材料性能學(xué)-第6章

1、1材料性能學(xué)材料性能學(xué)2第六章第六章 材料的磨損性能材料的磨損性能6.1 6.1 前言前言6.2 6.2 摩擦和磨損的概念及類型摩擦和磨損的概念及類型6.3 6.3 材料的磨損材料的磨損6.4 6.4 耐磨性及摩擦磨損的測量方法耐磨性及摩擦磨損的測量方法6.5 6.5 摩擦磨損的控制摩擦磨損的控制36.1 6.1 前言前言n 材料的摩擦與磨損是研究具有相對運動的、相互材料的摩擦與磨損是研究具有相對運動的、相互作用的材料表面間的有關(guān)理論與實踐的一門學(xué)科作用的材料表面間的有關(guān)理論與實踐的一門學(xué)科摩擦學(xué)摩擦學(xué)(Tribology)。n 摩擦摩擦(Friction)是兩個相互接觸的物體在外力是兩個相互

2、接觸的物體在外力作用下，發(fā)生相對運動作用下，發(fā)生相對運動(或有相對運動趨勢或有相對運動趨勢)時產(chǎn)生時產(chǎn)生切向運動阻力的物理現(xiàn)象，而切向運動阻力的物理現(xiàn)象，而磨損磨損(Wear)是摩擦是摩擦的結(jié)果；的結(jié)果；潤滑潤滑是降低摩擦和減少磨損的措施。是降低摩擦和減少磨損的措施。n 凡相互作用、相對運動的兩表面之間，都有摩擦凡相互作用、相對運動的兩表面之間，都有摩擦與磨損存在。與磨損存在。4n 摩擦磨損的危害：材料間的摩擦消耗了大量的能量，摩擦磨損的危害：材料間的摩擦消耗了大量的能量，其中其中摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因。 據(jù)不完全統(tǒng)計，據(jù)不完全統(tǒng)計，世界能

3、源的世界能源的1/31/2消耗于摩消耗于摩擦，而機(jī)械零件擦，而機(jī)械零件80失效原因是失效原因是磨損磨損。 n 摩擦磨損現(xiàn)象也有有利的一面，如人和車輛在陸地摩擦磨損現(xiàn)象也有有利的一面，如人和車輛在陸地行走；用磨粒磨損原理進(jìn)行研磨加工等。行走；用磨粒磨損原理進(jìn)行研磨加工等。n 控制摩擦、減少磨損、改善潤滑性能，已成為節(jié)約控制摩擦、減少磨損、改善潤滑性能，已成為節(jié)約能源和原材料、縮短維修時間的重要措施。能源和原材料、縮短維修時間的重要措施。n 摩擦學(xué)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長機(jī)械設(shè)備的使用壽摩擦學(xué)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命和增加可靠性也有重要作用。命和增加可靠性也有重要作用。5n 摩擦的概

4、念、分類和經(jīng)典摩擦理論摩擦的概念、分類和經(jīng)典摩擦理論 概念概念 兩個相互接觸的物體或物體與介質(zhì)之間在外力作兩個相互接觸的物體或物體與介質(zhì)之間在外力作用下，發(fā)生相對運動，或者具有相對運動的趨勢時用下，發(fā)生相對運動，或者具有相對運動的趨勢時，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦摩擦。這種。這種阻礙相對運動的阻力稱為摩擦力。阻礙相對運動的阻力稱為摩擦力。 摩擦力的方向總是沿著接觸面的切線方向，跟物摩擦力的方向總是沿著接觸面的切線方向，跟物體相對運動方向相反，阻礙物體間的相對運動。體相對運動方向相反，阻礙物體間的相對運動。6.2 6.2 摩擦和磨損的概念及類型摩擦和磨

5、損的概念及類型6 分類分類 按摩擦副的運動狀態(tài)按摩擦副的運動狀態(tài) 靜摩擦靜摩擦(相對運動趨勢相對運動趨勢)、動摩擦、動摩擦(相對運動相對運動) 按摩擦副的運動形式按摩擦副的運動形式 滑動摩擦、滾動摩擦滑動摩擦、滾動摩擦 按摩擦副表面的潤滑狀況按摩擦副表面的潤滑狀況 純凈摩擦、干摩擦、純凈摩擦、干摩擦、 流體摩擦、邊界摩擦、流體摩擦、邊界摩擦、 混合摩擦混合摩擦7 經(jīng)典摩擦理論經(jīng)典摩擦理論 第一定律第一定律：摩擦力與作用于摩擦面間的法向載摩擦力與作用于摩擦面間的法向載荷成正比荷成正比式中F為摩擦力；p為法向載荷；是摩擦系數(shù)。此公式常稱為庫侖定律庫侖定律。 第二定律第二定律：摩擦力的大小與名義接觸

6、面積無關(guān)摩擦力的大小與名義接觸面積無關(guān)。 第三定律第三定律：靜摩擦力大于動摩擦力靜摩擦力大于動摩擦力。 第四定律第四定律：摩擦力的大小與滑動速度無關(guān)摩擦力的大小與滑動速度無關(guān)。 第五定律第五定律：摩擦力的方向總是與接觸表面間相摩擦力的方向總是與接觸表面間相對運動速度的方向相反對運動速度的方向相反。= (6 1)F p 8 經(jīng)典摩擦定律是實驗中總結(jié)出的規(guī)律，它揭示了摩擦經(jīng)典摩擦定律是實驗中總結(jié)出的規(guī)律，它揭示了摩擦的性質(zhì)。但隨著對摩擦現(xiàn)象的深入研究，發(fā)現(xiàn)上述定律的性質(zhì)。但隨著對摩擦現(xiàn)象的深入研究，發(fā)現(xiàn)上述定律與實際情況有許多不符的地方：與實際情況有許多不符的地方： 對第一定律對第一定律：摩擦系數(shù)

7、不僅與摩擦副材料的性質(zhì)有摩擦系數(shù)不僅與摩擦副材料的性質(zhì)有關(guān)，而且還與許多其他的因素有關(guān)關(guān)，而且還與許多其他的因素有關(guān)，如溫度、粗糙度和，如溫度、粗糙度和表面污染情況等。表面污染情況等。摩擦系數(shù)是一個與材料和環(huán)境條件有摩擦系數(shù)是一個與材料和環(huán)境條件有關(guān)的綜合系數(shù)。關(guān)的綜合系數(shù)。 對第二定律對第二定律：只對有一定屈服點的材料只對有一定屈服點的材料(如金屬材料如金屬材料)才能成立才能成立。 對第三定律對第三定律：不適用于粘彈性材料。粘彈性材料的不適用于粘彈性材料。粘彈性材料的靜摩擦系數(shù)不一定大于動摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)不一定大于動摩擦系數(shù)。 對第四定律對第四定律：對于很多材料而言，摩擦系數(shù)都與滑對于很多

8、材料而言，摩擦系數(shù)都與滑動速度有關(guān)。動速度有關(guān)。9 自經(jīng)典摩擦定律提出后，人們對摩擦現(xiàn)象和機(jī)自經(jīng)典摩擦定律提出后，人們對摩擦現(xiàn)象和機(jī)理提出了許多理論來解釋，但尚未形成統(tǒng)一理論。理提出了許多理論來解釋，但尚未形成統(tǒng)一理論。 目前，對摩擦現(xiàn)象和本質(zhì)的解釋，主要有兩類目前，對摩擦現(xiàn)象和本質(zhì)的解釋，主要有兩類理論理論: 摩擦是由于表面接觸點上分子間相互作用而產(chǎn)摩擦是由于表面接觸點上分子間相互作用而產(chǎn)生的，簡稱為生的，簡稱為分子理論分子理論。 摩擦是由于表面高低不平微峰間的機(jī)械作用和摩擦是由于表面高低不平微峰間的機(jī)械作用和材料的變形所引起的，簡稱為材料的變形所引起的，簡稱為機(jī)械理論機(jī)械理論。分子分子-機(jī)

