第07章金屬磨損和接觸疲勞-材料力學(xué)性能

1、1 第七章金屬磨損和接觸疲勞第七章金屬磨損和接觸疲勞 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相互接觸的機(jī)器零件總要相互運(yùn)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相互接觸的機(jī)器零件總要相互運(yùn) 動(dòng)，產(chǎn)生滑動(dòng)、滾動(dòng)、滾動(dòng)滑動(dòng)，都會(huì)產(chǎn)生摩擦，動(dòng)，產(chǎn)生滑動(dòng)、滾動(dòng)、滾動(dòng)滑動(dòng)，都會(huì)產(chǎn)生摩擦， 引起磨損。如：軸與軸承、活塞環(huán)與氣缸、十字頭引起磨損。如：軸與軸承、活塞環(huán)與氣缸、十字頭 與滑塊、齒輪與齒輪之間與滑塊、齒輪與齒輪之間經(jīng)常因磨損和接觸疲勞，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。有摩擦必將產(chǎn)生磨損，磨損是摩擦的必然結(jié)果。 2 磨損是降低機(jī)器和工具效率、精確度甚至

2、使其磨損是降低機(jī)器和工具效率、精確度甚至使其 報(bào)廢的重要原因，也是造成金屬材料損耗和能源消報(bào)廢的重要原因，也是造成金屬材料損耗和能源消 耗的重要原因耗的重要原因。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界能源的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界能源的1 312消耗于摩擦，大約消耗于摩擦，大約80的機(jī)件失效是磨損的機(jī)件失效是磨損 引起的。汽車傳動(dòng)件的磨損和接觸疲勞是汽車報(bào)廢引起的。汽車傳動(dòng)件的磨損和接觸疲勞是汽車報(bào)廢 的主要原因，所以，耐磨成了汽車檔次的一個(gè)重要的主要原因，所以，耐磨成了汽車檔次的一個(gè)重要 指標(biāo)。指標(biāo)。 研究磨損規(guī)律，提高機(jī)件耐磨性，對節(jié)約能源，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

3、有重要意義。減少材料消耗，延長機(jī)件壽命具有重要意義。 3 7-17-1磨損概念磨損概念 一、摩擦與磨損現(xiàn)象一、摩擦與磨損現(xiàn)象 1、金屬表面形貌和性質(zhì)金屬表面形貌和性質(zhì) 金屬表面形貌金屬表面形貌 金屬表面無論經(jīng)過何種精密加工，表面總不會(huì)金屬表面無論經(jīng)過何種精密加工，表面總不會(huì) 是完全平滑的。是完全平滑的。 表面由波峰和波谷組成，峰骨起伏程度越大，表面由波峰和波谷組成，峰骨起伏程度越大， 表面越粗糙。表面越粗糙。 對磨損來說，除峰高和谷深對磨損有影響外，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峰頂?shù)那拾霃健⑵露纫约肮鹊男螤钜灿泻苤匾?影響。如圖所示

4、影響。如圖所示 4 金屬表面的結(jié)構(gòu)和組織金屬表面的結(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、灰塵等形成的在最表面因環(huán)境中的油污、灰塵等形成的污染膜污染膜， 厚度可達(dá)幾百埃；厚度可達(dá)幾百埃； 因加工過程中的熱量和塑性變形產(chǎn)生的因加工過程中的熱量和塑性變形產(chǎn)生的加工變質(zhì)加工變質(zhì) 層（又稱畢氏層）。層（又稱畢氏層）。磨削量越大，冷卻條件越差，則磨削量越大，冷卻條件越差，則 此層越厚，精磨達(dá)此層越厚，精磨達(dá)0.055m，粗車可達(dá)，粗車可達(dá)10m； 由

5、于與空氣中氧作用生成由于與空氣中氧作用生成金屬氧化膜金屬氧化膜，其厚度可，其厚度可 達(dá)達(dá)100200埃；埃； 5 由于表面的原子與金屬基體內(nèi)部的原子所處環(huán)境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 體分子或液體體分子或液體分子吸附層分子吸附層。該層厚度可從幾十埃到幾。該層厚度可從幾十埃到幾 千埃之間變化；千埃之間變化； 在金屬表面內(nèi)部有在金屬表面內(nèi)部有塑性變形層（塑性變形層（金相觀察時(shí)，稱金相觀察時(shí)，稱 擾

6、亂層擾亂層），厚度及變形程度視變形能量不同而變化；），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金屬表面層還存在著殘余應(yīng)力殘余應(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。響。如氧化膜可減少磨損，殘余應(yīng)力加劇磨損。 6 2、摩擦摩擦 兩個(gè)相互接觸的物體作相對運(yùn)動(dòng)或有相對運(yùn)動(dòng)兩個(gè)相互接觸的物體作相對運(yùn)動(dòng)或有相對運(yùn)動(dòng) 趨勢時(shí)，接觸表面之間就會(huì)出現(xiàn)一種阻礙運(yùn)動(dòng)或運(yùn)趨勢時(shí)，接觸表面之間就會(huì)出現(xiàn)一種阻礙運(yùn)動(dòng)或運(yùn) 動(dòng)趨勢的力，這種現(xiàn)象成為動(dòng)趨勢的力，這種現(xiàn)象成為摩擦摩擦。這種作用在物體。這種作用在物體

7、上并與物體運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力稱為上并與物體運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力稱為摩擦力摩擦力。 最早根據(jù)干摩擦的試驗(yàn)，得到摩擦力最早根據(jù)干摩擦的試驗(yàn)，得到摩擦力F正比于正比于 兩物體之間的正壓力（法線方向）兩物體之間的正壓力（法線方向）N的經(jīng)典摩擦定的經(jīng)典摩擦定 律，即律，即F=N，式中，式中稱為摩擦系數(shù)。稱為摩擦系數(shù)。 這個(gè)定律只對這個(gè)定律只對低速度低速度、低載荷低載荷的的干摩擦干摩擦情況是情況是 正確的，正確的，然而在許多場合下還是被廣泛應(yīng)用。然而在許多場合下還是被廣泛應(yīng)用。 7 摩擦力來源于兩個(gè)方面摩擦力來源于兩個(gè)方面： 因微觀表面凸凹不平，實(shí)際接觸面積極少因微觀表面凸凹不平，實(shí)際接觸面積極少(大大 致

