第07章金屬磨損和接觸疲勞-材料力學(xué)性能

第七章金屬磨損和接觸疲勞機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時，相互接觸的機(jī)器零件總要相互運(yùn)動，產(chǎn)生滑動、滾動、滾動＋滑動，都會產(chǎn)生摩擦，引起磨損。如：軸與軸承、活塞環(huán)與氣缸、十字頭與滑塊、齒輪與齒輪之間經(jīng)常因磨損和接觸疲勞，造成尺寸變化，表層剝落，造成失效。

有摩擦必將產(chǎn)生磨損，磨損是摩擦的必然結(jié)果。1

磨損是降低機(jī)器和工具效率、精確度甚至使其報廢的重要原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界能源的1／3～1／2消耗于摩擦，大約80％的機(jī)件失效是磨損引起的。汽車傳動件的磨損和接觸疲勞是汽車報廢的主要原因，所以，耐磨成了汽車檔次的一個重要指標(biāo)。研究磨損規(guī)律，提高機(jī)件耐磨性，對節(jié)約能源，減少材料消耗，延長機(jī)件壽命具有重要意義。2§7-1磨損概念

一、摩擦與磨損現(xiàn)象1、金屬表面形貌和性質(zhì)⑴金屬表面形貌

◆金屬表面無論經(jīng)過何種精密加工，表面總不會是完全平滑的。

◆表面由波峰和波谷組成，峰骨起伏程度越大，表面越粗糙。

◆對磨損來說，除峰高和谷深對磨損有影響外，峰頂?shù)那拾霃?、坡度以及谷的形狀也有很重要的影響。如圖所示3⑵金屬表面的結(jié)構(gòu)和組織金屬表面因加工過程和處于其中的介質(zhì)不同，使金屬表面有不同的結(jié)構(gòu)和組織。如圖所示◆在最表面因環(huán)境中的油污、灰塵等形成的污染膜，厚度可達(dá)幾百埃；◆因加工過程中的熱量和塑性變形產(chǎn)生的加工變質(zhì)層（又稱畢氏層）。磨削量越大，冷卻條件越差，則此層越厚，精磨達(dá)0.055μm，粗車可達(dá)10μm；

◆由于與空氣中氧作用生成金屬氧化膜，其厚度可達(dá)100～200埃；4◆由于表面的原子與金屬基體內(nèi)部的原子所處環(huán)境不同，具有較高的能量。因此，對周圍介質(zhì)中存在的分子有較強(qiáng)的吸引力，通過物理或化學(xué)的吸附形成氣體分子或液體分子吸附層。該層厚度可從幾十埃到幾千埃之間變化；◆在金屬表面內(nèi)部有塑性變形層（金相觀察時，稱擾亂層），厚度及變形程度視變形能量不同而變化；

◆金屬表面層還存在著殘余應(yīng)力。

表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和組織殘余應(yīng)力均對磨損產(chǎn)生影響。如氧化膜可減少磨損，殘余應(yīng)力加劇磨損。52、摩擦兩個相互接觸的物體作相對運(yùn)動或有相對運(yùn)動趨勢時，接觸表面之間就會出現(xiàn)一種阻礙運(yùn)動或運(yùn)動趨勢的力，這種現(xiàn)象成為摩擦。這種作用在物體上并與物體運(yùn)動方向相反的阻力稱為摩擦力。最早根據(jù)干摩擦的試驗(yàn)，得到摩擦力F正比于兩物體之間的正壓力（法線方向）N的經(jīng)典摩擦定律，即F=μN(yùn)，式中μ稱為摩擦系數(shù)。

這個定律只對低速度、低載荷的干摩擦情況是正確的，然而在許多場合下還是被廣泛應(yīng)用。6

摩擦力來源于兩個方面：◆因微觀表面凸凹不平，實(shí)際接觸面積極少(大致在1/10000～1/10的范圍內(nèi)變化)，這部分的接觸應(yīng)力很大，造成塑性變形而引起表面膜（潤滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使兩種金屬原子結(jié)合（冷焊）；

