材料力學(xué)性能第6章-材料的磨損性能

第六章材料的磨損性能了解磨損方式和材料磨損的本質(zhì)及其影響因素，熟習(xí)磨損機(jī)理，掌握控制磨損的方法和提高材料耐磨性的途徑。主要內(nèi)容:磨損的基本概念及類型；磨損過程；耐磨性及其測量方法；提高材料耐磨性的途徑。重點(diǎn)：概念（摩擦、磨損、粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞、耐磨性)；提高材料耐磨損性的途徑難點(diǎn)：三種磨損產(chǎn)生的條件、磨損過程和表面損傷形貌；金屬接觸疲勞的三種機(jī)理十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)前言任何機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相互接觸的零件之間都將因相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，而磨損正是由于摩擦產(chǎn)生的結(jié)果。由于磨損，將造成表層材料的損耗，零件尺寸發(fā)生變化，直接影響了零件的使用壽命。還增加能耗，產(chǎn)生噪音、振動(dòng)，造成環(huán)境污染。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)第一節(jié)磨損的基本概念及類型兩個(gè)相互接觸的物體或物體與介質(zhì)之間在外力作用下，發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，或者具有相對運(yùn)動(dòng)的趨勢時(shí)，在接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦。這種阻礙相對運(yùn)動(dòng)的阻力稱為摩擦力。一、摩擦與磨損的概念

1．摩擦

2．磨損磨損概念:是在摩擦作用下物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。靜強(qiáng)度理論基本適合于磨損過程分析。磨損的動(dòng)態(tài)特征有二：①反復(fù)進(jìn)行局部變形和斷裂；②材料表層經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)。因而，常規(guī)力學(xué)性能研究方法不一定實(shí)用于材料耐磨損性。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程如圖6-1所示，一般分3個(gè)階段，曲線上的各點(diǎn)斜率即為磨損速率。6.1磨損量與時(shí)間的關(guān)系示意圖(磨損曲線）跑合(磨合)階段（OA段）隨著表面被磨平，實(shí)際接觸面積不斷增大，表面應(yīng)變硬化，磨損速度不斷減少。（汽車磨合期）表層形成牢固的氧化膜，磨損速率降低。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)(2)穩(wěn)定磨損階段（AB段）斜率為磨損速率，為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)室的磨損實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時(shí)間t的磨損速率或磨損量來評價(jià)材料的耐磨性能。大多數(shù)工件在此階段運(yùn)轉(zhuǎn)，如磨合得好，該段磨損速度就越低。(3)劇烈磨損階段（BC段）磨損↗，磨耗↗，摩擦副接觸表面間隙↗，機(jī)械表面質(zhì)量惡化，潤滑膜破壞，磨損更新加劇，機(jī)件快速失效。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)二、磨損的基本類型根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式，可分4類：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損及麻點(diǎn)疲勞磨損(接觸疲勞)等。磨損類型并非固定不變，在不同的外部條件和材料具有不同特性情況下，損傷機(jī)制會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，由一種損傷機(jī)制變成另一種損傷機(jī)制。如圖6-2。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)（1）概念：粘著磨損又稱咬合磨損，是因兩種材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。（2）發(fā)生的條件：①摩擦副相對滑動(dòng)速度??；②接觸面氧化膜脆弱；③潤滑條件差；④接觸應(yīng)力大的滑動(dòng)摩擦。

第二節(jié)磨損過程粘著磨損（3）磨損表面特征：機(jī)件表面有大小不等的結(jié)疤，如圖6-3所示。（4）粘著磨損過程：是粘著點(diǎn)不斷形成又不斷被破壞并脫落的過程。粘著（低溫冷焊，而高溫直接焊接）→剪切→脫落→再粘著不斷破壞并脫落的過程。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)①粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度低于兩側(cè)材料沿接觸面剪斷，磨損量較小，摩擦面顯得較平滑，只有輕微擦傷。錫基合金與鋼的滑動(dòng)屬此類型。②粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度高于兩側(cè)材料分離面便發(fā)生在強(qiáng)度較弱的材料上，被剪斷的材料將轉(zhuǎn)移到強(qiáng)度較高的材料上。軟材料表面根據(jù)粘著點(diǎn)與兩側(cè)材料強(qiáng)度的差異，粘著剪斷可出現(xiàn)以下兩種形式：微小凹坑硬材料表面微小凸起軟材料→硬材料表面and積累變成同種材料如鉛基合金軸瓦與鋼軸之間的滑動(dòng)粘結(jié)磨損就屬這種情況。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)式中：Hv為軟材料硬度，HV≈3σsc；V’為接觸點(diǎn)半球體積；N為接觸點(diǎn)數(shù)

