第6章-金屬材料的表面摩擦與磨損

1、材料成形界面工程Interfacial Engineering in Materials Processing李 貴武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院金屬材料的表面摩擦與磨損6/6.1 摩擦6.2 磨損摩擦6/16.1 摩擦n 1. 摩擦定義p 兩個(gè)接觸物體在外力作用下產(chǎn)生相對運(yùn)動(或運(yùn)動趨勢)時(shí), 接觸表面產(chǎn)生切向力和阻力矩以阻止運(yùn)動的現(xiàn)象稱為摩擦。p 摩擦表面 相互運(yùn)動零件相互運(yùn)動零件配合表面的摩擦、磨損與摩擦表面的形貌、表配合表面的摩擦、磨損與摩擦表面的形貌、表面層面層的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)p 摩擦表面的形貌(Surface Layer morphology)和表示方法1) 1) 表面

2、波度：表面波度：2) 2) 表面粗糙度：粗糙度表面粗糙度：粗糙度(Ra)(Ra)3) 3) 宏觀幾何形狀：用圓度、圓柱度、平面度表示宏觀幾何形狀：用圓度、圓柱度、平面度表示 實(shí)際表面與理想表面存在一定的幾何形狀誤差實(shí)際表面與理想表面存在一定的幾何形狀誤差 零件表面形貌可分為：零件表面形貌可分為：6.1 摩擦n 1. 摩擦定義p 兩個(gè)接觸物體在外力作用下產(chǎn)生相對運(yùn)動(或運(yùn)動趨勢)時(shí), 接觸表面產(chǎn)生切向力和阻力矩以阻止運(yùn)動的現(xiàn)象稱為摩擦。表面形貌6.1 摩擦n 1. 摩擦定義p 輪廓算術(shù)平均偏差 (Ra) 指在指在L長度范圍內(nèi)被測表面輪廓上的各點(diǎn)至輪廓中線長度范圍內(nèi)被測表面輪廓上的各點(diǎn)至輪廓中線m

3、m距離絕對距離絕對值總和的算術(shù)平均值。它是用表面輪廓在高度上的量來反映表面值總和的算術(shù)平均值。它是用表面輪廓在高度上的量來反映表面粗糙度的大小粗糙度的大小輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)6.1 摩擦n 2. 表面層的結(jié)構(gòu)(Surface Layer Composition) 金屬表面層的具體結(jié)構(gòu)示意圖金屬表面層的具體結(jié)構(gòu)示意圖6.1 摩擦n 2. 表面層的結(jié)構(gòu)(Surface Layer Composition) 表面層的硬度高于基體，提高表面的耐磨性表面層的硬度高于基體，提高表面的耐磨性 表面層中存在著物理、化學(xué)和應(yīng)力缺陷。會成為磨損的應(yīng)力集中源。表面層中存在著物理、化學(xué)和應(yīng)力缺陷。會成為磨損的應(yīng)力

4、集中源。 表面層晶粒較細(xì)使晶界增加，對腐蝕介質(zhì)中工作的摩擦副不利表面層晶粒較細(xì)使晶界增加，對腐蝕介質(zhì)中工作的摩擦副不利實(shí)際表面是凹凸不平的；實(shí)際表面是凹凸不平的；接觸表面并非真正的全部接觸：實(shí)際接觸面積接觸表面并非真正的全部接觸：實(shí)際接觸面積 名義接觸面積；名義接觸面積；即使在接觸點(diǎn)上，也可能有表面膜把金屬隔開即使在接觸點(diǎn)上，也可能有表面膜把金屬隔開。6.1 摩擦n 3. (滑動)摩擦機(jī)理 產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交錯(cuò)嚙合作用而引起的。產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交錯(cuò)嚙合作用而引起的。表面的粗糙度越大表面的粗糙度越大, 摩擦力越大摩擦力越大p 1) 機(jī)械理論(凹凸說) 1699

5、年p 2) 分子理論(分子說) 1734年 基本觀點(diǎn)：產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面分子間的相互作用基本觀點(diǎn)：產(chǎn)生摩擦的原因是由于表面分子間的相互作用p 3) 分子機(jī)械理論 1939年 認(rèn)為：摩擦有兩重性（分子作用和機(jī)械作用）認(rèn)為：摩擦有兩重性（分子作用和機(jī)械作用）p 4) 粘著理論 1942年, 比較公認(rèn)的理論 Bowden等人等人, 基本觀點(diǎn)基本觀點(diǎn): 實(shí)際接觸面積小實(shí)際接觸面積小(名義接觸面積的千分之名義接觸面積的千分之幾或萬分之幾）幾或萬分之幾）應(yīng)力大應(yīng)力大表面膜破裂并伴有塑性變形（變形熱）表面膜破裂并伴有塑性變形（變形熱） 粘著粘著產(chǎn)生滑動阻力即摩擦力。產(chǎn)生滑動阻力即摩擦力。6.1 摩擦n

