1、第第7章章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳材料科学与工程学院材料科学与工程学院 杜大明杜大明金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明任何机器运转时，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，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。本章主要内容：摩擦磨损形式及磨损机理；影响磨损速率的因素；控制磨损的途径；接触疲劳类型及破坏机理；影响接触疲劳抗力的因素。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明7.1 磨损概念磨损概念个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生
2、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用称为摩擦。磨损和摩擦是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。磨损是多种因素相互影响的复杂过程，而磨损的结果将给摩擦面带来多种型式的损伤和破坏，因而磨损的类型也就相应地有所不同。一、磨损一、磨损金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明(1)跑合阶段(oa段)。开始，摩擦表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小，故磨损速率很大。随着表面逐渐被磨平，真实接触面积增大，磨损速率减慢。(2)稳定磨损
3、阶段(ab段)。经过跑合阶段，接触表面进一步平滑，磨损已经稳定下来，磨损量很低，磨损速率保持恒定。(3)剧烈磨损阶段(b点以后)。随着时间或摩擦行程增加，接触表面之间间隙逐渐扩大，磨损速率急剧增加，摩擦副温度升高，机械效率下降，精度丧失，最后导致了零件完全失效。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明耐磨性是材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。表示磨损量的方法：用摩擦表面法向尺寸减少量来表，称为线磨损量；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；用耐磨强度或耐磨率表示其磨损特性，前者指单位行程的磨损量，单位为m/m或mg
4、/m;后者指单位时间的磨损量,单位为m/hr或mg/hr。用磨损量的倒数和相对耐磨性（）表示所研究材料的耐磨性。二、耐磨性二、耐磨性被测试样的磨损量标准试样的磨损量金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明7.2 磨损模型磨损模型磨损模型又称为磨损机制，是指在磨损过程中材料是如何从表面破坏和脱落的，包括：磨损过程中接触表面发生的物理、化学变化；力学方面的变化如力的分布、大小和方向及其在表层和次表层发生的作用；磨屑的形成和如何从接触面脱落的。研究磨损机制和类型有利于根据不同失效类型采取相应的技术对策，以降低磨损，因而有着重要的实际意义。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触
5、疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明类型内容特点举例粘着磨损摩擦副相对运动时，由于接触表面直接粘着，在随后摩擦过程中粘着点被拉拽下来。发生在无润滑和氧化膜缺少及滑动速度不大的情况下，粘着点被剪切破坏。内燃机活塞壁与缸体的摩擦磨料磨损因硬颗粒或凸出物嵌入，并切割摩擦表面材料使其脱落。发生于各种压力和滑动速度，磨料作用于表面而破坏。农业机械、矿山机械腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应而使材料损失。有化学或电化学反应的表面腐蚀破坏。曲轴轴颈的氧化磨损微动磨损两接触表面由于承受周期性的、幅度极小的相对运动使之发生粘着、腐蚀和表面的剥落。通常发生于有微量振动的接触表面上，伴有
6、腐蚀过程产生的氧化碎屑。飞机操纵杆的花键、销子接触疲劳两接触表面滚动或重复接触，由于载荷作用使表面产生变形，导致裂纹产生而造成剥落。无论有无润滑，表层或次表层在接触应力反复作用下，产生麻点剥落。齿轮、滚动轴承金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明一、粘着磨损一、粘着磨损1.磨损机理磨损机理粘着磨损又称擦伤，咬合磨损。由于零件表面某些接触点在高的局部压力下发生粘合，在相互滑动时，粘着点又被剪切分开，接触面上有金属磨屑被拉拽出来，这种过程反复进行很多次，便导致了表面的损伤。磨损过程机理解释：实际材料表面不可能是完全平整的，总存在着可以检测的粗糙度。当两个相互作用的表
7、面接触时，其真正的接触仅在少数几个孤立的微凸体顶尖上；出现了粘着-剪断-再粘着-再剪断的循环过程。因此，粘着磨损过程就是粘着点不断形成又不断被剪断的过程。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明图 粘着磨损表面形貌金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明接触面凸起因塑性变形被碾平，并在接触面之间形成剪断强度高的分界面。在摩擦副一方金属远离分界面内发生断裂，从该金属上脱落下碎屑并转移到另一方金属表面。转移的碎屑脱落下来形成磨屑。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 2.磨损量的估算磨损量的估算的硬度）材
