材料力學(xué)性能第七章

1、材料力學(xué)性能 裴立宅材料科學(xué)與工程學(xué)院Email: , 9/23/20221第七章 金屬磨損和接觸疲勞9/23/20222磨損是降低機(jī)器和工具效率、精確度甚至報(bào)廢的原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約80%的機(jī)件失效是磨損引起的。因此，研究磨損規(guī)律，提高機(jī)件的耐磨性，對節(jié)約能源、減少材料消耗、延長機(jī)件壽命具有重要意義。本章重點(diǎn)討論機(jī)件中常見的磨損形式，介紹其機(jī)理和影響磨損速率的因素，并從材料學(xué)角度研究控制磨損的途徑。9/23/20223第一節(jié) 磨損概念一、磨損定義：機(jī)件表面相接觸并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料

2、逐漸損失，導(dǎo)致機(jī)件尺寸變化和質(zhì)量損失，造成表面損傷的現(xiàn)象。磨損的影響因素：摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運(yùn)動(dòng)性（方式和速度）以及工作溫度。9/23/20224 機(jī)件的正常磨損通常分為三個(gè)階段：9/23/20225二、耐磨性通常用磨損量表示材料的耐磨性磨損量可用試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小來表示，稱為線磨損也可用試樣體積或質(zhì)量損失率來表示，稱為體積磨損或質(zhì)量磨損如果測量單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量等，稱為比磨損量有時(shí)還可用磨損量的倒數(shù)來表征材料的耐磨性相對磨損性：（標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量）/（被測試樣的磨損量，其倒數(shù)也稱為磨損系數(shù)9/23/20226第二節(jié) 磨損模型一、粘著磨損 二、

3、磨粒磨損 三、腐蝕磨損9/23/20227一、粘著磨損磨損機(jī)理粘著磨損定義：又稱咬合磨損，是在滑動(dòng)摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對滑動(dòng)速度較小（鋼小于1m/s）時(shí)發(fā)生的。這是由于缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。9/23/20228摩擦副表面上總存在局部凸起，當(dāng)摩擦副表面雙方相互接觸時(shí)，即使施加較小載荷，在真實(shí)接觸面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。如果接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則接觸面的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強(qiáng)烈粘著（冷焊）。隨后在繼續(xù)滑動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)被剪切斷并轉(zhuǎn)移至一方金屬表面，然后脫落形成磨屑。一個(gè)粘著點(diǎn)斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘

4、著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過程。9/23/20229右圖是粘著點(diǎn)強(qiáng)度比摩擦副一方金屬強(qiáng)度高的情況，此時(shí)常在較軟一方體內(nèi)產(chǎn)生剪斷，其碎片轉(zhuǎn)移至較硬一方的表面上，軟方金屬在硬方表面逐步累積最終不同金屬的摩擦副滑動(dòng)成為金屬間的滑動(dòng)，所以磨損量較大，表面較粗糙，可能產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。9/23/2022102. 磨損量的計(jì)算在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，所以接觸壓縮強(qiáng)度近似為單向壓縮屈服強(qiáng)度sc的三倍。如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過3sc產(chǎn)生塑性變形，隨后因加工硬化而使變形終止。設(shè)接觸點(diǎn)真實(shí)面積為A，接觸壓縮屈服強(qiáng)度為3sc，作用于表面上的法向力為F，則有：假定磨屑為半球形，直徑為d，任一瞬

5、時(shí)有n個(gè)粘著點(diǎn)，所有粘著點(diǎn)尺寸相同，直徑也是d，則所以9/23/202211假設(shè)磨屑的形成機(jī)率為K，則單位滑動(dòng)距離內(nèi)的磨損體積為：所以：積分上式，且強(qiáng)度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動(dòng)距離內(nèi)的粘著磨損體積為：9/23/2022123 影響因素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)、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）組成的摩擦副粘著傾向大；單相金屬比多相金屬粘著傾向大；化合物比固溶體粘著傾向??；金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬組成的摩擦副不易粘著。在摩擦速度一定時(shí)，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H的三分之一，粘著磨損量急劇增加。在法

