材料性能學(-)-課件

第六章 材料的磨損性能河海大學機電工程學院做對的事情比把事情做對更重要。1摩擦磨損是工程材料失效的主要因素之一因機件的相對運動產(chǎn)生摩擦，導致磨損摩擦→→磨損→→降低使用壽命、增加能耗、產(chǎn)生噪音和振動、影響環(huán)境。本章主要內(nèi)容介紹材料摩擦磨損機理、摩擦磨損試驗測試方法以及提高材料摩擦磨損性能的主要途徑。重點要掌握材料摩擦磨損的機理和提高材料摩擦磨損性能的主要途徑。第一節(jié) 磨損的基本概念及類型1、摩擦機械零件的表面在顯微鏡下觀察是高低不平的。高低不平的兩個接觸面相對運動時，就產(chǎn)生阻力接觸物產(chǎn)生阻礙運動的現(xiàn)象就叫摩擦，阻礙運動的力稱為摩擦力。它與接觸法向壓力（p）和摩擦系數(shù)（μ）的關(guān)系為：F=μ

p摩擦的害處：磨損、消耗能量、降低機器性能。摩擦的益處：行走、車輛制動等。2、磨損摩擦運動的結(jié)果是產(chǎn)生磨屑，即產(chǎn)生磨損。磨屑的形成也是材料發(fā)生變形和斷裂的過程。材料的磨損過程除造成材料損失外，還將發(fā)生一系列物理、化學狀態(tài)的變化，如形變硬化（高錳鋼履帶）和摩擦熱引起的相變（淬火鋼中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體）等。這些變化將影響材料的摩擦磨損性能。3、磨損的3個階段：跑合階段：表面逐步磨平，實際接觸面積不斷增大磨損速率不斷減小。穩(wěn)定磨損階段：磨損量呈線性，磨損速率為一定值。工件服役階段，跑合越好，磨損速率越低。劇烈磨損階段：摩擦接觸面

間隙增大，機件的振動加劇，潤滑膜或保護層被損壞，機

件表面被惡化，磨損速率迅

速加大。磨損的基本類型按工作環(huán)境來分有：潤滑磨損、干磨損、磨粒磨損和和腐蝕磨損等。按機理來分主要有粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損（接觸疲勞）等。——摩擦面損傷和破壞形式不同。腐蝕磨損是材料與周圍環(huán)境發(fā)生化學或電化學反應(yīng)的結(jié)果，這里就不討論了。本章主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。第二節(jié) 磨損的基本過程一、粘著磨損凹凸不平的表面，少數(shù)微凸體的尖頂產(chǎn)生很高的應(yīng)力，超過屈服點而發(fā)生塑性變形。若接觸面上的油膜、氧化膜等保護膜被破壞，裸露的凸體直接與對磨面接觸，摩擦熱使凸體與接觸的對磨材料直接熔合。相對運動，使熔合點被拉開、脫落，形成磨屑。新的凸體將成為新的粘著點，如此反復(fù)，使工件不斷磨損。易發(fā)生條件：摩擦副相對滑動速度小，接觸面氧化膜脆弱，潤滑條件差，接觸應(yīng)力大…粘著磨損粘著磨損的表面特征：機件表面有大小不等的結(jié)疤2023/10/219粘著磨損粘著點斷裂的兩種形式：粘著點結(jié)合強度低于兩側(cè)材料，則接觸點斷裂。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就屬此類型。粘著點的結(jié)合強度高于兩側(cè)材料，斷裂發(fā)生在強度較差的一側(cè)，粘著點保留在強度較高的材料上，形成更大的凹坑和凸臺，使接觸面顯得越來越粗糙，造成磨損速率加大，甚至出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。如鉛基合金軸瓦與鋼軸之間的滑動粘著磨損就屬于此類。J.

