材料的磨損與接觸疲勞解析課件

1、第八章 材料的磨損和接觸疲勞8.1 摩擦與磨損的基本概念8.2 磨損機(jī)制及提高磨損抗力的因素8.4 接觸疲勞8.5 非金屬材料的磨損性能第1頁，共23頁。相互接觸的機(jī)械部件之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程中必然出現(xiàn)摩擦，產(chǎn)生發(fā)熱和磨損。這不僅降低電力的利用效率，長(zhǎng)期的磨損還將導(dǎo)致機(jī)械部件的精度下降，甚至報(bào)廢。大約80%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)件的耐磨性，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。本章重點(diǎn)討論機(jī)件中常見的磨損形式，介紹其機(jī)理和影響磨損速率的因素，并從材料學(xué)角度研究控制磨損的途徑。前 言第2頁，共23頁。8.1 摩擦與磨損一、摩擦及類型：摩擦：兩個(gè)相互接觸的

2、物體或物體與介質(zhì)之間在外力作用下，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用。摩擦靜摩擦動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦根據(jù)潤(rùn)滑狀態(tài)分：液體摩擦、半液體摩擦、境界摩擦、干摩擦第3頁，共23頁。二、磨損及類型磨損：當(dāng)兩個(gè)物體沿接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生摩擦，引起物體表面層的物理、化學(xué)、機(jī)械性能的變化，并因此出現(xiàn)幾何形狀、尺寸及物體質(zhì)量的變化過程。摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的必然結(jié)果。磨損的影響因素： 摩擦副材料、潤(rùn)滑條件、加載方式和大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)性（方式和速度）以及工作溫度。第4頁，共23頁。磨損的類型(按照磨損的破壞機(jī)制來分）： 氧化磨損；黏著磨損(咬合磨損、熱磨損）；磨粒磨損

3、；微動(dòng)磨損；表面疲勞磨損(接觸疲勞)。磨損類型并非固定不變，在不同的外部條件和材料具有不同特性情況下，損傷機(jī)制會(huì)由一種損傷機(jī)制變成另一種損傷機(jī)制。第5頁，共23頁。磨損形式隨滑動(dòng)速度和載荷的變化第6頁，共23頁。三、耐磨性耐磨性是材料抵抗磨損的力學(xué)性能指標(biāo)，用磨損量來表示。(1) 跑合階段 ：磨損速率不斷減小。(3) 劇烈磨損階段 ：磨損重新加劇，機(jī)件快速失效。 (2) 穩(wěn)定磨損階段：材料的耐磨性能由該段經(jīng)歷的時(shí)間、磨損速率或磨損量來評(píng)定。大多數(shù)工件均在此階段服役，磨合得越好，該段磨損速率就越低。 磨損曲線（磨損量時(shí)間曲線）：第7頁，共23頁。磨損量可以有幾種表示方法：（1）線磨損量即機(jī)件摩擦

4、表面的法線方向的尺寸減少量。（2）體積磨損或質(zhì)量磨損即機(jī)件體積或質(zhì)量的損失量。耐磨性也可由磨損量倒數(shù)來表示；也可由相對(duì)耐磨性表示：第8頁，共23頁。一、氧化磨損大氣中的機(jī)件表面總有一層氧的吸附層，當(dāng)摩擦副作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成了氧化膜。氧化腐蝕過程：由于形成的氧化膜強(qiáng)度低，在摩擦副繼續(xù)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，發(fā)生氧化，隨后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面逐漸被磨損。氧化磨損具有最小的磨損速率，生產(chǎn)上可以允許該磨損的存在。8.2 磨損機(jī)制及提高磨損抗力的因素

5、第9頁，共23頁。二、咬合磨損（黏著磨損、粘著磨損）其過程：粘著剪斷轉(zhuǎn)移再粘著定義：只發(fā)生在滑動(dòng)摩擦條件下，零件表面缺乏潤(rùn)滑和無氧化膜，摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度較?。ㄤ撔∮?m/s），而單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。咬合磨損的速率較大。第10頁，共23頁。減輕咬合磨損的主要措施：(1) 摩擦副配對(duì)材料的選擇 基本原則是配對(duì)材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對(duì)，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對(duì)。(2) 降低表面粗糙度，增加真實(shí)接觸面積，減少凸起接觸點(diǎn)處所受壓力。(3) 設(shè)計(jì)時(shí)摩擦副一方承受的壓強(qiáng)不超過所選材料硬度的1/3。(4) 表面化學(xué)

6、熱處理改變材料表面狀態(tài)，如進(jìn)行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。第11頁，共23頁。三、磨粒磨損 又稱磨料磨損或研磨磨損，是指滑動(dòng)摩擦?xí)r，當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種磨損。主要特征： 摩擦面上有明顯梨溝第12頁，共23頁。(1) 若是低應(yīng)力磨粒磨損，則應(yīng)設(shè)法提高表面硬度；(2) 若遇重載荷，甚至大沖擊載荷下磨損，則基體材料組織最好是高硬度、良好韌性的貝氏體；(3) 就合金鋼而言，控制和改變碳化物數(shù)量、分布、形態(tài)對(duì)提高抗磨粒磨損能力起著決定性影響；(4) 對(duì)于經(jīng)滲碳、碳氮共滲等提高表面硬度的機(jī)件，應(yīng)經(jīng)常對(duì)機(jī)件、潤(rùn)滑油進(jìn)行防塵、過濾；(5) 確定材料硬

