金屬的磨損與接觸疲勞

金屬的磨損與接觸疲勞第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日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)第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日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。第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日4/343、相對耐磨性4、磨損系數(shù)：1/ε。

第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日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?！?.2磨損的類型第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日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，粘著點受剪切應力被剪斷→轉(zhuǎn)移脫落→形成磨屑；該過程反復進行→粘著磨損。第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日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第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日8/34

(1)粘著點強度比一方金屬強時磨損量大，表面較粗糙，甚至產(chǎn)生咬死。

(2)粘著點強度比雙方金屬都低時，磨損量小，摩擦面較平滑。

(3)粘著點比雙方金屬都高時，剪斷可發(fā)生在摩擦金屬的任何一方，較軟金屬的磨損量大。第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日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。第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日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、電化學性質(zhì)相差大的材料組成摩擦件，粘著傾向小。第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日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，降低接觸壓應力。第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日12/34

二、磨粒磨損(磨料磨損，研磨磨損)1、定義當摩擦副一方表面存在堅硬的細微凸起，或在接觸面之間存在著硬粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。前者稱兩體磨粒磨損，后者稱三體磨粒磨損。微觀斷裂。第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日13/34圖7-4兩體和三體磨粒磨損第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日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。圓鈍的磨粒或材料塑性較高時：首先形成犁溝但并不剝落(應力集中小，不易產(chǎn)生裂紋)。經(jīng)反復、多次塑性變形后形成裂紋，最終剝落。尖銳的磨粒或材料脆性較高時，直接產(chǎn)生切削、剝落，留下犁溝。第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日15/34

3、磨損量的估算圖7-5磨粒磨損示意圖第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日16/34

4、磨粒磨損表面特征：犁溝、擦傷。圖7-3磨粒磨損表面形貌第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日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)第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日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)系第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日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磨損試驗方法第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日20/34

(4)采用稱量法或測長法確定磨損量。

稱量法采用分析天平測定試樣磨損前后的質(zhì)量變化；測長法采用測微尺測量摩擦表面法線方向的尺寸變化。稱量法用于磨損量在10-2g以上時才有較好結(jié)果。測長法用于磨損量較大、稱量法難于實現(xiàn)的情況。第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日21/34一、概念

1、定義接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，工件表面在交變接觸壓應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金屬的接觸疲勞第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日22/342、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接觸疲勞表面形貌第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日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)。第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日24/344、接觸疲勞損傷過程金屬局部反復塑性變形→裂紋的形成→裂紋的擴展→金屬表面的剝落，麻點。接觸疲勞＝疲勞＋磨損接觸應力：兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應力。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日25/34二、接觸疲勞破壞機理金屬局部反復塑性變形→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。第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日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。第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日27/34麻點剝落形成過程示意圖第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日28/34提高麻點剝落抗力措施：

(1)提高機件表面的塑性變形抗力；

(2)提高零件表面光潔度，使F降低，表面折疊幾率降低；

(3)提高潤滑油的粘度，降低油楔作用。第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日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(最大切應力處)：0.786b處或0.5b處；實際多在0.5－0.7b處。第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日30/34淺層剝落過程示意圖

第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日31/34

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。第三十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日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

第三十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日33/34

提高深層剝落抗力的措施