第六章+材料的磨損性能

1、第六章第六章 材料的磨損性能材料的磨損性能一、摩擦與磨損的概念一、摩擦與磨損的概念摩擦摩擦 摩擦是接觸物體間的的一種阻礙物體運(yùn)動的現(xiàn)象，摩擦是接觸物體間的的一種阻礙物體運(yùn)動的現(xiàn)象，這種阻力為摩擦力。這種阻力為摩擦力。磨損磨損 磨損是在摩擦作用下物體相對運(yùn)動時，表面逐漸分磨損是在摩擦作用下物體相對運(yùn)動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。6-1 磨損的基本概念及類型磨損的基本概念及類型磨損曲線磨損曲線磨損過程：跑合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。磨損過程：跑合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。磨損性能指標(biāo)：磨損性能指標(biāo)：絕對磨損量絕對磨損量相對耐磨性相對耐磨性被

2、測試樣的磨損量標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量磨損磨損表面疲勞磨損表面疲勞磨損（接觸疲勞）（接觸疲勞）腐蝕磨損腐蝕磨損磨粒磨損磨粒磨損粘著磨損粘著磨損磨損磨損復(fù)合磨損復(fù)合磨損滑動磨損滑動磨損滾動磨損滾動磨損二二. 磨損的分類：磨損的分類：磨損量與滑動速度及載荷的關(guān)系磨損量與滑動速度及載荷的關(guān)系一一. 粘著磨損粘著磨損u 粘著磨損：粘著磨損：又稱咬合磨損，又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當(dāng)摩擦是在滑動摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對滑動速度較小（鋼小于副相對滑動速度較?。ㄤ撔∮?m/s）時發(fā)生的。）時發(fā)生的。u 原因：原因：由于缺乏潤滑油，由于缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很

3、大，以致接觸應(yīng)力法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。產(chǎn)生的一種磨損。Al-Sn軸瓦的粘著磨損軸瓦的粘著磨損特點(diǎn)：表面有結(jié)疤特點(diǎn)：表面有結(jié)疤6-2 磨損過程磨損過程粘著磨損過程粘著磨損過程粘著磨損過程：粘著磨損過程：接觸接觸塑性塑性變形變形表面表面膜（包括油膜）膜（包括油膜）破裂破裂粘著粘著（冷焊）（冷焊）剪斷接點(diǎn)剪斷接點(diǎn)再粘著。再粘著。u磨損量的計(jì)算磨損量的計(jì)算粘著磨損模型示意圖粘著磨損模型示意圖 有有n個接觸點(diǎn)，材個接觸點(diǎn)，材料單項(xiàng)壓縮屈服強(qiáng)度料單項(xiàng)壓縮屈服強(qiáng)度sc，法向力：，法向力：234scdpn磨損量：磨損量：93scvpLpL

4、WKKHHv是軟材料的硬度，是軟材料的硬度，Hv3sc，L是滑動長度，是滑動長度，K是軟材料上被拉拽出半球的幾率，也稱粘著磨損系是軟材料上被拉拽出半球的幾率，也稱粘著磨損系數(shù)，決定于摩擦條件和摩擦副材料。數(shù)，決定于摩擦條件和摩擦副材料。u 影響因素影響因素 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（相同金屬或晶格類型、點(diǎn)陣常數(shù)、電互溶性大的材料（相同金屬或晶格類型、點(diǎn)陣常數(shù)、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）粘著傾向大；子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）粘著傾向大； 單相金屬比多相金屬粘著傾向大；單相金屬比多相金屬粘著傾向大； 固溶體比化合物粘著傾向大；固溶體比化合物

5、粘著傾向大； 在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力的增加而增加。在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力的增加而增加。試驗(yàn)表明接觸應(yīng)力超過材料硬度的三分之一，粘著磨損試驗(yàn)表明接觸應(yīng)力超過材料硬度的三分之一，粘著磨損量急劇增加。量急劇增加。 在法向應(yīng)力一定時，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增在法向應(yīng)力一定時，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增加，但達(dá)到某一極大值后又隨滑動速度的增加而減小。加，但達(dá)到某一極大值后又隨滑動速度的增加而減小。 摩擦副表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)對粘著磨損摩擦副表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)對粘著磨損有較大影響。有較大影響。 摩擦副配對材料的選擇摩擦副配對材料的選擇 基本原