7、度時(shí)，應(yīng)以Hm1.3 Ha(Hm為摩擦副材料硬度，Ha為磨粒硬度)為依據(jù)。減輕磨粒磨損的主要措施：第13頁，共23頁。8.4 接觸疲勞接觸疲勞的宏觀形態(tài)特征：接觸面出現(xiàn)許多深淺不均勻的針狀或點(diǎn)狀凹坑或較大面積的表面壓碎。一、定義：對(duì)于軸承和齒輪機(jī)件，在表面交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，接觸表面局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落，導(dǎo)致機(jī)件疲勞損傷的現(xiàn)象。又稱疲勞磨損、麻點(diǎn)、點(diǎn)蝕。第14頁，共23頁。接觸疲勞過程：裂紋的成核（所占時(shí)間長(zhǎng)）裂紋擴(kuò)展接觸疲勞裂紋的形成由反復(fù)塑性變形所致，裂紋的不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的表層剝落。根據(jù)剝落坑外形特征，接觸疲勞失效可分為：麻點(diǎn)剝落、淺層剝落和硬化層剝落。二、接觸疲勞的

8、類型第15頁，共23頁。剝落深度在0.2mm 以下的小塊剝落稱為點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕外觀為針狀或點(diǎn)狀凹坑，截面呈不對(duì)稱V形。 (1)麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）麻點(diǎn)剝落形成過程示意圖(a) 初始裂紋形成；(b) 初始裂紋擴(kuò)展；(c) 二次裂紋形成；(d) 二次裂紋擴(kuò)展；(e) 形成磨屑；(f) 鋸齒形表面第16頁，共23頁。剝落深度為0.2-0.4mm，剝塊底部大致和表面平行，而且側(cè)面的一側(cè)與表面成銳角，另一側(cè)與表面垂直。淺層剝落裂紋產(chǎn)生于亞表層，在純滾動(dòng)或摩擦力很小的情況下，亞表層承受更大的切應(yīng)力，產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)位錯(cuò)和空位，并逐步發(fā)展形成裂紋。裂紋沿與表面平行的方向擴(kuò)展，在應(yīng)力集中處（夾雜物）產(chǎn)生二次裂紋，沿

9、與表面成銳角的方向擴(kuò)展至表面，在另一端形成懸臂梁，在反復(fù)彎曲作用下發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。(2)淺層剝落第17頁，共23頁。剝落坑深度大于0.4mm，剝塊大。初始裂紋一般發(fā)生在機(jī)件表面硬化層的過渡區(qū)，裂紋形成后先沿平行于表面擴(kuò)展，然后沿過渡區(qū)擴(kuò)展，而后垂直于表面擴(kuò)展，最終造成大塊剝落。 (3)硬化層（深層）剝落第18頁，共23頁。三、影響接觸疲勞抗力的因素1、內(nèi)部因素（1）冶金質(zhì)量 非金屬夾雜物如氧化物、硅酸鹽降低接觸疲勞壽命。采用電渣重溶、真空冶煉等可以降低非金屬夾雜物。（2）熱處理和組織結(jié)構(gòu) 熱處理主要提高強(qiáng)度和硬度，材料的抗拉強(qiáng)度越高，其變形與斷裂抗力越大，所以接觸疲勞壽命大。（3）

10、表面硬度和心部硬度 在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞強(qiáng)度隨硬度升高而增大，但是如果表面硬度太大，在表面層下的硬度梯度過大，則容易在過渡區(qū)產(chǎn)生深層剝落。（4）殘余應(yīng)力 在滲碳層中的一定范圍內(nèi)存在殘余壓應(yīng)力，可以提高接觸疲勞壽命。第19頁，共23頁。（1）表面粗糙度和接觸精度 降低表面缺陷和粗糙度，提高接觸精度，可以有效提高接觸疲勞壽命。（2）硬度匹配 如減速器中小齒輪與大齒輪的硬度比保持在1.41.7 的匹配關(guān)系，可提高接觸疲勞壽命。（3）潤(rùn)滑 良好的潤(rùn)滑和裝配質(zhì)量等可以提高接觸疲勞壽命。2、外部因素第20頁，共23頁。8.5 非金屬材料的磨損性能（1） 陶瓷材料陶瓷材料的耐磨性遠(yuǎn)高于金屬，而且在高溫、腐蝕環(huán)境下更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。陶瓷的摩擦磨損行為對(duì)表面狀態(tài)極為敏感；陶瓷材料的抗沖蝕性能不僅與組分純度有關(guān)，而且