第3章金屬磨損

1、 第三章第三章 金屬磨損金屬磨損 磨損：磨損：是指任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對運(yùn)動而是指任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對運(yùn)動而不斷損失的現(xiàn)象。摩擦是磨損的原因，而磨損是摩擦的不斷損失的現(xiàn)象。摩擦是磨損的原因，而磨損是摩擦的必然結(jié)果。必然結(jié)果。 磨損的危害：磨損的危害：磨損將造成表層材料的損耗，零件尺寸的磨損將造成表層材料的損耗，零件尺寸的變化，直接影響零件的使用壽命和機(jī)器的性能。生產(chǎn)中變化，直接影響零件的使用壽命和機(jī)器的性能。生產(chǎn)中總是力求提高零件的耐磨性?？偸橇η筇岣吡慵哪湍バ?。 利用磨損為生產(chǎn)服務(wù)：利用磨損為生產(chǎn)服務(wù)：例如利用磨損原理所進(jìn)行的加工例如利用磨損原理所進(jìn)行的加工（如研磨、

2、磨削、拋光等）。（如研磨、磨削、拋光等）。3.1 磨損概述磨損概述 磨損量：磨損量：表示磨損的大小。表示磨損的大小。 磨損量的表示：磨損量的表示： 被磨損的高度被磨損的高度h 被磨損的體積被磨損的體積V 被磨損的重量被磨損的重量G 被磨損的質(zhì)量被磨損的質(zhì)量m 3.1.1 磨損的度量磨損的度量 1. 磨損量與磨損率磨損量與磨損率 線磨損率線磨損率KL 體磨損率體磨損率KV 重量磨損率重量磨損率KG 質(zhì)量磨損率質(zhì)量磨損率Km ddLhhKss磨損高度相對滑動距離dVdsVVKs磨損體積相對滑動距離ddGaaGGKsAA s磨損材料重量相對滑動距離接觸表面積ddmaammKsAA s磨損材料質(zhì)量相對

3、滑動距離接觸表面積磨損率：磨損率： 有時為了判斷材料的耐磨性，也可以采用耐磨性有時為了判斷材料的耐磨性，也可以采用耐磨性E衡量衡量其大小。其大小。 耐磨性為磨損率的倒數(shù)。耐磨性為磨損率的倒數(shù)。 2. 耐磨性耐磨性 線磨損率線磨損率KL 體磨損率體磨損率KV 重量磨損率重量磨損率KG ddsEhddsEVddaA sEG 在有些情況下，為了對比不同硬度材料的磨損量，可采在有些情況下，為了對比不同硬度材料的磨損量，可采用磨損常數(shù)判定磨損大小。用磨損常數(shù)判定磨損大小。 磨損常數(shù)磨損常數(shù)K定義為：定義為： 3. 磨損常數(shù)磨損常數(shù)3NVHKF s磨損量硬度法向載荷 滑動距離1磨粒磨損磨粒磨損 磨粒磨損是

4、最普遍的磨損形式之一。磨粒磨損是由外磨粒磨損是最普遍的磨損形式之一。磨粒磨損是由外界硬顆?；蛘邔δケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谙鄬\(yùn)界硬顆?；蛘邔δケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谙鄬\(yùn)動過程中劃傷工作表面而引起表面材料脫落的現(xiàn)象。動過程中劃傷工作表面而引起表面材料脫落的現(xiàn)象。2. 粘著磨損粘著磨損 由于表面微觀不平，當(dāng)摩擦表面相對滑動時，實際上由于表面微觀不平，當(dāng)摩擦表面相對滑動時，實際上是微凸體之間的接觸。在相對滑動和載荷的作用下，粘是微凸體之間的接觸。在相對滑動和載荷的作用下，粘著效應(yīng)所形成的粘著結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料著效應(yīng)所形成的粘著結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個

5、表面遷移到另一個表面，此類或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損統(tǒng)稱為粘著磨損。粘著磨損的特點是粘著結(jié)點被剪磨損統(tǒng)稱為粘著磨損。粘著磨損的特點是粘著結(jié)點被剪切破壞。切破壞。 3.1.2 磨損的分類磨損的分類 3. 疲勞磨損疲勞磨損 兩個相互滾動或滾動兼滑動的摩擦表面在周期性載荷的兩個相互滾動或滾動兼滑動的摩擦表面在周期性載荷的作用下，接觸區(qū)產(chǎn)生很大的變形和應(yīng)力，工作一段時間后作用下，接觸區(qū)產(chǎn)生很大的變形和應(yīng)力，工作一段時間后，由于疲勞而形成裂紋和材料剝落而形成凹坑，稱為表面，由于疲勞而形成裂紋和材料剝落而形成凹坑，稱為表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損。疲勞磨損或接觸疲勞磨損。4. 腐蝕

6、磨損腐蝕磨損 摩擦過程中，金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而摩擦過程中，金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的表面損傷稱為腐蝕磨損。常見的有氧化磨損和特殊產(chǎn)生的表面損傷稱為腐蝕磨損。常見的有氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損。介質(zhì)腐蝕磨損。 需要區(qū)分腐蝕磨損和腐蝕的不同。腐蝕磨損是指一對具需要區(qū)分腐蝕磨損和腐蝕的不同。腐蝕磨損是指一對具有相對滑動或滾動的摩擦副表面工作中產(chǎn)生的材料損失。有相對滑動或滾動的摩擦副表面工作中產(chǎn)生的材料損失。腐蝕僅僅是單一部件的材料損失。腐蝕僅僅是單一部件的材料損失。 建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械和經(jīng)常在野外、沙漠等建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械和經(jīng)常在野外、沙漠等環(huán)境下

