1、表表 面面 工工 程程1讲讲 稿稿第三章第三章 表面强度：表面摩擦与磨损表面强度：表面摩擦与磨损v3.1表面摩擦表面摩擦 v3.2表面磨损表面磨损v3.3磨损的分类磨损的分类v3.4耐磨性及其表征耐磨性及其表征v3.5磨损的防护磨损的防护v3.6表面硬质涂层表面硬质涂层v3.7扭转件的表面强度扭转件的表面强度v3.8弯曲件的表面强度弯曲件的表面强度v3.9疲劳件的表面强度疲劳件的表面强度3.1表面摩擦表面摩擦摩擦：两个相互接触物体在外力作用下发生摩擦：两个相互接触物体在外力作用下发生相对运相对运动动或或具有相对运动的趋势具有相对运动的趋势时，在接触面之间产生时，在接触面之间产生切向的运动阻力切
2、向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。象称为摩擦。摩擦一般按摩擦副表面的润滑状况分类：摩擦一般按摩擦副表面的润滑状况分类：v纯净摩擦纯净摩擦：没有任何吸附物或化合物存在：没有任何吸附物或化合物存在v干摩擦干摩擦：名义上没有润滑剂存在：名义上没有润滑剂存在v边界润滑摩擦边界润滑摩擦：一层极薄：一层极薄(0.01(0.01mm或更薄或更薄) )的润滑的润滑膜存在膜存在v流体润滑摩擦流体润滑摩擦：完全被流体：完全被流体( (气体或液体气体或液体) )隔开隔开v固体润滑摩擦固体润滑摩擦：固体润滑剂存在。：固体润滑剂存在。早期的摩擦理论：早期的摩擦理论： 第一定
3、律第一定律摩擦力与接触体之间的表观接触面积无摩擦力与接触体之间的表观接触面积无关。关。第二定律第二定律摩擦力摩擦力F与两接触体之间的法向载荷与两接触体之间的法向载荷 P成正比成正比 即：即：FP。 第三定律第三定律两个相对运动物体表面的界面滑动摩擦两个相对运动物体表面的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关。阻力与滑动速度无关。 这三条定律对目前解决一般机械工程中的实这三条定律对目前解决一般机械工程中的实际问题仍大致适合。但随着科学技术的发展，许际问题仍大致适合。但随着科学技术的发展，许多摩擦现象用它们难以说明。例如多摩擦现象用它们难以说明。例如: 摩擦系数实际上是变化的，其大小不仅随摩擦系数实际上是
4、变化的，其大小不仅随摩擦材料的配对不同而不同，还明显受环境因素摩擦材料的配对不同而不同，还明显受环境因素的影响，而且如果相对滑动速度高，摩擦系数会的影响，而且如果相对滑动速度高，摩擦系数会下降。因此以上定律必须加以修正。下降。因此以上定律必须加以修正。v摩擦大小一般用摩擦系数摩擦大小一般用摩擦系数来表征，其值等于摩来表征，其值等于摩擦力擦力F F与法向载荷与法向载荷N N的比值。的比值。影响摩擦的因素：影响摩擦的因素：v材料性能：摩擦副的金属种类和表面粗糙程度、材料性能：摩擦副的金属种类和表面粗糙程度、弹性模量、晶粒大小等。弹性模量、晶粒大小等。v摩擦环境：载荷、滑动速度等。摩擦环境：载荷、滑
5、动速度等。 根据摩擦副表面的润滑状态将摩擦状态分为：根据摩擦副表面的润滑状态将摩擦状态分为：（1）干摩擦：如果两物体的滑动表面无任何润滑剂）干摩擦：如果两物体的滑动表面无任何润滑剂或保护膜的纯金属，这两个物体直接接触时的摩擦或保护膜的纯金属，这两个物体直接接触时的摩擦称为干摩擦，干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严称为干摩擦，干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严重的磨损，因此应严禁出现这种摩擦。重的磨损，因此应严禁出现这种摩擦。（2）液体摩擦：两摩擦表面不直接接触，被油膜）液体摩擦：两摩擦表面不直接接触，被油膜(油膜厚度一般在油膜厚度一般在1.52m以上以上)隔开的摩擦称为液体隔开的摩擦称为液体摩擦。
6、摩擦。（3）边界摩擦：两摩擦表面被吸附在表面的边界膜）边界摩擦：两摩擦表面被吸附在表面的边界膜(油膜厚度小于油膜厚度小于1m)隔开，使其处于干摩擦与液体摩擦隔开，使其处于干摩擦与液体摩擦之间的状态，这种摩擦称为边界摩擦。之间的状态，这种摩擦称为边界摩擦。（4）混合摩擦：在实践中有很多摩擦副处于干摩擦）混合摩擦：在实践中有很多摩擦副处于干摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态，称为混合摩擦。、液体摩擦与边界摩擦的混合状态，称为混合摩擦。摩擦系数的影响因素摩擦系数的影响因素（1）表面膜对摩擦系数的影响表面膜对摩擦系数的影响。 具有表面氧化膜的摩擦副，摩擦主要发生在膜具有表面氧化膜的摩擦副，摩擦主要发生
