材料性能學(xué) 第六章

06三月2024第六章

材料的磨損性能零件間的相對運(yùn)動→摩擦→材料損耗破壞材料的磨損不僅直接影響零件的使用壽命，還會增加能耗，產(chǎn)生噪音和振動，造成環(huán)境污染，因此，研究材料的磨損過程及規(guī)律，提高材料的耐磨性，具有重要意義。本章重點1、材料的磨損方式2、材料的磨損機(jī)理3、影響材料磨損的因素06三月2024第一節(jié)磨損的基本概念及類型一、摩擦與磨損的概念1、摩擦摩擦是相互接觸物體間的一種阻礙運(yùn)動的現(xiàn)象。摩擦力F=f·Nf—摩擦系數(shù)f靜>f動N—接觸法向壓力06三月2024

2、磨損在摩擦的作用下，材料表面逐漸分離出磨屑而導(dǎo)致材料不斷損傷的現(xiàn)象

。磨損的本質(zhì)材料表面局部變形和斷裂，且這種變形與斷裂是反復(fù)進(jìn)行的，具有動態(tài)特征。06三月2024零件正常運(yùn)行的磨損過程一般分三個階段：A、跑合階段（OA段）零件表面被逐漸磨平，實際接觸面積不斷增大。材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，磨損速率逐漸下降。06三月2024B、穩(wěn)定磨損階段（AB段）

該段為一直線，斜率即磨損速率（常數(shù)），零件正常工作階段，零件的壽命取決于該階段。C、劇烈磨損階段（BC段）隨著磨損量的增加，摩擦幅間隙增大，零件表面質(zhì)量惡化（強(qiáng)化層磨穿），潤滑膜被破壞，引起劇烈振動，磨損加劇，零件快速失效。06三月2024二、磨損的基本類型根據(jù)磨損面損傷和破壞的形式，將磨損分為：粘著磨損磨料磨損腐蝕磨損麻點疲勞磨損磨損類型在一定條件下，可以相互轉(zhuǎn)化。06三月2024如圖，摩擦副相對滑動速度與磨損類型的關(guān)系：解決實際磨損問題時，要根據(jù)工作條件，確定磨損類型，才能采取有效措施，減少磨損。06三月2024第二節(jié)磨損過程一、粘著磨損（咬合磨損）1、產(chǎn)生原因材料表面某些接觸點局部壓應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合，隨后摩擦副相對運(yùn)動時拽開（拉開）而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。06三月202406三月20242、產(chǎn)生條件摩擦副相對滑動速度小，接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應(yīng)力大以及機(jī)械性能相差不大的摩擦副的滑動摩擦條件下。3、磨損特征摩擦副表面產(chǎn)生大小不等的結(jié)疤。（粘著點不斷形成又不斷破壞并脫落）06三月20244、粘著磨損的兩種形式a、若粘著點結(jié)合強(qiáng)度低于兩側(cè)材料，則沿接觸面剪斷，磨損量較小，摩擦面較平滑，只有輕微擦傷（巴氏合金—鋼的滑動摩擦）。

b、

若粘著點的結(jié)合強(qiáng)度比兩側(cè)任一材料的強(qiáng)度都高時，分離面發(fā)生在強(qiáng)度較弱的材料上，被剪斷的材料將轉(zhuǎn)移到強(qiáng)度較高的材料上，結(jié)果，使軟材料表面出現(xiàn)微小凹坑，硬材料表面形成微小凸起。使得摩擦面變得粗糙，造成進(jìn)一步磨損（加劇磨損）。06三月2024

這種軟材料向硬材料表面逐漸轉(zhuǎn)移積累，最終使不同材料之間的摩擦副滑動變成同種材料之間的滑動，加劇磨損，嚴(yán)重時產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。如，鉛基合金軸瓦與鋼軸之間會產(chǎn)生上述情況。06三月20245、阿查得（J.F.Archard）估算粘著磨損量的方法：

