第07章 金屬磨損和接觸疲勞

第七章金屬磨損和接觸疲勞2/2/20231安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院磨損是降低機(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(duì)節(jié)約能源、減少材料消耗、延長(zhǎng)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。2/2/20232安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一節(jié)磨損概念一、磨損定義：機(jī)件表面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨屑，使表面材料逐漸損失，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(rùn)滑條件、加載方式和大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)性（方式和速度）以及工作溫度。2/2/20233安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

機(jī)件的正常磨損通常分為三個(gè)階段：2/2/20234安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（1）跑合階段：摩擦表面逐漸被磨平，實(shí)際的接觸面積增大，磨損速率逐漸減小。（2）穩(wěn)定磨損階段：在跑合階段跑合的越好，穩(wěn)定磨損階段的磨損速率就越低。（3）劇烈磨損階段：空隙增大，機(jī)件失效。2/2/20235安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第二節(jié)磨損模型一、粘著磨損二、磨粒磨損三、腐蝕磨損2/2/20236安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院一、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(duì)滑動(dòng)速度較?。ㄤ撔∮?m/s）時(shí)發(fā)生的。這是由于缺乏潤(rùn)滑油，摩擦副表面無(wú)氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過(guò)實(shí)際接觸點(diǎn)處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。2/2/20237安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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)生粘著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過(guò)程。2/2/20238安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院右圖是粘著點(diǎn)強(qiáng)度比摩擦副一方金屬?gòu)?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。2/2/20239安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(1)摩擦副配對(duì)材料的選擇基本原則是配對(duì)材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對(duì)，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對(duì)。(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(rùn)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，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。改善粘著磨損耐磨性的措施2/2/202310安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二、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。2/2/202311安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院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(duì)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(duì)于脆性金屬材料，一個(gè)磨粒切下的是許多新屑。。2/2/202312安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院3.改善磨粒磨損耐磨性的措施(1)對(duì)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。2/2/202313安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在摩擦過(guò)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：2/2/202314安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（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(duì)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(guò)程：由于形成的氧化膜強(qiáng)度低、在摩擦副繼續(xù)作相對(duì)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。2/2/202315安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（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(duì)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(duì)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。2/2/202316安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第四節(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(zhǎng)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)象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。2/2/202317安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院根據(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）2/2/202318安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、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。2/2/202319安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（二）淺層剝落在接觸應(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。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，而后在滾動(dòng)及摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋。二次裂紋擴(kuò)展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。2/2/202320安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（三）深層剝落（壓碎性剝落）深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表面硬化機(jī)件的過(guò)渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，該處切應(yīng)力雖不是最大，但因過(guò)渡區(qū)是弱區(qū)，切應(yīng)力可能高于材料材料強(qiáng)度而在該處產(chǎn)生裂紋。裂紋形成后先平行于表面擴(kuò)展，即沿過(guò)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。2/2/202321安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三接觸疲勞試驗(yàn)方法不同材料或同一材料經(jīng)不同熱處理后，其接觸疲勞強(qiáng)度用接觸疲勞曲線（與高周疲勞的S-N曲線類似）來(lái)描述。是按赫茲公式計(jì)算出來(lái)的最大壓應(yīng)力，N為破壞循環(huán)周次。2/2/202322安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院測(cè)定接觸疲勞極限時(shí)，循環(huán)基數(shù)N0一般取107次，并規(guī)定：當(dāng)試樣上深層剝落面積大于或等于3mm2或當(dāng)試樣上麻點(diǎn)剝落（集中區(qū)）在10mm2面積內(nèi)出現(xiàn)麻點(diǎn)率達(dá)15%的損傷時(shí)，均判定為接觸疲勞破壞。2/2/202323安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、影響接觸疲勞壽命的因素（一）內(nèi)部因素1.非金屬夾雜物