7、工作的機(jī)械的主要磨損形式就是磨粒磨損。環(huán)境下工作的機(jī)械的主要磨損形式就是磨粒磨損。3.2 磨粒磨損磨粒磨損 例如顎式破碎機(jī)的動顎、例如顎式破碎機(jī)的動顎、礦石和肘板間會存在明顯礦石和肘板間會存在明顯的磨粒磨損。的磨粒磨損。 掘土機(jī)的鏟齒、犁耙、球掘土機(jī)的鏟齒、犁耙、球磨機(jī)的襯板與鋼球等。磨機(jī)的襯板與鋼球等。 水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳與含泥沙的水之間的侵蝕與含泥沙的水之間的侵蝕磨損也屬于磨粒磨損。磨損也屬于磨粒磨損。 機(jī)床導(dǎo)軌面由于切屑的存機(jī)床導(dǎo)軌面由于切屑的存在引起的磨損。在引起的磨損。 二體磨粒磨損：二體磨粒磨損：一個磨粒相對一個固體表面運(yùn)動而產(chǎn)生的磨損。一個磨粒相對一個固

8、體表面運(yùn)動而產(chǎn)生的磨損。 當(dāng)磨粒運(yùn)動方向與固體表面接近平行時，磨粒與表面接觸處的當(dāng)磨粒運(yùn)動方向與固體表面接近平行時，磨粒與表面接觸處的應(yīng)力較低，固體表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。應(yīng)力較低，固體表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。 在一對摩擦副中，由于表面的粗糙對另一表面產(chǎn)生的磨粒磨損在一對摩擦副中，由于表面的粗糙對另一表面產(chǎn)生的磨粒磨損也是一種二體磨損，通常這類磨損的應(yīng)力相對較低。也是一種二體磨損，通常這類磨損的應(yīng)力相對較低。 3.2.1 磨粒磨損的形式磨粒磨損的形式1. 二體磨粒磨損二體磨粒磨損 三體磨損：三體磨損：大多數(shù)的多體磨損屬于此類，如圖所示。大多數(shù)的多體磨損屬于此類，如圖所示。 如果外界

9、磨粒移動于兩摩擦表面之間，類似于研磨作用，則如果外界磨粒移動于兩摩擦表面之間，類似于研磨作用，則稱為三體磨粒磨損。球磨機(jī)襯板與鋼球、軋碎機(jī)滾筒等零件稱為三體磨粒磨損。球磨機(jī)襯板與鋼球、軋碎機(jī)滾筒等零件的表面破壞都是這一類磨損。的表面破壞都是這一類磨損。 通常多體磨損的磨粒與金屬表面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，并超通常多體磨損的磨粒與金屬表面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，并超過磨粒的壓潰強(qiáng)度。過磨粒的壓潰強(qiáng)度。 2. 多體磨粒磨損多體磨粒磨損1)微觀切削微觀切削 認(rèn)為由法向載荷將磨料壓入摩擦表面，而滑動時的摩擦力認(rèn)為由法向載荷將磨料壓入摩擦表面，而滑動時的摩擦力通過磨料的犁溝作用使表面剪切、犁皺和微量切削，產(chǎn)生槽

10、通過磨料的犁溝作用使表面剪切、犁皺和微量切削，產(chǎn)生槽狀磨痕。狀磨痕。2)擠壓剝落擠壓剝落 對于塑性較大的材料，磨料顆粒在載荷的作用下嵌入摩擦對于塑性較大的材料，磨料顆粒在載荷的作用下嵌入摩擦表面而產(chǎn)生壓痕，從表面層上擠壓出剝落物。表面而產(chǎn)生壓痕，從表面層上擠壓出剝落物。3)疲勞破壞疲勞破壞 由于磨料的顆粒作用，摩擦表面層在循環(huán)接觸應(yīng)力的作用由于磨料的顆粒作用，摩擦表面層在循環(huán)接觸應(yīng)力的作用下，表面材料因疲勞而剝落。磨粒磨損機(jī)理屬于磨料的機(jī)械下，表面材料因疲勞而剝落。磨粒磨損機(jī)理屬于磨料的機(jī)械作用。作用。3.2.2 磨粒磨損機(jī)理磨粒磨損機(jī)理 磨粒磨損計算方法：磨粒磨損計算方法：最簡單的是根據(jù)微觀

11、切削機(jī)理得出的最簡單的是根據(jù)微觀切削機(jī)理得出的 。 設(shè)磨粒為形狀相同的圓錐體，則磨粒磨損的體積磨損率為：設(shè)磨粒為形狀相同的圓錐體，則磨粒磨損的體積磨損率為： 2dtandtansVWhs ddaVWksH ka為磨粒磨損常數(shù)為磨粒磨損常數(shù) H為硬度為硬度 提高耐磨性：提高耐磨性：磨粒磨損主要與磨料的相對硬度、形狀、大小磨粒磨損主要與磨料的相對硬度、形狀、大小以及磨料與被磨表面的力學(xué)性能有關(guān)，屬于磨料的機(jī)械作用。以及磨料與被磨表面的力學(xué)性能有關(guān)，屬于磨料的機(jī)械作用。應(yīng)盡量減少微觀切削作用。應(yīng)盡量減少微觀切削作用。 提高耐磨性的方法：提高耐磨性的方法： 降低磨粒對表面的作用力并使載荷均勻分布；降低

12、磨粒對表面的作用力并使載荷均勻分布； 提高材料表面硬度；提高材料表面硬度； 降低表面粗糙度；降低表面粗糙度； 增加潤滑膜厚度；增加潤滑膜厚度； 采用防塵或過濾裝置保證摩擦表面清潔等。采用防塵或過濾裝置保證摩擦表面清潔等。 在實驗室中研究磨粒磨損通常是將試件材料在磨料紙上相互在實驗室中研究磨粒磨損通常是將試件材料在磨料紙上相互摩擦。摩擦。 雖然由于略去了沖擊、腐蝕和溫度等因素的影響，使實驗室雖然由于略去了沖擊、腐蝕和溫度等因素的影響，使實驗室中得到的數(shù)據(jù)與實際存在差別，但它反映了磨粒磨損的基本中得到的數(shù)據(jù)與實際存在差別，但它反映了磨粒磨損的基本現(xiàn)象和規(guī)律，所得的結(jié)論仍十分有用?，F(xiàn)象和規(guī)律，所得的

