磨損及磨損原理-第二講課件

1、磨損及磨損原理第二講五.其他形式的磨損（補(bǔ)充）七.磨損的控制與預(yù)防微動(dòng)磨損 題綱六 .磨損的轉(zhuǎn)化與復(fù)合一 .概 述二 .粘著磨損三 .磨粒磨損四 .疲勞磨損微動(dòng)磨損（Fretting Corrosion） 1.微動(dòng)磨損定義 在相互壓緊的金屬表面間由于小振幅振動(dòng)而產(chǎn)生的一種復(fù)合型式的磨損。在有振動(dòng)的機(jī)械中，螺紋聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和過盈配合聯(lián)接等都容易發(fā)生微動(dòng)磨損。 微動(dòng)磨損的機(jī)理：摩擦表面間的法向壓力使表面上的微凸體粘著。粘合點(diǎn)被小振幅振動(dòng)剪斷成為磨屑，磨屑接著被氧化。被氧化的磨屑在磨損過程中起著磨粒的作用，使摩擦表面形成麻點(diǎn)或蟲紋形傷疤。這些麻點(diǎn)或傷疤是應(yīng)力集中的根源。 根據(jù)被氧化磨屑的顏色，往往

2、可以斷定是否發(fā)生微動(dòng)磨損。如被氧化的鐵屑呈紅色，被氧化的鋁屑呈黑色，則振動(dòng)時(shí)就會(huì)引起磨損。五.磨損的主要類型（補(bǔ)充） 在外觀上，微動(dòng)磨損的表面特征是黑色金屬上有褐紅色斑點(diǎn)且臨近區(qū)域被拋光，因?yàn)橛操|(zhì)鐵氧化體磨屑具有研磨作用。左圖為303不銹鋼軸表面產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕后的照片。 微動(dòng)磨損基本上屬于粘著磨損和磨粒磨損的混合機(jī)理：載荷使微凸體產(chǎn)生粘著磨損，而往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起斷裂并產(chǎn)生磨屑。微動(dòng)與腐蝕通常是同時(shí)發(fā)生的，被稱作微動(dòng)腐蝕。例如，當(dāng)鋼磨粒產(chǎn)生后，出生的磨粒表面被氧化成Fe2O3，形成褐紅色粉末，這些氧化顆粒具有研磨性，由于表面之間的緊配合和小振幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)（約為幾十微米），界面接觸沒有暴露的機(jī)會(huì)，因而磨粒

3、很難逃逸出摩擦表面，后續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生磨粒磨損和氧化. 往復(fù)運(yùn)動(dòng)通常來自外部振動(dòng)，但多數(shù)情況是接觸界面的某個(gè)表面承受周期應(yīng)力（或疲勞）的結(jié)果，這將引發(fā)早起疲勞裂紋而產(chǎn)生更大的微動(dòng)磨損，稱為微動(dòng)疲勞。微動(dòng)磨損的發(fā)生過程：微動(dòng)磨損機(jī)理主要解釋下列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：真空或惰性氣氛中微動(dòng)損傷較小；微動(dòng)產(chǎn)生的磨屑主要由氧化物組成；循環(huán)數(shù)一定時(shí)，低頻微動(dòng)比高頻損傷大；材料流失量隨負(fù)荷和振幅而增加；低于室溫比高于室溫的磨損嚴(yán)重；空氣環(huán)境比濕空氣中損傷大。 微動(dòng)的三體理論 微動(dòng)的三體理論認(rèn)為磨屑的產(chǎn)生可看成是兩個(gè)連續(xù)和同時(shí)發(fā)生的過程： 磨屑的形成過程接觸表面粘著和塑性變形，并伴隨強(qiáng)烈的加工硬化；加工硬化使材料脆化

