磨损及磨损理论

摩擦学基础知识磨损及磨损理论,第一节 概 述,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。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1312消耗于摩擦，而机械零件80失效原因是磨损。,轮胎压痕(SEM 5000X),摩擦痕迹(350X),所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查，联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失还需加上10%一20%。,1.1磨损研究的重要性,与摩擦相比，磨损要复杂得多。直到目前磨损的机理还不十分清楚，也没有一条简明的定量定律。对大多数机器来说，磨损比摩擦显得更为重要，实际上人们对磨损的理解远远不如摩擦。对机器磨损的预测能力也很差。对于大多数不同系统的材料，在空气中的摩擦系数大小相差不超过20倍，而磨损率之差却很大，如聚乙烯对钢的磨损和钢对钢的磨损之比可相差105倍。 磨损似乎比摩擦具有更大的复杂性和敏感性。在具体的工作条件下，影响因素是十分复杂的，它包括工作条件、环境因素、介质因素和润滑条件以及零件材料的成分、组织和工作表面的物理、化学、机械性能等，了解影响因素有利于实现对磨损的控制。,1.2磨损研究的进展,磨损的研究工作开展得较迟，本世纪50年代初期在工业发展国家开始研究“粘着磨损”理论，探讨磨损机理。1953年美国的J. F. Archard 提出了简单的磨损计算公式，1957年苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法，1973年美国的N.P.Suh提出了磨损剥层理论。,20世纪60年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量的综合的应用，使得磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像，了解磨损的动态过程；研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化，以搞清磨损机理，分析和监测磨损过程，从而寻求提高机器寿命的可能途径。,1.3磨损定义： 磨损是摩擦副相对运动时，在摩擦的作用下，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。 表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。 (1) 机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。 (2) 化学作用使摩擦表面发生性状的改变。 (3) 热作用使摩擦的表面发生形状的改变。 (4) 造成各种磨损的产生其他作用。,定义说明 磨损并不局限于机械作用，由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损；由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损；以及由于伴同热效应而造成的热磨损等现象都在磨损的范围之内； 定义强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而，橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴；,定义说明,磨损发生在物体工作表面材料上，其它非界面材料的损失或破坏，不包括在磨损范围之内；,磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移(材料从一个表面转移到另一个表面上去)，破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。,1.4 磨损的危害： (1) 影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。 (2) 降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。 (3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。 (4) 消耗材料, 造成机械材料的大面积报废。,1.5 研究内容：(1) 磨损类型及发生条件、特征和变化规律。(2) 影响磨损各种因素，包括材料、表面形 态、 环境、滑动速度、载荷、温度等。(3) 磨损的物理模型、计算及改善措施。(4) 磨损的测试技术与实验分析方法。,表面被磨平，实际接触面积不断增大，表面应变硬化，形成氧化膜，磨损速率减小。,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（AB段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。,随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙增大，表面质量恶 化，机件快速失效。,1.6 磨损过程的一般规律：,1、磨损过程分为三个阶段:,非典型磨损曲线,2. 磨损特性曲线,典型浴盆曲线典型浴盆曲线,1.7 磨损类型,1、磨损类型,其他磨损类型,2、 表面破坏方式及特征,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。,表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。,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。,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。,材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。,低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。,宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。