材料与材料性能（第七章）课件.ppt

,任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。,因机件间摩擦磨损要多消耗总能源的1/3-1/2，并引起不少机件失效。磨损每年给人类带来上千亿美元的巨额浪费。,概述,第七章 金属磨损和接触疲劳,零件的磨损让我们付出了很多时间和金钱,衣物的磨损,第七章 金属磨损和接触疲劳,F1赛车的磨损现象,第七章 金属磨损和接触疲劳,轮胎压痕(SEM 5000X),摩擦痕迹(350X),第七章 金属磨损和接触疲劳,特大车祸 刹车失灵,伊空难 飞机轮胎爆裂,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损导致的灾难性事故,研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。,第七章 金属磨损和接触疲劳,研究意义和主要研究内容,摩擦及磨损的概念,摩擦定义：两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用。,按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：滑动摩擦：一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。滚动摩擦：物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。,第七章 金属磨损和接触疲劳,经典摩擦理论1508年意大利科学家达芬奇首先对固体的摩擦进行了研究，第一个提出“物体要滑动时，便产生叫做摩擦力的阻力，并指出摩擦力与物体的重量成正比，与法向接触面积无关”。l699年法国工程师阿蒙顿进行了摩擦试验，并建立了摩擦的基本公式。1785年法国科学家库仑发展了阿蒙顿的工作，完成了如下的经典摩擦定律：,第七章 金属磨损和接触疲劳,F=*P,经典摩擦理论1)摩擦力与作用于摩擦面间的法向载荷成正比:2)摩擦力的大小与名义接触面积无关。3)静摩擦力大于动摩擦力。4)摩擦力的大小与滑动速度无关。5)摩擦力的方向总是与接触表面间相对运动速度的方向相反。,第七章 金属磨损和接触疲劳,定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的现象。,摩损,第七章 金属磨损和接触疲劳,特点磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂过程。有塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变,因摩擦热引起的二次相变淬火,回火及回复再结晶等现象发生，是多种因素相互影响的复杂过程。而且这种变形与是反复进行的,具有动态特征。所以由常规试验标志的材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。,磨损过程,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损类型,表面破坏方式及特征,第七章 金属磨损和接触疲劳,表面破坏方式与机理对应关系,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。多种磨损机制可能同时出现或交替发生作用。分析解决实际磨损问题要判别哪几类磨损在起作用，起主导作用的是哪类磨损，进而采取相应措施减少磨损。,磨损的类型,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损量与滑动速度和载荷的关系,第七章 金属磨损和接触疲劳,耐磨性评价,用摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为线磨损量；用体积和重量法来表示，分别称为体积磨损量和重量磨损量。用耐磨强度或耐磨率表示其磨损特性，前者指单位行程的磨损量，单位为m/m或mg/m；后者指单位时间的磨损量,单位为m/h或mg/h。,第七章 金属磨损和接触疲劳,粘着磨损 粘着磨损又称咬合磨损。是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合,并拽开而产生的一种表面损伤磨损,多发生在摩擦付相对滑动速度小,接触面氧化膜脆弱,润滑条件差，及接触应力大的滑动摩擦条件下。磨损特征是表面有大小不等的结疤。,第七章 金属磨损和接触疲劳,AFM图象,第七章 金属磨损和接触疲劳,轮廓仪得到的表面形貌,第七章 金属磨损和接触疲劳,固体表面形貌的表征,第七章 金属磨损和接触疲劳,形成机理 由于表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一定载荷作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏，两摩擦表面金属直接接触形成粘结点（固相焊合）；摩擦热产生使接触点处熔化和熔合（热焊合）；当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑或发生转移。