6、 4. 摩擦類型 靜摩擦靜摩擦 和和 動摩擦動摩擦p 1) 按摩擦副的運(yùn)動狀態(tài)分p 2) 按摩擦副的運(yùn)動形式分 滑動摩擦滑動摩擦 和和 滾動摩擦滾動摩擦p 3) 按摩擦表面的潤滑狀態(tài)分 純凈摩擦純凈摩擦 干摩擦干摩擦 Dry Friction 邊界摩擦邊界摩擦 Boundary Friction 液體摩擦（液體摩擦（Liquid Friction） 混合摩擦混合摩擦6.1 摩擦n 4.1 干摩擦 Dry Friction 摩擦系數(shù)大摩擦系數(shù)大, 0.11.5p 摩擦表面間沒有任何潤滑劑時(shí)的摩擦干摩擦的表面接觸情況實(shí)際接觸情況單個(gè)微體接觸情況6.1 摩擦n 4.1 干摩擦 Dry Frictio

7、n p 摩擦機(jī)理機(jī)械作用：接觸面積小塑性變形氧化膜被壓碎或剪切分子溶合冷焊焊點(diǎn)被剪切分子作用：塑性變形晶格歪扭破碎加工硬化表面溫度升高，高于再結(jié)晶溫度硬化層發(fā)生再結(jié)晶溫度繼續(xù)升高表面金屬軟化，發(fā)生粘結(jié)和相變繼續(xù)運(yùn)動接觸部分脫開冷卻淬火進(jìn)一步提高硬度?；瘜W(xué)作用：氧化膜被壓碎或剪切裸露的金屬氧化形成新的氧化膜6.1 摩擦n 4.2 邊界摩擦 Boundary Frictionp 在摩擦副的表面間, 存在一層極薄邊界膜時(shí)的摩擦, 稱為邊界摩擦。邊界膜分為物理吸附膜、化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜。p 特點(diǎn): 邊界膜的厚度很小邊界膜的厚度很小(0.1微米微米), 但仍可使摩擦系數(shù)大大降低但仍可使摩擦系數(shù)大大降

8、低(0.05-0.5) 摩擦磨損特性不取決于潤滑劑的粘度摩擦磨損特性不取決于潤滑劑的粘度, 而是取決于表面膜的特性而是取決于表面膜的特性p 減少邊界摩擦的方法: 在普通工作條件的機(jī)械的潤滑劑中在普通工作條件的機(jī)械的潤滑劑中, 加入油性添加劑加入油性添加劑, 如：油酸、如：油酸、甘油等甘油等 在低速、重載的在低速、重載的“極壓條件極壓條件”下工作的潤滑劑中下工作的潤滑劑中, 加入極壓添加入極壓添加劑加劑(又稱油膜增強(qiáng)劑又稱油膜增強(qiáng)劑), 如：酯。如：酯。 邊界摩擦實(shí)例：氣缸套邊界摩擦實(shí)例：氣缸套活塞環(huán)，活塞環(huán)， 凸輪凸輪挺桿等挺桿等6.1 摩擦n 4.2 邊界摩擦 Boundary Fricti

9、onp 物理吸附膜 礦物潤滑油中常含有一些極性物質(zhì)，其分子的一端是帶有強(qiáng)電礦物潤滑油中常含有一些極性物質(zhì)，其分子的一端是帶有強(qiáng)電荷的極性團(tuán)，與金屬表面親和力強(qiáng)，在金屬表面形成單層分子荷的極性團(tuán)，與金屬表面親和力強(qiáng)，在金屬表面形成單層分子或多層分子的吸附膜?；蚨鄬臃肿拥奈侥?。 因此因此, 摩擦發(fā)生在金屬表面的極性分子的非極性端摩擦發(fā)生在金屬表面的極性分子的非極性端, 從而有效地從而有效地防止摩擦表面的直接接觸防止摩擦表面的直接接觸, 減少了摩擦。減少了摩擦。 物理吸附膜完全可逆，受熱容易產(chǎn)生脫吸，所以適用于常溫、物理吸附膜完全可逆，受熱容易產(chǎn)生脫吸，所以適用于常溫、低速、輕載的摩擦副。低速、輕

10、載的摩擦副。6.1 摩擦n 4.2 邊界摩擦 Boundary Frictionp 化學(xué)吸附膜 潤滑劑中的一些極性分子的有價(jià)電子與金屬或其氧化表面的交潤滑劑中的一些極性分子的有價(jià)電子與金屬或其氧化表面的交換電子產(chǎn)生新的化合物，定向排列吸附于金屬表面換電子產(chǎn)生新的化合物，定向排列吸附于金屬表面 化學(xué)吸附膜很薄化學(xué)吸附膜很薄, 且吸附于脫吸不完全可逆且吸附于脫吸不完全可逆, 受熱發(fā)生脫吸受熱發(fā)生脫吸 化學(xué)反應(yīng)膜穩(wěn)定，用于高溫、高壓、高滑動速度的摩擦副化學(xué)反應(yīng)膜穩(wěn)定，用于高溫、高壓、高滑動速度的摩擦副p 化學(xué)反應(yīng)膜 在潤滑油中加入硫、磷、氯等元素的添加劑（極壓添加劑），在潤滑油中加入硫、磷、氯等元素

