材料磨損與耐磨材料（第1章課件

1、1,第一篇 材料磨損基礎(chǔ),Chapter 1: 材料的磨損 Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性 Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,2,Chapter 1 材料的磨損,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類 1.2 材料的摩擦與磨損 1.3 材料磨損與磨損參量 1.3.1 摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 1.3.2 磨損量,3,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,磨損由摩擦引起、在日常生活和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域中普遍存在。如冶金礦山、電力工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、國防工業(yè)以及航空、航天等等，處處存在摩擦處處都有磨損,4,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,材料磨損 是兩個以上的物體摩擦表面在法向力的作用下，相對運動及有關(guān)介質(zhì)

2、、溫度環(huán)境等的作用使其發(fā)生形狀、尺寸、組織和性能變化的過程。磨損是造成機(jī)械零件失效的主要原因之一，對機(jī)械零件的壽命、可靠性有極大的影響。 磨損是摩擦的結(jié)果,5,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,對磨損的理解： 1.從磨損的特征與結(jié)果分析：任何一種磨損都發(fā)生在物體的工作表面上，不僅物體表面宏觀發(fā)生變化，而且物體微觀組織結(jié)構(gòu)及其性能也會發(fā)生變化；同時會產(chǎn)生一定數(shù)量的磨損產(chǎn)物，造成材料損耗，能源浪費，導(dǎo)致機(jī)械零件失效，甚至造成重大事故和經(jīng)濟(jì)損失,6,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,對磨損的理解： 2.從物理與化學(xué)觀點分析：磨損是發(fā)生在兩物體相對運動的表面，而且是在很薄的一層工作表面上，磨損過程中一個重要特征是

3、機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱與冷卻都以非?？斓乃俣冗M(jìn)行，物體表面具有相當(dāng)大的活性和相當(dāng)高的自由能，材料表面與亞表面的組織結(jié)構(gòu)和性能與材料內(nèi)部不同,7,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,對固體金屬，當(dāng)溫度低時，原子活動較弱。低溫變形后，表面的原子不會有多大變化；而在高的溫度下，表面原子活動能力增強(qiáng)，材料的結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)某種程度的重新調(diào)整與改變，結(jié)果使金屬性質(zhì)和能量發(fā)生變化。材料表面原子會與環(huán)境(介質(zhì))發(fā)生相互作用，產(chǎn)生物理吸附、化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，使材料表面可能產(chǎn)生加工硬化層或形成表面織構(gòu)等，影響材料的磨損過程。整個磨損過程是一個動態(tài)過程,8,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,對磨損的理解： 3. 從原子與作用力

4、分析：由于相互接觸的兩物體表面，其中一物體表面的原子可能與另一物體表面的原子極靠近，甚至進(jìn)入斥力場。在相對運動時，兩表面分子就會產(chǎn)生能量損耗。在相對運動中有些原子將進(jìn)入斥力場，而有另一些原子將離開斥力場，其變化大小，決定于接觸程度,9,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,當(dāng)兩物體充分接近時，原子將被排斥而其自然的趨向是回到它原來的位置。但原子可能被撞擊出，并運動得足夠遠(yuǎn)，以至進(jìn)入相對表面上另一個原子場內(nèi)，在那里得到新的平衡位置。即原子可以從一個物體表面上被對面的另一個物體表面俘獲去。( 湯姆林遜提出的磨損實質(zhì),10,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,磨損的定義： (1)英國的機(jī)械工程師協(xié)會所下定義為：由于機(jī)

5、械作用而造成的物體表面材料的逐漸消耗。（強(qiáng)調(diào)機(jī)械的作用） (2)前蘇聯(lián)的克拉蓋爾斯基所下的定義為：由于摩擦結(jié)合力的反復(fù)擾動而造成的材料破壞。（強(qiáng)調(diào)疲勞的作用,11,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,3) 美國材料試驗學(xué)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于磨損的定義：由于物體的表面與相接觸的物質(zhì)間的相對運動造成物體表面的損傷，還常有材料的逐漸損失。 （4）聯(lián)邦德國標(biāo)準(zhǔn)對于磨損的定義：磨損是一個物體由于機(jī)械的原因，即與另一個固體的、液體的或氣體的配對件發(fā)生接觸和相對運動，而造成的表面材料不斷損失的過程,12,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,5）OECD(歐洲經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織)關(guān)于磨損的定義： 磨損是物體由于其表面相對運