◆由于微觀表面凸凹不平，導(dǎo)致一部分阻止另一部分運(yùn)動（機(jī)械阻力）。要使物體繼續(xù)移動，就必須克服這兩部分阻力。7

用來克服摩擦力所做的功一般都是無用功，在機(jī)械運(yùn)動中常以熱的形式散發(fā)出去，使機(jī)械效率降低。減小摩擦偶件的摩擦系數(shù)，可以降低摩擦力，即可以保證機(jī)械效率，又可以減少機(jī)件磨損。而要求增加摩擦力的情況也很多，在某些情況下卻要求盡可能增大摩擦力，如車輛的制動器、摩擦離合器等。8

潤

滑摩擦吸收了機(jī)器中的大量功，這部分功大多在滑動表面上轉(zhuǎn)化為熱，它可以損傷甚至熔化軸承，為使摩擦力最小，需使接觸表面盡可能容易地滑動。要做到這點(diǎn)，一種顯而易見的辦法是在接觸部分涂抹上一層物質(zhì)，它即能承受軸承的表面壓力，以防止原子-原子間的接觸，又應(yīng)該容易切過自身，從而減小摩擦阻力。93、磨損

⑴定義：機(jī)件表面接觸并作相對運(yùn)動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑（松散的尺寸與形狀均不相同的碎屑），使表面材料逐漸損失（導(dǎo)致機(jī)件尺寸變化、重量損失）、造成表面損傷的現(xiàn)象，稱為磨損。摩擦和磨損是物體相互接觸并作相對運(yùn)動時伴生的兩種現(xiàn)象，摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的必然結(jié)果。10⑵磨損是一個復(fù)雜的過程：磨屑的形成是金屬表面變形和斷裂過程。金屬磨損是發(fā)生在兩相對運(yùn)動的表面之間的一個非常復(fù)雜的過程。

◆當(dāng)兩個相互接觸的物體在壓力作用下，金屬表面發(fā)生彈性變形及塑性流動時，使表面膜破壞，暴露出未經(jīng)任何氧化及被油污染的金屬。這部分原子之間的活性特別強(qiáng)，很容易粘合（冷焊）在一起。

◆在切向力的作用下會剪斷，并粘附在其中一個表面上，而去磨另一表面。11

◆如果粘附現(xiàn)象發(fā)展的很嚴(yán)重，驅(qū)動力無法將其克服，就會發(fā)生咬合現(xiàn)象(如生產(chǎn)中的抱軸)。

◆當(dāng)速度或載荷高時，摩擦表面溫度會升高，使表面層發(fā)生回火，甚至二次淬火。同時周圍介質(zhì)中的氧和氮以及潤滑油中的碳會向金屬內(nèi)擴(kuò)散，形成固溶體或化合物，并使其變脆而脫落，脫落的顆粒成為磨粒又可能去磨損摩擦表面。所以磨損的過程不是簡單的力學(xué)過程，而是物理的、力學(xué)的和化學(xué)過程極為復(fù)雜的綜合，是極為錯綜復(fù)雜的過程。12⑶影響磨損的因素：摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運(yùn)動性（方式和速度）以及工作溫度。（如圖所示）⑷磨損過程機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程一般分為三個過程。如圖所示

跑合階段（磨合階段）：磨損速率逐漸減少。

穩(wěn)定磨損階段：磨損速率恒定；大多數(shù)機(jī)械零件均在此階段服役。

劇烈磨損階段：磨損速率急劇增大。13二、耐磨性1、分類：機(jī)件表面的磨損不是簡單的力學(xué)過程，而是物理的、力學(xué)的和化學(xué)過程極為復(fù)雜的綜合。理論上還不成熟，因此，分類方法也不統(tǒng)一。

按磨損的破壞機(jī)理，磨損可分為：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損（接觸疲勞）、腐蝕磨損。

按機(jī)件表面磨損狀態(tài)，磨損可分為：連續(xù)磨損、粘著磨損、疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動磨損、表面塑性流動。142、耐磨性⑴定義：耐磨性是材料抵抗磨損的性能。通常用磨損量來表示，磨損量越小，耐磨性越高。⑵磨損量的表示方法：有線磨損、體積磨損、質(zhì)量磨損、比磨損量、相對耐磨性（ε）。材料的耐磨性與摩擦系數(shù)并無直接關(guān)系，摩擦系數(shù)低，并不意味著耐磨性高。15§7-2磨損模型一、粘著磨損1、磨損機(jī)理粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對滑動速度較小（鋼小于1m/s）時發(fā)生的。它是因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損，其表面形貌如圖7-2所示。16形成粘著點(diǎn)后的分離部位，可能有二種情況如圖所示：粘著點(diǎn)，粘著點(diǎn)兩側(cè)（取決于強(qiáng)度），以粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比摩擦偶件的兩基體金屬都弱，則磨損極為輕微。若剪切應(yīng)力低于粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度時，兩摩擦偶件會產(chǎn)生咬死而不能相對運(yùn)動。如：不銹鋼螺栓與不銹鋼螺母在擰緊過程中就經(jīng)常發(fā)生這種現(xiàn)象。