粘着-剪断-转移-再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。,第七章 金属磨损和接触疲劳,第七章 金属磨损和接触疲劳,形成机理,第七章 金属磨损和接触疲劳,特点,在滑动摩擦条件上产生；摩擦副的两种金属力学性能相差不大；磨损速度大，1015m/h，破坏严重。,第七章 金属磨损和接触疲劳,五类典型粘着磨损,(1)轻微磨损:粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。(2)涂抹:粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面。,第七章 金属磨损和接触疲劳,五类典型粘着磨损,第七章 金属磨损和接触疲劳,(3)擦伤：粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合 强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。(5)咬死：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低 于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。,粘着磨损的影响因素,(1)摩擦副材料：a:材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生 在表层深处，磨损颗粒大。脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。,第七章 金属磨损和接触疲劳,b:材料的互溶性：相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦 副。,第七章 金属磨损和接触疲劳,c:材料的表面处理：通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。,第七章 金属磨损和接触疲劳,d:材料的硬度：硬度高的金属比硬度低的 金属抗粘着能力强，表面 接触应力大于较软金属硬 度的1/3时，很多金属将由 轻微磨损转变为严重的粘 着磨损。e:表面粗糙度：一般情况下，降低摩擦副的表面粗糙度能 提高抗粘着能力。,硬度的影响,第七章 金属磨损和接触疲劳,(2)外部环境条件：a:润滑条件：在润滑油或润滑脂中加入油性或极压添加剂；选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降低表面温度；改善表面形貌以减少接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。b:相对滑动速度：载荷一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加，表面温度升高，表面生成的氧化膜阻止了金属间的直接接触，减少了粘着磨损。,粘着磨损的影响因素,第七章 金属磨损和接触疲劳,c:载荷的影响：当载荷增大到某一临界 值后，粘着磨损量会急 剧增加。右图是载荷与 磨痕直径的变化，当载 荷达到一定值时，磨痕 直径迅速增大，此载荷 称为胶合载荷。,第七章 金属磨损和接触疲劳,d:表面温度：温度主要导致摩擦表面：(1)表面性质发生变化：如硬化、相变或软化。(2)表面膜变化：破坏表面膜，导致氧化膜或其它形式化合物膜形成。(3)润滑剂的性质发生变化：油膜氧化或热降解，油膜离析。,第七章 金属磨损和接触疲劳,一般情况下，温度升高，材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。,金属表面的实际构成示意图,工程表面,磨粒磨损,1 定义:摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。2 磨料磨损分类及其磨损特征：,第七章 金属磨损和接触疲劳,第七章 金属磨损和接触疲劳,主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽，见右图。在磨粒磨损时，对于韧性金属材料，每一磨粒从表面上切下的是一个连续屑；对于脆性金属材料，一个磨粒切下的是许多新屑。,磨粒磨损的主要特征,磨粒磨损机理,(1)微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。(2)挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状剥落碎屑。(3)疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。,第七章 金属磨损和接触疲劳,影响磨粒磨损的因素：,(1)硬度因素：磨料硬度H0与试件硬度H比值:当磨料硬度低于试件硬度,即H0(0.71)H不产生磨料磨损或产生轻微磨损。当磨料硬度超过试件硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。若磨料硬度很高将产生严重磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当 H 1.3 H0 时只发生轻微的 磨料磨损。