金屬的磨損與接觸疲勞

金屬的磨損與接觸疲勞第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日2/34一、磨損的過程

跑合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。圖7-1磨損量與時(shí)間的關(guān)系示意圖(磨損曲線)第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日3/34二、耐磨性

耐磨性是材料抵抗磨損的性能。通常用磨損量來表示材料的耐磨性，磨損量越小，耐磨性越高。

1、磨損量

(1)線磨損：試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小。

(2)體積磨損：試樣體積減小。

(3)質(zhì)量磨損：試樣的質(zhì)量損失。

(4)比磨損量：磨損量／(摩擦距離·壓力)。

2、耐磨性：1／磨損量。第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日4/343、相對(duì)耐磨性4、磨損系數(shù)：1/ε。

第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日5/34

按磨損機(jī)理分為：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損(接觸疲勞)、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損。一、粘著磨損(咬合磨損)1、定義：相接觸的兩種材料由于表面某些接觸點(diǎn)局部正壓力超過該處的屈服強(qiáng)度以致發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損?！?.2磨損的類型第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日6/342、產(chǎn)生機(jī)理滑動(dòng)摩擦條件下，摩擦副雙方接觸時(shí)，局部突起的表面在壓載荷下因應(yīng)力較高引起塑性變形，使表面氧化膜、潤(rùn)滑膜破裂暴露出新鮮、潔凈表面，接觸面間原子間距極小，產(chǎn)生原子間的鍵合作用，即冷焊(粘著)。繼續(xù)滑動(dòng)中，粘著點(diǎn)受剪切應(yīng)力被剪斷→轉(zhuǎn)移脫落→形成磨屑；該過程反復(fù)進(jìn)行→粘著磨損。第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日7/34圖7-2粘著磨損表面形貌

摩擦副一方金屬表面常粘附一層很薄的轉(zhuǎn)移膜，并伴有化學(xué)成分變化→判斷粘著磨損的主要特征。圖7-3粘著磨損過程示意圖第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日8/34

(1)粘著點(diǎn)強(qiáng)度比一方金屬強(qiáng)時(shí)磨損量大，表面較粗糙，甚至產(chǎn)生咬死。

(2)粘著點(diǎn)強(qiáng)度比雙方金屬都低時(shí)，磨損量小，摩擦面較平滑。

(3)粘著點(diǎn)比雙方金屬都高時(shí)，剪斷可發(fā)生在摩擦金屬的任何一方，較軟金屬的磨損量大。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日9/34

3、磨損量的估算粘著磨損量正比于法向載荷F，滑動(dòng)距離L，(軟材料壓縮屈服強(qiáng)度或硬度)。

4、磨損表面特征：大小不等的結(jié)疤。第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日10/34

5、影響粘著磨損的因素P142

材料特性、法向力、滑動(dòng)速度及溫度。

6、改善粘著磨損耐磨性的措施

(1)選擇合適的摩擦副材料強(qiáng)、硬度高則不易粘著；互溶性小的材料不易粘著：晶格類型不同、晶格間距相差大、電化學(xué)性質(zhì)相差大的材料組成摩擦件，粘著傾向小。第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日11/34

(2)避免或阻止摩擦副(原子)間直接接觸使用潤(rùn)滑劑，改善表面潤(rùn)滑條件；增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；表面化學(xué)熱處理。

(3)降低表面粗糙度；但并非越光滑越好，需要考慮潤(rùn)滑劑儲(chǔ)存。

(4)減小摩擦滑動(dòng)速度，降低接觸壓應(yīng)力。第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日12/34

二、磨粒磨損(磨料磨損，研磨磨損)1、定義當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起，或在接觸面之間存在著硬粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種磨損。前者稱兩體磨粒磨損，后者稱三體磨粒磨損。微觀斷裂。第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日13/34圖7-4兩體和三體磨粒磨損第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日14/342、機(jī)理由于一方的硬度比另一方大得多，或存在硬質(zhì)粒子，對(duì)材料的創(chuàng)槽作用而損耗。具體機(jī)制：切削作用；塑性變形；疲勞破壞；脆性斷裂。圓鈍的磨?；虿牧纤苄暂^高時(shí)：首先形成犁溝但并不剝落(應(yīng)力集中小，不易產(chǎn)生裂紋)。經(jīng)反復(fù)、多次塑性變形后形成裂紋，最終剝落。尖銳的磨?；虿牧洗嘈暂^高時(shí)，直接產(chǎn)生切削、剝落，留下犁溝。第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日15/34

3、磨損量的估算圖7-5磨粒磨損示意圖第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日16/34

4、磨粒磨損表面特征：犁溝、擦傷。圖7-3磨粒磨損表面形貌第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日17/34