6、向應(yīng)力一定時(shí)，粘著磨損量隨滑動(dòng)速度的增加而增加，但達(dá)到某一極大值后又隨滑動(dòng)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)對粘著磨損有較大影響。9/23/202213(1) 摩擦副配對材料的選擇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配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。(2) 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。如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進(jìn)行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。(3) 控制摩擦滑動(dòng)速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨損大為減輕。改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，以增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表

7、面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。4 改善粘著磨損耐磨性的措施9/23/202214二、磨粒磨損1. 磨粒磨損機(jī)理磨粒磨損是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)所產(chǎn)生的一種磨損。9/23/202215根據(jù)磨粒所受應(yīng)力大小不同，磨粒磨損分為：鑿削式磨粒磨損高應(yīng)力碾碎磨粒磨損低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損從磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系看，若磨粒硬度高于被磨材料的硬度，則屬于硬磨粒磨損，反之，則為軟磨粒磨損。9/23/202216主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽，見右圖。在磨粒磨損時(shí)，對于韌性金屬材料，每一磨粒從表面上切下的是一個(gè)連續(xù)屑；對于脆性金屬材料，一個(gè)磨粒切下的是

8、許多新屑。在碾碎性磨粒磨損時(shí)，磨粒被壓碎前幾乎沒有滾動(dòng)和切削的機(jī)會(huì)，所以磨粒對摩擦表面的作用是由于磨粒接觸點(diǎn)處的集中壓應(yīng)力造成的，這種集中壓應(yīng)力可使韌性材料表面產(chǎn)生塑性變形。磨粒磨損過程可能是磨粒對摩擦表面的切削作用，塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果，還可能是它們綜合作用的反映，而以某一種損害為主。9/23/2022172. 磨損量的計(jì)算現(xiàn)以兩體磨粒磨損為例推導(dǎo)以切削作用為主要磨粒磨損量計(jì)算式：根據(jù)此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓入軟材料中。當(dāng)作用在一個(gè)凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強(qiáng)度時(shí)，則凸出部分或磨粒的壓入

9、就會(huì)停止下來：9/23/202218凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖中陰影部分），也就是磨損量V：所以金屬材料的屈服強(qiáng)度與硬度成正比，所以上式又可寫成：9/23/202219(1) 據(jù)實(shí)驗(yàn)，金屬材料對磨粒磨損的抗力與H/E成比例，H為材料硬度。彈性模量對組織不敏感，所以機(jī)件抵抗磨粒磨損的能力主要與材料硬度成正比。所以材料硬度越高，其抗磨粒磨損的能力也越好。3. 影響因素9/23/202220(2) 斷裂韌度也影響金屬磨粒磨損的耐磨性9/23/202221(4) 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在低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損時(shí)，加工硬化對材料的耐磨性沒有影響；在高應(yīng)力碾碎

10、性磨粒磨損時(shí)，加工硬化能顯著提高耐磨性。(3) 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9/23/202222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(huì)變化，所以耐磨性的影響因素也會(huì)發(fā)生變化。9/23/2022234. 改善磨粒磨損耐磨性的措施(1) 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。(2) 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Mn13，利用其高韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。(3) 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損耐磨性。(4) 經(jīng)常注意機(jī)件

11、防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進(jìn)入接觸面，也是有效措施。9/23/202224在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成與脫落引起腐蝕磨損。腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機(jī)械磨損（粘著磨損或磨粒磨損）共存，故又稱腐蝕機(jī)械磨損。三、腐蝕磨損1. 氧化磨損2. 微動(dòng)磨損3. 沖蝕磨損（又稱氣蝕）4. 特殊介質(zhì)腐蝕磨損分類：9/23/202225（一）氧化腐蝕機(jī)理大氣中的機(jī)件表面總有一層氧的吸附層，當(dāng)摩擦副作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成了氧化膜。氧化腐蝕過程：由于形成的