9、械理論機(jī)械理論和和粘著摩擦理論粘著摩擦理論。10n 磨損的概念和分類磨損的概念和分類 概念概念 磨損是相互作用的固體表面在相對運動中，接磨損是相互作用的固體表面在相對運動中，接觸表面層內(nèi)材料發(fā)生轉(zhuǎn)移和損耗的過程，它是伴隨觸表面層內(nèi)材料發(fā)生轉(zhuǎn)移和損耗的過程，它是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。 磨損造成的損失是十分驚人的。在機(jī)械零件的磨損造成的損失是十分驚人的。在機(jī)械零件的三種主要失效方式三種主要失效方式(磨損、腐蝕、斷裂磨損、腐蝕、斷裂)中，磨損中，磨損失效占失效占6080%。 材料的磨損不是簡單的力學(xué)過程，而是物理、材料的磨損不是簡單的力學(xué)過程，而是物理、力學(xué)和化學(xué)過程的復(fù)雜

10、綜合。力學(xué)和化學(xué)過程的復(fù)雜綜合。11 分類分類 按環(huán)境和介質(zhì)分按環(huán)境和介質(zhì)分：流體磨損；濕磨損；干磨損。：流體磨損；濕磨損；干磨損。 按表面接觸性質(zhì)分按表面接觸性質(zhì)分：金屬：金屬/流體磨損；金屬流體磨損；金屬/金屬磨損；金屬金屬磨損；金屬/磨料磨損。磨料磨損。 按摩擦表面作用分按摩擦表面作用分：機(jī)械磨損；分子：機(jī)械磨損；分子-機(jī)械磨機(jī)械磨損損(粘著磨損粘著磨損)；腐蝕；腐蝕-機(jī)械磨損。機(jī)械磨損。 按表面破壞方式分按表面破壞方式分：擦傷、點蝕、剝落、膠合、：擦傷、點蝕、剝落、膠合、鑿削、咬死。鑿削、咬死。 按磨損程度分按磨損程度分：輕微磨損；嚴(yán)重磨損等。：輕微磨損；嚴(yán)重磨損等。12 目前，比較常

11、見的磨損分類方法是：目前，比較常見的磨損分類方法是： 粘著磨損粘著磨損(Adhesive Wear)：接觸表面相互接觸表面相互運動時，由于固相焊合作用使材料從一個表面脫落運動時，由于固相焊合作用使材料從一個表面脫落或轉(zhuǎn)移到另一表面而形成的磨損或轉(zhuǎn)移到另一表面而形成的磨損。 磨粒磨損磨粒磨損(Abrasive Wear)：由于摩擦表面由于摩擦表面間硬顆?；蛴餐黄穑共牧袭a(chǎn)生脫落而形成的磨損間硬顆?；蛴餐黄?，使材料產(chǎn)生脫落而形成的磨損。 疲勞磨損疲勞磨損(Fatigue Wear)：由于摩擦表面間由于摩擦表面間循環(huán)交變應(yīng)力引起表面疲勞，導(dǎo)致摩擦表面材料脫循環(huán)交變應(yīng)力引起表面疲勞，導(dǎo)致摩擦表面材料脫

12、落而形成的磨損落而形成的磨損。13 腐蝕磨損腐蝕磨損(Corrosive Wear)：在摩擦過程在摩擦過程中，由于固體界面上的材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)中，由于固體界面上的材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致材料損耗而形成的磨損反應(yīng)導(dǎo)致材料損耗而形成的磨損。 微動磨損微動磨損(Fretting Wear)：在兩物體接觸在兩物體接觸面間由于振幅很小面間由于振幅很小(1mm以下以下)的相對振動引起的相對振動引起的磨損的磨損。 沖蝕磨損沖蝕磨損(Erosion 或或 Erosive Wear)：含含有固體顆粒的流體介質(zhì)沖刷固體表面，使表面造有固體顆粒的流體介質(zhì)沖刷固體表面，使表面造成材料損失的磨損，又稱為成材

13、料損失的磨損，又稱為濕磨粒磨損濕磨粒磨損。14 在實際的磨損現(xiàn)象中，通常是幾種形式的磨損同時在實際的磨損現(xiàn)象中，通常是幾種形式的磨損同時在，而且一種磨損發(fā)生后往往誘發(fā)其它形式的磨損。在，而且一種磨損發(fā)生后往往誘發(fā)其它形式的磨損。 另外，磨損形式還隨工況的變化而轉(zhuǎn)化，如下圖。另外，磨損形式還隨工況的變化而轉(zhuǎn)化，如下圖。圖圖6-1 6-1 磨損形式隨滑動速度和載荷的變化磨損形式隨滑動速度和載荷的變化(a)(a)滑動速率滑動速率 (b)(b)載荷載荷15n 磨損過程磨損過程 根據(jù)磨損的定義和分類，磨損可分為三個過程。根據(jù)磨損的定義和分類，磨損可分為三個過程。圖圖6-2 6-2 磨損分類圖磨損分類圖1

14、6 表面的相互作用表面的相互作用 兩個摩擦表面的相互作用，可以是機(jī)械的兩個摩擦表面的相互作用，可以是機(jī)械的(彈性、塑性和彈性、塑性和犁溝效應(yīng)犁溝效應(yīng))或分子的或分子的(吸引和粘著吸引和粘著) 兩類。兩類。 表面層的變化表面層的變化 在摩擦表面的相互作用下，表面層將發(fā)生機(jī)械的在摩擦表面的相互作用下，表面層將發(fā)生機(jī)械的(硬化硬化)、組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)(退火退火)的、物理的和化學(xué)的變化。的、物理的和化學(xué)的變化。 表面層的破壞形式表面層的破壞形式 擦傷擦傷：由于犁溝作用在摩擦表面產(chǎn)生沿摩擦方向的溝痕和由于犁溝作用在摩擦表面產(chǎn)生沿摩擦方向的溝痕和磨屑磨屑。 點蝕點蝕：在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，金屬疲勞破壞而形

15、成的表在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，金屬疲勞破壞而形成的表面凹坑面凹坑。 剝落剝落：金屬表面由于變形強(qiáng)化而變脆，在載荷作用下產(chǎn)生金屬表面由于變形強(qiáng)化而變脆，在載荷作用下產(chǎn)生微裂紋隨后剝落微裂紋隨后剝落。 膠合膠合：由粘著效應(yīng)形成的表面粘結(jié)點具有較高的連接強(qiáng)度，由粘著效應(yīng)形成的表面粘結(jié)點具有較高的連接強(qiáng)度，使剪切破壞發(fā)生在表層內(nèi)一定深度，因而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損使剪切破壞發(fā)生在表層內(nèi)一定深度，因而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。17 與磨損過程相對應(yīng)，磨損曲線可分為三個階段：與磨損過程相對應(yīng)，磨損曲線可分為三個階段： 磨合磨損階段磨合磨損階段 磨合磨合(跑合跑合)是磨損過程的是磨損過程的非均勻階段非均勻階段，在整個磨，在整個磨損