若摩擦偶件只受法向載荷作用，且存在表面薄膜（如油膜、氧化膜等），則不易產(chǎn)生粘著。172、磨損量的計算（簡介）在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，所以接觸壓縮強(qiáng)度近似為單向壓縮屈服強(qiáng)度σsc的三倍。如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過3σsc產(chǎn)生塑性變形，隨后因加工硬化而使變形終止。設(shè)接觸點(diǎn)真實(shí)面積為A，接觸壓縮屈服強(qiáng)度為3σsc，作用于表面上的法向力為F，則有：假定磨屑為半球形，直徑為d，任一瞬時有n個粘著點(diǎn)，所有粘著點(diǎn)尺寸相同，直徑也是d，則所以18再假設(shè)每一粘著點(diǎn)滑過距離也為d，則單位滑動距離內(nèi)形成的粘著點(diǎn)數(shù)N為假設(shè)磨屑的形成機(jī)率為K，則單位滑動距離內(nèi)的磨損體積為：

所以：積分上式，且強(qiáng)度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動距離內(nèi)的粘著磨損體積為：19式中l(wèi)t－總滑動距離α－系數(shù)H－材料硬度上式表明，粘著磨損體積磨損量與法向力、滑動距離呈正比，與軟方材料的壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）呈反比，而與表觀接觸面積無關(guān)。

如果壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）較高，則因其難于塑性變形不易粘著轉(zhuǎn)移而使磨損減小。20

如果壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）一定，材料塑性較好，則在相同法向力條件下可以產(chǎn)生較大塑性變形，使真實(shí)接觸面積增加，因降低了單位面積上的法向力也可減小磨損量，此即意味著材料的磨損量與塑性呈反比。上式又可改寫成：式中δ－材料的斷后伸長率。σsc與δ的乘積為材料的韌性?？梢姡持p的體積磨損量隨較軟一方材料的壓縮屈服強(qiáng)度和韌性增加而減小。其實(shí)，從粘著磨損機(jī)理來看，增加硬度能減少磨損，但在材料韌性增加時，由于延緩斷裂過程，所以也能使磨損量減少。213、影響因素⑴材料◆塑性材料比脆性材料易于粘著?！艋ト苄源蟮牟牧辖M成的摩擦副粘著傾向大?！魡蜗嗪辖鸨榷嘞嗪辖鹫持鴥A向大。

◆固溶體比化合物粘著傾向大。

◆金屬與金屬組成的摩擦副比金屬與非金屬組成的摩擦粘著傾向大。22⑵外力摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力增大而增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)接觸壓應(yīng)力超過材料硬度H的1/3時，粘著磨損量急劇增加，嚴(yán)重時會產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。因此，設(shè)計時選擇的許用應(yīng)力必須低于材料硬度值的1/3，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。⑶滑動速度

隨摩擦速度增大粘著磨損量增加，但達(dá)到某一極限值后又隨滑動速度增加而減小。23⑷其它

◆表面粗糙度：降低表面粗糙度將增加抗粘著磨損能力，過低將導(dǎo)致潤滑油難于儲存在摩擦面內(nèi)而促進(jìn)粘著。

◆表面溫度：其影響與滑動速度一致。◆潤滑狀態(tài)：好的潤滑狀態(tài)將顯著降低粘著磨損量。244、改善粘著磨損耐磨性的措施磨損是造成材料損耗的主要原因，也是機(jī)件三種主要失效形式（磨損、腐蝕、斷裂）之一。金屬材料的磨損主要是發(fā)生在表面的變形和斷裂過程，所以，提高摩擦副表面的強(qiáng)度（或硬度）和韌性，可以提高耐磨性。對粘著磨損而言：⑴注意摩擦副配對材料的選擇。如，滑動軸承選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對。25⑵采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)。滲硫、滲磷、滲氮等方法，使表面形成一層化合物或非金屬層，避免摩擦副直接接觸，既降低原子之間的結(jié)合力，又減小摩擦系數(shù)，可防止粘著。⑶控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力。⑷改善潤滑條件，提高氧化膜與基體的結(jié)合力，可以阻止金屬之間直接接觸、增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性。從而提高耐磨性。26二、磨粒磨損1、磨損機(jī)理⑴定義：當(dāng)摩擦副一方表面堅硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著堅硬粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。前者為兩體磨損，后者為三體磨損。如圖所示⑵分類按所受應(yīng)力的大小不同，可分為：

