1、第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳金属的磨损与接触疲劳 磨损是降低机器工作效率、准确度甚至使其报废的一个重要原因，同时也增加了材料的消耗。因此，生产上总是力求提高零件的耐磨性，从而延长其使用寿命。 主要内容主要内容磨损的模型磨损的模型磨损的概念磨损的概念磨损试验方法磨损试验方法金属接触疲劳金属接触疲劳7.1 7.1 磨损概念磨损概念机件表面相机件表面相接触接触并作并作相对运动相对运动时，表面逐渐分离出时，表面逐渐分离出磨屑磨屑，使，使表面材表面材料逐渐流失料逐渐流失、造成、造成表面损伤表面损伤的现象。的现象。 一、（摩擦）磨损一、（摩擦）磨损1. 定义高性能炭/炭航空制动材料的
2、制备技术黄伯云：国家技术发明奖一等奖飞机起落架摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工作温度。作温度。2. 影响因素l 磨损是一个复杂的系统工程机件正常运行的磨损过程（a）磨损量磨损量与与时间或行程关系曲线；时间或行程关系曲线；（b）磨损速率磨损速率与与时间或行程关系曲线时间或行程关系曲线 3. 磨损的分类方法粘着磨损粘着磨损磨粒磨损磨粒磨损冲蚀磨损冲蚀磨损疲劳磨损疲劳磨损微动磨损微动磨损腐蚀磨损腐蚀磨损7.2 7.2 磨损模型磨损模型定义：在定义：在滑动滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动摩擦条件下，
3、当摩擦副相对滑动速度较小速度较小（钢小于（钢小于1m/s）时发生的，）时发生的，原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，接触接触s又称咬合磨损又称咬合磨损一、粘着磨损一、粘着磨损1. 磨损机理l 粘着磨损的基本过程粘着粘着剪断剪断转移转移再再粘着粘着 压力作用压力作用塑性变形、局部温度升高塑性变形、局部温度升高粘着（焊接）粘着（焊接） 摩擦力摩擦力-撕脱、剪切撕脱、剪切材料转移材料转移2 重重要特征：要特征：转移膜转移膜、化学成分变、化学成分变化化机机件表面有件表面有大小不等的结疤大小不等的结疤l粘着点强度与两摩擦副强
4、度相粘着点强度与两摩擦副强度相比比大于一方大于一方相同金属间滑动相同金属间滑动低于两者低于两者磨损量小磨损量小大于两者大于两者3. 磨损量的计算 由阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨损量估算方法计算可得总滑动距离内的粘着磨损体积为 式中 总滑动距离； 单向压缩屈服强度； K 磨屑形成几率； 材料的断后伸长率。sctKFlV9tlscK/10-144. 影响因素材料特性材料特性 塑性材料、互溶性大的材料、单相金属、固溶体、金属与金属摩擦塑性材料、互溶性大的材料、单相金属、固溶体、金属与金属摩擦副副法向力法向力 在在V滑动滑动一定时，一定时，F、V。F1/3H，V 滑动速度滑动速度 在在
5、F一定时，一定时， V滑动滑动、V先先后后表面粗糙度、表面温度以及润滑状态表面粗糙度、表面温度以及润滑状态硬度及载荷的影响粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，如图所示，K/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系。当载荷值超过材料硬度值的1/3时，磨损急剧增加，严重时咬死。因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。速度的影响在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少。下图为摩擦速度不太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。表面温度的影响 表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易
6、产生粘着磨损。上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达到临界值当表面温度达到临界值( (约约8080) )时时, , 磨损量磨损量和摩擦系数都急剧增加。和摩擦系数都急剧增加。润滑油、润滑脂的影响 在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。 油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。 极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界
7、摩擦条件下而引起的粘着现象。5. 改善粘着磨损耐磨性的措施(1) (1) 选择粘着倾向较小的摩擦副配对材料选择粘着倾向较小的摩擦副配对材料 互溶性小、表面易形成化合物、金属与非金属配对互溶性小、表面易形成化合物、金属与非金属配对(2) (2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态采用表面化学热处理改变材料表面状态 渗硫渗硫、渗氮、磷化、氮碳共渗等。、渗氮、磷化、氮碳共渗等。(3) (3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力控制摩擦滑动速度和接触压应力(4)(4)改善润滑条件，增强表面氧化膜稳定性改善润滑条件，增强表面氧化膜稳定性二、磨粒磨损二、磨粒磨损 定义：当摩擦副一方表面存在坚硬的定义：当摩擦副一