16、過程中所占比例很小，其特征是損過程中所占比例很小，其特征是磨損率隨時間的增磨損率隨時間的增加而降低加而降低(圖圖6-3中的中的I區(qū)區(qū))。 穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段 摩擦表面經(jīng)磨合以后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實際接觸面積摩擦表面經(jīng)磨合以后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實際接觸面積始終不變、始終不變、磨損率保持不變磨損率保持不變(圖圖6-3中的中的II區(qū)區(qū))。 劇烈磨損階段劇烈磨損階段 在穩(wěn)定工作達(dá)到一定時間后，由于磨損量的積累或在穩(wěn)定工作達(dá)到一定時間后，由于磨損量的積累或者由于外來因素者由于外來因素(工況變化工況變化)的影響，使摩擦副的的影響，使摩擦副的摩擦摩擦系數(shù)增大系數(shù)增大、磨損率隨時間而迅速增加磨損率隨時間而迅速增

17、加(圖圖6-3III區(qū)區(qū))。18圖圖6-3 磨損過程曲線磨損過程曲線(a)典型磨損過程典型磨損過程 (b)兩個穩(wěn)定磨損過程兩個穩(wěn)定磨損過程(c)惡劣磨損過程惡劣磨損過程 (d)接觸疲勞磨損過程接觸疲勞磨損過程F 圖圖6-3a是典型的磨損曲是典型的磨損曲線，由三個階段組成。線，由三個階段組成。F 圖圖6-3b表示磨合期后，表示磨合期后，摩擦副經(jīng)歷了兩個磨損工況摩擦副經(jīng)歷了兩個磨損工況條件，因而有兩個穩(wěn)定磨損條件，因而有兩個穩(wěn)定磨損階段階段；在這兩個階段中，雖；在這兩個階段中，雖然磨損率不同，但都保持不然磨損率不同，但都保持不變，屬于正常工作狀態(tài)。變，屬于正常工作狀態(tài)。F 圖圖6-3c是惡劣工況條

18、件是惡劣工況條件下的磨損曲線，在磨合磨損下的磨損曲線，在磨合磨損之后直接發(fā)生劇烈磨損，不之后直接發(fā)生劇烈磨損，不能建立正常的工作條件。能建立正常的工作條件。 F 圖圖6-3d屬于屬于接觸疲勞磨損接觸疲勞磨損，正常工作到接觸疲勞壽命，正常工作到接觸疲勞壽命T0時時開始出現(xiàn)疲勞磨損，并迅速發(fā)展引起失效。開始出現(xiàn)疲勞磨損，并迅速發(fā)展引起失效。196.3 6.3 材料的磨損材料的磨損n 粘著磨損粘著磨損(Adhesive Wear) 概念與分類概念與分類 概念：概念：接觸表面相互運動時，因固相焊合作用使材接觸表面相互運動時，因固相焊合作用使材料從一個表面脫落或轉(zhuǎn)移到另一表面而形成的磨損。料從一個表面脫

19、落或轉(zhuǎn)移到另一表面而形成的磨損。 分類：分類： 按工作溫度按工作溫度：低溫粘著磨損；高溫粘著磨損。：低溫粘著磨損；高溫粘著磨損。 按粘結(jié)點的強(qiáng)度和磨損程度按粘結(jié)點的強(qiáng)度和磨損程度，可分為：，可分為： 涂抹涂抹：當(dāng)較軟金屬的剪切強(qiáng)度小于界面強(qiáng)度時，：當(dāng)較軟金屬的剪切強(qiáng)度小于界面強(qiáng)度時，剪剪切斷裂發(fā)生在較軟金屬的切斷裂發(fā)生在較軟金屬的淺表層內(nèi)淺表層內(nèi)，材料從軟金屬表，材料從軟金屬表面上脫落，又粘附面上脫落，又粘附(涂敷涂敷)在硬金屬的表面上。在硬金屬的表面上。20 擦傷擦傷：當(dāng)界面強(qiáng)度大于兩摩擦材料基體的強(qiáng)度時，：當(dāng)界面強(qiáng)度大于兩摩擦材料基體的強(qiáng)度時，剪切剪切斷裂發(fā)生在軟材料的斷裂發(fā)生在軟材料的亞

20、表層內(nèi)亞表層內(nèi)，附在硬金屬表面的粘著物，附在硬金屬表面的粘著物，在摩擦表面的滑動方向上將軟材料的表面劃傷，形成細(xì)而在摩擦表面的滑動方向上將軟材料的表面劃傷，形成細(xì)而淺的劃痕，使摩擦表面破壞。淺的劃痕，使摩擦表面破壞。 刮傷刮傷：當(dāng)界面強(qiáng)度大于兩摩擦材料基體的強(qiáng)度時，：當(dāng)界面強(qiáng)度大于兩摩擦材料基體的強(qiáng)度時， 摩摩擦表面上形成的粘著物使另一摩擦表面沿滑動方向產(chǎn)生較擦表面上形成的粘著物使另一摩擦表面沿滑動方向產(chǎn)生較深的劃痕深的劃痕。 膠合膠合：在摩擦力和摩擦熱的作用下，摩擦表面出現(xiàn)較深：在摩擦力和摩擦熱的作用下，摩擦表面出現(xiàn)較深的劃痕和凹坑的磨損。的劃痕和凹坑的磨損。膠合是擦傷和撕脫聯(lián)合作用的結(jié)果膠

21、合是擦傷和撕脫聯(lián)合作用的結(jié)果。 咬死咬死：當(dāng)摩擦表面形成牢固的焊結(jié)結(jié)點時，外力克服不：當(dāng)摩擦表面形成牢固的焊結(jié)結(jié)點時，外力克服不了結(jié)點界面上的結(jié)合力，也不能使摩擦面雙方剪切破壞時，了結(jié)點界面上的結(jié)合力，也不能使摩擦面雙方剪切破壞時，使摩擦副雙方?jīng)]有相對滑動。使摩擦副雙方?jīng)]有相對滑動。 粘著磨損的共同特征：粘著磨損的共同特征：出現(xiàn)材料遷移以及沿滑動方向形出現(xiàn)材料遷移以及沿滑動方向形成程度不同的劃痕。成程度不同的劃痕。21 粘著磨損的模型與機(jī)理粘著磨損的模型與機(jī)理 由于峰點上的結(jié)點體積比接觸峰的體積小得多，由于峰點上的結(jié)點體積比接觸峰的體積小得多， 當(dāng)覆蓋在峰上的表面膜遭到破壞后，峰頂產(chǎn)生粘著，當(dāng)

22、覆蓋在峰上的表面膜遭到破壞后，峰頂產(chǎn)生粘著，隨后的滑動使接觸點分離，結(jié)點剪斷。這種隨后的滑動使接觸點分離，結(jié)點剪斷。這種粘著、粘著、剪切、再粘著的交替過程就形成了粘著磨損剪切、再粘著的交替過程就形成了粘著磨損。圖圖6-4 6-4 粘著磨損模型粘著磨損模型22 1953年年Archard提出，假設(shè)單位面積上有提出，假設(shè)單位面積上有n個個凸起，凸起， 在壓力在壓力p的作用下發(fā)生粘著，每個粘著點的的作用下發(fā)生粘著，每個粘著點的半徑為半徑為a。并假定粘著點處的材料處于屈服狀態(tài)，其。并假定粘著點處的材料處于屈服狀態(tài)，其壓縮屈服極限為壓縮屈服極限為s。則承受的總載荷為：。則承受的總載荷為： 相對運動使粘著

