蝕磨損沖蝕磨損 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。材料表面進行沖擊所造成的磨損。 分類：分類：氣固沖蝕氣固沖蝕、流體沖蝕、液滴沖蝕和氣蝕磨損、流體沖蝕、液滴沖蝕和氣蝕磨損 現(xiàn)象：現(xiàn)象：短程溝槽、沖蝕坑、微小裂紋短程溝槽、沖蝕坑、微小裂紋 塑性材料，短程微切削；脆性材料，裂紋形成與快速擴展塑性材料，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)、材料硬度影響因素：沖擊角、粒子性態(tài)、材

12、料硬度l 腐蝕磨損腐蝕磨損 定義：在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介定義：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)生化學或電化學反應形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成和脫落引起腐蝕磨損。和脫落引起腐蝕磨損。 分類：分類：氧化磨損氧化磨損、特殊介質(zhì)腐蝕磨損、特殊介質(zhì)腐蝕磨損l 微動磨損微動磨損 定義：接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復運定義：接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復運動而產(chǎn)生的磨損。動而產(chǎn)生的磨損。 特征：嵌合和緊配合處，微小滑動特征：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

13、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。 328.3 磨損試驗方法 2. 磨損試驗機圓盤圓盤銷式銷式磨損試驗機磨損試驗機 滾子式磨損滾子式磨損試驗機試驗機 往復運動式往復運動式磨損試驗機磨損試驗機 滾子式磨損滾子式磨損試驗機試驗機 砂紙砂紙磨損試磨損試驗機驗機 切入式切入式磨損磨損試驗機試驗機 8.3 磨損試驗方法3. 磨損量的測量稱重

14、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 7.3 磨損試驗方法磨損試驗方法l 還要測還要測量什么？量什么？ 摩摩擦系數(shù)擦系數(shù) 摩擦副、潤滑材料摩擦副、潤滑材料 不同載荷形式、載荷大小、速度、溫度、介質(zhì)不同載荷形式、載荷大小、速度、溫度、介質(zhì)摩摩擦系數(shù)擦系數(shù)被被測測試試樣樣的的磨磨損損量量標標準準試試樣樣的的磨磨損損量量 磨痕輪廓線050010001

15、50020002500300035000.250.300.350.400.45 friction coefficuentsliding time/sTi-alloyMAO films摩擦系數(shù)變化磨損磨損量量越小，耐磨性越高。越小，耐磨性越高。磨損磨損量：量： 線線磨損；體積磨損；質(zhì)量磨磨損；體積磨損；質(zhì)量磨損。損。相對耐磨性：相對耐磨性：MHK-500型環(huán)塊磨損試驗機型環(huán)塊磨損試驗機 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-

16、500kg5.主軸轉(zhuǎn)速：主軸轉(zhuǎn)速：100-1440轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，分，無級調(diào)速無級調(diào)速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)速主軸轉(zhuǎn)速 ： 60r/min 12000r/min主軸轉(zhuǎn)速示值準確度：主軸轉(zhuǎn)速示值準確度： 2r/min 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)氧氣含量應能達到內(nèi)氧氣含量應能達到1%以下。以下。最大負荷：最大負荷： 2000N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

17、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。四球摩擦試驗機德國布魯克公司德國布魯克公司 UMT 系列多功能材料力學系列多功能材料力學測試系統(tǒng)測試系統(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、摩擦學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。l 橡膠輪磨粒磨損試驗橡膠輪磨粒磨損試驗序號序號試驗條件試驗條件材料或參數(shù)材料或參數(shù)1 1橡膠輪材料橡膠輪材料氯丁橡膠氯丁橡膠2 2磨料磨料5

18、0-7050-70目石英砂目石英砂3 3輪緣速度輪緣速度140m/min140m/min4 4摩擦行程摩擦行程10001000轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，550-660m550-660m5 5載荷壓力載荷壓力130N130N6 6試樣尺寸試樣尺寸5050757510mm10mm3 3l 沖蝕磨損試驗沖蝕磨損試驗2 26 61 13 38 84 45 59 9111110107 71 1砂量調(diào)節(jié)桿砂量調(diào)節(jié)桿2 2砂斗砂斗3 3進砂管進砂管4 4電阻爐電阻爐5 5砂氣混合室砂氣混合室6 6排氣管排氣管7 7試樣試樣8 8載氣預熱管載氣預熱管9 9、1111熱電偶熱電偶1010噴管噴管GW/CSGW/CSMSMS裝置結(jié)

19、構(gòu)簡圖裝置結(jié)構(gòu)簡圖l 高溫沖蝕磨損試驗高溫沖蝕磨損試驗437.4 7.4 金屬接觸疲勞金屬接觸疲勞定義：機件兩接觸面作滾動或定義：機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表觸壓應力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象使材料損失的現(xiàn)象一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應力一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應力1. 接觸疲勞形態(tài)特征：形態(tài)特征：小針狀或痘狀凹坑小針狀或痘狀凹坑，貝貝殼狀殼狀根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，分為：根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，分為：(

20、1) 麻點剝落（點蝕）麻點剝落（點蝕） (2) 淺層剝落淺層剝落 (3) 深層剝落（表面壓碎）深層剝落（表面壓碎）2. 接觸應力兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應力稱兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應力稱為接觸應力，也稱為赫茲應力。為接觸應力，也稱為赫茲應力。線接觸線接觸（齒輪）與（齒輪）與點接觸點接觸（滾珠軸承）（滾珠軸承）l線接觸：線接觸：假設兩圓柱體的半徑分別為假設兩圓柱體的半徑分別為R1、R2，長，長l，線接觸，線接觸面接面接觸（面積觸（面積2bl）彈性力學，接觸壓應力沿彈性力學，接觸壓應力沿y軸軸按半橢圓柱規(guī)律分布，按半橢圓柱規(guī)律分布，y=0處，處，達到最大值：達到最

21、大值：2121max418. 0RRRRlFEz222454545xyyxxzzxyzzy沿接觸深度的主應力和最大沿接觸深度的主應力和最大切應力分布切應力分布脈動切應力達最大值軸，沿maxmax4545)33. 03 . 0(,786. 0Zzzyzybz對稱循環(huán)切應力，軸周邊，max256. 0max0,85. 0,5 . 0Zzbybzl 點接觸：點接觸：接觸面可能是橢圓或圓接觸面可能是橢圓或圓橢圓時橢圓時，接觸應力按半橢圓球，接觸應力按半橢圓球規(guī)律分布規(guī)律分布對于半徑為對于半徑為R的圓球和平面的點的圓球和平面的點接觸，接觸圓半徑：接觸，接觸圓半徑：達最大值45,786. 0zybl 接觸壓應力：表面最大，沿z減小l 切應力：表層下（0.786b 或0.5b） yz45或0l 存在滑動摩擦，切向力+主切應力最大綜合切應力移向表面l =0.1，移到表面。（麻點）塑性變形塑性變形二、接觸疲勞破壞機理二、接觸疲勞破壞機理起源于起源于表面表面，0.10.2mm深，針狀或痘狀凹坑深，針狀或痘狀凹坑表面最大綜合切應力表面最大綜合切