第七章金屬磨損和接觸疲勞

金屬磨損和接觸疲勞第七章7.1磨損概念7.2磨損模型7.3磨損試驗方法7.4金屬接觸疲勞7.1磨損概念一、磨損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（松散的尺寸與形狀均不相同的碎屑），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即為磨損。磨損過程中，磨屑形成也是變形和斷裂過程。

機件正常運行的磨損過程一般分為三個階段，如圖7-1所示。

1.跑合階段(磨合階段)如圖7-1中的oa線段。

2.穩(wěn)定磨損階段如圖7-1中的ab線段。

3.劇烈磨損階段如圖7-1中的bc段。

二、耐磨性通常是用磨損量來表示材料的耐磨性。磨損量愈小，耐磨性愈高。

1、用試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小來表示；線磨損。

2、用試樣體積或質量損失來表示；體積磨損或質量磨損。

3、若測量單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量等，則稱為比磨損量。

4、為和通常的概念一致，用磨損量的倒數來表征材料的耐磨性。

5、相對耐磨性ε用下式表示

相對耐磨性的倒數亦稱磨損系數。7.2磨損模型一、粘著磨損二、磨粒磨損三、沖蝕磨損四、腐蝕磨損五、微動磨損一、粘著磨損

1.磨損機理

2.磨損量的估算

3.影響因素

4.改善粘著磨損耐磨性的措施1.磨損機理

粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較小(鋼小于lm/s)時發(fā)生的。它是因缺乏潤滑油，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，表面形貌如圖7-2所示。

粘著磨損過程如圖7-3所示。由圖可見，粘著磨損分三個階段:1）接觸面凸起因塑性變形被碾平，并在接觸面之間形成剪斷強度高的分界面。

2）在摩擦副一方金屬遠離分界面內發(fā)生斷裂，從該金屬上脫落下碎屑并轉移到另一方金屬表面。

3）轉移的碎屑脫落下來形成磨屑。2.磨損量的估算

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；

δ——材料的斷后伸長率。3.影響因素材料特性、法向力、滑動速度以及溫度等均對粘著磨損有明顯影響。塑性材料比脆性材料易于粘著；化合物比固溶體粘著傾向小;金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬的摩擦副不易粘著。在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力增大而增加。在法向力一定時，粘著磨損量隨滑動速度增加而增加，但達到某一極大值后，又隨滑動速度增加而減小。摩擦副表面粗糙度、摩擦表面溫度以及潤滑狀態(tài)等也都對粘著磨損有較大影響。

4.改善粘著磨損耐磨性的措施①首先要注意摩擦副配對材料的選擇②采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)③控制摩擦滑動速度和接觸壓應力二、磨粒磨損1.磨損機理2.磨損量的估算3.影響因素4.改善磨粒磨損耐磨性的措施1.磨損機理磨粒磨損是當摩擦副一方表面存在堅硬的細微凸起，或者在接觸面之間存在著硬質粒子時所產生的一種磨損。前者稱為兩體磨粒磨損，如銼削過程；后者稱為三體磨粒磨損，如拋光。兩種情況的磨粒磨損如圖7-4所示。磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽，如圖7-5。

磨粒磨損結論

綜上所述可見，磨粒磨損過程可能是磨粒對摩擦表面產生的切削作用、塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結果，還可能是它們綜合作用的反映，而以某一損害作用為主。磨粒磨損斷口主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽。2.磨損量的估算

圖7-6是理想化的磨粒磨損模型。按照這一模型，設θ為凸出部分的圓錐面與軟材料表面間的夾角，當摩擦副相對滑動了l長的距離時，凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積(圖7-6陰影線所示面積)，即磨損量V為

K為系數?？梢?，磨粒磨損量與法向力、摩擦距離成正比，與材料硬度成反比。3.影響因素根據試驗，金屬材料對磨粒磨損的抗力與H/E成比例，H為材料硬度，E為楊氏模量。材料的H/E值越大，在相同接觸壓力下，彈性變形量增大。因此，機件抵抗磨粒磨損的能力主要與材料硬度成正比。純金屬與未經熱處理的鋼，其磨粒磨損耐磨性與它們的自然硬度成正比，且直線通過原點(圖7-7a)。經過熱處理的鋼，其耐磨性也與硬度成線性關系，但直線的斜率比純金屬為小(圖7-7b)。斷裂韌度也影響金屬材料磨粒磨損耐磨性。圖7-8為耐磨性與硬度及斷裂韌度關系的示意圖。

圖7-9為磨損體積和磨粒硬度Ha況與金屬材料硬度H比的關系曲線。曲線分三個區(qū)域：

Ⅰ區(qū)Ha<H，軟磨粒磨損區(qū)，磨損量最小；

Ⅱ區(qū)Ha≈H，過渡區(qū)，金屬材料的磨損體積與硬度比（Ha/H）成直線關系；

Ⅲ區(qū)Ha>H，硬磨粒磨損區(qū)，磨損量較大。圖中兩個轉折點A

與B所對應的Ha/H分別為0.7～1.1和1.3～1.7。4.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

（2）根據機件服役條件，合理選擇耐磨材料

（3）采用滲碳、碳氫共滲等化學熱處理三、沖蝕磨損1.磨損機理2.影響因素1.磨損機理定義：流體或固體以松散小顆粒以一定速度、角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損，一般粒子尺寸小于100微米；沖擊速度在每秒550米以內。2.影響因素（1）環(huán)境因素（2）粒子性能（3）材料性能3.改善沖蝕磨損耐磨性措施減小粒子速度改變攻角合理利用粒子粒度和濃度合理設計工件形狀改善材料特性四、腐蝕磨損