8、在致在1/100001/10的范圍內(nèi)變化的范圍內(nèi)變化)，這部分的接觸應(yīng)，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（氧化膜等）的破裂，促使兩種金屬原子結(jié)合（冷冷 焊焊）；）； 由于微觀表面凸凹不平，導(dǎo)致一部分阻止另一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(dòng)（部分運(yùn)動(dòng)（機(jī)械阻力機(jī)械阻力） 。 要使物體繼續(xù)移動(dòng)，就必須克服這兩部分阻力。要使物體繼續(xù)移動(dòng)，就必須克服這兩部分阻力。 8 用來克服摩擦力所做的功一般都是用來克服摩擦力所做的功一般都是無用功無用功，在，在 機(jī)械運(yùn)動(dòng)中常機(jī)械運(yùn)動(dòng)中常

9、以熱的形式散發(fā)出去以熱的形式散發(fā)出去，使機(jī)械效率降，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，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。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，在而要求增加摩擦力的情況也很多，在某些情況某些情況 下卻要求盡可能增大摩擦力下卻要求盡可能增大摩擦力，如車輛的制動(dòng)器、摩，如車輛的制動(dòng)器、摩 擦離合器等。擦離合器等。 9 潤潤 滑滑 摩擦吸收了機(jī)器中的大量功，這部分功大多在摩擦吸收了機(jī)器中的大量功，這部分功大多在 滑動(dòng)表面上轉(zhuǎn)化為熱，它可以損傷甚至熔化軸承，滑動(dòng)表面上轉(zhuǎn)化為熱，它

10、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(dòng)。為使摩擦力最小，需使接觸表面盡可能容易地滑動(dòng)。 要做到這點(diǎn)，一要做到這點(diǎn)，一種顯而易見的辦法是在接觸部分涂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，以抹上一層物質(zhì)，它即能承受軸承的表面壓力，以防防 止原子止原子- -原子間的接觸原子間的接觸，又應(yīng)該容易切過自身，從，又應(yīng)該容易切過自身，從 而減小摩擦阻力而減小摩擦阻力。 10 3、磨損磨損 定義定義：機(jī)件表面接觸并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面機(jī)件表面接觸并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面 逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑（松散的尺寸與（松散的

11、尺寸與 形狀均不相同的碎屑），形狀均不相同的碎屑），使表面材料逐漸損失使表面材料逐漸損失（導(dǎo)（導(dǎo) 致機(jī)件尺寸變化、重量損失）、致機(jī)件尺寸變化、重量損失）、造成表面損傷的現(xiàn)造成表面損傷的現(xiàn) 象，稱為象，稱為磨損磨損。 摩擦和磨損是物體相互接觸并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)伴摩擦和磨損是物體相互接觸并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)伴 生的兩種現(xiàn)象，生的兩種現(xiàn)象，摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的 必然結(jié)果。必然結(jié)果。 11 磨損是一個(gè)復(fù)雜的過程磨損是一個(gè)復(fù)雜的過程：磨屑的形成是金屬：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)表面變形和斷裂過程。金屬磨損是發(fā)生在兩相對運(yùn) 動(dòng)的表面之間的一

12、個(gè)非常復(fù)雜的過程。動(dòng)的表面之間的一個(gè)非常復(fù)雜的過程。 當(dāng)兩個(gè)相互接觸的物體在壓力作用下，金屬當(dāng)兩個(gè)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(dòng)時(shí)，使表面膜破壞，表面發(fā)生彈性變形及塑性流動(dòng)時(shí)，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（子之間的活性特別強(qiáng)，很容易粘合（冷焊冷焊）在一起。）在一起。 在切向力的作用下會(huì)在切向力的作用下會(huì)剪斷剪斷，并粘附在其中一，并粘附在其中一 個(gè)表面上，而個(gè)表面上，而去磨另一表面去磨另一表面。 12 如果如果粘附現(xiàn)象發(fā)展的很嚴(yán)重粘附現(xiàn)象發(fā)展的很嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)力無

13、法將，驅(qū)動(dòng)力無法將 其克服，就會(huì)發(fā)生其克服，就會(huì)發(fā)生咬合咬合現(xiàn)象現(xiàn)象(如生產(chǎn)中的抱軸如生產(chǎn)中的抱軸)。 當(dāng)當(dāng)速度或載荷高時(shí)速度或載荷高時(shí)，摩擦，摩擦表面溫度會(huì)升高表面溫度會(huì)升高， 使使表面層發(fā)生回火，甚至二次淬火表面層發(fā)生回火，甚至二次淬火。同時(shí)周圍介質(zhì)。同時(shí)周圍介質(zhì) 中的中的氧氧和和氮氮以及潤滑油中的以及潤滑油中的碳碳會(huì)會(huì)向金屬內(nèi)擴(kuò)散向金屬內(nèi)擴(kuò)散，形形 成固溶體或化合物成固溶體或化合物，并使其變脆而脫落，脫落的顆，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。粒成為磨粒又可能去磨損摩擦表面。 所以磨損的過程所以磨損的過程不是簡單的力學(xué)過程，而是物不是簡單的力學(xué)過程，而是物 理的

14、、力學(xué)的和化學(xué)過程極為復(fù)雜的綜合，理的、力學(xué)的和化學(xué)過程極為復(fù)雜的綜合，是極為是極為 錯(cuò)綜復(fù)雜的過程。錯(cuò)綜復(fù)雜的過程。 13 影響磨損的因素：影響磨損的因素： 摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對 運(yùn)動(dòng)性（方式和速度）以及工作溫度。（運(yùn)動(dòng)性（方式和速度）以及工作溫度。（如圖所示如圖所示） 磨損過程磨損過程 機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程一般分為三個(gè)過程。機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程一般分為三個(gè)過程。如如 圖所示圖所示 跑合階段跑合階段（磨合階段）：磨損速率逐漸減少。（磨合階段）：磨損速率逐漸減少。 穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段：磨損速率恒定；大多數(shù)機(jī)械零件：磨損速