◆低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損：它的特點(diǎn)是磨料作用于零件表面的應(yīng)力不超過磨料的壓潰強(qiáng)度，材料表面被輕微劃傷。生產(chǎn)中的犁鏵，及煤礦機(jī)械中的刮板輸送機(jī)溜槽磨損情況就是屬于這種類型。27

◆高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損：其特點(diǎn)是磨料與零件表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度。生產(chǎn)中球磨機(jī)襯板與磨球，破碎式滾筒的磨損便是屬于這種類型。

◆鑿削式磨粒磨損：其特點(diǎn)是磨料對材料表面有大的沖擊力，從材料表面鑿下較大顆料的磨屑，如挖掘機(jī)斗齒及顎式破碎機(jī)的齒板。⑶特征：

摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽。如圖所示28⑷磨損機(jī)理與特點(diǎn)：

磨粒與摩擦表面之間的相互作用，與機(jī)械加工中切削刀具與工件的相互作用類似。

對于韌性材料：◆在銳刃的硬粒子作用下，每一磨粒從表面切下的是一個連續(xù)的屑。◆在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下，只能被犁皺，形成溝槽。

對于脆性材料：◆在銳刃的硬粒子作用下，一個磨粒切下的是許多斷屑。◆在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下，溝槽是由裂紋擴(kuò)展和表面材料呈碎片脫落而引起的。292、磨損量的計算現(xiàn)以兩體磨粒磨損為例，推導(dǎo)以切削作用為主要磨粒磨損量計算式。根據(jù)模型（如圖所示），在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓入軟材料中。當(dāng)作用在一個凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強(qiáng)度時，則凸出部分或磨粒的壓入就會停止下來：30凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖中陰影部分），即磨損量V：由上兩式得：因金屬材料的屈服強(qiáng)度與硬度成正比，所以上式又可寫成：

(7-11)

(7-12)

31

可見，磨粒磨損量與法向力、摩擦距離呈正比，與材料硬度呈反比，同時還與硬材料凸出部分或磨粒的形狀有關(guān)。實(shí)際上：

◆因磨粒的棱面相對摩擦表面的取向不同，只有一部分磨粒才能切削表面產(chǎn)生磨屑；◆大部分磨粒嵌入軟材料中，使之產(chǎn)生塑性變形，造成擦傷或形成溝槽。

◆堆積在溝槽兩側(cè)的材料，只有在隨后的運(yùn)動過程中有一部分能形成磨屑。323、影響因素⑴材料硬度：硬度越高，抵抗磨粒磨損的能力越好。

相同硬度時，鋼中含碳量越高，碳化物形成元素越多，則耐磨性越好。如圖所示(2)斷裂韌度的影響，如圖所示

(3)顯維組織：M>F；相同硬度時，B下>M回；細(xì)化晶粒由于能提高屈服強(qiáng)度、硬度及靜載塑性，所以也提高耐磨性；碳化物：軟基體中分布時，提高耐磨性；硬基體中分布時，降低耐磨性。33(4)加工硬化對金屬材料抗磨粒磨損的影響，因磨損類型不同而有不同：

◆在低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損時，加工硬化對材料的耐磨性沒有影響；◆在高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損時，加工硬化能顯著提高耐磨性。(5)在磨粒硬度低于金屬硬度的軟磨粒磨損情況下，磨損機(jī)理將會變化，所以耐磨性的影響因素也會發(fā)生變化。如圖所示