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，腐蝕產物的形成和脫落引起腐蝕磨損。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。

1、氧化磨損2、特殊介質腐蝕磨損1、氧化磨損

氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損，這就是氧化磨損過程。氧化磨損的宏觀特征是，在摩擦面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產物或為紅褐色的Fe2O3或為灰黑色Fe3O4。既然因氧化磨損時，在摩擦副表面接觸點處同時進行塑性變形和氧的擴散，所以氧化磨損的速率或磨損量就決定于:摩擦副表面層對塑性變形的抗力，氧在金屬中的擴散速率，氧化膜的性質和厚度以及氧化膜與基體結合的牢固程度等。摩擦學參數如接觸壓力、滑動速度、滑動距離、溫度等也影響氧化磨損的磨損量。2、特殊介質腐蝕磨損化工機械

五、微動磨損機理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，其特征是摩擦副接觸區(qū)有大量紅色Fe2O3磨損粉末，如圖7-10所示。7.3磨損試驗方法磨損試驗方法分為實物試驗與實驗室試驗兩類。實驗室試驗所用磨損試驗機的原理如圖7-13所示。圖7-13a為銷盤式試驗機，圖7-13b為銷筒式試驗機，圖7-13c為往復運動式試驗機，圖7-13d為MM型磨損試驗機原理簡圖。7.4金屬接觸疲勞一、接觸疲勞現象與接觸應力二、接觸疲勞破壞機理三、接觸疲勞試驗方法四、影響接觸疲勞壽命的因素一、接觸疲勞現象與接觸應力1.接觸疲勞現象2.接觸應力

1.接觸疲勞現象

接觸疲勞是機件兩接觸而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。接觸疲勞的宏觀形態(tài)存征是在接觸表面上出現許多小針狀或痘狀凹坑，有時凹坑很深，呈貝殼狀，有疲勞裂紋發(fā)展線的痕跡，如圖7-12。圖7-16為齒輪節(jié)圓附近齒面的麻點剝落，圖7-17為表面淬火齒輪深層剝落的宏觀形貌。

2.接觸應力

兩物體相互接觸時，在表面上產生的局部壓入應力稱為接觸應力，也叫赫茲應力。受接觸應力作用的機件，按接觸面初始幾何條件不同，可分為線接觸與點接觸兩類，前者如齒輪的接觸，后者如滾珠軸承的接觸。二、接觸疲勞破壞機理1.麻點剝落2.淺層剝落3.深層剝落

1.麻點剝落麻點剝落的形成過程如圖7-24所示。實踐表明，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）時，易產生麻點剝落。前者是因為表面最大綜合切應力較高，后者則是材料抗剪強度較低所致。

2.淺層剝落淺層剝落裂紋產生于亞表層，如圖7－20。淺層剝落多出現在機件表面粗糙度低，相對滑動小，即摩擦力小的場合。

3.深層剝落深層剝落裂紋產生如圖7－21。表面硬化機件小部強度太低，硬化層深不合理，梯度太陡或過渡區(qū)存在不利的應力分布都易造成深層剝落。三、接觸疲勞試驗方法

接觸疲勞試驗是在接觸疲勞試驗機上進行的。試驗機有純滾動和滾動帶滑動兩類。圖7－23是應用較廣的JPM－1型滾子式試驗機原理圖。該種試驗機可以做純滾動或滾動帶滑動的試驗。四、影響接觸疲勞壽命的因素（一）內部因素

1.非金屬夾雜物

2.熱處理組織狀態(tài)

3.表面硬度與心部硬度

4.表面硬化層深度

5.殘余內應力

（二）外部因素

1.非金屬夾雜物鋼在冶煉時總存在有非金屬夾雜物等冶金缺陷，對機件（尤其是對軸承）的接觸疲勞壽命影響很大。軸承鋼星的非金屬夾雜物有塑性的（如硫化物）、脆性的（如氧化鋁、硅酸鹽、氮化物等）和球狀的（如硅鈣酸鹽、鐵銹酸鹽）三類，其中以脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜物對接觸疲勞壽命危害最大。人們普遍認為，鋼中適量的硫化物夾雜對提高接觸疲勞壽命有益。生產上應盡量減少鋼中非金屬夾雜物（特別是氧化物、硅酸鹽夾雜物），在有條件情況下，要采用電渣重熔，真空冶煉等工藝。

2.熱處理組織狀態(tài)⑴馬氏體含碳量對于軸承鋼而言，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當馬氏體含碳量在0.4%～0.5%左右時，接觸疲勞壽命最高。⑵馬氏體和殘余奧氏體的級別對于軸承鋼而言，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當馬氏體含碳量在0.4%～0.5%左右時，接觸疲勞壽命最高。⑶末溶碳化物和帶狀碳化物對于馬氏體含碳為0.5%的高碳軸承鋼，末溶碳化物顆粒愈粗大，則其相鄰馬氏體邊界處的含碳量就愈高，該處也就愈易形成接觸疲勞裂紋，故壽命較低。

3.表面硬度與心部硬度在一定硬度范圍內，接觸疲勞抗力隨硬度升高而增大，但并不保持正比關系。軸承鋼表面硬度為62HRC時，其平均使用壽命最高（圖7-25）。

4.表面硬