材料性能學(xué)(4)

1、第六章 材料的磨損性能 材料性能學(xué)（四）緒 論1。摩擦與磨損摩擦與磨損：任何一部機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各機(jī)任何一部機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各機(jī)件之間總要發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)相互接觸的機(jī)件之間總要發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)相互接觸的機(jī)件表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)，滾動(dòng)，滾動(dòng)滑動(dòng)）件表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)，滾動(dòng)，滾動(dòng)滑動(dòng)）時(shí)就產(chǎn)生時(shí)就產(chǎn)生摩擦摩擦，有摩擦就必有，有摩擦就必有磨損磨損。2。摩擦磨損的影響摩擦磨損的影響： 浪費(fèi)能源；浪費(fèi)能源； 降低效率及精確度。降低效率及精確度。第一節(jié) 磨損的基本概念及類型一、摩擦與磨損的概念一、摩擦與磨損的概念1。摩擦。摩擦定義定義：摩擦是接觸物體間的一種阻礙運(yùn)：摩擦是接觸物體間的一種阻礙運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)

2、象。動(dòng)的現(xiàn)象。摩擦力摩擦力： F F pp影響影響：降低工件的機(jī)械效率，加重材料：降低工件的機(jī)械效率，加重材料磨耗，力圖減少摩擦。磨耗，力圖減少摩擦。2。磨損。磨損定義定義：磨損是在摩擦作用下物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，：磨損是在摩擦作用下物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸分離出磨屑，使接觸表面不斷發(fā)生尺表面逐漸分離出磨屑，使接觸表面不斷發(fā)生尺寸變化與重量損失的現(xiàn)象。寸變化與重量損失的現(xiàn)象。引起磨損的原因引起磨損的原因：既有力學(xué)作用，又有物理和：既有力學(xué)作用，又有物理和化學(xué)作用。化學(xué)作用。(a、表面材料的塑性變形引起的形、表面材料的塑性變形引起的形變硬化，且應(yīng)力分布的改變；變硬化，且應(yīng)力分布的改變；b、摩擦熱引起、

3、摩擦熱引起相變淬火、回火及回復(fù)再結(jié)晶；相變淬火、回火及回復(fù)再結(jié)晶；3）外部介質(zhì)）外部介質(zhì)產(chǎn)生的吸附和腐蝕作用產(chǎn)生的吸附和腐蝕作用) 磨損過(guò)程：u磨合階段（磨合階段（oaoa）：接觸面積增大；：接觸面積增大；表層硬化；表面被磨平的基礎(chǔ)上表層硬化；表面被磨平的基礎(chǔ)上形成牢固氧化膜氧化膜；磨損速形成牢固氧化膜氧化膜；磨損速率變小，率變小，u穩(wěn)定磨損階段（穩(wěn)定磨損階段（abab）：磨損速率：磨損速率衡定（斜率衡定（斜率磨損速率）；材料磨損速率）；材料的耐磨性由該階段來(lái)考察。的耐磨性由該階段來(lái)考察。u劇烈磨損階段（劇烈磨損階段（bcbc) )：表面惡化：表面惡化( (磨耗增加，接觸面間隙增大，潤(rùn)磨耗增加

4、，接觸面間隙增大，潤(rùn)滑膜破壞，劇烈振動(dòng)滑膜破壞，劇烈振動(dòng)) )，磨損速率，磨損速率加劇。加劇。二、磨損的基本類型二、磨損的基本類型1。依據(jù)損傷機(jī)制。依據(jù)損傷機(jī)制（接觸摩擦面損壞）（接觸摩擦面損壞）2。磨損類型可相互轉(zhuǎn)化。磨損類型可相互轉(zhuǎn)化粘著磨損粘著磨損磨料磨損（磨粒磨損，研磨磨損）磨料磨損（磨粒磨損，研磨磨損）腐蝕磨損腐蝕磨損麻點(diǎn)疲勞磨損（接觸疲勞）麻點(diǎn)疲勞磨損（接觸疲勞）啟示：解決實(shí)際磨損問(wèn)題時(shí)，要分析參與磨損的條件特性，才能確定磨損類啟示：解決實(shí)際磨損問(wèn)題時(shí)，要分析參與磨損的條件特性，才能確定磨損類型型第二節(jié) 磨損基本類型一、粘著磨損一、粘著磨損定義定義：粘著磨損是因兩材料表面某些接觸點(diǎn)