6、則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用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、表面易形成化合物的材料、金屬與非互溶性小的材料、表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。金屬等配對。 表面改性表面改性 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減輕粘著磨損。如滲碳、磷化、氮碳共滲處理等以及增強(qiáng)輕粘著磨損。如滲碳、磷化、氮碳共滲處理等以及增強(qiáng)表面氧化膜的穩(wěn)定性和結(jié)合強(qiáng)度。表面氧化膜的穩(wěn)定性和結(jié)合強(qiáng)度。 改變摩擦條件改變摩擦條件 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，降低表面粗糙度控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，降低表面粗糙度等，可使粘著磨損大

7、為減輕。等，可使粘著磨損大為減輕。 改善潤滑條件，阻止金屬之間直接接觸，以及也都改善潤滑條件，阻止金屬之間直接接觸，以及也都可以減輕粘著磨損。可以減輕粘著磨損。u 改善粘著磨損耐磨性的措施改善粘著磨損耐磨性的措施二二. 磨粒磨損磨粒磨損 磨粒磨損又稱磨料磨磨粒磨損又稱磨料磨損、研磨磨損。損、研磨磨損。 磨粒磨損是當(dāng)摩擦副磨粒磨損是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間突起，或者在接觸面之間存在著其他粒子時所產(chǎn)生存在著其他粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。的一種磨損。 磨粒磨損分為兩體磨磨粒磨損分為兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損。粒磨損和三體磨粒磨損。兩體磨粒磨損和三體磨粒

8、磨損兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損u磨粒磨損的概念及機(jī)理磨粒磨損的概念及機(jī)理磨料磨損磨料磨損類型類型產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件破壞形式破壞形式實(shí)例實(shí)例鑿削式磨料磨損鑿削式磨料磨損磨料對材料表面磨料對材料表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞從材料表面鑿削從材料表面鑿削下大顆粒的金屬，下大顆粒的金屬，被磨表面有較深被磨表面有較深的溝槽。的溝槽。挖掘機(jī)斗齒，破挖掘機(jī)斗齒，破碎機(jī)的錘頭等碎機(jī)的錘頭等高應(yīng)力碾碎式磨高應(yīng)力碾碎式磨料磨損料磨損磨料與金屬表面磨料與金屬表面接觸處的最大應(yīng)接觸處的最大應(yīng)力大于抗壓強(qiáng)度力大于抗壓強(qiáng)度韌性材料疲勞剝韌性材料疲勞剝落，脆性材料碎落，脆性材料碎裂剝落。裂剝落。球磨機(jī)襯板，軋球磨機(jī)襯板，軋

9、碎機(jī)滾筒等碎機(jī)滾筒等低應(yīng)力擦傷式磨低應(yīng)力擦傷式磨料磨損料磨損磨料對表面的作磨料對表面的作用力小于抗壓強(qiáng)用力小于抗壓強(qiáng)度度表面產(chǎn)生擦傷或表面產(chǎn)生擦傷或切削痕跡。切削痕跡。犁鏵、溜槽等犁鏵、溜槽等 磨料磨損的機(jī)理：微量切削理論、疲勞破壞理論、磨料磨損的機(jī)理：微量切削理論、疲勞破壞理論、鑿削理論。鑿削理論。u磨損量的計(jì)算磨損量的計(jì)算tantan3scPLPLWKH 磨損量與接觸應(yīng)力、活動距離成正比，與抗壓屈服強(qiáng)度、磨損量與接觸應(yīng)力、活動距離成正比，與抗壓屈服強(qiáng)度、硬度成反比，與硬材料凸出部分或磨粒形狀有關(guān)。硬度成反比，與硬材料凸出部分或磨粒形狀有關(guān)。u磨粒磨損影響因素磨粒磨損影響因素 硬度的影響：金

