1、 任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。因机件间摩擦磨损要多消耗总能源的因机件间摩擦磨损要多消耗总能源的1/3-1/2，并引起不少机件失效。磨，并引起不少机件失效。磨损每年给人类带来上千亿美元的巨额损每年给人类带来上千亿美元的巨额浪费。浪费。n 概述概述第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳零
2、件的磨损让我们付出了很多时间和金钱零件的磨损让我们付出了很多时间和金钱衣物的磨损衣物的磨损第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳F1赛车的磨损现象赛车的磨损现象第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳轮胎压痕轮胎压痕(SEM 5000X)摩擦痕迹摩擦痕迹(350X)第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳特大车祸特大车祸 刹车失灵刹车失灵伊空难伊空难 飞机轮胎爆裂飞机轮胎爆裂第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳磨损导致的灾难性事故磨损导致的灾难性事故 研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少材料研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减
3、少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。消耗、延长机件寿命具有重要意义。 讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 研究意义和主要研究内容研究意义和主要研究内容n 摩擦及磨损的概念摩擦及磨损的概念l摩擦摩擦定义：定义：两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作对运动，或者具有相对
4、运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用。用。l按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：滑动摩擦滑动摩擦：一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。：一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。滚动摩擦滚动摩擦：物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。：物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 经典摩擦理论经典摩擦理论15081508年意大利科学家达年意大利科学家达芬奇首先对固体的摩擦进行了研究，第一芬奇首先对固体的摩擦进行了研究，第一个提出个提出“物体要滑动时，便产生叫做摩擦力的阻力，并指出摩
5、擦力物体要滑动时，便产生叫做摩擦力的阻力，并指出摩擦力与物体的重量成正比，与法向接触面积无关与物体的重量成正比，与法向接触面积无关”。l699l699年法国工程师阿蒙顿进行了摩擦试验，并建立了摩擦的基本公年法国工程师阿蒙顿进行了摩擦试验，并建立了摩擦的基本公式。式。17851785年法国科学家库仑发展了阿蒙顿的工作，完成了如下的经典摩年法国科学家库仑发展了阿蒙顿的工作，完成了如下的经典摩擦定律：擦定律：第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳F=*Pn 经典摩擦理论经典摩擦理论1) 1) 摩擦力与作用于摩擦面间的法向载荷成正比摩擦力与作用于摩擦面间的法向载荷成正比: :2) 2) 摩
6、擦力的大小与名义接触面积无关。摩擦力的大小与名义接触面积无关。3) 3) 静摩擦力大于动摩擦力。静摩擦力大于动摩擦力。4) 4) 摩擦力的大小与滑动速度无关。摩擦力的大小与滑动速度无关。5) 5) 摩擦力的方向总是与接触表面间相对运动速度的方向相反。摩擦力的方向总是与接触表面间相对运动速度的方向相反。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳定义：定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表
7、面损伤的现象。成表面损伤的现象。n 摩损摩损第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 特点特点磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂过程。有塑性变形引起的形磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂过程。有塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变变硬化及应力分布的改变,因摩擦热引起的二次相变淬火因摩擦热引起的二次相变淬火,回火及回复再回火及回复再结晶等现象发生，是多种因素相互影响的复杂过程结晶等现象发生，是多种因素相互影响的复杂过程 。而且这种变形与。而且这种变形与是反复进行的是反复进行的,具有动态特征。所以由常规试验标志的材料力学性能不具有动态特征。所以由常规试验标志的材料力学性能不一定能
