磨損、高溫力學性能-3.16

1、1技術(shù)技術(shù) Performance Testing of Materials234：561.9 材料的磨損性能材料的磨損性能 磨損的基本概念與類型磨損的基本概念與類型磨損過程磨損過程耐磨性及其測量方法耐磨性及其測量方法提高材料磨損性能的途徑提高材料磨損性能的途徑7一、磨損的基本概念與類型一、磨損的基本概念與類型（1 1）摩擦）摩擦摩擦摩擦是接觸物體間的一種阻礙運動的現(xiàn)象，這種阻是接觸物體間的一種阻礙運動的現(xiàn)象，這種阻力為摩擦力。它同接觸法向壓力（力為摩擦力。它同接觸法向壓力（p p）和摩擦系數(shù)）和摩擦系數(shù)成正比。成正比。1 1、摩擦與磨損的概念、摩擦與磨損的概念有動靜區(qū)分，有動靜區(qū)分，靜靜動動

2、。 89101112壞處：壞處：使材料磨耗，發(fā)熱，使材料磨耗，發(fā)熱，導致接觸表導致接觸表面瞬時溫度面瞬時溫度，工件的機械效率，工件的機械效率，材料，材料磨耗磨耗，故生產(chǎn)中總是力圖減少摩擦，降，故生產(chǎn)中總是力圖減少摩擦，降低摩擦系數(shù)。低摩擦系數(shù)。好處：好處：某些情況需增大摩擦力，某些情況需增大摩擦力，車輛制動器、摩擦離合器車輛制動器、摩擦離合器等。等。13（2 2）磨損）磨損 磨損磨損是是在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。磨屑的形成是材料。磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。動

3、態(tài)特征動態(tài)特征l變形與斷裂發(fā)生在材料表面的局部，反復進行。變形與斷裂發(fā)生在材料表面的局部，反復進行。l 材料表層組織經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)材料表層組織經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)。l 由由常規(guī)試驗得到材料力學性能不一定能如實反映常規(guī)試驗得到材料力學性能不一定能如實反映出材料耐磨性的優(yōu)劣出材料耐磨性的優(yōu)劣。 14機件正常運行的磨損過程分為機件正常運行的磨損過程分為3 3個階段個階段，曲線上曲線上各點斜率即為磨損速率各點斜率即為磨損速率。磨損量與時間的關系圖（磨損曲線）磨損量與時間的關系圖（磨損曲線）15(1) 跑合跑合(磨合磨合)階段。階段。隨著表面被磨平，實際接觸面隨著表面被磨平，實

4、際接觸面積積，表層應變硬化，磨損速率，表層應變硬化，磨損速率。表面形成牢固的。表面形成牢固的氧化膜，也使該段的磨損速率氧化膜，也使該段的磨損速率。16(2) 穩(wěn)定磨損階段。穩(wěn)定磨損階段。該段的斜率即磨損速率為一穩(wěn)定該段的斜率即磨損速率為一穩(wěn)定值值。實驗室的磨損試驗就是根據(jù)。實驗室的磨損試驗就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時間、該段經(jīng)歷的時間、磨損速率或磨損量磨損速率或磨損量來評定材料耐磨性能的。大多數(shù)來評定材料耐磨性能的。大多數(shù)工件均在此階段服役，磨合得越好，該段磨損速率工件均在此階段服役，磨合得越好，該段磨損速率就越低。就越低。17(3) 劇烈磨損階段劇烈磨損階段。隨磨損過程的。隨磨損過程的，磨耗，磨耗，