F.Archard提出了粘著磨損的估算方法。設(shè)法向力p，微凸體接觸數(shù)量n，粘著點平均直徑為d的球體。當n個接觸點同時發(fā)生塑性變形時，作用在接觸點上的法向力p為：（6-2）粘著磨損真實面積接觸壓縮屈服強度只要滑動d距離，就有n個接觸點發(fā)生了粘著磨損，故單位滑動距離內(nèi)出現(xiàn)的接觸點數(shù)為：N

=

n/d

=

4p/(3πσsc

d3

)如接觸點被拉出半球的幾率是K，則滑動一段距離后，總拉出的磨損量為：粘著磨損K為粘著磨損系數(shù)W≈KpL/3Hv表明，粘著磨損量與接觸壓力p、滑動距離L成正比，與材料的硬度成反比。Archard模型的適用性當p

≤1/3摩擦副材料硬度時，適用。當p＞σb時，K值急劇增大，磨損量也急劇增加，造成大面積的焊合和咬死。2023/10/2113復(fù)習提高金屬疲勞性能有哪些措施？什么是熱疲勞？有哪些因素影響材料熱疲勞性能？磨損過程分哪三個階段？磨損的基本類型有哪些？什么是粘著磨損？它的表面特征是什么？粘著磨損中，粘著點斷裂的形式有哪兩種？Archard公式是什么？它表明磨損與什么因素有關(guān)？2023/10/2114二、磨粒磨損磨粒磨損又稱為磨料磨損，是摩擦副的一方堅硬的細微凸起或在接觸面間存在硬質(zhì)粒子（從外界進入或從表面剝落）時產(chǎn)生的磨損。兩體磨損、三體磨損磨粒磨損分類：鑿削式、高應(yīng)力碾碎式、低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損的特征是摩擦表面出現(xiàn)有擦傷或因明顯梨皺形成的溝槽。2023/10/2115磨粒對表面的作用力分法向力和切向力。主要作用是使材料表面產(chǎn)生應(yīng)力集中。法向力在表面形成壓痕，切向力推動顆粒前進。在一定的條件下（壓力、顆粒形貌、相位），顆粒才會象刀具一樣切削表面。圓鈍顆粒或軟材料，顆粒劃出槽溝，材料產(chǎn)生塑性變形并不脫落。隨后的摩擦又將槽溝兩側(cè)堆積部分壓平，如此反復(fù)地變形、堆積、壓平，便導致形成裂紋并引起剝落。脆性材料則較容易剝落，形成槽溝。磨粒磨損磨粒磨損量的數(shù)學表達式為：W=KpL/3πσsc

≈

KpLtanθ/Hv式中：p為接觸壓力；L為滑動距離；θ為磨粒與摩擦面的夾角，與磨粒形狀有關(guān)；Hv為材料硬度；K為系數(shù)(與磨粒形狀、取向等因素有關(guān))。磨粒磨損磨粒磨損的影響因素十

分復(fù)雜：基體材料的力學性能（硬度與韌性）、基體顯微組織和磨粒硬

度等。對金屬材料來說，一般材料硬度越高，抗磨粒磨損性能就越好。磨粒磨損2023/10/2118彈性模量的影響材料的H/E值越大，則在相同接觸壓力下，彈性變形量增大。由于接觸面積增加，單位法向載荷反而下降，導致溝槽深度減小，堆在溝槽兩側(cè)的材料也少，所以磨損量就小。然而，E是組織不敏感的，因此，機件抵抗磨粒磨損的能力主要與材料的硬度成正比。所以，一般情況下，材料硬度高，其抗磨粒磨損能力也越好。2023/10/2119斷裂韌性的影響2023/10/2120三、接觸疲勞，1、現(xiàn)象與特征接觸疲勞是兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，交變接觸應(yīng)力長期作用使材料表面疲勞損傷，局部區(qū)域出現(xiàn)小片或小塊狀剝落，使材料發(fā)生磨損的現(xiàn)象。接觸疲勞的特征是：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）有些凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展的痕跡。2、接觸應(yīng)力的概念兩個物體相互接觸時在局部產(chǎn)生的壓應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也叫赫茲應(yīng)力。接觸應(yīng)力分為線接觸（齒輪接觸）和點接觸（滾珠軸承）。接觸疲勞（1）圓柱體的線接觸應(yīng)力設(shè)有兩個圓柱體，半徑分別為R1、R2，長度為L。未變形前為線接觸，施加法向力p后，因彈性變形而變成面接觸，接觸面積為2bL。接觸疲勞2023/10/2123（1）圓柱體的線接觸應(yīng)力根據(jù)彈性力學分析，接觸壓應(yīng)力σz沿Y軸按半橢圓規(guī)律分布，在接觸中心

