材料性能學 第六章

06三月2024第六章

材料的磨損性能零件間的相對運動→摩擦→材料損耗破壞材料的磨損不僅直接影響零件的使用壽命，還會增加能耗，產(chǎn)生噪音和振動，造成環(huán)境污染，因此，研究材料的磨損過程及規(guī)律，提高材料的耐磨性，具有重要意義。本章重點1、材料的磨損方式2、材料的磨損機理3、影響材料磨損的因素06三月2024第一節(jié)磨損的基本概念及類型一、摩擦與磨損的概念1、摩擦摩擦是相互接觸物體間的一種阻礙運動的現(xiàn)象。摩擦力F=f·Nf—摩擦系數(shù)f靜>f動N—接觸法向壓力06三月2024

2、磨損在摩擦的作用下，材料表面逐漸分離出磨屑而導致材料不斷損傷的現(xiàn)象

。磨損的本質(zhì)材料表面局部變形和斷裂，且這種變形與斷裂是反復進行的，具有動態(tài)特征。06三月2024零件正常運行的磨損過程一般分三個階段：A、跑合階段（OA段）零件表面被逐漸磨平，實際接觸面積不斷增大。材料表層產(chǎn)生應變硬化，磨損速率逐漸下降。06三月2024B、穩(wěn)定磨損階段（AB段）

該段為一直線，斜率即磨損速率（常數(shù)），零件正常工作階段，零件的壽命取決于該階段。C、劇烈磨損階段（BC段）隨著磨損量的增加，摩擦幅間隙增大，零件表面質(zhì)量惡化（強化層磨穿），潤滑膜被破壞，引起劇烈振動，磨損加劇，零件快速失效。06三月2024二、磨損的基本類型根據(jù)磨損面損傷和破壞的形式，將磨損分為：粘著磨損磨料磨損腐蝕磨損麻點疲勞磨損磨損類型在一定條件下，可以相互轉(zhuǎn)化。06三月2024如圖，摩擦副相對滑動速度與磨損類型的關(guān)系：解決實際磨損問題時，要根據(jù)工作條件，確定磨損類型，才能采取有效措施，減少磨損。06三月2024第二節(jié)磨損過程一、粘著磨損（咬合磨損）1、產(chǎn)生原因材料表面某些接觸點局部壓應力超過屈服強度發(fā)生粘合，隨后摩擦副相對運動時拽開（拉開）而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。06三月202406三月20242、產(chǎn)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，以及接觸應力大以及機械性能相差不大的摩擦副的滑動摩擦條件下。3、磨損特征摩擦副表面產(chǎn)生大小不等的結(jié)疤。（粘著點不斷形成又不斷破壞并脫落）06三月20244、粘著磨損的兩種形式a、若粘著點結(jié)合強度低于兩側(cè)材料，則沿接觸面剪斷，磨損量較小，摩擦面較平滑，只有輕微擦傷（巴氏合金—鋼的滑動摩擦）。

b、

若粘著點的結(jié)合強度比兩側(cè)任一材料的強度都高時，分離面發(fā)生在強度較弱的材料上，被剪斷的材料將轉(zhuǎn)移到強度較高的材料上，結(jié)果，使軟材料表面出現(xiàn)微小凹坑，硬材料表面形成微小凸起。使得摩擦面變得粗糙，造成進一步磨損（加劇磨損）。06三月2024

這種軟材料向硬材料表面逐漸轉(zhuǎn)移積累，最終使不同材料之間的摩擦副滑動變成同種材料之間的滑動，加劇磨損，嚴重時產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。如，鉛基合金軸瓦與鋼軸之間會產(chǎn)生上述情況。06三月20245、阿查得（J.F.Archard）估算粘著磨損量的方法：