15、率恒定；大多數(shù)機(jī)械零件 均在此階段服役。均在此階段服役。 劇烈磨損階段劇烈磨損階段：磨損速率急劇增大。：磨損速率急劇增大。 14 二、耐磨性二、耐磨性 1、分類分類： 機(jī)件表面的磨損機(jī)件表面的磨損不是簡單的力學(xué)過程，而是物理不是簡單的力學(xué)過程，而是物理 的、力學(xué)的和化學(xué)過程極為復(fù)雜的綜合的、力學(xué)的和化學(xué)過程極為復(fù)雜的綜合。理論上還不。理論上還不 成熟，因此，分類方法也不統(tǒng)一。成熟，因此，分類方法也不統(tǒng)一。 按磨損的破壞機(jī)理按磨損的破壞機(jī)理，磨損可分為：粘著磨損、磨，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。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

16、狀態(tài)按機(jī)件表面磨損狀態(tài)，磨損可分為：連續(xù)磨損、，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(dòng)磨粘著磨損、疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨 損、表面塑性流動(dòng)。損、表面塑性流動(dòng)。 15 2、耐磨性耐磨性 定義定義：耐磨性是材料抵抗磨損的性能耐磨性是材料抵抗磨損的性能。通常。通常 用磨損量來表示，磨損量越小，耐磨性越高。用磨損量來表示，磨損量越小，耐磨性越高。 磨損量的表示方法磨損量的表示方法：有線磨損、體積磨損、：有線磨損、體積磨損、 質(zhì)量磨損、比磨損量、相對耐磨性（質(zhì)量磨損、比磨損量、相對耐磨性（）。）。 材料的材料的耐磨性與摩擦系數(shù)并無直接關(guān)系耐磨性與摩擦系數(shù)并無直

17、接關(guān)系，摩擦，摩擦 系數(shù)低，并不意味著耐磨性高。系數(shù)低，并不意味著耐磨性高。 被測試樣的磨損量 標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量 16 7-2 7-2 磨損模型磨損模型 一、粘著磨損一、粘著磨損 1、磨損機(jī)理磨損機(jī)理 粘著磨損粘著磨損又稱咬合磨損又稱咬合磨損，是在滑動(dòng)摩擦條件，是在滑動(dòng)摩擦條件 下，當(dāng)摩擦副相對滑動(dòng)速度較?。ㄤ撔∮谙拢?dāng)摩擦副相對滑動(dòng)速度較?。ㄤ撔∮?m/s） 時(shí)發(fā)生的。時(shí)發(fā)生的。 它是因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，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，以致且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接接觸應(yīng)力超過實(shí)際接 觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損，其表

18、面形貌而產(chǎn)生的一種磨損，其表面形貌 如如圖圖7-2所示。所示。 17 形成粘著點(diǎn)后的形成粘著點(diǎn)后的分離部位分離部位，可能有二種情況，可能有二種情況如如 圖所示圖所示：粘著點(diǎn)粘著點(diǎn)，粘著點(diǎn)兩側(cè)粘著點(diǎn)兩側(cè)（取決于強(qiáng)度），以（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。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(shí)，兩摩擦偶若剪切應(yīng)力低于粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，兩摩擦偶 件會(huì)產(chǎn)生件會(huì)產(chǎn)生咬死咬死而不能相對運(yùn)動(dòng)。如：不銹鋼螺栓與而不能相對運(yùn)動(dòng)。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。不銹鋼螺母在擰緊過程中就經(jīng)常

19、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)生粘著膜（如油膜、氧化膜等），則不易產(chǎn)生粘著。 18 2、磨損量的計(jì)算磨損量的計(jì)算（簡介）（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)度強(qiáng)度近似為單向壓縮屈服強(qiáng)度sc的三倍。的三倍。 如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過3sc產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生塑性變形， 隨后因加工硬化而使變形終止。隨后因加工硬化而使變形終止。 設(shè)接觸點(diǎn)真實(shí)面積為設(shè)接觸點(diǎn)真實(shí)面積為A，接觸壓縮屈服

20、強(qiáng)度為，接觸壓縮屈服強(qiáng)度為3sc ， 作用于表面上的法向力為作用于表面上的法向力為F，則有：，則有： 假定磨屑為半球形，直徑為假定磨屑為半球形，直徑為d，任一瞬時(shí)有，任一瞬時(shí)有n個(gè)粘著點(diǎn)，個(gè)粘著點(diǎn)， 所有粘著點(diǎn)尺寸相同，直徑也是所有粘著點(diǎn)尺寸相同，直徑也是d，則，則 所以所以 19 再假設(shè)每一粘著點(diǎn)滑過距離也為再假設(shè)每一粘著點(diǎn)滑過距離也為d，則單位，則單位 滑動(dòng)距離內(nèi)形成的粘著點(diǎn)數(shù)滑動(dòng)距離內(nèi)形成的粘著點(diǎn)數(shù)N為為 假設(shè)磨屑的形成機(jī)率為假設(shè)磨屑的形成機(jī)率為K，則單位滑動(dòng)距離，則單位滑動(dòng)距離 內(nèi)的磨損體積為：內(nèi)的磨損體積為： 所以：所以： 積分上式，且強(qiáng)度與硬度之間有一定關(guān)系，積分上式，且強(qiáng)度與硬度