5、局：粘著磨損是因兩材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)力超過(guò)該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合并拽部壓應(yīng)力超過(guò)該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合并拽開(kāi)而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。開(kāi)而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件：滑動(dòng)速度小，接觸應(yīng)力大，潤(rùn)滑條：滑動(dòng)速度小，接觸應(yīng)力大，潤(rùn)滑條件差，接觸面無(wú)氧化膜。件差，接觸面無(wú)氧化膜。表面特征表面特征：表面有大小不等的：表面有大小不等的結(jié)疤結(jié)疤（如下圖）。（如下圖）。磨損過(guò)程磨損過(guò)程：粘著剪斷脫落再粘著粘著剪斷脫落再粘著 局部粘著的原因：局部粘著的原因：a）機(jī)件表面加工后光潔度的不同，導(dǎo)）機(jī)件表面加工后光潔度的不同，導(dǎo)致材料實(shí)際接觸僅發(fā)生在少數(shù)的微凸頂尖致材料實(shí)際接觸僅發(fā)生在少數(shù)的

6、微凸頂尖應(yīng)力應(yīng)力超超過(guò)屈服強(qiáng)度過(guò)屈服強(qiáng)度塑性變形，如果接觸面上的潤(rùn)滑膜擠破，塑性變形，如果接觸面上的潤(rùn)滑膜擠破，就發(fā)生冷焊。就發(fā)生冷焊。b b）表面摩擦）表面摩擦溫度升高溫度升高焊合焊合類型（按接觸的兩種材料強(qiáng)度的差異）類型（按接觸的兩種材料強(qiáng)度的差異）：粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度低于低于兩側(cè)材料兩側(cè)材料沿接觸面剪短沿接觸面剪短 ，磨損量小，磨損量小，摩擦面較平滑，如錫基合金與鋼的滑動(dòng)；摩擦面較平滑，如錫基合金與鋼的滑動(dòng)；粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度高于高于兩側(cè)任一材料兩側(cè)任一材料 沿強(qiáng)度較弱材料面剪短，沿強(qiáng)度較弱材料面剪短，磨損量大，甚至產(chǎn)生咬死現(xiàn)象，如鉛基合金瓦與鋼軸間的滑動(dòng)粘磨損量大，

7、甚至產(chǎn)生咬死現(xiàn)象，如鉛基合金瓦與鋼軸間的滑動(dòng)粘結(jié)磨損。結(jié)磨損。磨損量的估算（Archard）：粘著磨損模型示意圖粘著磨損模型示意圖scdnp342334dpdnNsc234dpnscVHpLKKNLVW3單位滑動(dòng)距離內(nèi)單位滑動(dòng)距離內(nèi)出現(xiàn)的接觸點(diǎn)數(shù)：出現(xiàn)的接觸點(diǎn)數(shù)：磨損量：材料滑動(dòng)距離磨損量：材料滑動(dòng)距離L,拉出半球幾率拉出半球幾率K，粘著磨損系數(shù)，粘著磨損系數(shù)二、磨粒磨損二、磨粒磨損定義定義：磨粒磨損是摩擦副的一方表面存：磨粒磨損是摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起細(xì)微凸起或在接觸面間存在或在接觸面間存在硬硬質(zhì)粒子質(zhì)粒子時(shí)產(chǎn)生的磨損。時(shí)產(chǎn)生的磨損。分類分類：按接觸條件按接觸條件 按磨粒