11、的添加劑（極壓添加劑），在高溫下這些元素與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成厚度較大的化在高溫下這些元素與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成厚度較大的化學(xué)反應(yīng)膜。學(xué)反應(yīng)膜。6.1 摩擦n 4.3 液體摩擦 Liquid Frictionp 摩擦副表面有一層由邊界膜和流體膜組成的潤滑劑, 摩擦表面不直接接觸 流體動壓潤滑：利用摩擦表面的相對運(yùn)動使?jié)櫥瑒┝黧w自然產(chǎn)流體動壓潤滑：利用摩擦表面的相對運(yùn)動使?jié)櫥瑒┝黧w自然產(chǎn)生內(nèi)壓來承受外部載荷并使摩擦表面隔開的潤滑。生內(nèi)壓來承受外部載荷并使摩擦表面隔開的潤滑。摩擦系數(shù)小摩擦系數(shù)小p 特點(diǎn):p 類型： 流體靜壓潤滑：利用壓力把潤滑劑打入摩擦表面使之隔開的流體靜壓潤滑：利用壓力

12、把潤滑劑打入摩擦表面使之隔開的潤滑。潤滑。(需要一套專用的供油系統(tǒng)需要一套專用的供油系統(tǒng))6.1 摩擦n 4.3 液體摩擦 Liquid Frictionp 摩擦副表面有一層由邊界膜和流體膜組成的潤滑劑, 摩擦表面不直接接觸 摩擦副零件的配合間隙要合適摩擦副零件的配合間隙要合適p 建立液體摩擦油膜必須具備的條件： 摩擦表面應(yīng)具有較高的加工精度和表面粗糙度等級摩擦表面應(yīng)具有較高的加工精度和表面粗糙度等級 保證連續(xù)而又充分地供給一定溫度下粘度合適的潤滑油保證連續(xù)而又充分地供給一定溫度下粘度合適的潤滑油 摩擦副零件必須具有足夠高的相對滑動速度摩擦副零件必須具有足夠高的相對滑動速度6.1 摩擦n 4.

13、4 混合摩擦p 半干摩擦：介于邊界摩擦和干摩擦間的摩擦p 半液體摩擦：介于邊界摩擦和液體摩擦間的摩擦力求維持液體潤滑力求維持液體潤滑;最低要維持邊界潤滑或混合潤滑最低要維持邊界潤滑或混合潤滑;避免出現(xiàn)干摩擦。避免出現(xiàn)干摩擦。n 4.5 摩擦小結(jié)磨損6/26.2 磨損n 1. 磨損p 摩擦副的表面物質(zhì), 在摩擦的過程中逐漸損失, 使其尺寸、形狀和位置精度及表面層性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象, 稱為磨損p 磨損指標(biāo): 磨損量指標(biāo)：磨損量、磨損率 幾何形狀指標(biāo)：平面度、圓度、圓柱度 平面度平面度: 公差帶是距離為公差值公差帶是距離為公差值t 的兩個(gè)平行平面之間的區(qū)域。的兩個(gè)平行平面之間的區(qū)域。 圓度圓度: 半

14、徑差為公差值半徑差為公差值t的兩個(gè)同心圓之間的區(qū)域。的兩個(gè)同心圓之間的區(qū)域。 軸頸的圓度誤差軸頸的圓度誤差可以采用外徑千分尺測量指定平面兩個(gè)相互垂直的直徑可以采用外徑千分尺測量指定平面兩個(gè)相互垂直的直徑, 其半徑差其半徑差就是圓度誤差。就是圓度誤差。 圓柱度圓柱度: 其公差帶是半徑差為公差值其公差帶是半徑差為公差值t的兩個(gè)同心圓柱面之間的區(qū)域。的兩個(gè)同心圓柱面之間的區(qū)域。測量軸或孔的同一縱向截面測量軸或孔的同一縱向截面(包含軸線包含軸線)內(nèi)數(shù)個(gè)直徑內(nèi)數(shù)個(gè)直徑, 其中最大與最小其中最大與最小直徑的半徑差即為圓柱度誤差。直徑的半徑差即為圓柱度誤差。6.2 磨損n 1. 磨損p 磨損是機(jī)器零件在正常

15、運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免的一種能量耗散的現(xiàn)象。只要機(jī)器零件的磨損量或磨損率在規(guī)定使用期內(nèi)不超過允許值, 就可以認(rèn)為是一種允許的正常磨損現(xiàn)象。p 機(jī)器零件典型磨損過程的三個(gè)階段: 1) 磨合磨合(跑合跑合)階段階段(0-t1) 2) 正常磨損階段正常磨損階段(t1-t2) 3) 事故磨損階段事故磨損階段(t2-t3)線性磨損率線性磨損率0-t1t1-t2t2-t3時(shí)間6.2 磨損n 1. 磨損p 磨損不僅是材料本身固有特性的表現(xiàn), 更是摩擦學(xué)系統(tǒng)特性的反映。 因此, 磨損也具有條件性和相對性 磨損的這種特性和摩擦很相似磨損的這種特性和摩擦很相似, 因而也可用類似的表達(dá)式來表示因而也可用類似的表達(dá)式來表

16、示, 即：即：),(sxfw 同一種機(jī)器零件在不同機(jī)器中會產(chǎn)生不同類型或不同程度的磨損。同一種機(jī)器零件在不同機(jī)器中會產(chǎn)生不同類型或不同程度的磨損。 即使在同一臺機(jī)器中即使在同一臺機(jī)器中, 不同工況也會導(dǎo)致不同程度甚至不同類型的不同工況也會導(dǎo)致不同程度甚至不同類型的磨損。磨損。 因此因此, 在分析和處理機(jī)器零件的磨損問題時(shí)在分析和處理機(jī)器零件的磨損問題時(shí), 必須全面考慮到該零件必須全面考慮到該零件所在的摩擦學(xué)系統(tǒng)的特性所在的摩擦學(xué)系統(tǒng)的特性, 才能對其磨損現(xiàn)象作出準(zhǔn)確的判斷和正才能對其磨損現(xiàn)象作出準(zhǔn)確的判斷和正確的分析。確的分析。 6.2 磨損n 1. 磨損p 磨損指標(biāo):磨損率1、線性磨損率：

