第七章金屬磨損和接觸疲勞

第七章金屬磨損和接觸疲勞第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)磨損概念

一、磨擦和磨損

摩擦（Friction）是兩個相互接觸的物體在外力作用下，發(fā)生相對運動(或有相對運動趨勢)時產(chǎn)生切向運動阻力的物理現(xiàn)象，而磨損（Wear）是摩擦的結(jié)果。凡相互作用、相對運動的兩表面之間，都有摩擦與磨損存在。

磨損概念：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(松散的尺寸與形狀均不相同的碎屑)，使表面材料逐漸流失(導(dǎo)致機件尺寸和質(zhì)量損失)、造成表面損傷的現(xiàn)象。所謂摩擦副是指摩擦材料與其對偶組成的整體,例如制動盤和剎車塊就是典型的摩擦副第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的磨損不是簡單的力學(xué)過程，而是物理、力學(xué)和化學(xué)過程的復(fù)雜綜合。目前，比較常見的磨損分類方法是：（1）粘著磨損（AdhesiveWear）：接觸表面相互運動時，由于固相焊合作用使材料從一個表面脫落或轉(zhuǎn)移到另一表面而形成的磨損。（2）磨粒磨損(AbrasiveWear)：由于摩擦表面間硬顆?；蛴餐黄穑共牧袭a(chǎn)生脫落而形成的磨損。（3）沖蝕磨損(Erosion或ErosiveWear)：含有固體顆粒的流體介質(zhì)沖刷固體表面，使表面造成材料損失的磨損，又稱為濕磨粒磨損。（4）疲勞磨損(FatigueWear)：由于摩擦表面間循環(huán)交變應(yīng)力引起表面疲勞，導(dǎo)致摩擦表面材料脫落而形成的磨損。（5）腐蝕磨損(CorrosiveWear)：在摩擦過程中，由于固體界面上的材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致材料損耗而形成的磨損。（6）微動磨損(FrettingWear)：在兩物體接觸面間由于振幅很小(1mm以下)的相對振動引起的磨損。第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在磨損過程中，磨屑的形成也是一個變形和斷裂的過程。磨損發(fā)生在機件表面。在整體加載時，塑性變形集中在材料一定體積內(nèi)，在這些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中并導(dǎo)致裂紋形成；而在表面加載時，塑性變形和斷裂發(fā)生在表面，由于接觸區(qū)應(yīng)力分布比較復(fù)雜，沿接觸表面上任何一點都有可能參加塑性變形和斷裂，反使應(yīng)力集中降低。在磨損過程中，塑性變形和斷裂是反復(fù)進(jìn)行的，一旦磨屑形成后又開始下一循環(huán)，所以過程具有動態(tài)特征。這種動態(tài)特征標(biāo)志著表層組織變化也具有動態(tài)特征，即每次循環(huán)，材料總要轉(zhuǎn)變到新的狀態(tài)，加上磨損本身的一些特點，所以普通力學(xué)性能試驗所得到的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)不一定能反映材料耐磨性的優(yōu)劣。第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月機件正常運行的磨損過程一般分為三個階段：1)跑合階段(磨合階段)在此階段內(nèi)，無論摩擦副雙方硬度如何，摩擦表面逐漸被磨平，實際接觸面積增大，故磨損速率減小。跑合階段磨損速率減小還和表面應(yīng)變硬化及表面形成牢固的氧化膜有關(guān)。2)穩(wěn)定磨損階段這是磨損速率穩(wěn)定的階段，線段的斜率就是磨損速率。大多數(shù)機器零件均在此階段內(nèi)服役，實驗室磨損試驗也需要進(jìn)行到這一階段。通常即根據(jù)這一階段的時間、磨損速率或磨損量來評定不同材料或不同工藝的耐磨性能。在跑合階段跑合得越好，穩(wěn)定磨損階段的磨損速率就越低。3)劇烈磨損階段是隨著機器工件時間增加，摩擦副接觸表面之間的間隙增大，機件表面質(zhì)量下降，潤滑膜被破壞，引起劇烈振動，磨損重新加劇，此時機件很快失效。第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、耐磨性耐磨性是材料抵抗磨損的性能，這是一個系統(tǒng)性質(zhì)。通常是用磨損量來表示材料的耐磨性，磨損量越小，耐磨性越高。線磨損：用試樣摩擦表面法向方向的尺寸減小來表示。體積磨損或質(zhì)量磨損：用試樣體積或質(zhì)量損失來表示。比磨損量：若測量單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量等等。相對耐磨性ε

第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)磨損模型

一、粘著磨損(AdhesiveWear)1.磨損機理粘著磨損又稱為咬合磨損，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)力超過實際接觸點處屈服強度而產(chǎn)生的一種磨損。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月摩擦機理：摩擦副實際表面上總存在局部凸起，當(dāng)摩擦副雙方接觸時，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。倘若接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則局部塑性變形會使兩個接觸面上的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強烈粘著(冷焊)。所謂粘著，實際上就是原子間的鍵合作用。隨后在繼續(xù)滑動時，粘著點被剪開并轉(zhuǎn)移到一方金屬表面，然后脫落下來便形成磨屑。一個粘著點剪斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，如此粘著—剪斷—轉(zhuǎn)移—再粘著循環(huán)不已，就構(gòu)成粘著磨損過程。粘著磨損過程如圖示。因為粘著磨損過程中有材料轉(zhuǎn)移，所以摩擦副一方金屬表面常粘附一層很薄的轉(zhuǎn)移膜，并伴有化學(xué)成分變化。這是判斷粘著磨損的重要特征。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磨損量的估算