設(shè)在法向力P作用下，摩擦面上有n

個微凸體接觸粘著。接觸面的真實面積為πd2/4，則n個相同的接觸點同時塑性接觸時,法向力p滑動d磨損粉06三月2024單位滑動距離內(nèi)出現(xiàn)的接觸點數(shù)N=n/d=4p/(3πσscd3)。實際相對滑動中，軟材料上被拉拽出半球的幾率為K，總拉拽出的磨損量W可表示為：Hv為軟材料硬度，Hv≈3σscV’為接觸點半球體積06三月2024粘著磨損系數(shù)K與接觸壓力的關(guān)系06三月20246.影響粘著磨損的因素

(1)脆性材料的抗粘著磨損能力比塑性材料高。

(2)金屬性質(zhì)越是相近的，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損也越嚴重。反之，金屬間互溶程度越小，晶體結(jié)構(gòu)不同，原子尺寸差別較大，形成化合物傾向較大的金屬，構(gòu)成摩擦副時粘著磨損就較輕微?；瑒虞S承就是這樣的例子，選用淬火鋼軸與錫基或鋁基軸瓦配對。在受力較小時，選用金屬與塑料配對都能減小粘著磨損。06三月2024(3)通過表面化學熱處理，如滲硫、硫氮共滲、磷化、軟氮化等熱處理工藝，使表面生成一化合物薄膜，或為硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系數(shù)減小，起到減磨作用也減小粘著磨損。

(4)改善潤滑條件。(5)粘著磨損嚴重時表現(xiàn)為膠合。06三月20247.粘著磨損失效舉例06三月2024二、磨粒磨損（磨料磨損、研磨磨損）1、定義是摩擦副的一方表面存在的細微凸起或接觸面間存在硬質(zhì)粒子時產(chǎn)生的磨損。前者—兩體磨粒磨損，如銼削過程。后者—三體磨粒磨損，如拋光過程。06三月20242、分類按磨粒受的應力大小鑿削式高應力碾碎式低應力擦傷式06三月2024磨粒對摩擦副表面作用的力分法向力和切向力。法向力在表面形成壓痕；切向力推動磨料前進，產(chǎn)生淺長滑痕（切痕）。3、特征摩擦面上有擦傷或溝槽（犁溝）。

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4.磨料磨損的機制微觀切削（2）微觀犁溝（3）微觀斷裂（剝落）06三月20245、磨粒切削磨損模型壓力P將硬材料的凸出部分或磨粒（圓錐體）壓入較軟材料中p/πr2=3σscp=3σscπr2=Hvπr206三月2024被切削下來的軟材料體積，即為磨損量W，可表示為W=r2Ltgθp=3σscπr2=Hπr206三月2024

6.影響磨粒磨損的因素(1)磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強度等。

(2)外界載荷大小、滑動距離及滑動速度。(3)材料自身的硬度及內(nèi)部組織06三月2024三、接觸疲勞（滾動軸承、齒輪）

1、定義接觸疲勞是兩接觸材料作滾動或滾動加滑動摩擦時，交變接觸壓應力長期作用，使材料表面疲勞損傷，局部出現(xiàn)片狀或塊狀剝落的現(xiàn)象→表面疲勞磨損或麻點磨損。06三月20242、特征接觸表面出現(xiàn)許多痘狀，貝殼狀或不規(guī)則形狀的麻坑（點）麻點剝落（0.1～0.2mm）淺層剝落(0.2～0.4mm)深層剝落(>0.4mm)接觸疲勞與一般疲勞相似，只是裂紋形成過程長，而擴展階段僅占總過程的很短時間。06三月2024接觸疲勞的表面形貌06三月20243、接觸應力的概念兩物體相互接觸時，在局部表面產(chǎn)生的壓應力稱為接觸應力。接觸點接觸：滾珠軸承線接觸：齒輪06三月2024a、圓柱體的線接觸應力設(shè)有兩圓柱體，半徑分別為R1，R2，長度為L；未變形前兩者是線接觸，施加法向力P后，因彈性變形成為面接觸，接觸面積為2bL，根據(jù)彈性力學，接觸壓應力σz沿2b（寬度）呈半橢圓規(guī)律分布。在接觸面中心，壓應力達到最大值。06三月2024E為綜合彈性模量：E1，E2—兩圓柱的彈性模數(shù)06三月2024實際接觸應力是三向壓應力σz

