金屬的磨損與接觸疲勞

1、金屬的磨損與接觸疲勞第1頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三2/34一、磨損的過程 跑合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。圖7-1 磨損量與時(shí)間的關(guān)系示意圖(磨損曲線)第2頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三3/34二、耐磨性 耐磨性是材料抵抗磨損的性能。通常用磨損量來表示材料的耐磨性，磨損量越小，耐磨性越高。 1、磨損量 (1) 線磨損：試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小。 (2) 體積磨損：試樣體積減小。 (3) 質(zhì)量磨損：試樣的質(zhì)量損失。 (4) 比磨損量：磨損量(摩擦距離壓力) 。 2、耐磨性：1磨損量。 第3頁，共34頁，2022年，5月20日

2、，22點(diǎn)25分，星期三4/34 3、相對耐磨性 4、磨損系數(shù)：1/。 第4頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三5/34 按磨損機(jī)理分為：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損(接觸疲勞)、腐蝕磨損和微動磨損。一、粘著磨損(咬合磨損) 1、定義： 相接觸的兩種材料由于表面某些接觸點(diǎn)局部正壓力超過該處的屈服強(qiáng)度以致發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。7.2 磨損的類型第5頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三6/342、產(chǎn)生機(jī)理 滑動摩擦條件下，摩擦副雙方接觸時(shí)，局部突起的表面在壓載荷下因應(yīng)力較高引起塑性變形，使表面氧化膜、潤滑膜破裂暴露出新鮮、潔凈表

3、面，接觸面間原子間距極小，產(chǎn)生原子間的鍵合作用，即冷焊(粘著)。 繼續(xù)滑動中，粘著點(diǎn)受剪切應(yīng)力被剪斷轉(zhuǎn)移脫落形成磨屑；該過程反復(fù)進(jìn)行粘著磨損。第6頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三7/34圖7-2 粘著磨損表面形貌 摩擦副一方金屬表面常粘附一層很薄的轉(zhuǎn)移膜，并伴有化學(xué)成分變化判斷粘著磨損的主要特征。圖7-3 粘著磨損過程示意圖第7頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三8/34 (1) 粘著點(diǎn)強(qiáng)度比一方金屬強(qiáng)時(shí)磨損量大，表面較粗糙，甚至產(chǎn)生咬死。 (2) 粘著點(diǎn)強(qiáng)度比雙方金屬都低時(shí)，磨損量小，摩擦面較平滑。 (3) 粘著點(diǎn)比雙方金屬都高時(shí)，剪斷可發(fā)生在

4、摩擦金屬的任何一方，較軟金屬的磨損量大。第8頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三9/34 3、磨損量的估算 粘著磨損量正比于法向載荷F，滑動距離L，(軟材料壓縮屈服強(qiáng)度或硬度)。 4、磨損表面特征：大小不等的結(jié)疤。第9頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三10/34 5、影響粘著磨損的因素P142 材料特性、法向力、滑動速度及溫度。 6、改善粘著磨損耐磨性的措施 (1) 選擇合適的摩擦副材料 強(qiáng)、硬度高則不易粘著； 互溶性小的材料不易粘著：晶格類型不同、晶格間距相差大、電化學(xué)性質(zhì)相差大的材料組成摩擦件，粘著傾向小。第10頁，共34頁，2022年，5月2

5、0日，22點(diǎn)25分，星期三11/34 (2) 避免或阻止摩擦副(原子)間直接接觸 使用潤滑劑，改善表面潤滑條件； 增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；表面化學(xué)熱處理。 (3) 降低表面粗糙度； 但并非越光滑越好，需要考慮潤滑劑儲存。 (4) 減小摩擦滑動速度，降低接觸壓應(yīng)力。第11頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三12/34 二、磨粒磨損(磨料磨損，研磨磨損) 1、定義 當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起，或在接觸面之間存在著硬粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種磨損。前者稱兩體磨粒磨損，后者稱三體磨粒磨損。微觀斷裂。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星

6、期三13/34圖7-4 兩體和三體磨粒磨損第13頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三14/342、機(jī)理 由于一方的硬度比另一方大得多，或存在硬質(zhì)粒子，對材料的創(chuàng)槽作用而損耗。 具體機(jī)制：切削作用；塑性變形；疲勞破壞；脆性斷裂。 圓鈍的磨?；虿牧纤苄暂^高時(shí)：首先形成犁溝但并不剝落(應(yīng)力集中小，不易產(chǎn)生裂紋)。經(jīng)反復(fù)、多次塑性變形后形成裂紋，最終剝落。 尖銳的磨粒或材料脆性較高時(shí)，直接產(chǎn)生切削、剝落，留下犁溝。第14頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三15/34 3、磨損量的估算圖7-5 磨粒磨損示意圖第15頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)2

