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第六章 材料的磨损性能,河海大学机电工程学院,做对的事情比把事情做对更重要。,摩擦磨损是工程材料失效的主要因素之一因机件的相对运动产生摩擦，导致磨损摩擦磨损降低使用寿命、增加能耗、产生噪音和振动、影响环境。,2022/11/12,2,本章主要内容,介绍材料摩擦磨损机理、摩擦磨损试验测试方法以及提高材料摩擦磨损性能的主要途径。重点要掌握材料摩擦磨损的机理和提高材料摩擦磨损性能的主要途径。,2022/11/12,3,第一节 磨损的基本概念及类型,1、摩擦机械零件的表面在显微镜下观察是高低不平的。高低不平的两个接触面相对运动时，就产生阻力接触物产生阻碍运动的现象就叫摩擦，阻碍运动的力称为摩擦力。它与接触法向压力（p）和摩擦系数（）的关系为： F = p摩擦的害处：磨损、消耗能量、降低机器性能。摩擦的益处：行走、车辆制动等。,2022/11/12,4,2、磨损摩擦运动的结果是产生磨屑，即产生磨损。磨屑的形成也是材料发生变形和断裂的过程。材料的磨损过程除造成材料损失外，还将发生一系列物理、化学状态的变化，如形变硬化（高锰钢履带）和摩擦热引起的相变（淬火钢中的残余奥氏体转变为马氏体）等。这些变化将影响材料的摩擦磨损性能。,2022/11/12,5,3、磨损的3个阶段：跑合阶段：表面逐步磨平，实际接触面积不断增大磨损速率不断减小。稳定磨损阶段：磨损量呈线性，磨损速率为一定值。工件服役阶段，跑合越好，磨损速率越低。剧烈磨损阶段：摩擦接触面间隙增大，机件的振动加剧，润滑膜或保护层被损坏，机件表面被恶化，磨损速率迅速加大。,2022/11/12,6,磨损的基本类型按工作环境来分有：润滑磨损、干磨损、磨粒磨损和和腐蚀磨损等。按机理来分主要有粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损（接触疲劳）等。摩擦面损伤和破坏形式不同。腐蚀磨损是材料与周围环境发生化学或电化学反应的结果，这里就不讨论了。本章主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。,2022/11/12,7,第二节 磨损的基本过程,一、粘着磨损凹凸不平的表面，少数微凸体的尖顶产生很高的应力，超过屈服点而发生塑性变形。若接触面上的油膜、氧化膜等保护膜被破坏，裸露的凸体直接与对磨面接触，摩擦热使凸体与接触的对磨材料直接熔合。相对运动，使熔合点被拉开、脱落，形成磨屑。新的凸体将成为新的粘着点，如此反复，使工件不断磨损。易发生条件：摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大,2022/11/12,8,粘着磨损,粘着磨损的表面特征： 机件表面有大小不等的结疤,2022/11/12,9,粘着点断裂的两种形式：粘着点结合强度低于两侧材料，则接触点断裂。磨损量较小，摩擦面显得较平滑，只有轻微擦伤。锡基合金与钢的滑动就属此类型。粘着点的结合强度高于两侧材料，断裂发生在强度较差的一侧，粘着点保留在强度较高的材料上，形成更大的凹坑和凸台，使接触面显得越来越粗糙，造成磨损速率加大，甚至出现咬死现象。如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘着磨损就属于此类。,粘着磨损,2022/11/12,10,J. F. Archard提出了粘着磨损的估算方法。设法向力p，微凸体接触数量n，粘着点平均直径为d的球体。