5、摩擦副接觸表面間隙摩擦副接觸表面間隙，機件表面質(zhì)量，機件表面質(zhì)量，潤，潤滑膜被破壞，引起劇烈振動，磨損重新加劇，滑膜被破壞，引起劇烈振動，磨損重新加劇，機件快速失效。機件快速失效。182、磨損的基本類型、磨損的基本類型磨損是多種因素相互影響的復雜過程。根據(jù)磨損是多種因素相互影響的復雜過程。根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分4類：類： 粘著磨損粘著磨損 磨粒磨損磨粒磨損 腐蝕磨損腐蝕磨損 麻點疲勞磨損麻點疲勞磨損(接觸疲勞接觸疲勞) 191、粘著磨損、粘著磨損I又稱咬合磨損又稱咬合磨損I 因兩種材料表面某些接觸點局部壓應力超過該處因兩種材料表面某些接觸點局部壓應

6、力超過該處材料屈服強度發(fā)生粘合，材料屈服強度發(fā)生粘合，繼續(xù)運動時會發(fā)生材料在繼續(xù)運動時會發(fā)生材料在表面間的轉(zhuǎn)移、表面刮傷以至膠合表面間的轉(zhuǎn)移、表面刮傷以至膠合I影響因素：影響因素：材料的硬度、相對滑動速度、工作溫材料的硬度、相對滑動速度、工作溫度及載荷大小。度及載荷大小。多發(fā)生在摩擦副相對滑動速度小，多發(fā)生在摩擦副相對滑動速度小，接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應力大接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，以及接觸應力大的滑動摩擦條件下的滑動摩擦條件下I磨損表面特征：機件表面有大小不等的結(jié)疤磨損表面特征：機件表面有大小不等的結(jié)疤二、磨損過程二、磨損過程20粘著磨損的過程就是粘著點不斷形成粘著磨損的

7、過程就是粘著點不斷形成又不斷被損壞并脫落的過程。又不斷被損壞并脫落的過程。212 2、磨粒磨損、磨粒磨損 又稱又稱磨料磨損磨料磨損或或研磨磨損研磨磨損 從外部進入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中從外部進入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的微凸體峰的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的微凸體峰尖在較軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，被移去尖在較軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，被移去的材料一部分流動到溝紋兩旁，一部分形成碎片，的材料一部分流動到溝紋兩旁，一部分形成碎片，脫落成為新的游離顆粒，這樣的微切削過程叫脫落成為新的游離顆粒，這樣的微切削過程叫磨磨粒磨損粒磨損。 影響因素：影

8、響因素：材料的硬度和磨粒的尺寸與硬度，材料的硬度和磨粒的尺寸與硬度，材料的硬度材料的硬度，耐磨性，耐磨性；磨粒平均尺寸；磨粒平均尺寸，磨粒硬磨粒硬度度，金屬的磨損量金屬的磨損量 。22主要特征：主要特征：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。溝槽?？赡苁且蚰チδΣ帘砻娈a(chǎn)生的可能是因磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的微切削作微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。是它們綜合作用的結(jié)果。233 3、接觸疲勞、接觸疲勞在接觸應力多次重復作用下，就會在零在接觸應力多次重復作用下，就會在零件工作表面或表面下一定

9、深度處形成疲勞件工作表面或表面下一定深度處形成疲勞裂紋，隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐裂紋，隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐步擴展進而表面金屬脫落，致使表面上出步擴展進而表面金屬脫落，致使表面上出現(xiàn)許多凹坑，這種現(xiàn)象叫疲勞磨損，現(xiàn)許多凹坑，這種現(xiàn)象叫疲勞磨損，又稱又稱“點蝕點蝕” 或麻點磨損或麻點磨損。點蝕使零件不能正常工作而失效，點蝕使零件不能正常工作而失效，是齒是齒輪、滾動軸承等工件常見的磨損失效形式輪、滾動軸承等工件常見的磨損失效形式。24宏觀形態(tài)特征：宏觀形態(tài)特征：接觸表面出現(xiàn)許多接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑( (麻坑麻坑) )，有的凹坑較