Y=0處，σz達到最大值：E為綜合彈性模量.2023/10/21接觸疲勞24圓柱體的線接觸應(yīng)力三向壓應(yīng)力，在Y=0的對稱面上，σz、σx、σy與τYZ45°沿Z方向分布圖。在Z=0.786b處，τYZ45°達到最大，約為0.3σzmax，方向與接觸面成45°。在連續(xù)滾動過程中，切應(yīng)力從0~0.3σzmax交替變化著，應(yīng)力幅為τYZ45°/2=0.15σzmax。接觸疲勞2023/10/2125（2）球體的點接觸滾珠與軸承圈接觸可近似認為點接觸，接觸應(yīng)力為：E為綜合彈性模量；p為法向力。τYZ45°max在Z=0.786b處，約為0.3σmax2023/10/21接觸疲勞26接觸應(yīng)力分析上述是在純滾動情況分析。兩物體既作滾動又有滑動，應(yīng)附加切向摩擦力。切向摩擦力與壓應(yīng)力共同作用在接觸區(qū)域上，使應(yīng)力分布相應(yīng)改變，最大切應(yīng)力的位置將向表面移動。當摩擦系數(shù)>0.2時，最大切應(yīng)力的位置將移到材料接觸表面，因此接觸疲勞裂紋的產(chǎn)生地也將移到零件表面。接觸疲勞3、接觸疲勞過程當最大切應(yīng)力大于材料剪切疲勞強度時，在長期循環(huán)作用，裂紋便在該處形成。根據(jù)最大切應(yīng)力位置的深淺，接觸疲勞分3類：根據(jù)最大切應(yīng)力與材料強度之應(yīng)力判據(jù)分析各種接觸疲勞的裂紋萌生和擴展。接觸疲勞點蝕（麻點剝落）：深度為0.1~0.2mm，小塊剝落，形成不對稱V型針狀或痘狀凹坑。受力情況：滾動+滑動，最大綜合切應(yīng)力在材料表面?；瑒幽Σ料禂?shù)越大，疲勞剝落點就越淺。表面接觸應(yīng)力較小、滑動摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如粗糙、脫碳、燒傷、淬火不足、有夾雜物等）時，易出現(xiàn)這種麻點剝落。接觸疲勞（2）淺層剝落在滾動或滑動摩擦力很小的情況下，次表層（在0.5~0.7b之間）承受最大的循環(huán)切應(yīng)力，長期循環(huán)，在此產(chǎn)生位錯塞積和空位，逐步形成裂紋。裂紋在最大應(yīng)力層面上沿著薄弱方向發(fā)展，到一定程度后，垂直擴向表面，形成盆狀剝落凹坑，深度一般為0.2~0.4mm。接觸疲勞2023/10/2130（3）深層剝落一般發(fā)生在經(jīng)強化但強化深度不足的工件，裂紋源都位于強化與未強化的結(jié)合處，即剝落層厚度與強化層深度相當（＞0.4mm）。裂紋形成處雖然切應(yīng)力不是最大，但該處切應(yīng)力/材料抗切強度的比值最大，安全系數(shù)最小。接觸疲勞2023/10/2131