当n个接触点同时发生塑性变形时，作用在接触点上的法向力p为： （6-2）,粘着磨损,2022/11/12,11,只要滑动d距离，就有n个接触点发生了粘着磨损，故单位滑动距离内出现的接触点数为： N = n/d = 4p/(3sc d3 )如接触点被拉出半球的几率是K，则滑动一段距离后，总拉出的磨损量为：,粘着磨损,2022/11/12,12,K为粘着磨损系数,WKpL/3Hv 表明，粘着磨损量与接触压力p、滑动距离L成正比，与材料的硬度成反比。Archard模型的适用性当p 1/3摩擦副材料硬度时，适用。当pb时，K值急剧增大，磨损量也急剧增加，造成大面积的焊合和咬死。,2022/11/12,13,复 习,提高金属疲劳性能有哪些措施？什么是热疲劳？有哪些因素影响材料热疲劳性能？磨损过程分哪三个阶段？磨损的基本类型有哪些？什么是粘着磨损？它的表面特征是什么？粘着磨损中，粘着点断裂的形式有哪两种？Archard公式是什么？它表明磨损与什么因素有关？,2022/11/12,14,二、磨粒磨损,磨粒磨损又称为磨料磨损，是摩擦副的一方坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子（从外界进入或从表面剥落）时产生的磨损。两体磨损、三体磨损磨粒磨损分类：凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式磨粒磨损的特征是摩擦表面出现有擦伤或因明显梨皱形成的沟槽。,2022/11/12,15,磨粒对表面的作用力分法向力和切向力。主要作用是使材料表面产生应力集中。法向力在表面形成压痕，切向力推动颗粒前进。在一定的条件下（压力、颗粒形貌、相位），颗粒才会象刀具一样切削表面。圆钝颗粒或软材料，颗粒划出槽沟，材料产生塑性变形并不脱落。随后的摩擦又将槽沟两侧堆积部分压平，如此反复地变形、堆积、压平，便导致形成裂纹并引起剥落。脆性材料则较容易剥落，形成槽沟。,磨粒磨损,2022/11/12,16,磨粒磨损量的数学表达式为： W= KpL/3sc KpLtan/Hv 式中：p为接触压力；L为滑动距离；为磨粒与摩擦面的夹角，与磨粒形状有关；Hv为材料硬度；K为系数(与磨粒形状、取向等因素有关)。,磨粒磨损,2022/11/12,17,磨粒磨损的影响因素十分复杂：基体材料的力学性能（硬度与韧性）、基体显微组织和磨粒硬度等。对金属材料来说，一般材料硬度越高，抗磨粒磨损性能就越好。,磨粒磨损,2022/11/12,18,弹性模量的影响,材料的H/E值越大，则在相同接触压力下，弹性变形量增大。由于接触面积增加，单位法向载荷反而下降，导致沟槽深度减小，堆在沟槽两侧的材料也少，所以磨损量就小。然而，E是组织不敏感的，因此，机件抵抗磨粒磨损的能力主要与材料的硬度成正比。所以，一般情况下，材料硬度高，其抗磨粒磨损能力也越好。,2022/11/12,19,断裂韧性的影响,2022/11/12,20,三、接触疲劳,1、现象与特征接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状剥落，使材料发生磨损的现象。接触疲劳的特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑（麻坑），有些凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展的痕迹。,2022/11/12,21,2、接触应力的概念两个物体相互接触时在局部产生的压应力称为接触应力，也叫赫兹应力。接触应力分为线接触（齿轮接触）和点接触（滚珠轴承）。,接触疲劳,2022/11/12,22,（1）圆柱体的线接触应力 设有两个圆柱体，半径分别为R1、R2，长度为L。未变形前为线接触，施加法向力p后，因弹性变形而变成面接触，接触面积为2bL。