。阿查得(J．F．Archard)提出了估算粘著磨損量的方法，其粘著磨損模型如圖6-4所示:

實(shí)際相對滑動(dòng)中，軟材料上被拉拽出半球的幾率為K，則滑動(dòng)一段距離L后，總拉拽出磨損量W可表示為：設(shè)在法向力P作用下，摩擦面上有n個(gè)微凸體接觸粘著，每個(gè)粘著點(diǎn)均為直徑d的球體，磨損只發(fā)生在下半球的軟材料上。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)上式表明，粘著磨損量與接觸壓力p、滑動(dòng)距離L成正比，與材料硬度值成反比。式中K值稱為粘著磨損系數(shù)，反映配對材料粘著力大小，決定于摩擦條件和摩擦副材料。當(dāng)壓力p不超過摩擦副材料硬度值的1/3時(shí)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該式反映的規(guī)律是正確的。但壓力超過鋼的屈服強(qiáng)度后，K值↑↑，磨損量也↑↑，造成大面積的焊合和咬死，整個(gè)接觸表面發(fā)生塑性變形，接觸面積不再與載荷成正比。鋼的K-p曲線見圖6-5。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)磨粒磨損又稱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。前者稱兩體磨粒磨損，如銼削過程；后者稱三體磨粒磨損，如拋光過程。二、磨粒磨損依據(jù)磨粒受的應(yīng)力大小分類:磨粒磨損鑿削式高應(yīng)力碾碎式低應(yīng)力擦傷式十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)溝槽可能是因磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。法向力摩擦副表面作用力切向力壓痕推動(dòng)磨粒前進(jìn)只有磨粒形狀與位向適當(dāng)時(shí)，被推進(jìn)的磨粒才似刀具切削表面，切痕長而淺。多數(shù)情況摩擦表面受剪切、犁皺或切削綜合作用。磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽.如圖6-6示。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)切削作用的磨粒磨損模型如圖6-7示:

被切削下來的軟材料體積(圖6-7中陰影線部分)，即為磨損量W，可表示為W＝r2Ltanθ(6-5)。將式(6-4)代人式(6-5)得：(6-6)十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)三、接觸疲勞接觸疲勞概念: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)軸承等工件常見的磨損失效形式。接觸疲勞的宏觀形態(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)展線的痕跡，如圖6-11所示。1．現(xiàn)象與特征十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)的差異將接觸疲勞分為：

接觸疲勞破壞麻點(diǎn)剝落(點(diǎn)蝕)淺層剝落深層剝落(表面壓碎)深度在0.1～0.2mm的小塊剝落稱點(diǎn)蝕，剝塊形狀為不對稱V型針狀或痘狀凹坑。淺層剝落深度一般為0.2～0.4mm，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。深層剝落深度與表面強(qiáng)化層深相當(dāng)(>0.4mm)，剝落時(shí)裂紋垂直于表面擴(kuò)展。發(fā)生在兼有滾動(dòng)和滑動(dòng)純滾動(dòng)或摩擦很小表面強(qiáng)化層深度不夠十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)第三節(jié)耐磨性及其測量方法耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一個(gè)明確的統(tǒng)一指標(biāo)，通常用磨損量表示。磨損量愈小，耐磨性愈高。磨損量的測量有稱重法和尺寸法兩種：稱重法是用精密分析天平稱量試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化確定磨損量。尺寸法是根據(jù)表面法向尺寸在試驗(yàn)前后的變化確定磨損量。有時(shí)還測量比磨損量：單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量一、材料的耐磨性十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)常用磨損量的倒數(shù)或用相對耐磨性(ε)表征材料的耐磨性亦稱磨損系數(shù)。二、磨損試驗(yàn)方法磨損試驗(yàn)方法實(shí)物試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件與實(shí)際情況一致或接近。結(jié)果可靠性高，但實(shí)驗(yàn)周期長，單因素的影響難以掌握。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。研究重要機(jī)件的耐磨性時(shí)，往往要兼用這兩種方法。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)第四節(jié)提高材料耐磨性的途徑磨損是造成材料損耗的主要原因，也是機(jī)件3種主要失效形式(磨損、腐蝕、斷裂)之一。提高摩擦副表面的強(qiáng)度(或硬度)及韌性，可望提高耐磨性。

