材料性能學(xué)課件-北大fh8的摩擦磨損

1、材料性能學(xué)材料性能學(xué)l石家莊鐵道大學(xué)石家莊鐵道大學(xué)l材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院l材料科學(xué)系：付華材料科學(xué)系：付華聯(lián)系電話：聯(lián)系電話QQ: 1115279899 Properties of Materials 授課方法：授課方法：l第第1-31-3章：教師主講。章：教師主講。l第第4-114-11章：課堂討論為主。章：課堂討論為主。l 下載視頻，下載視頻，l第第12-1512-15章：理論簡(jiǎn)介。章：理論簡(jiǎn)介。l 案例應(yīng)用案例應(yīng)用緒論緒論第第1章章 材料的彈性變形材料的彈性變形第第2章章 材料的塑性變形材料的塑性變形第第3章章 材料的斷裂與斷裂韌材料的斷裂與斷裂

2、韌性性第第4章章 材料的扭轉(zhuǎn)材料的扭轉(zhuǎn)/彎曲彎曲/壓縮性能壓縮性能第第5章章 材料的硬度材料的硬度第第6章章 材料的沖擊韌性及低溫脆材料的沖擊韌性及低溫脆性性第第7章章 材料的疲勞性能材料的疲勞性能第第8章章 材料的磨損材料的磨損 第第9章章 材料的高溫力學(xué)性能材料的高溫力學(xué)性能 第第10章章 材料在環(huán)境介質(zhì)作用材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的腐蝕下的腐蝕 第第11章章 材料的強(qiáng)韌化材料的強(qiáng)韌化 第第12章章 材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能 第第13章章 材料的磁學(xué)性能材料的磁學(xué)性能 第第14章章 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能 第第15章章 材料的光學(xué)性能材料的光學(xué)性能 第第8章章 材料的磨損材料的磨損

3、Wear of materials l8.1 金屬材料的磨損性能金屬材料的磨損性能Wear propeties of Metalsl8.2 陶瓷材料的磨損性能陶瓷材料的磨損性能Wear propeties of Ceramicsl8.3 高分子材料的磨損性能高分子材料的磨損性能Wear propeties of Polymersl8.4 磨損試驗(yàn)方法磨損試驗(yàn)方法 wear test methods 人類與摩擦人類與摩擦生活中的摩擦生活中的摩擦古典摩擦定律（阿蒙頓古典摩擦定律（阿蒙頓- -庫(kù)倫）庫(kù)倫）1.摩擦力與法向載荷成正比摩擦力與法向載荷成正比; （法向載荷較小時(shí)法向載荷較小時(shí)）2.摩擦因數(shù)

4、與接觸面積無(wú)關(guān)摩擦因數(shù)與接觸面積無(wú)關(guān); (有一定屈服點(diǎn)有一定屈服點(diǎn)的材料，如金屬的材料，如金屬)；粘彈性材料的摩擦力粘彈性材料的摩擦力與接觸面積有關(guān)。與接觸面積有關(guān)。3.摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān);（金屬金屬-金屬金屬）4.靜摩擦因數(shù)大于動(dòng)摩擦因數(shù)。（靜摩擦因數(shù)大于動(dòng)摩擦因數(shù)。（不適用粘不適用粘彈性材料彈性材料）摩擦學(xué)摩擦學(xué)l英國(guó)教育科研部關(guān)于摩擦學(xué)教育和研究的英國(guó)教育科研部關(guān)于摩擦學(xué)教育和研究的報(bào)告（報(bào)告（Jost報(bào)告）報(bào)告） l1964年年12月月22日，當(dāng)時(shí)的教育科研國(guó)務(wù)日，當(dāng)時(shí)的教育科研國(guó)務(wù)大臣大臣Bowden勛爵邀請(qǐng)勛爵邀請(qǐng)H. Peter Jost先生先生及潤(rùn)滑工

