表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)理論3

1、2.3 材料表面摩擦與磨損基礎(chǔ)2.3.1 摩擦的定義及分類 相互接觸的物體（摩擦副）作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受阻現(xiàn)象，稱為摩擦。 摩擦產(chǎn)生的阻力稱為摩擦力，表現(xiàn)摩擦力的因數(shù)稱為摩擦系數(shù)。1、按摩擦副表面的潤(rùn)滑情況，可將摩擦分為四類： 1）干摩擦（無(wú)潤(rùn)滑摩擦）：兩個(gè)滑動(dòng)摩擦表面之間不加任何潤(rùn)滑劑，兩表面直接接觸，這種摩擦稱為干摩擦。 2）邊界潤(rùn)滑摩擦：兩個(gè)滑動(dòng)摩擦表面，因潤(rùn)滑劑供應(yīng)非常不足而無(wú)法建立液體摩擦，只能在摩擦表面形成極薄的油膜，其厚度只有0.10.2微米，這種油膜潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦是液體摩擦過(guò)渡到干摩擦的最后界限，所以稱為邊界潤(rùn)滑摩擦。 3）液體潤(rùn)滑摩擦：兩個(gè)滑動(dòng)摩擦表面間充滿潤(rùn)滑劑，表面不發(fā)生直

2、接接觸，摩擦不是發(fā)生在兩個(gè)摩擦表面上，而是發(fā)生在潤(rùn)滑劑的內(nèi)部，這種摩擦稱為液體潤(rùn)滑摩擦。 4）混合摩擦：指過(guò)渡狀態(tài)的摩擦。 半干摩擦：指干摩擦和邊界潤(rùn)滑摩擦同時(shí)存在的情況； 半液體摩擦：指邊界潤(rùn)滑摩擦和液體潤(rùn)滑摩擦同時(shí)存在的情況。2、 按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類1） 滑動(dòng)摩擦：物體接觸表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為滑動(dòng)摩擦。2）滾動(dòng)摩擦：在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)摩擦系數(shù)比滑動(dòng)摩擦小得多。3、 按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類1） 靜摩擦：一個(gè)物體沿另一個(gè)物體表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為靜摩擦，這種摩擦力稱為靜摩擦力。靜摩擦力隨作用于物體上的外力變化而變化。2） 動(dòng)摩

3、擦：一個(gè)物體沿另一個(gè)物體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為動(dòng)摩擦，其阻礙物體運(yùn)動(dòng)的切向力稱為動(dòng)摩擦力。動(dòng)摩擦力通常小于最大靜摩擦力。很早以前，人們從日常生活和試驗(yàn)研究中開(kāi)始總結(jié)摩擦的基本規(guī)律，意大利科學(xué)家達(dá)芬奇（14521519年）、法國(guó)工程師阿蒙頓（16631705年）和法國(guó)科學(xué)家?guī)靵觯?7361806年）通過(guò)摩擦試驗(yàn)，建立了摩擦基本定律，一般稱為古典摩擦三定律。 （1） 第一定律：摩擦力與兩接觸體之間的接觸面積無(wú)關(guān)；（2） 第二定律：摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比； F=N 式中：F摩擦力；N法向力；摩擦系數(shù)。（3） 第三定律：兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體表面的界面滑動(dòng)摩擦阻力與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)。摩擦理論

4、摩擦理論2.3.2 磨損的定義及評(píng)定 1、磨損的定義 機(jī)件表面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨削，使表面材料逐漸損失，造成表面損傷的現(xiàn)象稱為磨損。 2、磨損的評(píng)定 1）磨損量（W）：材料的磨損量包括長(zhǎng)度磨損量、體積磨損量和質(zhì)量磨損量。 長(zhǎng)度磨損量是指磨損過(guò)程中零件表面尺寸的改變量； 體積磨損量是指磨損過(guò)程中零件或試樣的體積的改變量。 質(zhì)量磨損量是指磨損過(guò)程中零件或試樣的質(zhì)量的改變量。 相對(duì)磨損量是材料在單位時(shí)間或單位距離內(nèi)的磨損量。 2）磨損率（W）：?jiǎn)挝粫r(shí)間或單位摩擦距離的磨損量稱為磨損率。 磨損率在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中的解釋 ：被磨試樣的體積與磨擦功的比值，即單位摩擦功所磨試樣