8、方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。硬质粒子时所产生的一种磨损。 两体磨粒磨损两体磨粒磨损 三体磨粒磨损三体磨粒磨损1. 磨粒磨损机理l 磨粒磨损的分类p根据磨粒所受应力大小不同：根据磨粒所受应力大小不同：凿削式磨粒磨损凿削式磨粒磨损高应力碾碎性磨粒磨损高应力碾碎性磨粒磨损低应力擦伤性磨粒磨损低应力擦伤性磨粒磨损p根据磨粒硬度与被磨材料硬度相对关系：根据磨粒硬度与被磨材料硬度相对关系：硬磨粒磨损硬磨粒磨损软磨粒磨损软磨粒磨损TiN涂层人工膝关节l 磨粒磨损的特征在碾碎性磨粒磨损时，集中压应力，塑性变形在碾碎性磨粒磨损时，集
9、中压应力，塑性变形或脆性断裂或脆性断裂磨粒磨损过程磨粒磨损过程 切削作用，塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断切削作用，塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂裂 特征：明显犁皱形成的沟槽特征：明显犁皱形成的沟槽 剪切、犁皱或切削剪切、犁皱或切削 韧性材料，连续屑；脆性材料，断屑韧性材料，连续屑；脆性材料，断屑2. 磨损量的估算磨粒磨损量与法向力、摩擦距离成正比与材料硬度磨粒磨损量与法向力、摩擦距离成正比与材料硬度成反比，与硬材料凸出部分和磨粒形状有关成反比，与硬材料凸出部分和磨粒形状有关tanF lVKH3. 影响因素硬度硬度与与H/E成比例成比例断裂韧度断裂韧度 硬度和硬度和KIC配合最佳时，耐磨性最高
10、配合最佳时，耐磨性最高显微组织显微组织 组织硬度、细化晶粒、组织硬度、细化晶粒、加工硬化加工硬化l磨粒硬度对磨损的影响磨粒硬度对磨损的影响I区：区：HaH，磨损量较大，磨损量较大, 1.31.7III区：硬度是控制因素区：硬度是控制因素I区：通过表面严重变形，疲劳而发区：通过表面严重变形，疲劳而发生，硬度是次要因素。生，硬度是次要因素。4. 改善磨粒磨损耐磨性的措施(1) 增加材料硬度增加材料硬度(2) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料根据机件服役条件，合理选择耐磨材料(3) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理(4) 经常注意机件防尘和清洗经常注意机件防尘和清洗铝合
11、金材质的轴瓦，轴是灰铁材质。转速为300rpm。运行10秒抱死,接触面有润滑油。最终判断为铝片进入导致。l 冲蚀磨损冲蚀磨损 定义：流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所定义：流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。造成的磨损。 分类：分类：气固冲蚀气固冲蚀、流体冲蚀、液滴冲蚀和气蚀磨损、流体冲蚀、液滴冲蚀和气蚀磨损 现象：现象：短程沟槽、冲蚀坑、微小裂纹短程沟槽、冲蚀坑、微小裂纹 塑性材料，短程微切削；脆性材料，裂纹形成与快速扩展塑性材料，短程微切削；脆性材料，裂纹形成与快速扩展 影响因素：冲击角、粒子性态、材料硬度影响因素：冲击角、
12、粒子性态、材料硬度l 腐蚀磨损腐蚀磨损 定义：在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学定义：在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。 分类：分类：氧化磨损氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、特殊介质腐蚀磨损l 微动磨损微动磨损 定义：接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损。定义：接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损。 特征：嵌合和紧配合处，微小滑动特征：嵌合和紧配合处，微小滑动 8.3 磨损试验方法1. 磨损试验方法 零件
13、磨损试验：以实际零件在机器实际工作条件下进行试验。试验具有真实性和可靠性，但其试验结果是结构，材料、工艺等多种因素的综合表现，不易进行单因素的考察 。 试样磨损试验：将欲试验的材料加工成试样，在规定的试验条件下进行试验，它一般多用于研究性试验，可以通过调整试验条件，对磨损某一因素进行研究，以探讨磨损机制及其影响规律。 328.3 磨损试验方法 2. 磨损试验机圆盘圆盘销式磨损试销式磨损试验机验机 滚子式磨损试验机滚子式磨损试验机 往复运动式往复运动式磨损试磨损试验机验机 滚子式磨损试验机滚子式磨损试验机 砂纸砂纸磨损试验机磨损试验机 切入式切入式磨损试验磨损试验机机 8.3 磨损试验方法3.