,第七章 金属磨损和接触疲劳,（2）磨粒尺寸：一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大约为80m。,磨粒尺寸影响,第七章 金属磨损和接触疲劳,（3）载荷的影响：磨损率与压力成正比，但有一转折点，当压力达到或超过临界压力时，磨损率随压力的增加变的平缓。,载荷,第七章 金属磨损和接触疲劳,(4)断裂韧度的影响：对脆性材料，断裂韧性的增加能提高其耐磨性,第七章 金属磨损和接触疲劳,(5)显微组织的影响：1、基体组织马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨性最差。2、颗粒尺寸细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性。3、钢中碳化物在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；4、加工硬化在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。典型为ZGMn13,第七章 金属磨损和接触疲劳,改善抗磨粒磨损能力的措施,对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，（提高耐磨性最有效的措施）(2)根据机件服役条件，合理选择耐磨材料（在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性）。(3)采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。(4)经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入接触 面，也是有效措施。,第七章 金属磨损和接触疲劳,常用耐磨料磨损材料:1)低合金钢：耐磨性中等，且耐磨性随硬度增加而增加。2)工具钢：含碳量及碳化物起主要作用，高合金钢（高速钢、高铬钢等）优于低中合金钢。3)锰钢系列：典型为ZGMn13，高韧性，必须用于能产生强烈加工硬化的工况，其耐磨能力和强韧性才能得到充分发挥。,第七章 金属磨损和接触疲劳,4)铬镍白口铸铁：用于冲击负荷不大、韧性要求不高而耐磨性要求较高场合。5)硬质合金：镶嵌或焊接于钢基体，如用于破岩工具。,第七章 金属磨损和接触疲劳,冲蚀磨损,1.定义：流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。2.冲蚀磨损理论：（1）塑性材料切削理论:芬尼于1958年首次提出塑性材料切削理论。认为磨粒如同一把微型刀具，当划过材料表面时，把材料表面切除而产生的磨损。理论分析材料的磨损体积为：V=Kmv2f()/P,第七章 金属磨损和接触疲劳,其中 V 材料的磨损体积，m冲蚀磨粒的质量，v磨粒的冲蚀速度磨粒的冲击角，P 材料的流动应力，K 常数可以看到，材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方成正比，与材料的流动应力成反比，并与冲击角有一定的关系。研究结果表明，对于塑性材料、多角形磨粒、小冲击角的冲蚀磨损，该模型非常适用。,（2）脆性材料的断裂理论：脆性材料在磨粒冲蚀 下不产生变形，主要 以断裂破坏的形式产 生磨损。当磨粒尺寸 较大时，磨损量随冲 击角的增大而增加，冲击角为90度时，磨 损量最大。,第七章 金属磨损和接触疲劳,影响冲蚀磨损的主要因素（1）冲击粒子的特性：硬度：磨损量是硬度的函数。,第七章 金属磨损和接触疲劳,形状：同样条件下，尖角磨粒比球形磨粒产生更 大的冲蚀磨损。尺寸：尺寸小，影响不大，随尺寸增加，磨损增 大，尺寸到一定值时，磨损几乎不再增大。,第七章 金属磨损和接触疲劳,（2）冲蚀速度：速度对磨损的影响很大，因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接关系。研究表明，磨损量与磨粒速度有下列关系：W=K n n 速度指数，一般为23，塑性材料波动小，取2.32.4，脆性材料波动较大，取2.26.5。,第七章 金属磨损和接触疲劳,（3）冲击角：主要与靶材料有关。塑性材料的磨损开始随冲击角的增加而增加，当冲击角为20-30度时，磨损量最大，然后随冲击角继续增大而减小。脆性材料随冲击角的增大，磨损量不断增大，当冲击角为90度时，磨损率最大。,第七章 金属磨损和接触疲劳,（4）基体材料的影响：材料硬度：硬度高时较好 材料加工硬化：加工硬化能提高材料低角度冲蚀磨损的耐 磨性能，但降低大角度冲蚀磨损的耐磨性能。,第七章 金属磨损和接触疲劳,腐蚀磨损,腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。,第七章 金属磨损和接触疲劳,1.氧化磨损2.特殊介质腐蚀磨损,分类：,氧化腐蚀机理,大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。当形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随着又再被磨去。氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。