材料与材料性能(第七章)课件.ppt
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1、,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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、: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
10、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
11、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,
12、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,
13、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
14、 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
15、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
16、 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1
17、958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
18、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
19、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.
20、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,
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