7、在膜层内。对于金属的摩擦来说，由于表面氧化膜的塑层内。对于金属的摩擦来说，由于表面氧化膜的塑性和机械强度比金属材料差，在摩擦过程中，性和机械强度比金属材料差，在摩擦过程中，表面表面膜先被破坏，金属摩擦表面不易发生粘着，使摩擦膜先被破坏，金属摩擦表面不易发生粘着，使摩擦系数降低，磨损减少。系数降低，磨损减少。 在金属摩擦表面涂覆软金属能有效地降低摩擦在金属摩擦表面涂覆软金属能有效地降低摩擦系数。其中以镉对摩擦系数的影响最为明显，但镉系数。其中以镉对摩擦系数的影响最为明显，但镉与基体金属的结合力较弱，容易在摩擦时被擦掉。与基体金属的结合力较弱，容易在摩擦时被擦掉。（2）材料性质材料性质：摩擦副的摩
8、擦系数，随配对材料摩擦副的摩擦系数，随配对材料性质的不同而不同。性质的不同而不同。 分子或原子结构相同或相近的两种材料互溶性分子或原子结构相同或相近的两种材料互溶性大，互溶性较大的材料组成摩擦副，易发生粘着，大，互溶性较大的材料组成摩擦副，易发生粘着，摩擦系数增高；反之互溶性较小的材料组成摩擦副摩擦系数增高；反之互溶性较小的材料组成摩擦副，摩擦系数一般都比较低。，摩擦系数一般都比较低。 因此，在设计摩擦副时，应尽可能地选择分子因此，在设计摩擦副时，应尽可能地选择分子结构或原子晶格差别大，互溶性小的材料组成摩擦结构或原子晶格差别大，互溶性小的材料组成摩擦副，以降低其摩擦系数。副，以降低其摩擦系数
9、。 如果条件允许的话，应尽可能选择金属与非金如果条件允许的话，应尽可能选择金属与非金属属(工程塑料、复合材料等工程塑料、复合材料等)组成摩擦副。组成摩擦副。（3）载荷载荷：载荷的大小直接影响摩擦副的接触状载荷的大小直接影响摩擦副的接触状态，在不同的接触状态下，摩擦副所表现出来的摩态，在不同的接触状态下，摩擦副所表现出来的摩擦特性也就不一样擦特性也就不一样。 一般情况下，摩擦系数将随载荷的增加而增大一般情况下，摩擦系数将随载荷的增加而增大，当载荷足够大时越过一极大值，随着载荷的继续，当载荷足够大时越过一极大值，随着载荷的继续增大而摩擦系数趋于稳定或减小。增大而摩擦系数趋于稳定或减小。（4）滑动速
10、度滑动速度：在一般情况下，摩擦系数随滑动速在一般情况下，摩擦系数随滑动速度增加而升高，越过一极大值后，又随滑动速度的增度增加而升高，越过一极大值后，又随滑动速度的增加而减少。滑动速度引起的发热和温度的变化，改变加而减少。滑动速度引起的发热和温度的变化，改变了摩擦表面层的性质和接触状况，因而摩擦系数必将了摩擦表面层的性质和接触状况，因而摩擦系数必将随之变化。对温度不敏感的材料（如石墨），摩擦系随之变化。对温度不敏感的材料（如石墨），摩擦系数实际上几乎与滑动速度无关。数实际上几乎与滑动速度无关。（5）温度温度：在摩擦过程中在摩擦过程中，温度的变化使摩擦副表面温度的变化使摩擦副表面材料的性质发生改变
11、材料的性质发生改变，而影响摩擦系数。摩擦系数随摩而影响摩擦系数。摩擦系数随摩擦副工作条件的不同而变化。擦副工作条件的不同而变化。对于大多数金属摩擦副而言，其摩擦系数均随温度的升高而降对于大多数金属摩擦副而言，其摩擦系数均随温度的升高而降低，极少数（如金低，极少数（如金- -金）的摩擦系数均随温度的升高而升高。金）的摩擦系数均随温度的升高而升高。对于散热性比较差的材料，特别是由热塑性工程塑料组成的摩对于散热性比较差的材料，特别是由热塑性工程塑料组成的摩擦副，开始摩擦系数将随着温度的升高而增大，当表面温度达到擦副，开始摩擦系数将随着温度的升高而增大，当表面温度达到一定值，材料表面将被熔化。所以一定
12、值，材料表面将被熔化。所以, ,一般工程塑料都只能在一定的一般工程塑料都只能在一定的温度范围内使用，超过这个温度范围，摩擦副材料将丧失其工作温度范围内使用，超过这个温度范围，摩擦副材料将丧失其工作能力。能力。对于金属与复合材料组成的摩擦副，其摩擦系数在一定的范围对于金属与复合材料组成的摩擦副，其摩擦系数在一定的范围内受温度的影响较小，但当温度超过某一极限值时，摩擦系数将内受温度的影响较小，但当温度超过某一极限值时，摩擦系数将随温度的升高而显著下降。通常把这种现象称为材料的热衰退性随温度的升高而显著下降。通常把这种现象称为材料的热衰退性。对于制动摩擦副，尤其应控制在热衰退的临界温度以下工作，。对
13、于制动摩擦副，尤其应控制在热衰退的临界温度以下工作，以保证其具有足够的制动能力。以保证其具有足够的制动能力。（6）表面粗糙度表面粗糙度：根据摩擦的分子根据摩擦的分子-机械理论，当机械理论，当表面粗糙度值大于表面粗糙度值大于50m时，分子分量可以忽略不时，分子分量可以忽略不计，因此，摩擦系数随着表面粗糙度值的减小而降计，因此，摩擦系数随着表面粗糙度值的减小而降低；当表面粗糙度值特别小，小于低；当表面粗糙度值特别小，小于20m时，摩擦时，摩擦系数中的分子分量起主要作用，机械分量可以忽略系数中的分子分量起主要作用，机械分量可以忽略不计，因此，摩擦系数随着表面粗糙度值的减小而不计，因此，摩擦系数随着表