13、結(jié)論仍十分有用。 主要因素如下主要因素如下6點。點。3.2.3 磨粒磨損的影響因素磨粒磨損的影響因素 硬度是表征材料抗磨粒磨損性能的主要參數(shù)。硬度是表征材料抗磨粒磨損性能的主要參數(shù)。 對于純金屬和各種未經(jīng)熱處理的鋼材，耐磨性與材料硬度成對于純金屬和各種未經(jīng)熱處理的鋼材，耐磨性與材料硬度成正比關(guān)系。正比關(guān)系。 1. 材料的硬度材料的硬度 磨料硬度磨料硬度H0與試件材料硬度與試件材料硬度H之間的相對值。之間的相對值。 為了防止磨粒磨損，材料硬度應(yīng)高于磨料硬度。為了防止磨粒磨損，材料硬度應(yīng)高于磨料硬度。 2. 相對硬度相對硬度 外載荷對各種材料的磨粒磨損有顯著影響。線磨損率與表面外載荷對各種材料的磨

14、粒磨損有顯著影響。線磨損率與表面壓力成正比。壓力成正比。 當(dāng)壓力達(dá)到轉(zhuǎn)折值當(dāng)壓力達(dá)到轉(zhuǎn)折值pc時，線磨損率隨壓力的增加變得平緩，時，線磨損率隨壓力的增加變得平緩，這是由于磨粒磨損形式轉(zhuǎn)變的結(jié)果。各種材料的轉(zhuǎn)折壓力值這是由于磨粒磨損形式轉(zhuǎn)變的結(jié)果。各種材料的轉(zhuǎn)折壓力值是不同的。是不同的。 3. 載荷載荷 圖示為重復(fù)摩擦次數(shù)與線磨損率的關(guān)系。圖示為重復(fù)摩擦次數(shù)與線磨損率的關(guān)系。 在磨損剛發(fā)生時，由于磨合作用使線磨損率隨摩擦次數(shù)的增在磨損剛發(fā)生時，由于磨合作用使線磨損率隨摩擦次數(shù)的增加而下降，同時表面粗糙度得到改善，隨后磨損趨于平緩。加而下降，同時表面粗糙度得到改善，隨后磨損趨于平緩。 4. 重復(fù)摩

15、擦次數(shù)重復(fù)摩擦次數(shù) 磨損量與材料的顆粒大小成正比，但顆粒大到一定值以后，磨損量與材料的顆粒大小成正比，但顆粒大到一定值以后，磨粒磨損量不再與顆粒大小有關(guān)。磨粒磨損量不再與顆粒大小有關(guān)。 磨粒的形狀和尖銳程度對磨損也有明顯影響。磨粒的形狀和尖銳程度對磨損也有明顯影響。 5. 磨粒尺寸磨粒尺寸 如果滑動速度不大，不至于使金屬發(fā)生退火回火效應(yīng)時，線如果滑動速度不大，不至于使金屬發(fā)生退火回火效應(yīng)時，線磨損率將與滑動速度無關(guān)磨損率將與滑動速度無關(guān) 。6. 滑動速度滑動速度 當(dāng)兩零件表面接觸時，由于表面不平，發(fā)生的是點接觸。當(dāng)兩零件表面接觸時，由于表面不平，發(fā)生的是點接觸。通常摩擦表面的實際接觸面積只有表

16、觀面積的通常摩擦表面的實際接觸面積只有表觀面積的0.01%0.1%。 對于重載高速摩擦副，接觸峰點的表面壓力有時可達(dá)對于重載高速摩擦副，接觸峰點的表面壓力有時可達(dá)5 000 MPa，并產(chǎn)生，并產(chǎn)生1 000以上的瞬時溫度。以上的瞬時溫度。 而由于摩擦副體積遠(yuǎn)大于接觸峰點，一旦脫離接觸，峰點而由于摩擦副體積遠(yuǎn)大于接觸峰點，一旦脫離接觸，峰點溫度便迅速下降，一般局部高溫持續(xù)時間只有幾毫秒。溫度便迅速下降，一般局部高溫持續(xù)時間只有幾毫秒。 潤滑油膜、吸附膜或其他表面膜將發(fā)生破裂，使接觸峰點潤滑油膜、吸附膜或其他表面膜將發(fā)生破裂，使接觸峰點產(chǎn)生粘著，隨后在滑動中粘著結(jié)點破壞。產(chǎn)生粘著，隨后在滑動中粘著

17、結(jié)點破壞。 這種粘著、破壞、再粘著的交替過程就構(gòu)成粘著磨損。這種粘著、破壞、再粘著的交替過程就構(gòu)成粘著磨損。 3.3 粘著磨損粘著磨損1. 輕微粘著磨損輕微粘著磨損 當(dāng)粘著結(jié)點的強(qiáng)度低于摩擦副金屬的強(qiáng)度時，剪切發(fā)生在當(dāng)粘著結(jié)點的強(qiáng)度低于摩擦副金屬的強(qiáng)度時，剪切發(fā)生在結(jié)合面上。此時雖然摩擦系數(shù)增大，但是磨損卻很小，材料結(jié)合面上。此時雖然摩擦系數(shù)增大，但是磨損卻很小，材料遷移也不顯著。遷移也不顯著。 如：缸套如：缸套-活塞環(huán)摩擦副的正常磨損。通常在金屬表面具活塞環(huán)摩擦副的正常磨損。通常在金屬表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂層時發(fā)生此種粘著磨損。有氧化膜、硫化膜或其他涂層時發(fā)生此種粘著磨損。2. 一般