12、氧化膜強(qiáng)度低、在摩擦副繼續(xù)作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨去。如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面逐漸被磨損。宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動(dòng)方向呈勻細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。9/23/202226氧化磨損的速率或磨損量的影響因素：(1) 摩擦副表面層對塑性變形的抗力；(2) 氧在金屬中的擴(kuò)散速率；(3) 氧化膜的性質(zhì)和厚度以及氧化膜與基體結(jié)合的牢固程度；(4) 摩擦學(xué)參數(shù)，如接觸壓力、滑動(dòng)速度、滑動(dòng)距離、溫度等。氧化磨損不一定是有害的，如果氧化磨損先于其它類型磨損（如粘著磨損）發(fā)生和發(fā)展，則氧化磨損是有利的。9/23

13、/202227（二）微動(dòng)磨損機(jī)理在機(jī)器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動(dòng)載荷和振動(dòng)的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動(dòng)。這種微小滑動(dòng)是小振幅的切向振動(dòng)，稱為微動(dòng)。接觸表面之間因存在小振幅相對振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損稱為微動(dòng)磨損或微動(dòng)腐蝕。特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的磨損產(chǎn)物為黑色。9/23/202228第一階段：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂紋和擴(kuò)展，或去除表面污物形成粘著和粘著點(diǎn)斷裂；第二階段：通過疲勞破壞或粘著點(diǎn)斷裂形成磨屑，磨屑形成后隨即氧化；第三階段：磨粒磨損階段，磨粒磨損又反過來加速第一階段，如此循環(huán)不已則構(gòu)成了微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損過程有三個(gè)階段

14、：9/23/202229第三節(jié) 磨損試驗(yàn)方法（1）實(shí)物試驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)右圖是銷盤型試驗(yàn)機(jī)：將試樣加上試驗(yàn)力緊壓在旋轉(zhuǎn)圓盤上，試樣可在半徑方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這類試驗(yàn)機(jī)可用來評定各種摩擦副及潤滑材料的低溫與高溫摩擦和磨損性能，可做磨粒磨損和粘著磨損試驗(yàn)。9/23/202230高溫高速銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)主要用于評定金屬、非金屬及復(fù)合材料等材料在各種條件下的摩擦磨損性能，可在改變溫度、速度、負(fù)荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等參數(shù)的各種情況下進(jìn)行試驗(yàn)，可測量材料摩擦溫升、摩擦系數(shù)等值。該機(jī)適用于科學(xué)研究、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、質(zhì)量監(jiān)督、航空航天、鋼鐵冶金、塑料、陶瓷、建 工建材、軍工等領(lǐng)域。該機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)為Q/0

15、1J042-2003MMS-1G高溫高速銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MPX-2000型)主軸轉(zhuǎn)速范圍 60r/min 12000r/min主軸轉(zhuǎn)速示值準(zhǔn)確度 在 1000r/min 以下，示值誤差不超過 2r/min ，示值重復(fù)性誤差不大于 2r/min 。在 1000r/min 以上，示值相對誤差不超過 0.2% ，示值重復(fù)性相對誤差不大于 0.2% 。 高溫爐溫度范圍 室溫 800； 高溫爐密封性能 在連續(xù)充入氮?dú)猓兌?99.9%以上）的條件下，爐內(nèi)氧氣含量應(yīng)能達(dá)到1%以下。 試驗(yàn)力范圍 75N450N9/23/202231右圖是環(huán)塊型磨損試驗(yàn)機(jī)這種試驗(yàn)機(jī)可測定金屬及非金屬

