第五章 材料在不同工程環(huán)境下力學(xué)性能-磨損性能

輪胎磨損手機(jī)屏幕磨損對(duì)于機(jī)械設(shè)備、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件磨損十分常見(jiàn)！5.4材料的磨損性能1、磨損概述2、磨損機(jī)理3、磨損試驗(yàn)方法4、提高耐磨性的方法掌握理解了解了解對(duì)德國(guó)20個(gè)企業(yè)所使用的鍛錘和壓力機(jī)鍛模共160種、2300個(gè)不同模具模膛的損壞情況的進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出如下規(guī)律：

失效形式所占比例磨損失效70%機(jī)械疲勞裂紋25%冷熱疲勞裂紋2.5%塑性變形2.5%1、磨損概述機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)件間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦而磨損，不僅降低機(jī)器工作效率和精確度，直接影響零件的使用壽命，還將增加能耗，產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，造成環(huán)境污染。研究材料磨損過(guò)程，提高材料的耐磨性對(duì)延長(zhǎng)機(jī)件使用壽命具有重要意義

（1）摩擦和磨損

摩擦是接觸物體間的一種阻礙運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這種阻力為摩擦力。它同接觸法向壓力(P)及摩擦系數(shù)μ成正比。F=μ·P

μ有動(dòng)靜區(qū)分,μ靜>μ動(dòng)用來(lái)克服摩擦力所作的功一般都是以熱的形式散發(fā)出去導(dǎo)致接觸表面瞬時(shí)溫度升高降低工件的機(jī)械效率摩擦?xí)斐蓹C(jī)械表面材料損失——磨損結(jié)果原因F=μ·P減小摩擦系數(shù)，降低摩擦力比如：使用潤(rùn)滑油，選用適當(dāng)材料摩擦磨損如何減小磨損？有沒(méi)有需要增大摩擦力的地方？☆事物都有兩面性?。?）磨損過(guò)程磨損是由于摩擦使表面材料逐漸損失并造成表面損傷的現(xiàn)象。一般分為三階段,曲線(xiàn)上的各點(diǎn)斜率即為磨損速率。Ⅰ跑合階段（磨合階段）

新的摩擦件表面總有粗糙度，真實(shí)接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨損速率快。一定載荷下，摩擦表面逐漸磨平，實(shí)際接觸面積逐漸增大，磨損速度逐漸減慢。Ⅱ穩(wěn)定磨損階段

出現(xiàn)在摩擦副的正常運(yùn)行階段。經(jīng)過(guò)跑合，磨損已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)。磨損量隨時(shí)間增大緩慢增大。Ⅲ劇烈磨損階段

隨著機(jī)件工作時(shí)間增加，摩擦件接觸表面之間間隙逐漸擴(kuò)大，機(jī)件表面質(zhì)量下降，潤(rùn)滑條件惡化，機(jī)件振動(dòng)加劇，磨損速度急劇增加，并導(dǎo)致機(jī)件很快失效。（3）磨損類(lèi)型按機(jī)理分一般主要為六類(lèi)粘著磨損磨料磨損磨蝕磨損氧化磨損微動(dòng)磨損沖蝕磨損磨損類(lèi)型在不同的條件下,可以發(fā)生轉(zhuǎn)化,由一種損傷機(jī)制變成另一種損傷機(jī)制。故解決實(shí)際磨損問(wèn)題時(shí),要分析參與磨損過(guò)程的條件特性,確定磨損類(lèi)型,才能采取有效的措施,減少磨損。磨損類(lèi)型百分比/%磨料磨損50粘著磨損15沖蝕磨損8微動(dòng)磨損8腐蝕磨損5其他141）磨粒磨損

磨粒磨損又稱(chēng)磨料磨損或研磨磨損。

是摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的細(xì)微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子(從外界進(jìn)入或從表面剝落)時(shí)產(chǎn)生的磨損。

磨粒磨損是工業(yè)領(lǐng)域最常見(jiàn)的一種磨損形式。

2、磨損機(jī)理磨粒磨損分類(lèi)