18、粘著磨損一般粘著磨損 當(dāng)粘著結(jié)點的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟金屬的剪切強(qiáng)度時，當(dāng)粘著結(jié)點的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟金屬的剪切強(qiáng)度時，破壞將發(fā)生在離結(jié)合面不遠(yuǎn)處較軟金屬表層內(nèi)，因而軟金屬破壞將發(fā)生在離結(jié)合面不遠(yuǎn)處較軟金屬表層內(nèi)，因而軟金屬粘附在硬金屬表面上。粘附在硬金屬表面上。 如：重載蝸輪副蝸桿的磨損。這種磨損的摩擦系數(shù)與輕微如：重載蝸輪副蝸桿的磨損。這種磨損的摩擦系數(shù)與輕微磨損差不多，但磨損程度加劇。磨損差不多，但磨損程度加劇。3.3.1 粘著磨損的種類粘著磨損的種類3. 擦傷磨損擦傷磨損 當(dāng)粘結(jié)強(qiáng)度高于兩金屬材料強(qiáng)度時，剪切破壞主要發(fā)生在當(dāng)粘結(jié)強(qiáng)度高于兩金屬材料強(qiáng)度時，剪切破壞主要發(fā)生在軟金屬表層內(nèi)

19、，有時也發(fā)生在硬金屬表層內(nèi)。遷移到硬金屬軟金屬表層內(nèi)，有時也發(fā)生在硬金屬表層內(nèi)。遷移到硬金屬上的粘著物又使軟表面出現(xiàn)劃痕，所以擦傷主要發(fā)生在軟金上的粘著物又使軟表面出現(xiàn)劃痕，所以擦傷主要發(fā)生在軟金屬表面。屬表面。 如：內(nèi)燃機(jī)鋁活塞壁與缸體摩擦產(chǎn)生的拉傷。如：內(nèi)燃機(jī)鋁活塞壁與缸體摩擦產(chǎn)生的拉傷。4. 膠合磨損膠合磨損 若粘著結(jié)點強(qiáng)度比兩金屬的剪切強(qiáng)度高得多，而且粘著結(jié)若粘著結(jié)點強(qiáng)度比兩金屬的剪切強(qiáng)度高得多，而且粘著結(jié)點面積較大時，剪切破壞發(fā)生在一個或兩個金屬表層較深的點面積較大時，剪切破壞發(fā)生在一個或兩個金屬表層較深的地方。地方。 如：在主軸如：在主軸軸瓦摩擦副表面的磨損。此時，兩表面都出軸瓦摩

20、擦副表面的磨損。此時，兩表面都出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使摩擦副咬死而不能相對滑動?，F(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使摩擦副咬死而不能相對滑動。 高速重載高速重載摩擦副中，由于接觸峰點的塑性變形大和表面摩擦副中，由于接觸峰點的塑性變形大和表面溫度高，使粘著結(jié)點的強(qiáng)度和面積增大，通常產(chǎn)生膠合溫度高，使粘著結(jié)點的強(qiáng)度和面積增大，通常產(chǎn)生膠合磨損。磨損。 相同金屬相同金屬材料組成的摩擦副中，因為粘著結(jié)點附近的材材料組成的摩擦副中，因為粘著結(jié)點附近的材料塑性變形和冷作硬化程度相同，剪切破壞發(fā)生在很深料塑性變形和冷作硬化程度相同，剪切破壞發(fā)生在很深的表層，膠合磨損更為劇烈。的表層，膠合磨損更為劇烈。 粘著磨損模型：粘著磨損模型

21、：如下圖所示。如下圖所示。 選取摩擦副之間的粘著結(jié)點面積為以選取摩擦副之間的粘著結(jié)點面積為以a為半徑的圓，每一為半徑的圓，每一個粘著結(jié)點的接觸面積為個粘著結(jié)點的接觸面積為 。 如果表面處于塑性接觸狀態(tài)，則粘著結(jié)點承受的載荷為如果表面處于塑性接觸狀態(tài)，則粘著結(jié)點承受的載荷為 3.3.2 粘著磨損機(jī)理粘著磨損機(jī)理2sWa2a 粘著磨損的計算公式粘著磨損的計算公式 設(shè)粘著結(jié)點沿剪切平面被破壞，因為在峰部受壓時已經(jīng)變設(shè)粘著結(jié)點沿剪切平面被破壞，因為在峰部受壓時已經(jīng)變形，所以遷移的磨屑可近似認(rèn)為是個半球，半徑為形，所以遷移的磨屑可近似認(rèn)為是個半球，半徑為b。 當(dāng)滑動位移為當(dāng)滑動位移為2a時的磨損體積為時

22、的磨損體積為 。引入粘著磨損常引入粘著磨損常數(shù)數(shù)ks 。 體積磨損率體積磨損率323bdd3ssVWks 磨損常數(shù)磨損常數(shù)ks 用銷盤磨損機(jī)測定的幾種材料在干摩擦條件下的用銷盤磨損機(jī)測定的幾種材料在干摩擦條件下的ks值值 。 表中粘著磨損常數(shù)表中粘著磨損常數(shù)ks值遠(yuǎn)小于值遠(yuǎn)小于1，這說明在所有粘著結(jié)點中，這說明在所有粘著結(jié)點中只有極少數(shù)發(fā)生磨損，而大部分粘著結(jié)點不產(chǎn)生磨屑。只有極少數(shù)發(fā)生磨損，而大部分粘著結(jié)點不產(chǎn)生磨屑。 摩擦副材料摩擦副材料摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)f磨損常數(shù)磨損常數(shù)ks軟鋼軟鋼- -軟鋼軟鋼0.610-2硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金- -淬火鋼淬火鋼0.6510-5聚乙烯聚乙烯- -淬火鋼淬火鋼