14、面粗糙度值的减小而增大；表面粗糙度值愈小，实际接触面积愈大，因增大；表面粗糙度值愈小，实际接触面积愈大，因而摩擦系数也就愈大；在一般情况下，即而摩擦系数也就愈大；在一般情况下，即20m Ra50m范围内，表面粗糙度对摩擦系数的范围内，表面粗糙度对摩擦系数的影响不大。影响不大。133.2 磨损磨损v磨损的定义磨损的定义 物体相对运动时，相对运动表面的物质不断物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形的现象称为磨损。损失或产生残余变形的现象称为磨损。v磨损的分类磨损的分类 目前比较通用的分类方法是以目前比较通用的分类方法是以JT Burwell 和和C.D.Strang 提出的按照磨
15、损机理提出的按照磨损机理的分类方法为基础，将磨损分为粘着磨损、磨粒的分类方法为基础，将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀磨磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀磨损和气蚀磨损。其中最主要的是前面损和气蚀磨损。其中最主要的是前面5种。种。 实际上，两个接触表面很难达到理想光滑程实际上，两个接触表面很难达到理想光滑程度。如果出现粗糙度，实际接触仅限于微凸体之度。如果出现粗糙度，实际接触仅限于微凸体之间，这将会发生所谓应力调幅现象。一个较大范间，这将会发生所谓应力调幅现象。一个较大范围的应力场，变成很多分散的微观应力场，每一围的应力场，变成很多分散的微观应力场，每一个应
16、力峰对应一个微凸体的接触点。个应力峰对应一个微凸体的接触点。 由于实际接触面积远小于名义接触面积，每由于实际接触面积远小于名义接触面积，每一个微凸体上将承受更大载荷，故其实际应力分一个微凸体上将承受更大载荷，故其实际应力分布将大大高于理想表面接触的情况。布将大大高于理想表面接触的情况。 因此，表面粗糙度对磨损有重要影响。因此，表面粗糙度对磨损有重要影响。两个实际表面接触示意图v假定粗糙表面之间是多点接触，或进入接触的微假定粗糙表面之间是多点接触，或进入接触的微凸体都会发生塑性变形，可以推导出接触面积与凸体都会发生塑性变形，可以推导出接触面积与载荷之间近似为线性关系。载荷之间近似为线性关系。v在
17、两个实际的粗糙表面上，微凸体高度的分布是在两个实际的粗糙表面上，微凸体高度的分布是随机性的，在不同的微凸体上产生的变形程度也随机性的，在不同的微凸体上产生的变形程度也是极不均匀的。在最高的微凸体上将发生大量的是极不均匀的。在最高的微凸体上将发生大量的塑性变形；较低的微凸体上可能只发生弹性变形；塑性变形；较低的微凸体上可能只发生弹性变形；而最低的微凸体可能未发生接触。只要微凸体高而最低的微凸体可能未发生接触。只要微凸体高度分布符合高斯规律或指数函数关系，仍能得到度分布符合高斯规律或指数函数关系，仍能得到接触面积与载荷之间的线性关系。接触面积与载荷之间的线性关系。磨损危害零件及设备损坏机械事故频发
18、先进设计无法实施磨损的图片磨损的图片磨损自行车的齿轮3.3 磨损的分类磨损的分类粘着磨损粘着磨损(Adhesive Wear)当一固体材料在另一个固体材料表面上滑动或压当一固体材料在另一个固体材料表面上滑动或压在其表面上时，由于在其表面上时，由于分子力分子力的作用使两个表面发的作用使两个表面发生生焊合焊合，当施加的外力大于焊合点的结合力将两，当施加的外力大于焊合点的结合力将两表面拉开时，剪切一般发生在强度较低的固体材表面拉开时，剪切一般发生在强度较低的固体材料一面，在强度较高材料的表面将粘附有强度较料一面，在强度较高材料的表面将粘附有强度较低的材料，这种现象称为低的材料，这种现象称为粘着。粘着
19、。粘着磨损又称咬合磨损，它是指滑动摩擦时摩擦粘着磨损又称咬合磨损，它是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。 其特点在于材料由一其特点在于材料由一个表面向另一个表面或个表面向另一个表面或彼此之间的迁移彼此之间的迁移, 粘着结粘着结点强度越高点强度越高, 剪切深度越剪切深度越深深, 磨损越严重磨损越严重, 直至发直至发生胶合磨损。生胶合磨损。粘着磨损实际上是相互接触表面上的粘着磨损实际
20、上是相互接触表面上的微凸体微凸体不断不断地形成粘着结点和结点断裂并形成地形成粘着结点和结点断裂并形成磨屑磨屑而导致摩而导致摩擦表面破坏的过程。擦表面破坏的过程。粘着磨损粘着磨损的分类粘着磨损的分类 按照粘着结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损按照粘着结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有不同的形式：有不同的形式：.轻微粘着磨损：当粘结点的强度低于摩擦副两材轻微粘着磨损：当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时，剪切发生在界面上，此时虽然摩擦料的强度时，剪切发生在界面上，此时虽然摩擦系数增大，但磨损却很小，材料转移也不显著。系数增大，但磨损却很小，材料转移也不显著。通常在金属表面有氧化膜、硫化膜或其它