8、如实反映出材料耐磨性的优劣。一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。n 磨损过程磨损过程表面被磨平，表面被磨平，实际接触面实际接触面积不断增大，积不断增大，表面应变硬表面应变硬化，形成氧化，形成氧化膜，磨损化膜，磨损速率减小。速率减小。斜率就是磨损速率，唯一稳定值；斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役；段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。的表现来评价。随磨损的增长，磨随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙耗增加，表面间隙增大，表面质量恶增大，表面质量恶 化，机件快速失效。化，机件快速失效。第七章第七章 金
9、属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳磨损磨损类型类型n 表面破坏方式及特征表面破坏方式及特征破坏方式破坏方式 基基 本本 特特 征征微动磨损微动磨损磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常作磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常作为磨料加剧磨损。为磨料加剧磨损。剥剥 层层破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。胶胶 合合表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在
10、高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。咬咬 死死黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，摩黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。擦副相对运动受到阻碍或停止。点点 蚀蚀材料以极细粒状脱落，出现许多材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。研研 磨磨 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划划 伤伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。凿凿 削削存在压坑，
11、间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 表面破坏方式与机理对应关系表面破坏方式与机理对应关系第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。多种磨损机制可能同时出现或交替发生作用。分析解决实际磨损问题多种磨损机制可能同时出现或交替发生作用。分析解决实际磨损问题要判别要判
12、别哪几类磨损在起作用，起主导作用的是哪类磨损哪几类磨损在起作用，起主导作用的是哪类磨损，进而采取相应，进而采取相应措施减少磨损。措施减少磨损。n 磨损的类型磨损的类型第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 磨损量与滑动速度和载荷的关系磨损量与滑动速度和载荷的关系 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 耐磨性评价耐磨性评价用摩擦表面法向尺寸减少量来表示用摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为，称为线磨损量线磨损量；用体积和重量法来表示，分别称为用体积和重量法来表示，分别称为体积磨损量和重量磨损量体积磨损量和重量磨损量。用用耐磨强度或耐磨率耐磨强度或耐磨率表示其磨损特表示
13、其磨损特性，前者指单位行程的磨损量，单位性，前者指单位行程的磨损量，单位为为m/mm/m或或mg/mmg/m；后者指单位时间的；后者指单位时间的磨损量磨损量, ,单位为单位为m/hm/h或或mg/hmg/h。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 粘着磨损粘着磨损 粘着磨损又称咬合磨损。是因粘着磨损又称咬合磨损。是因两种材料表面某些接触点局部压两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生应力超过该处材料屈服强度发生粘合粘合, ,并拽开而产生的一种表面并拽开而产生的一种表面损伤磨损损伤磨损, ,多发生在摩擦付相对滑多发生在摩擦付相对滑动速度小动速度小, ,接触面氧化膜脆
14、弱接触面氧化膜脆弱, ,润润滑条件差，及接触应力大的滑动滑条件差，及接触应力大的滑动摩擦条件下。摩擦条件下。磨损特征磨损特征是表面有大小不等的结疤。是表面有大小不等的结疤。 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳AFM图象图象第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳轮廓仪得到的表面形貌轮廓仪得到的表面形貌 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳固体表面形貌的表征固体表面形貌的表征 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 形成机理形成机理 由于表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一定载荷由于表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一