摩擦副一方硬度比另一方大得多：兩體磨粒磨損摩擦副接觸面之間存在硬質(zhì)粒子：三體磨粒磨損

依據(jù)磨粒受的應(yīng)力大小分類(lèi)鑿削式

粗糙磨料使磨損表面撕裂出很大的顆粒，形成很高應(yīng)力高應(yīng)力碾碎式

磨料在兩個(gè)工作表面間互相擠壓和摩擦。磨料被不斷破碎成小碎片。局部應(yīng)力很高低應(yīng)力擦傷式

松散磨料自由在表面上滑動(dòng)，磨料不產(chǎn)生破碎。磨粒磨損機(jī)理磨粒在材料表面的作用力可以分為法向力和切向力兩種。法向力形成壓痕,切向力推動(dòng)磨粒向前進(jìn)。磨粒似刀具切削表面,切痕長(zhǎng)而淺。微觀(guān)切削微觀(guān)犁溝當(dāng)磨粒較圓鈍或材料表面塑性較高時(shí),磨?；^(guò)后僅犁出溝槽,兩側(cè)材料沿溝槽兩側(cè)堆積,隨后的摩擦又會(huì)將堆積的部分壓平,如此反復(fù)地塑性變形,堆積,壓平,便導(dǎo)致裂紋形成并引起剝落微觀(guān)剝落磨粒與脆性材料相接觸時(shí)，材料表面因受到磨粒的壓入形成裂紋，裂紋擴(kuò)展到表面時(shí)就剝落出磨屑。實(shí)際磨粒磨損中，往往幾種機(jī)制并存，但以某一種為主。工作條件如果發(fā)生變化，磨損機(jī)制也會(huì)相應(yīng)變化。切削作用的磨粒磨損模型

壓力P將硬材料的凸起部分或磨粒壓入較軟材料中，滑動(dòng)L距離后，軟材料表面犁出一條溝槽。若θ為突出部分與軟材料之間的夾角。磨損量W為可見(jiàn)磨粒磨損量W與接觸壓力P、滑動(dòng)距離L成正比,與材料硬度H成反比,與硬材料凸出部份或磨粒形狀θ有關(guān)。

硬度越高的材料，磨損量越小，耐磨性越高。載荷越高，滑動(dòng)距離越長(zhǎng)，磨損越嚴(yán)重！2、磨損機(jī)理2）粘著磨損

粘著磨損又稱(chēng)咬合磨損。兩種材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)力超過(guò)該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合,在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中粘著點(diǎn)又分開(kāi)，導(dǎo)致接觸面上有小顆粒被拉拽出來(lái)，反復(fù)多次致使機(jī)件產(chǎn)生表面損傷而失效。

機(jī)件即使拋光加工，表面仍然凹凸不平，局部接觸。真實(shí)接觸面的局部應(yīng)力較大，產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生粘著（冷焊）。繼續(xù)相對(duì)滑動(dòng)，粘著點(diǎn)被剪斷、拉開(kāi)，轉(zhuǎn)移到一方材料表面，脫落形成磨屑。粘著點(diǎn)的形成和破壞就造就了粘著磨損！多發(fā)生在摩擦付相對(duì)滑動(dòng)速度小,接觸面氧化膜脆弱,潤(rùn)滑條件差，及接觸應(yīng)力大的滑動(dòng)摩擦條件下。

磨損特征是表面有大小不等的結(jié)疤根據(jù)磨損程度，可把粘著磨損分為4類(lèi)：粘著強(qiáng)度大于摩擦副中較軟金屬的強(qiáng)度，小于較硬金屬的強(qiáng)度。剪切發(fā)生在離粘著點(diǎn)不遠(yuǎn)的較軟金屬的淺表層內(nèi)。軟金屬涂抹（粘附）在硬金屬表面上。如鉛基合金與鋼對(duì)磨。粘著強(qiáng)度比兩方材料強(qiáng)度都低時(shí)會(huì)沿分界面斷開(kāi)，磨損量較小。如錫基合金與鋼的摩擦。粘著強(qiáng)度比摩擦副的兩基體金屬的強(qiáng)度都高剪切主要發(fā)生在軟金屬的亞表層內(nèi)，有時(shí)也發(fā)生在硬金屬的亞表層內(nèi)，轉(zhuǎn)移到硬金屬上的粘著物又刮削軟金屬表面，使金屬表面出現(xiàn)劃痕。所以擦傷主要發(fā)生在軟金屬表層，硬金屬表面也偶有劃傷。如鋁合金零件與鋼摩擦。外力不能克服界面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將被迫停止。粘著磨損機(jī)理——Archard模型假設(shè)單位面積上有n個(gè)凸起，在壓應(yīng)力P的作用下發(fā)生粘著，粘著處直徑為a，且假定粘著處材料處于屈服狀態(tài)，其壓縮屈服極限為σsb，則P粘著磨損機(jī)理——Archard模型由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粘著點(diǎn)分離，從較軟材料中拖拽處直徑為a的半球，設(shè)軟材料上被拉拽處半球的幾率為K，當(dāng)滑動(dòng)距離L后，接觸面積S的磨損量W為P粘著磨損量與接觸壓力、摩擦距離成正比，與軟材料硬度（或屈服極限）成反比。從此得出，增加硬度能減少磨損3）接觸疲勞現(xiàn)象與特征接觸疲勞是兩接觸材料作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r,交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用使材料表面疲勞損傷,局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀材料剝落,而使材料磨損的現(xiàn)象,故又稱(chēng)表面疲勞磨損或麻點(diǎn)磨損,是齒輪、滾動(dòng)軸承等工件常見(jiàn)的磨損失效形式。接觸疲勞的宏觀(guān)形態(tài)特征是:接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑),有的凹坑較深,底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線(xiàn)的痕跡。接觸疲勞表面形貌