6、動，而承載表面上不斷出現(xiàn)材料損失的過程。 由此可見，材料磨損有三大要素： 1.材料的表面特性 2.與另一物質(zhì)（固體、液體及氣體）的接觸特性，即接觸方式、力的傳遞、表面變形等 3.相對運動,13,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類,磨損的分類,14,Chapter 1 材料的磨損,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類 1.2 材料的摩擦與磨損 1.3 材料磨損與磨損參量 1.3.1 摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 1.3.2 磨損量,15,1.2 材料的摩擦與磨損,摩擦與磨損是兩個不同的概念，兩者之間既有不可分割的聯(lián)系，又有本質(zhì)區(qū)別。有摩擦就有磨損沒有摩擦就沒有磨損。摩擦是能量的轉(zhuǎn)換，磨損是材料的損耗。 磨損是摩擦學(xué)研究的摩擦

7、、磨損與潤滑三大課題之一，三者之間摩擦是根源，磨損是結(jié)果，潤滑是減少磨損的有效手段。磨損又是機(jī)械零件三種主要破壞形式之一，即磨損、腐蝕和斷裂,16,1.2 材料的摩擦與磨損,目前為止對磨損的研究，主要是對運動物體表面潤滑介質(zhì)和環(huán)境的研究，對磨損過程物理機(jī)制、磨損動力學(xué)、磨粒的形成等研究較少。 對大多數(shù)不同性質(zhì)的材料，在空氣中的摩擦系數(shù)相差大約不超過20倍，例如聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)為0.05，潔凈的金屬為1。但磨損率差別很大，例如，聚乙烯對鋼的磨損率與鋼對鋼磨損率之比相差105倍,17,1.2 材料的摩擦與磨損,表1.1-1列出一些材料的摩擦系數(shù)和磨損系數(shù) 的實驗數(shù)據(jù),18,1.2 材料的摩擦與

8、磨損,通常軟固體比硬固體容易磨損，而且磨損隨著載荷和滑動距離的增加而增加。但是，也有例外，如聚乙烯比鋼軟，磨損反而小。 磨損影響因素很多且十分復(fù)雜，其中環(huán)境因素有溫度、濕度及周圍介質(zhì)；潤滑條件，工作條件像載荷、速度及運動方式；材料的成分、組織結(jié)構(gòu)及工作表面的物理化學(xué)性質(zhì)等諸多因素。哪一個因素有變化都會引起磨損量的改變，同時也有可能引起磨損機(jī)理發(fā)生變化,19,1.2 材料的摩擦與磨損,Rabin Owicg等人對某些純金屬進(jìn)行多次試驗，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)與金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)：體心立方和面心結(jié)構(gòu)金屬的摩擦系數(shù)大于密排六方金屬。同時提出“金屬共容性”的概念。所謂共容性，可用固體溶解度大小來解釋；共容性大的

9、金屬摩擦副摩擦系數(shù)大。 無潤滑的金屬摩擦副，摩擦系數(shù)一般在0.41.5范圍內(nèi)變化，金屬與磨料接觸組成的摩擦副，摩擦系數(shù)一般在0.5左右。大多數(shù)金屬材料在空氣中的摩擦系數(shù)值高于0.3，在真空中更高,20,1.2 材料的摩擦與磨損,從表1.1-2可看出，摩擦系數(shù)和磨損率之間沒有關(guān)系，摩擦系數(shù)在很小范圍內(nèi)變化，而磨損則相差幾個數(shù)量級，這說明不能用摩擦系數(shù)大小去判斷磨損的大小,21,1.2 材料的摩擦與磨損,對金屬材料，凡在鐵中溶解度極小的金屬或與鐵組成金屬間化合物的材料，因生成脆弱的共價鍵，有良好的抗擦傷性。而能在鐵中溶解并能與鐵形成原子鍵的金屬材料則易焊合，有較差的耐擦傷性，因此選摩擦副不應(yīng)選相同