5、程專家等，查明及潤(rùn)滑工程專家等，查明英國(guó)潤(rùn)滑教育英國(guó)潤(rùn)滑教育的的現(xiàn)狀和現(xiàn)狀和工業(yè)工業(yè)需要。需要。 Jost，國(guó)際摩擦學(xué)理事會(huì)，國(guó)際摩擦學(xué)理事會(huì) International Tribology Council， 主席主席摩擦學(xué)摩擦學(xué)l1966年，年，Jost提出提出 摩擦學(xué)摩擦學(xué)Tribology定義：定義：l摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其有關(guān)理論和實(shí)踐的科學(xué)技術(shù)。其有關(guān)理論和實(shí)踐的科學(xué)技術(shù)。l摩擦學(xué)包括摩擦學(xué)包括摩擦、磨損摩擦、磨損和和潤(rùn)滑潤(rùn)滑等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。l1980年，中國(guó)年，中國(guó) 譯譯Tribology為為“摩擦學(xué)摩擦學(xué)”， l1984年，美國(guó)

6、接受以年，美國(guó)接受以Tribology代替代替Lubrication的地位。的地位。世界上使用的能源大約有世界上使用的能源大約有1/31/2消耗于摩擦。消耗于摩擦。 摩擦起因的學(xué)說(shuō)摩擦起因的學(xué)說(shuō) l1.1.機(jī)械嚙合學(xué)說(shuō)機(jī)械嚙合學(xué)說(shuō) l2.2.分子吸引理論分子吸引理論 l3.3.分子分子機(jī)械學(xué)說(shuō)機(jī)械學(xué)說(shuō) l4.4.粘著學(xué)說(shuō)粘著學(xué)說(shuō) l5.5.機(jī)械機(jī)械粘著粘著犁溝綜合作用學(xué)說(shuō)犁溝綜合作用學(xué)說(shuō) 現(xiàn)代摩擦學(xué)問(wèn)題現(xiàn)代摩擦學(xué)問(wèn)題l航天器的固體潤(rùn)滑，航天器的固體潤(rùn)滑，l航空發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦磨損。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦磨損?，F(xiàn)代摩擦學(xué)問(wèn)題現(xiàn)代摩擦學(xué)問(wèn)題l水輪機(jī)葉片的沖蝕，水輪機(jī)葉片的沖蝕，l高速列車(chē)的接觸疲勞。高速列車(chē)

7、的接觸疲勞。摩擦學(xué)的新興研究領(lǐng)域摩擦學(xué)的新興研究領(lǐng)域l碳摩擦學(xué)碳摩擦學(xué)l碳納米管碳納米管l多層石墨烯多層石墨烯l納米摩擦學(xué)納米摩擦學(xué)l空間摩擦學(xué)空間摩擦學(xué)l生物摩擦學(xué)（人體生物摩擦學(xué)（人體/動(dòng)物仿生）動(dòng)物仿生）l涂層摩擦學(xué)涂層摩擦學(xué) .摩擦學(xué)涉及的學(xué)科領(lǐng)域摩擦學(xué)涉及的學(xué)科領(lǐng)域l摩擦副、壓力、速度、介質(zhì)等因素。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)相關(guān)高校相關(guān)高校-實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室1. 中南大學(xué)中南大學(xué)中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家工程研究中心中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家工程研究中心蟬聯(lián)評(píng)估第一名蟬聯(lián)評(píng)估第一名湖南博云新材料股份有限公司湖南博云新材料股份有限公司（黃伯云，熊翔）（黃伯云，熊翔）中南大學(xué)粉末冶金研究院摩擦耐磨材料研究所中南大學(xué)粉

8、末冶金研究院摩擦耐磨材料研究所2. 清華大學(xué)清華大學(xué)清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3. 中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州化學(xué)物理研究所-固體潤(rùn)滑國(guó)家固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4. 合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所 相關(guān)協(xié)會(huì)相關(guān)協(xié)會(huì)-企業(yè)企業(yè)1. 國(guó)際摩擦學(xué)理事會(huì)國(guó)際摩擦學(xué)理事會(huì) （International Tribology Council，ITC） 總部總部-英國(guó)倫敦英國(guó)倫敦2. 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦學(xué)分會(huì)中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦學(xué)分會(huì) 摩擦耐磨減摩材料與技術(shù)專業(yè)委員會(huì)摩擦耐磨減摩材料與技術(shù)專業(yè)委員會(huì) http:/ 中國(guó)摩擦材料網(wǎng)中國(guó)摩