,接触疲劳,2022/11/12,23,（1）圆柱体的线接触应力 根据弹性力学分析，接触压应力z沿Y轴按半椭圆规律分布，在接触中心Y=0处，z达到最大值： E为综合弹性模量.,接触疲劳,2022/11/12,24,（1）圆柱体的线接触应力三向压应力，在Y=0的对称面上，z、x、y与YZ45沿Z方向分布图。在Z=0.786b处，YZ45达到最大，约为0.3zmax，方向与接触面成45。在连续滚动过程中，切应力从00.3zmax交替变化着，应力幅为YZ45/ 2 = 0.15zmax。,接触疲劳,2022/11/12,25,（2）球体的点接触滚珠与轴承圈接触可近似认为点接触，接触应力为： E为综合弹性模量；p为法向力。YZ45max在Z=0.786b处，约为0.3max,接触疲劳,2022/11/12,26,接触应力分析上述是在纯滚动情况分析。两物体既作滚动又有滑动，应附加切向摩擦力。切向摩擦力与压应力共同作用在接触区域上，使应力分布相应改变，最大切应力的位置将向表面移动。当摩擦系数0.2时，最大切应力的位置将移到材料接触表面，因此接触疲劳裂纹的产生地也将移到零件表面。,接触疲劳,2022/11/12,27,3、接触疲劳过程当最大切应力大于材料剪切疲劳强度时，在长期循环作用，裂纹便在该处形成。根据最大切应力位置的深浅，接触疲劳分3类：根据最大切应力与材料强度之应力判据分析各种接触疲劳的裂纹萌生和扩展。,接触疲劳,2022/11/12,28,（1）点蚀（麻点剥落）：深度为0.10.2mm，小块剥落，形成不对称V型针状或痘状凹坑。受力情况：滚动+滑动，最大综合切应力在材料表面。滑动摩擦系数越大，疲劳剥落点就越浅。表面接触应力较小、滑动摩擦力较大或表面质量较差（如粗糙、脱碳、烧伤、淬火不足、有夹杂物等）时，易出现这种麻点剥落。,接触疲劳,2022/11/12,29,（2）浅层剥落在滚动或滑动摩擦力很小的情况下，次表层（在0.50.7b之间）承受最大的循环切应力，长期循环，在此产生位错塞积和空位，逐步形成裂纹。裂纹在最大应力层面上沿着薄弱方向发展，到一定程度后，垂直扩向表面，形成盆状剥落凹坑，深度一般为0.20.4mm。,接触疲劳,2022/11/12,30,（3）深层剥落一般发生在经强化但强化深度不足的工件，裂纹源都位于强化与未强化的结合处，即剥落层厚度与强化层深度相当（0.4mm）。裂纹形成处虽然切应力不是最大，但该处切应力/材料抗切强度的比值最大，安全系数最小。,接触疲劳,2022/11/12,31,渗碳淬火试样试验表明：切应力/抗剪切强度的比值大于0.55时，在过渡区产生疲劳裂纹，出现大块剥落。比值在0.50.55时，出现表层剥落和麻点剥落的混合情况。比值小于0.5时，则出现麻点剥落。,2022/11/12,32,接触疲劳裂纹的形成与扩展是： 接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。,影响材料接触疲劳的因素：除了加载条件外，主要是材料因素，如材料成分和组织状态，表面硬度与心部硬度或摩擦副硬度匹配、硬化层深度、表面状态,第三节 耐磨性及其测量方法,一、材料的耐磨性材料的耐磨性是指材料抵抗磨损的性能指标，迄今还没有一个统一的指标。通常用磨损量来表示。磨损量越小，表示耐磨性越好。磨损量的测量方法有两种：称重法和尺寸法。称重法就是称试样或零件磨损前后的重量变化；尺寸法就是测量试样或机件磨损前后的尺寸变化磨损量的倒数、相对耐磨性磨、损系数,2022/11/12,33,二、磨损试验方法磨损试验分实物试验和实验室试验。实物试验的条件与实际工况一致或较接近，试验结果可靠，但试验周期长。实验室试验周期短，费用低，易于控制各因素，但条件与实际情况相差甚远，结果不能完全反映真实情况。