材料力學性能第6章-材料的磨損性能

第六章材料的磨損性能了解磨損方式和材料磨損的本質(zhì)及其影響因素，熟習磨損機理，掌握控制磨損的方法和提高材料耐磨性的途徑。主要內(nèi)容:磨損的基本概念及類型；磨損過程；耐磨性及其測量方法；提高材料耐磨性的途徑。重點：概念（摩擦、磨損、粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞、耐磨性)；提高材料耐磨損性的途徑難點：三種磨損產(chǎn)生的條件、磨損過程和表面損傷形貌；金屬接觸疲勞的三種機理十五863子課題驗收匯報前言任何機器運轉(zhuǎn)時，相互接觸的零件之間都將因相對運動而產(chǎn)生摩擦，而磨損正是由于摩擦產(chǎn)生的結(jié)果。由于磨損，將造成表層材料的損耗，零件尺寸發(fā)生變化，直接影響了零件的使用壽命。還增加能耗，產(chǎn)生噪音、振動，造成環(huán)境污染。十五863子課題驗收匯報第一節(jié)磨損的基本概念及類型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，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦。這種阻礙相對運動的阻力稱為摩擦力。一、摩擦與磨損的概念

1．摩擦

2．磨損磨損概念:是在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。靜強度理論基本適合于磨損過程分析。磨損的動態(tài)特征有二：①反復進行局部變形和斷裂；②材料表層經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)。因而，常規(guī)力學性能研究方法不一定實用于材料耐磨損性。十五863子課題驗收匯報機件正常運行的磨損過程如圖6-1所示，一般分3個階段，曲線上的各點斜率即為磨損速率。6.1磨損量與時間的關(guān)系示意圖(磨損曲線）跑合(磨合)階段（OA段）隨著表面被磨平，實際接觸面積不斷增大，表面應變硬化，磨損速度不斷減少。（汽車磨合期）表層形成牢固的氧化膜，磨損速率降低。十五863子課題驗收匯報(2)穩(wěn)定磨損階段（AB段）斜率為磨損速率，為一穩(wěn)定值。實驗室的磨損實驗就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時間t的磨損速率或磨損量來評價材料的耐磨性能。大多數(shù)工件在此階段運轉(zhuǎn)，如磨合得好，該段磨損速度就越低。(3)劇烈磨損階段（BC段）磨損↗，磨耗↗，摩擦副接觸表面間隙↗，機械表面質(zhì)量惡化，潤滑膜破壞，磨損更新加劇，機件快速失效。十五863子課題驗收匯報二、磨損的基本類型根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式，可分4類：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損及麻點疲勞磨損(接觸疲勞)等。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，損傷機制會發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。如圖6-2。十五863子課題驗收匯報（1）概念：粘著磨損又稱咬合磨損，是因兩種材料表面某些接觸點局部壓應力超過該處材料屈服強度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。（2）發(fā)生的條件：①摩擦副相對滑動速度小；②接觸面氧化膜脆弱；③潤滑條件差；④接觸應力大的滑動摩擦。

第二節(jié)磨損過程粘著磨損（3）磨損表面特征：機件表面有大小不等的結(jié)疤，如圖6-3所示。（4）粘著磨損過程：是粘著點不斷形成又不斷被破壞并脫落的過程。粘著（低溫冷焊，而高溫直接焊接）→剪切→脫落→再粘著不斷破壞并脫落的過程。十五863子課題驗收匯報①粘著點結(jié)合強度低于兩側(cè)材料沿接觸面剪斷，磨損量較小，摩擦面顯得較平滑，只有輕微擦傷。錫基合金與鋼的滑動屬此類型。②粘著點結(jié)合強度高于兩側(cè)材料分離面便發(fā)生在強度較弱的材料上，被剪斷的材料將轉(zhuǎn)移到強度較高的材料上。軟材料表面根據(jù)粘著點與兩側(cè)材料強度的差異，粘著剪斷可出現(xiàn)以下兩種形式：微小凹坑硬材料表面微小凸起軟材料→硬材料表面and積累變成同種材料如鉛基合金軸瓦與鋼軸之間的滑動粘結(jié)磨損就屬這種情況。十五863子課題驗收匯報式中：Hv為軟材料硬度，HV≈3σsc；V’為接觸點半球體積；N為接觸點數(shù)

。阿查得(J．F．Archard)提出了估算粘著磨損量的方法，其粘著磨損模型如圖6-4所示:

