材料的摩擦与磨损性能.ppt

1、第八章金属磨损和接触疲劳,第八章 金属磨损和接触疲劳,机器运转时机件间因相对运动产生的摩擦而磨损。,磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。,摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机件失效是磨损引起的。,因此，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。,磨损概念磨损过程耐磨性及试验方法提高耐磨性的措施,第七章 金属磨损和接触疲劳,1 磨损的基本概念,一、摩擦,两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势，接触面上具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦,摩擦力同

2、接触法向压力及摩擦系数成正比。,Fp,二、磨损,机件表面相接触并作相对运动时，由于摩擦使摩擦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。,1.定义,2.磨屑形成,磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。,静强度的基本理论也基本适用于磨损过程分析。,1 磨损的基本概念,磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。一旦磨屑形成，该过程就转入下一循环。,在磨损过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。如因表面材料的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。,

3、因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。,3.磨损曲线,4.磨损的基本类型,根据摩擦面损伤和破坏的形式,粘着磨损,磨料磨损,腐蚀磨损,疲劳磨损（接触疲劳）,1 磨损的基本概念,磨损类型在不同的条件下，可以发生转化,第七章 金属磨损和接触疲劳,2 磨损过程,一、粘着磨损 (Adhesive Wear),1.定义,粘着磨损是接触表面相互运动时，因固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成的磨损，又称咬合磨损。,2.产生的条件,滑动摩擦，相对滑动速度较小（钢小于1m/s）,缺乏润滑油,摩擦表面无氧化膜,单位法向载荷很大：接触应力超过实际接触点处的屈服强度,3.粘着磨损过程

4、及机理,表面局部凸起,载荷很小时，接触面局部应力很大，接触点发生塑性变形,若表面洁净，原子彼此接触很近，产生粘着（冷焊）,2 磨损过程,相对运动产生剪切力，导致粘着点断裂，发生材料转移或磨屑,粘着、剪 切、再粘着的交替过程就形成了粘着磨损。,4.分类,按工作温度分：,低温粘着磨损（冷焊）,高温粘着磨损（表面摩擦生热温度升高使相接触的材料直接焊合）,按粘结点的强度和磨损程度分,a）涂抹：当较软金属的剪切强度小于界面强度时， 剪切断裂发生在较软金属的浅表层内，材料从软金属 表面上脱落，又粘附(涂敷)在硬金属的表面上。,2 磨损过程,软材料表面出现微小的凹坑，硬材料表面形成微小凸起，使摩擦面变得粗糙

5、。,最终使不同材料的摩擦副滑动变成同材料间的滑动，磨损增大，甚至产生咬死现象。如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就同这种情况。,b）擦伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时， 剪切断裂发生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面 的粘着物，在摩擦表面的滑动方向上将软材料的表面 划伤，形成细而浅的划痕，使摩擦表面破坏。,c）刮伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时， 摩擦表面上形成的粘着物使另一摩擦表面沿滑动方向产生较深的划痕。,d）胶合：在摩擦力和摩擦热的作用下，摩擦表面出现较深的划痕和凹坑的磨损。胶合是擦伤和撕脱联合作用的结果。,e）咬死：当摩擦表面形成牢固的焊结结点时，外力克服不了结点界

6、面上的结合力，也不能使摩擦面双方剪 切破坏时，使摩擦副双方没有相对滑动。,2 磨损过程,5.粘着磨损的共同特征,出现材料迁移以及沿滑动方向形成程度不同的划痕,机件表面有大小不等的结疤。,6.磨损量的计算,在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度sc的三倍。,接触点真实面积为A，作用于表面上的法向力为F,假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点尺寸相同，则,2 磨损过程,设每一粘着点滑过距离d，则单位距离内粘着点数为,设粘着点成为磨屑几率为K，则单位距离内磨损体积,总的滑动距离lt 内磨损体积,材料的粘着磨损量与所加法向载荷、摩擦距离成正比；与