設(shè)在法向力P作用下，摩擦面上有n

個微凸體接觸粘著。接觸面的真實面積為πd2/4，則n個相同的接觸點同時塑性接觸時,法向力p滑動d磨損粉06三月2024單位滑動距離內(nèi)出現(xiàn)的接觸點數(shù)N=n/d=4p/(3πσscd3)。實際相對滑動中，軟材料上被拉拽出半球的幾率為K，總拉拽出的磨損量W可表示為：Hv為軟材料硬度，Hv≈3σscV’為接觸點半球體積06三月2024粘著磨損系數(shù)K與接觸壓力的關(guān)系06三月20246.影響粘著磨損的因素

(1)脆性材料的抗粘著磨損能力比塑性材料高。

(2)金屬性質(zhì)越是相近的，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損也越嚴(yán)重。反之，金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損就較輕微。滑動軸承就是這樣的例子，選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對。在受力較小時，選用金屬與塑料配對都能減小粘著磨損。06三月2024(3)通過表面化學(xué)熱處理，如滲硫、硫氮共滲、磷化、軟氮化等熱處理工藝，使表面生成一化合物薄膜，或為硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系數(shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。

(4)改善潤滑條件。(5)粘著磨損嚴(yán)重時表現(xiàn)為膠合。06三月20247.粘著磨損失效舉例06三月2024二、磨粒磨損（磨料磨損、研磨磨損）1、定義是摩擦副的一方表面存在的細(xì)微凸起或接觸面間存在硬質(zhì)粒子時產(chǎn)生的磨損。前者—兩體磨粒磨損，如銼削過程。后者—三體磨粒磨損，如拋光過程。06三月20242、分類按磨粒受的應(yīng)力大小鑿削式高應(yīng)力碾碎式低應(yīng)力擦傷式06三月2024磨粒對摩擦副表面作用的力分法向力和切向力。法向力在表面形成壓痕；切向力推動磨料前進(jìn)，產(chǎn)生淺長滑痕（切痕）。3、特征摩擦面上有擦傷或溝槽（犁溝）。

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4.磨料磨損的機(jī)制微觀切削（2）微觀犁溝（3）微觀斷裂（剝落）06三月20245、磨粒切削磨損模型壓力P將硬材料的凸出部分或磨粒（圓錐體）壓入較軟材料中p/πr2=3σscp=3σscπr2=Hvπr206三月2024被切削下來的軟材料體積，即為磨損量W，可表示為W=r2Ltgθp=3σscπr2=Hπr206三月2024

6.影響磨粒磨損的因素(1)磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強(qiáng)度等。

(2)外界載荷大小、滑動距離及滑動速度。(3)材料自身的硬度及內(nèi)部組織06三月2024三、接觸疲勞（滾動軸承、齒輪）

1、定義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，局部出現(xiàn)片狀或塊狀剝落的現(xiàn)象→表面疲勞磨損或麻點磨損。06三月20242、特征接觸表面出現(xiàn)許多痘狀，貝殼狀或不規(guī)則形狀的麻坑（點）麻點剝落（0.1～0.2mm）淺層剝落(0.2～0.4mm)深層剝落(>0.4mm)接觸疲勞與一般疲勞相似，只是裂紋形成過程長，而擴(kuò)展階段僅占總過程的很短時間。06三月2024接觸疲勞的表面形貌06三月20243、接觸應(yīng)力的概念兩物體相互接觸時，在局部表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。接觸點接觸：滾珠軸承線接觸：齒輪06三月2024a、圓柱體的線接觸應(yīng)力設(shè)有兩圓柱體，半徑分別為R1，R2，長度為L；未變形前兩者是線接觸，施加法向力P后，因彈性變形成為面接觸，接觸面積為2bL，根據(jù)彈性力學(xué)，接觸壓應(yīng)力σz沿2b（寬度）呈半橢圓規(guī)律分布。在接觸面中心，壓應(yīng)力達(dá)到最大值。06三月2024E為綜合彈性模量：E1，E2—兩圓柱的彈性模數(shù)06三月2024實際接觸應(yīng)力是三向壓應(yīng)力σz