磨粒磨損也有有利的一面，如：拋光、挫削、砂輪磨削、砂輪切割等。344、改善磨粒磨損耐磨性的措施⑴對于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度。這是提高耐磨性的最有效的措施。例如選用含碳較高的鋼并獲得馬氏體組織；如果磨粒磨損機(jī)理是塑性變形，或塑性變形后疲勞破壞（低周疲勞）、脆性斷裂，則提高材料韌性對改善耐磨性有益。此時用等溫淬火獲得下貝氏體（良好的硬度和韌性），消除基體初生碳化物，并使二次碳化物均勻彌散分布以及含有適量殘余奧氏體等都能改善抗磨粒磨損能力。35⑵根據(jù)機(jī)件服役條件，合理選擇耐磨材料。

◆在高應(yīng)力沖擊載荷下（顎式破碎機(jī)齒板粉碎難破碎礦石時），要選用高錳鋼，利用高韌性和高的硬化能力，可得到高耐磨性?！粼诨瑒咏佑|式連續(xù)性重載下（挖掘機(jī)刀頭），則應(yīng)選用硬質(zhì)合金、高鉻白口鑄鐵，或經(jīng)過二次硬化處理的基體鋼?！粼跊_擊載荷不大的低應(yīng)力磨損場合（車床主軸軸頭、水泥球磨機(jī)襯板、拖拉機(jī)履帶板等）用中碳低合金鋼并經(jīng)淬火回火處理，可得到適中的耐磨粒磨損性能。36⑶用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理提高表面硬度也能有效提高耐磨粒磨損性能。⑷防塵、清洗均對減輕磨粒磨損有效。經(jīng)常注意機(jī)件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進(jìn)入接觸面，也是有效措施。37三、腐蝕磨損在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成與脫落引起腐蝕磨損。腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機(jī)械磨損（粘著磨損或磨粒磨損）共存，故又稱腐蝕機(jī)械磨損。

分類：

氧化磨損、微動磨損、沖蝕磨損（又稱氣蝕）、特殊介質(zhì)腐蝕磨損（常見于化工機(jī)械，一般機(jī)械中比較少見）。38

（一）氧化磨損1、氧化膜的形成過程：大氣中的機(jī)件表面總有一層氧的吸附層，當(dāng)摩擦副作相對運(yùn)動時，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成了氧化膜。2、氧化腐蝕過程：由于形成的氧化膜強(qiáng)度低、在摩擦副繼續(xù)作相對運(yùn)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，隨著又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面逐漸被磨損。393、宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵（Fe2O3）或黑色四氧化三鐵Fe3O4。是最廣泛的一種磨損，其磨損速率最小，僅為0.1～0.5μm/h，屬于正常磨損。

氧化磨損不一定有害，如果氧化磨損先于其它類型磨損產(chǎn)生和發(fā)展，則氧化磨損是有利的。404、影響氧化磨損速率或磨損量的因素：(1)摩擦副表面層對塑性變形的抗力；(2)氧在金屬中的擴(kuò)散速率；(3)氧化膜的性質(zhì)和厚度以及氧化膜與基體結(jié)合的牢固程度；(4)摩擦學(xué)參數(shù)，如接觸壓力、滑動速度、滑動距離、溫度等。41

（二）微動磨損1、微動：在機(jī)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的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動。這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為微動。2、微動磨損：接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復(fù)運(yùn)動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。如圖所示423、微動磨損過程：有三個階段

第一階段：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂紋和擴(kuò)展，或去除表面污物形成粘著和粘著點(diǎn)斷裂；

第二階段：通過疲勞破壞或粘著點(diǎn)斷裂形成磨屑，磨屑形成后隨即氧化；

第三階段：磨粒磨損階段，磨粒磨損又反過來加速第一階段，如此循環(huán)不已則構(gòu)成了微動磨損。

因微動磨損集中在局部地區(qū)，又因兩摩擦表面永不脫離接觸，磨損產(chǎn)物不易向外排出，故兼有氧化磨損、磨粒磨損、粘著磨損的作用。434、特征：接觸區(qū)存在紅色Fe2O3粉末，鋁件的磨損產(chǎn)物為黑色。

5、影響因素:震動時間、次數(shù)；振幅、震動頻率；載荷；氮等不活潑氣體比空氣濕度大的氣體環(huán)境磨損量小。在微動磨損的產(chǎn)生處往往形成蝕坑（所以微動磨損又稱為咬蝕），其結(jié)果不僅使部件精度、性能下降，更嚴(yán)重的是引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞破壞。