21、之間有一定關(guān)系， 則總滑動(dòng)距離內(nèi)的粘著磨損體積為：則總滑動(dòng)距離內(nèi)的粘著磨損體積為： 3 3 4 d F d n N sc 20 H KFlKFl V t sc t 9 式中式中 lt總滑動(dòng)距離總滑動(dòng)距離 系數(shù)系數(shù) H材料硬度材料硬度 上式表明，上式表明，粘著磨損體積磨損量與法向力、粘著磨損體積磨損量與法向力、 滑動(dòng)距離呈正比，與軟方材料的壓縮屈服強(qiáng)度滑動(dòng)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（或硬度）呈反比，而與表觀接觸面積無關(guān)與表觀接觸面積無關(guān)。 如果如果壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）較高壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）較高，則因其，則因其 難于塑性變形不易粘著轉(zhuǎn)移而使難于塑性變形不易粘著

22、轉(zhuǎn)移而使磨損減小磨損減小。 21 如果壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）一定，材料塑性較好，則如果壓縮屈服強(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：即意味著材料的磨損量與塑性呈反比。上式又可改寫成： sc t KFl V 9 式中式中 材料的斷后伸長率。材料的斷后伸長率。 sc與與的乘積為材料的韌性。可見，粘著磨損的體積磨的乘積為材料的韌性。可見，粘著

23、磨損的體積磨 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)，實(shí)，從粘著磨損機(jī)理來看，增加硬度能減少磨損從粘著磨損機(jī)理來看，增加硬度能減少磨損，但在，但在材料材料 韌性增加時(shí)，由于延緩斷裂過程，所以也能使磨損量減少韌性增加時(shí)，由于延緩斷裂過程，所以也能使磨損量減少。 22 3、影響因素影響因素 材料材料 塑性材料比脆性材料易于粘著。塑性材料比脆性材料易于粘著。 互溶性大的材料組成的摩擦副粘著傾向大。互溶性大的材料組成的摩擦副粘著傾向大。 單相合金比多相合金粘著傾向大。單相合金比多相合金粘著傾向大。 固溶體比化合物粘著傾向大。固溶體比

24、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。成的摩擦粘著傾向大。 23 外力外力 摩擦速度一定時(shí)，粘著磨損量隨法向力增大而摩擦速度一定時(shí)，粘著磨損量隨法向力增大而 增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)接觸壓應(yīng)力超過材料硬度當(dāng)接觸壓應(yīng)力超過材料硬度 H H的的1/31/3時(shí)，粘著磨損量急劇增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生咬時(shí)，粘著磨損量急劇增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生咬 死現(xiàn)象死現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選擇的許用應(yīng)力必須低于材。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選擇的許用應(yīng)力必須低于材 料硬度值的料硬度值的1/3，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。，以免產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。 滑

25、動(dòng)速度滑動(dòng)速度 隨摩擦速度增大粘著磨損量增加隨摩擦速度增大粘著磨損量增加，但達(dá)到某一，但達(dá)到某一 極限值后又隨滑動(dòng)速度增加而減小。極限值后又隨滑動(dòng)速度增加而減小。 24 其它其它 表面粗糙度表面粗糙度：降低表面粗糙度將增加抗粘著：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(chǔ)存在摩擦面磨損能力，過低將導(dǎo)致潤滑油難于儲(chǔ)存在摩擦面 內(nèi)而促進(jìn)粘著。內(nèi)而促進(jìn)粘著。 表面溫度表面溫度：其影響與滑動(dòng)速度一致。：其影響與滑動(dòng)速度一致。 潤滑狀態(tài)潤滑狀態(tài)：好的潤滑狀態(tài)將顯著降低粘著磨：好的潤滑狀態(tài)將顯著降低粘著磨 損量。損量。 25 4 4、改善粘著磨損耐磨性的措施、改善粘著磨損耐磨性的措施 磨

26、損是造成材料損耗的主要原因，也是機(jī)件三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。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）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。和韌性，可以提高耐磨性。 對粘著磨損而言：對粘著磨損而言： 注意摩擦副配對材料的選擇注意摩擦副配對材料的選擇。如，滑動(dòng)軸承。如，滑動(dòng)軸承 選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對。選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對。 26 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表

27、面狀態(tài)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。子之間的結(jié)合力，又減小摩擦系數(shù)，可防止粘著。 控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力。 改善潤滑條件改善潤滑條件，提高氧化膜與基體的結(jié)合，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。穩(wěn)定性。從而提高耐磨性。 27 二、磨粒磨損二、磨

28、粒磨損 1 1、磨損機(jī)理、磨損機(jī)理 定義定義：當(dāng)摩擦副一方表面堅(jiān)硬的細(xì)微突起，：當(dāng)摩擦副一方表面堅(jiān)硬的細(xì)微突起， 或者在接觸面之間存在著堅(jiān)硬粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種或者在接觸面之間存在著堅(jiān)硬粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種 磨損。前者為磨損。前者為兩體磨損兩體磨損，后者為，后者為三體磨損三體磨損。如圖所如圖所 示示 分類分類 按所受應(yīng)力的大小不同，可分為：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：低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損：它的特點(diǎn)是磨料作用于它的特點(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)械中的刮板被輕微劃傷

29、。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。輸送機(jī)溜槽磨損情況就是屬于這種類型。 28 高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損：其特點(diǎn)是磨料與零件其特點(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。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。是屬于這種類型。 鑿削式磨粒磨損鑿削式磨粒磨損：其特點(diǎn)是磨料對材料表面：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，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

30、。如挖掘機(jī)斗齒及顎式破碎機(jī)的齒板。 特征特征： 摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽。如圖所示。如圖所示 29 磨損機(jī)理與特點(diǎn)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。刀具與工件的相互作用類似。 對于韌性材料對于韌性材料： 在銳刃的硬粒子作用下在銳刃的硬粒子作用下，每一磨粒從表面切下的是一，每一磨粒從表面切下的是一 個(gè)連續(xù)的屑。個(gè)連續(xù)的屑。 在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下，只能被犁皺，形成，只能被犁皺，形成 溝槽。溝槽。 對于脆性材料對于脆性材料： 在銳