17、2、體積磨損率： 3、重量磨損率：式中, 磨損厚度; 磨損體積; 磨損重量; 滑動距離; 被磨損的材料的密度。LlRl/)/(nvLAVRVnwRLAwR)/(VwLlp 磨損指標(biāo):其他參數(shù)指標(biāo)1. 磨損因數(shù) 式中, 正壓力; 法向載荷 pRNLVL/)/(pN6.2 磨損n 1. 磨損p 磨損指標(biāo):其他參數(shù)指標(biāo)2. 磨損度(能量磨損率) 式中, F 正壓力; f 法向載荷 ffNLVFLV/)/()/(3. 耐磨性系數(shù)(耐磨性)/1f4. 磨損系數(shù)(耐磨性)NvtWHK/式中, w磨損量; H材料硬度; v速度; t 時(shí)間; N 正壓力磨損系數(shù)表示磨損量與工況之間的關(guān)系, 當(dāng)載荷與速度為已知

18、, 并可求出一定工況下的磨損系數(shù)時(shí), 就可估算磨損量, 以預(yù)測摩擦學(xué)系統(tǒng)的壽命。也可根據(jù)磨損系數(shù)來確定磨損類型, 因?yàn)椴煌哪p類型具有不同的磨損系數(shù)。 5. 磨損速率(磨損強(qiáng)度)tVI/tWI/6. 相對耐磨性它是標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損率與被測試樣磨損率之比() 6.2 磨損n 1. 磨損p 引起運(yùn)動副磨損的主要因素 摩擦摩擦 環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)、潤滑條件、應(yīng)力等）環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)、潤滑條件、應(yīng)力等） 材料的成分、組織和性能，以及在磨損過程中的變化。材料的成分、組織和性能，以及在磨損過程中的變化。 裝配質(zhì)量裝配質(zhì)量n 2. 磨損的機(jī)理 粘著磨損 (Adhesive wear) 磨粒磨損 (Ab

19、rasive wear) 腐蝕磨損 (Corrosive wear) 微動磨損 (Fretting wear ) 疲勞磨損 (Surface fatigue wear)實(shí)際的磨損現(xiàn)象大都是多實(shí)際的磨損現(xiàn)象大都是多種類型磨損同時(shí)存在種類型磨損同時(shí)存在, 或磨或磨損狀態(tài)隨工況條件的變化損狀態(tài)隨工況條件的變化而轉(zhuǎn)化。而轉(zhuǎn)化。6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 在摩擦副中, 相對運(yùn)動的摩擦表面之間, 由于粘著現(xiàn)象產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移而引起的磨損, 稱為粘著磨損。 這類磨損一般發(fā)生在相互滑動這類磨損一般發(fā)生在相互滑動(或轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動)的干摩擦表面上的干摩擦表面上, 即在表面上即在表面上的某些微突體產(chǎn)生固相焊合的某些

20、微突體產(chǎn)生固相焊合, 嚴(yán)重時(shí)還會出現(xiàn)摩擦副完全嚴(yán)重時(shí)還會出現(xiàn)摩擦副完全“咬死咬死”的的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。如如:在潤滑狀況惡化的條件下在潤滑狀況惡化的條件下, 柴油機(jī)燒軸瓦就是這種磨損的典型例子。柴油機(jī)燒軸瓦就是這種磨損的典型例子。 有兩種粘著有兩種粘著(焊合焊合)：冷焊粘著；熱局部焊合粘者：冷焊粘著；熱局部焊合粘者 載荷、速度小載荷、速度小 載荷、速度較大載荷、速度較大 變形、斷裂及材料轉(zhuǎn)移變形、斷裂及材料轉(zhuǎn)移 新粘著點(diǎn)產(chǎn)生新粘著點(diǎn)產(chǎn)生p 粘著磨損過程6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損類型Bowden根據(jù)剪斷位置并以軸承合金為例進(jìn)行分類. 一類：粘著強(qiáng)度小. 二類：粘著強(qiáng)度中. 三類：粘著強(qiáng)度大

21、. 四類：同一材料組合, 加工硬化材料, 剪斷發(fā)生在內(nèi)部, 磨損大; 相反, 加工軟化, 粘著部變軟, 有很好的耐磨性 按照磨損程度的不同，粘著磨損可以分為以下五類：1) 輕微磨損 粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度比形成該粘著點(diǎn)的任何一方的基體金屬的剪切強(qiáng)度都小(如錫與鐵對磨), 磨損發(fā)生在粘著點(diǎn)的界面上, 材料轉(zhuǎn)移十分輕微, 甚至不產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移。磨合屬于這種磨損。 6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損類型2) 涂抹 粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度介于形成該粘著點(diǎn)的兩種基體金屬的剪切強(qiáng)度之間(如鉛與鋼對磨), 剪切破壞發(fā)生在較軟金屬的淺表層內(nèi), 并使該表層的材料轉(zhuǎn)移到較硬金屬表面上, 使后者的表面上被涂抹上薄薄的一層。3