10、，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。25摩擦副受到空氣中的酸或潤滑油、燃摩擦副受到空氣中的酸或潤滑油、燃油中殘存的少量無機酸（如硫酸）及油中殘存的少量無機酸（如硫酸）及水份的化學或電化學作用，在相對運水份的化學或電化學作用，在相對運動中造成表面材料的損失叫做動中造成表面材料的損失叫做腐蝕磨腐蝕磨損損。4 4、腐蝕磨損、腐蝕磨損26耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一個明確的統(tǒng)一指標，通常用磨損量表示。個明確的統(tǒng)一指標，通常用磨損量表示。磨損量磨損量，耐磨性耐磨性。三、耐磨性及其測量方法三、耐磨性及其測量方法

11、稱重法稱重法磨損磨損量的量的測量測量用精密分析天平稱量試樣試驗用精密分析天平稱量試樣試驗前后的質(zhì)量變化確定磨損量前后的質(zhì)量變化確定磨損量尺寸法尺寸法根據(jù)表面法向尺寸在試驗前根據(jù)表面法向尺寸在試驗前后的變化確定磨損量后的變化確定磨損量27常用磨損量的倒數(shù)或用相對耐磨性常用磨損量的倒數(shù)或用相對耐磨性()()表表征材料的耐磨性。即征材料的耐磨性。即1/1/：磨損系數(shù)磨損系數(shù)。大耐磨性好？大耐磨性好？小耐磨性好？小耐磨性好？281 1、減輕粘著磨損的主要措施、減輕粘著磨損的主要措施合理選擇摩擦副材料合理選擇摩擦副材料：盡量選擇互溶性少，粘著：盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對。傾向小的材料配對。避

12、免或阻止摩擦副直接接觸避免或阻止摩擦副直接接觸：增強氧化膜的穩(wěn)定：增強氧化膜的穩(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?？刹捎帽砻鏉B糙度，改善表面潤滑條件等?？刹捎帽砻鏉BS S、滲、滲P P、滲滲NN等表面處理工藝，等表面處理工藝，在材料表面形成一層化合物在材料表面形成一層化合物層或非金屬層。層或非金屬層。四、提高材料耐磨性的途徑四、提高材料耐磨性的途徑292 2、減輕磨粒磨損的主要措施、減輕磨粒磨損的主要措施 提高表面硬度：提高表面硬度：確定材料硬度時，應以確定材料硬度時，應以HmHm1.3Ha(Hm1.3Ha(Hm

13、為摩擦副材料硬度，為摩擦副材料硬度，HaHa為磨粒硬度為磨粒硬度) )為依據(jù)。為依據(jù)。硬度相同時，鋼中含碳量越高，形成的硬度相同時，鋼中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨損能力碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨損能力。 應經(jīng)常對機件、潤滑油進行防塵、過濾，以減輕應經(jīng)常對機件、潤滑油進行防塵、過濾，以減輕磨粒磨損量。磨粒磨損量。 303 3、提高接觸疲勞抗力的措施、提高接觸疲勞抗力的措施合理選擇表面硬化工藝合理選擇表面硬化工藝，在一定深度范圍內(nèi)，在一定深度范圍內(nèi)保存殘余壓應力，于提高接觸疲勞抗力極有利。保存殘余壓應力，于提高接觸疲勞抗力極有利。改善接觸配對副的表面狀態(tài)改善接觸配對副

14、的表面狀態(tài)，減少冷熱加工，減少冷熱加工缺陷，缺陷，表面粗糙度，表面粗糙度， 摩擦系數(shù)，也是很有效摩擦系數(shù)，也是很有效的措施。的措施。314 4、非金屬材料的磨損特性、非金屬材料的磨損特性工程陶瓷材料：工程陶瓷材料：磨損行為對表面狀態(tài)極為敏感。磨損行為對表面狀態(tài)極為敏感。受接觸應力后，受接觸應力后，在局部的應力集中區(qū)表層發(fā)生塑性變形，或在水、在局部的應力集中區(qū)表層發(fā)生塑性變形，或在水、空氣、介質(zhì)、氣氛的影響下形成易塑性變形的表空氣、介質(zhì)、氣氛的影響下形成易塑性變形的表層，進而開裂產(chǎn)生磨屑。層，進而開裂產(chǎn)生磨屑。 陶瓷材料耐磨性能不僅與組分純度有關，還與陶瓷材料耐磨性能不僅與組分純度有關，還與其制