14、磨损量的测量 称重法：根据试样在试验前后的重量变化，用精密分析天平称量，来确定磨损量。它适用于形状规则和尺小的试样和在摩擦过程中不发生较大塑性变形的材料。 尺寸法：根据表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。为了便于测量，在摩擦表面上选一测量基准，借助长度测量仪器及工具显微镜等来度量摩擦表面的尺寸。 7.3 7.3 磨损试验方法磨损试验方法l 还要测量什么？还要测量什么？ 摩擦系数摩擦系数 摩擦副、润滑材料摩擦副、润滑材料 不同载荷形式、载荷大小、速度、温度、介质不同载荷形式、载荷大小、速度、温度、介质摩摩擦系数擦系数被被测测试试样样的的磨磨损损量量标标准准试试样样的的磨磨损损量量 磨痕轮廓
15、线05001000150020002500300035000.250.300.350.400.45 friction coefficuentsliding time/sTi-alloyMAO films摩擦系数变化磨损量磨损量越小，耐磨性越高。越小，耐磨性越高。磨损量：磨损量： 线磨损；体积磨损；质量磨损。线磨损；体积磨损；质量磨损。相对耐磨性：相对耐磨性：MHK-500MHK-500型环块磨损试验机型环块磨损试验机 技术指标：技术指标：1.接触形式：线接触接触形式：线接触2.磨损方式：纯滑动磨损磨损方式：纯滑动磨损3.加载方式：砝码、杠杆加载（杠杆比加载方式：砝码、杠杆加载（杠杆比1:10）
16、4.载荷范围：载荷范围：10kg-500kg5.主轴转速：主轴转速：100-1440转转/分，无级调速分，无级调速销盘式摩擦磨损试验机销盘式摩擦磨损试验机(MPX-2000(MPX-2000型型) )主轴转速主轴转速 ： 60r/min 60r/min 12000r/min12000r/min主轴转速示值准确度：主轴转速示值准确度： 2r/min 2r/min 高温炉温度范围：高温炉温度范围： 室温室温 800800；高温炉密封性能：高温炉密封性能： 在连续充入氮气（纯度在连续充入氮气（纯度 99.9%99.9%以上）的条件下，炉内氧气含量应能达以上）的条件下，炉内氧气含量应能达到到1%1%以
17、下。以下。最大负荷：最大负荷： 2000N2000N该机主要是以滑动摩擦的形式，在极高的点接触压力条件下评定润滑剂的承载能力。包括最大无卡咬负荷PB、烧结负荷PD、综合磨损值ZMZ等三项指标。该机还可以做润滑剂的长时抗磨损试验，测定摩擦系数，记录摩擦力和温度曲线。四球摩擦试验机德国布鲁克公司德国布鲁克公司 UMT UMT 系列多功能材料力学测试系统系列多功能材料力学测试系统UMT 系列产品主要用于从纳米、显微及宏观水平上，对各种材料，薄膜/涂层/改性层，固态或液态的润滑层，润滑油和润滑剂的力学、摩擦学研究及其评价的测试系统。被测样品可以是尺寸直径从纳米尺度（如纳米碳管）到几百毫米的任何形状物体
18、。l 橡胶轮磨粒磨损试验橡胶轮磨粒磨损试验序号序号试验条件试验条件材料或参数材料或参数1 1橡胶轮材料橡胶轮材料氯丁橡胶氯丁橡胶2 2磨料磨料50-7050-70目石英砂目石英砂3 3轮缘速度轮缘速度140m/min140m/min4 4摩擦行程摩擦行程10001000转，转，550-660m550-660m5 5载荷压力载荷压力130N130N6 6试样尺寸试样尺寸5050757510mm10mm3 3l 冲蚀磨损试验冲蚀磨损试验2 26 61 13 38 84 45 59 9111110107 71 1砂量调节杆砂量调节杆2 2砂斗砂斗3 3进砂管进砂管4 4电阻炉电阻炉5 5砂气混合室砂
19、气混合室6 6排气管排气管7 7试样试样8 8载气预热管载气预热管9 9、1111热电偶热电偶1010喷管喷管GW/CSGW/CSMSMS装置结构简图装置结构简图l 高温冲蚀磨损试验高温冲蚀磨损试验437.4 7.4 金属接触疲劳金属接触疲劳定义：机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩定义：机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使材料损失的现象小块状金属剥落而使材料损失的现象一、接触疲劳现象与接触应力一、接触疲劳现象与接触应力1. 接触疲劳