柴油机缸套、活塞和活塞环的磨损试验一般在几个月才能显示出差异，在实验室强化的条件下，也要几百个小时才能有差异，试验费用十分巨大。磨损试验是一个十分复杂的，这就是迄今没有一个统一标准的主要原因。,2022/11/12,34,二、磨损试验方法实验室磨损实验的方法很多，主要是想尽可能与实际工作条件一致起来。按工作环境分：干磨损试验、润滑摩擦磨损试验和磨粒磨损试验。按运动方式分：滑动摩擦磨损和滚动摩擦磨损。,2022/11/12,35,摩擦磨损试验机形式：（a）销盘磨损试验机（b）环块磨损试验机（c）往复式摩擦磨损试验机（d）滚动磨损试验机（e）砂纸磨损试验机（f）快速磨损试验机（g）橡胶轮磨粒磨损试验机,2022/11/12,36,磨损量的测量方法：称重法和尺寸法。磨损数据一般较分散，不仅受计量仪器精度的限制，而且受其他一些因素的影响。如在润滑条件下作的磨损试验，本身磨损量就很小，加上液体浸入等一些因素的影响，往往数据分散，一般在同一中条件下要做45试验，取其平均值。摩擦磨损试验受环境和试验条件的影响很大，试验数据只能做相对比较，引用文献资料时要特别注意，一般不能用不宜资料上的数据进行比较。,2022/11/12,37,第四节 提高材料耐磨性的途径,首先必须要弄清楚磨损机理。针对不同的机理，选择合适的措施。,2022/11/12,38,一、减轻粘着磨损的主要措施选用互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如异种金属或晶格类型、电化学性质相差甚远的材料。选用强度高而且不易塑性变形的材料。降低表面粗糙度，改善摩擦副润滑条件。表面处理（如氮化处理），形成一层化合物或非金属层，减少摩擦系数；采用渗碳、碳氮共渗等表面热处理，提高表面硬度；渗硫、渗磷使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量。采用复合材料，减少粘着倾向，如球墨铸铁。改善接触面的状态，如润滑，或在润滑油中添加一些介质，如乌克兰的摩圣。,2022/11/12,39,二、减轻磨粒磨损的主要措施低应力磨粒磨损提高材料的硬度重载荷贝氏体（高硬度、高韧性）控制碳化物的数量、形态和分布。在保证冲击韧度的前提下，碳化物多，有利于提高耐磨性；形态要呈颗粒形，在特殊情况下最好要有一定的方向性，如抛丸机叶片；碳化物分布要均匀。摩擦副材料的硬度Hm与磨粒硬度Ha应满足：Hm1.3Ha。对于承受大冲击载荷的机件，要利用奥氏体和残余奥氏体的冷作硬化特点。如高锰钢、等温淬火球铁和贝氏体高碳钢等。,2022/11/12,40,理想的抗凿削磨损材料,三、提高接触疲劳抗力的措施优质纯净的原材料马氏体数量：0.4%0.5% 马氏体形态：粒度小，呈球形 马氏体分布：与残余奥氏体、未溶碳化物之间合理搭配材料表面硬度的梯度变化，有足够的硬化层深度合理的表面硬度工艺，在一定范围内保存残余应力改善接触配对副的表面状态，减少冷热加工缺陷，降低表面粗糙度，降低摩擦系数,2022/11/12,41,三、非金属材料的磨损特性 聚合物硬度远低于金属，但具有良好的耐磨性：聚合物特有的高弹性可在接触表面产生大的变形但不发生切削和产生犁沟式损伤。聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两者的粘着倾向很小。聚合物与金属配对形成的摩擦副优于金属对金属的摩擦副。大多数液体对塑料具有润滑减磨作用，在聚合物加入MoS2、石墨、聚四氟乙烯等材料可以减磨。摩擦磨损特性比较复杂，对聚合物的认识还不如金属材料。,2022/11/12,42,小结磨损的类型粘着磨粒接触疲劳耐磨性的检测方法提高材料耐磨性的途径作业：P.122，第2，6题。,2022/11/12,43,