21、涂层时通常在金属表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发生这种粘着磨损发生这种粘着磨损 .一般粘着磨损：当粘结点的强度高于摩擦副中较一般粘着磨损：当粘结点的强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远软材料的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软材料表层内，因而软材料转移到硬材料表面上。的软材料表层内，因而软材料转移到硬材料表面上。.擦伤磨损：当粘结点的强度高于两对磨材料的强擦伤磨损：当粘结点的强度高于两对磨材料的强度时，剪切破坏主要发生在软材料的表层内，有时度时，剪切破坏主要发生在软材料的表层内，有时也发生在硬材料表层内。转移硬材料上的粘着物又也发生在硬材料表层内。转移硬材料上
22、的粘着物又使软材料表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软材使软材料表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软材料表面。料表面。 .胶合磨损：如果粘结点的强度比两对磨材料的剪胶合磨损：如果粘结点的强度比两对磨材料的剪切强度得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发切强度得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在对磨材料的基体内。此时，两表面出现严重磨生在对磨材料的基体内。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。v粘着磨损量一般随压力的增大逐渐增大粘着磨损量一般随压力的增大逐渐增大,当压力当压力(以兆帕计以兆帕计)数值相当于摩擦副中较软零件布氏硬数值相
23、当于摩擦副中较软零件布氏硬度数值的度数值的 1/30时，粘着突然变得严重，摩擦副时，粘着突然变得严重，摩擦副出现咬死现象。出现咬死现象。v相同材料组成摩擦副容易发生粘着。相同材料组成摩擦副容易发生粘着。v影响磨损的因素很多，摩损系数的变化也很大，影响磨损的因素很多，摩损系数的变化也很大，对洁净金属对洁净金属k=0.010.1,对于有氧化膜或润滑对于有氧化膜或润滑膜保护的表面，膜保护的表面，k值可低到值可低到 10-6或或10-7。v滑动速度和温度对粘着磨损也有很大的影响，摩滑动速度和温度对粘着磨损也有很大的影响，摩擦热使表面温度升高，它与压力和速度互有关系。擦热使表面温度升高，它与压力和速度互
24、有关系。在有润滑摩擦时表面温升导致润滑膜的破坏；在在有润滑摩擦时表面温升导致润滑膜的破坏；在无润滑摩擦时零件表面发生软化和相变等现象。无润滑摩擦时零件表面发生软化和相变等现象。 v防止粘着磨损的措施是防止粘着磨损的措施是：适当地选择摩擦：适当地选择摩擦副的配对材料；进行表面处理（如表面热处理、副的配对材料；进行表面处理（如表面热处理、化学热处理和表面涂层等）；选择合理的润滑剂化学热处理和表面涂层等）；选择合理的润滑剂和润滑方法。和润滑方法。磨料磨损磨料磨损(Abrasive Wear)v由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面
25、擦伤与表面材料脱落面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为的现象，称为磨料磨损，也称磨料磨损，也称磨粒磨损磨粒磨损。v其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。 其特征在于造成部件失效的磨损来自于磨粒对其特征在于造成部件失效的磨损来自于磨粒对摩擦副材料表面的犁削作用和塑性挤压变形摩擦副材料表面的犁削作用和塑性挤压变形磨粒磨损磨料磨损的分类磨料磨损的分类磨料磨损有多种分类方法。以力的作用特点来分，可分为：磨料磨损有多种分类方法。以力的作用特点来分，可分为： (1)低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于低应力划伤式的磨料磨损，它的特