16、材料（如尼龍、塑料）在滑動(dòng)狀態(tài)下的耐磨性能：環(huán)形試樣安裝在主軸上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，塊形試樣安裝在夾具上。通常試驗(yàn)后測量環(huán)形試樣的失重和塊狀試樣的磨痕寬度，分別計(jì)算體積磨損以評定試驗(yàn)材料的耐磨性。9/23/202232MHK-500型環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī) 應(yīng)用領(lǐng)域：材料摩擦磨損性能測試、對比、評定，測試結(jié)果為摩擦系數(shù)及磨損量數(shù)值。技術(shù)指標(biāo)：1.接觸形式：線接觸2.磨損方式：純滑動(dòng)磨損3.加載方式：砝碼、杠桿加載（杠桿比1:10）4.載荷范圍：10Kg-500Kg5.主軸轉(zhuǎn)速：100-1440轉(zhuǎn)/分，無級調(diào)速9/23/202233右圖為往復(fù)運(yùn)動(dòng)型試驗(yàn)機(jī)，試樣在靜止平面上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可評定往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)件，如導(dǎo)

17、軌、缸套與活塞環(huán)等摩擦副的耐磨性。9/23/202234本機(jī)試驗(yàn)拉鏈橫向及縱向張力作用下，能否承受規(guī)定次數(shù)之往 復(fù)拉動(dòng)操作。試驗(yàn)時(shí)本機(jī)以等速帶動(dòng)拉鏈之拉頭，作每分鐘30 次之往復(fù)運(yùn)動(dòng)，至規(guī)定之次數(shù)為止。 往復(fù)行程：75mm 橫向夾緊裝置寬度：25mm 縱向夾緊裝置總重：0.280.34kg HK-5022拉鏈往復(fù)試驗(yàn)機(jī) 9/23/202235右圖是滾子型磨損試驗(yàn)機(jī)：主要用來測定金屬材料在滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合摩擦及間隙摩擦情況下的磨損量，用來比較各種材料的耐磨性能。9/23/2022361、最大負(fù)荷：2000N2、負(fù)荷測量范圍：0300N，3002000N3、下試樣軸轉(zhuǎn)速：400，2

18、00 轉(zhuǎn)分4、上試樣軸轉(zhuǎn)速：360，180 轉(zhuǎn)分5、負(fù)荷刻度尺之分度值； 0300N，10N格，3002000N，50 N格6、摩擦力矩測量范圍 015牛頓.米7、上試樣的軸向最大移動(dòng)距離土4毫米8、雙速電動(dòng)機(jī)：YD90S-4/2 （1）三相， 380V， 50周秒（2）轉(zhuǎn)速2880、1440 轉(zhuǎn)分（3）功率0.85、1.1 千瓦9、試驗(yàn)機(jī)外形尺寸：約長970寬660高ll00 毫米M-2000型 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 9/23/202237第四節(jié) 金屬接觸疲勞（一）接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力接觸疲勞定義：是機(jī)件兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)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，導(dǎo)致局部區(qū)

19、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。9/23/202238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） (2) 淺層剝落 (3) 深層剝落（表面壓碎）9/23/202239二、接觸應(yīng)力兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也稱為赫茲應(yīng)力。按接觸面初始幾何條件不同，可分為線接觸與點(diǎn)接觸。9/23/202240線接觸：假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為R1、R2，長l，未變形前兩者為線接觸，施加法向力后，因彈性變形變?yōu)槊娼佑|，接觸面積2bl。據(jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)力沿y軸按半橢圓柱規(guī)律分布，見右圖，在接觸中間（y=0）

20、處，接觸壓應(yīng)力達(dá)到最大值，所以：9/23/202241由上圖可知，接觸面有三向主應(yīng)力，沿接觸深度方向的分布如右圖。9/23/202242點(diǎn)接觸：施加法向應(yīng)力后，視兩接觸物體形狀不同，接觸面可能是橢圓或圓，滾珠與軸承套圈接觸，接觸面為橢圓，球與球或球與平面接觸，接觸面為圓。接觸面為橢圓時(shí)，見右圖，接觸應(yīng)力按半橢圓球規(guī)律分布，且對于半徑為R的圓球和平面的點(diǎn)接觸，按彈性力學(xué)計(jì)算，接觸圓半徑：9/23/202243三、接觸疲勞破壞機(jī)理（一）麻點(diǎn)剝落表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）地，易產(chǎn)生麻點(diǎn)剝落。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)度較低引起的。9/23/202244（二）淺層剝落在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性