10、屬材料硬度的影響：金屬材料對磨粒磨損的抗力與對磨粒磨損的抗力與H/E成比例，成比例，H為材料硬度。為材料硬度。 彈性模量對組織不彈性模量對組織不敏感，所以機(jī)件抵抗磨敏感，所以機(jī)件抵抗磨粒磨損的能力主要與材粒磨損的能力主要與材料硬度成正比。所以材料硬度成正比。所以材料越高，其抗磨粒磨損料越高，其抗磨粒磨損的能力也越好。的能力也越好。斷裂韌度：影響金屬磨粒磨損的耐磨性斷裂韌度：影響金屬磨粒磨損的耐磨性耐磨性、硬度與斷裂韌度的關(guān)系示意圖耐磨性、硬度與斷裂韌度的關(guān)系示意圖細(xì)化晶粒：由于能提高屈服強(qiáng)度、硬度及靜載塑性，所細(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。以也提高耐磨性。加工

11、硬化：對金屬材料抗磨粒磨損的影響，因磨損類型加工硬化：對金屬材料抗磨粒磨損的影響，因磨損類型不同而有不同。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；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。性。 在磨粒硬度低于金屬硬度的軟磨粒磨損情況下，磨損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。機(jī)理將會變化，所以耐磨性的影響因素也會發(fā)生變化。磨損體積與硬度比的關(guān)系磨損體積與硬度比的關(guān)系（磨粒硬度與材料硬度之

12、比）（磨粒硬度與材料硬度之比）u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)增加材料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，這是提高耐磨性最有效的措施。硬度，這是提高耐磨性最有效的措施。 根據(jù)機(jī)件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高根據(jù)機(jī)件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)力沖擊載荷下，要選用高錳鋼應(yīng)力沖擊載荷下，要選用高錳鋼Mn13，利用其高韌，利用其高韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。 采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨

13、損耐磨性。也能有效提高磨粒磨損耐磨性。 經(jīng)常注意機(jī)件防塵和清洗，防止大于經(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。三三. 腐蝕磨損腐蝕磨損氧化磨損氧化磨損微動磨損微動磨損沖蝕磨損（又稱氣蝕）沖蝕磨損（又稱氣蝕）特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力表面距離表面距離屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度表面距離表面距離接觸應(yīng)力曲線接觸應(yīng)力曲線強(qiáng)度分布曲線強(qiáng)度分布曲線四、四、 接觸疲勞接觸疲勞 接觸疲勞定義：機(jī)件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦接觸疲勞定義：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，時，在交變

14、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)生小片或小塊狀金屬剝落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破壞分為：根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破壞分為： (1) 麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕）麻點(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕） (2) 淺層剝落淺層剝落 (3) 深層剝落（表面壓碎）深層剝落（表面壓碎）（1）麻點(diǎn)剝落）麻點(diǎn)剝落u表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如表面有大或表面質(zhì)量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜脫碳、燒傷、淬火

15、不足、夾雜物等）地，易產(chǎn)生麻點(diǎn)剝落。物等）地，易產(chǎn)生麻點(diǎn)剝落。u前者因?yàn)楸砻孀畲缶C合切應(yīng)力前者因?yàn)楸砻孀畲缶C合切應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強(qiáng)度較高，后者則是材料抗剪強(qiáng)度較低引起的。較低引起的。最大綜合切應(yīng)力最大綜合切應(yīng)力強(qiáng)度分布強(qiáng)度分布（2）淺層剝落）淺層剝落u 接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性變形反復(fù)進(jìn)行，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。使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。u 裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，所以裂紋裂紋常出現(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

16、傾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。角的二次裂紋。u 二次裂紋擴(kuò)展至表面，另一端則形成懸臂梁，二次裂紋擴(kuò)展至表面，另一端則形成懸臂梁，反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，形成淺層剝落。反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，形成淺層剝落。最大綜合切應(yīng)力最大綜合切應(yīng)力強(qiáng)度分布強(qiáng)度分布（3）深層剝落（壓碎性剝落）深層剝落（壓碎性剝落）u 深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表面硬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)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)，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)度而在切應(yīng)力可能高于材料材料強(qiáng)度而在該處產(chǎn)生裂紋。該處產(chǎn)生裂紋。u 裂紋形成后先平行于表面擴(kuò)展，即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。擴(kuò)展，最后形成較深的剝落坑。