實際相對滑動中，軟材料上被拉拽出半球的幾率為K，則滑動一段距離L后，總拉拽出磨損量W可表示為：設(shè)在法向力P作用下，摩擦面上有n個微凸體接觸粘著，每個粘著點均為直徑d的球體，磨損只發(fā)生在下半球的軟材料上。十五863子課題驗收匯報上式表明，粘著磨損量與接觸壓力p、滑動距離L成正比，與材料硬度值成反比。式中K值稱為粘著磨損系數(shù)，反映配對材料粘著力大小，決定于摩擦條件和摩擦副材料。當壓力p不超過摩擦副材料硬度值的1/3時，實驗證實該式反映的規(guī)律是正確的。但壓力超過鋼的屈服強度后，K值↑↑，磨損量也↑↑，造成大面積的焊合和咬死，整個接觸表面發(fā)生塑性變形，接觸面積不再與載荷成正比。鋼的K-p曲線見圖6-5。十五863子課題驗收匯報磨粒磨損又稱磨料磨損或研磨磨損，是摩擦副的一方表面存在堅硬的細微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子(從外界進入或從表面剝落)時產(chǎn)生的磨損。前者稱兩體磨粒磨損，如銼削過程；后者稱三體磨粒磨損，如拋光過程。二、磨粒磨損依據(jù)磨粒受的應力大小分類:磨粒磨損鑿削式高應力碾碎式低應力擦傷式十五863子課題驗收匯報溝槽可能是因磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。法向力摩擦副表面作用力切向力壓痕推動磨粒前進只有磨粒形狀與位向適當時，被推進的磨粒才似刀具切削表面，切痕長而淺。多數(shù)情況摩擦表面受剪切、犁皺或切削綜合作用。磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽.如圖6-6示。十五863子課題驗收匯報切削作用的磨粒磨損模型如圖6-7示:

被切削下來的軟材料體積(圖6-7中陰影線部分)，即為磨損量W，可表示為W＝r2Ltanθ(6-5)。將式(6-4)代人式(6-5)得：(6-6)十五863子課題驗收匯報三、接觸疲勞接觸疲勞概念:兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，交變接觸壓應力長期作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落，而使材料磨損的現(xiàn)象，故又稱表面疲勞磨損或麻點磨損，是齒輪、滾動軸承等工件常見的磨損失效形式。接觸疲勞的宏觀形態(tài)特征是：接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑)，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡，如圖6-11所示。1．現(xiàn)象與特征十五863子課題驗收匯報根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的差異將接觸疲勞分為：

接觸疲勞破壞麻點剝落(點蝕)淺層剝落深層剝落(表面壓碎)深度在0.1～0.2mm的小塊剝落稱點蝕，剝塊形狀為不對稱V型針狀或痘狀凹坑。淺層剝落深度一般為0.2～0.4mm，剝塊底部大致與表面平行，裂紋沿與表面成銳角或直角擴展。深層剝落深度與表面強化層深相當(>0.4mm)，剝落時裂紋垂直于表面擴展。發(fā)生在兼有滾動和滑動純滾動或摩擦很小表面強化層深度不夠十五863子課題驗收匯報第三節(jié)耐磨性及其測量方法耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一個明確的統(tǒng)一指標，通常用磨損量表示。磨損量愈小，耐磨性愈高。磨損量的測量有稱重法和尺寸法兩種：稱重法是用精密分析天平稱量試樣試驗前后的質(zhì)量變化確定磨損量。尺寸法是根據(jù)表面法向尺寸在試驗前后的變化確定磨損量。有時還測量比磨損量：單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量一、材料的耐磨性十五863子課題驗收匯報常用磨損量的倒數(shù)或用相對耐磨性(ε)表征材料的耐磨性亦稱磨損系數(shù)。二、磨損試驗方法磨損試驗方法實物試驗實驗室試驗條件與實際情況一致或接近。結(jié)果可靠性高，但實驗周期長，單因素的影響難以掌握。周期短、成本低、易于控制各種影響因素等優(yōu)點，但結(jié)果常不能直接反映實際情況，多用于研究性試驗，研究單個因素的影響規(guī)律及探討磨損機制。研究重要機件的耐磨性時，往往要兼用這兩種方法。十五863子課題驗收匯報第四節(jié)提高材料耐磨性的途徑磨損是造成材料損耗的主要原因，也是機件3種主要失效形式(磨損、腐蝕、斷裂)之一。提高摩擦副表面的強度(或硬度)及韌性，可望提高耐磨性。