23、點分離時，一部分粘著點從軟方相對運動使粘著點分離時，一部分粘著點從軟方材料中拉出半徑為材料中拉出半徑為a的半球，其磨損體積為的半球，其磨損體積為2a3/3?？紤]到并非所有的粘結(jié)點都能發(fā)生破壞，形成磨屑。考慮到并非所有的粘結(jié)點都能發(fā)生破壞，形成磨屑。引入引入粘結(jié)點發(fā)生遷移破壞的幾率粘結(jié)點發(fā)生遷移破壞的幾率(或粘著磨損常數(shù)或粘著磨損常數(shù))為為k，于是當(dāng)滑動位移為，于是當(dāng)滑動位移為2a時，單位位移產(chǎn)生的體時，單位位移產(chǎn)生的體積磨損量為：積磨損量為：32211= (63)323 Vk nakn a la2s= (62)pn a 23 將式將式(6-2)代入式代入式(6-3)中，并假定屈服極限中，并假定

24、屈服極限s與材料的硬度與材料的硬度H相等，則有滑動行程為相等，則有滑動行程為L時的粘著時的粘著磨損體積為：磨損體積為： 上式表明，上式表明，材料的粘著磨損量與所加法向載荷、材料的粘著磨損量與所加法向載荷、摩擦距離成正比；與材料的硬度或強(qiáng)度成反比，而摩擦距離成正比；與材料的硬度或強(qiáng)度成反比，而與接觸面積大小無關(guān)。與接觸面積大小無關(guān)。 另外，需要說明的是在所有的粘著結(jié)點中只有極另外，需要說明的是在所有的粘著結(jié)點中只有極少數(shù)發(fā)生磨損，而大部分粘結(jié)點不產(chǎn)生磨屑，即幾少數(shù)發(fā)生磨損，而大部分粘結(jié)點不產(chǎn)生磨屑，即幾率率k值遠(yuǎn)小于值遠(yuǎn)小于1。= (64)3pLVk H24 粘著磨損的影響因素粘著磨損的影響因素

25、 材料組織與性能材料組織與性能(內(nèi)因內(nèi)因) 點陣結(jié)構(gòu)點陣結(jié)構(gòu)：體心立方和面心立方結(jié)構(gòu)的金屬發(fā)生：體心立方和面心立方結(jié)構(gòu)的金屬發(fā)生粘著磨損的傾向高于密排六方結(jié)構(gòu)。粘著磨損的傾向高于密排六方結(jié)構(gòu)。 材料的互溶性材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘著：摩擦副材料的互溶性越大，粘著傾向越大。傾向越大。 組織結(jié)構(gòu)：單晶體的粘著性大于多晶體；單相金組織結(jié)構(gòu)：單晶體的粘著性大于多晶體；單相金屬的粘著性大于多相合金；固溶體比化合物粘著傾屬的粘著性大于多相合金；固溶體比化合物粘著傾向大。向大。材料的晶粒尺寸越小，粘著磨損量越小材料的晶粒尺寸越小，粘著磨損量越小。 塑性材料比脆性材料易于粘著；金屬塑性材料比脆

26、性材料易于粘著；金屬/金屬組成金屬組成的摩擦副比金屬的摩擦副比金屬/非金屬的摩擦副易于粘著非金屬的摩擦副易于粘著。25 工作環(huán)境工作環(huán)境(外因外因) 在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸壓力的在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸壓力的增大而增加。增大而增加。一般情況下，許用應(yīng)力必須小于材料一般情況下，許用應(yīng)力必須小于材料硬度的硬度的1/3，才不會產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。，才不會產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。 在接觸壓力一定的情況下，粘著磨損量隨滑動在接觸壓力一定的情況下，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增加速度的增加而增加，但達(dá)到某一極大值后，又隨滑，但達(dá)到某一極大值后，又隨滑動速度的增加而減小。動速度的增加而減小

27、。 降低表面粗糙度，將增加抗粘著磨損能力降低表面粗糙度，將增加抗粘著磨損能力；但；但粗糙度過低，反因潤滑劑難于儲存在摩擦面內(nèi)而促粗糙度過低，反因潤滑劑難于儲存在摩擦面內(nèi)而促進(jìn)粘著。進(jìn)粘著。 提高溫度和滑動速度，粘著磨損量增加。提高溫度和滑動速度，粘著磨損量增加。 良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損。良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損。26 提高抗粘著磨損能力的措施提高抗粘著磨損能力的措施 首先首先要注意摩擦副配對材料的選擇要注意摩擦副配對材料的選擇。 互溶性小、非同種材料等?；ト苄孕?、非同種材料等。 采用表面處理工藝采用表面處理工藝(氮化、滲碳等氮化、滲碳等)，可提高摩，可提高摩擦表面的抗粘著能力

28、，有效地阻止材料的粘著。擦表面的抗粘著能力，有效地阻止材料的粘著。 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨，可使粘著磨損大為減輕。損大為減輕。27n 磨粒磨損磨粒磨損(Abrasive Wear) 概念與分類概念與分類 概念概念: 硬的磨硬的磨(顆顆)?；蛴驳耐钩鑫镌谂c摩擦表面?；蛴驳耐钩鑫镌谂c摩擦表面相互接觸運動過程中，使表面材料發(fā)生損耗的一種相互接觸運動過程中，使表面材料發(fā)生損耗的一種現(xiàn)象或過程?，F(xiàn)象或過程。 磨粒磨損時，作用在質(zhì)點上的力分為磨粒磨損時，作用在質(zhì)點上的力分為垂直分力垂直分力和和水平分力水平分力，前者使硬質(zhì)點壓入材料表面，而后者，前者使硬質(zhì)點壓入

29、材料表面，而后者使硬質(zhì)點與表面之間產(chǎn)生相對位移。其結(jié)果使被磨使硬質(zhì)點與表面之間產(chǎn)生相對位移。其結(jié)果使被磨損表面損表面產(chǎn)生犁皺或切屑，形成磨損或溝槽產(chǎn)生犁皺或切屑，形成磨損或溝槽。 磨粒磨損是最重要的磨損類型。磨粒磨損是最重要的磨損類型。在工業(yè)領(lǐng)域中在工業(yè)領(lǐng)域中的磨粒磨損，約占零件磨損失效的的磨粒磨損，約占零件磨損失效的50%。28 分類分類: 按接觸條件或磨損表面數(shù)量分：按接觸條件或磨損表面數(shù)量分： 兩體磨粒磨損兩體磨粒磨損：磨料直接作用于被磨材料的表面，：磨料直接作用于被磨材料的表面，磨粒、材料表面各為一物體。磨粒、材料表面各為一物體。 三體磨粒磨損三體磨粒磨損：磨粒介于兩材料表面之間。磨粒

30、為：磨粒介于兩材料表面之間。磨粒為一物體，兩材料為兩物體，磨粒可以在兩表面間滑動，一物體，兩材料為兩物體，磨?？梢栽趦杀砻骈g滑動，也可以滾動。也可以滾動。圖圖6-5 6-5 兩體和三體磨粒磨損示意圖兩體和三體磨粒磨損示意圖29 按力的作用特點分為：按力的作用特點分為： 低應(yīng)力劃傷式磨粒磨損低應(yīng)力劃傷式磨粒磨損：磨粒作用于表面的應(yīng)：磨粒作用于表面的應(yīng)力不超過磨料的壓碎強(qiáng)度，材料表面為輕微劃傷。力不超過磨料的壓碎強(qiáng)度，材料表面為輕微劃傷。 高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損：磨粒與材料表面接觸：磨粒與材料表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓碎強(qiáng)度，磨粒不斷處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓碎強(qiáng)度，磨粒