22、) 刮傷 粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度介于形成該粘著點(diǎn)的兩種基體金屬的剪切強(qiáng)度之間(如鉛與鋼對磨), 剪切破壞發(fā)生在較軟金屬的淺表層內(nèi), 并使該表層的材料轉(zhuǎn)移到較硬金屬表面上, 使后者的表面上被涂抹上薄薄的一層。6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損類型4) 膠合 表面局部溫度相當(dāng)高, 粘著點(diǎn)的面積較大, 由于粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度比形成粘著的任何一方基體金屬的剪切強(qiáng)度都要高(如銅與鋼對磨), 故在摩擦副的一方或雙方的基體金屬上產(chǎn)生較深層的破壞, 因而, 既有較多的軟金屬轉(zhuǎn)移到硬金屬表面上, 同時(shí)也有部分硬金屬轉(zhuǎn)移到軟金屬表面上。 5) 咬死 由于粘著點(diǎn)的面積較大，其剪切強(qiáng)度也相當(dāng)高，致使摩擦表面因局部熔焊而停

23、止相對運(yùn)動。 6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損類型名稱名稱發(fā)生剪切部位發(fā)生剪切部位表面破壞程度表面破壞程度輕微磨損輕微磨損粘著面上粘著面上金屬有極輕微的轉(zhuǎn)移金屬有極輕微的轉(zhuǎn)移涂抹涂抹距粘著面不遠(yuǎn)的較軟的距粘著面不遠(yuǎn)的較軟的金屬淺層內(nèi)金屬淺層內(nèi)較軟的金屬涂抹在較硬的金屬較軟的金屬涂抹在較硬的金屬表面表面擦傷擦傷較軟金屬的表層內(nèi)較軟金屬的表層內(nèi)沿運(yùn)動方向產(chǎn)生細(xì)小拉痕沿運(yùn)動方向產(chǎn)生細(xì)小拉痕劃傷劃傷較軟金屬的表層內(nèi)較軟金屬的表層內(nèi)嚴(yán)重的拉痕嚴(yán)重的拉痕撕裂撕裂較軟金屬表面深層處較軟金屬表面深層處表面被嚴(yán)重撕裂而顯得很粗糙表面被嚴(yán)重撕裂而顯得很粗糙和有明顯的變形和有明顯的變形咬死咬死粘著強(qiáng)度高，粘著

24、面積大，剪切應(yīng)力小，粘接點(diǎn)焊合而使粘著強(qiáng)度高，粘著面積大，剪切應(yīng)力小，粘接點(diǎn)焊合而使相對運(yùn)動受阻。相對運(yùn)動受阻。6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理 粘著磨損是在固粘著磨損是在固/固界面上產(chǎn)生嚴(yán)重滑動摩擦的結(jié)果固界面上產(chǎn)生嚴(yán)重滑動摩擦的結(jié)果 粘著磨損的基本物理過程是：粘著剪切再粘著再剪切的循環(huán)粘著磨損的基本物理過程是：粘著剪切再粘著再剪切的循環(huán)過程過程, 或是粘著點(diǎn)的生成消失再生成再消失過程或是粘著點(diǎn)的生成消失再生成再消失過程 在此過程中在此過程中, 磨損主要是以材料轉(zhuǎn)移的形式表現(xiàn)出來磨損主要是以材料轉(zhuǎn)移的形式表現(xiàn)出來, 有時(shí)還會出現(xiàn)有時(shí)還會出現(xiàn)少量磨屑少量磨屑 1) 阿恰德模型理論 (

25、1)面積面積 (2)載荷載荷 (3)滑動距離為磨損體積為滑動距離為磨損體積為PFr6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理1) 阿恰德模型理論 單位滑動距離總的磨損體積為：單位滑動距離總的磨損體積為：PFr322/3123rVrWr若n個(gè)微突體, 總載荷為P22rn r2sypn r13sypVW故有:則:13sypVVWk Wk 13sypLVVWLWk考慮磨損概率K實(shí)際磨損:滑動距離L總的磨損為:6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理1) 阿恰德模型理論 粘著磨損的磨損率：粘著磨損的磨損率：PFr體積磨損率的理論計(jì)算式：svpKR1式中, 軟材料的屈服強(qiáng)度s 粘著磨損的磨損系數(shù)。 它

26、表示一個(gè)微突體在全部載荷接觸下滑動, 產(chǎn)生一粒磨屑的概率, 或產(chǎn) 生磨屑的載荷接觸的微突體在全部載荷接觸的微突體中所占的百分比。 越大，材料磨損越嚴(yán)重。 1K1K6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理2) Holm理論 Holm認(rèn)為，互相接觸的兩個(gè)表面上，如果不同物體表面上的原子間認(rèn)為，互相接觸的兩個(gè)表面上，如果不同物體表面上的原子間的距離的距離m,小于物體本身原子間的距離小于物體本身原子間的距離d時(shí)，（圖所示），則不同原子時(shí)，（圖所示），則不同原子間將作用有很強(qiáng)的分子力，會產(chǎn)生嚴(yán)重粘著，粘著的兩個(gè)表面被拉開間將作用有很強(qiáng)的分子力，會產(chǎn)生嚴(yán)重粘著，粘著的兩個(gè)表面被拉開時(shí)，將要損失一定數(shù)量的