,第七章 金属磨损和接触疲劳,氧化腐蚀机理,宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。,第七章 金属磨损和接触疲劳,金属表面生成氧化膜,接触点氧化膜破坏,形成新氧化膜,加速氧 化,发生塑性变形,(1)介质含氧量对氧化磨损的影响,介质含氧量直接影响磨损率，金属在还原气体中，其磨损率比空气中大，这是因为空气中形成的氧化膜强度高，与基体金属结合牢固的关系。,氧化腐蚀影响因素,第七章 金属磨损和接触疲劳,润滑条件对氧化磨损的影响,润滑油膜能起到减磨和保护作用，减缓氧化膜生成的速度。但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀摩擦表面。生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危害性大的粘着磨损。如汽车后桥采用双曲线齿轮传动，因双曲线齿轮副接触应力较大，极易产生早期粘着磨损。如果氧化磨损能优于粘着磨损产生，从而有利于降低整体磨损率。,第七章 金属磨损和接触疲劳,滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响,氧化磨损量随滑动速度的变化而变化。当滑动速度变化时，磨损类型将在氧化磨损和粘着磨损之间相互转化。当载荷超过某一临界值时，磨损量随载荷的增加而急剧增加，其磨损类型也由氧化磨损转化为粘着磨损。,第七章 金属磨损和接触疲劳,微动磨损,在机器的嵌合部位和紧配合处(如花键、销、螺钉)，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损。特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的磨损产物为黑色。,第七章 金属磨损和接触疲劳,第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即氧化；第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。,微动磨损过程有三个阶段：,第七章 金属磨损和接触疲劳,从以上产生微动磨损的原因分析中可以看出，微动磨损不是一单独的磨损型式，而是粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损，甚至还包含着腐蚀作用引起的磨损和交变载荷作用的疲劳磨损。,影响磨损量因素：（a）振动次数：增大而增大（b）法向载荷：增大而增大，但增加速率不断减小。（c）环境介质：真空或不活泼气氛中小，空气湿度 增大时，磨损量也随之增大。,第七章 金属磨损和接触疲劳,措施：(1)表层产生压应力，能有效地提高微动磨损与疲劳的抗力。如滚压、喷丸和表面化学热处理。(2)材料：选择抗粘着磨损能力大的，其抗微动磨损的能力也较强；(3)硬度高的材料具有良好的抗微动磨损性能，但微动疲劳性能就较差。,(4)设计上可采用垫衬改变接触面的性质,减少微动磨损和微动疲劳。如蒸汽锤锤杆和锤头配合处插入软铜片作垫衬，收到良好的效果；对压配合件可用卸载槽以减少应力集中；再如增大紧配合的过盈量，实际上过盈量超过25-30m就可防止微动磨损的出现。,第七章 金属磨损和接触疲劳,接触应力概念,两物体相互接触时，在表面上产生的局部压力叫做接触应力，一般出现如下两种情况：,(1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、圆柱与 平面接触),(2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承),接触疲劳,接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引起的一种表面疲劳现象。,第七章 金属磨损和接触疲劳,线接触：假设两圆柱体的半径分别为R1、R2，长l，未变形前两者为线接触，施加法向力后，因弹性变形变为面接触，接触面积2bl。据弹性力学分析，接触压应力沿y轴按半椭圆柱规律分布，见右图，,E综合弹性模数且,E1,E2分别为两圆柱体弹性模数。,由上图可知，接触面有三向主应力，沿接触深度方向的分布如右图。,第七章 金属磨损和接触疲劳,点接触：,施加法向应力后，视两接触物体形状不同，接触面可能是椭圆或圆，滚珠与轴承套圈接触，接触面为椭圆，球与球或球与平面接触，接触面为圆。接触面为椭圆时，见右图，接触应力按半椭圆球规律分布，且对于半径为R的圆球和平面的点接触，按弹性力学计算，接触圆半径：,第七章 金属磨损和接触疲劳,若两接触物体既滚动又滑动,当u0.2,综合切应力移至表面，裂纹在表面形成,第七章 金属磨损和接触疲劳,切应力分布：,(1)点蚀 通常把深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落叫做点蚀。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。,接触疲劳破坏分为点蚀、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。,接触疲劳类型,第七章 金属磨损和接触疲劳,点蚀实例,(2)浅层剥落 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。