第07章 金屬磨損與接觸疲勞

1、5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院1第七章第七章 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院2n磨損是降低機器和工具效率、精確度甚至報廢的原因，磨損是降低機器和工具效率、精確度甚至報廢的原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。摩擦也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約80%的機的機件失效是磨損引起的。件失效是磨損引起的。n因此，研究磨損規(guī)律，提高機件的耐磨性，對節(jié)約能因此，研究磨損規(guī)律，提高機件的耐磨性，對節(jié)約能源、減少材料消耗、延長機件壽命具有重

2、要意義。源、減少材料消耗、延長機件壽命具有重要意義。n本章重點討論機件中常見的磨損形式，介紹其機理和本章重點討論機件中常見的磨損形式，介紹其機理和影響磨損速率的因素，并從材料學角度研究控制磨損影響磨損速率的因素，并從材料學角度研究控制磨損的途徑。的途徑。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院3第一節(jié)第一節(jié) 磨損概念磨損概念n一、磨損一、磨損n定義：定義：機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸機件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失，導致機件尺寸變化和質(zhì)量損失，造成表面損傷失，導致機件尺寸變化和質(zhì)量

3、損失，造成表面損傷的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n磨損的影響因素：磨損的影響因素：n摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運動性（方式和速度）以及工作溫度。動性（方式和速度）以及工作溫度。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院4 機件的正常磨損通常分為三個階段：機件的正常磨損通常分為三個階段：5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院5n（1）跑合階段跑合階段：摩擦表面逐漸被磨平，：摩擦表面逐漸被磨平，實際的接觸面積增大，磨損速率逐漸減實際的接觸面積增大，磨損速率逐漸減小。小。n（2）穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段：在跑合階段跑合：在跑合階段跑合的越

4、好，穩(wěn)定磨損階段的磨損速率就越的越好，穩(wěn)定磨損階段的磨損速率就越低。低。n（3）劇烈磨損階段劇烈磨損階段：空隙增大，機件：空隙增大，機件失效。失效。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院6第二節(jié)第二節(jié) 磨損模型磨損模型n一、粘著磨損一、粘著磨損n 二、磨粒磨損二、磨粒磨損n 三、腐蝕磨損三、腐蝕磨損5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院7一、粘著磨損一、粘著磨損n磨損機理磨損機理n粘著磨損定義：粘著磨損定義：又稱咬合磨又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較小當摩擦副相對滑動速度較?。ㄤ撔∮冢ㄤ撔∮?m/s）時發(fā)生的。）時發(fā)生的。n這

5、是由于缺乏潤滑油，摩擦副表這是由于缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實際接觸大，以致接觸應(yīng)力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院8n摩擦副表面上總存在局部凸起，當摩擦副表面雙摩擦副表面上總存在局部凸起，當摩擦副表面雙方相互接觸時，即使施加較小載荷，在真實接觸方相互接觸時，即使施加較小載荷，在真實接觸面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。n如果接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則接觸面的原如果接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則接觸面的原

6、子彼此十分接近而產(chǎn)生強烈粘著（冷焊）。子彼此十分接近而產(chǎn)生強烈粘著（冷焊）。n隨后在繼續(xù)滑動時，粘著點被剪切斷并轉(zhuǎn)移至一隨后在繼續(xù)滑動時，粘著點被剪切斷并轉(zhuǎn)移至一方金屬表面，然后脫落形成磨屑。方金屬表面，然后脫落形成磨屑。n一個粘著點斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后一個粘著點斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過程。也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過程。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院9右圖是粘著點強度比摩擦副一右圖是粘著點強度比摩擦副一方金屬強度高的情況，方金屬強度高的情況，此時常在較軟一方體內(nèi)產(chǎn)生剪此時常在較軟一方體內(nèi)產(chǎn)生剪斷，其碎片轉(zhuǎn)移至較硬一

7、方的斷，其碎片轉(zhuǎn)移至較硬一方的表面上，表面上，軟方金屬在硬方表面逐步累積軟方金屬在硬方表面逐步累積最終不同金屬的摩擦副滑動成最終不同金屬的摩擦副滑動成為金屬間的滑動，為金屬間的滑動，所以磨損量較大，表面較粗糙，所以磨損量較大，表面較粗糙，可能產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。可能產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院10n(1) 摩擦副配對材料的選擇摩擦副配對材料的選擇n基本原則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性基本原則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。等配對。n(2

8、) 采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減輕粘著磨損。減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進行如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。n(3) 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨損控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨損大為減輕。大為減輕。改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，以增強氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接的結(jié)合能力，以增強氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。接觸，以及降低表面粗糙

9、度等也都可以減輕粘著磨損。改善粘著磨損耐磨性的措施改善粘著磨損耐磨性的措施5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院11二、磨粒磨損二、磨粒磨損n1. 磨粒磨損機理磨粒磨損機理n磨粒磨損是當摩擦副一方表磨粒磨損是當摩擦副一方表面存在堅硬的細微突起，或面存在堅硬的細微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院12n主要特征是摩擦面上有主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽，明顯犁皺形成的溝槽，見右圖。見右圖。n在磨粒磨損時，對于在磨粒磨損時，對于韌韌性金屬性金屬材料，每一磨粒材料，