、σx

、σy

，最大切應力τyz45omax，在Z=0.786b深處最大,且τyz45omax≈0.3σzmax06三月2024b、球體的點接觸應力（滾珠與軸承套圈之間的接觸）06三月2024最大切應力τyz45omax發(fā)生在Z=0.786b深處τyz45omax=0.3σmax以上為純滾動時的值，若兩接觸物體既作滾動又有滑動，則應附加切向摩擦力，最大切應力分布如圖:當摩擦系數(shù)f>0.2時，最大切應力位置移到材料表面，此時接觸疲勞裂紋源也移到表面。06三月2024

4、接觸疲勞過程當最大切應力超過材料屈服強度時，便在此處引起塑性變形，經(jīng)過多次循環(huán)作用后，裂紋便在此處產(chǎn)生（萌生）。a、麻點剝落多發(fā)生在滾動+滑動場合，最大切應力位置移至表層,f>0.2，使表層材料累積損傷，結(jié)果在表層萌生裂紋。06三月2024在此后的循環(huán)中，潤滑油反復擠入裂紋內(nèi)形成油楔，使裂紋沿與滾動方向傾斜角小于45o方向擴展（滾動+滑動疊加）；滑動摩擦力越大，傾角越小，當裂紋擴展到一定深度后，裂紋與表層材料間猶如受彎曲的懸]臂梁被折斷→形成0.1～0.2mm的痘狀凹坑，即麻點剝落。06三月2024b、淺層剝落純滾動或摩擦力很小,f<0.2時，由于次表層（0.5b～0.7b深）承受著最大切應力，故此處萌生疲勞裂紋，并沿非金屬夾雜物平行于表面擴展，而后垂直擴展至表面，形成盆狀剝落凹坑（深0.2～0.4mm）。06三月2024

c、深層剝落經(jīng)表面強化的材料，若強化層深度不足，裂紋則起源于硬化層與非硬化層的過渡處（界面），造成沿硬化層的大塊剝落。因此，接觸疲勞裂紋的形成與擴展是接觸綜合切應力高于材料接觸疲勞強度的結(jié)果。循環(huán)切應力的大小及分布是決定接觸疲勞破壞形成的主要因素。06三月2024表面滲碳淬火試樣實驗表明：a

、當切應力/抗切強度>0.55時產(chǎn)生深層剝落（大塊剝落）。b、

當切應力/抗切強度=0.5～0.55時產(chǎn)生表層剝落和麻點剝落混合區(qū)。c、當切應力/抗切強度<0.5時產(chǎn)生麻點剝落。

06三月2024影響接觸疲勞壽命的若干因素接觸疲勞壽命首先取決于加載條件，特別是載荷大小。此外，還與許多其它因素有關(guān)，這里僅簡敘其中若干有代表性的因素。1．非金屬夾雜物2．馬氏體含碳量3．剩余碳化物顆粒大小和數(shù)量06三月2024第三節(jié)耐磨性及其測量方法一、材料的耐磨性1、耐磨性：是指材料抵抗磨損的能力。2、耐磨性的表征方法：通常用磨損量表示，磨損量↓→耐磨性↑。3、磨損量：用質(zhì)量法或尺寸法衡量質(zhì)量法：磨損前后的質(zhì)量變化量（精密分析天平）。尺寸法：磨損前后的表面法向尺寸變化06三月20244、比磨損量：單位摩擦距離，單位壓力下的磨損量。5、相對耐磨性：ε=標準試樣的磨損量/被測樣的磨損量6、磨損系數(shù)：1/ε06三月2024二、磨損試驗方法1、磨損試驗實物試驗與實際情況相同（似），結(jié)果可靠，但周期長，單因素的影響，難以分析。實驗室試驗周期短，成本低，易于控制各影響因素，但結(jié)果不能直接反映實際情況。（1）試樣試驗（2）臺架試驗06三月2024銷盤式