,第七章 金属磨损和接触疲劳,(3)深层剥落 这类剥落坑较深(0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。,第七章 金属磨损和接触疲劳,疲劳磨损的破坏机理：(1)麻点剥落(点蚀)：当表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差，如表面存在脱碳、烧伤、淬火不足、存在夹杂物等缺陷时，容易产生麻点剥落。前者原因在于表面最大综合切应力较高；后者原因 是材料抗剪切强度低。,第七章 金属磨损和接触疲劳,麻点剥落,在滚动带滑动的接触过程中（如齿轮啮合面），由于外载荷及表层的应力和摩擦力的作用，引起表层或接近表层的塑性变形，使表层硬化形成初始裂纹，并沿着与表面呈小于45的夹角方向扩展。形成油楔，裂纹内壁承受很大压力，迫使裂纹向纵深发展。裂纹与表面层之间的小块金属犹如一承受弯曲的悬臂梁，在载荷的继续作用下被折断，在接触面留下深浅不同的麻点剥落坑，深度0.10.2mm。,第七章 金属磨损和接触疲劳,油楔理论裂纹起源于摩擦表面,浅层剥落：多出现在零件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩擦力小的情况下。,第七章 金属磨损和接触疲劳,纯滚动时或摩擦力不大的情况下，裂纹产生于亚表层，该处切应力最大，塑性变形最剧烈。在接触应力的反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化。在非金属夹杂物附近形成裂纹，沿非金属夹杂物平行于表面扩展。在滚动及摩擦力的作用下又产生与表面成一定倾角的二次裂纹，二次裂纹扩展到表面，另一端则形成悬臂梁。反复弯曲发生断裂，形成浅层剥落。,浅层剥落：,最大剪应力理论 裂纹起源于次表层,第七章 金属磨损和接触疲劳,深层剥落（压碎性剥落）,深层剥落的初始裂纹经常在表面硬化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。,第七章 金属磨损和接触疲劳,影响接触疲劳寿命的因素,（一）内部因素 1.非金属夹杂物 2.热处理组织状态 3.表面硬度与心形硬度 4.表面硬化层深度 5.残余内应力（二）外部因素 1.表面粗糙度与接触精度 2.硬度匹配,第七章 金属磨损和接触疲劳,主要影响因素：（1）非金属夹杂：脆性夹杂易造成裂纹，降低接触疲劳寿命。塑性硫化物夹杂易随基体一起变形，能够把氧化物夹杂包住形成共生夹杂，降低氧化物夹杂的不良作用。（2）表面硬度和心部硬度：表层硬度梯度不应过大。一定范围内，接触疲劳抗力随硬度升高而增大。,第七章 金属磨损和接触疲劳,（3）表面特征：减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度、提高接触精度，可以有效增加接触疲劳寿命。（4）摩擦副硬度匹配：一般要求小齿轮硬度大于大齿轮硬度，可以有效提高齿轮的寿命。,主要影响因素：,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损试验方法,磨损实验方法分为实物试验与实验室试验两类。,实物试验的条件与实际情况一致或者接近，结果可靠性高，但实验周期长，且结果是诸多因素的综合反映。,周期短、成本低、易于控制各种影响因素，科研就单个因素的影响规律及探讨磨损机制。,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损试验机示意图,第七章 金属磨损和接触疲劳,耐磨试验在摩擦磨损试验机上进行，种类很多，代表性的：销盘式磨损试验机，是将试样加上载荷压紧在旋转圆盘上，该法试验速度可调，精度较高；环块式磨损试验机，试样在圆环外表面做摩擦运动；往复运动式磨损试验机，试样在静止平面上往复运动，可评定导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性；,磨损试验机示意图,第七章 金属磨损和接触疲劳,滚子式磨损试验机，可测定材料在滑动、滚动、滚动和滑动复合摩擦及间歇接触摩擦情况下的磨损；砂纸磨损试验机，对磨材料为砂纸，简单易行；快速磨损试验机，旋转圆轮用硬质合金制造，能较快测定材料的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能。,摩擦表面的形态分析 由于摩擦现象发生在表面层，表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，现代表面测试技术已先后用来研究摩擦表面的各种现象。1、摩擦磨损表面形貌的分析 摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大，并且描绘出表面的轮廓曲线。再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参数的变化。目前常用的表面微观形貌分析设备为扫描电子显微镜。电子扫描的图像清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽(20-20000倍)，检测范围亦较大。