,存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成,3. 表面破坏方式与机理对应关系,1.8磨损的评定,磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法：磨损量、耐磨性和磨损比。,（1）磨损量 评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和重量磨损量Ww。 长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的磨损监测中经常使用。 体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变量。 在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此，用磨损率Wt来表示时间的特性。其它指标还有磨损强度W(单位摩擦距离的磨损量，有人也把它称为磨损率)，和磨损速度WT(是指机器完成一单位工作量的磨损量)。,（2）耐磨性,材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对耐磨性是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料之一的A是标准(或参考)试样。AWA/WB,磨损量WA和WB一般用体积磨损量，特殊情况下可使用其它磨损量。 耐磨性通常也用绝对指标W-1或W-1表示，即用磨损量或磨损率的倒数表示。W-1=1/W, W-1=1/W 耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数，也可用体积磨损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。 绝对耐磨性和相对耐磨性的关系是AWAW1,（3）磨损比,冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度量磨损。,它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段中所测量的磨损比将有较大的差别。 不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或工况下的数据是不可比较的。,第二节 粘着磨损,1 定义: 当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。,2 粘着磨损机理： 当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷作用下，微凸体的局部压力就可能超过材料的屈服压力而发生塑性变形，继而使两摩擦表面产生粘着（焊接） 。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。如撕断处在焊接的部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位，则发生物质的转移。粘着-剪断-转移-再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。,粘着磨损,(1)轻微磨损: 粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。 此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。(2)涂抹: 粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。,粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大。 根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损一下五种不同的形式（五类典型粘着磨损） ：,(3)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。(4)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。 此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。,(5) 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。,Archard(1953年)提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为a2假设摩擦副的一方为较硬材料，摩擦副另一方为较软材料；法向载荷W由n个半径为a的相同微凸体承受。,3. 简单粘着磨损计算(艾查德 Archard模型)：,当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限y之间的关系：,当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。 其体积为(2/3)a3，则单位滑动距离的总磨损量为:,（1）,(2),式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑到微凸体中产生磨粒的概率数K和滑动距离L，则接触表面的粘着磨损量表达式为：,(4),由(4)式可得粘着磨损的三个定律：材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围材料磨损量与较软材料的屈服极限y(或硬度H)成反比,对于弹性材料，yH/3，H为布氏硬度值，则式(4)可变为：,式中K为粘着磨损系数,由(1)和(2)式，可得：,(3),右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑动摩擦时的结果。图中示出钢的磨损系数随表观压力的变化曲线。 纵坐标为K/H，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。,当压力值小于片H/3时，磨损率小而且保持不变(即K保持常数)；但当压力值超过H/3时，磨损量急剧增大(K值急剧增大)，这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。