4、，白層同時(shí)形成，隨著白層的破碎，顆粒剝落；磨粒(三體磨粒)被碾碎，并發(fā)生遷移，遷移過程取決于顆粒的尺寸、形狀和機(jī)械參數(shù)（如振幅、頻率、載荷等）。 利用三體理論來解釋鋼鐵材料微動(dòng)摩擦系數(shù)隨循環(huán)周次的變化過程： 接觸表面膜去除，摩擦系數(shù)較低；二體接觸，發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)上升。并伴隨材料組織結(jié)構(gòu)變化；磨屑剝落，二體接觸逐漸變成三體接觸，因第三體的保護(hù)作用，粘著受抑制，摩擦系數(shù)降低；磨屑連續(xù)不斷地形成和排除，其成分和接觸表面隨時(shí)間改變，形成和排出的磨屑達(dá)到平衡，微動(dòng)磨損進(jìn)入穩(wěn)定階段。 1.在一定范圍內(nèi)磨損率隨載荷增加而增加，超過某極大值后又逐漸下降； 2.溫度升高則磨損加速； 3.抗粘著磨損好的材料抗

5、微動(dòng)磨損也好； 螺紋聯(lián)接加裝聚四氟乙烯墊圈也可減小微動(dòng)磨損。 若氧化物能牢固地粘附在金屬表面，則可減輕磨損 4.零件金屬氧化物的硬度與金屬的硬度之比較大時(shí)，容易剝落成為磨粒，增加磨損；影響微動(dòng)磨損的因素2. 微動(dòng)疲勞（1）微動(dòng)疲勞的特征與診斷 微動(dòng)疲勞是指因微動(dòng)而萌生裂紋源，并在交變應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致疲勞斷裂的破壞形式。 特征一：出現(xiàn)位置：微動(dòng)接觸區(qū)或其影響區(qū)內(nèi)。 診斷： 只要斷口具有疲勞破壞特征，裂紋源發(fā)生于微動(dòng)磨痕，裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)階段性即可確認(rèn)為微動(dòng)疲勞破壞。特征二：裂紋擴(kuò)展的階段性。碳鋼微動(dòng)疲勞時(shí)表面損傷疲勞裂紋擴(kuò)展 循環(huán)次數(shù) 104，400 將遭受微動(dòng)疲勞的部件在斷裂之前沿微動(dòng)方向剖開

6、，可看到受微動(dòng)影響的亞表層產(chǎn)生的疲勞裂紋。裂紋在近表面處擴(kuò)展受材料晶界或缺陷影響，較深處為穿晶裂紋。（3）微動(dòng)摩擦力和疲勞應(yīng)力的協(xié)同作用將導(dǎo)致裂紋的萌生和加速其擴(kuò)展。拐點(diǎn)是微動(dòng)作用的終止點(diǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展的起始點(diǎn)一般來說，當(dāng)微動(dòng)疲勞裂紋深入到表面1mm后，其擴(kuò)展和斷裂過程將完全按一般的疲勞規(guī)律進(jìn)行。（4）影響微動(dòng)疲勞的因素1. 法向壓力疲勞強(qiáng)度隨著微動(dòng)處承受的法向壓力的增加而下降。當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，疲勞強(qiáng)度基本不變。 微動(dòng)疲勞壽命隨振幅的增大而減小。當(dāng)達(dá)到一臨界值時(shí)，微動(dòng)疲勞壽命達(dá)到最低值，此后隨振幅繼續(xù)增大壽命反而延長(zhǎng)。 2. 微動(dòng)振幅 振幅的增加為表面創(chuàng)造更多的損傷和萌生裂紋的機(jī)會(huì)。當(dāng)振幅