,第七章 金属磨损和接触疲劳,轮廓仪得到的表面形貌,第七章 金属磨损和接触疲劳,二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决与表面形貌。入射电子与样品核外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来的电子，是作为SEM的成像信号，代表样品表面的结构特点。,第七章 金属磨损和接触疲劳,几种常见电子介绍,第七章 金属磨损和接触疲劳,几种常见电子介绍,背散射电子是被样品原子反射回来的入射电子，样品背散射系数随元素原子序数Z的增加而增加。即样品表面平均原子序数越高的区域，产生的背散射电子信号越强，在背散射电子像上显示的衬度越亮；反之较暗。因此可以根据背散射电子像（成分像）亮暗衬度来判断相应区域原子序数的相对高低。,特征X射线是高速运动的电子激发靶材(样品)中原子的核外电子,使其变成光电子,原子处于激发态,则高能级电子跃迁到低能级,多余能量以X射线形式释放出来,各元素原子的各个电子能级能量为确定值，所以释放的X射线叫特征X射线。分析特征X射线的能量，就可以知道其组成元素。,第七章 金属磨损和接触疲劳,几种常见电子介绍,如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。,第七章 金属磨损和接触疲劳,几种常见电子介绍,2 摩擦磨损表面化学成分的分析 摩擦表化学元素的组成与分布特点可用X射线能谱分析方法来进行。X射线显微分析的基本原理：是通过电子束对试件表面作用，使各元素发出相应特征的射线谱，以不同特征X射线的波长和强度来确定元素的成分和含量。,第七章 金属磨损和接触疲劳,摩擦磨损的控制,研究摩擦与磨损的目的在于控制摩擦、减小磨损，提高材料或机械零件的使用寿命。控制材料和机械零件的摩擦磨损的方法：*在摩擦副间加入润滑剂*选择合理的摩擦副材料*材料的表面强化与改性,第七章 金属磨损和接触疲劳,1、润滑剂的使用,目的：使两接触表面之间形成润滑膜，变干摩擦为润滑剂内部分子间的内摩擦，减少摩擦表面的摩擦、降低材料的磨损、延长机械设备的使用寿命。,a）液体润滑剂：矿物油、合成油、动植物油及水基液体b）半固体润滑剂：皂基脂、烃基脂、有机脂、无机脂等c）固体润滑剂：软金属(Pb、Sn、Zn、Ag、Au)金属化合物(氧化铅、氟化钙、二硫化钼、二硫化钨)无机物(石墨、滑石)有机物(聚四氟乙烯、酚醛树脂),第七章 金属磨损和接触疲劳,2、摩擦副材料的选择,a）减摩材料 减摩材料具有低而稳定的摩擦系数、较高的耐磨性和承载能力，特别适合制作轴承等机械零件。如：轴承合金、石墨、二硫化钼等。b）摩阻材料 摩阻材料应有足够而稳定的摩擦系数，良好的导热性和耐磨性，且不易划伤摩擦配偶件的表面。常由金属基体（铜、铁）、减摩组分（石墨、二 硫化钼）、增摩组分（Al2 O3、TiN、TiC、SiO2 和SiC等）经均匀混合、压制、烧结而成。3）耐磨材料 如：高锰钢、低合金耐磨钢 和白口铸铁等。,第七章 金属磨损和接触疲劳,3、材料的表面改性与强化,a）机械加工强化 不改变表面的化学成 分，通过加工过程改变 材料表面的组织结构、力学性能或几何形貌来 达到强化的目的。,第七章 金属磨损和接触疲劳,3、材料的表面改性与强化,b）表面热处理（淬火）利用快速加热使零件表面迅速升至奥氏体化温度以上，然后快速冷却获得马氏体组织，使零件获得高硬度及良好耐磨性的表面，而心部仍为韧性较高的原始组织。,火焰加热表面淬火感应加热表面淬火高能束（激光束、电子束和等离子束）表面淬火,第七章 金属磨损和接触疲劳,3、材料的表面改性与强化,c）扩散处理 依靠渗入或注入某些元素的方法来改变表面的化学成分，从而使表面得以强化。,表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硫、渗硼、渗金属（铝、锌、硅、铬、钒等）及二元和多元共渗等。离子注入：通过把选定的离子（如碳、氮、硼、钛、铌等金属和非金属元素）注入到工件的表面，改变工件表面的成分、结构和性能，提高零件表面抗粘着、摩擦和磨损性能。,第七章 金属磨损和接触疲劳,3、材料的表面改性与强化,d）表面覆盖（涂层）处理 直接在材料表面进行镀、涂，或利用物理、化学方法在材料表面上形成一层强化层。,电镀化学镀气相沉积（化学和物理气相沉积）热喷涂（火焰、电弧喷涂和等离子喷涂）堆焊（电弧、埋弧、等离子堆焊等）激光熔敷浆液涂层胶粘涂层,第七章 金属磨损和接触疲劳,什么叫摩擦?什么叫磨损?它们之间有何关系？,答：两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。,第七章 金属磨损和接触疲劳,磨损有几种类型？举例说明它们的负荷特征，磨损过程及表面损伤形式。,“材料的硬度愈高，耐磨性愈好”，这种说法对吗？为什么？,答：一般情况下，在一定硬度范围内，硬度愈高，耐磨性愈好。但是，例如发生接触疲劳时，轴承钢硬度不总是与接触疲劳抗力成正比关系。发生微动磨损时，没有发现材料的微动疲劳强度与硬度存在着定量关系。,第七章 金属磨损和接触疲劳,“接触疲劳过程中，裂纹源总是在接触表面下产生”，这种说法对吗？为什么？,答：不对。一般情况下，裂纹起源于表面。但是，发生深层剥落时，裂纹源往往位于硬化层与心部的交界处。,第七章 金属磨损和接触疲劳,