对其他金属也有类似的情况，只是K开始增加时的平均压力值通常比H/3稍低而已。 在压力值为H/3作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响。当压力值增加到H/3以上时，整个表面变成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。,由于式中的K代表微凸体中产生磨粒的概率，即粘着磨损系数因此，K值必须按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件求得。右表给出了不同工况和摩擦副配对时的磨损系数K值。,(1)摩擦副材料： a:材料性能：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 在表层深处，磨损颗粒大。 *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，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。,4. 粘着磨损的影响因素,b: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。 ？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副 。 一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。,c.材料的组织结构和表面处理 金属的组织结构对粘着磨损也有影响，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高；金属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向小。 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深度，提高抗粘着磨损的能力。d.元素周期表中的B族元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、铋与铁的冶金相容性差，抗粘着磨损性能好。而铁与A族元素组成的摩擦副粘着倾向大。,e.材料的硬度 硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。,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。上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。,随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种形式。 如图(a)所示，当摩擦速度很低时，主要是氧化磨损，出现Fe2O3的磨屑，磨损量很小。 随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为粘着磨损，磨损量显著增大。 滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转为氧化磨损，磨屑为Fe3O4，磨损量又减小。 如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着磨损，磨损量又开始增加。,图(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。 载荷小产生氧化磨损, 磨屑主要是Fe2O3；当载荷达到W0后, 磨屑是FeO、Fe2O3 和Fe3O4的混合物。 载荷超过Wc以后, 便转入危害性的粘着磨损。,表面温度的影响 表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。,如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(约80)时, 磨损量和摩擦系数都急剧增加。 影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v，其中速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。,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摩擦条件下而引起的粘着现象。,1.磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件。2.磨损量与载荷成正比：适用于有限载荷范围。 3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比： * 实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才 能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副， 硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬死等情况。,三条粘着磨损规律：,第三节 磨粒磨损,1 定义:外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象, 称为磨粒磨损。 磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。,磨料磨损根据不同的分类方式可分为不同的种类型：,例如：掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是典型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也会引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。2 磨料磨损分类及其磨损特征：,3 磨粒磨损机理,(1)微观切削： 磨粒作用在零件材料表面上的力，可分为法向力和切向力。法向力将磨粒压入摩擦表面，如硬度试验一样，在表面上形成压痕。