力學(xué)性能第七單元

1、第七單元 金屬的磨損本單元導(dǎo)讀 各類機(jī)器在工作時(shí)，其各零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng)、滾動(dòng)，或滾動(dòng)+滑動(dòng))的接觸部分都存在著摩擦，摩擦是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免的物理現(xiàn)象，有摩擦就必有磨損，這是必然的結(jié)果。 磨損是降低機(jī)器和工具效率、精確度甚至使其報(bào)廢的重要原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，摩擦磨損消耗能源的1/31/2，超過50的機(jī)件失效是磨損引起的。因此，研究磨損規(guī)律，提高機(jī)件耐磨性，對(duì)節(jié)約能源，減少材料消耗，延長(zhǎng)機(jī)件壽命具有重要意義。模塊一 金屬磨損的概念一、磨損的概念 金屬摩擦表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為磨損（abr

2、asion）。 磨損表現(xiàn)為表面不斷有細(xì)小顆粒被分離出來而成為磨屑，以及在摩擦載荷作用下，金屬表面性質(zhì)（金相組織、物理化學(xué)性能、力學(xué)性能）和形狀的（形貌和尺寸、粗糙度、表面層厚度）變化。 雖然磨損過程是一個(gè)漸進(jìn)的過程，但正常情況下磨損直接的結(jié)果也并非災(zāi)難性的。近二三十年國(guó)外把摩擦、潤(rùn)滑和磨損，構(gòu)成了一門獨(dú)立的邊緣學(xué)科叫摩擦學(xué)，但從材料學(xué)科特別是從材料的工程應(yīng)用來看，人們更重視研究材料的磨損。 金屬磨損并非單一的力學(xué)過程。引起磨損的原因既有力學(xué)作用，也有物理和化學(xué)作用，因此，摩擦副材料、潤(rùn)滑條件、加載方式和大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性(方式和速度)以及工作溫度等諸多因素均影響磨損量的大小，所以，磨損是一個(gè)復(fù)

3、雜的系統(tǒng)過程。 磨損通常是有害的，它損傷零件工作表面，影響機(jī)械設(shè)備性能，消耗材料和能源，并使設(shè)備使用壽命縮短。預(yù)先考慮如何避免或減輕磨損，是設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)機(jī)器的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 另一方面，磨損也并非全都是有害的，工程上常利用磨損的原理來減小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、拋光、跑合等。 2004 年底由中國(guó)工程院和國(guó)家自然科學(xué)基金委共同組織的北京摩擦學(xué)科與工程前沿研討會(huì)的資料顯示，磨損損失了世界一次能源的三分之一，機(jī)電設(shè)備的70 %損壞是由于各種形式的磨損而引起的。2007年我國(guó)的 GDP只占世界的6 %，卻消耗了世界的30 %以上的鋼材；我國(guó)每年因摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失在 1000 億人民幣

4、以上，僅磨料磨損每年就要消耗300 多萬(wàn)噸金屬耐磨材料。可見減摩、抗磨工作具有節(jié)能節(jié)材、資源充分利用和保障安全的重要作用，越來越受到國(guó)內(nèi)外的重視。二、磨損過程 在機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，磨損過程大致可分為三個(gè)階段： 三、金屬的耐磨性耐磨性（abrasion resistance）是材料抵抗磨損的性能，這是一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)。迄今為止，還沒有一個(gè)統(tǒng)的、意義明確的耐磨性指標(biāo)，通常用以下三種方法表征金屬的耐磨性。 （1）磨損量 在規(guī)定條件的作用下,經(jīng)過規(guī)定時(shí)間的磨損后,樣品表面的損耗程度稱為磨損量（W）。磨損量可通過測(cè)量長(zhǎng)度、體積或質(zhì)量的變化而得到，并相應(yīng)稱它們?yōu)榫€磨損量、體積磨損量和質(zhì)量磨損量。 若測(cè)量單位摩