9、擦材料網(wǎng)http:/ 石家莊泰明頓摩擦材料有限公司石家莊泰明頓摩擦材料有限公司(中國(guó)太行機(jī)械工中國(guó)太行機(jī)械工業(yè)有限公司業(yè)有限公司,中德合資中德合資)2. 泰明頓摩擦材料技術(shù)（上海）有限公司泰明頓摩擦材料技術(shù)（上海）有限公司3. 杭州泰明頓摩擦材料有限公司杭州泰明頓摩擦材料有限公司 泰明頓集團(tuán)是排名世界第一的原裝配套摩擦材料泰明頓集團(tuán)是排名世界第一的原裝配套摩擦材料供應(yīng)商供應(yīng)商.4. 德國(guó)德國(guó)(Bremskerl)勃蘭姆斯克摩擦材料有限公司勃蘭姆斯克摩擦材料有限公司 勃蘭姆斯特摩擦材料南通有限公司勃蘭姆斯特摩擦材料南通有限公司5. 美國(guó)美國(guó)霍尼韋爾霍尼韋爾(Honeywell Internati

10、onal)摩擦材摩擦材料料(廣州廣州)有限公司有限公司摩擦：摩擦：摩擦的結(jié)果摩擦的結(jié)果-磨損磨損摩擦做功表面層塑變（25%）-形變硬化、應(yīng)力。摩擦熱（75%）-磨損量，效率相對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)件汽缸套的磨損滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦Sliding or rolling friction磨損wear作用：有害有害： 失效形式。工作效率下降，壽命降低，斷裂破壞。有利有利：對(duì)材料進(jìn)行磨削加工磨削加工。掌握要求：掌握要求： 一、填空一、填空 l1. 按磨損的機(jī)理按磨損的機(jī)理 即摩擦面損傷和破壞形即摩擦面損傷和破壞形式，磨損一般分為式，磨損一般分為 、 、 和和 。l2. 滾動(dòng)軸承在純滾動(dòng)的條件下常發(fā)生的磨滾動(dòng)軸承在純滾動(dòng)的

11、條件下常發(fā)生的磨損失效形式是損失效形式是 ；一般齒輪摩擦副在；一般齒輪摩擦副在滾動(dòng)兼滑動(dòng)的條件下常發(fā)生的磨損失效形滾動(dòng)兼滑動(dòng)的條件下常發(fā)生的磨損失效形式是式是 。 本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章學(xué)習(xí)要點(diǎn):l磨損的機(jī)理磨損的機(jī)理( (基本類型基本類型)?)?wear mechanism 粘著磨損、粘著磨損、 Adhesive wear磨粒磨損、磨粒磨損、 Abrasive wearp腐蝕磨損、腐蝕磨損、Corrosive Wear 表面疲勞磨損表面疲勞磨損 surface fatigue wear （麻點(diǎn)（麻點(diǎn)pitting corrosion、 接觸疲勞接觸疲勞Contact Fatigue ） 磨損磨損w

12、earwear：摩擦作用下，物體表面機(jī)械、物理、化學(xué)作用，逐漸分離出磨屑，表面尺寸變化和不斷損傷的過(guò)程。磨損是發(fā)生在材料表面的磨損是發(fā)生在材料表面的局部變形與斷裂。局部變形與斷裂。Wear is local deformation and fracture occurred in material surface. 8.1 金屬材料的磨損性能金屬材料的磨損性能Wear propeties of Metals8.1.1 磨損過(guò)程磨損過(guò)程 Wear process：磨合：磨合階段-氧化膜形成，表面應(yīng)變硬化。：穩(wěn)定磨損：穩(wěn)定磨損階段-服役階段。 階段跑合越好，此階段磨損速率越低。：劇烈磨損：劇烈磨損