7、5分，星期三16/34 4、磨粒磨損表面特征：犁溝、擦傷。圖7-3 磨粒磨損表面形貌第16頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三17/34 5、降低磨粒磨損的措施 (1) 影響因素 材料硬度高，磨損量小，耐磨性高； 但過高反而不利韌度低 還與材料的韌性有關(guān)。 耐磨性與硬度、斷裂韌度之間的關(guān)系(教材圖7-8和7-9) (2) 改善磨粒磨損的措施(P147)第17頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三18/34圖7-4 耐磨性、硬度與斷裂韌性關(guān)系圖7-5 磨損體積與硬度比(磨粒硬度與材料硬度之比)的關(guān)系第18頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分

8、，星期三19/34 實(shí)物試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類。 (1) 磨損試驗(yàn)結(jié)果分散度很大，一般試驗(yàn)要有45對摩擦副，數(shù)據(jù)分散度大時(shí)還應(yīng)增加。 (2) 一般取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。分散度大時(shí)需要用均方根值。 (3) 同一材料采用不同的磨損試驗(yàn)方法，結(jié)果往往不同，甚至是顛倒的。7.3 磨損試驗(yàn)方法第19頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三20/34 (4) 采用稱量法或測長法確定磨損量。 稱量法采用分析天平測定試樣磨損前后的質(zhì)量變化；測長法采用測微尺測量摩擦表面法線方向的尺寸變化。 稱量法用于磨損量在10-2g以上時(shí)才有較好結(jié)果。 測長法用于磨損量較大、稱量法難于實(shí)現(xiàn)的情況。第20頁，共3

9、4頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三21/34一、概念 1、定義 接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，工件表面在交變接觸壓應(yīng)力長期作用后所引起的一種局部區(qū)域發(fā)生小片(塊)狀剝落的表面疲勞損傷現(xiàn)象，稱接觸疲勞(表面疲勞磨損、疲勞磨損) 接觸形式：線接觸和點(diǎn)接觸。7.4 金屬的接觸疲勞第21頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三22/34 2、接觸疲勞宏觀特征 小痘狀、貝殼狀或其它不規(guī)則狀凹坑。 圖7-6 接觸疲勞表面形貌第22頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三23/34 3、接觸疲勞破壞的分類 接觸疲勞包括裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段，并且裂紋形

10、成占據(jù)的時(shí)間長，而裂紋擴(kuò)展所占據(jù)的時(shí)間很短。 麻點(diǎn)剝落(點(diǎn)蝕)、 淺層剝落、深層剝落(表面壓碎)。第23頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三24/344、接觸疲勞損傷過程 金屬局部反復(fù)塑性變形裂紋的形成裂紋的擴(kuò)展金屬表面的剝落，麻點(diǎn)。接觸疲勞疲勞磨損 接觸應(yīng)力：兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力。第24頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三25/34二、接觸疲勞破壞機(jī)理 金屬局部反復(fù)塑性變形裂紋的形成裂紋的擴(kuò)展金屬表面的剝落。 從綜合切應(yīng)力的分布和大小，材料的強(qiáng)度相互比較，決定了裂紋產(chǎn)生的部位和接觸疲勞類型。第25頁，共34頁，2022年，5

11、月20日，22點(diǎn)25分，星期三26/341、麻點(diǎn)剝落：裂紋起源于表面的接觸疲勞損傷。 (1) 滑動加滾動條件下：切向摩擦力較大，使最大綜合切應(yīng)力轉(zhuǎn)移至表面。 (2) 表面存在質(zhì)量缺陷：軟點(diǎn)、硬點(diǎn)、夾雜物等，造成抗剪強(qiáng)度不足。 深度：0.10.2mm的小塊剝落。 形態(tài)：麻點(diǎn)是些針狀或痘狀的凹坑。第26頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三27/34麻點(diǎn)剝落形成過程示意圖第27頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三28/34提高麻點(diǎn)剝落抗力措施： (1) 提高機(jī)件表面的塑性變形抗力； (2) 提高零件表面光潔度，使F降低，表面折疊幾率降低； (3) 提高潤滑

12、油的粘度，降低油楔作用。第28頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三29/34 2、淺層剝落：裂紋起源于次表層的接觸疲勞損傷。 深度：0.20.4mm。 淺層剝落在次表層(最大切應(yīng)力處)：0.786b處或0.5b處；實(shí)際多在0.50.7b處。第29頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三30/34淺層剝落過程示意圖 第30頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三31/34 過程：在0.50.7b處，首先滑移變形一定循環(huán)N產(chǎn)生疲勞裂紋沿應(yīng)力，夾雜物走向發(fā)展形成二次裂紋擴(kuò)展到表面另一端形成懸臂梁壓斷，淺層剝落。 提高淺層剝落抗力措施：提高材料的塑性變形抗力，進(jìn)行整體或表面強(qiáng)化，使0.50.786b處的切變強(qiáng)度。 提高材料純凈程度，夾雜物數(shù)量。第31頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三32/343、深層剝落(壓碎性剝落) 裂紋起源于表面硬化層下過渡區(qū)。 原因：過渡區(qū)強(qiáng)度不足。深層剝落過程示意圖 第32頁，共34頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)25分，星期三33/34 提高深層剝落抗力的措施：提高機(jī)件心部強(qiáng)度；增大硬化層深度；控制滲層