7、較大時(shí)，受影響的面積增大，表面切應(yīng)力會(huì)下降，一些剛萌生的淺裂紋有可能被磨掉，故材料疲勞強(qiáng)度又提高了。環(huán)境氣氛主要包括濕度及氧化。3. 環(huán)境氣氛 氧化作用雖然可以減少微動(dòng)面上的初期粘著，但對(duì)裂紋卻有可能起加速擴(kuò)展的作用。 濕度因材料而異，濕度增大會(huì)加速裂紋的萌生與擴(kuò)展。耐蝕材料，微動(dòng)疲勞幾乎不受環(huán)境影響，而不耐蝕材料則主要決定于介質(zhì)的作用。微動(dòng)磨損的控制與預(yù)防綜上，引起微動(dòng)損傷的因素:一是接觸條件，如接觸壓力、循環(huán)次數(shù)、相對(duì)滑動(dòng)振幅、振動(dòng)頻率等;二是物理?xiàng)l件，如溫度、表面硬度;三是環(huán)境條件，即周圍空氣清潔程度、噪音以及潤(rùn)滑條件等。其中，最重要的因素是接觸表面的摩擦因數(shù)、滑移振幅和接觸壓力。盡管要

8、完全消除微動(dòng)操作是不現(xiàn)實(shí)的，但通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?，將其控制在一定程度是完全可能的?.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn) 盡量減少接觸面 如用焊接代替鉚接、螺栓聯(lián)結(jié)和螺釘聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，消除了微動(dòng)損傷。對(duì)于必須采取鉚接和螺栓聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，可采取增加部件剛度、加強(qiáng)放松措施。 對(duì)于軸承外瓦和軸承座接觸面相對(duì)靜止又不經(jīng)常拆卸的配合表面，在裝配時(shí)用厭氧膠或其他黏接劑將其粘結(jié)在一起，拆卸時(shí)可用加熱或溶解的方法將其拆開。 對(duì)于一些常見的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮減少微動(dòng)振幅或交變應(yīng)力值，可采用提高加工精度，減少配合件公差，保證同軸度等措施減輕微動(dòng)損傷。3.表面強(qiáng)化工藝措施(1)表面機(jī)械強(qiáng)化。包括噴丸、滾花、壓丸、碾壓等，目的是使表面產(chǎn)

9、生壓應(yīng)力，提高表面硬度增加表面粗糙度來提高抗微動(dòng)磨損性能;(2)表面化學(xué)強(qiáng)化。包括滲硫、滲氮、滲硼、滲鉻、滲釩等。通過化學(xué)強(qiáng)化工藝增加金屬表面間化合物濃度，提高表面硬度，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力和改變表面化學(xué)成分，從而提高抗粘著性能和表面疲勞強(qiáng)度;(3)電鍍和化學(xué)鍍表面強(qiáng)化。包括鍍銀、銅、鋁、錫、鋅和鎳等;(4)離子濺射、離子鍍、離子注入。離子濺射可獲得極薄而均勻的涂層，不僅獲得良好的抗微動(dòng)磨損性能，而且不影響原部件的配合公差;(5)熱噴涂表面強(qiáng)化。包括離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂。熱噴涂工藝雖然降低材料的普通疲勞強(qiáng)度，但能提高材料的微動(dòng)疲勞強(qiáng)度;(6)冷擠壓強(qiáng)化工藝。通過以位錯(cuò)和冷擠壓強(qiáng)化工藝來提高

10、微動(dòng)疲勞壽命，或利用激光淬火提高其抗微動(dòng)磨損能力。綜述： 完全消除微動(dòng)磨損是不可能的，因此在實(shí)際工作中，要加強(qiáng)對(duì)典型機(jī)械零件結(jié)構(gòu)中的微動(dòng)損傷的研究，把微動(dòng)損傷降低到最低程度。材料的選擇各種磨損類型對(duì)材料性能的要求磨損類型配對(duì)材料的性能要求粘著磨損不溶焊、不互溶、低表面能、低延展性、高硬度、六方結(jié)晶結(jié)構(gòu)等易形成防粘著表面層磨料磨損高硬度、高含碳量、晶粒尺寸小、彈性模量低的細(xì)晶組織、纖維狀（斷口）結(jié)構(gòu)、易于發(fā)生加工硬化疲勞磨損耐疲勞、耐腐蝕、表層含雜質(zhì)較少腐蝕磨損更高的耐腐蝕能力，不易與所用的潤(rùn)滑材料起腐蝕性反應(yīng)，表面進(jìn)行耐腐蝕處理潤(rùn)滑的主要作用之一是降低磨損，所以要針對(duì)可能存在的磨損狀況選擇合適

