第五章 材料在不同工程環(huán)境下力學(xué)性能-磨損性能

輪胎磨損手機(jī)屏幕磨損對于機(jī)械設(shè)備、運(yùn)動構(gòu)件磨損十分常見！5.4材料的磨損性能1、磨損概述2、磨損機(jī)理3、磨損試驗(yàn)方法4、提高耐磨性的方法掌握理解了解了解對德國20個企業(yè)所使用的鍛錘和壓力機(jī)鍛模共160種、2300個不同模具模膛的損壞情況的進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出如下規(guī)律：

失效形式所占比例磨損失效70%機(jī)械疲勞裂紋25%冷熱疲勞裂紋2.5%塑性變形2.5%1、磨損概述機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時機(jī)件間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦而磨損，不僅降低機(jī)器工作效率和精確度，直接影響零件的使用壽命，還將增加能耗，產(chǎn)生噪音和振動，造成環(huán)境污染。研究材料磨損過程，提高材料的耐磨性對延長機(jī)件使用壽命具有重要意義

（1）摩擦和磨損

摩擦是接觸物體間的一種阻礙運(yùn)動的現(xiàn)象，這種阻力為摩擦力。它同接觸法向壓力(P)及摩擦系數(shù)μ成正比。F=μ·P

μ有動靜區(qū)分,μ靜>μ動用來克服摩擦力所作的功一般都是以熱的形式散發(fā)出去導(dǎo)致接觸表面瞬時溫度升高降低工件的機(jī)械效率摩擦?xí)斐蓹C(jī)械表面材料損失——磨損結(jié)果原因F=μ·P減小摩擦系數(shù)，降低摩擦力比如：使用潤滑油，選用適當(dāng)材料摩擦磨損如何減小磨損？有沒有需要增大摩擦力的地方？☆事物都有兩面性?。?）磨損過程磨損是由于摩擦使表面材料逐漸損失并造成表面損傷的現(xiàn)象。一般分為三階段,曲線上的各點(diǎn)斜率即為磨損速率。Ⅰ跑合階段（磨合階段）

新的摩擦件表面總有粗糙度，真實(shí)接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨損速率快。一定載荷下，摩擦表面逐漸磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速度逐漸減慢。Ⅱ穩(wěn)定磨損階段

出現(xiàn)在摩擦副的正常運(yùn)行階段。經(jīng)過跑合，磨損已經(jīng)穩(wěn)定下來。磨損量隨時間增大緩慢增大。Ⅲ劇烈磨損階段

隨著機(jī)件工作時間增加，摩擦件接觸表面之間間隙逐漸擴(kuò)大，機(jī)件表面質(zhì)量下降，潤滑條件惡化，機(jī)件振動加劇，磨損速度急劇增加，并導(dǎo)致機(jī)件很快失效。（3）磨損類型按機(jī)理分一般主要為六類粘著磨損磨料磨損磨蝕磨損氧化磨損微動磨損沖蝕磨損磨損類型在不同的條件下,可以發(fā)生轉(zhuǎn)化,由一種損傷機(jī)制變成另一種損傷機(jī)制。故解決實(shí)際磨損問題時,要分析參與磨損過程的條件特性,確定磨損類型,才能采取有效的措施,減少磨損。磨損類型百分比/%磨料磨損50粘著磨損15沖蝕磨損8微動磨損8腐蝕磨損5其他141）磨粒磨損

磨粒磨損又稱磨料磨損或研磨磨損。

是摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子(從外界進(jìn)入或從表面剝落)時產(chǎn)生的磨損。