20、形态特征：形态特征：小针状或痘状凹坑，小针状或痘状凹坑，贝壳状贝壳状根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：(1) 麻点剥落（点蚀）麻点剥落（点蚀） (2) 浅层剥落浅层剥落 (3) 深层剥落（表面压碎）深层剥落（表面压碎）2. 接触应力两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称为接触应力，也称为两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称为接触应力，也称为赫兹应力。赫兹应力。线接触线接触（齿轮）与（齿轮）与点接触点接触（滚珠轴承）（滚珠轴承）l线接触：线接触：假设两圆柱体的半径分别为假设两圆柱体的半径分别为R1、R2，长，长l，线接触线接触面接触（面
21、积面接触（面积2bl）弹性力学，接触压应力沿弹性力学，接触压应力沿y轴按半椭圆轴按半椭圆柱规律分布，柱规律分布，y=0处，达到最大值：处，达到最大值：2121max418.0RRRRlFEz222454545xyyxxzzxyzzy沿接触深度的主应力和最大切应力分布沿接触深度的主应力和最大切应力分布脉动切应力达最大值轴，沿maxmax4545)33.03.0(,786.0Zzzyzybz对称循环切应力，轴周边，max256.0max0,85.0,5.0Zzbybzl 点接触：点接触：接触面可能是椭圆或圆接触面可能是椭圆或圆椭圆时椭圆时，接触应力按半椭圆球规律分布，接触应力按半椭圆球规律分布对于
22、半径为对于半径为R的圆球和平面的点接触，接触的圆球和平面的点接触，接触圆半径：圆半径：达最大值45,786.0zybl 接触压应力：表面最大，沿z减小l 切应力：表层下（0.786b 或0.5b） yz45或0l 存在滑动摩擦，切向力+主切应力最大综合切应力移向表面l =0.1，移到表面。（麻点）塑性变形塑性变形二、接触疲劳破坏机理二、接触疲劳破坏机理起源于起源于表面表面，0.10.2mm深，针状深，针状或痘状凹坑或痘状凹坑表面最大综合切应力表面最大综合切应力滚动滚动+滑动滑动1. 麻点剥落（点蚀）2. 浅层剥落 起源于起源于亚表面层亚表面层，0.20.4mm0.20.4mm深深 接触应力反复
23、作用接触应力反复作用 非金属夹杂物附近非金属夹杂物附近轴承滚道表面剥落，可见夹杂物3. 深层剥落（压碎性剥落） 起源于起源于表面硬化过渡区表面硬化过渡区 0.4mm0.4mm 裂纹形成后沿过渡区平行扩展，裂纹形成后沿过渡区平行扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。成较深的剥落坑。三、接触疲劳试验方法三、接触疲劳试验方法接触疲劳曲线接触疲劳曲线max-Nmax是按赫兹公式计算出来的最大压是按赫兹公式计算出来的最大压应力，应力，N为破坏循环周次。为破坏循环周次。 N0=107 规定：当试样上深层剥落面积规定：当试样上深层剥落面积3mm3mm2 2或当试样上麻
24、点剥落（集中区）在或当试样上麻点剥落（集中区）在10mm10mm2 2面积内出现麻点率达面积内出现麻点率达15%15%的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。 疲劳试验机：纯滚动和滚动带滑动两类。疲劳试验机：纯滚动和滚动带滑动两类。Mo钢的接触疲劳S-N曲线 1碳氮共渗试样，渗层厚度为0.66mm；2渗碳试样，渗层厚度为0.76mm四、影响接触疲劳寿命的因素四、影响接触疲劳寿命的因素l内部因素内部因素1. 非金属夹杂物非金属夹杂物 2. 热处理组织状态热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬度表面硬度与心部硬度 4. 表面硬化层深度表面硬化层深度 5. 残余内应力残余内应力l外部因素外部因素1. 表面粗糙度与接触精度表面粗糙度与接触精度 2. 硬度匹配硬度匹配57作业：作业：名词解释1、粘着磨损2、磨粒磨损3、接触疲劳