26、点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型槽磨损情况就是属于这种类型 (2)高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。 (3)凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大
27、的凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。齿及颚式破碎机的齿板。v也有以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料也有以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。磨损和三体磨料磨损。v两体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，两体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为另一物体，如犁铧。磨料为一物体，零件表面为另一物体，如犁铧。v而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，前者如
28、活塞与汽缸或者介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落入磨料，后者如齿轮间落入磨料。间落入磨料，后者如齿轮间落入磨料。 磨料磨损的机理磨料磨损的机理 (1)微观切削磨损机理微观切削磨损机理 (2)多次塑变导致断裂的磨损机理多次塑变导致断裂的磨损机理 (3)微观断裂磨损机理微观断裂磨损机理疲劳磨损疲劳磨损v疲劳磨损也叫接触疲劳，是指当两个接触体相对疲劳磨损也叫接触疲劳，是指当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，表面层将引发裂纹，并料的疲劳强度的情况下，表面层将引发裂纹，并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下
29、来逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。的磨损过程。v疲劳磨损一般都经历裂纹的萌生、扩展、断裂三疲劳磨损一般都经历裂纹的萌生、扩展、断裂三个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特殊形式。个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特殊形式。v其特征是在摩擦表面上存在痘斑状的凹坑。其特征是在摩擦表面上存在痘斑状的凹坑。疲劳磨损现象及原理疲劳磨损现象及原理v 疲劳磨损的表现形式主要有点蚀、剥落和剥层等，这里重点介绍疲劳磨损的表现形式主要有点蚀、剥落和剥层等，这里重点介绍前面两种。前面两种。v 点蚀：点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展，最后二次点蚀：点蚀裂纹一般都从表面开始，向内倾斜扩展，最后
30、二次裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即形成点蚀。单个裂纹折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即形成点蚀。单个点蚀坑的表面形貌常表现为点蚀坑的表面形貌常表现为“扇形扇形”。1 剥落：剥落与点蚀，就其本质来讲是相同的，都属于接触剥落：剥落与点蚀，就其本质来讲是相同的，都属于接触疲劳失效的形式，但其特征有所区别。剥落裂纹一般起源于亚疲劳失效的形式，但其特征有所区别。剥落裂纹一般起源于亚表层内部软深的层次表层内部软深的层次(如可达到几百个微米如可达到几百个微米)，沿与表面平行方，沿与表面平行方向扩展，最后形成片状的剥落坑。向扩展，最后形成片状的剥落坑。 一般认为，剥落裂纹是由亚表层的循环切应力
31、引起的，所以一般认为，剥落裂纹是由亚表层的循环切应力引起的，所以在解释剥落产生的原因时，首先要考虑最大切应力在解释剥落产生的原因时，首先要考虑最大切应力 或正交切或正交切应力应力 的大小，前者是脉动的，后者是交变的。同时也要考虑的大小，前者是脉动的，后者是交变的。同时也要考虑亚表层内材料性能的变化。在一般情况下，由于加工硬化的亚表层内材料性能的变化。在一般情况下，由于加工硬化的原因，亚表层内的硬度会超过基体，而且越靠近表面硬度越高。原因，亚表层内的硬度会超过基体，而且越靠近表面硬度越高。影响疲劳磨损的因素：影响疲劳磨损的因素：载荷性质：施加拉伸弯曲应力显著地缩短接触疲劳寿命，载荷性质：施加拉伸