23、0.6510-7 一定速度下，當(dāng)表面壓力達(dá)到一定速度下，當(dāng)表面壓力達(dá)到一定臨界值，并經(jīng)過一段時間一定臨界值，并經(jīng)過一段時間的運(yùn)行后，才會發(fā)生膠合。的運(yùn)行后，才會發(fā)生膠合。 通過觀察不同材料的試件在四通過觀察不同材料的試件在四球機(jī)實驗中磨痕直徑的變化，球機(jī)實驗中磨痕直徑的變化，可以反映出膠合磨損的情況。可以反映出膠合磨損的情況。 膠合載荷：膠合載荷：在一定速度下，當(dāng)在一定速度下，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時，磨痕的直載荷達(dá)到一定值時，磨痕的直徑驟然增大時的載荷徑驟然增大時的載荷。 臨界載荷值隨滑動速度的增加臨界載荷值隨滑動速度的增加而降低。而降低。3.3.3 影響粘著磨損的因素影響粘著磨損的因素1. 載荷

24、與速度載荷與速度 1鋼鋼-鋼；鋼；2鋼鋼-鑄鐵；鑄鐵；3鋼鋼-青銅。青銅。 僅載荷或者速度本身并不是直接導(dǎo)致粘著磨損的唯一原因，僅載荷或者速度本身并不是直接導(dǎo)致粘著磨損的唯一原因，它們兩者的影響是相關(guān)的。它們兩者的影響是相關(guān)的。 實驗表明：當(dāng)速度與載荷的乘積實驗表明：當(dāng)速度與載荷的乘積(即即pv值值)達(dá)到一定值時，達(dá)到一定值時，就會產(chǎn)生粘著磨損，如果它們的乘積很大則會發(fā)生嚴(yán)重的就會產(chǎn)生粘著磨損，如果它們的乘積很大則會發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損粘著磨損膠合。膠合。 載荷與速度的乘積與摩擦副間傳遞的功率成正比，因此可載荷與速度的乘積與摩擦副間傳遞的功率成正比，因此可以認(rèn)為，材料一定的摩擦副傳遞的功率是有限

25、的。工程中以認(rèn)為，材料一定的摩擦副傳遞的功率是有限的。工程中常常要限制摩擦副的常常要限制摩擦副的pv值。值。 載荷與速度載荷與速度 pv值與摩擦副傳遞的功率成正比，也就是與摩擦損耗的功值與摩擦副傳遞的功率成正比，也就是與摩擦損耗的功率成正比，摩擦過程中這些能量產(chǎn)生的熱使表面溫度升高。率成正比，摩擦過程中這些能量產(chǎn)生的熱使表面溫度升高。 產(chǎn)生的熱量在接觸表面間不是均勻分布的，大部分的熱量產(chǎn)生的熱量在接觸表面間不是均勻分布的，大部分的熱量產(chǎn)生在表面接觸點附近，形成了半球形的等溫面。產(chǎn)生在表面接觸點附近，形成了半球形的等溫面。 摩擦熱產(chǎn)生于最外層的變形區(qū)，因此表面溫度最高，摩擦熱產(chǎn)生于最外層的變形區(qū)

26、，因此表面溫度最高， 表面溫度可使?jié)櫥な?，而溫度梯度引起材料性質(zhì)和破表面溫度可使?jié)櫥な?，而溫度梯度引起材料性質(zhì)和破壞形式沿深度方向變化。壞形式沿深度方向變化。 2. 表面溫度表面溫度 影響溫度特性的主要因素影響溫度特性的主要因素是表面壓力是表面壓力p和滑動速度和滑動速度v，其中，其中速度的影響更大，限制速度的影響更大，限制pv值是減少粘著磨損和防止膠合發(fā)值是減少粘著磨損和防止膠合發(fā)生的有效方法。生的有效方法。 從下圖中可以看出：當(dāng)表面溫度達(dá)到臨界值從下圖中可以看出：當(dāng)表面溫度達(dá)到臨界值(約為約為80)時，時，磨損量和摩擦系數(shù)都將急劇增加。磨損量和摩擦系數(shù)都將急劇增加。 塑性材料塑性材料

27、形成的粘著結(jié)點的破壞以塑性流動為主，它發(fā)生形成的粘著結(jié)點的破壞以塑性流動為主，它發(fā)生在離表面一定的深度處，磨屑較大，有時長達(dá)在離表面一定的深度處，磨屑較大，有時長達(dá)3 mm，深，深達(dá)達(dá)0.2 mm。 脆性材料脆性材料粘著結(jié)點的破壞主要是剝落，損傷深度較淺，同粘著結(jié)點的破壞主要是剝落，損傷深度較淺，同時磨屑容易脫落，不會堆積在表面上。時磨屑容易脫落，不會堆積在表面上。 根據(jù)強(qiáng)度理論：根據(jù)強(qiáng)度理論：脆性材料的破壞由正應(yīng)力引起，而塑性材脆性材料的破壞由正應(yīng)力引起，而塑性材料的破壞決定于剪切應(yīng)力。表面接觸中的最大正應(yīng)力作用料的破壞決定于剪切應(yīng)力。表面接觸中的最大正應(yīng)力作用在表面，最大剪切應(yīng)力卻出現(xiàn)在離