生產(chǎn)中的實(shí)例：鍵槽處、蒸汽錘的錘桿與錘頭結(jié)合處、搭接接頭處、發(fā)動機(jī)固定件及離合器等。44（三）沖蝕磨損1、定義：液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損稱為沖蝕磨損。一般情況下，松散尺寸小于100μm，沖擊速度小于550m/s。2、分類：按照攜帶粒子的介質(zhì)不同，沖蝕磨損可分為：氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損和氣蝕磨損（如表所示）。氣固沖蝕磨損又稱噴砂型沖蝕磨損，是最常見的沖蝕磨損。453、磨損機(jī)理表面材料流失主要是機(jī)械力引起的。在高速粒子不斷沖擊下，塑性材料表面逐漸出現(xiàn)短程溝槽和魚鱗狀小凹坑（沖蝕坑），且變形層有微小裂紋。

塑性材料表面沖蝕坑是在短程微切削和塑性變形作用下形成的。在粒子反復(fù)沖擊、材料反復(fù)塑性變形下形成磨屑，材料流失。

脆性材料（陶瓷、玻璃等）沖蝕磨損是裂紋形成與快速擴(kuò)展的過程。464、影響因素主要有⑴環(huán)境因素：如沖擊角、粒子速度及濃度、沖擊時間、溫度及介質(zhì)；⑵粒子性能：如粒度、形狀、硬度、密度、可碎性等；⑶材料性能：如硬度、強(qiáng)度、韌性和物理性能。5、措施

⑴減小入射粒子和介質(zhì)的速度；⑵改變沖擊角減輕沖蝕，塑性材料盡量避免在20°～30°之間服役，脆性材料則應(yīng)避免粒子垂直入射；⑶合理利用粒子濃度和粒度；⑷合理設(shè)計機(jī)件形狀；⑸選用耐沖蝕的材料及表面處理方法。47§7-3磨損試驗(yàn)方法一、試驗(yàn)方法的分類：

實(shí)物試驗(yàn)：即以實(shí)物零件在機(jī)器實(shí)際工作條件下進(jìn)行試驗(yàn)，或者用實(shí)物零件在模擬機(jī)械使用條件的試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)。與實(shí)際情況一致或接近一致，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性高；但所需時間長，外界因素的影響難于掌握和分析。48

試驗(yàn)室試驗(yàn)：即將欲試材料制成規(guī)定試樣，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下在專門設(shè)計的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時間短、成本低、易于控制各種因素的影響；但試驗(yàn)結(jié)果不能直接表明實(shí)際情況。研究重要機(jī)件的耐磨性時，往往兼用兩種方法。49二、試驗(yàn)原理1、類別：試驗(yàn)室試驗(yàn)所用磨損試驗(yàn)機(jī)的原理有：銷盤式、銷筒式、往復(fù)運(yùn)動式、MM式、砂紙磨損試驗(yàn)、快速磨損試驗(yàn)。如圖所示2、選擇：應(yīng)按照摩擦副運(yùn)動方式（往復(fù)、旋轉(zhuǎn)）摩擦方式（滾動或滑動）

確定試驗(yàn)方法及所用試樣形狀及尺寸，并使試驗(yàn)力、速度、和溫度等因素盡可能接近試驗(yàn)條件。

試樣要求：一般至少4～5對摩擦副（因試驗(yàn)結(jié)果分散度大），并應(yīng)保證相同的精度及表面粗糙度。503、磨損量的測量方法⑴稱重法用分析天平⑵測長法

◆劃痕法：如圖所示。用金剛石錐體繞x-x軸旋轉(zhuǎn)，在試樣上劃一小坑，軸距錐尖為r，劃坑長為L1，坑深h1為：h1=L12/8r磨后再求h2，坑深為：△h＝h1-h2。

◆壓痕法：使用維氏硬度計壓頭，測出磨損前后試樣上壓痕對角線長度的變化，換算成深度變化（7倍關(guān)系）。514、對磨屑分析磨屑與斷口一樣反映斷裂過程各階段的信息，通過對使用過的潤滑劑作污染物分析，是檢測和評定材料磨損的良好方法。——鐵譜技術(shù)。52§7-4金屬接觸疲勞