一、減輕粘著磨損的主要措施1）合理選擇摩擦副材料粘著互溶性小的材料配對，如非同種或晶格類型、電子密度、電化學性質(zhì)相差較遠的多相或化合物材料；強度不易塑變的材料。2）避免或阻止兩摩擦副間直接接觸3）表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝十五863子課題驗收匯報二、減輕磨粒磨損的主要措施1）若是低應力磨粒磨損，則應設(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）控制和改變碳化物數(shù)量、分布、形態(tài)對提高抗磨粒磨損能力起著決定性影響。4）對于經(jīng)滲碳、碳氮共滲等提高表面硬度的機件，應經(jīng)常對機件、潤滑油進行防塵、過濾，以減輕磨粒磨損量。5）確定材料硬度時，應以Hm＝1.3Ha(Hm為摩擦副材料硬度，Ha為磨粒硬度)為依據(jù)。6）單相組織的高錳鋼[w(C)＝1.0％～1.3％，w(Mn)＝11％-14％]因其有很高的加工硬化能力，是公認的理想抗鑿削磨損材料。

十五863子課題驗收匯報三、提高接觸疲勞抗力的措施1）工藝:采用真空電弧冶煉和電渣重熔等工藝提供優(yōu)質(zhì)純凈的材料；或鋼中含有適量塑性硫化物夾雜，能將脆性氧化物夾雜包住形成共生夾雜物，降低氧化物的破壞作用，于提高材料接觸疲勞抗力有益。2）組織1:對軸承鋼接觸疲勞性能的研究表明，未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，馬氏體含碳量在0.4％～0.5％左右時，接觸疲勞抗力、壽命最高。3）組織2:在基體為馬氏體的組織中，減小碳化物粒度并使之呈球狀均勻分布，使基體中馬氏體、殘余奧氏體和未溶碳化物量之間有最佳匹配，可最大限度地提高接觸疲勞抗力。十五863子課題驗收匯報4）材料表面硬度可部分地反映材料抗塑變能力及剪切強度的高低，因此對材料表面硬度應有最佳要求，同時還要考慮心部硬度和足夠的硬化層深度，使表層材料硬度變化不要太陡。5）合理選擇表面硬化工藝，在一定深度范圍內(nèi)保存殘余壓應力，于提高接觸疲勞抗力極有利。6）改善接觸配對副的表面狀態(tài)，減少冷熱加工缺陷，降低表面粗糙度，降低摩擦系數(shù)，也是有效的措施。十五863子課題驗收匯報四、非金屬材料的磨損特性

1)陶瓷的摩擦磨損行為對表面狀態(tài)極為敏感。2)陶瓷材料抗沖蝕性能不僅與組分純度有關(guān)，還與其制備工藝密切相關(guān)。優(yōu)點:1)抗劃傷能力(柔性大,硬度小)2)聚合物對磨粒具有良好的適應性、就范性和埋嵌性。3)高彈性又可在接觸表面產(chǎn)生變形而不發(fā)生切削犁溝式損傷4)就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優(yōu)于金屬與金屬配對的摩擦副。陶瓷聚合物十五863子課題驗收匯報缺點:摩擦熱使聚合物有顯著的蠕變現(xiàn)象影響因素:載荷、速度、環(huán)境、接觸精度等減小摩擦的措施:液體潤滑劑;聚合物中加入二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等作潤滑填料;某些情況，塑料對塑料的摩擦系數(shù)比金屬對塑料低.如聚四氟乙烯對聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)幾乎是所有固體摩擦副中最低的。

十五863子課題驗收匯報塑料的熱膨脹系數(shù)約比金屬的大10倍，因此塑料軸承與鋼座配合時，應視具體服役條件，仔細考慮合適的轉(zhuǎn)動間隙，以避免非正常失效。以聚合物(多用聚乙烯——PTFE)為基體纖維增強的復合材料，比任何半晶化聚合物的抗磨損性能都好得多。作業(yè)P122:1、2、3十五863子課題驗收匯報隨堂練習題一真空題1機件正常運行的磨損過程一般分

、

和

3個階段。2根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式可分

、

、

及

4類。3磨粒磨損是摩擦副的一方表面存在堅硬的

或在接觸面間存在

時產(chǎn)生的磨損。4磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有

或因明顯犁皺形成的

。二判斷題1磨損類型隨著滑動速度的加快而變化：粘著磨損→氧化磨損→粘著磨損。2就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優(yōu)于金屬與金屬配對的摩擦副。3鉛基合金軸瓦與鋼軸之間滑動粘結(jié)磨損的分離面便發(fā)生在強度較弱的材料上，被剪斷的材料