32、弯曲应力显著地缩短接触疲劳寿命，较小的附加压缩应力能够增加疲劳寿命，而大的压缩弯曲较小的附加压缩应力能够增加疲劳寿命，而大的压缩弯曲应力将降低疲劳寿命。应力将降低疲劳寿命。材料性能：钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，材料性能：钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。通常增加材料硬度通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性增加，可以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低接触疲劳寿命。反而
33、会降低接触疲劳寿命。 表面粗糙度：粗糙度值越大，疲劳寿命越短。表面粗糙度：粗糙度值越大，疲劳寿命越短。润滑剂润滑剂：增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能润滑剂润滑剂：增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。力。环境：环境：疲劳磨损只限于表面层，表面积疲劳磨损只限于表面层，表面积/(承受应力的体承受应力的体积积)比值比一般整体疲劳要大得多。因此环境的因素在这比值比一般整体疲劳要大得多。因此环境的因素在这种情况下具有更大的影响。种情况下具有更大的影响。腐蚀磨损（腐蚀磨损（corrosion wear ）v腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与
34、周围介质发生化学或电化学反应，并表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象，称为腐蚀伴随机械作用而引起的材料损失现象，称为腐蚀磨损。磨损。v腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。也可能转变为严重磨损。v其特征是化学腐蚀和机械磨损同时存在并互相促其特征是化学腐蚀和机械磨损同时存在并互相促进。进。常见的腐蚀磨损有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。常见的腐蚀磨损有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。v氧化磨损：大多数金属表面都被氧化膜覆盖着，氧化磨损：大多数金属表面都被氧化膜覆盖着，当形成的氧化膜被磨掉以后，又很快
35、形成新的氧当形成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，可见氧化磨损是由氧化和机械磨损两个作化膜，可见氧化磨损是由氧化和机械磨损两个作用相继进行的过程。用相继进行的过程。v同时应指出的是，一般情况下氧化膜能使金属表同时应指出的是，一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用。因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用。v特殊介质腐蚀磨损：特殊介质腐蚀磨损： 在摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学在摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损，称为特殊介质腐蚀腐蚀的情况下而产
36、生的磨损，称为特殊介质腐蚀磨损。磨损。 其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损率较大，其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损率较大，磨损痕迹较深。磨损痕迹较深。 金属表面也可能与某些特殊介质起作用而生金属表面也可能与某些特殊介质起作用而生成耐磨性较好的保护膜。成耐磨性较好的保护膜。 微动磨损（微动磨损（fretting wear ）v微动磨损：微动磨损为两个配合表面之间由一微微动磨损：微动磨损为两个配合表面之间由一微小振幅滑动所引起的一种磨损形式，是一种典型小振幅滑动所引起的一种磨损形式，是一种典型的复合式磨损。的复合式磨损。v在有振动的机械中，螺纹联接、花键联接和过盈在有振动的机械中，螺纹联接、花键联接
37、和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。配合联接等都容易发生微动磨损。v一般认为，微动磨损的机理是：摩擦表面间的法一般认为，微动磨损的机理是：摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。形成麻点或虫纹形伤疤。微动磨损的特点微动磨损的特点v在一定范围内磨损率随载荷增加而增加，超过某在一定范围内磨损率随载荷增加而增加，超过某极大值后又逐渐下降；极大值后又逐渐下降