8、受力大小按磨粒受力大小兩體兩體磨粒磨損磨粒磨損三體三體磨粒磨損磨粒磨損鑿削式鑿削式高應(yīng)力碾碎式高應(yīng)力碾碎式低應(yīng)力擦傷式低應(yīng)力擦傷式表面特征表面特征：擦傷或溝槽。：擦傷或溝槽。溝槽形成原因：磨粒對(duì)摩溝槽形成原因：磨粒對(duì)摩擦表面產(chǎn)生的微切削作用、擦表面產(chǎn)生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞、脆塑性變形、疲勞破壞、脆性斷裂等性斷裂等磨損量的估算磨損量的估算：scrp32tantan2212lrlrrW磨損過(guò)程磨損過(guò)程:滾動(dòng)性磨粒滾動(dòng)性磨粒法向力、切向力作用法向力、切向力作用犁皺、溝槽（溝槽邊堆犁皺、溝槽（溝槽邊堆積）積）塑性變形、溝槽邊堆積被壓平塑性變形、溝槽邊堆積被壓平破碎性磨粒破碎性磨粒表面應(yīng)力集

9、中表面應(yīng)力集中韌性材料反復(fù)變形韌性材料反復(fù)變形導(dǎo)致疲勞破壞及脆斷導(dǎo)致疲勞破壞及脆斷磨損量：磨損量：影響耐磨性的因素影響耐磨性的因素：基體材料基體材料力學(xué)性能（硬度與韌性）力學(xué)性能（硬度與韌性），基體基體顯微組織顯微組織，磨粒硬度磨粒硬度等等。三、接觸疲勞三、接觸疲勞1?，F(xiàn)象與特征。現(xiàn)象與特征 定義定義：接觸疲勞是兩接觸材料作接觸疲勞是兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦摩擦?xí)r，時(shí)，交變接觸壓應(yīng)力交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用使材料長(zhǎng)期作用使材料表面疲勞損傷表面疲勞損傷，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。又稱表面疲勞磨損，麻

10、點(diǎn)磨損現(xiàn)象。又稱表面疲勞磨損，麻點(diǎn)磨損齒輪、滾動(dòng)軸承等工件常見(jiàn)的磨損失效形式。齒輪、滾動(dòng)軸承等工件常見(jiàn)的磨損失效形式。 接觸表面的宏觀形態(tài)接觸表面的宏觀形態(tài)：痘狀，貝殼狀，痘狀，貝殼狀，不規(guī)則形狀的凹坑（麻坑）不規(guī)則形狀的凹坑（麻坑）。 麻點(diǎn)剝落麻點(diǎn)剝落：深度為：深度為0.10.2mm，痘狀或，痘狀或V形針形針狀凹坑；狀凹坑； 淺層剝落淺層剝落：深度為：深度為0.20.4mm，裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展方向與表面成銳角或直角；與表面成銳角或直角； 深層剝落深層剝落：深度：深度0.4mm，裂紋擴(kuò)展方向與表，裂紋擴(kuò)展方向與表面垂直。面垂直。接觸疲勞接觸疲勞類型：接觸疲勞過(guò)程接觸疲勞過(guò)程裂紋形成裂紋形成

11、過(guò)程長(zhǎng)，過(guò)程長(zhǎng)，擴(kuò)展階段擴(kuò)展階段短短2。接觸應(yīng)力的概念。接觸應(yīng)力的概念定義定義：兩物體相互接觸時(shí)在局部表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力稱：兩物體相互接觸時(shí)在局部表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也叫赫茲應(yīng)力。為接觸應(yīng)力，也叫赫茲應(yīng)力。分類分類：線接觸（如齒輪）線接觸（如齒輪），點(diǎn)接觸（滾珠軸承）點(diǎn)接觸（滾珠軸承）。（1）圓柱體的線接觸應(yīng)力）圓柱體的線接觸應(yīng)力pzy45zy45maxmax 0.30.3ZmaxZmax；p出現(xiàn)位置：出現(xiàn)位置：Z Z0.786b0.786b，y y0 0；p應(yīng)力性質(zhì)：脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。應(yīng)力性質(zhì)：脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。（2）球體的點(diǎn)接觸應(yīng)力）球體的點(diǎn)接觸應(yīng)力（滾珠與軸套（滾珠與軸套球與平面球與平面