31、不斷被碾碎，如球磨機(jī)襯板與磨球等。被碾碎，如球磨機(jī)襯板與磨球等。 鑿削式磨粒磨損鑿削式磨粒磨損：磨粒對材料表面有高應(yīng)力沖：磨粒對材料表面有高應(yīng)力沖擊式的運動，從材料表面上鑿下較大顆粒的磨屑，擊式的運動，從材料表面上鑿下較大顆粒的磨屑，如挖掘機(jī)斗齒、破碎機(jī)錘頭等。如挖掘機(jī)斗齒、破碎機(jī)錘頭等。 按材料的相對硬度分為：按材料的相對硬度分為： 軟磨粒磨損軟磨粒磨損：材料硬度與磨粒硬度之比大于：材料硬度與磨粒硬度之比大于0.8。 硬磨粒磨損硬磨粒磨損：材料硬度與磨粒硬度之比小于：材料硬度與磨粒硬度之比小于0.8。30 按工作環(huán)境可分為：按工作環(huán)境可分為： 普通型磨粒磨損普通型磨粒磨損：正常條件下。：正常

32、條件下。 腐蝕磨粒磨損腐蝕磨粒磨損：腐蝕介質(zhì)中。：腐蝕介質(zhì)中。 高溫磨粒磨損高溫磨粒磨損：高溫下。：高溫下。 磨粒磨損的模型與機(jī)理磨粒磨損的模型與機(jī)理 磨粒磨損簡化模型磨粒磨損簡化模型 1966年年Rabinowicz以兩體磨粒磨損為例，估以兩體磨粒磨損為例，估算出以切削作用為主的磨粒磨損量。該簡化模型假設(shè)：算出以切削作用為主的磨粒磨損量。該簡化模型假設(shè)： 磨粒磨損中的顆粒為圓錐體。磨粒磨損中的顆粒為圓錐體。 被磨材料為不產(chǎn)生任何變形的剛體。被磨材料為不產(chǎn)生任何變形的剛體。 磨損過程為滑動過程。磨損過程為滑動過程。31 經(jīng)磨粒磨損后磨損掉的材料體積，即被遷移的溝槽體經(jīng)磨粒磨損后磨損掉的材料體積

33、，即被遷移的溝槽體積積(陰影部分陰影部分)為：為：式中，式中，V磨損體積；磨損體積；r為磨粒圓錐體半徑；為磨粒圓錐體半徑；x為顆粒壓入為顆粒壓入材料的深度；材料的深度；L為滑動距離；為滑動距離；為磨粒圓錐體夾角。為磨粒圓錐體夾角。21=2=tg (65)2 Vr x Lr x Lr L 圖圖6-6 6-6 磨粒磨損的簡化模型磨粒磨損的簡化模型32 若材料的硬度若材料的硬度H等于載荷與壓痕投影面積之比，等于載荷與壓痕投影面積之比，即即H =p/r2，代入式，代入式(6-5)后可得：后可得：式中，式中，p法向載荷；法向載荷；H金屬材料的硬度。金屬材料的硬度。 上式表明，上式表明，在一定磨粒條件下，

34、磨損體積與所在一定磨粒條件下，磨損體積與所加的載荷成正比，而與材料的硬度成反比。加的載荷成正比，而與材料的硬度成反比。 磨料磨損機(jī)理磨料磨損機(jī)理 微觀切削磨損機(jī)理微觀切削磨損機(jī)理：在法向力下，磨粒壓入表：在法向力下，磨粒壓入表面；而切向力使磨粒向前推進(jìn)；磨粒如同刀具一面；而切向力使磨粒向前推進(jìn)；磨粒如同刀具一樣，在表面進(jìn)行切削而形成切屑。樣，在表面進(jìn)行切削而形成切屑。tg= (66)pLV H33 多次塑變磨損機(jī)理多次塑變磨損機(jī)理：犁溝：犁溝犁皺犁皺反復(fù)塑性變形，反復(fù)塑性變形，最后因材料產(chǎn)生加工硬化或其它強(qiáng)化作用最終剝落最后因材料產(chǎn)生加工硬化或其它強(qiáng)化作用最終剝落而成為磨屑。而成為磨屑。 微觀

35、斷裂微觀斷裂(剝落剝落)磨損機(jī)理磨損機(jī)理：磨粒與脆性材料表面：磨粒與脆性材料表面接觸時，材料表面因受到磨粒的壓入而形成裂紋，接觸時，材料表面因受到磨粒的壓入而形成裂紋，當(dāng)裂紋互相交叉或擴(kuò)展到表面上時就發(fā)生剝落形成當(dāng)裂紋互相交叉或擴(kuò)展到表面上時就發(fā)生剝落形成磨屑；斷裂機(jī)制造成的材料損失率最大。磨屑；斷裂機(jī)制造成的材料損失率最大。 疲勞磨損機(jī)理疲勞磨損機(jī)理：摩擦表面在磨粒產(chǎn)生的循環(huán)接觸：摩擦表面在磨粒產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，使表面材料因疲勞而剝落。應(yīng)力作用下，使表面材料因疲勞而剝落。 在實際磨粒磨損過程中，往往有幾種機(jī)制同時存在實際磨粒磨損過程中，往往有幾種機(jī)制同時存在，但以某一種機(jī)制為主。在，

36、但以某一種機(jī)制為主。當(dāng)工作條件發(fā)生變化時，當(dāng)工作條件發(fā)生變化時，磨損機(jī)制也隨之變化。磨損機(jī)制也隨之變化。34 磨粒磨損的影響因素磨粒磨損的影響因素 材料性能材料性能 硬度硬度：一般情況下，材料硬度越高，其抗磨粒磨一般情況下，材料硬度越高，其抗磨粒磨損能力也越高。損能力也越高。 對純金屬和各種成分未經(jīng)熱處理的鋼，耐磨性與對純金屬和各種成分未經(jīng)熱處理的鋼，耐磨性與材料的硬度成正比。材料的硬度成正比。 對經(jīng)過熱處理的鋼，其耐磨性也與硬度成線性關(guān)對經(jīng)過熱處理的鋼，其耐磨性也與硬度成線性關(guān)系，但直線的斜率比純金屬為小。系，但直線的斜率比純金屬為小。 通過塑性變形雖能使鋼材加工硬化、提高鋼的硬通過塑性變形

37、雖能使鋼材加工硬化、提高鋼的硬度，但不能改善其抗磨粒磨損的能力。度，但不能改善其抗磨粒磨損的能力。35圖圖6-7 6-7 磨粒磨損中的相對耐磨性與材料硬度的關(guān)系磨粒磨損中的相對耐磨性與材料硬度的關(guān)系(a)(a)純金屬和未熱處理鋼純金屬和未熱處理鋼 (b)(b)熱處理鋼熱處理鋼36 斷裂韌性斷裂韌性 斷裂韌性也會影響材料的磨粒磨損性能。斷裂韌性也會影響材料的磨粒磨損性能。圖圖6-8 6-8 耐磨性、硬度和斷裂韌性耐磨性、硬度和斷裂韌性的關(guān)系示意圖的關(guān)系示意圖 在在區(qū)區(qū)，磨損受斷裂過程，磨損受斷裂過程控制，故控制，故耐磨性隨斷裂韌性耐磨性隨斷裂韌性提高而增加提高而增加。 在在區(qū)區(qū)，當(dāng)硬度和斷裂韌，