一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力（一）接觸疲勞現(xiàn)象1、定義：機(jī)件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小片狀金屬剝落而使物質(zhì)損傷的現(xiàn)象，又稱表面磨損或疲勞磨損。2、宏觀特征：在接觸表面上出現(xiàn)許多小針狀或痘狀凹坑，有時凹坑很深，呈貝殼狀，有疲勞裂紋發(fā)展的痕跡。如圖所示533、分類：根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，可分為以下三種：⑴麻點(diǎn)剝落（麻點(diǎn)）：0.1～0.2mm以下的小塊剝落，呈針狀或痘狀凹坑截面呈不對稱V形。如圖所示⑵淺層剝落：深度在0.2～0.4mm，剝落底部大致和表面平行，裂紋走向與表面呈銳角或垂直。⑶深層剝落（壓碎性剝落）：深度與表面強(qiáng)化深度相當(dāng)，裂紋走向與表面垂直。如圖所示544、過程：為裂紋形成和擴(kuò)展兩個階段。5、接觸疲勞曲線分兩種：有明顯的接觸疲勞極限和沒有明顯的接觸疲勞極限。接觸疲勞破壞與表面層塑性變形有關(guān)。少量麻點(diǎn)剝落不影響機(jī)件的正常工作，但隨著時間的延長，麻點(diǎn)尺寸逐漸變大，數(shù)量也不斷增多，機(jī)件表面受到大面積損壞，結(jié)果無法繼續(xù)工作而失效。對齒輪而言，麻點(diǎn)越多，嚙合情況越差，噪音越來越大，振動和沖擊也隨之加大，嚴(yán)重時甚至可能將輪齒打斷。齒輪、軸承、鋼軌、輪轂的表面經(jīng)常出現(xiàn)接觸疲勞失效。55（二）接觸應(yīng)力1、接觸應(yīng)力：兩物體相互接觸時，在表面產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。按接觸面初始幾何條件不同可分為：

線接觸：如齒輪的接觸；滾動軸承（滾動體為滾柱、滾針）的接觸。

點(diǎn)接觸：如滾動軸承（滾動體為球體）的接觸。56⑴線接觸時的接觸應(yīng)力假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為R1、R2，長l，未變形前兩者為線接觸，施加法向力后，因彈性變形變?yōu)槊娼佑|，接觸面積2bl，如圖所示。據(jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)力沿y軸按半橢圓柱規(guī)律分布，在接觸中間（y=0）處，接觸壓應(yīng)力達(dá)到最大值，所以：57在法向力的作用下，接觸面有三向主應(yīng)力，沿接觸深度方向的分布如圖所示。在一定接觸深度下σz>σy>σx；σz>σ>xσy，相應(yīng)的最大切應(yīng)力為：

這三個最大切應(yīng)力分別作用在與主應(yīng)力作用面互成45°方向的平面上，在接觸中心下0.786b處，τzy45°值最大。在接觸面下0.5b、y＝±0.85b處所受切應(yīng)力τ0max最大。58⑵點(diǎn)接觸時的接觸應(yīng)力施加法向應(yīng)力后，視兩接觸物體形狀不同，接觸面可能是橢圓或圓。如：滾珠與軸承套圈接觸，接觸面為橢圓；球與球或球與平面接觸，接觸面為圓。接觸面為橢圓時，如圖所示，接觸應(yīng)力按半橢圓球規(guī)律分布，且對于半徑為R的圓球和平面的點(diǎn)接觸，按彈性力學(xué)計算，接觸圓半徑：59可見，點(diǎn)接觸時：

圓球與平面接觸，最大切應(yīng)力τzy45°也在接觸中心下0.786b處。

兩球接觸時，最大切應(yīng)力τzy45°在接觸區(qū)下0.5b處。在有滑動時，摩擦力與最大切應(yīng)力τzy45°疊加的最大綜合切應(yīng)力的最大值，從0.786b處向表面移動。60二、接觸疲勞破壞機(jī)理接觸疲勞破壞裂紋的形成也是金屬局部反復(fù)塑性變形的結(jié)果，因此，最大綜合應(yīng)力的分布和大小就具有決定性的意義。在最大綜合應(yīng)力出現(xiàn)的位置，如果金屬強(qiáng)度不足，則會引起塑性變形，經(jīng)多次循環(huán)作用之后，就會產(chǎn)生裂紋。根據(jù)最大綜合切應(yīng)力的分布和材料強(qiáng)度分布的相互比較，可以決定裂紋產(chǎn)生的位置和接觸疲勞類型。611、麻點(diǎn)剝落◆條件：滾動接觸，表面最大綜合切應(yīng)力作用。◆形成過程，如圖所示◆影響：表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）時，易產(chǎn)生麻點(diǎn)剝落。前者因?yàn)楸砻孀畲缶C合切應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強(qiáng)度較低引起的。622、淺層剝落裂紋產(chǎn)生于亞表層，位置與τ0max相當(dāng)，在0.5b附近。因該處切應(yīng)力最大，塑性變形最易進(jìn)行。在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性變形反復(fù)進(jìn)行，使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。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面擴(kuò)展，而后在滾動及摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋。二次裂紋擴(kuò)展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。如圖所示633、深層剝落（壓碎性剝落）