27、原子，產(chǎn)生磨損。時(shí)，將要損失一定數(shù)量的原子，產(chǎn)生磨損。 磨損磨損(過程過程)量計(jì)算：量計(jì)算：(1)物體上原子物體上原子a1, 在運(yùn)動過程中分別與在運(yùn)動過程中分別與物體上物體上b1、b2逐次接觸，每逐次接觸，每滑動距離滑動距離d就與一個(gè)新的原子接觸就與一個(gè)新的原子接觸, 當(dāng)滑動當(dāng)滑動L距離時(shí)距離時(shí), a1遇到的原子數(shù)遇到的原子數(shù)L/d(2) 每兩個(gè)物體接觸面積為每兩個(gè)物體接觸面積為Ar，Ar面積上的原子數(shù)等于面積上的原子數(shù)等于Ar/d2; 因之兩接觸面因之兩接觸面滑動滑動L距離時(shí)距離時(shí), 原子總的接觸次數(shù)原子總的接觸次數(shù)Na等于等于6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理2) Holm理論 磨

28、損磨損(過程過程)量計(jì)算：量計(jì)算：(3) 已知已知 則：則：NrsFA3nasFLNd(4)設(shè)每次接觸損失設(shè)每次接觸損失z個(gè)原子，原子體積為個(gè)原子，原子體積為 ，則總的磨損體積，則總的磨損體積V等于：等于：3d333.raasFLVzNdzNddNsFVzL則：則：6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理3) Archard理論結(jié)塊清除理論 Holm是從原子尺度來研究磨損的，研究真實(shí)接觸面積上磨損粒子的是從原子尺度來研究磨損的，研究真實(shí)接觸面積上磨損粒子的產(chǎn)生機(jī)理。為了便于分析，產(chǎn)生機(jī)理。為了便于分析，Archard發(fā)表了新的理論，稱為結(jié)塊清除發(fā)表了新的理論，稱為結(jié)塊清除理論。理論。意思是：

29、由于兩個(gè)表面上的凸峰相遇，導(dǎo)致塊狀粒子的損失意思是：由于兩個(gè)表面上的凸峰相遇，導(dǎo)致塊狀粒子的損失。 Archard理論的模型理論的模型 ：認(rèn)為真實(shí)的接觸面積：認(rèn)為真實(shí)的接觸面積Ar是由是由n個(gè)個(gè)(圖所示圖所示)的接觸點(diǎn)的接觸點(diǎn)構(gòu)成。即構(gòu)成。即:2rAna 接觸面滑動接觸面滑動, 接觸面積大小發(fā)生變化接觸面積大小發(fā)生變化, 達(dá)到圖達(dá)到圖c所示所示(即滑過即滑過2a距離距離)接觸點(diǎn)完全分開。接觸點(diǎn)完全分開。6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理3) Archard理論結(jié)塊清除理論2NrSFAna由式知由式知接觸著的某一點(diǎn)，滑過距離時(shí)與對偶面上微凸體接觸次數(shù)為接觸著的某一點(diǎn)，滑過距離時(shí)與對偶面上

30、微凸體接觸次數(shù)為L/2a；則接；則接觸面整體滑過觸面整體滑過L距離總的接觸次數(shù)距離總的接觸次數(shù)Np為：為：23222NNPsSFFLLNnLaaaa假定磨屑半徑假定磨屑半徑 , 產(chǎn)生磨屑的概率產(chǎn)生磨屑的概率 , 則滑動則滑動 距離磨損體積：距離磨損體積：akL3233npsFkvkNaL6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 磨損機(jī)理3) Archard理論結(jié)塊清除理論 粘著磨損的體積磨損率與法向載荷粘著磨損的體積磨損率與法向載荷N (或正壓力或正壓力p)成正比成正比, 而與軟金而與軟金屬材料的屈服強(qiáng)度屬材料的屈服強(qiáng)度(或布氏硬度或布氏硬度HB值值)成反比。成反比。 當(dāng)正壓力當(dāng)正壓力 時(shí)，會使磨損加

31、劇，產(chǎn)生膠合或咬死。因此，在設(shè)時(shí)，會使磨損加劇，產(chǎn)生膠合或咬死。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證正壓力不超過材料的布氏硬度的三分之一。計(jì)時(shí)應(yīng)保證正壓力不超過材料的布氏硬度的三分之一。 體積磨損率隨著粘著磨損的磨損系數(shù)的增大而增大，而后者主要取決于體積磨損率隨著粘著磨損的磨損系數(shù)的增大而增大，而后者主要取決于摩擦表面的潤滑狀況和兩滑動金屬相互牢固地粘著的趨向。摩擦表面的潤滑狀況和兩滑動金屬相互牢固地粘著的趨向。 此外，磨損率與滑動速度無關(guān)。此外，磨損率與滑動速度無關(guān)。3HBp 6.2 磨損n 2. 粘著磨損p 金屬的粘著磨損的磨損系數(shù) 潤滑狀況 金屬/金屬 金屬 /非金屬 相同 相容 部分相容和部分不相容