環(huán)塊式往復運動式

對滾式

砂紙磨損式

快速磨損試驗機

2、實驗室常用摩擦磨損試驗機06三月20243、選擇磨損試驗方法的依據(jù)a、摩擦副運動方式：往復、旋轉(zhuǎn)b、摩擦方式：滾動、滑動、復合c、試樣形狀：尺寸、載荷、速度、溫度盡可能接近實際情況。注意問題磨損試驗結(jié)果分散性大，應做多次（4～5次）試驗，取平均值。06三月20244.接觸疲勞試驗常用接觸疲勞實驗機雙面對滾式單面對滾式06三月2024止推式通過實驗，測出σmax—N曲線（接觸疲勞曲線），即最大接觸壓應力與斷裂周次曲線。圖中，水平線對應的應力為接觸疲勞強度，斜線為過載持久值。06三月2024接觸疲勞極限的循環(huán)基數(shù)N0，以不產(chǎn)生大量擴展性麻點為依據(jù)低碳鋼N0=2～4

106

周次淬火+回火鋼N0=10～20

106

周次鑄鐵N0=（2～6）

106

周次銅合金N0=（3～10）

106周次當應力低于接觸疲勞強度時，經(jīng)過相當數(shù)量的循環(huán)后，雖可能產(chǎn)生一些麻點，但均是非擴展性的。06三月2024當應力大于接觸疲勞強度時，麻點不斷長大，數(shù)量急劇增多。測出完整的接觸疲勞曲線非常困難，一般只作過載區(qū)的接觸疲勞壽命。06三月2024第四節(jié)提高材料耐磨性的途徑一、減輕粘著磨損的主要措施1、合理選擇摩擦副材料①互溶性少②粘著傾向小選擇非同種或晶格類型不同，電子密度、電化學性質(zhì)差異大的材料配對。③強度高不易塑變④保護價值高的一方06三月2024

2、避免兩摩擦副間直接接觸①增大氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜的附著力②降低表面粗糙度，提高實際接觸面積③改善潤滑條件06三月2024

3、表面改性處理

采用滲硫、滲磷、滲氮、復合MoS2、PTFE復合等工藝，在接觸面形成一層化合物或非金屬層（或復合涂層），既防止粘著又降低摩擦系數(shù)。06三月20244.工作條件的影響（1）摩擦速度一定時，粘著磨損量隨接觸壓力的增大而增加，而在接觸一定的情況下，粘著磨損量也隨滑動摩擦速度的增加而增加，但達到某一極大值后，又隨滑動摩擦速度增加而減小（2）提高光潔度，將增加抗粘著磨損能力，但光潔度過高，反而潤滑劑不能儲存于摩擦面內(nèi)而促進粘著，在摩擦面內(nèi)維持良好的潤滑狀態(tài)能顯著降低粘著磨損量。06三月2024二、減輕磨粒磨損的主要措施1、低應力磨粒磨損：提高表面硬度（表面淬火、滲碳、滲氮、涂層等）。2、高應力、沖擊載荷下的磨粒磨損

基體強化（等溫淬火→貝氏體）06三月20243、改善第二相的數(shù)量、形態(tài)、分布情況，提高耐磨粒磨損能力。碳化物脆性相彌散分布耐磨性↑殘余奧氏體韌性相基體韌性↑4、機件、潤滑油防塵，經(jīng)常過濾潤滑油，除去磨粒。06三月20245、摩擦副硬度合理Hm=1.3Ha摩擦副硬度磨粒硬度6、耐磨鋼高錳鋼Mn13淬火后單相奧氏體沖擊載荷ε-碳化物沿滑移面產(chǎn)生表層硬度急劇提高，心部仍保持良好的韌性。06三月20247.斷裂韌度也影響金屬材料磨粒磨損耐磨性KIC耐磨性和硬度1231.磨損受斷裂過程控制，耐磨性隨KIC提高而提高2.當硬度跟斷裂韌度配合最佳時，耐磨性最高3.耐磨性隨硬度降低而下降，可見磨粒磨損抗力不唯一決定于硬度，還與材料的韌性有關(guān)06三月2024三、提高接觸疲勞抗力的措施1、采用脆性氧化物含量低的鋼材，或