第07章 金屬磨損和接觸疲勞

第七章金屬磨損和接觸疲勞2/2/20231安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院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。摩擦磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約80%的機件失效是磨損引起的。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。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，并從材料學角度研究控制磨損的途徑。2/2/20232安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第一節(jié)磨損概念一、磨損定義：機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失，導致機件尺寸變化和質量損失，造成表面損傷的現象。磨損的影響因素：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。2/2/20233安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院

機件的正常磨損通常分為三個階段：2/2/20234安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（1）跑合階段：摩擦表面逐漸被磨平，實際的接觸面積增大，磨損速率逐漸減小。（2）穩(wěn)定磨損階段：在跑合階段跑合的越好，穩(wěn)定磨損階段的磨損速率就越低。（3）劇烈磨損階段：空隙增大，機件失效。2/2/20235安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第二節(jié)磨損模型一、粘著磨損二、磨粒磨損三、腐蝕磨損2/2/20236安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院一、粘著磨損磨損機理粘著磨損定義：又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較小（鋼小于1m/s）時發(fā)生的。這是由于缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產生的一種磨損。2/2/20237安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院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，在真實接觸面上的局部應力就足以引起塑性變形。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生強烈粘著（冷焊）。隨后在繼續(xù)滑動時，粘著點被剪切斷并轉移至一方金屬表面，然后脫落形成磨屑。一個粘著點斷了，又在新的地方產生粘著，隨后也被剪斷、轉移，就構成了粘著磨損過程。2/2/20238安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院右圖是粘著點強度比摩擦副一方金屬強度高的情況，

此時常在較軟一方體內產生剪斷，其碎片轉移至較硬一方的表面上，

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成為金屬間的滑動，

所以磨損量較大，表面較粗糙，可能產生咬死現象。2/2/20239安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(1)摩擦副配對材料的選擇基本原則是配對材料的粘著傾向應比較小，如選用互溶性小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。(2)采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產生粘著磨損，可進行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。(3)控制摩擦滑動速度和接觸壓應力，可使粘著磨損大為減輕。改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結合能力，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。改善粘著磨損耐磨性的措施2/2/202310安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、磨粒磨損1.磨粒磨損機理磨粒磨損是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粒子時所產生的一種磨損。2/2/202311安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽，見右圖。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。。2/2/202312安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院3.改善磨粒磨損耐磨性的措施(1)對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應增加材料硬度，這是提高耐磨性最有效的措施。(2)根據機件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應力沖擊載荷下，要選用高錳鋼Mn13，利用其高韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。(3)采用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨損耐磨性。(4)經常注意機件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進入接觸面，也是有效措施。2/2/202313安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質發(fā)生化學或電化學反應形成腐蝕產物，腐蝕產物的形成與脫落引起腐蝕磨損。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，故又稱腐蝕機械磨損。三、腐蝕磨損1.氧化磨損2.微動磨損3.沖蝕磨損（又稱氣蝕）4.特殊介質腐蝕磨損分類：2/2/202314安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（一）氧化腐蝕機理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，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導致產生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內部擴散，從而形成了氧化膜。氧化腐蝕過程：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落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損。宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。2/2/202315安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）微動磨損機理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的影響下卻能產生微小滑動。這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為微動。接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復運動而產生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的磨損產物為黑色。2/2/202316安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第四節(jié)金屬接觸疲勞（一）接觸疲勞現象與接觸應力接觸疲勞定義：是機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域產生小片或小塊狀金屬剝落而使物質損失的現象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。2/2/202317安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破壞分為：(1)麻點剝落（點蝕）(2)淺層剝落(3)深層剝落（表面壓碎）2/2/202318安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院三、接觸疲勞破壞機理（一）麻點剝落表面接觸應力較小、摩擦力較大或表面質量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）地，易產生麻點剝落。2/2/202319安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）淺層剝落在接觸應力反復作用下，塑性變形反復進行，使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。裂紋常出現在非金屬夾雜物附近，所以裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表面擴展，而后在滾動及摩擦力作用下又產生與表面成一傾角的二次裂紋。二次裂紋擴展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。2/2/202320安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（三）深層剝落（壓碎性剝落）深層剝落的初始裂紋經常在表面硬化機件的過渡區(qū)內產生，該處切應力雖不是最大，但因過渡區(qū)是弱區(qū)，切應力可能高于材料材料強度而在該處產生裂紋。裂紋形成后先平行于表面擴展，即沿過渡區(qū)擴展，而后再垂直于表面擴展，最后形成較深的剝落坑。2/2/202321安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院三接觸疲勞試驗方法不同材料或同一材料經不同熱處理后，其接觸疲勞強度用接觸疲勞曲線（與高周疲勞的S-N曲線類似）來描述。是按赫茲公式計算出來的最大壓應力，N為破壞循環(huán)周次。2/2/202322安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院測定接觸疲勞極限時，循環(huán)基數N0一般取107次，并規(guī)定：當試樣上深層剝落面積大于或等于3mm2或當試樣上麻點剝落（集中區(qū)）在10mm2面積內出現麻點率達15%的損傷時，均判定為接觸疲勞破壞。2/2/202323安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院四、影響接觸疲勞壽命的因素（一）內部因素1.非金屬夾雜物