15、定载荷作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏，两摩擦表面金属作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏，两摩擦表面金属直接接触形成粘结点（固相焊合）；摩擦热产生使接触点处熔化和熔合直接接触形成粘结点（固相焊合）；摩擦热产生使接触点处熔化和熔合（热焊合）；（热焊合）；当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑或发生转移。脱落的材料或成为磨屑或发生转移。粘着粘着-剪断剪断-转移转移-再粘着循环不断进再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。行，构成粘着磨损过程。 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触
16、疲劳局部粘着局部粘着（冷焊）（冷焊）粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划伤或金属表面被划伤或者金属屑粒脱落者金属屑粒脱落局部接触局部接触接触面积小接触面积小应力大应力大润 滑 油 膜 、润 滑 油 膜 、氧 化 膜 被 挤氧 化 膜 被 挤破破第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 形成机理形成机理第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 特点特点在滑动摩擦条件上产生；在滑动摩擦条件上产生；摩擦副的两种金属力学性能相差不大；摩擦副的两种金属力学性能相差不大；磨损速度大，磨损速度大，1015m/h，破坏严重。，破坏严重。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳
17、n 五类典型粘着磨损五类典型粘着磨损 (1)(1)轻微磨损轻微磨损: : 粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切切强度都低，剪切破坏发生在粘强度都低，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。着结合面上，表面转移的材料较轻微。(2)(2)涂抹涂抹: : 粘着结合强度大于较软金属抗剪粘着结合强度大于较软金属抗剪切切强度，小于较硬金属抗剪强度，小于较硬金属抗剪切切强度。强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面金属表面。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲
18、劳n 五类典型粘着磨损五类典型粘着磨损 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳(3)擦伤：擦伤： 粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表的亚表层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。面出现细而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤：划伤： 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合 强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表
19、面呈现宽而深的划痕。强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。(5) (5) 咬死咬死： 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低低 于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。n 粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素(1)(1)摩擦副材料：摩擦副材料： a:a:材料性能：材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生 在
20、表层深处，磨损在表层深处，磨损颗粒大。颗粒大。脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。容易脱落，不堆积于表面。根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。有一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳b
21、:b:材料的互溶性：材料的互溶性： 相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。 异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。 金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦 副副 。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳c: c: 材料的表面处理：材料的表面处理： 通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏化物等薄膜可以减少粘着
22、效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。深度，提高抗粘着磨损的能力。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳d:d:材料的硬度：材料的硬度： 硬度高的金属比硬度低的硬度高的金属比硬度低的 金属抗粘着能力强，表面金属抗粘着能力强，表面 接触应力大于较软金属硬接触应力大于较软金属硬 度的度的1/31/3时，很多金属将由时，很多金属将由 轻微磨损转变为严重的粘轻微磨损转变为严重的粘 着磨损。着磨损。e: e: 表面粗糙度：表面粗糙度：一般情况下，一般情况下， 降低摩擦副的表面粗糙度能降低摩擦副的表面粗糙度能 提高抗粘着能力。提高抗粘着能力。硬度的影响硬度的影响第七章第七章 金