31、刃的硬粒子作用下在銳刃的硬粒子作用下，一個(gè)磨粒切下的是許多斷屑。，一個(gè)磨粒切下的是許多斷屑。 在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下，溝槽是由裂紋擴(kuò)展，溝槽是由裂紋擴(kuò)展 和表面材料呈碎片脫落而引起的。和表面材料呈碎片脫落而引起的。 30 2、磨損量的計(jì)算磨損量的計(jì)算 現(xiàn)以兩體磨粒磨損為例，推導(dǎo)以切削作用為主現(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(jì)算式。要磨粒磨損量計(jì)算式。 根據(jù)模型（根據(jù)模型（如圖所示如圖所示） ，在法向力，在法向力F作用下，作用下， 硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓入硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓入 軟材料中。軟材料中。

32、 當(dāng)作用在一個(gè)凸出部分上的力當(dāng)作用在一個(gè)凸出部分上的力F除以凸出部分除以凸出部分 在水平面上投影接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強(qiáng)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(shí)，則凸出部分或磨粒的壓入就會(huì)停止下來：度時(shí)，則凸出部分或磨粒的壓入就會(huì)停止下來： 31 凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖 中陰影部分），即磨損量中陰影部分），即磨損量V： 由上兩式得：由上兩式得： 因金屬材料的屈服強(qiáng)度與硬度成正比，所以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：上式又可寫成： H Fltg KV sc Fltg V 3 (7-11) (7-12) 3

33、2 可見，可見，磨粒磨損量與法向力、摩擦距離呈正比，磨粒磨損量與法向力、摩擦距離呈正比， 與材料硬度呈反比，與材料硬度呈反比，同時(shí)同時(shí)還與硬材料凸出部分或磨還與硬材料凸出部分或磨 粒的形狀有關(guān)粒的形狀有關(guān)。 實(shí)際上：實(shí)際上： 因磨粒的棱面相對摩擦表面的取向不同，只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；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，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。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(dòng)堆積在溝槽兩側(cè)的材料，只有在隨后的運(yùn)動(dòng) 過程中有一部分能形成

34、磨屑。過程中有一部分能形成磨屑。 33 3 3、影響因素、影響因素 材料硬度材料硬度：硬度越高，抵抗磨粒磨損的能力：硬度越高，抵抗磨粒磨損的能力 越好。越好。 相同硬度時(shí)，鋼中含碳量越高，碳化物形成元相同硬度時(shí)，鋼中含碳量越高，碳化物形成元 素越多，則耐磨性越好。素越多，則耐磨性越好。如圖所示如圖所示 (2) 斷裂韌度的影響，斷裂韌度的影響，如圖所示如圖所示 (3)顯維組織顯維組織：MF；相同硬度時(shí)，；相同硬度時(shí)，B下 下M回回； ； 細(xì)化晶粒由于能提高屈服強(qiáng)度、硬度及靜載塑性，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；所以也提高耐磨性； 碳化物：軟基體中分布時(shí)，提高耐磨

35、性；硬基碳化物：軟基體中分布時(shí)，提高耐磨性；硬基 體中分布時(shí)，降低耐磨性。體中分布時(shí)，降低耐磨性。 34 (4) 加工硬化加工硬化對金屬材料抗磨粒磨損的影響，對金屬材料抗磨粒磨損的影響， 因磨損類型不同而有不同：因磨損類型不同而有不同： 在在低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損時(shí)，加工硬化對材料時(shí)，加工硬化對材料 的耐磨性沒有影響；的耐磨性沒有影響； 在在高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損時(shí)，加工硬化能顯著時(shí)，加工硬化能顯著 提高耐磨性。提高耐磨性。 (5)在在磨粒硬度低于金屬硬度磨粒硬度低于金屬硬度的的軟磨粒磨損情況軟磨粒磨損情況 下，磨損機(jī)理將會(huì)變化下，磨損機(jī)理將會(huì)變化，所以耐磨

36、性的影響因素也，所以耐磨性的影響因素也 會(huì)發(fā)生變化。會(huì)發(fā)生變化。如圖所示如圖所示 磨粒磨損也有有利的一面磨粒磨損也有有利的一面，如：拋光、挫削、，如：拋光、挫削、 砂輪磨削、砂輪切割等。砂輪磨削、砂輪切割等。 35 4 4、改善磨粒磨損耐磨性的措施、改善磨粒磨損耐磨性的措施 對于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增對于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增 加材料硬度加材料硬度。這是提高耐磨性的最有效的措施。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果磨粒磨損機(jī)理是塑性變形，或塑性變形

37、后疲勞破 壞（低周疲勞）、脆性斷裂，則提高材料韌性對改壞（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(shí)用等溫淬火獲得下貝氏體（良善耐磨性有益。此時(shí)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。都能改善抗磨粒磨損能力。 36 根據(jù)機(jī)件服役條件，合理選擇耐磨材料根據(jù)機(jī)件服役條件，合理選擇耐磨材料。 在在高應(yīng)力沖擊載荷高應(yīng)力沖擊載荷下（顎式破碎機(jī)齒板粉碎難破下（顎式破碎機(jī)齒板粉碎難破 碎礦石時(shí)），要選

38、用碎礦石時(shí)），要選用高錳鋼高錳鋼，利用高韌性和高的硬化能，利用高韌性和高的硬化能 力，可得到高耐磨性。力，可得到高耐磨性。 在在滑動(dòng)接觸式連續(xù)性重載滑動(dòng)接觸式連續(xù)性重載下（挖掘機(jī)刀頭），則下（挖掘機(jī)刀頭），則 應(yīng)選用應(yīng)選用硬質(zhì)合金、高鉻白口鑄鐵硬質(zhì)合金、高鉻白口鑄鐵，或經(jīng)過二次硬化處理，或經(jīng)過二次硬化處理 的基體鋼。的基體鋼。 在在沖擊載荷不大的低應(yīng)力磨損場合沖擊載荷不大的低應(yīng)力磨損場合（車床主軸軸（車床主軸軸 頭、水泥球磨機(jī)襯板、拖拉機(jī)履帶板等）用頭、水泥球磨機(jī)襯板、拖拉機(jī)履帶板等）用中碳低合金中碳低合金 鋼并經(jīng)淬火回火處理鋼并經(jīng)淬火回火處理，可得到適中的耐磨粒磨損性能。，可得到適中的耐磨粒

