金屬的磨損與接觸疲勞課件

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摩擦：是接觸物體間的一種阻礙物體運動的現(xiàn)象，這種阻力為摩擦力。

磨損：是在摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。磨屑的形成是一個變形和斷裂的過程。普通力學(xué)性能數(shù)據(jù)不一定能夠反應(yīng)材料耐磨性能的優(yōu)劣。Why？第七章金屬磨損和接觸疲勞§7.1磨損的概念2/34一、磨損的過程

跑合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。圖7-1磨損量與時間的關(guān)系示意圖(磨損曲線)3/34二、耐磨性

耐磨性是材料抵抗磨損的性能。通常用磨損量來表示材料的耐磨性，磨損量越小，耐磨性越高。

1、磨損量

(1)線磨損：試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小。

(2)體積磨損：試樣體積減小。

(3)質(zhì)量磨損：試樣的質(zhì)量損失。

(4)比磨損量：磨損量／(摩擦距離·壓力)。

2、耐磨性：1／磨損量。5/34

按磨損機理分為：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損(接觸疲勞)、腐蝕磨損和微動磨損。一、粘著磨損(咬合磨損)1、定義：相接觸的兩種材料由于表面某些接觸點局部正壓力超過該處的屈服強度以致發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。§7.2磨損的類型6/342、產(chǎn)生機理滑動摩擦條件下，摩擦副雙方接觸時，局部突起的表面在壓載荷下因應(yīng)力較高引起塑性變形，使表面氧化膜、潤滑膜破裂暴露出新鮮、潔凈表面，接觸面間原子間距極小，產(chǎn)生原子間的鍵合作用，即冷焊(粘著)。繼續(xù)滑動中，粘著點受剪切應(yīng)力被剪斷→轉(zhuǎn)移脫落→形成磨屑；該過程反復(fù)進(jìn)行→粘著磨損。7/34圖7-2粘著磨損表面形貌

摩擦副一方金屬表面常粘附一層很薄的轉(zhuǎn)移膜，并伴有化學(xué)成分變化→判斷粘著磨損的主要特征。圖7-3粘著磨損過程示意圖9/34

3、磨損量的估算粘著磨損量正比于法向載荷F，滑動距離L，(軟材料壓縮屈服強度或硬度)。

4、磨損表面特征：大小不等的結(jié)疤。10/34

5、影響粘著磨損的因素P142

材料特性、法向力、滑動速度及溫度。

6、改善粘著磨損耐磨性的措施

(1)選擇合適的摩擦副材料強、硬度高則不易粘著；互溶性小的材料不易粘著：晶格類型不同、晶格間距相差大、電化學(xué)性質(zhì)相差大的材料組成摩擦件，粘著傾向小。11/34

(2)避免或阻止摩擦副(原子)間直接接觸使用潤滑劑，改善表面潤滑條件；增強氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；表面化學(xué)熱處理。

(3)降低表面粗糙度；但并非越光滑越好，需要考慮潤滑劑儲存。

(4)減小摩擦滑動速度，降低接觸壓應(yīng)力。13/34圖7-4兩體和三體磨粒磨損14/342、機理由于一方的硬度比另一方大得多，或存在硬質(zhì)粒子，對材料的創(chuàng)槽作用而損耗。具體機制：切削作用；塑性變形；疲勞破壞；脆性斷裂。圓鈍的磨?；虿牧纤苄暂^高時：首先形成犁溝但并不剝落(應(yīng)力集中小，不易產(chǎn)生裂紋)。經(jīng)反復(fù)、多次塑性變形后形成裂紋，最終剝落。尖銳的磨?；虿牧洗嘈暂^高時，直接產(chǎn)生切削、剝落，留下犁溝。15/34

3、磨損量的估算圖7-5磨粒磨損示意圖17/34

5、降低磨粒磨損的措施

(1)影響因素材料硬度高，磨損量小，耐磨性高；但過高反而不利——韌度低還與材料的韌性有關(guān)。耐磨性與硬度、斷裂韌度之間的關(guān)系(教材圖7-8和7-9)(2)改善磨粒磨損的措施(P147)18/34圖7-4耐磨性、硬度與斷裂韌性關(guān)系圖7-5磨損體積與硬度比(磨粒硬度與材料硬度之比)的關(guān)系19/34

實物試驗與實驗室試驗兩類。

(1)磨損試驗結(jié)果分散度很大，一般試驗要有4~5對摩擦副，數(shù)據(jù)分散度大時還應(yīng)增加。

(2)一般取試驗數(shù)據(jù)的平均值。分散度大時需要用均方根值。

(3)同一材料采用不同的磨損試驗方法，結(jié)果往往不同，甚至是顛倒的?！?.3磨損試驗方法21/34一、概念

1、定義接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，工件表面在交變接觸壓應(yīng)力長期作用后所引起的一種局部區(qū)域發(fā)生小片(塊)狀剝落的表面疲勞損傷現(xiàn)象，稱接觸疲勞(表面疲勞磨損、疲勞磨損)

接觸形式：線接觸和點接觸?！?.4金屬的接觸疲勞22/34

2、接觸疲勞宏觀特征小痘狀、貝殼狀或其它不規(guī)則狀凹坑。圖7-6接觸疲勞表面形貌23/343、接觸疲勞破壞的分類

接觸疲勞包括裂紋形成和擴展兩個階段，并且裂紋形成占據(jù)的時間長，而裂紋擴展所占據(jù)的時間很短。麻點剝落(點蝕)、淺層剝落、深層剝落(表面壓碎)。25/34二、接觸疲勞破壞機理金屬局部反復(fù)塑性變形→裂紋的形成→裂紋的擴展→金屬表面的剝落。從綜合切應(yīng)力的分布和大小，材料的強度相互比較，決定了裂紋產(chǎn)生的部位和接觸疲勞類型。26/341、麻點剝落：裂紋起源于表面的接觸疲勞損傷。

(1)滑動加滾動條件下：切向摩擦力較大，使最大綜合切應(yīng)力轉(zhuǎn)移至表面。

(2)表面存在質(zhì)量缺陷：軟點、硬點、夾雜物等，造成抗剪強度不足。深度：0.1－0.2mm的小塊剝落。形態(tài)：麻點是些針狀或痘狀的凹坑。29/342、淺層剝落：裂紋起源于次表層的接觸疲勞損傷。深度：0.2－0.4mm。淺層剝落在次表層(最大切應(yīng)力處)：0.786b處或0.5b處；實際多在0.5－0.7b處。30/34淺層剝落過程示意圖

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過程：在0.5－0.7b處，首先滑移變形→一定循環(huán)N→產(chǎn)生疲勞裂紋→沿應(yīng)力，夾雜物走向發(fā)展→形成二次裂紋→擴展到表面→另一端形成懸臂梁→壓斷，淺層剝落。提高淺層剝落抗力措施：提高材料的塑性變形抗力，進(jìn)行整體或表面強化，使0.5－0.786b處的切變強度↑。提高材料純凈程度，↓夾雜物數(shù)量。32/343、深層剝落(壓碎性剝落)

裂紋起源于表面硬化層下過渡區(qū)。原因：過渡區(qū)強度不足。深層剝落過程示意圖

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提高深層剝落抗力的措施：提高機件心部強度；增大硬化層深度；控制滲