10、（類型）材料,22,1.2 材料的摩擦與磨損,晶粒大小，再結(jié)晶溫度、硬度、形變率等都影響材料的摩擦與磨損。摩擦由于材料變形，要消耗能量，sah等人認(rèn)為，這部分消耗的能量所占比例較大。磨損形成磨屑還要附加斷裂功，與變形消耗能量相比，斷裂消耗能量較小,23,Chapter 1 材料的磨損,1.1 材料磨損實質(zhì)及分類 1.2 材料的摩擦與磨損 1.3 材料磨損與磨損參量 1.3.1 摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 1.3.2 磨損量,24,1.3 材料磨損與磨損參量,磨損并不像金屬等材料那樣，拉、壓強(qiáng)度是材料的一種基本不變的性質(zhì)。磨損應(yīng)被認(rèn)為是一種系統(tǒng)工程，它的磨損量取決于所有參與磨損的構(gòu)件和物料在各種負(fù)荷下相互

11、作用的結(jié)果。在任何一個摩擦系統(tǒng)中，摩擦與磨損都是同時發(fā)生的，摩擦主要涉及到材料接觸表面變形，而磨損還涉及到材料斷裂和材料的遷移,25,1.3 材料磨損與磨損參量,采用系統(tǒng)分析來描述磨損過程和對有關(guān)影響因素進(jìn)行分析時，先把機(jī)器或設(shè)備中所要研究的構(gòu)件與其他構(gòu)件分隔開。將磨損結(jié)構(gòu)及其他參與磨損的物件用一個所謂系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的“網(wǎng)絡(luò)”圍起來，如下圖所示,26,1.3 材料磨損與磨損參量,27,1.3 材料磨損與磨損參量,1.3.1 摩擦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 (1) 基本元素A 摩擦系統(tǒng)中基本元素是在相對運動中相互作用的一對摩擦表面，即運動件l、固定件2以及二者之間的潤滑劑3和周圍環(huán)境4，此為系統(tǒng)的基本組成,28,

12、1.3 材料磨損與磨損參量,2)元素的性質(zhì)P 各元素與摩擦有關(guān)的性質(zhì) 列入下表,29,1.3 材料磨損與磨損參量,3) 元素的相互關(guān)系 R 摩擦系統(tǒng)中主要元素之間的相 互關(guān)系,見表 1.1-4,30,1.3 材料磨損與磨損參量,31,1.3 材料磨損與磨損參量,1.3.2 磨損量 由磨損引起的材料損失量，稱為磨損量。磨損量是表示物體磨損前后材料損失的量，即磨損時材料損失程度的物理量。材料磨損量的量度包括：線磨損量、體積磨損量、質(zhì)量磨損量以及通常用的磨損率、耐磨性和相對耐磨性等等,32,1.3 材料磨損與磨損參量,1) 線磨損量 在一定條件下，材料磨損前后摩擦物體表面法線方向尺寸的變化量，稱為線

13、磨損量。材料的線磨損量可用下式表示,式中L材料的線磨損量 Li0材料磨損前摩擦表面法線方向第i次測量長度 Li1材料磨損后摩擦表面法線方向第i次測量長度 n重復(fù)測量次數(shù),33,1.3 材料磨損與磨損參量,2) 體積磨損量 在一定條件下，材料磨損前后的體積變化量，稱為體積磨損量。通常體積磨損量用下式表示,式中 d磨損材料的密度 G材料磨損前后失去的質(zhì)量 Vi0磨損前第i次測量的材料體積 Vi1磨損后第i次測量的材料體積,或,34,1.3 材料磨損與磨損參量,3) 質(zhì)量 (重量）磨損量 在一定條件下，材料磨損前后的質(zhì)量（重量）的變化量稱為質(zhì)量（重量）磨損量。即指材料的質(zhì)量（重量）損失一般用下式表示