38、；v温度升高则磨损加速；抗粘着磨损好的材料抗微温度升高则磨损加速；抗粘着磨损好的材料抗微动磨损也好；动磨损也好；v零件金属氧化物的硬度与金属硬度之比较大时，零件金属氧化物的硬度与金属硬度之比较大时，容易剥落成为磨粒，增加磨损；容易剥落成为磨粒，增加磨损；v若氧化物能牢固地粘附在金属表面，则可减轻磨若氧化物能牢固地粘附在金属表面，则可减轻磨损；损；v一般湿度增大则磨损下降。一般湿度增大则磨损下降。v在界面间加入非腐蚀性润滑剂或对钢进行表面处在界面间加入非腐蚀性润滑剂或对钢进行表面处理，可减小微动磨损。螺纹联接加装聚四氟乙烯理，可减小微动磨损。螺纹联接加装聚四氟乙烯垫圈也可减小微动磨损。垫圈也可减
39、小微动磨损。 磨损的理论磨损的理论表层的粘着开裂机制表层的粘着开裂机制 摩擦副的两个零件相互接触摩擦，某些部摩擦副的两个零件相互接触摩擦，某些部位会发生粘着，由于摩擦界面强烈的粘着超过了位会发生粘着，由于摩擦界面强烈的粘着超过了较软金属的临界剪切应力，产生了局部划移带，较软金属的临界剪切应力，产生了局部划移带，反复运动的结果使划移带处产生开裂，进而发生反复运动的结果使划移带处产生开裂，进而发生 翘起，翘起部位经过多次反复摩擦，最后被剪断，翘起，翘起部位经过多次反复摩擦，最后被剪断，于是产生了磨粒，导致磨损。于是产生了磨粒，导致磨损。磨损的分层理论磨损的分层理论 在磨损的试验中观察到片状磨粒，产
40、生片状磨在磨损的试验中观察到片状磨粒，产生片状磨粒是由于次表面和表面的变形在次表面形成裂纹粒是由于次表面和表面的变形在次表面形成裂纹并扩展的结果。并扩展的结果。 分层理论：磨损过程主要包括次表面变形、分层理论：磨损过程主要包括次表面变形、裂纹形核及裂纹形成扩展过程。在磨损时，最接裂纹形核及裂纹形成扩展过程。在磨损时，最接近表面的材料中位错密度较低，因此其冷加工硬近表面的材料中位错密度较低，因此其冷加工硬化程度比次表层低。随着摩擦运动的进行，位错化程度比次表层低。随着摩擦运动的进行，位错在次表面堆积，进而形成微孔，由于微孔的长大在次表面堆积，进而形成微孔，由于微孔的长大和连接，最后形成平行于磨损
41、的裂纹，当裂纹扩和连接，最后形成平行于磨损的裂纹，当裂纹扩展到临界长度时裂纹和表面之间的材料被剪切展到临界长度时裂纹和表面之间的材料被剪切而形成片状磨粒。而形成片状磨粒。v 减少分层磨损的途径：降低摩擦系数或增加材料减少分层磨损的途径：降低摩擦系数或增加材料强度，减少变形、提高材料的韧性，或在基体上强度，减少变形、提高材料的韧性，或在基体上覆盖一层很硬且具有一定厚度的化合物，强化基覆盖一层很硬且具有一定厚度的化合物，强化基体以致使次表层材料不易产生塑性变形体以致使次表层材料不易产生塑性变形 。v分层理论的不足：不能解释拉伤等现象，并且不分层理论的不足：不能解释拉伤等现象，并且不能解释高速条件下
42、的磨损。能解释高速条件下的磨损。 摩擦断裂摩擦断裂 材料被磨去的基本现象是显微范围内的断裂，材料被磨去的基本现象是显微范围内的断裂，或称摩擦断裂。摩擦断裂一般情况下有四种机制：或称摩擦断裂。摩擦断裂一般情况下有四种机制： 粘着点的剪切；粘着点的剪切；显微切削；显微切削； 冲击；冲击； 疲疲劳劳 。v摩擦时硬的显微凸起端部或颗粒如果在较软的材摩擦时硬的显微凸起端部或颗粒如果在较软的材料上滑动，它们就相当于一些微小切削工具，造料上滑动，它们就相当于一些微小切削工具，造成了切屑的形成，使软的材料表面被磨去一部分，成了切屑的形成，使软的材料表面被磨去一部分，磨损面上留下槽沟的痕迹。槽沟的宽度和深度决磨
43、损面上留下槽沟的痕迹。槽沟的宽度和深度决定于显微凸起端部和颗粒的大小。定于显微凸起端部和颗粒的大小。v基本的摩擦现象：整个过程见下图。这种显微范基本的摩擦现象：整个过程见下图。这种显微范围内的断裂多数是塑性的，很少是脆性的。围内的断裂多数是塑性的，很少是脆性的。v(4)冲击磨损冲击磨损v在冲蚀磨损过程中，颗粒以某一角度在冲蚀磨损过程中，颗粒以某一角度(0 90)撞击表面，造成冲蚀磨损。冲蚀过程中存撞击表面，造成冲蚀磨损。冲蚀过程中存在着脆性和延性不同的冲蚀机制。在着脆性和延性不同的冲蚀机制。v脆性冲蚀：如玻璃被冲蚀时会形成环形裂纹，脆性冲蚀：如玻璃被冲蚀时会形成环形裂纹，环形的半径要大于接触区
44、半径，进一步撞击使裂环形的半径要大于接触区半径，进一步撞击使裂纹发展并相互穿插，最后使表面某些局部形成碎纹发展并相互穿插，最后使表面某些局部形成碎片而被磨损。片而被磨损。v延性冲蚀：与脆性冲蚀相反，当撞击角为延性冲蚀：与脆性冲蚀相反，当撞击角为90时冲蚀很小，撞击角为时冲蚀很小，撞击角为20时冲蚀最大相当于时冲蚀最大相当于一种切削过程，也称切削磨损。一种切削过程，也称切削磨损。(5)疲劳磨损疲劳磨损v由于反复摩擦，接触表面出现疲劳现象。在表面光由于反复摩擦，接触表面出现疲劳现象。在表面光滑的情况下，滚动接触疲劳裂纹源不在表面而在距滑的情况下，滚动接触疲劳裂纹源不在表面而在距表面一定距离的地方，