磨粒磨損是工業(yè)領(lǐng)域最常見的一種磨損形式。

2、磨損機(jī)理磨粒磨損分類

摩擦副一方硬度比另一方大得多：兩體磨粒磨損摩擦副接觸面之間存在硬質(zhì)粒子：三體磨粒磨損

依據(jù)磨粒受的應(yīng)力大小分類鑿削式

粗糙磨料使磨損表面撕裂出很大的顆粒，形成很高應(yīng)力高應(yīng)力碾碎式

磨料在兩個工作表面間互相擠壓和摩擦。磨料被不斷破碎成小碎片。局部應(yīng)力很高低應(yīng)力擦傷式

松散磨料自由在表面上滑動，磨料不產(chǎn)生破碎。磨粒磨損機(jī)理磨粒在材料表面的作用力可以分為法向力和切向力兩種。法向力形成壓痕,切向力推動磨粒向前進(jìn)。磨粒似刀具切削表面,切痕長而淺。微觀切削微觀犁溝當(dāng)磨粒較圓鈍或材料表面塑性較高時,磨?；^后僅犁出溝槽,兩側(cè)材料沿溝槽兩側(cè)堆積,隨后的摩擦又會將堆積的部分壓平,如此反復(fù)地塑性變形,堆積,壓平,便導(dǎo)致裂紋形成并引起剝落微觀剝落磨粒與脆性材料相接觸時，材料表面因受到磨粒的壓入形成裂紋，裂紋擴(kuò)展到表面時就剝落出磨屑。實(shí)際磨粒磨損中，往往幾種機(jī)制并存，但以某一種為主。工作條件如果發(fā)生變化，磨損機(jī)制也會相應(yīng)變化。切削作用的磨粒磨損模型

壓力P將硬材料的凸起部分或磨粒壓入較軟材料中，滑動L距離后，軟材料表面犁出一條溝槽。若θ為突出部分與軟材料之間的夾角。磨損量W為可見磨粒磨損量W與接觸壓力P、滑動距離L成正比,與材料硬度H成反比,與硬材料凸出部份或磨粒形狀θ有關(guān)。

硬度越高的材料，磨損量越小，耐磨性越高。載荷越高，滑動距離越長，磨損越嚴(yán)重！2、磨損機(jī)理2）粘著磨損

粘著磨損又稱咬合磨損。兩種材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合,在相對運(yùn)動中粘著點(diǎn)又分開，導(dǎo)致接觸面上有小顆粒被拉拽出來，反復(fù)多次致使機(jī)件產(chǎn)生表面損傷而失效。

機(jī)件即使拋光加工，表面仍然凹凸不平，局部接觸。真實(shí)接觸面的局部應(yīng)力較大，產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生粘著（冷焊）。繼續(xù)相對滑動，粘著點(diǎn)被剪斷、拉開，轉(zhuǎn)移到一方材料表面，脫落形成磨屑。粘著點(diǎn)的形成和破壞就造就了粘著磨損！多發(fā)生在摩擦付相對滑動速度小,接觸面氧化膜脆弱,潤滑條件差，及接觸應(yīng)力大的滑動摩擦條件下。

磨損特征是表面有大小不等的結(jié)疤根據(jù)磨損程度，可把粘著磨損分為4類：粘著強(qiáng)度大于摩擦副中較軟金屬的強(qiáng)度，小于較硬金屬的強(qiáng)度。剪切發(fā)生在離粘著點(diǎn)不遠(yuǎn)的較軟金屬的淺表層內(nèi)。軟金屬涂抹（粘附）在硬金屬表面上。如鉛基合金與鋼對磨。粘著強(qiáng)度比兩方材料強(qiáng)度都低時會沿分界面斷開，磨損量較小。如錫基合金與鋼的摩擦。粘著強(qiáng)度比摩擦副的兩基體金屬的強(qiáng)度都高剪切主要發(fā)生在軟金屬的亞表層內(nèi)，有時也發(fā)生在硬金屬的亞表層內(nèi)，轉(zhuǎn)移到硬金屬上的粘著物又刮削軟金屬表面，使金屬表面出現(xiàn)劃痕。所以擦傷主要發(fā)生在軟金屬表層，硬金屬表面也偶有劃傷。如鋁合金零件與鋼摩擦。外力不能克服界面的結(jié)合強(qiáng)度時，摩擦副的相對運(yùn)動將被迫停止。粘著磨損機(jī)理——Archard模型假設(shè)單位面積上有n個凸起，在壓應(yīng)力P的作用下發(fā)生粘著，粘著處直徑為a，且假定粘著處材料處于屈服狀態(tài)，其壓縮屈服極限為σsb，則P粘著磨損機(jī)理——Archard模型由于相對運(yùn)動，粘著點(diǎn)分離，從較軟材料中拖拽處直徑為a的半球，設(shè)軟材料上被拉拽處半球的幾率為K，當(dāng)滑動距離L后，接觸面積S的磨損量W為P粘著磨損量與接觸壓力、摩擦距離成正比，與軟材料硬度（或屈服極限）成反比。從此得出，增加硬度能減少磨損3）接觸疲勞現(xiàn)象與特征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(diǎn)磨損,是齒輪、滾動軸承等工件常見的磨損失效形式。接觸疲勞的宏觀形態(tài)特征是:接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑),有的凹坑較深,底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線的痕跡。接觸疲勞表面形貌