38、當(dāng)硬度和斷裂韌性配合最佳時，性配合最佳時，耐磨性最高耐磨性最高。 在在區(qū)區(qū)，由于磨損受塑性，由于磨損受塑性變形控制，因而變形控制，因而耐磨性和硬耐磨性和硬度均降低度均降低。 可見，磨粒磨損抗力并不可見，磨粒磨損抗力并不唯一決定于硬度，還與材料唯一決定于硬度，還與材料的韌性有關(guān)。的韌性有關(guān)。37 顯微組織顯微組織 馬氏體的耐磨性最好馬氏體的耐磨性最好，鐵素體鐵素體因硬度太低，因硬度太低，耐耐磨性最差磨性最差。 鋼中碳化物鋼中碳化物 在在軟基體中碳化物數(shù)量增加，彌散度增加，耐軟基體中碳化物數(shù)量增加，彌散度增加，耐磨性也提高磨性也提高；但；但在硬基體在硬基體(即基體硬度與碳化物即基體硬度與碳化物硬度

39、相近硬度相近)中中，碳化物反而損害材料的耐磨性碳化物反而損害材料的耐磨性。38圖圖6-9 6-9 磨損體積與磨損體積與H H0 0/ /H H的關(guān)系的關(guān)系 磨粒性能磨粒性能 磨粒硬度磨粒硬度 磨損體積與硬度比磨損體積與硬度比H0/H(磨粒硬度磨粒硬度H0與材料硬度與材料硬度H之之比比)的關(guān)系，如圖的關(guān)系，如圖6-9所示。兩個轉(zhuǎn)折點分別為所示。兩個轉(zhuǎn)折點分別為0.7 1.1和和1.31.7。 提高材料硬度，使提高材料硬度，使H0/H下下降，磨損體積減小降，磨損體積減小。 在在區(qū)，增加材料硬度，磨區(qū)，增加材料硬度，磨損量變化不顯著。當(dāng)損量變化不顯著。當(dāng)H0/H 1.31.7后再增加材料硬度，后再增

40、加材料硬度，磨損量也不再變化。磨損量也不再變化。 要降低磨粒磨損率，必須使要降低磨粒磨損率，必須使材料的硬度高于磨粒的硬度的材料的硬度高于磨粒的硬度的1.3倍。倍。39 磨粒尺寸磨粒尺寸 在磨粒磨損過程中，磨粒在磨粒磨損過程中，磨粒大小對耐磨性的影響，存在大小對耐磨性的影響，存在一個臨界尺寸。如圖一個臨界尺寸。如圖6-10。 磨粒形狀磨粒形狀 尖銳磨粒造成的磨損量高尖銳磨粒造成的磨損量高于同樣條件下的多角型和圓于同樣條件下的多角型和圓型磨粒產(chǎn)生的磨損量。型磨粒產(chǎn)生的磨損量。 工作條件工作條件 磨損量常與載荷和滑動距磨損量常與載荷和滑動距離成線性關(guān)系。離成線性關(guān)系。圖圖6-10 6-10 磨粒尺

41、寸對不同磨粒尺寸對不同材料磨粒磨損體積的影響材料磨粒磨損體積的影響40 改善抗磨粒磨損能力的措施：改善抗磨粒磨損能力的措施： 對于以對于以切削作用力為主要機(jī)理切削作用力為主要機(jī)理的磨粒磨損，應(yīng)的磨粒磨損，應(yīng)增加材料的硬度增加材料的硬度；對以；對以塑性變形為主塑性變形為主的磨粒磨損，的磨粒磨損，應(yīng)應(yīng)提高材料的韌性提高材料的韌性。 根據(jù)機(jī)件服役條件根據(jù)機(jī)件服役條件(高應(yīng)力沖擊、無沖擊下的高應(yīng)力沖擊、無沖擊下的低應(yīng)力低應(yīng)力)，合理地選擇耐磨材料，合理地選擇耐磨材料(高錳鋼、中碳調(diào)高錳鋼、中碳調(diào)質(zhì)鋼質(zhì)鋼)。 采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，也能有效

42、地改善材料的磨粒磨損性能。硬度，也能有效地改善材料的磨粒磨損性能。41n 疲勞磨損疲勞磨損(Fatigue Wear) 概念與分類概念與分類 概念：概念： 兩個相互滾動或者滾動兼滑動的摩擦表面，在兩個相互滾動或者滾動兼滑動的摩擦表面，在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用下，由于材料表面因疲循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用下，由于材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)象，稱為疲勞磨損。落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)象，稱為疲勞磨損。 如齒輪、軸承、鋼軌與輪轂的磨損等。如齒輪、軸承、鋼軌與輪轂的磨損等。 分類：分類： 按剝落裂紋的起始位置及形態(tài)分為：按剝落

43、裂紋的起始位置及形態(tài)分為： 麻點剝落麻點剝落(點蝕點蝕)：深度在：深度在0.2mm以下的小塊以下的小塊剝落，剝落， 常呈針狀或痘狀凹坑，截面呈不對稱常呈針狀或痘狀凹坑，截面呈不對稱V形。形。42 淺層剝落淺層剝落：深度一般為：深度一般為0.20.4mm，剝塊底，剝塊底部大致和表面平行，裂紋走向與表面成銳角和垂部大致和表面平行，裂紋走向與表面成銳角和垂直。直。 深層剝落深層剝落(表面壓碎表面壓碎)：深度和表面強(qiáng)化層深度：深度和表面強(qiáng)化層深度相當(dāng)，相當(dāng)， 裂紋走向與表面垂直。裂紋走向與表面垂直。 表面接觸情況分析表面接觸情況分析 兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓應(yīng)兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)

44、生的局部壓應(yīng)力稱為力稱為接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力，也叫，也叫赫茲應(yīng)力赫茲應(yīng)力。 受接觸應(yīng)力作用的機(jī)件，按接觸面初始幾何條受接觸應(yīng)力作用的機(jī)件，按接觸面初始幾何條件不同，可分為件不同，可分為點接觸點接觸(滾珠軸承間的接觸滾珠軸承間的接觸)與與線線接觸接觸(齒輪間的接觸齒輪間的接觸)兩類。兩類。43 滾動接觸時，不論兩接觸物體是球體的點接觸還滾動接觸時，不論兩接觸物體是球體的點接觸還是圓柱體的線接觸，接觸面均為橢圓，最大壓應(yīng)力是圓柱體的線接觸，接觸面均為橢圓，最大壓應(yīng)力都發(fā)生在表面上，而最大剪應(yīng)力都發(fā)生在表面上，而最大剪應(yīng)力max發(fā)生在離表面發(fā)生在離表面一定距離一定距離Z=0.786b處處, 其中其中b為

45、接觸圓半徑。為接觸圓半徑。 因滾動接觸應(yīng)力為交變應(yīng)力，因而對接觸面上某因滾動接觸應(yīng)力為交變應(yīng)力，因而對接觸面上某一位置，其亞表層受一位置，其亞表層受0max重復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用，重復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用，應(yīng)力半幅為應(yīng)力半幅為0.5max，即為，即為(0.150.16)max。 在交變剪應(yīng)力的影響下，裂紋容易在最大剪應(yīng)力在交變剪應(yīng)力的影響下，裂紋容易在最大剪應(yīng)力處成核，并擴(kuò)展到表面而產(chǎn)生剝落，在零件表面形處成核，并擴(kuò)展到表面而產(chǎn)生剝落，在零件表面形成針狀或豆?fàn)畎伎?，造成疲勞磨損。成針狀或豆?fàn)畎伎?，造成疲勞磨損。44 疲勞磨損機(jī)理疲勞磨損機(jī)理 麻點剝落麻點剝落(點蝕點蝕) 裂紋起源于表面，剝落層深度在裂紋起源