5、的體積。 3）耐磨性：指在一定工作條件下材料抵抗磨損的特性。通常用磨損量表示。2.3.3 磨損的分類 根據(jù)磨損破壞的機(jī)理和特征分類： 1、粘著磨損 2、磨粒磨損（磨料磨損或研磨磨損） 3、腐蝕磨損 4、疲勞磨損 5、沖蝕磨損 6、微動(dòng)磨損磨損形式百分?jǐn)?shù) （%）磨粒磨損 （abrasive wear）50粘著磨損 (adhesive wear)15沖蝕磨損 (erosion)8微動(dòng)磨損 (fretting wear)8腐蝕磨損 (corrosion wear)5其它 (etc.)14 1、粘著磨損：粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動(dòng)摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較小時(shí)發(fā)生的。 原因：缺乏潤(rùn)滑油 摩

6、擦副表面無(wú)氧化膜 單位法向負(fù)荷很大 當(dāng)接觸應(yīng)力較大時(shí)，將引起材料塑性變形和“冷焊”現(xiàn)象。此時(shí)若摩擦副相對(duì)滑動(dòng)，焊合點(diǎn)被剪斷。若微凸體較硬，也會(huì)對(duì)較軟的對(duì)磨材料造成犁削作用。 粘著點(diǎn)的剪切過(guò)程 粘著磨損過(guò)程中的粘焊（膠合）： 第一類膠合：以塑性變形為主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用。特點(diǎn)是相對(duì)滑動(dòng)速度不高(0.5m/s)，表層溫度較低(100)，金屬摩擦表層沒(méi)有相變和成分變化。 第二類膠合：由于摩擦熱引起接觸表面溫度升高而引起的粘焊。特點(diǎn)是接觸壓力高、相對(duì)滑動(dòng)速度快，摩擦面溫度超過(guò)臨界點(diǎn)，有相變發(fā)生。 根據(jù)粘著的程度，粘著磨損類型有： 輕微磨損：剪切發(fā)生在粘著結(jié)合面上，表面轉(zhuǎn)移的材料極輕微

7、，如缸套活塞環(huán)的正常磨損。 涂抹：剪切發(fā)生在軟金屬淺層里面，軟金屬轉(zhuǎn)移到硬金屬表面上，如重載蝸輪副的蝸桿的磨損。 擦傷：剪切發(fā)生在軟金屬表層，硬表面可能被軟金屬內(nèi)的硬質(zhì)點(diǎn)劃傷，如內(nèi)燃機(jī)鋁活塞壁與缸體摩擦的“拉傷”。 撕脫：剪切發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深的地方，如在主軸軸瓦摩擦副的軸承表面可見(jiàn)到這種現(xiàn)象。 咬死：若摩擦副之間咬死，不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如不銹鋼螺栓與不銹鋼螺母在擰緊過(guò)程中常發(fā)生咬死的現(xiàn)象。 工程實(shí)例：活塞環(huán)與氣缸套之間的粘著磨損工程實(shí)例：活塞環(huán)與氣缸套之間的粘著磨損 2、磨粒磨損：過(guò)去也稱為磨料磨損或研磨磨損，是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子所產(chǎn)生

8、的一種磨損。 兩種材料去除機(jī)制顯微切削顯微切削由塑性變形機(jī)制引起的由塑性變形機(jī)制引起的顯微犁溝顯微犁溝 若磨粒是個(gè)剛性三角錐體，被磨損材料呈塑性時(shí)，磨粒與材料之間會(huì)發(fā)生顯微切削和顯微犁溝兩種塑性變形的磨損方式磨粒錐體在滑動(dòng)一定距離所磨掉的材料體積 V = KPH-1L 式中，K比例系數(shù)，P施加載荷，H被磨材料的硬度，L滑動(dòng)距離。由斷裂機(jī)制引起的由斷裂機(jī)制引起的 當(dāng)磨粒和脆性材料表面接觸時(shí)，主要以表面斷裂破壞為主。此時(shí)材料去除體積 V = KP5/4d1/2KIC-3/4H-1/2L 式中，KIC材料的斷裂韌度；K是與磨粒形狀及其分布狀態(tài)有關(guān)的函數(shù)。(1) 磨粒特性的影響： 1) 磨粒硬度：磨粒