切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与位向适当时，磨粒就象刀具一样，对表面进行剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕.不过这种切削的宽度和深度都很小，因此产生的切屑也很小。,磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计, 在生产中因磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右, 因而研究磨粒磨损有着重要的意义。关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：,(1)微观切削 虽然切削时“刀具”，即一般的磨粒，大多具有负前角的特征，切屑变形也较大些，但在显微镜下观察，这些微观切屑仍具有机加工中切屑的特征。这些切屑一般长宽比较大，切屑的一面较光滑，而另一面则有滑动的台阶，有些还有卷曲现象。 微观切削是材料磨粒磨损的主要机理。在三体磨料磨损中也会发生微观切削作用。,但是，磨粒和表面接触时发生切削的概率不是很大，虽然在某种条件下切削磨损量占总磨损量的比例很大。但当磨粒形状较圆钝时，或在犁削过程磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向时，或磨粒和被磨材料表面间的夹角(迎角)太小时，或表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑过后，只犁出一条沟来，把材料推向两边或前面，而不能切削出切屑来，特别是松散的自由磨粒，大概有90以上的磨粒发生滚动接触，只能压出印痕来，而形成犁沟的概率只不过10，这样切削的可能性就更少了。,还有一种情况，如冲击角较大的冲蚀磨损以及球磨机磨球对磨料冲击时，往往在表面上形成压坑和在压坑四周被挤压出唇状凸缘，只能使表面发生塑性变形而切削的分量就很少。,(1)微观切削,(2) 挤压剥落： 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屑。,当磨粒滑过表面时,除了切削外,大部分磨粒只把材料推向前面或两旁,这些材料受到很大的塑性形变,却没有脱离母体,同时在沟底及沟槽附近的材料也受到较大的变形。犁沟时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑,一部分则末被切削而仅有塑变，披推向两侧和前缘。若犁沟时全部的沟槽体积都被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑时,则称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料,当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平,也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形,如此反复塑变,导致材料的加工硬化或其它强化作用,终于剥落而成为磨屑。,由于多次变形引起材料晶格的残余畸变，导致材料不可能再继续变形和吸收能量。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力，故有些截面上(当外力不变时)由于应力的增长(集中)逐渐丧失塑性而变为脆性状态。,(3) 疲劳破坏： 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。,克拉盖尔斯基提出“疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用”。疲劳一词是指由重复应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环的应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损系由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程进展的同时，过程的速度强烈地决定于周围的介质以及介质对强化的作用。,标准的疲劳过程常有潜伏期，在此期间材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏。当进一步发展时，在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。,微观断裂(剥落)磨损机理：,磨损时由于磨粒的压入大多数材料都会发生塑性变形。但脆性材料，断裂机理可能占支配的地位。当断裂发生时，压痕四周外围的材料都要被磨损剥落，比塑性材料的磨损量大。脆性材料的压入断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒形状与尺寸和周围环境等参量，内部参量则主要决定于材料的硬度与断裂韧性等。对脆性材料来说，压痕常带有明显的表面裂纹。断裂韧性低的材料裂纹较长。当横向裂纹互相交叉或扩展到表面时，就造成微观断裂机理的材料磨损。,以上几种磨料磨损机理，还有待于进一步的研究和阐明。但有一点必须加以说明，即磨料磨损过程中不只是有一种机理而往往有几种机理同时存在，由于磨损时外部条件或内部组织的变化，磨损机理也相应地发生变化，往往从一种机理为主转变为另一种机理为主。,END,4 磨粒磨损简化模型计算： 简单的计算方法根据微观切削机理得出，即拉宾诺维奇 (Rabinowicz)模型: 假定单颗磨粒形状为圆锥体，半角为 ，载荷为W，压入深度h，滑动距离为S，屈服极限s ,磨料硬度为H。,B,沟槽截面积：,被迁移的沟槽体积：,单位滑动距离的磨损体积（磨损量）：,磨粒的形状系数,B,单位滑动距离的磨损体积（磨损量）：,磨粒的形状系数,5 磨料及其磨损性能,磨料的磨损性能和磨料的机械性能、存在状态、结合状态及其大小、形状和运动条件等有关，特别是自然破碎后的角度。磨料的硬度是决定磨料磨损性比较关键的因素，在实际应用上常以它来判定磨料磨损性的大小。除硬度外，其它如磨料的大小、形状、强度等对磨料磨损性都有一定的影响。,磨料的形状 尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损得快。