46、于表面，剝落層深度在0.10.2mm，從表面看麻點是針狀和豆?fàn)畎伎?，截面是不對稱的從表面看麻點是針狀和豆?fàn)畎伎?，截面是不對稱的V型。型。 在滾動接觸過程中，由于表面最大綜合切應(yīng)力反在滾動接觸過程中，由于表面最大綜合切應(yīng)力反復(fù)作用在表層局部區(qū)域，若材料的抗剪屈服強(qiáng)度較復(fù)作用在表層局部區(qū)域，若材料的抗剪屈服強(qiáng)度較低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形，同時還伴有形變強(qiáng)低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形，同時還伴有形變強(qiáng)化。由于損傷逐步累積，直到表面最大綜合切應(yīng)力化。由于損傷逐步累積，直到表面最大綜合切應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度時，就在表層形成裂紋。超過材料的抗剪強(qiáng)度時，就在表層形成裂紋。 在純滾動條件下，裂紋擴(kuò)展方向與在

47、純滾動條件下，裂紋擴(kuò)展方向與max方向方向(45傾角傾角)一致。一致。45圖圖6-116-11麻點剝落形成麻點剝落形成過程示意圖過程示意圖(a)(a)初始裂紋形成初始裂紋形成(b)(b)初始裂紋擴(kuò)展初始裂紋擴(kuò)展(c)(c)二次裂紋形成二次裂紋形成(d)(d)二次裂紋擴(kuò)展二次裂紋擴(kuò)展(e)(e)形成磨屑形成磨屑(f)(f)鋸齒形表面鋸齒形表面46 淺層剝落淺層剝落 裂紋起源于亞表面，剝落層深度一般約裂紋起源于亞表面，剝落層深度一般約0.20.4 mm，它和最大剪應(yīng)力，它和最大剪應(yīng)力max所在深度所在深度0.786b相當(dāng)，相當(dāng)，其底部大致和表面平行，而其側(cè)面的一側(cè)與表面約其底部大致和表面平行，而其

48、側(cè)面的一側(cè)與表面約成成45，另一側(cè)垂直于表面。，另一側(cè)垂直于表面。 這種剝落常發(fā)生在機(jī)件表面粗糙度低、相對摩擦這種剝落常發(fā)生在機(jī)件表面粗糙度低、相對摩擦力小的場合。力小的場合。圖圖6-12 6-12 淺層剝落過程示意圖淺層剝落過程示意圖(a)(a)在在0.786b0.786b處形成交變塑性區(qū)處形成交變塑性區(qū) (b)(b)形成裂紋形成裂紋 (c)(c)裂紋擴(kuò)展剝落裂紋擴(kuò)展剝落47 深層剝落深層剝落(硬化層剝落或壓碎性剝落硬化層剝落或壓碎性剝落) 經(jīng)表面強(qiáng)化處理的零件，其疲勞磨損裂紋往往起源經(jīng)表面強(qiáng)化處理的零件，其疲勞磨損裂紋往往起源于硬化層與心部的交界處。于硬化層與心部的交界處。裂紋形成后，先平

49、行表面裂紋形成后，先平行表面擴(kuò)展，即沿過渡區(qū)擴(kuò)展，而后垂直于表面擴(kuò)展，最后擴(kuò)展，即沿過渡區(qū)擴(kuò)展，而后垂直于表面擴(kuò)展，最后形成較深的剝落坑。形成較深的剝落坑。圖圖6-13 6-13 深層剝落過程示意圖深層剝落過程示意圖(a)(a)在過渡區(qū)形成塑性變形在過渡區(qū)形成塑性變形 (b)(b)在過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋在過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋 (c)(c)形成大塊剝落形成大塊剝落48 疲勞磨損的影響因素疲勞磨損的影響因素 工作條件工作條件 載荷載荷：軸承的壽命與載荷的立方成反比。：軸承的壽命與載荷的立方成反比。 溫度溫度：溫度升高，接觸疲勞磨損加劇。：溫度升高，接觸疲勞磨損加劇。 環(huán)境環(huán)境：腐蝕介質(zhì)會加速材料的接觸疲勞磨損

50、。：腐蝕介質(zhì)會加速材料的接觸疲勞磨損。 材料性能材料性能 冶金質(zhì)量冶金質(zhì)量：減少夾雜物的含量。：減少夾雜物的含量。 表面粗糙度表面粗糙度：降低粗糙度。：降低粗糙度。 材料的硬度匹配材料的硬度匹配：兩摩擦副的硬度相近。：兩摩擦副的硬度相近。 熱處理組織熱處理組織49n 腐蝕磨損腐蝕磨損(Corrosive Wear) 概念與分類概念與分類 概念概念 摩擦過程中，金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)摩擦過程中，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，稱為腐蝕磨損。反應(yīng)而產(chǎn)生的表面損傷，稱為腐蝕磨損。 腐蝕磨損是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過腐蝕磨損是材料受腐蝕和磨損綜合作用的磨損過程程，對

51、環(huán)境、溫度、介質(zhì)、滑動速度、載荷大小及對環(huán)境、溫度、介質(zhì)、滑動速度、載荷大小及潤滑條件等極為敏感，稍有變化就可能使腐蝕磨損潤滑條件等極為敏感，稍有變化就可能使腐蝕磨損發(fā)生很大變化。發(fā)生很大變化。 分類分類 化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。50 化學(xué)腐蝕磨損化學(xué)腐蝕磨損 氧化磨損氧化磨損 氧化磨損氧化磨損是是化學(xué)氧化化學(xué)氧化和和機(jī)械磨損機(jī)械磨損兩種作用相繼進(jìn)行的兩種作用相繼進(jìn)行的過程過程。 氧化磨損的大小取決于氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度和氧氧化磨損的大小取決于氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度和氧化速度化速度。 當(dāng)材料的表面氧化膜是脆性時，由于其與基體結(jié)合強(qiáng)當(dāng)材料的表面氧化膜是脆性時，

52、由于其與基體結(jié)合強(qiáng)度較差，很容易在摩擦過程中被除去；或者由于氧化膜度較差，很容易在摩擦過程中被除去；或者由于氧化膜的生成速度低于磨損率時，所以它們的磨損量較大。的生成速度低于磨損率時，所以它們的磨損量較大。 當(dāng)氧化膜的韌性較高時，由于其與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，當(dāng)氧化膜的韌性較高時，由于其與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，或者氧化速度高于磨損率，此時氧化膜能起減摩耐磨作或者氧化速度高于磨損率，此時氧化膜能起減摩耐磨作用，氧化磨損量較小。用，氧化磨損量較小。51 特殊介質(zhì)中的化學(xué)腐蝕磨損特殊介質(zhì)中的化學(xué)腐蝕磨損 特殊介質(zhì)中的化學(xué)腐蝕磨損是指摩擦副工作在特殊介質(zhì)中的化學(xué)腐蝕磨損是指摩擦副工作在除氧以外的其它介質(zhì)中，并

53、和它們發(fā)生作用形成除氧以外的其它介質(zhì)中，并和它們發(fā)生作用形成各種不同的產(chǎn)物，又在摩擦中被除去的過程。各種不同的產(chǎn)物，又在摩擦中被除去的過程。 它的磨損過程和氧化磨損過程十分相似，腐蝕它的磨損過程和氧化磨損過程十分相似，腐蝕與磨損相互加速，從而使材料的磨損速度較大。與磨損相互加速，從而使材料的磨損速度較大。若形成保護(hù)膜，則可使腐蝕磨損速度減小。若形成保護(hù)膜，則可使腐蝕磨損速度減小。52 電化學(xué)腐蝕磨損電化學(xué)腐蝕磨損 按材料腐蝕磨損產(chǎn)物被機(jī)械或腐蝕去除的特點，按材料腐蝕磨損產(chǎn)物被機(jī)械或腐蝕去除的特點， 可分為：可分為： 均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損：先腐蝕形成產(chǎn)物：先腐蝕形成產(chǎn)