9、硬度Ha和材料硬度Hm的比Ha/Hm 當(dāng)Ha/Hm 1.2時(shí)，為硬磨粒磨損，繼續(xù)增加Ha對(duì)磨損速率的影響不大； 當(dāng)1.0Ha/Hm1.2時(shí)，磨損速率與Ha/Hm成正比，磨損速率很高。磨粒磨損過(guò)程的影響因素磨粒磨損過(guò)程的影響因素磨料硬度和材料硬度比值對(duì)材料耐磨性的影響規(guī)律3) 磨粒形狀：磨粒越尖銳，磨損速率越大。4） 磨粒脆性：脆性的磨料磨粒可能碎裂，使磨粒邊緣變得銳利，因而磨損率又可能增高。磨粒磨損過(guò)程的影響因素磨粒磨損過(guò)程的影響因素2) 磨粒粒度：當(dāng)磨粒在某一臨界尺寸以下，材料的磨損率隨磨粒尺寸增加而大幅度增加；超過(guò)臨界尺寸后，磨損增大的幅度顯著降低。(2) 材料力學(xué)性能：材料耐磨粒磨損性能

10、主要決定于其硬度，而與其它力學(xué)性能關(guān)系不大。磨粒磨損過(guò)程的影響因素磨粒磨損過(guò)程的影響因素(4) 工況和環(huán)境條件：速度、載荷、磨粒沖擊角、環(huán)境濕度、溫度和腐蝕介質(zhì)等工況和環(huán)境條件都會(huì)影響到材料的磨粒磨損性能。磨粒磨損過(guò)程的影響因素磨粒磨損過(guò)程的影響因素（4）(3) 材料微觀組織：在同樣硬度條件下，奧氏體、貝氏體的耐磨性優(yōu)于珠光體和馬氏體。夾雜物和內(nèi)部缺陷會(huì)大大降低耐磨性。奧氏體:鐵內(nèi)固溶有碳和(或)其他元素的、晶體結(jié)構(gòu)為面心立方的固溶體。珠光體:奧氏體從高溫緩慢冷卻時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的，其立體形態(tài)為鐵素體薄層和碳化物(包括滲碳體)薄層交替重疊的層狀復(fù)相物。廣義則包括過(guò)冷奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變所形

11、成的層狀復(fù)相物。馬氏體:過(guò)冷奧氏體發(fā)生無(wú)擴(kuò)散的共格切變型相轉(zhuǎn)變即馬氏體轉(zhuǎn)變所形成的產(chǎn)物。鐵基合金中常見(jiàn)的馬氏體，就其本質(zhì)而言，是碳和(或)合金元素在鐵中的過(guò)飽和固溶體。就鐵-碳二元合金而言，是碳在鐵中的過(guò)飽和固溶體。 貝氏體:鋼在奧氏體化后被過(guò)冷到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間以下，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間以上這一中溫度區(qū)間(所謂“貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間”)轉(zhuǎn)變而成的由鐵素體及其內(nèi)分布著彌散的碳化物所形成的亞穩(wěn)組織，即貝氏體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 磨粒磨損過(guò)程的影響因素磨粒磨損過(guò)程的影響因素（5）磨料磨損 （abrasive wear） 工程實(shí)例：犁鏵工程實(shí)例：犁鏵犁鏵用于耕作土壤翻耕農(nóng)田，它主要受到土壤磨粒沖擊、摩擦作用而

12、產(chǎn)生磨損。犁鏵用于耕作土壤翻耕農(nóng)田，它主要受到土壤磨粒沖擊、摩擦作用而產(chǎn)生磨損。 3、腐蝕磨損：摩擦過(guò)程中，金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的表面損傷。 腐蝕磨損是材料受腐蝕和磨損綜合作用的一種復(fù)雜過(guò)程： 1）腐蝕對(duì)磨損的影響：腐蝕使材料表面生成疏松或脆的腐蝕產(chǎn)物，在磨粒作用下容易破碎去除，導(dǎo)致材料磨損的增加； 2）磨損對(duì)腐蝕的影響：金屬表面鈍化膜可阻止材料進(jìn)一步腐蝕，若鈍化膜被磨掉，裸露出新鮮表面可加速電化學(xué)反應(yīng)，所以磨損可以使腐蝕速度增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 腐蝕磨損分為：（1） 氧化磨損：大多數(shù)金屬表面都被氧化膜覆蓋，氧化膜分：1） 脆性氧化膜：氧化膜的磨損速度大于氧化速度，容易磨損，如