23、属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳(2) (2) 外部环境条件：外部环境条件： a:a:润滑条件：润滑条件：在润滑油或润滑脂中加入油性或极压添加剂；在润滑油或润滑脂中加入油性或极压添加剂；选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降低表面温度；改选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降低表面温度；改善表面形貌以减少接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能善表面形貌以减少接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。力。 b:b:相对滑动速度：相对滑动速度：载荷一定的情况下，粘着磨损量随滑动速载荷一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加，表面温度升度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加，表面
24、温度升高，表面生成的氧化膜阻止了金属间的直接接触，减少了高，表面生成的氧化膜阻止了金属间的直接接触，减少了粘着磨损。粘着磨损。 n 粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳c:c:载荷的影响：载荷的影响： 当载荷增大到某一临界当载荷增大到某一临界 值后，粘着磨损量会急值后，粘着磨损量会急 剧增加。右图是载荷与剧增加。右图是载荷与 磨痕直径的变化，当载磨痕直径的变化，当载 荷达到一定值时，磨痕荷达到一定值时，磨痕 直径迅速增大，此载荷直径迅速增大，此载荷 称为胶合载荷。称为胶合载荷。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 d:d:表面温度
25、：表面温度： 温度主要导致摩擦表面：温度主要导致摩擦表面： (1)(1)表面性质发生变化：表面性质发生变化：如硬化、如硬化、相变或软化。相变或软化。 (2)(2)表面膜变化：表面膜变化：破坏表面膜，破坏表面膜，导致氧化膜或其它形式化合物导致氧化膜或其它形式化合物膜形成。膜形成。 (3)(3)润滑剂的性质发生变化润滑剂的性质发生变化：油：油膜氧化或热降解，油膜离析。膜氧化或热降解，油膜离析。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 一般情况下，温度升高，材一般情况下，温度升高，材料硬度下降，摩擦表面容易料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。产生粘着磨损。金属表面的实际构成示意图金属表面
26、的实际构成示意图 工程表面工程表面n 磨粒磨损磨粒磨损1 1 定义定义: : 摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。2 2 磨料磨损分类及其磨损特征：磨料磨损分类及其磨损特征：分类分类 类型类型 特特 征征实例实例 磨料磨料 固定固定 形态形态 自由自由 磨损磨损磨粒自由松散，可以在表面磨粒自由松散，可以在表面滑动或滚动，磨粒之间也有滑动或滚动，磨粒之间也有相对运动。相对运动。刮板、输刮板、输送机传送送机传送带
27、带 固定固定 磨损磨损磨料固定，在磨损表面作相对磨料固定，在磨损表面作相对滑动，磨料可以是小颗粒，也滑动，磨料可以是小颗粒，也可以是很大的整体颗粒。可以是很大的整体颗粒。采煤机截采煤机截齿、挖掘齿、挖掘机斗齿机斗齿第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳接接触触表表面面两体两体磨损磨损硬磨料或硬表面微凸体与一硬磨料或硬表面微凸体与一个摩擦表面对磨的磨损个摩擦表面对磨的磨损水轮机轮水轮机轮叶叶三体三体磨损磨损磨粒介于两摩擦表面之间，磨粒介于两摩擦表面之间，并在两表面间滑动并在两表面间滑动齿轮、滑齿轮、滑动轴承间动轴承间力力的的作作用用特特点点划伤划伤磨损磨损磨料的作用应力低于其压溃磨料
28、的作用应力低于其压溃强度，材料表面被轻微划伤强度，材料表面被轻微划伤输送机传送输送机传送带带碾压碾压磨损磨损磨料与表面接触最大压应力大于磨料的磨料与表面接触最大压应力大于磨料的压溃强度压溃强度磨粒不断被碾碎，一般材料被磨粒不断被碾碎，一般材料被拉伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳；拉伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳；脆性材料发生碎裂或剥落脆性材料发生碎裂或剥落破碎滚筒破碎滚筒球蘑机球球蘑机球凿削凿削磨损磨损磨料对表面有高应力冲击运磨料对表面有高应力冲击运动，材料表面被凿削动，材料表面被凿削颚式破碎颚式破碎机齿板机齿板相相对对硬硬度度硬料磨损硬料磨损磨料硬度大于材料硬度磨料硬度大于材料硬度石英石英-
29、-钢材钢材软料磨损软料磨损磨料硬度低于材料硬度磨料硬度低于材料硬度 矿石矿石- -钢钢磨磨料料特特性性 干磨损干磨损磨料是干燥的磨料是干燥的球磨机干磨球磨机干磨湿料磨损湿料磨损磨料含水分，加速磨损磨料含水分，加速磨损球磨机湿磨球磨机湿磨流体磨损流体磨损气或液体带磨料冲刷表面气或液体带磨料冲刷表面泥浆泵等泥浆泵等工工作作环环境境一般磨损一般磨损正常条件下的磨料磨损正常条件下的磨料磨损各类机械各类机械腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀介质中的磨料磨损腐蚀介质中的磨料磨损化工机械等化工机械等热料磨损热料磨损高温工作下的磨料磨损高温工作下的磨料磨损沸腾炉等沸腾炉等第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳
30、主要特征是摩擦面上有明显主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽，见右图。犁皱形成的沟槽，见右图。 在磨粒磨损时，对于韧性金在磨粒磨损时，对于韧性金属材料，每一磨粒从表面上属材料，每一磨粒从表面上切下的是一个连续屑；对于切下的是一个连续屑；对于脆性金属材料，一个磨粒切脆性金属材料，一个磨粒切下的是许多新屑。下的是许多新屑。n 磨粒磨损的主要特征磨粒磨损的主要特征n 磨粒磨损机理磨粒磨损机理(1) (1) 微观切削微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削，产生槽状
31、磨痕。切削，产生槽状磨痕。(2) (2) 挤压剥落挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状剥落碎压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状剥落碎屑。屑。(3) (3) 疲劳破坏疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用：摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。下，使表面材料因疲劳而剥落。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 影响磨粒磨损的因素：影响磨粒磨损的因素：(1)(1)硬度因素：硬度因素：磨料硬度磨料硬度H0与试件硬度与试件硬度H比比值值: 当磨料硬度低于试件硬当磨料硬度
32、低于试件硬度度, 即即H0 (0.71)H不产生不产生磨料磨损或产生轻微磨损。磨料磨损或产生轻微磨损。当磨料硬度超过试件硬度后，当磨料硬度超过试件硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。磨损量随磨料硬度而增加。若磨料硬度很高将产生严重若磨料硬度很高将产生严重磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当 H 1.3 H0 时时只发生轻微的只发生轻微的 磨料磨损。磨料磨损。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳（2 2）磨粒尺寸：）磨粒尺寸：一般金属的磨损率随磨粒平均
33、尺寸的增大而一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大约为临界尺寸大约为80m80m。磨粒尺寸影磨粒尺寸影响响第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳（3 3）载荷的影响：）载荷的影响：磨损率与压力成正比，但有一转折点，磨损率与压力成正比，但有一转折点，当压力达到或超过临界压力时，磨损率随压力的增加当压力达到或超过临界压力时，磨损率随压力的增加变的平缓变的平缓。载荷载荷第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳(4) 断裂韧度的影响：断裂韧度的影响：对脆性材料，断裂韧
34、性的增加能对脆性材料，断裂韧性的增加能提高其耐磨性提高其耐磨性第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳(5) 显微组织的影响：显微组织的影响：1、基体组织、基体组织马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨性最差。马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨性最差。2、颗粒尺寸、颗粒尺寸细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性。耐磨性。3、钢中碳化物、钢中碳化物在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；4、加工硬化、加工硬化在高应力碾碎性磨粒磨损时，加
35、工硬化能显著提高耐磨性。在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。典典型为型为ZGMn13第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 改善抗磨粒磨损能力的措施改善抗磨粒磨损能力的措施(1)(1)对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度增加材料硬度，（提高耐磨性最有效的措施）（提高耐磨性最有效的措施）(2) (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（在高应力冲击载（在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢荷下，要选用高锰钢Mn13Mn13，利用其高韧性和高的加工硬化，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高