45、一般在最大的切应力表面一定距离的地方，一般在最大的切应力 处。一旦形成疲劳裂纹源，在反复摩擦过程中裂纹处。一旦形成疲劳裂纹源，在反复摩擦过程中裂纹会逐渐扩展，最后造成局部脱落。会逐渐扩展，最后造成局部脱落。3.4 耐磨性及其表征耐磨性及其表征v 材料耐磨性是指某种材料在一定摩擦条件下抵抗材料耐磨性是指某种材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力。磨损的能力。v通常它以磨损率的倒数来表示耐磨性。通常它以磨损率的倒数来表示耐磨性。v由于材料的磨损性能是一个系统特性，并不是材由于材料的磨损性能是一个系统特性，并不是材料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件、料的固有特性，而是与磨损过程中的工作条件、材料本
46、身性能及相互作用等因素有关。因此，评材料本身性能及相互作用等因素有关。因此，评定材料耐磨性的好坏必须综合考虑系统的各种因定材料耐磨性的好坏必须综合考虑系统的各种因素。素。耐磨性的表征耐磨性的表征v目前比较常用的耐磨性表征方法有以下几种：线目前比较常用的耐磨性表征方法有以下几种：线磨损，质量磨损，体积磨损，磨损率，比磨损率，磨损，质量磨损，体积磨损，磨损率，比磨损率，磨损系数，相对耐磨性。磨损系数，相对耐磨性。v线磨损线磨损U（mm或或）：指磨损表面法线方向的）：指磨损表面法线方向的尺寸变化值；尺寸变化值；v重量（或质量）磨损重量（或质量）磨损 W（g或或mg）：指磨损表）：指磨损表面的重量或质
47、量损失；面的重量或质量损失；v体积磨损体积磨损 V（mm3或或3）：指磨损表面的体积）：指磨损表面的体积损失；损失；v磨损率磨损率(mg/m) ：单位磨程的磨损量；：单位磨程的磨损量； (mg/s) ：单位时间的磨损量；：单位时间的磨损量； (mg/n) ：单位转数的磨损量。：单位转数的磨损量。v比磨损率比磨损率(mm3/N*mm) ：单位载荷及磨程的：单位载荷及磨程的磨损体积。磨损体积。v相对耐磨性相对耐磨性（无量纲）（无量纲） ：试验试样与标准试样：试验试样与标准试样磨损量之比；磨损量之比；v磨损系数磨损系数1/（无量纲）（无量纲） ：相对耐磨性的倒数。：相对耐磨性的倒数。影响固体材料耐磨
48、性的因素影响固体材料耐磨性的因素 （1）硬度）硬度 通常认为材料的耐磨性由材料的硬度来通常认为材料的耐磨性由材料的硬度来衡量，但在有些情况下，例如冲蚀磨损，硬度的衡量，但在有些情况下，例如冲蚀磨损，硬度的高低与耐磨性未必一致。高低与耐磨性未必一致。（2）晶体结构和晶体的互溶性）晶体结构和晶体的互溶性 晶体结构为密排六晶体结构为密排六方材料，如钴等即使在摩擦面非常干净的情况下，方材料，如钴等即使在摩擦面非常干净的情况下，其摩擦系数也不高，磨损率也低。研究还表其摩擦系数也不高，磨损率也低。研究还表明冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可以获得明冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可以获得低摩擦系数和低磨损率。
49、低摩擦系数和低磨损率。（3）温度）温度 温度对磨损的影响是间接的。例如：温温度对磨损的影响是间接的。例如：温度升高，硬度下降，互溶性增加，磨损即加剧；度升高，硬度下降，互溶性增加，磨损即加剧；温度上升，氧化速率增加也可影响磨损性能。温度上升，氧化速率增加也可影响磨损性能。（4）环境环境 在真空条件下大多数金属的磨损是极其在真空条件下大多数金属的磨损是极其严重的。除了金以外，在大气条件下，许多金属严重的。除了金以外，在大气条件下，许多金属在经过切削或磨削后，洁净的表面在在经过切削或磨削后，洁净的表面在5分钟内就分钟内就产生一层产生一层550个分子层的氧化膜，氧化膜在防个分子层的氧化膜，氧化膜在防
50、止粘着方面有重大作用。止粘着方面有重大作用。 v在摩擦面之间加润滑剂是减少磨损的有效方法：在摩擦面之间加润滑剂是减少磨损的有效方法：v 流体膜润滑即流体膜把两金属隔开，把磨损减到流体膜润滑即流体膜把两金属隔开，把磨损减到最低限度；最低限度；v固体润滑即在固体表面采取固体润滑剂或使用的固体润滑即在固体表面采取固体润滑剂或使用的添加剂能与金属的表面发生反应生成厚为添加剂能与金属的表面发生反应生成厚为4040400nm400nm的氧化物或硫化物，避免金属与金属之间的的氧化物或硫化物，避免金属与金属之间的直接接触。直接接触。 典型磨损失效类型及提高耐磨性对典型磨损失效类型及提高耐磨性对材料表面的性能要