13、氧化鐵； 影響氧化磨損的因素有滑動(dòng)速度、接觸載荷、氧化膜的硬度、介質(zhì)的含氧量、潤(rùn)滑條件及材料性能等因素。 一般說(shuō)來(lái)，氧化磨損率比其它磨損輕微得多。2） 韌性氧化膜：氧化膜與基體結(jié)合牢固，磨損速度小于氧化速度，氧化膜可以起到保護(hù)作用，磨損率小，如氧化鋁。（2） 特殊介質(zhì)腐蝕磨損： 摩擦副在酸、堿、鹽等特殊介質(zhì)中發(fā)生的磨損叫特殊介質(zhì)腐蝕磨損。 4、疲勞磨損：機(jī)件接觸表面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，由于長(zhǎng)期交變接觸應(yīng)力的作用使材料表面出現(xiàn)麻點(diǎn)或脫落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損，也稱為接觸疲勞。當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)滾動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，表面層將引發(fā)裂紋，并逐步擴(kuò)展，最后裂紋以

14、上的材料斷裂剝落下來(lái)的磨損過(guò)程。 材料內(nèi)部夾雜物的存在方式與數(shù)量； 材料表面粗糙度； 材料的硬度； 材料組織結(jié)構(gòu)； 潤(rùn)滑狀態(tài)和零件工作環(huán)境等。 對(duì)于一些要求疲勞磨損壽命較高的零件，應(yīng)采用高純度的鋼材，盡量降低材料表面粗糙度，提高表面硬度，盡量使零件在良好潤(rùn)滑條件下工作。影響疲勞磨損因素影響疲勞磨損因素 5、沖蝕磨損：指流體或固體顆粒以一定的速率和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。 粒子沖擊固體表面時(shí)發(fā)生能量交換，根據(jù)粒子的入射速度和材料的流動(dòng)應(yīng)力，固體表面可能發(fā)生彈性變形，也可能出現(xiàn)塑性壓痕。沖蝕磨損機(jī)制沖蝕磨損機(jī)制（1） (1) 脆性磨損機(jī)制：脆性材料受到粒子的沖擊作用時(shí)，不發(fā)生塑性變形，

15、而出現(xiàn)裂紋并很快脆斷。脆性沖蝕時(shí)的磨損體積 V = v03.2r3.71.58 KIC-1.3H-0.25式中，KIC斷裂韌度，H硬度，v0粒子速度，r粒度，密度(2) 延性磨損機(jī)制：當(dāng)撞擊角為90時(shí)沖蝕很小，而在撞擊角為20時(shí)沖蝕最大（切削磨損）。 沖蝕磨損機(jī)制沖蝕磨損機(jī)制（2） 氣蝕： 流體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大量的氣泡，不斷生成、長(zhǎng)大和破滅，在氣泡破滅的瞬間可產(chǎn)生幾千個(gè)大氣壓，足以使金屬粒子脫離金屬表面，在材料表面產(chǎn)生蝕坑。 材料的沖蝕率： 噴砂型沖蝕：?jiǎn)挝恢亓苛Ｗ釉斐刹牧狭魇У闹亓炕蝮w積（其量綱為mg/g或mm2/g）； 液滴沖蝕或氣蝕：除用單位時(shí)間的失重表示外，還可用減薄的厚度表示(材料沖

16、蝕失重除以密度與沖蝕面積的乘積，單位為mm)。 沖蝕磨損沖蝕磨損（3） 沖蝕主要受三個(gè)方面因素的控制：（1）環(huán)境參數(shù)：如粒子的入射角、速度、濃度、沖蝕時(shí)間、環(huán)境溫度等；沖蝕磨損沖蝕磨損（4） 1)入射角：粒子入射軌跡與固體表面的夾角。 材料沖蝕率隨入射角變化：（1）塑性材料在2030入射角時(shí)沖蝕率出現(xiàn)最大值；（2）脆性材料最大沖蝕率出現(xiàn)在90入射角處。 2） 速度：粒子速度對(duì)材料沖蝕率有很大的影響 = Kn 式中 粒子速度，n、K常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)證明，粒子動(dòng)能是造成材料沖蝕的主要原因。粒子入射速度低到某一下限時(shí)，只在沖擊時(shí)出現(xiàn)彈性變形而無(wú)材料流失，稱此速度下限為門坎速度值。這個(gè)速度值隨粒子材質(zhì)、形