8、料硬度（较软的一方系数总滑动距离作用于表面的法向力磨屑形成几率HlFKHKFlKFlVttsct9粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬度）成反比，而与表观接触面积无关。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 3.影响因素影响因素材料特性材料特性：塑性材料比脆性材料易于粘着；互溶性大的材料(相同金属或品格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向大；单相金属比多相金属粘着倾向大；化合物比固溶体粘着倾向小；金属与非金属组成的摩擦副比金属与金屑的摩擦副不易粘着；当摩擦副是由容易产生粘着材料组成时，则磨损量
9、大。载荷与滑动速度：载荷与滑动速度：载荷越大，粘着倾向越高；载荷一定，提高滑动速度，粘着倾向降低；表面光滑，粘着倾向下降；温度：温度：温度升高，粘着倾向上升；润滑：润滑：粘着倾向大大下降。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 4.改善粘着磨损耐磨性的措施改善粘着磨损耐磨性的措施首先注意摩擦副配对材料的选择首先注意摩擦副配对材料的选择：其基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小。如选用互溶性小的材料配对；选用表面易形成化合物的材料配对；金属与非金属材料配对；选用淬火钢或淬火钢与灰铸铁配对。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：通过表
10、面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。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。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明二、磨粒磨损二、磨粒磨损1.磨损机理磨损机理定义定义：磨料磨损是指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。这种磨粒或凸出物一般指石英，砂土，矿石等非金属磨料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦面而形成的磨粒。根据磨粒所受应力大小不同，磨粒磨损可分为凿削式磨粒凿削式磨粒磨损、磨损、
11、高应力辗碎式磨损和低应力擦伤式磨损三类。高应力辗碎式磨损和低应力擦伤式磨损三类。凿削式磨粒磨损时，凿削式磨粒磨损时，从材料表面上凿削下大颗粒金属，摩擦面有较深的沟槽。若磨粒与摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度，则磨粒不断被碾碎，并产生高应力辗碎式磨损。高应力辗碎式磨损。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明当作用于磨粒上的应力不超过磨粒的破坏强度时，产生低低应力擦伤式磨损。应力擦伤式磨损。共性：表面有沟槽。共性：表面有沟槽。图 磨粒磨损表面形貌金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明影响因素 1.材料的硬度 (1)退火状态的
12、工业纯金属和退火钢的相对耐磨性与硬度成正比。(2)经过热处理的钢，其耐磨性随硬度的增加而增加，但比未经热处理的钢，相对耐磨性增加的速度要慢一些。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明2.材料的显微组织 （1）基体组织 耐磨性按铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的顺序递增。片状珠光体耐磨性高于球化体。相同硬度下，等温淬火组织的耐磨性比回火马氏体要好。残余奥氏体也影响磨损抗力。（2）第二相 在较软的基体材料中，增加碳化物数量、减小其尺寸对改善耐磨性有利。但在硬基体（基体硬度与碳化物硬度相近）中，碳化物反而损害材料的耐磨性。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料
13、科学与工程学院 杜大明(3)加工硬化的影响 右图表示加工硬化对低应力磨损试验时耐磨性的影响。因塑性变形而加工硬化的材料虽然提高了材料的硬度值，但却没行使耐磨性增加。在低应力磨损时，并不能依靠加工硬化来提高表面的耐磨性。如果是在高应力冲击加载条件下，表面会因加工硬化而使硬度升高，其耐磨性也随之增加。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明11.4.3 11.4.3 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，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，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。各类金属零件中经常见到的是氧