尖锐的磨料在同一载荷下压入深度大，容易造成金属表面的微观切削，增加磨损量；圆而钝的磨料压入深度小，大多数产生浅的犁沟或压坑，使材料发生弹塑性变形或甚至只在弹性变形范围内，不发生切削，且在自由状态时圆钝形磨料容易发生滚动，使磨损量变得很小。从简单模型的公式可知，磨料愈尖，角越大，其正切平均值越大，则磨损率也愈大。,迎角,迎角是指磨料与材料表面接触时和表面间的夹角。,当用角锥(一般磨粒的形状接近于角椎体)的棱面去切削时，能否产生一次切削与迎角有关，当迎角超过临界迎角c时，才能产生切屑；否则，若是c则只能产生塑性犁沟，将金属排向两边及边缘。 不同材料的临界迎角c是不同的，在3090之间变化；一般，摩擦系数或钢的硬度增大，都会使临界迎角减小，即容易产生切屑。固定磨料和自由磨料的迎角分布是不同的，根据迎角分布的概率和临界迎角，可计算出切屑形成的概率。,磨粒大小,材料磨损量与磨粒大小有关，一般是随着磨粒直径的增大而增大，直到达到某一临界尺寸后就不再增大，而这种影响对非金属材料来说比金属更大些。,若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小些而已。这个临界尺寸大致在80m左右，与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。,磨粒尺寸： 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，临界尺寸大约为80m。,磨粒尺寸影响,若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小些而已。这个临界尺寸大致在80m左右，与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。,磨粒形状和大小综合作用,磨粒大小和形状对磨损有综合作用。克拉盖尔斯基粗略估计半球形磨粒尺寸在1m以下，只会产生弹性变形，成为磨损极微的滑动磨损。也有认为只要将润滑油中0.1m以上的磨粒滤掉，即可防止磨料磨损。,磨粒大小和形状可使磨损由滑动磨损转变为磨料磨损，也可以从弹性变形转变到塑性变形以致于切削。所以磨粒的尺寸、形状和位向对磨料磨损有很大的影响，因为它们影响到从弹性接触到塑性接触的载荷和应力，以及引起临界断裂压痕尺寸与沟糟尺寸的变化。,磨粒硬度,一般磨料磨损是指磨料的硬度比材料表面高得多，但当磨料的硬度比材料硬度低时，也会发生磨损，只是磨损量很小而己。故材料的耐磨性不仅决定于材料的硬度H，而且更主要的是决定于材料硬度Hm和磨料硬度H0的比值。,当HH0比值超过一定值后，磨损量便会迅速降低。即当HH00.50.8时为硬磨料磨损，此时增加材料的硬度对其耐磨性增加不大。 当 HH00.50.8时为软磨料磨损，此时增加材料的硬度Hm便会迅速地提高耐磨性。 严格说，直接决定材料耐磨性的是金属材料表面经磨损后的最大硬度Hu，而不是材料的体性硬度H。,实验分析： 当磨料硬度低于试件硬度, 即H0 (0.71)H不产生磨料磨损或产生轻微磨损。 当磨料硬度超过试件硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。 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，材料硬度应高于磨料硬度，一般当 H 1.3 H0 时只发生轻微的 磨料磨损。,磨粒的其它性能,磨料的其它性能如韧性、压碎强度等也影响着磨损率。磨料在受压力后，先是边缘受力处发生少量的塑性流动，接着就断裂，塑性变形和断裂都使磨料变质。磨料压碎后形成小的切削刃面，增加磨损性能。故磨粒断裂比边缘尖角处塑性变形后剥落对磨料的磨损性影响大。由塑变而衰退变质的细磨料，因表面变钝，成为弹性接触，不易形成沟槽。因此，磨料碎裂和变质后，其使材料表面的磨损量增加还是减小，则决定磨料的性质和磨损条件。,磨料的磨损性 磨料的磨损性一般是指磨料破坏零件或刀具的能力，这种能力与磨料本身的特性以及其与零件表层接触应力的大小及方向有关。,6 影响磨粒磨损的因素：,影响磨料磨损的因素可分为外部因素与内部因素。外部因素即磨损时的工作条件，包括载荷、速度、温度、相对运动及受力状态、磨料、介质与环境因素等；内部条件包括受磨材料的化学成分、组织相机械性能等。磨料是影响磨损的重要外部因素，前面已讨论过，其它因素分析如下：,（1）载荷的影响： 根据磨料磨损的简单模型可知，磨损量与载荷成正比。但这种线性关系一般都有一临界值，到达此极限载荷，线性关系开始破坏。其原因是多种多样的，主要的如磨粒被压碎，砂纸破裂，相互作用表面的摩擦热使温度升高发生一系列的组织和性能变化，材料表面加工硬化，磨粒受摩擦热的影响而变质以及三体磨料磨损时磨料对表面的相对运动发生变化等，都能引起磨损量改变，破坏磨损量与载荷的线性关系。,滑动距离,若磨粒在滑动过程中条件不变，如磨粒不变圆钝或碎裂，则磨损量与滑动距离一般成正比，否则磨损量将有改变。,磨料和材料表面的相对速度 磨损条件和环境的改变会使滑动速度对磨损的影响产生不同的结果。当速度较小时，磨损率随速度的增高而有下降的趋势，以后又逐渐升高，到达一定速度后趋于常数。鲍登和泰伯发现，金属表面由于摩擦所引起的温升将随着摩擦速度增高而增高，及至到达金属的熔点，此时，就与速度无关了。因此磨损的增加可能是温度增高所致。磨料磨损时金属表面热量的增加率，大颗粒磨料比小颗粒的要大。在低速时，速度对磨损的影响并不重要，而高速时，特别在连续运转时，速度对磨损的影响实际上是温度对磨损的影响，若此时将载荷减小，这种影响将会降低。,热和温度,摩擦时，载荷和速度对磨损的影响，实际上是由于热和温度的影响所致。特别在高温时，热能引起材料表面的氧化、软化、硬化甚至于熔化，这样就使表面的磨损变得复杂了。,腐蚀环境和水蒸汽 存在有酸性液体介质的作用，其pH值在2.54范围内，对零件有磨损和腐蚀的双重作用，使磨损量增加。水汽的存在，也足以使磨损加速，三体磨料磨损时，在大于通常湿度下，特别是绝对湿度大于10以上时，磨损率随湿度的增长而增长甚速。在小于10时则影响不大。两体磨料磨损时，相对湿度从065变化时，磨损率都随着增加。磨损率的变化和磨料由于湿气而容易碎裂成较多较尖锐的小磨粒，腐蚀化学膜的作用，磨粒衰退以及载荷、作用时间等有关，是比较复杂的问题。,材料的内部因素,材料内部因素包括材料的成分、微观组织特征及机械性能等。三者互有联系，互有影响。金属材料的化学成分和热处理状态决定了它们的组织。,耐磨性与化学成分和微观组织有关。对一定成分的材料，它的耐磨性和体性硬度在一定范围内呈线性关系。 