14、,式中 Gi0磨損前第i次測量材料的質(zhì)量（重量） Gi1磨損后第i次測量材料的質(zhì)量 （重量） n重復(fù)測量材料質(zhì)量（重量）的次數(shù),35,1.3 材料磨損與磨損參量,4) 磨損率 在一定（工況）條件下，給定的磨損過程中，材料單位摩擦距離磨損量稱為磨損率。用下式表示,式中 I材料磨損率（磨損強(qiáng)度） W總磨損量 L總摩擦距離,36,1.3 材料磨損與磨損參量,5)磨損速度 單位時間的磨損量，稱為磨損速度，可表示為,6）比磨損率 單位載荷及單位磨程的磨損 體積，稱為比磨損率 ?？杀硎緸?37,1.3 材料磨損與磨損參量,耐磨性與相對耐磨性： 耐磨性是表示在某磨損過程中（一定的摩擦條件下）材料抵抗磨損的能

15、力。它是材料磨損率的倒數(shù)。即 =1/I 其物理意義是耐磨性大，說明材料抵抗磨損的能力強(qiáng)；耐磨性小，則材料抵抗磨損的能力弱。是表示材料抵抗磨損能力大小的數(shù)值,38,1.3 材料磨損與磨損參量,由于材料磨損性能不是材料的固有特性，而是與磨損過程中的工作條件（如載荷、速度、溫度、環(huán)境因素等），材料本身性能及相互作用等有關(guān)的系統(tǒng)特性。 因此，脫離材料的工作條件來評定材料耐磨性的好壞是沒有實際意義的。所以，在評定各種材料耐磨性時，采用一種“標(biāo)準(zhǔn)”材料為參考試樣，用試驗材料與參考試樣在相同磨損條件下試驗結(jié)果來進(jìn)行評定,39,1.3 材料磨損與磨損參量,材料的相對耐磨性定義為： 在相同磨損條件下（同一工況條

16、件下）試驗材料的耐磨性和標(biāo)準(zhǔn)材料耐磨性的比值。可表示為,相對= 標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量 / 試驗試樣的磨損量 =試驗 / 標(biāo)準(zhǔn),磨損系數(shù)：相對耐磨性的倒數(shù)，稱為磨損系數(shù),K = 1 / 相對,40,1.3 材料磨損與磨損參量,在上述這些磨損量的表示方法中，線磨損量、重量(質(zhì)量)磨損量、體積磨損量都是指磨損表面的損失，它沒有考慮到零件或試樣的尺寸、形狀以及所受載荷、速度、磨程的影響，因此是一種磨損量絕對值的表示方法。相對耐磨性相對或磨損系數(shù)(1 相對)是一種無量綱的表示方法，需要采用一個相比較的標(biāo)準(zhǔn)試樣，且隨試樣的材料及特性而變化。比磨損率是目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的計算磨損的方法。這是由于它綜合考慮了載荷

17、和磨程等因素的影響,41,1.3 材料磨損與磨損參量,1.3.3 材料耐磨性的測定方法 精確而可靠地測定磨損試驗的結(jié)果是獲得材料耐磨性準(zhǔn)確信息的保證，也是評定材料耐磨性的依據(jù)。首先，必須根據(jù)實際零件的使用情況和工作條件(即工況條件）來選擇便于模擬的磨損試驗裝置。然后再來確定適當(dāng)?shù)臏y定磨損量的儀器和評定方法。 目前，對磨損量的測定方法主要有：失重法、尺寸變化法、形貌測定法、刻痕測定法及放射性同位素測定法等,42,1.3 材料磨損與磨損參量,1、失重法（稱重法） 這種方法比較簡單，廣泛適用于各種高、低精度磨損量測定。但要注意稱量前、后試樣的清洗和干燥以及合適的稱量天平的選擇。一般對中等硬度材料可選