接觸疲勞裂紋的形成與擴展是：接觸綜合切應(yīng)力高于材料接觸疲勞強度的結(jié)果。滲碳淬火試樣試驗表明：切應(yīng)力/抗剪切強度的比值大于0.55時，在過渡區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋，出現(xiàn)大塊剝落。比值在0.5~0.55時，出現(xiàn)表層剝落和麻點剝落的混合情況。比值小于0.5時，則出現(xiàn)麻點剝落。

影響材料接觸疲勞的因素：除了加載條件外，主要是材料因素，如材料成分和組織狀態(tài)，表面硬度與心部硬度或摩擦副硬度匹配、硬化層深度、表面狀態(tài)第三節(jié) 耐磨性及其測量方法一、材料的耐磨性材料的耐磨性是指材料抵抗磨損的性能指標，迄今還沒有一個統(tǒng)一的指標。通常用磨損量來表示。磨損量越小，表示耐磨性越好。磨損量的測量方法有兩種：稱重法和尺寸法。稱重法就是稱試樣或零件磨損前后的重量變化；尺寸法就是測量試樣或機件磨損前后的尺寸變化磨損量的倒數(shù)、相對耐磨性磨、損系數(shù)二、磨損試驗方法磨損試驗分實物試驗和實驗室試驗。實物試驗的條件與實際工況一致或較接近，試驗結(jié)果可靠，但試驗周期長。實驗室試驗周期短，費用低，易于控制各因素，但條件與實際情況相差甚遠，結(jié)果不能完全反映真實情況。柴油機缸套、活塞和活塞環(huán)的磨損試驗一般在幾個月才能顯示出差異，在實驗室強化的條件下，也要幾百個小時才能有差異，試驗費用十分巨大。磨損試驗是一個十分復(fù)雜的，這就是迄今沒有一個統(tǒng)一標準的主要原因。二、磨損試驗方法實驗室磨損實驗的方法很多，主要是想盡可能與實際工作條件一致起來。按工作環(huán)境分：干磨損試驗、潤滑摩擦磨損試驗和磨粒磨損試驗。按運動方式分：滑動摩擦磨損和滾動摩擦磨損。摩擦磨損試驗機形式：（a）銷盤磨損試驗機環(huán)塊磨損試驗機往復(fù)式摩擦磨損試驗機滾動磨損試驗機砂紙磨損試驗機快速磨損試驗機橡膠輪磨粒磨損試驗機2023/10/2136磨損量的測量方法：稱重法和尺寸法。磨損數(shù)據(jù)一般較分散，不僅受計量儀器精度的限制，而且受其他一些因素的影響。如在潤滑條件下作的磨損試驗，本身磨損量就很小，加上液體浸入等一些因素的影響，往往數(shù)據(jù)分散，一般在同一中條件下要做4~5試驗，取其平均值。摩擦磨損試驗受環(huán)境和試驗條件的影響很大，試驗數(shù)據(jù)只能做相對比較，引用文獻資料時要特別注意，一般不能用不宜資料上的數(shù)據(jù)進行比較。第四節(jié) 提高材料耐磨性的途徑首先必須要弄清楚磨損機理。針對不同的機理，選擇合適的措施。一、減輕粘著磨損的主要措施選用互溶性少，粘著傾向小的材料配對，如異種金屬或晶格類型、電化學性質(zhì)相差甚遠的材料。選用強度高而且不易塑性變形的材料。降低表面粗糙度，改善摩擦副潤滑條件。表面處理（如氮化處理），形成一層化合物或非金屬層，減少摩擦系數(shù)；采用滲碳、碳氮共滲等表面熱處理，提高表面硬度；滲硫、滲磷使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量。采用復(fù)合材料，減少粘著傾向，如球墨鑄鐵。改善接觸面的狀態(tài)，如潤滑，或在潤滑油中添加一些介質(zhì)，如烏克蘭的摩圣。二、減輕磨粒磨損的主要措施低應(yīng)力磨粒磨損——提高材料的硬度重載荷——貝氏體（高硬度、高韌性）控制碳化物的數(shù)量、形態(tài)和分布。在保證