Archard提出的粘著磨損量估算方法如下：在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，故接觸壓縮屈服強度近似為單向壓縮屈服強度σSC的三倍。若接觸處因壓應(yīng)力很高超過σSC產(chǎn)生塑性變形，隨后因加工硬化而使變形終止。此時，外加載荷事實上作用在接觸點真實面積上。設(shè)真實接觸面積為A，接觸壓縮屈服強度為3σSC

，作用于表面上的法向力為F，則

F=A(3σSC)假定磨屑呈半球形，直徑為d。任一瞬時有n個粘著點，所有粘著點尺寸相同，直徑也為d，則

第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月可推出：再假定每一粘著點滑過距離也為d，則單位滑動距離形成的粘著點數(shù)N為磨屑形成有個幾率問題，設(shè)此幾率為K，則單位滑動距離內(nèi)的磨損體積為由上式可知，對上式進(jìn)行積分，且強度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動距離內(nèi)的粘著磨損體積為上式表明，粘著磨損體積磨損量與法向力、滑動距離成正比，與軟方材料的壓縮屈服強度(或硬度)成反比，而與表觀接觸面積無關(guān)。第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3.影響因素

綜上所述，材料特性、法向力、滑動速度以及溫度等均對粘著磨損有明顯影響。1)塑性材料比脆性材料易于粘著；互溶性大的材料(相同金屬或晶格類型、點陣常數(shù)、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬)組成的摩擦副粘著傾向大；單相金屬比多相金屬粘著傾向大；化合物比固溶體粘著傾向??；金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬的摩擦副不易粘著。2)在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力增大而增大。3)在法向力一定時，粘著磨損量隨滑動速度增加而增加，但達(dá)到某一極大值后又隨滑動速度增加而減小。4）摩擦副表面粗糙度、摩擦表面溫度以及潤滑狀態(tài)等也都對粘著磨損有較大影響。降低表面粗糙度，將增加抗粘著磨損能力；但粗糙度過低，因潤滑劑難于儲存在摩擦面內(nèi)而促進(jìn)粘著。5）提高溫度促進(jìn)磨損產(chǎn)生。6)良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損。第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.改善粘著磨損耐磨性的措施（a）首先要注意摩擦副配對材料的選擇其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；選用表面易形成化合物的材料配對；金屬與非金屬配對，如金屬與高分子材料配對，以及選用淬硬鋼或淬硬鋼與灰鑄鐵配對等都有明顯效果。（b）采用表面化學(xué)熱處理工藝（氮化、滲碳等），可提高摩擦表面的抗粘著能力，有效地阻止材料的粘著。（c）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。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，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、磨粒磨損1.磨損機理分類：a）按接觸條件或磨損表面數(shù)量分：（1）兩體磨粒磨損：磨料直接作用于被磨材料的表面，磨粒、材料表面各為一物體。（2）三體磨粒磨損：磨粒介于兩材料表面之間。磨粒為一物體，兩材料為兩物體，磨?？梢栽趦杀砻骈g滑動，也可以滾動。b）按力的作用特點分為：（1）鑿削式磨粒磨損：磨粒對材料表面有高應(yīng)力沖擊式的運動，從材料表面上鑿下較大顆粒的磨屑，如挖掘機斗齒、破碎機錘頭等。（2）高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損：磨粒與材料表面接觸處的最大壓應(yīng)力大于磨料的壓碎強度，磨粒不斷被碾碎，如球磨機襯板與磨球等。（3）低應(yīng)力劃傷式磨粒磨損：磨粒作用于表面的應(yīng)力不超過磨料的壓碎強度，材料表面為輕微劃傷。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月c）按材料的相對硬度分為：（1）軟磨粒磨損：材料硬度與磨粒硬度之比大于0.8。（2）硬磨粒磨損：材料硬度與磨粒硬度之比小于0.8。磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在磨粒磨損時，磨粒與摩擦表面之間的相互作用，與機械加工中切削刀具與工件的相互作用類似。對于韌性金屬材料，每一磨粒從表面上切下的是一個連續(xù)屑；而對于脆性金屬材料，一個磨粒切下的是許多斷屑。由于磨粒磨損產(chǎn)生的條件不同，它不是簡單的切削過程。當(dāng)磨粒受切向力作用而沿摩擦表面產(chǎn)生相對運動時，摩擦表面將受到剪切、犁皺或切削。對于韌性金屬材料和有銳刃的硬粒子，表面材料是被剪切下來的，且呈連續(xù)屑形式。而對于有光滑刃或圓刃的硬粒子，韌性金屬材料只被犁皺。犁皺時，表面材料沿硬粒子運動方向被橫推而形成溝槽。大部分塑性變形的材料沿溝槽兩側(cè)堆積起來，而不是從表面上切削下來。對于脆性材料，溝槽是由裂紋擴展和隨后的表面材料成碎片脫落而形成的。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磨損量估算