14、化磨损。摩擦状态下氧化反应速反比未受变形时的速度快。氧化磨损在各类摩擦过程、各种摩擦速皮和接触压力下都会发生，只是磨损程度有所不同。和其它磨损类型比较，氧化磨损具有最小的磨损速度，也是生产中允许存在的一种磨损形态。在生产中，总是多方面创造条件使其它可能出现的磨损形态转化为氧化磨损，以防止发生严重的粘着磨损。氧化磨损速率主要取决于所形成的氧化膜性质和它与基体的结合强度，同时也和金属表层的塑性变形抗力有关。若形成的氧化膜是脆性的，它与基体结合的抗剪切能力差，则氧化膜易被磨损。能否保证较低的氧化磨损量取决于氧化物的硬度与基体材料硬度的比值。三、腐蚀磨损三、腐蚀磨损金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳
15、九江学院材料科学与工程学院 杜大明7.3 磨损实验方法磨损实验方法金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引起的一种表面疲劳现象。接触疲劳的宏观形态特征是在接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹发展线的痕迹。7.4 金属接触疲劳金属接触疲劳金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明7.4.17.4.1 接触应力概念接触应力概念 两物体相互接触时，在表面上产生的局部压力叫做接触应力，一般出现如下两种情况：(1)两接触物体
16、在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触)；(2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承)。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 接触疲劳破坏分为点蚀点蚀、浅层剥落浅层剥落、深层剥落深层剥落三种主要类型。(1)点蚀 通常把深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落叫做点蚀。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。在滚动接触过程中(实际条件下尚应有滑动)，由于表面最大综合切应力反复作用，在表层局部区域产生塑性变形，同时必伴有形变强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切应力超过材料的抗剪强度时，就在表层形成型纹。裂纹形成后，润滑油挤入裂纹。在连续滚动接触过程中
17、，润滑油反复压入裂纹内并被封闭。封闭在裂纹内的高压油，以较高的压力作用于裂纹内壁，使裂纹沿与滚动方向成小于45度倾角向前扩展。在纯滚动条件下，裂纹扩展方向与最大切应力方向一致；有滑动摩擦时，倾角减小，摩擦力越大，倾角越小。当裂纹扩展到一定程度后，因尖端有应力集中，故在该处产生二次裂纹。二次裂纹与初始裂纹垂直，其中也有润滑油。二次裂纹也受高压油作用而不断向表面扩展。当二次裂纹扩展到表面时，就剥落下一块金届而形成一凹坑。7.4.27.4.2 接触疲劳类型和损伤过程接触疲劳类型和损伤过程金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较
18、差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等)时，易产生麻点剥落。前者是因为表而最大综合切应力较高，后者则是材料抗剪强度较低所致。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明(2)浅层剥落 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。浅层剥落裂纹产生于亚表层。由于该处切应力最大，故塑性变形最剧烈。在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。裂纹常出现在非金属夹杂物附近。故裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚动及摩接力作用下又产生与表面成一倾角的二次裂纹。二次裂纹扩展到表面，另一端则形成悬臂梁；因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。浅层剥
19、落多出现在机件表而粗糙度低，相对滑动小，即摩擦力小的场合。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明 (3)深层剥落 这类剥落坑较深(0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。对于表面经硬化的机件，若在表面产生的裂纹向内部过渡区扩展；会形成压碎性剥落。但压碎性剥落的初始裂纹常在表而硬化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料强度而在该处产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳九江学院材料科学与工程学院 杜大明马氏体含碳量 未溶碳化物的影响 硬度 残余奥氏体的影响 7.4.37.4.3 影响接触疲劳抗力的因素影响接触疲劳抗力的因素(1)材料的冶金质量(2)热处理和组织状态第第7章章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳材料科学与工程学院材料科学与工程学院 杜大明杜大明