13、階段-潤(rùn)滑膜破壞， 間隙增大，振動(dòng)加劇失效。1. 磨損機(jī)制：磨損機(jī)制：1957年年Burwell粘著磨損、粘著磨損、 Adhesive wear磨粒磨損、磨粒磨損、 Abrasive wearp腐蝕磨損、腐蝕磨損、Corrosive Wear 表面疲勞磨損表面疲勞磨損 surface fatigue wear （麻點(diǎn)（麻點(diǎn)pitting corrosion、 接觸疲勞接觸疲勞Contact Fatigue ）8.1.2 磨損的基本類型（機(jī)理）磨損的基本類型（機(jī)理）Type ( mechanism ) of wear 2. 三類影響因素三類影響因素：摩擦偶件；摩擦偶件；外在機(jī)械作用外在機(jī)械作用（

14、速度、比壓（速度、比壓P、摩擦類型）；、摩擦類型）； 介質(zhì)（氣、液、固）。介質(zhì)（氣、液、固）。磨損類型隨磨損類型隨工作條件而變化。工作條件而變化。8.1.2 磨損的基本類型（機(jī)理）磨損的基本類型（機(jī)理）一、粘著磨損（一、粘著磨損（咬合磨損咬合磨損）Adhesive wear粘著粘著剪斷剪斷脫落脫落再粘著再粘著 的循環(huán)過(guò)程。多為滑動(dòng)摩擦：壓力 P大，相對(duì)v小，潤(rùn)滑差。（一）特點(diǎn)（一）特點(diǎn)：表面特征：大小不等的結(jié)疤結(jié)疤。（一）特點(diǎn)（一）特點(diǎn)： 剪斷形式：粘著點(diǎn)強(qiáng)度低粘著點(diǎn)強(qiáng)度低：沿接觸面剪斷，磨損量小，平滑。粘著點(diǎn)粘著點(diǎn)強(qiáng)度高強(qiáng)度高-軟材料（凹）硬材料（凸）轉(zhuǎn)移，W。 磨損量 W=KPL/3Hv

15、K-粘著磨損系數(shù)粘著磨損系數(shù)（取決于摩擦副材料、摩擦條件） a. 異名材料、硬度差大異名材料、硬度差大的摩擦副？ K b. 表面處理： 硫(磷)化、氮化處理 P-接觸壓力； L滑動(dòng)距離， Hv-硬度； P ,L ,HvW。 二、磨粒磨損（磨料磨損、研磨磨損） l硬粒子硬粒子對(duì)摩擦表面產(chǎn)生對(duì)摩擦表面產(chǎn)生微切削微切削 塑性變形塑性變形 疲勞破疲勞破壞壞 脆性斷裂脆性斷裂產(chǎn)生的磨損。產(chǎn)生的磨損。l兩體兩體磨粒磨損：銼削銼削l摩擦副一方表面堅(jiān)硬微凸體l三體三體磨粒磨損：拋光拋光l摩擦表面間有硬粒子：外界進(jìn)入：拋光外界進(jìn)入：拋光沙沙灰塵灰塵表面剝落：氧化物表面剝落：氧化物等。等。Abrasive wea

16、r摩擦面擦傷、犁皺溝槽溝槽特點(diǎn)特點(diǎn)：磨粒尖銳切痕長(zhǎng)而淺（刀具切削）磨粒圓鈍塑性材料溝槽、堆積裂紋、剝落；Abrasive wearl磨粒磨損是普遍存在普遍存在的一種磨損形式， 在各種V P 下都可發(fā)生。l 礦山礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械中齒輪磨損、 潤(rùn)滑油濾清不良等。 三、接觸疲勞 Contact Fatigue （點(diǎn)蝕、麻點(diǎn)磨損、表面疲勞磨損）l滾動(dòng)滾動(dòng)或滾動(dòng)滾動(dòng)+ +滑動(dòng)滑動(dòng)摩擦?xí)r，兩表面在交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下的一種表面疲勞損傷。l局部區(qū)域出現(xiàn)小片、小塊狀剝落。 表面痘狀、貝殼狀、凹坑、麻坑表面痘狀、貝殼狀、凹坑、麻坑。( (一）宏觀特征一）宏觀特征：純滾動(dòng)純滾動(dòng)（二）接觸應(yīng)力（二）接觸應(yīng)