1966年Rabinowicz以兩體磨粒磨損為例，估算出以切削作用為主的磨粒磨損量。按照這一模型，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πr2等于軟材料的壓縮屈服強度時，則凸出部分或磨粒的壓入就會停止下來，于是可以得到F=(3σSC)πr2

設(shè)θ為凸出部分的圓錐面與軟材料表面間的夾角，當(dāng)摩擦副相對滑動了l長的距離時，凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積，即磨損量V為V=0.5*2r*r*tanθl=r2ltanθ第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月由上兩式可得因為金屬材料的屈服強度與硬度成正比，所以上式又可寫為K為系數(shù)?？梢?，磨粒磨損量與法向力、摩擦距離成正比，與材料硬度成反比，同時還與硬材料凸出部分或磨粒的形狀有關(guān)。第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3.影響因素

(a)材料性能*硬度：一般情況下，材料硬度越高，其抗磨粒磨損能力也越高。（1）對純金屬和各種成分未經(jīng)熱處理的鋼，耐磨性與材料的硬度成正比。（2）對經(jīng)過熱處理的鋼，其耐磨性也與硬度成線性關(guān)系，但直線的斜率比純金屬為小。（3）通過塑性變形雖能使鋼材加工硬化、提高鋼的硬度，但不能改善其抗磨粒磨損的能力。第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月*斷裂韌性斷裂韌性也會影響材料的磨粒磨損性能。第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月*顯微組織馬氏體的耐磨性最好，鐵素體因硬度太低，耐磨性最差。*鋼中碳化物：在軟基體中碳化物數(shù)量增加，彌散度增加，耐磨性也提高；但在硬基體(即基體硬度與碳化物硬度相近)中，碳化物反而損害材料的耐磨性。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)磨粒性能*磨粒硬度磨損體積與硬度比Ha/H（磨粒硬度Ha與材料硬度H之比）的關(guān)系。第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4.改善磨粒磨損耐磨性的措施a)對于以切削作用力主要機理的磨粒磨損，應(yīng)增加材料的硬度；對以塑性變形為主的磨粒磨損，應(yīng)提高材料的韌性。b)根據(jù)機件服役條件(高應(yīng)力沖擊、無沖擊下的低應(yīng)力)，合理地選擇耐磨材料(高錳鋼、中碳調(diào)質(zhì)鋼)。c)采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，也能有效地改善材料的磨粒磨損性能。另外，經(jīng)常注意機件防塵和清洗，防止大于1um磨粒進(jìn)入接觸面，也是有效的措施。第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、沖蝕磨損1.磨損機理沖蝕磨損是指流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。第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在沖蝕磨損過程中，表面材料流失主要是機械力引起的。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。第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性材料(如陶瓷、玻璃等)沖蝕磨損是裂紋形成與快速擴展的過程。當(dāng)用銳角粒子沖擊脆性材料表面時，發(fā)現(xiàn)有兩種形狀的裂紋：一種是垂直于表面的初生徑向裂紋；另一種是平行于表面的橫向裂紋。在粒子沖擊下，徑向裂紋形成及其擴展降低材料強度。橫向裂紋形成并擴展到表面，材料脫落變?yōu)槟バ级魇?。?7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2.改善沖蝕磨損耐磨性的措施a.設(shè)法減小入射粒子和介質(zhì)的速度b.改變沖擊角以減輕沖蝕磨損，塑性材料盡量避免在20°~30°之間服役，脆性材料則應(yīng)力求不受粒子垂直入射。c.合理利用粒子濃度和粒度減輕沖蝕磨損。d.合理設(shè)計機件形狀，如合理設(shè)計渦輪葉片、飛行器或其他機件的迎風(fēng)面，輸送管線平滑過渡和彎曲等。e.在保持良好設(shè)計條件時，應(yīng)盡可能選用沖蝕磨損抗力較高的材料及表面處理方法。選材時，關(guān)鍵是要根據(jù)服役條件正確處理硬度和韌性的合理配合。第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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)物的形成和脫落引起腐蝕磨損。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，故又稱為腐蝕機械磨損。典型的腐蝕磨損有各類機械中普遍存在的氧化磨損，以及在化工機械中因特殊腐蝕氣氛而產(chǎn)生的特殊介質(zhì)腐蝕磨損兩類。特殊介質(zhì)腐蝕磨損在一般機械中比較少見。第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化磨損的磨損率最小，其值僅為0.1~0.5um/h,屬于正常類型的磨損。任何存在于大氣中的機件表面總有一層氧的吸附層。當(dāng)摩擦副作相對運動時，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴散，從而形成氧化膜。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落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨后又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損，這就是氧化磨損過程。氧化磨損的特征是，是在摩擦面上沿滑動方向呈勻細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)物或為紅褐色的Fe2O3，或為灰黑色Fe3O4。第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023