5、降低磨粒磨損的措施

(1)影響因素材料硬度高，磨損量小，耐磨性高；但過高反而不利——韌度低還與材料的韌性有關(guān)。耐磨性與硬度、斷裂韌度之間的關(guān)系(教材圖7-8和7-9)(2)改善磨粒磨損的措施(P147)第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日18/34圖7-4耐磨性、硬度與斷裂韌性關(guān)系圖7-5磨損體積與硬度比(磨粒硬度與材料硬度之比)的關(guān)系第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日19/34

實(shí)物試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類。

(1)磨損試驗(yàn)結(jié)果分散度很大，一般試驗(yàn)要有4~5對(duì)摩擦副，數(shù)據(jù)分散度大時(shí)還應(yīng)增加。

(2)一般取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。分散度大時(shí)需要用均方根值。

(3)同一材料采用不同的磨損試驗(yàn)方法，結(jié)果往往不同，甚至是顛倒的?！?.3磨損試驗(yàn)方法第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日20/34

(4)采用稱量法或測(cè)長(zhǎng)法確定磨損量。

稱量法采用分析天平測(cè)定試樣磨損前后的質(zhì)量變化；測(cè)長(zhǎng)法采用測(cè)微尺測(cè)量摩擦表面法線方向的尺寸變化。稱量法用于磨損量在10-2g以上時(shí)才有較好結(jié)果。測(cè)長(zhǎng)法用于磨損量較大、稱量法難于實(shí)現(xiàn)的情況。第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日21/34一、概念

1、定義接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，工件表面在交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用后所引起的一種局部區(qū)域發(fā)生小片(塊)狀剝落的表面疲勞損傷現(xiàn)象，稱接觸疲勞(表面疲勞磨損、疲勞磨損)

接觸形式：線接觸和點(diǎn)接觸?！?.4金屬的接觸疲勞第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日22/342、接觸疲勞宏觀特征小痘狀、貝殼狀或其它不規(guī)則狀凹坑。圖7-6接觸疲勞表面形貌第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日23/343、接觸疲勞破壞的分類

接觸疲勞包括裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段，并且裂紋形成占據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)，而裂紋擴(kuò)展所占據(jù)的時(shí)間很短。麻點(diǎn)剝落(點(diǎn)蝕)、淺層剝落、深層剝落(表面壓碎)。第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日24/344、接觸疲勞損傷過程金屬局部反復(fù)塑性變形→裂紋的形成→裂紋的擴(kuò)展→金屬表面的剝落，麻點(diǎn)。接觸疲勞＝疲勞＋磨損接觸應(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。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日25/34二、接觸疲勞破壞機(jī)理金屬局部反復(fù)塑性變形→裂紋的形成→裂紋的擴(kuò)展→金屬表面的剝落。從綜合切應(yīng)力的分布和大小，材料的強(qiáng)度相互比較，決定了裂紋產(chǎn)生的部位和接觸疲勞類型。第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日26/341、麻點(diǎn)剝落：裂紋起源于表面的接觸疲勞損傷。

(1)滑動(dòng)加滾動(dòng)條件下：切向摩擦力較大，使最大綜合切應(yīng)力轉(zhuǎn)移至表面。

(2)表面存在質(zhì)量缺陷：軟點(diǎn)、硬點(diǎn)、夾雜物等，造成抗剪強(qiáng)度不足。深度：0.1－0.2mm的小塊剝落。形態(tài)：麻點(diǎn)是些針狀或痘狀的凹坑。第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日27/34麻點(diǎn)剝落形成過程示意圖第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日28/34提高麻點(diǎn)剝落抗力措施：

(1)提高機(jī)件表面的塑性變形抗力；

(2)提高零件表面光潔度，使F降低，表面折疊幾率降低；

(3)提高潤(rùn)滑油的粘度，降低油楔作用。第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日29/342、淺層剝落：裂紋起源于次表層的接觸疲勞損傷。深度：0.2－0.4mm。淺層剝落在次表層(最大切應(yīng)力處)：0.786b處或0.5b處；實(shí)際多在0.5－0.7b處。第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日30/34淺層剝落過程示意圖

第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日31/34

過程：在0.5－0.7b處，首先滑移變形→一定循環(huán)N→產(chǎn)生疲勞裂紋→沿應(yīng)力，夾雜物走向發(fā)展→形成二次裂紋→擴(kuò)展到表面→另一端形成懸臂梁→壓斷，淺層剝落。提高淺層剝落抗力措施：提高材料的塑性變形抗力，進(jìn)行整體或表面強(qiáng)化，使0.5－0.786b處的切變強(qiáng)度↑。提高材料純凈程度，↓夾雜物數(shù)量。第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日32/343、深層剝落(壓碎性剝落)

裂紋起源于表面硬化層下過渡區(qū)。原因：過渡區(qū)強(qiáng)度不足。深層剝落過程示意圖

第三十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日33/34

提高深層剝落抗力的措施