17、狀及材料性能而變化。沖蝕磨損沖蝕磨損（5）3）沖蝕時(shí)間：沖蝕磨損存在較長(zhǎng)的潛伏期或孕育期。首批粒子沖擊表面時(shí)主要造成加工硬化和表面粗糙化，經(jīng)過(guò)一定的累積損傷后才能逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定沖蝕階段。 對(duì)于噴砂型沖蝕，沖蝕初期可能因粒子嵌入而呈現(xiàn)“增重”。 沖蝕磨損沖蝕磨損（6）4） 環(huán)境溫度：一般隨著溫度增加，材料沖蝕率上升。但溫度過(guò)高時(shí)，材料表面生成的氧化膜反而會(huì)提高材料的抗沖蝕能力。 （2）磨料性質(zhì)：如硬度、粒度、可破碎性、固體還是液體等。沖蝕磨損沖蝕磨損（7） 入射粒子性能： 1）固體粒子：固體粒子的形狀和粒度對(duì)沖蝕有很大影響。當(dāng)粒子超過(guò)臨界尺寸后，沖蝕率趨于平穩(wěn)。尖顆粒造成的破壞要比球形粒子嚴(yán)重；

18、硬粒子產(chǎn)生的沖蝕破壞比軟粒子嚴(yán)重。2）液滴：沖蝕中液滴直徑變大其沖蝕能力也增大。在滴徑從1.02.5mm范圍內(nèi)，相對(duì)沖蝕率幾乎不變。隨著材料表面粗糙度的降低，其抗沖蝕能力增高。沖蝕磨損沖蝕磨損（8）（3）材料性能：如熱物理性能和材料強(qiáng)度等。 6、微動(dòng)磨損：微動(dòng)磨損發(fā)生在兩個(gè)作小振幅往復(fù)滑動(dòng)的表面之間，故其磨損是輕微的。 判斷微動(dòng)磨損的根據(jù)： 1）具有引起微動(dòng)的震動(dòng)源； 2）磨痕具有方向一致的劃痕、硬結(jié)斑、塑性變形和微裂紋； 3）磨屑易于聚團(tuán)，含有大量類似銹蝕產(chǎn)物的氧化物。典型磨損失效類型及提高耐磨性對(duì)材料表面的性能要求2.3.4 提高材料耐磨性的途徑提高固體材料耐磨性： 硬度：一般認(rèn)為硬度越高

19、，耐磨性越好。晶體結(jié)構(gòu)和晶體互溶性：密排六方結(jié)構(gòu)具有低磨擦系數(shù)，磨損率也低；冶金上互溶性差的一對(duì)金屬摩擦副可獲得低摩擦系數(shù)和低磨損率。溫度：溫度越高，硬度下降，且互溶性增強(qiáng)，摩擦加?。粶囟壬邔?dǎo)致氧化速度加劇也可影響磨損性能。環(huán)境：真空條件下材料粘著磨損嚴(yán)重，而大氣中，五分鐘內(nèi)，大氣即可對(duì)表面形成5到50分子層的氧化膜，從而有防止粘著的作用，同理，添加加潤(rùn)滑劑，可有效減小磨損。 1、結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì) 正確設(shè)計(jì)摩擦副的結(jié)構(gòu)。如有利于摩擦副間潤(rùn)滑膜的形成、摩擦熱的散失、防止外界雜物的進(jìn)入等。 1）產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì) 2）設(shè)計(jì)時(shí)的綜合分析 2、摩擦副材料的合理選擇 （1） 粘著磨損的選材原則： 塑

20、性材料比脆性材料容易產(chǎn)生粘著磨損。 相同金屬或晶格類型、電化學(xué)性能相近的金屬制造的摩擦副粘著傾向大。 金屬與非金屬材料組成的摩擦副粘著傾向小。 （2） 磨料磨損的選材原則： 一般是提高材料的硬度來(lái)提高它的耐磨性。 （3） 疲勞磨損的選材原則： 要求鋼材質(zhì)量好，控制鋼中有害的非金屬夾雜物。 1）減摩材料 2）耐磨材料抗磨材料的選擇 確定材料在使用方面是否存在限制.（這些限制包括工藝性能，使用環(huán)境，機(jī)械性能等）。 確定負(fù)荷限制：考察材料能否經(jīng)受住運(yùn)行中的載荷而不變形或無(wú)過(guò)分變形。 確定溫度范圍：溫度對(duì)于一些滑動(dòng)系統(tǒng)有強(qiáng)烈影響，溫度升高會(huì)導(dǎo)致材料軟化，咬合加劇。溫度升高與摩擦生熱有關(guān)，由此產(chǎn)生的溫升T可用下式求得： TWv/2a（1+2）J式中:為摩擦系數(shù)，W為施加載荷，V為滑動(dòng)速度（M/S），1與2為材料的熱傳導(dǎo)率（W/MK），A為與滑動(dòng)零件之間廣泛分布觸點(diǎn)有關(guān)的量，J為熱功當(dāng)量。3.2.3 3.2.3 磨損的控制