36、耐磨性）。能力，可提高耐磨性）。(3) (3) 采用渗碳、碳氮共渗等采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度化学热处理，提高表面硬度，也能，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。有效提高磨粒磨损耐磨性。(4) (4) 经常注意经常注意机件防尘和清洗机件防尘和清洗，防止大于，防止大于1 1微米磨粒进入接触微米磨粒进入接触 面，也是有效措施。面，也是有效措施。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 1)低合金钢：低合金钢： 耐磨性中等，且耐磨性随硬度增加而增加。耐磨性中等，且耐磨性随硬度增加而增加。 2)工具钢：工具钢： 含碳量及碳化物起主要作用，高合金钢（高速钢、含碳量及碳化物起主要作用，
37、高合金钢（高速钢、高铬钢等）优于低中合金钢。高铬钢等）优于低中合金钢。 3)锰钢系列：锰钢系列： 典型为典型为ZGMn13，高韧性，必须用于能产生强烈加，高韧性，必须用于能产生强烈加工硬化的工况，其耐磨能力和强韧性才能得到充分发挥工硬化的工况，其耐磨能力和强韧性才能得到充分发挥。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 4)铬镍白口铸铁：铬镍白口铸铁： 用于冲击负荷不大、韧性要求不高而耐磨性要求较高用于冲击负荷不大、韧性要求不高而耐磨性要求较高场合。场合。 5)硬质合金：硬质合金： 镶嵌或焊接于钢基体，如用于破岩工具。镶嵌或焊接于钢基体，如用于破岩工具。第七章第七章 金属磨损和接触疲
38、劳金属磨损和接触疲劳n 冲蚀磨损冲蚀磨损1.1.定义：定义：流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。2. 2. 冲蚀磨损理论：冲蚀磨损理论：（1 1）塑性材料切削理论）塑性材料切削理论: :芬尼于芬尼于19581958年首次提出年首次提出塑性材料切削理论。认为磨粒塑性材料切削理论。认为磨粒如同一把微型刀具，当划过材料表面时，把材料表面切除而产生的磨损。如同一把微型刀具，当划过材料表面时，把材料表面切除而产生的磨损。理论分析材料的磨损体积为：理论分析材料的磨损体积为： V = KmvV = Kmv2 2f()/P
39、f()/P第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 其中其中 V 材料的磨损体积，材料的磨损体积， m冲蚀磨粒的质量，冲蚀磨粒的质量，v磨粒的冲蚀速磨粒的冲蚀速度度磨粒的冲击角，磨粒的冲击角， P 材料的流动应力材料的流动应力 ，K 常数常数可以看到，材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方成正比，与材料可以看到，材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方成正比，与材料的流动应力成反比，并与冲击角有一定的关系。研究结果表明，对于塑的流动应力成反比，并与冲击角有一定的关系。研究结果表明，对于塑性材料、多角形磨粒、小冲击角的冲蚀磨损，该模型非常适用。性材料、多角形磨粒、小冲击角的冲蚀磨损，该模
40、型非常适用。（2 2）脆性材料的断裂理论：脆性材料的断裂理论： 脆性材料在脆性材料在磨粒冲蚀磨粒冲蚀 下不产生变形，主要下不产生变形，主要 以断裂破坏的形式产以断裂破坏的形式产 生磨损。当磨粒尺寸生磨损。当磨粒尺寸 较大时，磨损量随冲较大时，磨损量随冲 击角的增大而增加，击角的增大而增加， 冲击角为冲击角为9090度时，磨度时，磨 损量最大。损量最大。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 影响冲蚀磨损的主要因素影响冲蚀磨损的主要因素（1 1）冲击粒子的特性：）冲击粒子的特性： 硬度：硬度：磨损量是硬度的函数。磨损量是硬度的函数。 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲
41、劳形状：形状：同样条件下，尖角磨粒比球形磨粒产生更同样条件下，尖角磨粒比球形磨粒产生更 大的冲蚀磨损。大的冲蚀磨损。尺寸：尺寸：尺寸小，影响不大，随尺寸增加，磨损增尺寸小，影响不大，随尺寸增加，磨损增 大，尺寸到一定值时，磨损几乎不再增大。大，尺寸到一定值时，磨损几乎不再增大。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳（2）冲蚀速度：冲蚀速度： 速度对磨损的影响很大，因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直速度对磨损的影响很大，因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接关系。研究表明，磨损量与磨粒速度有下列关系：接关系。研究表明，磨损量与磨粒速度有下列关系： W = K n n 速度指数，一般为速度指数，一般
42、为23，塑性材料波动小，取，塑性材料波动小，取2.32.4，脆，脆性材料波动较大，取性材料波动较大，取2.26.5。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳（3 3）冲击角：）冲击角： 主要与靶材料有关。主要与靶材料有关。 塑性材料塑性材料的磨损开始随冲击角的增加而增加，当冲击角的磨损开始随冲击角的增加而增加，当冲击角为为20-3020-30度时，磨损量最大，然后随冲击角继续增大而度时，磨损量最大，然后随冲击角继续增大而减小。减小。 脆性材料脆性材料随冲击角的增大，磨损量不断增大，当冲击角随冲击角的增大，磨损量不断增大，当冲击角为为9090度时，磨损率最大。度时，磨损率最大。第七章第
43、七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳（4 4）基体材料的影响：）基体材料的影响： 材料硬度：材料硬度：硬度高时较好硬度高时较好 材料加工硬化：材料加工硬化：加工硬化能提高材料低角度冲蚀磨损的耐加工硬化能提高材料低角度冲蚀磨损的耐 磨性能，但降低大角度冲蚀磨损的耐磨性能。磨性能，但降低大角度冲蚀磨损的耐磨性能。 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 腐蚀磨损腐蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上，可以认