接觸疲勞的基本類型根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的差異，接觸疲勞破壞分為三類。

接觸疲勞也經(jīng)歷了裂紋形成與擴(kuò)展兩階段。裂紋形成過程長,擴(kuò)展階段僅占總破壞時間的很小部分。

接觸疲勞的過程(1)麻點(diǎn)剝落

滾動+滑動，最大綜合切應(yīng)力位置在表層

麻點(diǎn)剝落(點(diǎn)蝕),剝落深度0.10.2mm，剝塊形狀為不對稱V型針狀或痘狀凹坑。(2)淺層剝落

純滾動，最大綜合切應(yīng)力位置在次表層（0.5-0.7b）淺層剝落:剝落深度一般為0.2mm0.4mm,剝塊底部大致與表面平行,裂紋沿與表面成銳角或直角擴(kuò)展。(3)深層剝落

裂紋沿非金屬夾雜物平行與表面擴(kuò)展，而后垂直擴(kuò)展至表面深層剝落(表面壓碎),

剝落深度與表面強(qiáng)化層深相當(dāng)(＞0.4mm),剝落時裂紋垂直于表面擴(kuò)展。4）磨蝕磨損外界環(huán)境引起金屬表層的腐蝕產(chǎn)物（主要是氧化物）剝落，與金屬磨面之間的機(jī)械磨損（磨粒磨損與粘著磨損）相結(jié)合而出現(xiàn)的磨損。故腐蝕性介質(zhì)會加速磨蝕磨損。在不活潑氣氛中則可以減少磨蝕磨損。5）氧化磨損摩擦副一方的突起部分與另一方作相對滑動時，有氧氣擴(kuò)散到變形層內(nèi)形成氧化膜，這種氧化膜在遇到第二個突起時有可能剝落或者因應(yīng)力而自身破裂，使新露出的金屬又被氧化，這種氧化膜不斷生成又被破壞的過程就是氧化磨損。磨損速率較小，也是生產(chǎn)中允許的一種磨損形態(tài)。6）微動磨損