5、擦距離、單位壓力下的磨損量等，則稱為比磨損量。磨損量越小，耐磨性越高。 (2) 耐磨性 磨損量的倒數(shù)稱為耐磨性，即=1/W。值越大，材料的磨損抗力越大，與通常的概念相一致。 (3) 相對(duì)耐磨性 指在同樣條件下，標(biāo)準(zhǔn)試樣（Pb-Sn合金）的磨損量與被測(cè)試樣磨損量的比值稱為相對(duì)耐磨性。相對(duì)耐磨性的倒數(shù)稱為磨損系數(shù)。模塊二 金屬的磨損類型 通常,按照磨損機(jī)理和磨損系統(tǒng)中材料與磨料、材料與材料之間的作用方式劃分,磨損的主要類型可分為磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損（接觸疲勞）四種基本類型。 但磨損過程十分復(fù)雜，有許多實(shí)際表現(xiàn)出來的磨損現(xiàn)象不能簡(jiǎn)單地歸為某一種基本磨損類型，而往往是基本類型的復(fù)合或

6、派生，如氣蝕磨損、沖蝕磨損和微動(dòng)磨損等。能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)1 粘著磨損粘著磨損一、粘著磨損機(jī)理 粘著磨損發(fā)生在滑動(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。 由于缺乏潤(rùn)滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度產(chǎn)生的一種磨損可用摩擦機(jī)理來解釋。 其過程：粘著剪斷轉(zhuǎn)移再粘著 零件是個(gè)軸瓦，與鑄鐵的軸摩擦抱死。材料是鋁合金。懷疑是雜質(zhì)進(jìn)入到兩個(gè)零件的結(jié)合面，引起表面破壞，從而導(dǎo)致抱死。個(gè)人懷疑是鋁雜質(zhì)進(jìn)入，造成粘著磨損造成。 材料特性、法向力、滑動(dòng)速度、溫度 材料特性的影響： (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

7、摩擦副時(shí)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(shí)粘著磨損就較輕微。 滑動(dòng)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(duì)。在受力較小時(shí)，選用金屬與塑料配對(duì)都能減小粘著磨損。二、影響粘著磨損的因素及改善措施(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?yàn)榱蚧?，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系?shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。(4)改善潤(rùn)滑條件，如在潤(rùn)滑油中添加極壓劑。(5)粘著磨損嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為膠合。 三、粘著磨損失效舉例 內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)和缸套襯這一運(yùn)動(dòng)的摩擦副，如不

8、考慮燃?xì)饨橘|(zhì)的腐蝕性，主要表現(xiàn)為粘著磨損。 正常情況下軸在滑動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)，是一流體潤(rùn)滑情況，軸頸和軸承間被一楔形油膜隔開，這時(shí)其摩擦和磨損是很小的。但當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)或停車，換向以及載荷運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定時(shí)，或者潤(rùn)滑條件不好，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不恰當(dāng)而不能建立起可靠的油膜時(shí)，軸和軸承之間就不可避免發(fā)生局部的直接接觸，處于邊界摩擦或干摩擦的工作狀態(tài)，這時(shí)軸承就要考慮粘著磨損。 能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)2 磨料磨損磨料磨損一、磨料磨損的概念 由于一個(gè)表面硬的凸起部分和另一個(gè)表面接觸，或者在兩個(gè)摩擦面之間存在硬的顆粒，或者這些顆粒嵌入兩個(gè)摩擦面中的一個(gè)面里，在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，引起表面材料損失的現(xiàn)象稱為磨料磨損(abrasi

9、ve wear)。 磨料磨損是最常見的，同時(shí)也是危害最為嚴(yán)重的磨損形式，在各類磨損形式中，磨料磨損大約占總消耗的50%。 磨料磨損有多種分類方法，根據(jù)磨料與材料表面承受應(yīng)力是否超過磨料的破壞強(qiáng)度，磨料磨損又可分為低應(yīng)力擦傷式、高應(yīng)力碾碎式磨損和鑿削式磨料磨損三類。 低應(yīng)力劃傷式的磨料磨損，它的特點(diǎn)是磨料作用于零件表面的應(yīng)力不超過磨料的壓潰強(qiáng)度，材料表面被輕微劃傷。如生產(chǎn)中的犁鏵，及煤礦機(jī)械中的刮板輸送機(jī)溜槽磨損情況。 高應(yīng)力輾碎式的磨料磨損，其特點(diǎn)是磨料與零件表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度。如生產(chǎn)中球磨機(jī)襯板與磨球，破碎式滾筒的磨損。 鑿削式磨料磨損，其特點(diǎn)是磨料對(duì)材料表面有大的沖擊