44、为，它是同时发生了两个过程：腐损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。蚀和机械磨损。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 1. 氧化磨损氧化磨损 2. 特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损n 分类：分类：n 氧化腐蚀机理氧化腐蚀机理 大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜氧化膜。
45、 当形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被当形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随着又再被磨去。着又再被磨去。 氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 氧化腐蚀机理氧化腐蚀机理 宏观特征：宏观特征：在摩擦表面上在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产，其磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。第七章第
46、七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳金 属 表 面金 属 表 面生 成 氧 化生 成 氧 化膜膜接触点接触点氧氧化膜破坏化膜破坏形成新形成新氧化膜氧化膜加速氧加速氧 化化 发生塑性变形发生塑性变形(1) 介质含氧量对氧化磨损的影响介质含氧量对氧化磨损的影响 介质含氧量直接影响磨损率，金属在还原气体中，其磨介质含氧量直接影响磨损率，金属在还原气体中，其磨损率比空气中大，这是因为空气中形成的氧化膜强度高，损率比空气中大，这是因为空气中形成的氧化膜强度高，与基体金属结合牢固的关系。与基体金属结合牢固的关系。n 氧化腐蚀影响因素氧化腐蚀影响因素第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n
47、 润滑条件对氧化磨损的影响润滑条件对氧化磨损的影响 润滑油膜能起到减磨和保护作用，减缓氧化膜生成的润滑油膜能起到减磨和保护作用，减缓氧化膜生成的速度。但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀速度。但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀摩擦表面。摩擦表面。 生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危害性大生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危害性大的粘着磨损。如汽车后桥采用双曲线齿轮传动，因双的粘着磨损。如汽车后桥采用双曲线齿轮传动，因双曲线齿轮副接触应力较大，极易产生早期粘着磨损。曲线齿轮副接触应力较大，极易产生早期粘着磨损。如果氧化磨损能优于粘着磨损产生，从而有利于降低如果氧化磨损能优于粘
48、着磨损产生，从而有利于降低整体磨损率。整体磨损率。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳n 滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响 氧化磨损量随滑动速度的氧化磨损量随滑动速度的变化而变化。当滑动速度变化而变化。当滑动速度变化时，磨损类型将在氧变化时，磨损类型将在氧化磨损和粘着磨损之间相化磨损和粘着磨损之间相互转化。当载荷超过某一互转化。当载荷超过某一临界值时，磨损量随载荷临界值时，磨损量随载荷的增加而急剧增加，其磨的增加而急剧增加，其磨损类型也由氧化磨损转化损类型也由氧化磨损转化为粘着磨损。为粘着磨损。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳
49、n 微动磨损微动磨损 在机器的嵌合部位和紧配合处在机器的嵌合部位和紧配合处(如花键、销、螺钉如花键、销、螺钉)，接触，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。振动的影响下却能产生微小滑动。 这种微小滑动是这种微小滑动是小振幅的切向振动小振幅的切向振动，称为微动。，称为微动。 接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生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称为的磨损称为微动磨损微动磨损。 特征特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的磨损产：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的磨损产物
50、为黑色。物为黑色。第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 第一阶段：第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂； 第二阶段：第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即氧化；形成后随即氧化； 第三阶段：第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。n 微动磨损过程有三个阶段：微动磨损过程有三个阶段：第