、σx

、σy

，最大切應(yīng)力τyz45omax，在Z=0.786b深處最大,且τyz45omax≈0.3σzmax06三月2024b、球體的點接觸應(yīng)力（滾珠與軸承套圈之間的接觸）06三月2024最大切應(yīng)力τyz45omax發(fā)生在Z=0.786b深處τyz45omax=0.3σmax以上為純滾動時的值，若兩接觸物體既作滾動又有滑動，則應(yīng)附加切向摩擦力，最大切應(yīng)力分布如圖:當(dāng)摩擦系數(shù)f>0.2時，最大切應(yīng)力位置移到材料表面，此時接觸疲勞裂紋源也移到表面。06三月2024

4、接觸疲勞過程當(dāng)最大切應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度時，便在此處引起塑性變形，經(jīng)過多次循環(huán)作用后，裂紋便在此處產(chǎn)生（萌生）。a、麻點剝落多發(fā)生在滾動+滑動場合，最大切應(yīng)力位置移至表層,f>0.2，使表層材料累積損傷，結(jié)果在表層萌生裂紋。06三月2024在此后的循環(huán)中，潤滑油反復(fù)擠入裂紋內(nèi)形成油楔，使裂紋沿與滾動方向傾斜角小于45o方向擴(kuò)展（滾動+滑動疊加）；滑動摩擦力越大，傾角越小，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度后，裂紋與表層材料間猶如受彎曲的懸]臂梁被折斷→形成0.1～0.2mm的痘狀凹坑，即麻點剝落。06三月2024b、淺層剝落純滾動或摩擦力很小,f<0.2時，由于次表層（0.5b～0.7b深）承受著最大切應(yīng)力，故此處萌生疲勞裂紋，并沿非金屬夾雜物平行于表面擴(kuò)展，而后垂直擴(kuò)展至表面，形成盆狀剝落凹坑（深0.2～0.4mm）。06三月2024

c、深層剝落經(jīng)表面強(qiáng)化的材料，若強(qiáng)化層深度不足，裂紋則起源于硬化層與非硬化層的過渡處（界面），造成沿硬化層的大塊剝落。因此，接觸疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展是接觸綜合切應(yīng)力高于材料接觸疲勞強(qiáng)度的結(jié)果。循環(huán)切應(yīng)力的大小及分布是決定接觸疲勞破壞形成的主要因素。06三月2024表面滲碳淬火試樣實驗表明：a

、當(dāng)切應(yīng)力/抗切強(qiáng)度>0.55時產(chǎn)生深層剝落（大塊剝落）。b、

當(dāng)切應(yīng)力/抗切強(qiáng)度=0.5～0.55時產(chǎn)生表層剝落和麻點剝落混合區(qū)。c、當(dāng)切應(yīng)力/抗切強(qiáng)度<0.5時產(chǎn)生麻點剝落。

06三月2024影響接觸疲勞壽命的若干因素接觸疲勞壽命首先取決于加載條件，特別是載荷大小。此外，還與許多其它因素有關(guān)，這里僅簡敘其中若干有代表性的因素。1．非金屬夾雜物2．馬氏體含碳量3．剩余碳化物顆粒大小和數(shù)量06三月2024第三節(jié)耐磨性及其測量方法一、材料的耐磨性1、耐磨性：是指材料抵抗磨損的能力。2、耐磨性的表征方法：通常用磨損量表示，磨損量↓→耐磨性↑。3、磨損量：用質(zhì)量法或尺寸法衡量質(zhì)量法：磨損前后的質(zhì)量變化量（精密分析天平）。尺寸法：磨損前后的表面法向尺寸變化06三月20244、比磨損量：單位摩擦距離，單位壓力下的磨損量。5、相對耐磨性：ε=標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量/被測樣的磨損量6、磨損系數(shù)：1/ε06三月2024二、磨損試驗方法1、磨損試驗實物試驗與實際情況相同（似），結(jié)果可靠，但周期長，單因素的影響，難以分析。實驗室試驗周期短，成本低，易于控制各影響因素，但結(jié)果不能直接反映實際情況。（1）試樣試驗（2）臺架試驗06三月2024銷盤式

環(huán)塊式往復(fù)運(yùn)動式

對滾式

砂紙磨損式

快速磨損試驗機(jī)