18、萬分之一克（即0.1mg）的天平。對某些產(chǎn)生不均勻磨損或局部嚴(yán)重磨損的零部件（如SG管），以及在磨損過程中發(fā)生粘著轉(zhuǎn)移時，失重法不夠準(zhǔn)確,43,1.3 材料磨損與磨損參量,1、失重法（稱重法） 對于多孔性材料，在磨損過程中易進(jìn)油污不易清洗，失重法誤差大。 對試件磨損量很小，但發(fā)生較大塑性變形，不宜用稱重法。如微動磨損 。 對比重相差較大的材料比較磨損量時，可采用將磨損失重?fù)Q算成體積變化來評定磨損結(jié)果,44,1.3 材料磨損與磨損參量,例如：沈陽金屬所研制的球-盤式（銷-盤式）摩擦磨損試驗機(jī)（主要針對涂鍍層）。磨痕的測量采用失重法。對比重相差較大的材料比較磨損量時（如鈦合金基材比重較小，而涂層比

19、重較大的情況 ），將磨損失重?fù)Q算成體積變化來評定磨損結(jié)果?；蛑苯訙y量體積變化來評定磨損結(jié)果。 另外，磨損增重問題。如（核動力院核燃料及材料級重點國家實驗室）復(fù)合材料磨損增重。（觀察測量磨痕剖面損傷程度評定,45,1.3 材料磨損與磨損參量,2、尺寸變化測定法 測量摩擦表面法向尺寸在試驗前后的變化來確定磨損量。常用測量長度的儀器有：測微卡尺、螺旋測微儀、讀數(shù)顯微鏡等。較精密的電感式測微儀的測量精度可達(dá)0.1um數(shù)量級。為便于測量，往往在摩擦表面人為做出測量基準(zhǔn)，以此測量摩擦表面的尺寸變化。測量基準(zhǔn)是根據(jù)試件形狀尺寸，不影響試驗結(jié)果設(shè)置,46,1.3 材料磨損與磨損參量,2、尺寸變化測定法 如壓印

20、式用硬度壓頭在試件表面壓下凹痕，測量壓痕尺寸在磨損前后的變化來評價磨損量。依據(jù)該原理的刻痕磨損測量儀可對氣缸套的磨損進(jìn)行測量：在氣缸套一定部位橫向刻月牙槽。用顯微讀數(shù)儀量出磨損前后的月牙槽長度變化，求出摩擦面法向尺寸變化,47,1.3 材料磨損與磨損參量,3、表面形貌測定法 用觸針式表面形貌測量儀（輪廓儀、臺階儀）可測出磨損前后表面粗糙度變化。這種方法能全面評價磨損表面特征，但不易定量估計出零件或試樣的磨損值。該方法主要適用于磨損量非常小的超硬材料 (如陶瓷，硬涂層) 的磨損或輕微磨損的情況。 但激光共焦掃描顯微鏡可定量測出試樣的微小磨損值,48,1.3 材料磨損與磨損參量,激光共焦掃描顯微鏡測量原理： 先在y、z方向上（垂直方向）描繪出形貌輪廓后，再使被測表面相對于（激光）測頭在x軸方向（水平方向）移動一個微小的距離dx，然后再測出一條表面輪廓線，這樣就可以得到由一組間隔很密的輪廓線組成的三維形貌圖，從而求得磨損體積。如下圖所示,49,1.3 材料磨損與磨損參量,激光共焦掃描顯微鏡圖片,50,1.3 材料磨損與磨損參量,4、非接觸式測量法 以上測量磨損量的方法都要拆卸部分機(jī)械零件。 非接觸式傳感器靠近基準(zhǔn)板，基準(zhǔn)板與試件連成一體。當(dāng)磨損使試件下沉?xí)r，傳感器