一、減輕粘著磨損的主要措施1）合理選擇摩擦副材料粘著互溶性小的材料配對，如非同種或晶格類型、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相差較遠(yuǎn)的多相或化合物材料；強(qiáng)度不易塑變的材料。2）避免或阻止兩摩擦副間直接接觸3）表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)二、減輕磨粒磨損的主要措施1）若是低應(yīng)力磨粒磨損，則應(yīng)設(shè)法提高表面硬度。2）若遇重載荷，甚至大沖擊載荷下磨損，則基體材料組織最好是高硬度、良好韌性的貝氏體。3）控制和改變碳化物數(shù)量、分布、形態(tài)對提高抗磨粒磨損能力起著決定性影響。4）對于經(jīng)滲碳、碳氮共滲等提高表面硬度的機(jī)件，應(yīng)經(jīng)常對機(jī)件、潤滑油進(jìn)行防塵、過濾，以減輕磨粒磨損量。5）確定材料硬度時(shí)，應(yīng)以Hm＝1.3Ha(Hm為摩擦副材料硬度，Ha為磨粒硬度)為依據(jù)。6）單相組織的高錳鋼[w(C)＝1.0％～1.3％，w(Mn)＝11％-14％]因其有很高的加工硬化能力，是公認(rèn)的理想抗鑿削磨損材料。

十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)三、提高接觸疲勞抗力的措施1）工藝:采用真空電弧冶煉和電渣重熔等工藝提供優(yōu)質(zhì)純凈的材料；或鋼中含有適量塑性硫化物夾雜，能將脆性氧化物夾雜包住形成共生夾雜物，降低氧化物的破壞作用，于提高材料接觸疲勞抗力有益。2）組織1:對軸承鋼接觸疲勞性能的研究表明，未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，馬氏體含碳量在0.4％～0.5％左右時(shí)，接觸疲勞抗力、壽命最高。3）組織2:在基體為馬氏體的組織中，減小碳化物粒度并使之呈球狀均勻分布，使基體中馬氏體、殘余奧氏體和未溶碳化物量之間有最佳匹配，可最大限度地提高接觸疲勞抗力。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)4）材料表面硬度可部分地反映材料抗塑變能力及剪切強(qiáng)度的高低，因此對材料表面硬度應(yīng)有最佳要求，同時(shí)還要考慮心部硬度和足夠的硬化層深度，使表層材料硬度變化不要太陡。5）合理選擇表面硬化工藝，在一定深度范圍內(nèi)保存殘余壓應(yīng)力，于提高接觸疲勞抗力極有利。6）改善接觸配對副的表面狀態(tài)，減少冷熱加工缺陷，降低表面粗糙度，降低摩擦系數(shù)，也是有效的措施。十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)四、非金屬材料的磨損特性

1)陶瓷的摩擦磨損行為對表面狀態(tài)極為敏感。2)陶瓷材料抗沖蝕性能不僅與組分純度有關(guān)，還與其制備工藝密切相關(guān)。優(yōu)點(diǎn):1)抗劃傷能力(柔性大,硬度小)2)聚合物對磨粒具有良好的適應(yīng)性、就范性和埋嵌性。3)高彈性又可在接觸表面產(chǎn)生變形而不發(fā)生切削犁溝式損傷4)就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優(yōu)于金屬與金屬配對的摩擦副。陶瓷聚合物十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)缺點(diǎn):摩擦熱使聚合物有顯著的蠕變現(xiàn)象影響因素:載荷、速度、環(huán)境、接觸精度等減小摩擦的措施:液體潤滑劑;聚合物中加入二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等作潤滑填料;某些情況，塑料對塑料的摩擦系數(shù)比金屬對塑料低.如聚四氟乙烯對聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)幾乎是所有固體摩擦副中最低的。

十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)塑料的熱膨脹系數(shù)約比金屬的大10倍，因此塑料軸承與鋼座配合時(shí)，應(yīng)視具體服役條件，仔細(xì)考慮合適的轉(zhuǎn)動(dòng)間隙，以避免非正常失效。以聚合物(多用聚乙烯——PTFE)為基體纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，比任何半晶化聚合物的抗磨損性能都好得多。作業(yè)P122:1、2、3十五863子課題驗(yàn)收匯報(bào)隨堂練習(xí)題一真空題1機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程一般分

、

和

3個(gè)階段。2根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式可分

、

、

及

4類。3磨粒磨損是摩擦副的一方表面存在堅(jiān)硬的

或在接觸面間存在

時(shí)產(chǎn)生的磨損。4磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有

或因明顯犁皺形成的

。二判斷題1磨損類型隨著滑動(dòng)速度的加快而變化：粘著磨損→氧化磨損→粘著磨損。2就耐磨性而言，聚合物與金屬配對的摩擦副優(yōu)于金屬與金屬配對的摩擦副。3鉛基合金軸瓦與鋼軸之間滑動(dòng)粘結(jié)磨損的分離面便發(fā)生在強(qiáng)度較弱的材料上，被剪斷的材料