接觸疲勞的基本類(lèi)型根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的差異，接觸疲勞破壞分為三類(lèi)。

接觸疲勞也經(jīng)歷了裂紋形成與擴(kuò)展兩階段。裂紋形成過(guò)程長(zhǎng),擴(kuò)展階段僅占總破壞時(shí)間的很小部分。

接觸疲勞的過(guò)程(1)麻點(diǎn)剝落

滾動(dòng)+滑動(dòng)，最大綜合切應(yīng)力位置在表層

麻點(diǎn)剝落(點(diǎn)蝕),剝落深度0.10.2mm，剝塊形狀為不對(duì)稱(chēng)V型針狀或痘狀凹坑。(2)淺層剝落

純滾動(dòng)，最大綜合切應(yīng)力位置在次表層（0.5-0.7b）淺層剝落:剝落深度一般為0.2mm0.4mm,剝塊底部大致與表面平行,裂紋沿與表面成銳角或直角擴(kuò)展。(3)深層剝落

裂紋沿非金屬夾雜物平行與表面擴(kuò)展，而后垂直擴(kuò)展至表面深層剝落(表面壓碎),

剝落深度與表面強(qiáng)化層深相當(dāng)(＞0.4mm),剝落時(shí)裂紋垂直于表面擴(kuò)展。4）磨蝕磨損外界環(huán)境引起金屬表層的腐蝕產(chǎn)物（主要是氧化物）剝落，與金屬磨面之間的機(jī)械磨損（磨粒磨損與粘著磨損）相結(jié)合而出現(xiàn)的磨損。故腐蝕性介質(zhì)會(huì)加速磨蝕磨損。在不活潑氣氛中則可以減少磨蝕磨損。5）氧化磨損摩擦副一方的突起部分與另一方作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，有氧氣擴(kuò)散到變形層內(nèi)形成氧化膜，這種氧化膜在遇到第二個(gè)突起時(shí)有可能剝落或者因應(yīng)力而自身破裂，使新露出的金屬又被氧化，這種氧化膜不斷生成又被破壞的過(guò)程就是氧化磨損。磨損速率較小，也是生產(chǎn)中允許的一種磨損形態(tài)。6）微動(dòng)磨損

指兩個(gè)相互接觸、名義上相對(duì)靜止而實(shí)際上處于周期性小幅相對(duì)滑動(dòng)(通常為振動(dòng))的固體表面產(chǎn)生的磨損

產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕的相對(duì)滑動(dòng)極小，振幅約2~20μm