28、表面一定深度處，所以在表面，最大剪切應(yīng)力卻出現(xiàn)在離表面一定深度處，所以材料的塑性越高，粘著磨損越嚴(yán)重。材料的塑性越高，粘著磨損越嚴(yán)重。 3. 摩擦副材料摩擦副材料 相同金屬相同金屬或者互溶性大的材料組成的摩擦副粘著效應(yīng)較強(qiáng)，或者互溶性大的材料組成的摩擦副粘著效應(yīng)較強(qiáng)，容易發(fā)生粘著磨損。容易發(fā)生粘著磨損。 異性金屬異性金屬或者互溶性小的材料組成的摩擦副抗粘著磨損的或者互溶性小的材料組成的摩擦副抗粘著磨損的能力較高。能力較高。 金屬和非金屬金屬和非金屬材料組成的摩擦副的抗粘著磨損能力高于異材料組成的摩擦副的抗粘著磨損能力高于異性金屬組成的摩擦副。性金屬組成的摩擦副。 多相金屬多相金屬比比單相金屬單

29、相金屬的抗粘著磨損能力高。的抗粘著磨損能力高。 表面處理表面處理，金屬表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等薄，金屬表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜將減少粘著效應(yīng)，同時表面膜也限制了破壞深度，從而膜將減少粘著效應(yīng)，同時表面膜也限制了破壞深度，從而提高了抗粘著磨損能力。提高了抗粘著磨損能力。 膠合膠合是最嚴(yán)重的磨損形式，出現(xiàn)在高速重載和潤滑不良的場是最嚴(yán)重的磨損形式，出現(xiàn)在高速重載和潤滑不良的場合，如齒輪合，如齒輪蝸桿傳動、滾動軸承和滑動軸承等摩擦副。蝸桿傳動、滾動軸承和滑動軸承等摩擦副。 被磨損表面凹凸不平，有時磨痕深達(dá)被磨損表面凹凸不平，有時磨痕深達(dá)0.2 mm，表面材料堆積，表面材料堆積

30、，使摩擦系數(shù)很高而且不穩(wěn)定，并出現(xiàn)摩擦副使摩擦系數(shù)很高而且不穩(wěn)定，并出現(xiàn)摩擦副“抱死抱死”、“咬咬死死”等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。 膠合磨損一旦發(fā)生就很嚴(yán)重，往往在幾十亳秒內(nèi)就導(dǎo)致摩擦膠合磨損一旦發(fā)生就很嚴(yán)重，往往在幾十亳秒內(nèi)就導(dǎo)致摩擦副完全失效，所以應(yīng)盡量避免。副完全失效，所以應(yīng)盡量避免。 3.3.4 膠合準(zhǔn)則膠合準(zhǔn)則 pv準(zhǔn)則形式簡單，常用在非流體潤滑的滑動軸承等零件的準(zhǔn)則形式簡單，常用在非流體潤滑的滑動軸承等零件的設(shè)計中，作為選擇抗膠合材料的依據(jù)。設(shè)計中，作為選擇抗膠合材料的依據(jù)。 但是其數(shù)據(jù)離散范圍較大，有時達(dá)到但是其數(shù)據(jù)離散范圍較大，有時達(dá)到50%，因此準(zhǔn)確性較，因此準(zhǔn)確性較差。差。 式中，式

31、中，p為為Hertz最大應(yīng)力；最大應(yīng)力；v為相對滑動速度。為相對滑動速度。 根據(jù)工況條件根據(jù)工況條件pv在在3.21031.5105 MPams之間變化。之間變化。 pv準(zhǔn)則準(zhǔn)則 pvpv 裂紋起源：裂紋起源：疲勞微裂紋一般在有疲勞微裂紋一般在有固有缺陷固有缺陷的地方最先出現(xiàn)。的地方最先出現(xiàn)。這些缺陷可能由機(jī)械加工造成這些缺陷可能由機(jī)械加工造成(如切削痕、碰傷痕等如切削痕、碰傷痕等)或由材或由材料在冶煉過程中造成料在冶煉過程中造成(如氣孔、夾雜物等如氣孔、夾雜物等)。 裂紋還可以在裂紋還可以在金屬相金屬相和和晶界晶界之間形成。通常齒輪副、滾動軸之間形成。通常齒輪副、滾動軸承、凸輪副等零件比較容

32、易出現(xiàn)表面疲勞磨損。承、凸輪副等零件比較容易出現(xiàn)表面疲勞磨損。 非擴(kuò)展性磨損：非擴(kuò)展性磨損：摩擦表面粗糙峰周圍應(yīng)力場變化所引起的微摩擦表面粗糙峰周圍應(yīng)力場變化所引起的微觀疲勞現(xiàn)象屬于非擴(kuò)展性磨損。例如在磨合階段的磨損屬非觀疲勞現(xiàn)象屬于非擴(kuò)展性磨損。例如在磨合階段的磨損屬非擴(kuò)展性磨損。擴(kuò)展性磨損。 擴(kuò)展性磨損：擴(kuò)展性磨損：若作用在兩接觸面上的交變接觸壓應(yīng)力較大，若作用在兩接觸面上的交變接觸壓應(yīng)力較大，而材料選擇和潤滑不合理時，將會產(chǎn)生擴(kuò)展性的表面疲勞磨而材料選擇和潤滑不合理時，將會產(chǎn)生擴(kuò)展性的表面疲勞磨損，導(dǎo)致零部件迅速失效。損，導(dǎo)致零部件迅速失效。 3.4 疲勞磨損疲勞磨損 按照磨屑和疲勞坑的

33、形狀，通常將表面疲勞磨損分為兩種：按照磨屑和疲勞坑的形狀，通常將表面疲勞磨損分為兩種： 點蝕：點蝕：磨屑多為扇形顆粒，凹坑為許多小而深的麻點。點蝕磨屑多為扇形顆粒，凹坑為許多小而深的麻點。點蝕疲勞裂紋都起源于表面，再順滾動方向向表層內(nèi)擴(kuò)展，并形疲勞裂紋都起源于表面，再順滾動方向向表層內(nèi)擴(kuò)展，并形成扇形的疲勞坑。成扇形的疲勞坑。 鱗剝：鱗剝：磨屑呈片狀，凹坑淺而面積大；鱗剝疲勞裂紋始于表磨屑呈片狀，凹坑淺而面積大；鱗剝疲勞裂紋始于表層內(nèi)，隨后裂紋與表面平行向兩端擴(kuò)展，最后在兩端斷裂，層內(nèi)，隨后裂紋與表面平行向兩端擴(kuò)展，最后在兩端斷裂，形成沿整個試件寬度上的淺坑。形成沿整個試件寬度上的淺坑。 3.