12、）（3）摩擦力對(duì)切應(yīng)力的影響）摩擦力對(duì)切應(yīng)力的影響pzy45zy45maxmax 0.30.3ZmaxZmax；p出現(xiàn)位置：出現(xiàn)位置：Z Z0.786b0.786b，y y0 0；p應(yīng)力性質(zhì)：脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。應(yīng)力性質(zhì)：脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。n綜合切應(yīng)力最大值向表面移動(dòng)；n0.2時(shí)表面綜合切應(yīng)力最大,疲勞裂紋在機(jī)件表面產(chǎn)生。3。接觸疲勞的過(guò)程。接觸疲勞的過(guò)程maxs時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，經(jīng)多次循環(huán)，裂紋就在該處形時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，經(jīng)多次循環(huán)，裂紋就在該處形成。故可根據(jù)最大切應(yīng)力與材料強(qiáng)度之應(yīng)力判據(jù)來(lái)分析接觸成。故可根據(jù)最大切應(yīng)力與材料強(qiáng)度之應(yīng)力判據(jù)來(lái)分析接觸疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展：疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展：

13、（1）麻點(diǎn)剝落）麻點(diǎn)剝落過(guò)程過(guò)程： 滾動(dòng)滑動(dòng)滾動(dòng)滑動(dòng) 最大綜合切應(yīng)力移至表層最大綜合切應(yīng)力移至表層 反復(fù)作用，累計(jì)損傷反復(fù)作用，累計(jì)損傷 裂紋萌生裂紋萌生 裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展 表層材料斷裂表層材料斷裂 麻點(diǎn)剝落麻點(diǎn)剝落 影響因素影響因素： 摩擦力的大小，表面質(zhì)量摩擦力的大小，表面質(zhì)量。一般表面接觸應(yīng)力較小，摩擦力。一般表面接觸應(yīng)力較小，摩擦力較大或表面質(zhì)量較差時(shí)，容易出現(xiàn)較大或表面質(zhì)量較差時(shí)，容易出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落。麻點(diǎn)剝落。（2）淺層剝落）淺層剝落純滾動(dòng)純滾動(dòng) 次表層的切應(yīng)力最大次表層的切應(yīng)力最大 塑性變形塑性變形 形成位錯(cuò)塞形成位錯(cuò)塞積和空位積和空位 裂紋形成裂紋形成 平行表面擴(kuò)展平行表面擴(kuò)展垂直

14、表面擴(kuò)展垂直表面擴(kuò)展 斷裂斷裂 形成盆狀剝落凹坑形成盆狀剝落凹坑(0.2-0.4mm)(0.2-0.4mm)（3 3）深層剝落）深層剝落硬化層與心部過(guò)渡區(qū)，由于切應(yīng)力硬化層與心部過(guò)渡區(qū)，由于切應(yīng)力/ /材料強(qiáng)度值為最大材料強(qiáng)度值為最大 裂紋裂紋 硬化層大塊剝落硬化層大塊剝落總結(jié)：總結(jié)：接觸疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展是接觸綜合切應(yīng)力高于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。材料接觸疲勞強(qiáng)度的結(jié)果。1）循環(huán)切應(yīng)力大小、分布與接觸物載荷，接觸物）循環(huán)切應(yīng)力大小、分布與接觸物載荷，接觸物尺寸有關(guān)尺寸有關(guān)2）材料強(qiáng)度與材料成分、組織、表面強(qiáng)化、缺陷）材料強(qiáng)度與材料成分、組織、表面