11、的潤(rùn)滑劑。應(yīng)當(dāng)提醒注意的是：有的潤(rùn)滑劑可能對(duì)抗粘著磨損有利，但卻會(huì)引起更嚴(yán)重的氧化磨損。如含極壓添加劑的潤(rùn)滑劑。因此選用時(shí)需權(quán)衡利弊。 潤(rùn)滑劑的選擇表面粗糙度根據(jù)潤(rùn)滑狀態(tài)（如流體潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑、固體潤(rùn)滑）的不同，選擇合適的粗糙度。表面紋理化 機(jī)械結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試等方面控制磨損如設(shè)計(jì)盡量用大面積接觸，減小接觸應(yīng)力、減少磨損。 例外：如材料為超高分子量聚乙烯，應(yīng)減小接觸面積 材料的溫升是導(dǎo)致摩擦副失效的重要原因，因此改善冷卻條件，盡快降低摩擦面的溫度是十分重要的。 如選用導(dǎo)熱性能良好的材料，有條件情況下加大潤(rùn)滑劑流量，增大強(qiáng)制散熱面積和增添散熱裝置等。表面溫升和冷卻2.防磨措施潤(rùn)滑選用耐磨

12、材料進(jìn)行表面改性主要是改善潤(rùn)滑技術(shù)，包括正確運(yùn)用潤(rùn)滑原理，合理設(shè)計(jì)潤(rùn)滑方式和潤(rùn)滑系統(tǒng)，研制開發(fā)新型有效的潤(rùn)滑材料等等。某種潤(rùn)滑手段只對(duì)某種工況起最大作用潤(rùn)滑選用耐磨材料根據(jù)不同的磨損類型來選擇耐磨材料和摩擦副配對(duì)。進(jìn)行表面改性使用整體耐磨材料通常比較昂貴，另外，有些性能能滿足耐磨，但不能滿足摩擦元件對(duì)強(qiáng)度、剛度、韌性等要求。采用表面改性的方法，可以充分發(fā)揮材料表面和芯部不同的作用。 改性后得到耐磨的硬表面。常用的有：機(jī)械強(qiáng)化處理，表面化學(xué)處理，常規(guī)的金屬熱處理，化學(xué)熱處理，熱噴涂和等離子噴涂膜等。（1）機(jī)械強(qiáng)化處理： 主要有噴砂、噴丸，起 冷作硬化作用。 目的與性能：達(dá)到一定的粗糙度，有利于機(jī)

13、械嚙合或儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑的作用；提高表面硬度，暴露新鮮表面，提高表面活性。 常見的表面改性技術(shù)（2）表面化學(xué)處理： 是通過在表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使金屬形成一個(gè)表面層。 如活性表面層FeS，易于潤(rùn)滑膜或邊界膜的形成。或改變惰性材料表面的鈍化性， 防腐蝕、耐磨等。 常用的表面化學(xué)處理方法有：鋼鐵：磷化、硫化、氧化等?？商岣咂浔砻嫔蠞?rùn)滑膜的防腐性及耐磨性。不銹鋼：氧化、草酸鹽化?？稍鰪?qiáng)不銹鋼表面的活性。鋁：陽極氧化、氯化?？商岣咪X的耐磨性。銅：氧化。（3）常規(guī)金屬熱處理 淬火、表面淬火：（4）化學(xué)熱處理 將一些元素及化合物,通過氣相、液相或固相將其擴(kuò)散到金屬表層內(nèi)的處理方法。 （5）物理強(qiáng)化表面改性 a、激光技術(shù)表面形成冶金性結(jié)合的合金層；粉末注入法；照射改性；相變硬化；沖擊硬化。 應(yīng) 用 實(shí) 例材 料效 果牙科用鉆頭WC燒結(jié)體壽命長(zhǎng)4倍整形外科內(nèi)植組織（如人工關(guān)節(jié)）Ti6Al4V壽命長(zhǎng)