10、每一磨粒從表面上切下的是一個從表面上切下的是一個連續(xù)屑連續(xù)屑；對于；對于脆性金屬脆性金屬材料，一個磨粒切下的材料，一個磨粒切下的是是許多新屑許多新屑。n。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院133. 改善磨粒磨損耐磨性的措施改善磨粒磨損耐磨性的措施n(1) 對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度，這是提高耐磨性最有效的措施。度，這是提高耐磨性最有效的措施。n(2) 根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)力沖擊載荷下，要選用高錳鋼力沖擊載荷下，要選用高錳鋼Mn13，利用其高韌

11、性和高，利用其高韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。的加工硬化能力，可提高耐磨性。n(3) 采用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理，提高表面硬度，采用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨損耐磨性。也能有效提高磨粒磨損耐磨性。n(4) 經(jīng)常注意機件防塵和清洗，防止大于經(jīng)常注意機件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進入微米磨粒進入接觸面，也是有效措施。接觸面，也是有效措施。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院14n在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形發(fā)生化學或電化學反應(yīng)形

12、成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成與脫落引起成與脫落引起腐蝕磨損腐蝕磨損。n腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機械磨損（粘著磨損或腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機械磨損（粘著磨損或磨粒磨損）共存，故又稱磨粒磨損）共存，故又稱腐蝕機械磨損腐蝕機械磨損。三、腐蝕磨損三、腐蝕磨損n1. 氧化磨損氧化磨損n2. 微動磨損微動磨損n3. 沖蝕磨損（又稱氣蝕）沖蝕磨損（又稱氣蝕）n4. 特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損分類：分類：5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院15（一）氧化腐蝕機理（一）氧化腐蝕機理n大氣中的機件表面總有一層氧的吸附層，當摩擦副作大氣中的機件表面總有一層氧的吸附層，當摩擦副作相對運動時，由于

13、表面凹凸不平，在凸起部位單位壓相對運動時，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金力很大，導致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴散，從而形成了氧化膜。屬內(nèi)部擴散，從而形成了氧化膜。n氧化腐蝕過程：氧化腐蝕過程：由于形成的氧化膜強度低、在摩擦副由于形成的氧化膜強度低、在摩擦副繼續(xù)作相對運動時，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝繼續(xù)作相對運動時，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨去。去。n如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損。如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨

14、損。n宏觀特征：宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院16（二）微動磨損機理（二）微動磨損機理n在機器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖在機器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動載荷和振動然沒有宏觀相對位移，但在外部變動載荷和振動的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動。的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動。n這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為微動。這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為微動。n接觸表面之間因存

15、在小振幅相對振動或往復運動接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復運動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。n特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的磨損產(chǎn)物為黑色。磨損產(chǎn)物為黑色。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院17第四節(jié)第四節(jié) 金屬接觸疲勞金屬接觸疲勞n（一）接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力（一）接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力n接觸疲勞定義：接觸疲勞定義：n是機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動是機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在摩擦時，在交變接觸壓應(yīng)力交變接觸壓應(yīng)力長期作用長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部下

16、，材料表面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損表面疲勞磨損或疲勞磨損或疲勞磨損。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院18根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破壞分為：壞分為：n(1) 麻點剝落（點蝕）麻點剝落（點蝕）n (2) 淺層剝落淺層剝落n (3) 深層剝落（表面壓碎）深層剝落（表面壓碎）5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院19三、接觸疲勞破壞機理三、接觸疲勞破壞機理n（一）麻點剝落（一）麻點剝落n表面接觸應(yīng)力較小、表面

17、接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如表面有脫量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）地，易產(chǎn)夾雜物等）地，易產(chǎn)生麻點剝落。生麻點剝落。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院20n（二）淺層剝落（二）淺層剝落n在接觸應(yīng)力反復作用下，塑性變形反在接觸應(yīng)力反復作用下，塑性變形反復進行，使材料局部弱化，遂在該處復進行，使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。形成裂紋。n裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，所裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，所以裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表以裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表面擴展，而后在滾動及摩擦力作用下面擴展，而后在滾動及

18、摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋。又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋。n二次裂紋擴展至表面，另一端則形成二次裂紋擴展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復彎曲發(fā)生彎斷，從而懸臂梁，因反復彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。形成淺層剝落。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工程學院21（三）深層剝落（壓碎性剝落）（三）深層剝落（壓碎性剝落）n深層剝落的初始裂紋經(jīng)常深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表面硬化機件的在表面硬化機件的過渡區(qū)過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，該處切應(yīng)力雖不內(nèi)產(chǎn)生，該處切應(yīng)力雖不是最大，但因過渡區(qū)是弱是最大，但因過渡區(qū)是弱區(qū)，切應(yīng)力可能高于材料區(qū)，切應(yīng)力可能高于材料材料強度而在該處產(chǎn)生裂材料強度而在該處產(chǎn)生裂紋。紋。n裂紋形成后先平行于表面裂紋形成后先平行于表面擴展，即沿過渡區(qū)擴展，擴展，即沿過渡區(qū)擴展，而后再垂直于表面擴展，而后再垂直于表面擴展，最后形成較深的剝落坑。最后形成較深的剝落坑。5/9/2022安徽工業(yè)大學 材料科學與工