39、磨損性能。 37 用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理提高表面提高表面 硬度硬度也能有效提高耐磨粒磨損性能。也能有效提高耐磨粒磨損性能。 防塵防塵、清洗清洗均對減輕磨粒磨損有效。經(jīng)常均對減輕磨粒磨損有效。經(jīng)常 注意機(jī)件防塵和清洗，防止大于注意機(jī)件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進(jìn)入微米磨粒進(jìn)入 接觸面，也是有效措施。接觸面，也是有效措施。 38 三、腐蝕磨損三、腐蝕磨損 在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)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產(chǎn)物的形成與脫落

40、引起腐蝕磨損腐蝕磨損。 腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機(jī)械磨損（粘著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，故又稱磨損或磨粒磨損）共存，故又稱腐蝕機(jī)械磨損腐蝕機(jī)械磨損。 分類分類： 氧化磨損氧化磨損、微動(dòng)磨損微動(dòng)磨損、沖蝕磨損沖蝕磨損（又稱氣蝕）、（又稱氣蝕）、 特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損（常見于化工機(jī)械，一般機(jī)械中（常見于化工機(jī)械，一般機(jī)械中 比較少見）。比較少見）。 39 （一）氧化磨損（一）氧化磨損 1、氧化膜的形成過程氧化膜的形成過程：大氣中的機(jī)件表面總有：大氣中的機(jī)件表面總有 一層一層氧的氧的吸附層吸附層，當(dāng)摩擦副作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面，當(dāng)摩擦副作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)

41、，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。變形。塑性變形塑性變形加速了加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成，從而形成 了氧化膜。了氧化膜。 2、氧化腐蝕過程氧化腐蝕過程：由于形成的：由于形成的氧化膜強(qiáng)度低氧化膜強(qiáng)度低、 在摩擦副繼續(xù)作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，氧化膜在摩擦副繼續(xù)作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，氧化膜被摩擦副一方的被摩擦副一方的 凸起所剝落凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著 又再被磨去。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。如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面逐漸被磨

42、損。 40 3、宏觀特征宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動(dòng)方向呈勻：在摩擦表面上沿滑動(dòng)方向呈勻 細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵（細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵（Fe2O3） 或黑色四氧化三鐵或黑色四氧化三鐵Fe3O4。 是最廣泛的一種磨損，其是最廣泛的一種磨損，其磨損速率最小磨損速率最小，僅為，僅為 0.10.5m/h，屬于正常磨損。，屬于正常磨損。 氧化磨損不一定有害氧化磨損不一定有害，如果氧化磨損先于其它，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。類型磨損產(chǎn)生和發(fā)展，則氧化磨損是有利的。 41 4、影響氧化磨損速率或磨損量的因素影響氧化磨損速率或磨損量的因素： (

43、1) 摩擦副表面層對塑性變形的抗力；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；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)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；合的牢固程度； (4) 摩擦學(xué)參數(shù)，如接觸壓力、滑動(dòng)速度、滑摩擦學(xué)參數(shù)，如接觸壓力、滑動(dòng)速度、滑 動(dòng)距離、溫度等。動(dòng)距離、溫度等。 42 （二）微動(dòng)磨損（二）微動(dòng)磨損 1、微動(dòng)微動(dòng)：在機(jī)器的嵌合部位和緊配合處，接：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(dòng)觸表面之間雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動(dòng) 載荷和振動(dòng)的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動(dòng)。這種微小載

44、荷和振動(dòng)的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動(dòng)。這種微小 滑動(dòng)是小振幅的切向振動(dòng)，稱為微動(dòng)。滑動(dòng)是小振幅的切向振動(dòng)，稱為微動(dòng)。 2、微動(dòng)磨損微動(dòng)磨損：接觸表面之間因存在小振幅相：接觸表面之間因存在小振幅相 對振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損稱為微動(dòng)磨損或微對振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損稱為微動(dòng)磨損或微 動(dòng)腐蝕。如圖所示動(dòng)腐蝕。如圖所示 43 3、微動(dòng)磨損過程微動(dòng)磨損過程：有三個(gè)階段：有三個(gè)階段 第一階段第一階段：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂 紋和擴(kuò)展，或去除表面污物紋和擴(kuò)展，或去除表面污物形成粘著和粘著點(diǎn)斷裂形成粘著和粘著點(diǎn)斷裂； 第二階段第二階段：通過疲勞破壞或粘著點(diǎn)斷裂形成

45、磨屑，：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磨屑形成后隨即氧化； 第三階段第三階段：磨粒磨損階段磨粒磨損階段，磨粒磨損又反過來加，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(dòng)磨損。速第一階段，如此循環(huán)不已則構(gòu)成了微動(dòng)磨損。 因微動(dòng)磨損集中在局部地區(qū)，又因兩摩擦表面永因微動(dòng)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，故不脫離接觸，磨損產(chǎn)物不易向外排出，故兼有氧化磨兼有氧化磨 損、磨粒磨損、粘著磨損損、磨粒磨損、粘著磨損的作用。的作用。 44 4、特征特征： 接觸區(qū)存在紅色接觸區(qū)存在紅色FeFe2 2O O3 3粉末，鋁件的磨損產(chǎn)物為粉末，

46、鋁件的磨損產(chǎn)物為 黑色。黑色。 5、影響因素影響因素:震動(dòng)時(shí)間、次數(shù)；振幅、震動(dòng)頻震動(dòng)時(shí)間、次數(shù)；振幅、震動(dòng)頻 率；載荷；氮等不活潑氣體比空氣濕度大的氣體環(huán)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。境磨損量小。 在微動(dòng)磨損的產(chǎn)生處往往形成在微動(dòng)磨損的產(chǎn)生處往往形成蝕坑蝕坑（所以微動(dòng)（所以微動(dòng) 磨損又稱為咬蝕），其結(jié)果不僅使部件精度、性能磨損又稱為咬蝕），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，下降，更嚴(yán)重的是引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞破壞導(dǎo)致疲勞破壞。 生產(chǎn)中的實(shí)例生產(chǎn)中的實(shí)例：鍵槽處、蒸汽錘的錘桿與錘頭：鍵槽處、蒸汽錘的錘桿與錘頭 結(jié)合處、搭接接頭處、發(fā)動(dòng)機(jī)固定