32、不相容 無潤滑15X10-45X10-4 1X10-40.15X10-41.7X10-6潤滑不良30X10-510X10-5 2X10-50.5X10-51.7X10-6潤滑良好30X10-610X10-6 2X10-60.3X10-61.7X10-6潤滑極好10X10-73X10-7 1X10-70.3X10-73.3X10-76.2 磨損n 2. 粘著磨損p 影響因素 1）載荷）載荷 載荷引起表面塑性變形必然導(dǎo)致溫度升高載荷引起表面塑性變形必然導(dǎo)致溫度升高, 引起粘著。載荷達(dá)到一臨界引起粘著。載荷達(dá)到一臨界 值可發(fā)生膠合的值稱為臨界載荷。值可發(fā)生膠合的值稱為臨界載荷。 2）溫度）溫度 溫度

33、升高可引起粘著，使表面膜破壞引起粘著發(fā)生的溫度稱為臨界失溫度升高可引起粘著，使表面膜破壞引起粘著發(fā)生的溫度稱為臨界失效溫度。影響溫度特性的主要因素是表面壓力效溫度。影響溫度特性的主要因素是表面壓力p和滑動速度和滑動速度v, 其中速度影響其中速度影響較大較大, 因此有時(shí)把因此有時(shí)把pv值作為控制粘著磨損和防止膠合發(fā)生的一個(gè)參數(shù)。值作為控制粘著磨損和防止膠合發(fā)生的一個(gè)參數(shù)。 3）摩擦材料）摩擦材料 同種材料同種材料 / 相溶性好的材料相溶性好的材料 / 材料塑性越高，粘著磨損越嚴(yán)重材料塑性越高，粘著磨損越嚴(yán)重脆性材料的抗粘著能力比塑性材料高脆性材料的抗粘著能力比塑性材料高脆性材料：脆性材料：正應(yīng)力

34、引起正應(yīng)力引起, 最大正應(yīng)力在表面最大正應(yīng)力在表面, 損傷淺損傷淺, 磨屑也易脫落磨屑也易脫落, 不堆積在表面。不堆積在表面。塑性材料：塑性材料：剪應(yīng)力引起剪應(yīng)力引起, 最大剪應(yīng)力離表面某一深度最大剪應(yīng)力離表面某一深度, 損傷深。損傷深。6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨粒磨損是指在摩擦過程中，由于摩擦表面上硬的微突體或摩擦界面上的硬顆粒而引起物體表面材料損耗的一種磨損。這是最常見的一種磨損現(xiàn)象。 據(jù)統(tǒng)計(jì)據(jù)統(tǒng)計(jì), 因磨粒磨損而造成的損失約占各類磨損所造成的全部損失的一半。因磨粒磨損而造成的損失約占各類磨損所造成的全部損失的一半。油田設(shè)備中許多零件的磨損都屬于磨粒磨損。油田設(shè)備中許多零件的磨損

35、都屬于磨粒磨損。 p 主要類型 由于物體表面硬的微突體使對偶表面產(chǎn)生的磨粒磨損稱為由于物體表面硬的微突體使對偶表面產(chǎn)生的磨粒磨損稱為兩體磨粒磨損兩體磨粒磨損(Two-body abrasive wear) 由于摩擦表面上存在自由硬顆粒而產(chǎn)生的磨粒磨損稱為由于摩擦表面上存在自由硬顆粒而產(chǎn)生的磨粒磨損稱為三體磨粒磨損三體磨粒磨損(Three-body abrasive wear)6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 根據(jù)磨損程度的不同，磨粒磨損又可分為以下三種類型： 1、擦傷擦傷 磨粒作用在表面上的應(yīng)力較低磨粒作用在表面上的應(yīng)力較低, 使摩擦表面沿滑動方向形成微細(xì)的使摩擦表面沿滑動方向形成微細(xì)的擦痕。

36、被塵土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出現(xiàn)這種磨損擦痕。被塵土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出現(xiàn)這種磨損 2、刮傷刮傷 磨粒作用在表面上的應(yīng)力較高，使脆性材料表面碎裂；而對韌性磨粒作用在表面上的應(yīng)力較高，使脆性材料表面碎裂；而對韌性材料，則往往表現(xiàn)為摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞破壞材料，則往往表現(xiàn)為摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞破壞 3、犁溝犁溝 在磨粒作用下，較軟金屬表面因塑性變形而出現(xiàn)較深的溝槽在磨粒作用下，較軟金屬表面因塑性變形而出現(xiàn)較深的溝槽 粒度的影響6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理對于一般塑性材料對于一般塑

37、性材料(含金屬含金屬)，其磨粒磨損的主要物理過程可分為以下兩種：，其磨粒磨損的主要物理過程可分為以下兩種： 1) 犁溝犁溝 軟材料在硬微突體或硬顆粒的擠壓下產(chǎn)生塑性變形軟材料在硬微突體或硬顆粒的擠壓下產(chǎn)生塑性變形, 向兩邊隆起向兩邊隆起, 此此時(shí)時(shí), 不發(fā)生材料脫落。但在發(fā)生多次變形后不發(fā)生材料脫落。但在發(fā)生多次變形后, 表層材料脫落而形成二次切屑表層材料脫落而形成二次切屑2) 微觀切削微觀切削 如同金屬加工的刨削過程一樣，在硬微突體或硬顆粒的切削作如同金屬加工的刨削過程一樣，在硬微突體或硬顆粒的切削作用下，材料脫落而形成一次切屑用下，材料脫落而形成一次切屑 正角副角6.2 磨損n 3. 摩粒