指兩個相互接觸、名義上相對靜止而實(shí)際上處于周期性小幅相對滑動(通常為振動)的固體表面產(chǎn)生的磨損

產(chǎn)生微動腐蝕的相對滑動極小，振幅約2~20μm

必要條件：反復(fù)的相對運(yùn)動

例如：軸與軸套、鉚接接頭、螺栓聯(lián)接、鍵銷固定等固定部位；鋼絲繩股與股、絲與絲之間；軌道與道釘之間因?yàn)榧性诰植繀^(qū)域，磨損產(chǎn)物不易往外排出，故兼有氧化磨損、研磨磨損、粘著磨損的作用微動磨損通常發(fā)生在一對緊配合的零件微動磨損是幾種磨損型式的復(fù)合微動磨損量與材料性質(zhì),滑動振幅和施加載荷有關(guān)微動磨損可引起微動疲勞破壞滾壓,噴丸和表面熱處理都可因?yàn)楸韺赢a(chǎn)生壓應(yīng)力,能有效地提高微動磨損與疲勞的抗力7）沖刷磨損簡稱沖蝕，又稱磨耗腐蝕——金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運(yùn)動引起的金屬損傷流體對電化學(xué)腐蝕行為的影響沖刷腐蝕＋流體產(chǎn)生的機(jī)械作用兩者交互作用加速傳質(zhì)過程，促進(jìn)去極化劑達(dá)到金屬表面和腐蝕產(chǎn)物從表面離開高流速引起的切應(yīng)力和壓力變化，以及多相流固體顆粒或氣泡的沖擊作用，腐蝕流體高速運(yùn)動，破壞保護(hù)性表面膜，表面膜的減薄或去除加速金屬的腐蝕過程常發(fā)生在近海及海洋工程、油氣生產(chǎn)與集輸、石油化工、能源、造紙等工業(yè)領(lǐng)域沖蝕金屬表面一般呈現(xiàn)溝槽、凹谷、淚滴狀及馬蹄狀，表面光亮無腐蝕產(chǎn)物積存，與流向有明顯的依賴關(guān)系通常是沿著流體的局部流動方向或表面不規(guī)則所形成的紊流1）耐磨性材料在一定摩擦條件下抵抗磨損的能力，常以磨損率的倒數(shù)來表示。磨損率：單位時間或單位距離內(nèi)產(chǎn)生的磨損量。磨損率越小，則耐磨性越高。磨損量可以用試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小來表示，稱為線磨損量；也可以用試樣體積或質(zhì)量損失來表示，稱為體積磨損或質(zhì)量磨損。3、磨損試驗(yàn)方法磨損率不是材料的固有特性，與工作條件、材料性能和相互作用有關(guān)，所以耐磨性是工作條件的函數(shù)。工程中找不到一個適用于所有工作條件的耐磨材料?？梢杂靡环N“標(biāo)準(zhǔn)”材料作為參考值，用待測材料與參考材料在相同磨損條件下進(jìn)行試驗(yàn)的相對耐磨性所為結(jié)果進(jìn)行評定。

磨損試驗(yàn)方法分為實(shí)物試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類。實(shí)物實(shí)驗(yàn)的條件與實(shí)際情況一致或接近。因而結(jié)果可靠性高,但試驗(yàn)周期長,又因結(jié)果是摩擦副結(jié)構(gòu)材料及其工藝等諸多因素的綜合反映，單因素的影響難于掌握與分析。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)具有周期短,成本低、易于控制各種影響因素等優(yōu)點(diǎn),但結(jié)果常不能直接反映實(shí)際情況,多用于研究性試驗(yàn),研究單個因素的影響規(guī)律及探討磨損機(jī)制。因此,研究重要機(jī)件的耐磨性時,往往要兼用這兩種方法。2）磨損試驗(yàn)?zāi)p試驗(yàn)機(jī)示意圖

(a)銷盤式(b)銷筒式(c)往復(fù)運(yùn)動式(d)對滾型(e)砂紙磨損試驗(yàn)(f)快速度試驗(yàn)4、提高材料耐磨性的途徑

1）減輕粘著磨損量的主要措施(1)合理選擇摩擦付材料:盡量選擇互溶性少,粘著傾向小的材料配對,如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)的多相或化合物材料;強(qiáng)度高不易塑變的材料。(2)避免或阻止兩摩擦付間直接接觸.增強(qiáng)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,改善表面潤滑條件等。(3)采用表面處理,在材料表面形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,減少摩擦系數(shù);又能避免直接接觸。2）對磨粒磨損采用的措施

(1)對低應(yīng)力磨粒磨損,應(yīng)提高表面硬度。(2)對較重載荷,甚至較