7、材料的硬度或强度成反比，而与接触面积大 小无关。,大部分粘结点不产生磨屑，即几率k 值远小于1,7.粘着磨损的影响因素,1）材料组织与性能（内因）,2 磨损过程,（1）点阵结构：体心立方和面心立方结构的金属发生粘着磨损的倾向高于密排六方结构。,（2）材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘着倾向越大。,（3）组织结构：单晶体的粘着性大于多晶体；单相金属的粘着性大于多相合金；固溶体比化合物粘着倾 向大。材料的晶粒尺寸越小，粘着磨损量越小。,（4）塑性材料比脆性材料易于粘着；金属/金属组成的摩擦副比金属/非金属的摩擦副易于粘着。,2）工作环境（外因）,（1）在摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的

8、增大而增加。一般情况下，应小于硬度的1/3。,（2）在接触压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后，又随滑动 速度的增加而减小。,（3）降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力。但粗糙度过低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促进 粘着。,2 磨损过程,（4）提高温度和滑动速度，粘着磨损量增加。,（5）良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。,二、磨粒磨损 (Abrasive Wear),1.概念:,摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面向存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。,2.分类:,1)按接触条件或磨损表面数量分,（1）两体磨粒磨损：磨料直接作用于被

9、磨材料的表面，磨粒、材料表面各为一物体，如挫削过程。,（2）三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。磨粒为一物体，两材料为两物体，磨粒可以在两表面 间滑动，也可以滚动，如抛光过程。,2 磨损过程,2）按磨料所受应力大小,（1）低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应力不超过磨料的压碎强度，材料表面为轻微划伤。,（2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨粒与材料表面接触处的最大压应力大于磨料的压碎强度，磨粒不断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球等。,（3）凿削式磨粒磨损：磨粒对材料表面有高应力冲击式的运动，从材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如 挖掘机斗齿、破碎机锤头等。,3）按材料的相对硬度分,（1）软磨粒磨损：材料

10、硬度与磨粒硬度之比大于0.8。,（2）硬磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比小于0.8。,4）按工作环境分,（1）普通型磨粒磨损：正常条件下,2 磨损过程,（2）腐蚀磨粒磨损：腐蚀介质中,（3）高温磨粒磨损：高温下,3.磨粒磨损的过程与机理,磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。,4.特征,摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽,5.磨损量的计算,1966年Rabinowicz以两体磨粒磨损为例，估算切削磨损量,磨粒磨损中的颗粒为圆锥体,被磨材料为不产生任何变形的刚体,磨损过程为滑动过程,当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接触

11、面积等于软材料的压缩屈服强度时，磨粒的压入就会停止,2 磨损过程,磨粒切削下来的材料体积,材料的屈服强度与硬度成正比,表明在一定磨粒条件下，磨损体积与所加的载荷成正比，而 与材料的硬度成反比。,6.磨粒磨损的影响因素,1）材料性能,a.硬度：,一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨损能力也越高。,（1）对纯金属和各种成分未经热处理的钢，耐磨性与材料的硬度成正比。,2 磨损过程,（2）对经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关系，但直线的斜率比纯金属为小。,（3）通过塑性变形虽能使钢材加工硬化、提高钢的硬度，但不能改善其抗磨粒磨损的能力。,2)断裂韧性,3)显微组织,(1)钢： M耐磨性好, F因

12、硬度太低，耐磨性最差,(2)H相同,下贝氏体耐磨性高于回火马氏体。,(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；在硬基体上分布碳化物反而损害材料的耐磨性。,4)晶粒尺寸：细化晶粒，提高耐磨性。,2 磨损过程,5)磨粒性能,区：软磨粒，材料通过表面严重变形、疲劳而发生的, 硬度是次要因素。,区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形成沟槽产生磨损，硬度是控制因素,(1)磨粒的硬度,区：过渡区,A点Ha/H=0.71.1，B点Ha/H=1.31.7；在AB之间，H增加，磨损量下降，所以要降低磨损速率，必须使H/Ha1.3,(2)磨粒尺寸,磨粒大小对耐磨性的影响， 存在一个临界尺寸。,2