機(jī)理：深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表面硬化機(jī)件的過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，該處切應(yīng)力雖不是最大，但因過渡區(qū)是弱區(qū)，切應(yīng)力可能高于材料材料強(qiáng)度而在該處產(chǎn)生裂紋。裂紋形成后先平行于表面擴(kuò)展，即沿過渡區(qū)擴(kuò)展，而后再垂直于表面擴(kuò)展，最后形成較深的剝落坑。如圖所示

影響因素：表面硬化機(jī)件心部硬度太低、硬化層深不合理、梯度太陡或過渡區(qū)存在不利的應(yīng)力分布都易造成深層剝落。64三、觸疲勞試驗(yàn)方法

不同材料或同一材料經(jīng)不同熱處理后，其接觸疲勞強(qiáng)度用接觸疲勞曲線σmax-N（與高周疲勞的S-N曲線類似）來描述。

σmax是按赫茲公式計算出來的最大壓應(yīng)力，N為破壞循環(huán)周次。典型的接觸疲勞曲線如圖所示，水平部分對應(yīng)的應(yīng)力為接觸疲勞極限，斜線為過載持久值。65測定接觸疲勞極限時，循環(huán)基數(shù)N0一般取107次，并規(guī)定：當(dāng)試樣上深層剝落面積大于或等于3mm2或當(dāng)試樣上麻點(diǎn)剝落（集中區(qū)）在10mm2面積內(nèi)出現(xiàn)麻點(diǎn)率達(dá)15%的損傷時，均判定為接觸疲勞破壞。試驗(yàn)在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)有純滾動和滾動帶滑動兩類。如圖所示66四、影響接觸疲勞壽命的因素（一）內(nèi)部因素1、非金屬夾雜物軸承鋼的接觸疲勞壽命對非金屬夾雜物極為敏感。軸承鋼的非金屬夾雜物有三類：

◆塑性的（如硫化物）

◆脆性的（如氧化鋁、硅酸鹽、氮化物等）

◆球狀的（如硅鈣酸鹽、鐵錳酸鹽）。以脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜物對接觸疲勞的影響最大。672、熱處理組織狀態(tài)⑴M的含碳量：承受接觸疲勞的機(jī)件一般采用高碳鋼（如軸承鋼）或滲碳鋼（如汽車變速箱齒輪）。在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，軸承鋼內(nèi)M的含碳量為0.4％～0.5％時，接觸疲勞壽命最高。⑵M和A′的級別M針越粗大、A′越多，滲碳層強(qiáng)度越低、殘余壓應(yīng)力越小，越易產(chǎn)生顯微裂紋，接觸疲勞壽命降低。⑶未溶碳化物和帶狀碳化物對高碳軸承鋼而言，未溶碳化物顆粒越粗大，接觸疲勞壽命降低越明顯。683、表面硬度與心部硬度⑴表面硬度在一定硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞強(qiáng)度隨硬度升高而增大。軸承鋼表面硬度為62HRC時，其平均壽命最高。表面脫碳導(dǎo)致表面硬度降低，形成殘余拉應(yīng)力，從而降低接觸疲勞壽命。⑵心部硬度：滲碳件心部硬度太低會導(dǎo)致硬度梯度過大，易在過渡區(qū)形成裂紋而產(chǎn)生深層剝落。經(jīng)驗(yàn)證明，滲碳齒輪心部硬度以35～40HRC為宜。694、表面硬化層深度為防止表層產(chǎn)生早期麻點(diǎn)或深層剝落，滲碳的齒輪需要