54、物膜、機(jī)械去除、再腐蝕、再去除。膜、機(jī)械去除、再腐蝕、再去除。 非均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損非均勻腐蝕條件下的腐蝕磨損：因晶間腐蝕、：因晶間腐蝕、電偶腐蝕而加速材料的腐蝕磨損。電偶腐蝕而加速材料的腐蝕磨損。 其影響因素，主要是來自于：其影響因素，主要是來自于： 環(huán)境方面環(huán)境方面：pH值、濃度、溫度、載荷、速度等。值、濃度、溫度、載荷、速度等。 材料方面材料方面：成分、組織和性能等。：成分、組織和性能等。53n 沖蝕磨損沖蝕磨損(Erosion或或Erosive Wear) 概念與分類概念與分類 沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度沖蝕磨損是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行

55、沖擊所造成的磨損。對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。顆粒大小一般小顆粒大小一般小于于1000m，沖擊速度在，沖擊速度在550m/s以內(nèi)。以內(nèi)。沖蝕類型沖蝕類型介質(zhì)介質(zhì)第二相第二相破壞實例破壞實例氣固沖蝕磨損氣體固體粒子燃汽輪機(jī)、鍋爐管道液滴沖蝕磨損氣體液滴(雨滴、水滴) 高速飛行器、汽輪機(jī)葉片流體沖蝕磨損液體固體粒子水輪機(jī)葉片、泥漿泵輪氣蝕磨損液體氣泡水輪機(jī)葉片、高壓閥門密封面表表6-1 6-1 沖蝕磨損的分類沖蝕磨損的分類54 磨損機(jī)理磨損機(jī)理 切削磨損理論切削磨損理論：磨粒就如一把微型刀具，當(dāng)它劃過：磨粒就如一把微型刀具，當(dāng)它劃過材料表面時把材料切除而產(chǎn)生磨損。材料表面時把材料切除而產(chǎn)生磨損

56、。 斷裂磨損理論斷裂磨損理論：脆性材料在磨粒沖擊下幾乎不產(chǎn)生：脆性材料在磨粒沖擊下幾乎不產(chǎn)生變形，但會在材料表面存在缺陷的地方產(chǎn)生裂紋，裂紋變形，但會在材料表面存在缺陷的地方產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展而形成碎片、發(fā)生剝落。不斷擴(kuò)展而形成碎片、發(fā)生剝落。 變形磨損理論變形磨損理論：在磨粒的反復(fù)沖擊產(chǎn)生下，材料發(fā)：在磨粒的反復(fù)沖擊產(chǎn)生下，材料發(fā)生加工硬化、提高了材料的彈性極限，直到應(yīng)力超過材生加工硬化、提高了材料的彈性極限，直到應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度形成裂紋，并很容易地被隨后沖擊的磨粒沖掉。料的強(qiáng)度形成裂紋，并很容易地被隨后沖擊的磨粒沖掉。 薄片剝落磨損理論薄片剝落磨損理論：因磨粒的不斷沖擊，使材料的：因

57、磨粒的不斷沖擊，使材料的表面不斷受到前推后擠的作用，于是產(chǎn)生小的、薄的、表面不斷受到前推后擠的作用，于是產(chǎn)生小的、薄的、高度變形的薄片。在反復(fù)的沖擊和擠壓變形作用下，靶高度變形的薄片。在反復(fù)的沖擊和擠壓變形作用下，靶材表面形成的薄片將從材料表面上剝落下來。材表面形成的薄片將從材料表面上剝落下來。55 影響因素影響因素 磨粒特性磨粒特性：磨粒越硬，沖蝕磨損量越大；多角形：磨粒越硬，沖蝕磨損量越大；多角形磨粒比圓形磨粒的磨損率大磨粒比圓形磨粒的磨損率大4倍。材料的磨損率隨倍。材料的磨損率隨磨粒尺寸的增大而上升，但超過臨界值后磨損率變磨粒尺寸的增大而上升，但超過臨界值后磨損率變化緩慢?；徛?。 沖蝕

58、速度沖蝕速度：磨損率約與磨粒速度的：磨損率約與磨粒速度的23次方成正次方成正比。比。 硬度硬度：材料的硬度越高，抗沖蝕磨損的性能越好。：材料的硬度越高，抗沖蝕磨損的性能越好。 材料組織材料組織：組織不同，抗沖蝕磨損的性能也不一：組織不同，抗沖蝕磨損的性能也不一樣。樣。56n 微動磨損微動磨損(Fretting Wear) 概念與特點概念與特點 在機(jī)械設(shè)備中，常常由于機(jī)械振動引起一些緊在機(jī)械設(shè)備中，常常由于機(jī)械振動引起一些緊密配合的零件接觸表面間產(chǎn)生很小振幅的相對振動，密配合的零件接觸表面間產(chǎn)生很小振幅的相對振動，由此而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損。由此而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損。 微動磨損的振幅小，滑

59、動的相對速度較低，因微動磨損的振幅小，滑動的相對速度較低，因而磨損也是輕微的。而磨損也是輕微的。 微動磨損的機(jī)理微動磨損的機(jī)理 早期理論早期理論：隨循環(huán)次數(shù)的變化，微動磨損分為：隨循環(huán)次數(shù)的變化，微動磨損分為粘著磨損階段；磨粒磨損階段；加工硬化階段和穩(wěn)粘著磨損階段；磨粒磨損階段；加工硬化階段和穩(wěn)定磨損階段定磨損階段四個階段四個階段。57圖圖6-14 6-14 微動磨損的微動磨損的發(fā)生與發(fā)展過程發(fā)生與發(fā)展過程(a)(a)微凸體粘著，磨屑產(chǎn)生并微凸體粘著，磨屑產(chǎn)生并積存積存(b)(b)由粘著變成磨粒磨損，磨由粘著變成磨粒磨損，磨損面積擴(kuò)大損面積擴(kuò)大(c)(c)磨屑溢出到鄰近低洼區(qū)磨屑溢出到鄰近低洼

60、區(qū)(d)(d)在中心區(qū)形成弧形凹坑在中心區(qū)形成弧形凹坑58 哈立克哈立克(Hurricks)理論理論：微動磨損是：微動磨損是粘合、磨粘合、磨料、腐蝕和表面疲勞的復(fù)合磨損過程料、腐蝕和表面疲勞的復(fù)合磨損過程，包括三個階，包括三個階段：金屬之間的粘著和轉(zhuǎn)移；由于力學(xué)和化學(xué)作用段：金屬之間的粘著和轉(zhuǎn)移；由于力學(xué)和化學(xué)作用產(chǎn)生磨屑；由于疲勞而持續(xù)不斷地產(chǎn)生磨屑。產(chǎn)生磨屑；由于疲勞而持續(xù)不斷地產(chǎn)生磨屑。 沃特豪斯沃特豪斯(Waterhouse)理論理論 在微動磨損的早期發(fā)生粘著和焊合，導(dǎo)致材料被在微動磨損的早期發(fā)生粘著和焊合，導(dǎo)致材料被拔起并凸出于原來的表面。拔起并凸出于原來的表面。 在隨后的磨損過程中