2、實驗室常用摩擦磨損試驗機(jī)06三月20243、選擇磨損試驗方法的依據(jù)a、摩擦副運(yùn)動方式：往復(fù)、旋轉(zhuǎn)b、摩擦方式：滾動、滑動、復(fù)合c、試樣形狀：尺寸、載荷、速度、溫度盡可能接近實際情況。注意問題磨損試驗結(jié)果分散性大，應(yīng)做多次（4～5次）試驗，取平均值。06三月20244.接觸疲勞試驗常用接觸疲勞實驗機(jī)雙面對滾式單面對滾式06三月2024止推式通過實驗，測出σmax—N曲線（接觸疲勞曲線），即最大接觸壓應(yīng)力與斷裂周次曲線。圖中，水平線對應(yīng)的應(yīng)力為接觸疲勞強(qiáng)度，斜線為過載持久值。06三月2024接觸疲勞極限的循環(huán)基數(shù)N0，以不產(chǎn)生大量擴(kuò)展性麻點為依據(jù)低碳鋼N0=2～4

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周次淬火+回火鋼N0=10～20

106

周次鑄鐵N0=（2～6）

106

周次銅合金N0=（3～10）

106周次當(dāng)應(yīng)力低于接觸疲勞強(qiáng)度時，經(jīng)過相當(dāng)數(shù)量的循環(huán)后，雖可能產(chǎn)生一些麻點，但均是非擴(kuò)展性的。06三月2024當(dāng)應(yīng)力大于接觸疲勞強(qiáng)度時，麻點不斷長大，數(shù)量急劇增多。測出完整的接觸疲勞曲線非常困難，一般只作過載區(qū)的接觸疲勞壽命。06三月2024第四節(jié)提高材料耐磨性的途徑一、減輕粘著磨損的主要措施1、合理選擇摩擦副材料①互溶性少②粘著傾向小選擇非同種或晶格類型不同，電子密度、電化學(xué)性質(zhì)差異大的材料配對。③強(qiáng)度高不易塑變④保護(hù)價值高的一方06三月2024

2、避免兩摩擦副間直接接觸①增大氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜的附著力②降低表面粗糙度，提高實際接觸面積③改善潤滑條件06三月2024

3、表面改性處理

采用滲硫、滲磷、滲氮、復(fù)合MoS2、PTFE復(fù)合等工藝，在接觸面形成一層化合物或非金屬層（或復(fù)合涂層），既防止粘著又降低摩擦系數(shù)。06三月20244.工作條件的影響（1）摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸壓力的增大而增加，而在接觸一定的情況下，粘著磨損量也隨滑動摩擦速度的增加而增加，但達(dá)到某一極大值后，又隨滑動摩擦速度增加而減?。?）提高光潔度，將增加抗粘著磨損能力，但光潔度過高，反而潤滑劑不能儲存于摩擦面內(nèi)而促進(jìn)粘著，在摩擦面內(nèi)維持良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損量。06三月2024二、減輕磨粒磨損的主要措施1、低應(yīng)力磨粒磨損：提高表面硬度（表面淬火、滲碳、滲氮、涂層等）。2、高應(yīng)力、沖擊載荷下的磨粒磨損

基體強(qiáng)化（等溫淬火→貝氏體）06三月20243、改善第二相的數(shù)量、形態(tài)、分布情況，提高耐磨粒磨損能力。碳化物脆性相彌散分布耐磨性↑殘余奧氏體韌性相基體韌性↑4、機(jī)件、潤滑油防塵，經(jīng)常過濾潤滑油，除去磨粒。06三月20245、摩擦副硬度合理Hm=1.3Ha摩擦副硬度磨粒硬度6、耐磨鋼高錳鋼Mn13淬火后單相奧氏體沖擊載荷ε-碳化物沿滑移面產(chǎn)生表層硬度急劇提高，心部仍保持良好的韌性。06三月20247.斷裂韌度也影響金屬材料磨粒磨損耐磨性KIC耐磨性和硬度1231.磨損受斷裂過程控制，耐磨性隨KIC提高而提高2.當(dāng)硬度跟斷裂韌度配合最佳時，耐磨性最高3.耐磨性隨硬度降低而下降，可見磨粒磨損抗力不唯一決定于硬度，還與材料的韌性有關(guān)06三月2024三、提高接觸疲勞抗力的措施1、采用脆性氧化物含量低的鋼材，或