13、磨损过程,(3)磨粒形状,尖锐磨粒造成的磨损量高于同样条件下的多角型和圆型磨粒产生的磨损量,三、接触疲劳,1、现象,接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压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材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称表面疲劳磨损或麻点磨损。,2、特征,宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。,2 磨损过程,3、分类,按剥落裂纹的起始位置及形态分为：,麻点剥落(点蚀)：深度在0.2mm以下的小块剥落， 常呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称V形。,浅层剥落: 深度0.20.4mm，

14、剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。,深层剥落(表面压碎): 深度和表面强化层深度相当， 裂纹走向与表面垂直。,4.接触应力的概念,1）定义,两物体相互接触时在局部表面产生的压应力称为接触应力，也叫赫兹应力,2 磨损过程,2）分类,(1) 线接触应力,设有两圆柱体，半径分别为Rl、R2，长度为L。末变形前两者是线接触；,施加法向力多后，因弹性变形成为面接触，接触面积为2bL。,接触压应力z沿y轴按半椭圆规律分布；在接触中心(y0)处，z达到最大值。,在一定的接触深度范围内， zy x ，超过该深度z x y,2 磨损过程,相应的最大切应力为:,其中zy45最大，其值在离表面一定

15、距离Z=0.786b处达到最大。,(2) 点接触应力,在纯滚动条件下，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。,接触面为椭圆时，如滚珠与轴承套圈接触，接触应力按半椭圆球规律分布。,最大剪应力max 发生在离表面一定距离Z=0.786b处。,球与球或球与平面接触时，接触面为圆形。,球与平面接触时，最大剪应力发生在Z=0.786b处。,球与球接触时，最大剪应力发生在Z=0.5b处。,2 磨损过程,对于滚动加滑动条件下：,滑动产生的切向摩擦力与接触应力场叠加，摩擦力和zy45叠加的最大综合切应力的最大值从z=0.786b处向表面移动，当摩擦系数大于0.1时，将移动到表面。,因滚动

16、接触应力为交变应力，因而对接触面上某一位置，其亚表层受0max 重复循环应力作用，应力半幅为0.5max ，即为(0.150.16) max 。,在交变剪应力的影响下，裂纹容易在最大剪应力处成核，并扩展到表面而产生剥落，在零件表面形成 针状或豆状凹坑，造成疲劳磨损。,5.疲劳磨损机理,1）麻点剥落,a.在表面最大综合切应力的反复作用下，在材料表面的局部区域产生塑性变形，由于损伤的积累，当最大综合切应力超过抗剪强度时产生裂纹。,2 磨损过程,在纯滚动条件下，裂纹扩展方向与max 方向(450倾角)一致,b. 在连续滚动接触过程中润滑油反复进入裂纹内，并被封闭，产生高压导致裂纹扩展。,c. 裂纹扩

17、展到一定程度，尖端应力集中，产生与主裂纹垂直的二次裂纹,d. 润滑油进入二次裂纹中，使其向表面扩展,e. 裂纹扩展到表面形成不对称V字形凹坑。,表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）时，易产生麻点剥落。,前者是因为表面最大综合切应力较高，后者则是材料抗剪强度较低所致。,2 磨损过程,2）浅层剥落,a. 在和最大综合切应力相当的位置0.5或0.786b处产生塑变,b. 在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。,裂纹常出现在非金属夹杂物附近，裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展,c.在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成

18、一倾角的二次裂纹。二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。,形成底部大致和表面平行，而其侧面的一侧与表面约成 450，另一侧垂直于表面的凹坑。,2 磨损过程,3）深层剥落（压碎性剥落）,a.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,b.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。,6.影响接触疲劳寿命的因素,1）非金属夹杂物,脆性的、带有棱角的非金属夹杂（如硅酸盐等）在和基体的交界处由于塑性变形不协调，产生应力集中，导

19、致在夹杂物边缘产生裂纹。,塑性夹杂物(硫化物)可以与基体一起变形，当硫化物把氧化物夹杂包裹形成共生夹杂物时，可以降低氧化物的不良影响。,2 磨损过程,2）热处理组织,a. M的含碳量,对于轴承钢，在未溶碳化物状态相同的条件下，M含碳量在0.40.5左右最好。,b. M和残余奥氏体的级别,残余奥氏体越多，M针越大表层的压应力越小，渗碳层强度越低，易于产生裂纹。,c. 未溶碳化物的大小,碳化物越粗大，相邻M边界含碳量越高，易形成裂纹。,3） 表面硬度与心部硬度,a. 表面硬度,2 磨损过程,表面脱碳可以降低表面的硬度，同时易生成非马氏体组织，在表面形成拉应力，降低接触疲劳寿命。,若表面脱碳层很薄（