10、力，從材料表面鑿下較大顆料的磨屑，如挖掘機(jī)斗齒及顎式破碎機(jī)的齒板。二、磨粒磨損分類 也有以磨損接觸物體的表面分類，分為兩體磨料磨損和三體磨料磨損。 兩體磨損的情況是，磨料與一個(gè)零件表面接觸，磨料為一物體，零件表面為另一物體，如犁鏵。 三體磨損，其磨損料介于兩個(gè)滑動(dòng)零件表面，或者介于兩個(gè)滾動(dòng)物體表面，前者如活塞與汽缸間落人磨料，后者如齒輪間落入磨料。 兩體和三體磨料磨損 a) 兩體磨損 b)三體磨損二、磨料磨損的機(jī)理磨料磨損可能是磨粒對(duì)摩擦表面產(chǎn)生的切削作用、塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果，還可能是它們綜合作用的反映，并以某一損壞方式為主。磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽

11、或磨屑。 磨粒磨損表面的犁溝和磨屑(SEM) 材料自身的硬度及內(nèi)部組織。 磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強(qiáng)度等。 外界載荷大小、滑動(dòng)距離及滑動(dòng)速度。 除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨損性能外，還可進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火、滲碳、氮化、表面噴鍍與堆焊來提高耐磨性。 四、影響因素及改善措施模塊三 金屬的磨損試驗(yàn)?zāi)芰χR(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)1 磨損試驗(yàn)種類磨損試驗(yàn)種類一、磨損試驗(yàn) 測(cè)定材料抵抗磨損能力的試驗(yàn)稱為磨損試驗(yàn)。 磨損試驗(yàn)就是指試樣與對(duì)磨材料之間加上中間介質(zhì)，在施加一定的壓力下，按一定的速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過一定時(shí)間（或磨擦距離)后測(cè)量其磨損量，根據(jù)磨損量大小來判斷材料的耐磨性能。若在相同的時(shí)間(

12、或距離)內(nèi)磨損量愈大，表明材料的耐磨性能愈差。反之，則表明耐磨性愈好。一、磨損試驗(yàn) 磨損試驗(yàn)比常規(guī)的材料試驗(yàn)要復(fù)雜。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選定合適的試驗(yàn)方法，以便使試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。二、磨損試驗(yàn)的類型 磨損試驗(yàn)分為現(xiàn)場(chǎng)磨損試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)。 現(xiàn)場(chǎng)磨損試驗(yàn)是將做成零件的試樣裝在機(jī)器上，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中的磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，它又分為試樣磨損試驗(yàn)和臺(tái)架磨損試驗(yàn)。二、磨損試驗(yàn)的類型 試樣磨損試驗(yàn)：用加工成一定形狀和尺寸的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。 臺(tái)架磨損試驗(yàn)：用零件或近似零件的試樣在模擬實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件的臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)。二、磨損試驗(yàn)的類

13、型 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物試驗(yàn)具有與實(shí)際情況一致或接近一致的特點(diǎn)，因此，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性大，但這種試驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)，且外界的影響難于掌握和分析。 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)雖然具有試驗(yàn)時(shí)間短，成本低，易于控制各種因素的影響等優(yōu)點(diǎn)，但試驗(yàn)結(jié)果常不能直接表明實(shí)際情況。 因此，研究重要機(jī)件的耐磨性時(shí)往往兼用這兩種方法。能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)2 常用的磨損試驗(yàn)常用的磨損試驗(yàn) 磨損試驗(yàn)機(jī)可從下列幾個(gè)方面進(jìn)行分類。 按運(yùn)動(dòng)方式可分為滑動(dòng)和滾動(dòng)兩類。 按介質(zhì)不同可分為干摩擦、有潤(rùn)滑、有磨料三類。 按試樣接觸形式可分為五類: 平面與平面；平面與圓柱；圓柱與圓柱；平面與球；球與球等。 實(shí)驗(yàn)室常用磨損試驗(yàn):能力知識(shí)點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)3 磨損量測(cè)量磨損量