17、力：線接觸/點(diǎn)接觸：正應(yīng)力正應(yīng)力：表面處最大;切應(yīng)力切應(yīng)力：距表面0.786b處最大。pure rolling friction 對(duì)磨損的貢獻(xiàn)？對(duì)磨損的貢獻(xiàn)？磨損是發(fā)生在材料表面的磨損是發(fā)生在材料表面的局部局部變形變形與與斷裂斷裂。切應(yīng)力切應(yīng)力：距表面0.786b處最大。塑性變形塑性變形滾動(dòng)滾動(dòng)rolling+滑動(dòng)滑動(dòng)sliding最大綜合切應(yīng)力移到材料表面移到材料表面表面產(chǎn)生接觸疲勞裂紋 滑動(dòng)摩擦 f 越大，合越移向表面1點(diǎn)蝕（麻點(diǎn)剝落）點(diǎn)蝕（麻點(diǎn)剝落）（三）接觸疲勞破壞類型（三）接觸疲勞破壞類型裂紋起源于表層表層（0.10.2mm深，小塊剝落）易發(fā)生情況：滾動(dòng)滾動(dòng)+ +滑動(dòng)滑動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)齒輪

18、設(shè)計(jì)表面接觸應(yīng)力小，滑動(dòng)摩擦表面接觸應(yīng)力小，滑動(dòng)摩擦f大，大，0.2； 材料表面質(zhì)量差材料表面質(zhì)量差抗剪強(qiáng)度低。抗剪強(qiáng)度低。pock exfoliation Pitting and spalling 2淺層剝落淺層剝落裂紋起源于次表面次表面（0.20.4mm深，0.50.7b ）發(fā)生條件：發(fā)生條件：純滾動(dòng)純滾動(dòng)/f /f很小很小滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)；max在次表層在次表層0.786b處；處；塑變塑變位錯(cuò)塞位錯(cuò)塞積積/ /空位空位裂紋裂紋平行平行/ /傾斜表面分枝傾斜表面分枝/ /擴(kuò)展擴(kuò)展盆狀剝落盆狀剝落。 3深層剝落深層剝落 裂紋起源于硬化層硬化層/心部交界處心部交界處，切應(yīng)力切應(yīng)力/抗切

19、強(qiáng)度抗切強(qiáng)度最大。易發(fā)生：表面熱（化學(xué)）處理工件。易發(fā)生：表面熱（化學(xué)）處理工件。8.2 陶瓷陶瓷材料的耐磨性材料的耐磨性 耐磨性優(yōu)良。對(duì)表面狀態(tài)對(duì)表面狀態(tài)/ /氣氛壓力氣氛壓力/ /溫度極其敏感。溫度極其敏感。陶瓷材料的摩擦磨損機(jī)理陶瓷材料的摩擦磨損機(jī)理 粘著磨損：粘著磨損：u摩擦副：陶瓷摩擦副：陶瓷/ /陶瓷陶瓷 ；金屬；金屬/ /陶瓷陶瓷 磨粒磨損磨粒磨損 摩擦化學(xué)（高溫氧化）磨損摩擦化學(xué)（高溫氧化）磨損 硬度：聚合物金屬陶瓷， 柔性柔性與彈性彈性大抗劃傷抗劃傷能力大。8.3 8.3 聚合物聚合物材料的耐磨性材料的耐磨性 聚合物/金屬 ：粘著傾向小。 f=0.050.2 塑料塑料/塑料的塑料的f 更低，更低，聚四氟乙烯聚四氟乙烯/聚四氟乙烯聚四氟乙烯 的的f最低。最低。抗磨粒磨損抗磨粒磨損能力好：能力好：對(duì)