34、4.1 表面疲勞磨損的種類表面疲勞磨損的種類 剝層磨損剝層磨損理論是以位錯理論以及靠近表面金屬的斷裂和塑性理論是以位錯理論以及靠近表面金屬的斷裂和塑性變形為基礎(chǔ)解釋片狀磨屑的形成機(jī)理。變形為基礎(chǔ)解釋片狀磨屑的形成機(jī)理。 應(yīng)力應(yīng)力在疲勞磨損的初期階段只形成微裂紋，無論有無潤滑油在疲勞磨損的初期階段只形成微裂紋，無論有無潤滑油存在，循環(huán)應(yīng)力起主要作用；存在，循環(huán)應(yīng)力起主要作用； 粘度粘度裂紋萌生在表層，但很快擴(kuò)展到表面，此后，潤滑油的裂紋萌生在表層，但很快擴(kuò)展到表面，此后，潤滑油的粘度對于裂紋擴(kuò)展有重要影響。潤滑油的粘度影響油膜厚度。粘度對于裂紋擴(kuò)展有重要影響。潤滑油的粘度影響油膜厚度。 油壓油壓

35、機(jī)理。機(jī)理。 3.4.2 疲勞磨損機(jī)理疲勞磨損機(jī)理(剝層理論剝層理論) 載荷大小載荷大小決定了摩擦副的宏觀應(yīng)力場，直接影響疲勞裂紋的決定了摩擦副的宏觀應(yīng)力場，直接影響疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，通常認(rèn)為是決定疲勞磨損壽命的基本因素。萌生和擴(kuò)展，通常認(rèn)為是決定疲勞磨損壽命的基本因素。 應(yīng)力循環(huán)速度應(yīng)力循環(huán)速度越大，表面積聚的熱量越多，溫度就越高，使越大，表面積聚的熱量越多，溫度就越高，使金屬軟化而降低力學(xué)性能，因此加速表面疲勞磨損。金屬軟化而降低力學(xué)性能，因此加速表面疲勞磨損。 鋼材中的脆性夾雜物，鋼材中的脆性夾雜物，在循環(huán)應(yīng)力作用下其與基體材料脫離在循環(huán)應(yīng)力作用下其與基體材料脫離形成空穴，構(gòu)成應(yīng)力集

36、中源，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的早期出現(xiàn)。形成空穴，構(gòu)成應(yīng)力集中源，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的早期出現(xiàn)。 表面硬化鋼的硬化層表面硬化鋼的硬化層厚度太薄時，疲勞裂紋將出現(xiàn)在硬化層厚度太薄時，疲勞裂紋將出現(xiàn)在硬化層與基體的連接處，容易形成表層剝落。與基體的連接處，容易形成表層剝落。 增加增加潤滑劑粘度潤滑劑粘度可以提高疲勞壽命是由于彈流油膜增厚，從可以提高疲勞壽命是由于彈流油膜增厚，從而減輕粗糙峰互相作用的結(jié)果。而減輕粗糙峰互相作用的結(jié)果。 摩擦表面的粗糙度摩擦表面的粗糙度與疲勞壽命密切相關(guān)。與疲勞壽命密切相關(guān)。 3.4.3 影響疲勞磨損的因素影響疲勞磨損的因素 接觸疲勞現(xiàn)象具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，在相同條件下同一批試

37、件接觸疲勞現(xiàn)象具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，在相同條件下同一批試件的疲勞壽命之間相差很大。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，相同條的疲勞壽命之間相差很大。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，相同條件下的實驗批量通常應(yīng)大于件下的實驗批量通常應(yīng)大于10，并須按照統(tǒng)計學(xué)方法處理數(shù)，并須按照統(tǒng)計學(xué)方法處理數(shù)據(jù)。據(jù)。 式中，式中，S為不損壞概率；為不損壞概率；L為實際壽命，通常以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為實際壽命，通常以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N表示；表示；A為常數(shù)；為常數(shù)； 稱為稱為Weibull斜率，對于鋼材斜率，對于鋼材 =1.11.5，純凈鋼取高值。純凈鋼取高值。 3.4.4 接觸疲勞壽命計算接觸疲勞壽命計算 1lglglglgLAS軸承壽命試驗機(jī)軸承壽命

38、試驗機(jī) 采用專用的采用專用的Weibull坐標(biāo)紙，即縱坐標(biāo)為雙對數(shù)和橫坐標(biāo)為單坐標(biāo)紙，即縱坐標(biāo)為雙對數(shù)和橫坐標(biāo)為單對數(shù)。對數(shù)。 對滾動軸承的壽命可寫成對滾動軸承的壽命可寫成CLP 現(xiàn)象與機(jī)理：現(xiàn)象與機(jī)理：當(dāng)金屬摩擦副受到空氣中的氧氣或潤滑劑中所當(dāng)金屬摩擦副受到空氣中的氧氣或潤滑劑中所含氧氣的作用時，表面形成很薄的氧化膜。表面所生成的氧含氧氣的作用時，表面形成很薄的氧化膜。表面所生成的氧化膜被磨掉以后，又很快地形成新的氧化膜，所以氧化磨損化膜被磨掉以后，又很快地形成新的氧化膜，所以氧化磨損是化學(xué)氧化和機(jī)械磨損兩種作用相繼進(jìn)行的過程。是化學(xué)氧化和機(jī)械磨損兩種作用相繼進(jìn)行的過程。 磨損表面特征磨損表