47、件及離合器等。結(jié)合處、搭接接頭處、發(fā)動(dòng)機(jī)固定件及離合器等。 45 （三）沖蝕磨損（三）沖蝕磨損 1、定義定義： 液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角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。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，松散尺寸小于一般情況下，松散尺寸小于100m，沖擊速度，沖擊速度 小于小于550m/s。 2、分類分類： 按照攜帶粒子的介質(zhì)不同，沖蝕磨損可分為：按照攜帶粒子的介質(zhì)不同，沖蝕磨損可分為： 氣固氣固沖蝕磨損、沖蝕磨損、流體流體沖蝕磨損、沖蝕磨損、液滴液滴沖蝕磨損和沖蝕磨損和氣氣 蝕蝕磨損（磨損（如表所

48、示如表所示）。氣固沖蝕磨損又稱噴砂型沖）。氣固沖蝕磨損又稱噴砂型沖 蝕磨損，是最常見的沖蝕磨損。蝕磨損，是最常見的沖蝕磨損。 46 3、磨損機(jī)理磨損機(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。魚鱗狀小凹坑（沖蝕坑），且變形層有微小裂紋。 塑性材料塑性材料表面沖蝕坑是在短程微切削和塑性變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

49、屑，材料流失。變形下形成磨屑，材料流失。 脆性材料脆性材料（陶瓷、玻璃等）沖蝕磨損是裂紋形（陶瓷、玻璃等）沖蝕磨損是裂紋形 成與快速擴(kuò)展的過程。成與快速擴(kuò)展的過程。 47 4、影響因素影響因素 主要有主要有環(huán)境因素環(huán)境因素：如沖擊角、粒子速度及濃：如沖擊角、粒子速度及濃 度、沖擊時(shí)間、溫度及介質(zhì)；度、沖擊時(shí)間、溫度及介質(zhì)；粒子性能粒子性能：如粒度、：如粒度、 形狀、硬度、密度、可碎性等；形狀、硬度、密度、可碎性等；材料性能材料性能：如硬：如硬 度、強(qiáng)度、韌性和物理性能。度、強(qiáng)度、韌性和物理性能。 5、措施措施 減小入射粒子和介質(zhì)的速度；減小入射粒子和介質(zhì)的速度；改變沖擊角改變沖擊角 減輕沖蝕，

50、塑性材料盡量避免在減輕沖蝕，塑性材料盡量避免在2030之間服之間服 役，脆性材料則應(yīng)避免粒子垂直入射；役，脆性材料則應(yīng)避免粒子垂直入射；合理利用合理利用 粒子濃度和粒度；粒子濃度和粒度；合理設(shè)計(jì)機(jī)件形狀；合理設(shè)計(jì)機(jī)件形狀；選用耐選用耐 沖蝕的材料及表面處理方法。沖蝕的材料及表面處理方法。 48 7-3 7-3 磨損試驗(yàn)方法磨損試驗(yàn)方法 一、試驗(yàn)方法的分類：一、試驗(yàn)方法的分類： 實(shí)物試驗(yàn)實(shí)物試驗(yàn)：即以實(shí)物零件在機(jī)器實(shí)際工作條件：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(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。 與實(shí)際

51、情況一致或接近一致，試驗(yàn)結(jié)果的可靠與實(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(shí)間長，外界因素的影響難于掌握和性高；但所需時(shí)間長，外界因素的影響難于掌握和 分析。分析。 49 試驗(yàn)室試驗(yàn)試驗(yàn)室試驗(yàn)：即將欲試材料制成規(guī)定試樣，：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(jì)的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行在規(guī)定的試驗(yàn)條件下在專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 試驗(yàn)。試驗(yàn)。 試驗(yàn)時(shí)間短、成本低、易于控制各種因素的試驗(yàn)時(shí)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。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(shí)，往往兼用兩種方研究重要機(jī)件的耐磨性時(shí)，往往兼用兩種方 法

52、。法。 50 二、試驗(yàn)原理二、試驗(yàn)原理 1、類別類別：試驗(yàn)室試驗(yàn)所用磨損試驗(yàn)機(jī)的原理：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(dòng)式、有：銷盤式、銷筒式、往復(fù)運(yùn)動(dòng)式、MM式、砂紙式、砂紙 磨損試驗(yàn)、快速磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)、快速磨損試驗(yàn)。如圖所示如圖所示 2、選擇選擇：應(yīng)按照：應(yīng)按照 摩擦副運(yùn)動(dòng)方式（往復(fù)、旋轉(zhuǎn)）摩擦副運(yùn)動(dòng)方式（往復(fù)、旋轉(zhuǎn)） 摩擦方式（滾動(dòng)或滑動(dòng)）摩擦方式（滾動(dòng)或滑動(dòng)） 確定試驗(yàn)方法及所用試樣形狀及尺寸確定試驗(yàn)方法及所用試樣形狀及尺寸，并使試，并使試 驗(yàn)力、速度、和溫度等因素盡可能接近試驗(yàn)條件。驗(yàn)力、速度、和溫度等因素盡可能接近試驗(yàn)條件。 試樣要求試樣要求：一般至