必要條件：反復(fù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

例如：軸與軸套、鉚接接頭、螺栓聯(lián)接、鍵銷(xiāo)固定等固定部位；鋼絲繩股與股、絲與絲之間；軌道與道釘之間因?yàn)榧性诰植繀^(qū)域，磨損產(chǎn)物不易往外排出，故兼有氧化磨損、研磨磨損、粘著磨損的作用微動(dòng)磨損通常發(fā)生在一對(duì)緊配合的零件微動(dòng)磨損是幾種磨損型式的復(fù)合微動(dòng)磨損量與材料性質(zhì),滑動(dòng)振幅和施加載荷有關(guān)微動(dòng)磨損可引起微動(dòng)疲勞破壞滾壓,噴丸和表面熱處理都可因?yàn)楸韺赢a(chǎn)生壓應(yīng)力,能有效地提高微動(dòng)磨損與疲勞的抗力7）沖刷磨損簡(jiǎn)稱(chēng)沖蝕，又稱(chēng)磨耗腐蝕——金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的金屬損傷流體對(duì)電化學(xué)腐蝕行為的影響沖刷腐蝕＋流體產(chǎn)生的機(jī)械作用兩者交互作用加速傳質(zhì)過(guò)程，促進(jìn)去極化劑達(dá)到金屬表面和腐蝕產(chǎn)物從表面離開(kāi)高流速引起的切應(yīng)力和壓力變化，以及多相流固體顆?；驓馀莸臎_擊作用，腐蝕流體高速運(yùn)動(dòng)，破壞保護(hù)性表面膜，表面膜的減薄或去除加速金屬的腐蝕過(guò)程常發(fā)生在近海及海洋工程、油氣生產(chǎn)與集輸、石油化工、能源、造紙等工業(yè)領(lǐng)域沖蝕金屬表面一般呈現(xiàn)溝槽、凹谷、淚滴狀及馬蹄狀，表面光亮無(wú)腐蝕產(chǎn)物積存，與流向有明顯的依賴(lài)關(guān)系通常是沿著流體的局部流動(dòng)方向或表面不規(guī)則所形成的紊流1）耐磨性材料在一定摩擦條件下抵抗磨損的能力，常以磨損率的倒數(shù)來(lái)表示。磨損率：?jiǎn)挝粫r(shí)間或單位距離內(nèi)產(chǎn)生的磨損量。磨損率越小，則耐磨性越高。磨損量可以用試樣摩擦表面法線(xiàn)方向的尺寸減小來(lái)表示，稱(chēng)為線(xiàn)磨損量；也可以用試樣體積或質(zhì)量損失來(lái)表示，稱(chēng)為體積磨損或質(zhì)量磨損。3、磨損試驗(yàn)方法磨損率不是材料的固有特性，與工作條件、材料性能和相互作用有關(guān)，所以耐磨性是工作條件的函數(shù)。工程中找不到一個(gè)適用于所有工作條件的耐磨材料?？梢杂靡环N“標(biāo)準(zhǔn)”材料作為參考值，用待測(cè)材料與參考材料在相同磨損條件下進(jìn)行試驗(yàn)的相對(duì)耐磨性所為結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。

磨損試驗(yàn)方法分為實(shí)物試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)兩類(lèi)。實(shí)物實(shí)驗(yàn)的條件與實(shí)際情況一致或接近。因而結(jié)果可靠性高,但試驗(yàn)周期長(zhǎng),又因結(jié)果是摩擦副結(jié)構(gòu)材料及其工藝等諸多因素的綜合反映，單因素的影響難于掌握與分析。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)具有周期短,成本低、易于控制各種影響因素等優(yōu)點(diǎn),但結(jié)果常不能直接反映實(shí)際情況,多用于研究性試驗(yàn),研究單個(gè)因素的影響規(guī)律及探討磨損機(jī)制。因此,研究重要機(jī)件的耐磨性時(shí),往往要兼用這兩種方法。2）磨損試驗(yàn)?zāi)p試驗(yàn)機(jī)示意圖

(a)銷(xiāo)盤(pán)式(b)銷(xiāo)筒式(c)往復(fù)運(yùn)動(dòng)式(d)對(duì)滾型(e)砂紙磨損試驗(yàn)(f)快速度試驗(yàn)4、提高材料耐磨性的途徑

1）減輕粘著磨損量的主要措施(1)合理選擇摩擦付材料:盡量選擇互溶性少,粘著傾向小的材料配對(duì),如非同種或晶格類(lèi)型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)的多相或化合物材料;強(qiáng)度高不易塑變的材料。(2)避免或阻止兩摩擦付間直接接觸.增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性,提高氧化膜與基體的結(jié)合力;降低接觸表面粗糙度,改善表面潤(rùn)滑條件等。(3)采用表面處理,在材料表面形成一層化合物層或非金屬層,既降低接觸層原子間結(jié)合力,減少摩擦系數(shù);又能避免直接接觸。2）對(duì)磨粒磨損采用的措施

(1)對(duì)低應(yīng)力磨粒磨損,應(yīng)提高表面硬度。(2)對(duì)較重載荷,甚至較