39、面特征：因為大氣中含有氧，所以氧化磨損是最常見：因為大氣中含有氧，所以氧化磨損是最常見的一種磨損形式，其損壞特征是在金屬的摩擦表面沿滑動方的一種磨損形式，其損壞特征是在金屬的摩擦表面沿滑動方向呈勻細(xì)磨痕。向呈勻細(xì)磨痕。 脆性氧化膜脆性氧化膜與基體連接的抗剪切強(qiáng)度較差，或者氧化膜的生與基體連接的抗剪切強(qiáng)度較差，或者氧化膜的生成速度低于磨損速度時，它們的磨損量較大。成速度低于磨損速度時，它們的磨損量較大。 當(dāng)當(dāng)氧化膜韌性高氧化膜韌性高，與基體連接處的抗剪切強(qiáng)度較高，或者氧，與基體連接處的抗剪切強(qiáng)度較高，或者氧化速度大于磨損率時，氧化膜能起減摩耐磨作用，所以氧化化速度大于磨損率時，氧化膜能起減摩耐磨

40、作用，所以氧化磨損量較小。磨損量較小。 3.5 腐蝕磨損腐蝕磨損 3.5.1 氧化磨損氧化磨損 輕載荷下輕載荷下氧化磨損磨屑的主要成分是氧化磨損磨屑的主要成分是Fe和和FeO，而重載條件，而重載條件下磨屑主要是下磨屑主要是Fe2O3和和Fe3O4。 載荷增大載荷增大超過某一臨界值時，磨損量隨載荷的增大而急劇增超過某一臨界值時，磨損量隨載荷的增大而急劇增加，磨損類型可能由氧化磨損轉(zhuǎn)化為粘著磨損。加，磨損類型可能由氧化磨損轉(zhuǎn)化為粘著磨損。 干摩擦狀態(tài)干摩擦狀態(tài)下容易產(chǎn)生氧化磨損。加入潤滑油可以減小表面下容易產(chǎn)生氧化磨損。加入潤滑油可以減小表面氧化作用，使氧化層變薄，因而提高抗氧化磨損能力。氧化作用

41、，使氧化層變薄，因而提高抗氧化磨損能力。 化工設(shè)備化工設(shè)備中工作的摩擦副在摩擦過程中，由于金屬表面與酸中工作的摩擦副在摩擦過程中，由于金屬表面與酸堿、鹽等介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)而形成腐蝕磨損，堿、鹽等介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)而形成腐蝕磨損，例如化工設(shè)備中零件表面的磨損。例如化工設(shè)備中零件表面的磨損。 腐蝕磨損的機(jī)理腐蝕磨損的機(jī)理與氧化磨損類似，但腐蝕磨損的痕跡較深，與氧化磨損類似，但腐蝕磨損的痕跡較深，磨損速度較快，磨屑呈顆粒狀和絲狀，它們是表面金屬與周磨損速度較快，磨屑呈顆粒狀和絲狀，它們是表面金屬與周圍介質(zhì)的化合物。圍介質(zhì)的化合物。 潤滑油中潤滑油中含有腐蝕性化學(xué)成分，因此滑動軸

42、承材料也會發(fā)生含有腐蝕性化學(xué)成分，因此滑動軸承材料也會發(fā)生腐蝕磨損，首先在軸承表面上生成黑點，再逐漸擴(kuò)展成海綿腐蝕磨損，首先在軸承表面上生成黑點，再逐漸擴(kuò)展成海綿狀空洞，并在摩擦過程中呈小塊剝落。狀空洞，并在摩擦過程中呈小塊剝落。 鎢、鉬兩金屬鎢、鉬兩金屬在溫度超過在溫度超過 500時表面將形成保護(hù)膜，使摩時表面將形成保護(hù)膜，使摩擦系數(shù)減小，故鎢、鉬是抗高溫腐蝕磨損的重要金屬材料。擦系數(shù)減小，故鎢、鉬是抗高溫腐蝕磨損的重要金屬材料。其他由碳化鎢、碳化鈦等組成的硬質(zhì)合金都有較好的抗腐蝕其他由碳化鎢、碳化鈦等組成的硬質(zhì)合金都有較好的抗腐蝕磨損能力。磨損能力。 3.5.2 特殊介質(zhì)腐蝕磨損特殊介質(zhì)腐

43、蝕磨損 微動磨損是粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損等多種磨損形式微動磨損是粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損等多種磨損形式的組合。的組合。 典型的復(fù)合式磨損，在兩個表面之間，由振幅很?。ㄐ∮诘湫偷膹?fù)合式磨損，在兩個表面之間，由振幅很?。ㄐ∮?mm）的相對振動而產(chǎn)生的磨損。）的相對振動而產(chǎn)生的磨損。 在載荷的作用下，相互配合表面的接觸峰點可能形成粘著結(jié)在載荷的作用下，相互配合表面的接觸峰點可能形成粘著結(jié)點。當(dāng)接觸表面受到外界微小振動時，雖然相對滑移量很小，點。當(dāng)接觸表面受到外界微小振動時，雖然相對滑移量很小，通常在通常在0.050.25 mm之間，但粘著結(jié)點將被剪切，隨后剪之間，但粘著結(jié)點將被剪切，隨后剪切面逐漸被氧化并發(fā)生氧化磨損，產(chǎn)生紅褐色切面逐漸被氧化并發(fā)生氧化磨損，產(chǎn)生紅褐色Fe2O3的磨屑的磨屑堆積在表面之間。堆積