15、備工藝密切相關。其制備工藝密切相關。32聚合物材料聚合物材料硬度小，柔性大，抗劃傷能力較高硬度小，柔性大，抗劃傷能力較高聚合物的化學組成、結(jié)構(gòu)與金屬相差較大，兩聚合物的化學組成、結(jié)構(gòu)與金屬相差較大，兩者的粘著傾向很小，磨粒磨損時，者的粘著傾向很小，磨粒磨損時，聚合物對磨粒聚合物對磨粒具有良好的適應性、就范性和埋嵌性具有良好的適應性、就范性和埋嵌性。其特有的。其特有的高彈性又可在接觸表面產(chǎn)生變形面不發(fā)生切削犁高彈性又可在接觸表面產(chǎn)生變形面不發(fā)生切削犁溝式損傷，表現(xiàn)出較好的抗磨損性能。溝式損傷，表現(xiàn)出較好的抗磨損性能。就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優(yōu)就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優(yōu)

16、于金屬與金屬配對的摩擦副于金屬與金屬配對的摩擦副 PTFE：固體材料中摩擦系數(shù)最低固體材料中摩擦系數(shù)最低331.10 材料的高溫力學性能材料的高溫力學性能 高溫蠕變性能高溫蠕變性能其他高溫力學性能其他高溫力學性能34在航天航空、能源和化工等工業(yè)領域，許在航天航空、能源和化工等工業(yè)領域，許多機件在高溫下長期服役多機件在高溫下長期服役35鍋爐鍋爐煉油設備煉油設備36溫度溫度對材料的力學性能影響很大。對材料的力學性能影響很大。時間時間：常溫下，時間對材料的力學性能幾乎沒有：常溫下，時間對材料的力學性能幾乎沒有影響影響( (高分子材料除外高分子材料除外），），高溫時，力學性能就表高溫時，力學性能就表現(xiàn)

17、出了時間效應現(xiàn)出了時間效應。所謂溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，所謂溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的， 約比溫度約比溫度(T(TT Tmm) )，TT試驗溫度，試驗溫度，T Tmm熔點，（熱熔點，（熱力學溫度）。力學溫度）。 當當T TT Tmm0.4-0.50.4-0.5時為高溫，反之則為低溫。時為高溫，反之則為低溫。37材料在高溫下力學行為的一個重要特點材料在高溫下力學行為的一個重要特點蠕變：蠕變：材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變斷裂：蠕變斷裂：由于蠕變而最后導致材料的斷裂由于蠕變而最后導致材料

18、的斷裂蠕變可以發(fā)生在任何溫度，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變效應不在低溫時，蠕變效應不明顯；當約比溫度大于明顯；當約比溫度大于0.30.3時，蠕變效應比較顯著時，蠕變效應比較顯著，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過300300、合金、合金鋼超過鋼超過400400，就必須考慮蠕變效應。，就必須考慮蠕變效應。1、蠕變、蠕變一、高溫蠕變性能一、高溫蠕變性能38蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。（1 1）金屬材料和陶瓷材料）金屬材料和陶瓷材料OAOA線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時應變線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時應變o o，不屬于