14、測(cè)量 磨損量可用試驗(yàn)前后的試樣長(zhǎng)度、體積、重量等的變化來表示。 磨損量測(cè)量的方法有測(cè)長(zhǎng)法、秤重法、人工基準(zhǔn)法（刻痕法、壓痕法、磨痕法）、化學(xué)分析法和放射性同位素法等。測(cè)長(zhǎng)法用測(cè)微尺測(cè)量摩擦表面法線方向的尺寸變化，用于磨損量較大難以實(shí)現(xiàn)的情況。 秤重法使用分析天平測(cè)定試樣磨損前后的重量變化，秤重法操作簡(jiǎn)單，是常用的一種方法，下面主要介紹之。一、秤重法的定義和表示方法 秤重法是以試樣在磨損試驗(yàn)前后的重量差來表示磨損量，通常以克為計(jì)算單位。用符號(hào)m表示。 m m0 - m1 式中 m0試樣磨損前原始重量； m1試樣磨損后的重量。一、秤重法的定義和表示方法 因?yàn)槟p試驗(yàn)結(jié)果受很多因素影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散

15、性很大，所以試驗(yàn)試樣數(shù)量要足夠，一般試驗(yàn)需要有45對(duì)摩擦副，數(shù)據(jù)分散分散程度大時(shí)應(yīng)酌情增加。 處理試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，一般情況下取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，分散度大時(shí)需用均方根值來處理。 秤重法應(yīng)用廣泛，無(wú)論哪種磨損試驗(yàn)機(jī)，也無(wú)論哪種磨損試樣均可用秤重法測(cè)定其磨損量。二、秤重法的測(cè)量方法及要求 試樣重量測(cè)定應(yīng)在萬(wàn)分之一的分析天平上進(jìn)行。但有兩點(diǎn)必須注意： 試樣的原始重量m0 (除長(zhǎng)條狀試樣外)應(yīng)取經(jīng)過跑合試驗(yàn)(加上50100N壓力，經(jīng)過0.51h于摩擦運(yùn)行)之后的重量。 試樣在秤重前(無(wú)論磨損前或磨損后)，都必須用酒精或丙酮清洗并吹干，否則將影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。模塊三 金屬的接觸疲勞一、接觸疲勞現(xiàn)象 接觸

16、疲勞又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損，是工件(如齒輪、滾動(dòng)軸承，鋼軌和輪箍，鑿巖機(jī)活塞和釬尾的打擊端部等)表面在接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象。 接觸壓應(yīng)力：兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力。 齒輪、軸承、鋼軌與輪箍的表面經(jīng)常出現(xiàn)接觸疲勞破壞。在剛出現(xiàn)少數(shù)麻點(diǎn)時(shí)，一般仍能繼續(xù)工作，但隨著工作時(shí)間的延續(xù)，麻點(diǎn)剝落現(xiàn)象將不斷增多和擴(kuò)大，例如齒輪，此時(shí)嚙合情況惡化，磨損加劇，發(fā)生較大的附加沖擊力，噪聲增大，甚至引起齒根折斷。 由此可見，研究金屬的接觸疲勞問題對(duì)提高這些機(jī)件的使用壽命有著重大的意義。 滾動(dòng)軸承的接觸疲勞失效 根據(jù)裂紋剝落的不同形狀，接觸疲勞破壞可分為麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）、淺層剝落和深層剝落（表面壓碎）三類。 （1）麻點(diǎn)剝落，深度0.10.2mm。呈針狀或痘狀凹坑，截面呈不對(duì)稱V形。 （2）淺層剝落，深度0.20.4mm。剝塊底部大致和表面平行，裂紋走向與表面呈銳角和直角。 （3）深層剝落，裂紋起源在硬化層。深層剝落深度和表面強(qiáng)化層的深度相當(dāng)，裂紋走向與表面垂直。二、宏觀形態(tài)二、宏觀形態(tài) 接觸表面出現(xiàn)許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點(diǎn)，也叫點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)磨損。有的凹坑很深，呈“貝殼”狀，有疲勞裂紋發(fā)展線的痕跡存在。 二、宏觀形態(tài) 接觸疲勞與一般疲勞一樣，也分為裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段，但通常認(rèn)為裂紋形