53、少：一般至少45對摩擦副（因試驗(yàn)結(jié)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。果分散度大），并應(yīng)保證相同的精度及表面粗糙度。 51 3、磨損量的測量方法磨損量的測量方法 稱重法稱重法 用分析天平用分析天平 測長法測長法 劃痕法劃痕法：如圖所示如圖所示。用金剛石錐體繞。用金剛石錐體繞x-x軸旋軸旋 轉(zhuǎn)，在試樣上劃一小坑，軸距錐尖為轉(zhuǎn)，在試樣上劃一小坑，軸距錐尖為r，劃坑長為，劃坑長為 L1，坑深，坑深h1為：為：h1=L12/8r磨后再求磨后再求h2，坑深為：，坑深為： hh1- h2。 壓痕法壓痕法：使用維氏硬度計(jì)壓頭，測出磨損前后：使用維氏硬度計(jì)壓頭，測出磨損前后 試樣

54、上壓痕對角線長度的變化，換算成深度變化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）。倍關(guān)系）。 52 4、對磨屑分析對磨屑分析 磨屑與斷口一樣反映斷裂過程各階段的信息，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。定材料磨損的良好方法。鐵譜技術(shù)鐵譜技術(shù)。 53 7-4 7-4 金屬接觸疲勞金屬接觸疲勞 一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力 （一）接觸疲勞現(xiàn)象（一）接觸疲勞現(xiàn)象 1、定義定義：機(jī)件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩：機(jī)件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩 擦

55、時(shí)，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因擦?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，又稱落而使物質(zhì)損傷的現(xiàn)象，又稱表面磨損表面磨損或或疲勞磨損疲勞磨損。 2、宏觀特征宏觀特征：在接觸表面上出現(xiàn)許多小針狀或：在接觸表面上出現(xiàn)許多小針狀或 痘狀凹坑，有時(shí)凹坑很深，呈貝殼狀，有疲勞裂紋痘狀凹坑，有時(shí)凹坑很深，呈貝殼狀，有疲勞裂紋 發(fā)展的痕跡。發(fā)展的痕跡。如圖所示如圖所示 54 3、分類分類：根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，：根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同， 可分為以下三種：可分為以下三

56、種： 麻點(diǎn)剝落麻點(diǎn)剝落（麻點(diǎn)）：（麻點(diǎn)）：0.10.2mm以下的小以下的小 塊剝落，呈針狀或痘狀凹坑截面呈不對稱塊剝落，呈針狀或痘狀凹坑截面呈不對稱V形。形。 如圖所示如圖所示 淺層剝落淺層剝落：深度在：深度在0.20.4mm，剝落底部，剝落底部 大致和表面平行，裂紋走向與表面呈銳角或垂直。大致和表面平行，裂紋走向與表面呈銳角或垂直。 深層剝落深層剝落（壓碎性剝落）：深度與表面強(qiáng)（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。化深度相當(dāng)，裂紋走向與表面垂直。如圖所示如圖所示 55 4、過程過程：為裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段。：為裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)階段。 5、接觸疲勞曲線接觸疲勞曲線分

57、兩種：有明顯的接觸疲勞極分兩種：有明顯的接觸疲勞極 限和沒有明顯的接觸疲勞極限。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)。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，但隨著少量麻點(diǎn)剝落不影響機(jī)件的正常工作，但隨著 時(shí)間的延長，麻點(diǎn)尺寸逐漸變大，數(shù)量也不斷增多，時(shí)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(dòng)和沖擊也隨之加大，嚴(yán)重時(shí)甚至可越來越大，振動(dòng)和沖擊

58、也隨之加大，嚴(yán)重時(shí)甚至可 能將輪齒打斷。能將輪齒打斷。齒輪、軸承、鋼軌、輪轂的表面經(jīng)齒輪、軸承、鋼軌、輪轂的表面經(jīng) 常出現(xiàn)接觸疲勞失效常出現(xiàn)接觸疲勞失效。 56 （二）接觸應(yīng)力（二）接觸應(yīng)力 1、接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力：兩物體相互接觸時(shí)，在表面產(chǎn)兩物體相互接觸時(shí)，在表面產(chǎn) 生的局部壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力生的局部壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。 按接觸面初始幾何條件不同按接觸面初始幾何條件不同可分為可分為： 線接觸線接觸：如齒輪的接觸；滾動(dòng)軸承（滾動(dòng)體：如齒輪的接觸；滾動(dòng)軸承（滾動(dòng)體 為滾柱、滾針）的接觸。為滾柱、滾針）的接觸。 點(diǎn)接觸點(diǎn)接觸：如滾動(dòng)軸承（滾動(dòng)體為球體）的接：如滾動(dòng)軸承（滾動(dòng)體為球體）的接 觸。觸

59、。 57 線接觸時(shí)的接觸應(yīng)力線接觸時(shí)的接觸應(yīng)力 假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為R1、R2，長，長l l，未，未 變形前兩者為線接觸，施加法向力后，因彈性變形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|，接觸面積變?yōu)槊娼佑|，接觸面積2bl l ，如圖所示如圖所示 。 據(jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)力沿?fù)?jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)力沿y軸按半橢圓軸按半橢圓 柱規(guī)律分布，在接觸中間（柱規(guī)律分布，在接觸中間（y=0）處，接觸壓應(yīng)力）處，接觸壓應(yīng)力 達(dá)到最大值，所以：達(dá)到最大值，所以： 58 在法向力的作用下，接觸面有三向主應(yīng)力，沿在法向力的作用下，接觸面有三向主應(yīng)力，沿 接觸深度方

60、向的分布接觸深度方向的分布如圖所示如圖所示。在一定接觸深度下。在一定接觸深度下 zyx； zxy，相應(yīng)的最大切應(yīng)力為：，相應(yīng)的最大切應(yīng)力為： 這三個(gè)最大切應(yīng)力分別作用在與主應(yīng)力作用面這三個(gè)最大切應(yīng)力分別作用在與主應(yīng)力作用面 互成互成45方向的平面上，方向的平面上，在接觸中心下在接觸中心下0.786b處，處， zy45 值最大。 值最大。 在接觸面下在接觸面下0.5b、y0.85b處所受切應(yīng)力處所受切應(yīng)力 0max最大最大。 59 點(diǎn)接觸時(shí)的接觸應(yīng)力點(diǎn)接觸時(shí)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，觸