15、強(qiáng)化、缺陷有關(guān)。有關(guān)。第三節(jié) 耐磨性及其測(cè)量方法一、材料的耐磨性一、材料的耐磨性 定義定義：耐磨性是指材料抵抗磨損的性能耐磨性是指材料抵抗磨損的性能。 磨損量的測(cè)量方法磨損量的測(cè)量方法：稱重稱重法和法和尺寸尺寸法法。常用磨損量的倒數(shù)或用相對(duì)耐磨性表征材料的耐磨性。常用磨損量的倒數(shù)或用相對(duì)耐磨性表征材料的耐磨性。二、磨損試驗(yàn)方法二、磨損試驗(yàn)方法 實(shí)物試驗(yàn)實(shí)物試驗(yàn)：結(jié)果可靠，周期長(zhǎng)結(jié)果可靠，周期長(zhǎng)； 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)：周期短，成本低，不能直接反映實(shí)際情況周期短，成本低，不能直接反映實(shí)際情況。第四節(jié) 提高材料耐磨性的途徑一、減輕一、減輕粘著磨損粘著磨損的主要措施的主要措施（1）合理選擇摩擦副材料

16、：互溶性少、粘著傾向小的材料配對(duì)。）合理選擇摩擦副材料：互溶性少、粘著傾向小的材料配對(duì)。（2）避免或阻止兩摩擦副間直接接觸：氧化膜穩(wěn)定性好、且與基體結(jié)合牢）避免或阻止兩摩擦副間直接接觸：氧化膜穩(wěn)定性好、且與基體結(jié)合牢固；降低接觸面粗糙度、改善表面潤(rùn)滑條件。固；降低接觸面粗糙度、改善表面潤(rùn)滑條件。（3）進(jìn)行表面處理。如表面滲硫、磷、氮、碳等）進(jìn)行表面處理。如表面滲硫、磷、氮、碳等二、減輕二、減輕磨粒磨損磨粒磨損的主要措施（的主要措施（p120）三、提高三、提高接觸疲勞抗力接觸疲勞抗力的措施（的措施（p120）常規(guī)條件下摩擦磨損試驗(yàn)方案常規(guī)條件下摩擦磨損試驗(yàn)方案 Cu/FeS復(fù)合材料摩擦磨損實(shí)驗(yàn)T

17、able3.1 Experimental parameters of every team序號(hào)序號(hào) 載荷載荷/N 滑動(dòng)速滑動(dòng)速/r/min磨損時(shí)磨損時(shí)/h滑動(dòng)距離滑動(dòng)距離/km試樣硬度試樣硬度/kgf/mm2a502001013.5648118.7628b50400513.5648118.7628c302001013.5648118.7628d30400513.5648118.7628e5020045.42680.3273（退火：（退火：900/0.5h）f70200810.852118.7628圖所示為a組試驗(yàn)樣品磨損后的表面形貌。A圖為放大50倍的邊界處形貌，a處為樣品的磨損邊界，左邊為磨

18、損區(qū)，右邊為未磨損區(qū)，未磨損區(qū)的犁溝主要是磨損前金相砂紙打磨所致。試樣所發(fā)生的磨損比較嚴(yán)重，由各種磨損產(chǎn)生的條件及磨損后樣品的形貌特征可以認(rèn)為磨損表面主要有粘著磨損和磨粒磨損發(fā)生，粘著磨損的磨屑表現(xiàn)為片狀和不規(guī)則的碎屑（如圖中c點(diǎn)所指區(qū)域）。由于磨料磨損的作用，使磨損樣品表面出現(xiàn)了許多犁溝，犁溝寬度和深度不均勻，如d點(diǎn)所示。同時(shí)樣品表面還出現(xiàn)了粘著坑（如b點(diǎn)所示）和“痘斑”狀的小坑（如e點(diǎn)所示），這說(shuō)明發(fā)生了膠合和點(diǎn)蝕，膠合主要是由于在磨損過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，使摩擦副工作表面焊合，以致有些地方撕脫后留下了粘著坑，“痘斑”狀小凹坑的出現(xiàn)則是由于細(xì)小的顆粒從表面上脫落所致，這些脫落的小顆粒也是導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重磨粒磨損的根源。圖所示為b組試驗(yàn)樣品磨損后的表面形貌，從總體上看，磨損情況較之a(chǎn)組試驗(yàn)樣品輕微，這正與我們計(jì)算得到的磨損量的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。從圖中我們可以看到樣品表面一些地方