19、蠕變。不屬于蠕變。2 2、蠕變的一般規(guī)律、蠕變的一般規(guī)律39 I階段：階段：AB段：段：減速蠕變階段減速蠕變階段(過渡蠕變階段過渡蠕變階段) II階段：階段：BC段：段：恒速蠕變階段恒速蠕變階段(穩(wěn)態(tài)蠕變階段）穩(wěn)態(tài)蠕變階段） III階段：階段：CD段：段：加速蠕變階段加速蠕變階段(失穩(wěn)蠕變階段失穩(wěn)蠕變階段)。曲線上任一點的斜率，表示曲線上任一點的斜率，表示該點的該點的蠕變速率蠕變速率(=d/dt）按照蠕變速率的變化，可將按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為蠕變過程分為3個階段。個階段。40蠕變曲線隨蠕變曲線隨應力應力的大小和的大小和溫度溫度的高低而變化的高低而變化減小應力或降低溫度，蠕變第減小

20、應力或降低溫度，蠕變第階段延長，甚至不階段延長，甚至不出現(xiàn)第出現(xiàn)第階段階段。增加應力或提高溫度，蠕變第增加應力或提高溫度，蠕變第階段縮短，甚至消階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進入第失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進入第階段而斷裂階段而斷裂。41（2 2）高分子材料）高分子材料可分為可分為3 3個階段。個階段。第第階段階段：ABAB段，可逆形變階段，普彈變形，應力和應段，可逆形變階段，普彈變形，應力和應變成正比；變成正比；第第階段階段：BCBC段，推遲彈性變形階段，也稱高彈性變形段，推遲彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；發(fā)展階段；第第階段階段：CDCD段，不可逆變形階段，是以較小的恒定

21、應段，不可逆變形階段，是以較小的恒定應變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。ABCD42 彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后，可以發(fā)生彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后，可以發(fā)生回復，稱為蠕變回復回復，稱為蠕變回復，這是高分子材料的蠕變與其，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。他材料的不同之一。 材料不同或試驗條件不同時，蠕變曲線的材料不同或試驗條件不同時，蠕變曲線的3 3個階個階段的相對比例會發(fā)生變化，但總的特征是相似的。段的相對比例會發(fā)生變化，但總的特征是相似的。ABCD43粘彈性機理粘彈性機理高分子材料在恒定應力的作用下，分

22、子高分子材料在恒定應力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。當外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向當外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展狀態(tài)向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展狀態(tài)向卷曲狀態(tài)回復，表現(xiàn)為高分子材料的蠕卷曲狀態(tài)回復，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復特性。變回復特性。44高溫抗折蠕變儀高溫抗折蠕變儀45（1 1）蠕變極限）蠕變極限表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設計高溫下服役機件的主要性能依據(jù)之一。料、設計高溫下服役機件的主要性能依據(jù)之一。3 3、蠕變性能指標、蠕變性能指

23、標表表示示方方法法l 在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力l 在給定溫度和時間的條件下，使試樣在給定溫度和時間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應變的最大應力產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應變的最大應力46 （2 2）持久強度）持久強度某些在高溫下工作的機件，蠕變變形很小或?qū)ψ兡承┰诟邷叵鹿ぷ鞯臋C件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐栏?，只要求機件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷形要求不嚴格，只要求機件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情況下，要用裂。在這種情況下，要用持久強度持久強度作為評價材料、作為評價材料、設計機件的主要依據(jù)。設計機件的主

24、要依據(jù)。持久強度持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力。材料的持久強度是實驗測定的，試驗時間通常比材料的持久強度是實驗測定的，試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，可達幾萬至幾十萬蠕變極限試驗要長得多，可達幾萬至幾十萬h h。47（3 3）松弛穩(wěn)定性）松弛穩(wěn)定性應力松弛：應力松弛：材料在恒定變形的條件下，隨著材料在恒定變形的條件下，隨著時間的延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象時間的延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象松弛穩(wěn)定性：松弛穩(wěn)定性：材料抵抗應力松弛的能力材料抵抗應力松弛的能力松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗測定的應力松松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗測定的應力松弛曲線來評定，曲線是在規(guī)定溫度下，對試樣弛曲線來評定，曲線是在規(guī)