20、0.10.3mm)，表面易于塑变，增加接触面积，降低应力集中，反而有利于提高接触疲劳寿命,b. 心部硬度,心部硬度太低，应力梯度增大，易在过渡区形成裂纹，造成深层剥落（渗碳齿轮心部3540HRC）,4） 表面硬化层深度,最佳硬化层深度：,第七章 金属磨损和接触疲劳,3 耐磨性及其测量方法,一、材料的耐磨性,耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。,1. 磨损量：,线磨损量；体积(质量)磨损量；比磨损量,2. 相对耐磨性,3. 磨损系数,二、磨损试验方法,1.销盘型试验机,可用来评定各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能，可做

21、磨粒磨损和粘着磨损试验。,2.环块型磨损试验机,可测定金属及非金属材料（如尼龙、塑料）在滑动状态下的耐磨性能,3 耐磨性及其测量方法,环形试样安装在主轴上，顺时针转动，块形试样安装在夹具上。,测量环形试样的失重和块状试样的磨痕宽度，分别计算体积磨损量。,3.往复运动型试验机,试样在静止平面上作往复运动，可评定往复运动的机件，如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性,4.滚子型磨损试验机,用来测定金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量,5.快速磨损试验机,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,第八章 金属磨损和接触疲劳,4 提高材料耐磨性的途径,一、

22、减轻粘着磨损的主要措施,(1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料;表面易形成化合物的材料。,(2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。,(3) 为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方

23、的硬度。,第八章 金属磨损和接触疲劳,4 提高材料耐磨性的途径,一、减轻粘着磨损的主要措施,(1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料;表面易形成化合物的材料。,(2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。,(3) 为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较

24、软方材料表层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。,4 提高材料耐磨性的途径,(4)控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。,二、减轻磨粒磨损的主要措施,(1) 对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。,如低应力擦伤磨粒磨损：选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料,（2）对于以塑性变形、塑性变形后疲劳破坏、脆性断裂主要机理的磨粒磨损应增加材料韧性对耐磨性有益。,(3) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料：,重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体 如农用耕机中刮刀、耙片、犁铧,

25、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。,(4) 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 提高材料耐磨性的途径,(5) 就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。如铬钢，消除基体中初生碳化物，并使其均匀弥散分布，提高钢中碳化物体积分数，均能显著提高材料的耐磨性。,(6)钢中适量残余奥氏体组织能增加基体韧性。给碳化物以支承，受摩擦时还能部分转变为马氏体组织，提高材料硬度，从而提高其抗磨粒磨损能力。,(7) 经常注意机件防尘和清洗,三、腐蚀磨损磨损过程中，摩擦副间或者摩擦

26、副表面与环境介质发生化学或者电化学反应形成腐蚀产物形成腐蚀产物及其脱落所引起的腐蚀。腐蚀磨损机械磨损腐蚀机械磨损氧化磨损 1. 过程：机件表面有氧的吸附层，摩擦副做相对运动时，由于表面凸凹不平，局部压应力很大，产生塑性变形加速氧向内部扩散，形成氧化膜强度低，摩擦时剥落新鲜表面再氧化、再磨掉。,2. 特征：,磨损速率最小， 属正常磨损,摩擦面上沿滑动方向呈匀细磨痕，产物为红褐色Fe2O3或者灰黑色Fe3O4,3. 影响因素：,表层塑性变形抗力；氧气于金属中扩散速率；膜性质、厚度与基体结合程度；摩擦时接触压力，滑动速度，温度等等,微动磨损,1. 现象：在机器的嵌和部几紧配合处，由于外部载变动或者振动产生微小的滑动，这种由于接触面间产生小振幅的相对振动或相对往复运动而导致的磨损。,2. 特点：接触区存在大量红褐色Fe2O3粉末。,