38、磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理體積磨損率方程：按照微切削作用在磨粒磨損的過程中起主導(dǎo)作用的觀點(diǎn)，體積磨損率方程：按照微切削作用在磨粒磨損的過程中起主導(dǎo)作用的觀點(diǎn)，并將硬材料表面的微突體轉(zhuǎn)化為一個(gè)圓錐體。并將硬材料表面的微突體轉(zhuǎn)化為一個(gè)圓錐體。 圖中：圖中： H為磨粒壓入材料的深度；為磨粒壓入材料的深度； L為磨粒滑動的距離；為磨粒滑動的距離； 為為(磨粒磨粒)側(cè)錐角；側(cè)錐角； a為錐體壓入深度處的半徑。為錐體壓入深度處的半徑。6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理體

39、積磨損率方程：體積磨損率方程：考慮磨粒運(yùn)動過程中考慮磨粒運(yùn)動過程中, 只有前部承受壓力只有前部承受壓力2132snaF 為材料的屈服強(qiáng)度為材料的屈服強(qiáng)度, 為單個(gè)微突體的法向載荷為單個(gè)微突體的法向載荷snF磨粒錐體壓入材料的深度為磨粒錐體壓入材料的深度為 Hatg單個(gè)磨?；瑒訂蝹€(gè)磨粒滑動L距離產(chǎn)生的磨損體積量距離產(chǎn)生的磨損體積量 122va H La H L23nsFLtg6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理體積磨損率方程：體積磨損率方程：23nvsFtgR3nvabsFRK磨損的計(jì)算：為了對磨料磨損作出定量的描述。磨

40、損的計(jì)算：為了對磨料磨損作出定量的描述。可以從磨粒入手。把磨粒看做一個(gè)錐體。在載荷可以從磨粒入手。把磨?？醋鲆粋€(gè)錐體。在載荷Fn作用下插入較軟物體作用下插入較軟物體, 假定滑動距離為假定滑動距離為 ，則，則磨損體積磨損體積 為：為：dldwdwh a dl由圖知由圖知 ；又由于錐體向前運(yùn)動，；又由于錐體向前運(yùn)動，外載荷只由錐體前半錐體承受；根據(jù)力外載荷只由錐體前半錐體承受；根據(jù)力的平衡知：的平衡知：把上述關(guān)系式代入可得：把上述關(guān)系式代入可得：tanah212nsFa222nnassFFadldwh a dldlkdltgtg6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩

41、種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理磨損的計(jì)算：磨損的計(jì)算：根據(jù)上式可得出錐體移動單位距離的磨損量為：根據(jù)上式可得出錐體移動單位距離的磨損量為：式中式中-磨料磨損常數(shù)磨料磨損常數(shù)刻槽時(shí)取則上式可寫成刻槽時(shí)取則上式可寫成式中式中-軟物體硬度軟物體硬度2nnassFFdwvkdltg2aktgsHNaFVKH磨粒磨損的磨損系數(shù)磨粒磨損的磨損系數(shù)Ka不僅和磨粒的幾何形狀有關(guān)不僅和磨粒的幾何形狀有關(guān), 形成磨屑的概率等形成磨屑的概率等許多因素有關(guān)許多因素有關(guān)6.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理塑性變形機(jī)理磨粒磨損的磨損系數(shù)磨粒磨損的

42、磨損系數(shù)Ka不僅和磨粒的幾何形狀有關(guān)，形成磨屑的概率等許不僅和磨粒的幾何形狀有關(guān)，形成磨屑的概率等許多因素有關(guān)。多因素有關(guān)。 典型的磨粒磨損的磨損系數(shù)值。表中的數(shù)值是按尖銳的新生磨粒表面得出，典型的磨粒磨損的磨損系數(shù)值。表中的數(shù)值是按尖銳的新生磨粒表面得出，經(jīng)磨損和粘附后，表中數(shù)值一般要下降一個(gè)數(shù)量級。經(jīng)磨損和粘附后，表中數(shù)值一般要下降一個(gè)數(shù)量級。 磨粒磨損的磨損系數(shù)磨粒磨損的磨損系數(shù) 表面狀態(tài) 銼刀新砂紙 游離磨粒 粗拋光 干表面 潤滑表面 5X10-21X10-1 1X10-2 2X10-2 1X10-3 2X10-3 1X10-4 2X10-46.2 磨損n 3. 摩粒磨損p 磨損機(jī)理：由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 2、斷裂機(jī)理斷裂機(jī)理對于一般脆性材料對于一般脆性材料, 如陶瓷、碳化物和玻璃等，當(dāng)載荷較大而磨粒較尖銳以如陶瓷、碳化物和玻璃等，當(dāng)載荷較大而磨粒較尖銳以及材料的斷裂韌性與硬度之比較低時(shí)，材料會出現(xiàn)壓痕斷裂。顯然，如果材及材料的斷裂韌性與硬度之比較低時(shí)，材料會出現(xiàn)壓痕斷裂。顯然，如果材料的斷裂韌性很好，磨損將減輕。一般斷裂機(jī)理比塑性變形機(jī)理產(chǎn)生的磨損料的斷裂韌性很好，磨損將減輕。一般斷裂機(jī)理比塑性變形機(jī)理產(chǎn)生的磨損大得多。大得多。 注意：材料發(fā)生磨粒磨損往往是上述兩種機(jī)理綜合作用的結(jié)果，只是由于注意：材料發(fā)生磨粒磨損往往是上