影响磨料磨损的微观组织参数主要有：基体组织、第二相、夹杂物、晶界、内缺口和各向异性。 影响磨料磨损的材料性能主要有：硬度、断裂韧性、弹性模量、真实切断抗力和抗拉强度等。,第四节 疲劳磨损,1.定义：摩擦接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。有两种基本类型，即宏观和微观疲劳磨损。,接触疲劳类型,麻点剥落: 是指深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落，裂纹一般起源于表面，剥落坑呈针状或痘状。,根据裂纹起始位置和形态的差异，分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。,麻点剥落,实物图,浅层剥落: 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。,浅层剥落,深层剥落,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。,(1) 破坏形式：表面出现深浅不同的斑状凹坑。凹坑小而深的，磨屑呈扇形颗粒，称点蚀(Pitting)。凹坑大而浅的，磨屑呈片状，为剥落(Spalling)。 (2) 产生原因：由于表面受循环的接触应力作用，最大剪应力发生在表面下一定深度处。当该处强度不足或存在缺陷，则首先发生塑性变形，经应力循环后，产生疲劳裂纹，并沿最大剪应力方向扩展到表面，最终导致表面材料脱落。,2. 宏观疲劳磨损：两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，材料疲劳而发生脱落的现象。 * 如齿轮、滚动轴承。,(a)纯滚动接触表面：裂纹的萌生多发生在次表层最大剪应力处，扩展也比较缓慢，比裂纹萌生阶段长，损伤断口有光泽。 (b)滚动兼滑动摩擦表面：同时存在接触压应力和剪切应力，摩擦表面容易产生塑性变形而形成微观裂纹，裂纹起源于表面，萌生阶段大于扩展阶段，断口比较暗淡。,(c)表面强化处理后：裂纹往往起源于表面硬化层和基体的交界处，裂纹扩展先平行于表面，再垂直或倾斜于表面向外扩展。损伤形式先为麻点，之后为大块剥落，类似表层压碎的现象。,3. 微观疲劳磨损： 特征：滑动接触表面由于微凸体相互接触使材料发生疲劳而引起的机械磨损现象。 原因：表面材料脱落由载荷脉冲对微凸体的多次作用造成的。 *当固体表面相互接触时，实际接触点是不连续的，两表面的微凸体相互碰撞，产生冲击力，使微凸体受到重复的冲击和变形，致使材料发生疲劳磨损。,4. 疲劳磨损的破坏机理： (1)麻点剥落：当表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差，如表面存在脱碳、烧伤、淬火不足、存在夹杂物等缺陷时，容易产生麻点剥落。前者原因在于表面最大综合切应力较高；后者原因 是材料抗剪切强度低。,1.在最大综合切应力作用下产生塑性变形，形成裂纹。2.润滑油挤入，在较高的压力作用下，裂纹扩展，与滚动方向小于45度倾角。3.在尖端应力集中处产生二次裂纹，垂直于初始裂纹。4.二次裂纹向表面扩展，到达表面时，剥落一块金属形成一凹坑。,（2）浅层剥落： 多出现在零件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩擦力小的情况下。 （a）裂纹产生于亚表层，该处切应力最大，塑性变形最剧烈。 （b）在接触应力的反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化。,(c)在非金属夹杂物附近形成裂纹，沿非金属夹杂物平行于表面扩展。(d)在滚动及摩擦力的作用下又产生与表面成一定倾角的二次裂纹，二次裂纹扩展到表面，另一端则形成悬臂梁。(e)反复弯曲发生断裂，形成浅层剥落。,条件：纯滚动或摩擦力较小次表层受循环切应力，裂纹垂直扩展.深度为0.2-0.4mm,（3）深层剥落： 对于表面硬化处理的部件，心部强度低、硬化层深度不合理或硬度梯度太大等都易造成深层剥落。 * 初始裂纹常出现在过渡区，该区切应力不大，但力学性能较弱，切应力高于材料强度而产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过度区扩展，而后再垂直表面扩展，最后形成较深的剥落坑。,条件：表面硬化层深度不足裂纹位于硬化层与心部交界处.深度0.4mm,5 影响疲劳磨损的因素,接触疲劳磨损过程十分复杂，影响因素繁多，可以归纳为以下四个方面:在干摩擦或润滑条件下的宏观应力场；摩擦副材料的机械性质和强度；材料内部缺陷的几何形状和分布密度； 润滑剂或介质与摩擦副材料的作用。,载荷性质 首先载荷大小决定了摩擦副的宏观应力场，直接影响疲劳裂纹的萌生和扩展，通常认为是决定疲劳磨损寿命的基本因素。此外，载荷性质也有着巨大的影响。短期的高峰载荷周期性地附加在基本载荷上反而提高接触疲劳寿命。只有当高峰载荷作用时间接近于循环周期时间一半时，才开始降低接触疲劳寿命。应力循环速度也影响接触疲劳。由于摩擦表面在每次接触中都要产生热量，应力循环速度越大，表面积聚热量和温度就越高，使金属软化而降低机械性能，因此加速表面疲劳磨损。,材料性能,钢材的冶炼质量对零件的接触疲劳磨损寿命有明显的影响。钢中非金属夹杂物破坏了基体的连续性，严重降低接触疲劳寿命。特别是脆性夹杂物，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。轴承钢对非金属夹杂物有严格的要求。轴承钢的接触疲劳寿命与夹杂物的类型、形态和数量有很大的关系。夹杂物尺寸愈大、分布愈不均匀，危害愈大。特别是位于接触面表层(大约1mm)的夹杂物影响更大。钢中的氧、氢、氮等气体也会降低滚动元件的接触疲劳寿命。,在滚动接触情况下，滚动元件的材料匹配非常重要。材料的弹性和塑性对滚动接触疲劳寿命有很大的影响。可通过试验来确定最佳的匹配关系。,材料性能,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,反而降低接触疲劳寿命。渗碳钢或其它表面硬化钢的硬化层厚度影响抗疲劳磨损能力。硬化层太簿时,疲劳裂纹将出现在硬化层与基体的连接处,容易形成表层剥落。选择硬化层厚度应使疲劳裂纹产生在硬化层内。此外,合理地提高硬化钢基体的硬度可以改善表面抗疲劳磨损性能。,接触疲劳磨损产生于滚动元件接触表面，所以表面状态对接触疲劳寿命有很大的影响。粗糙的表面容易出现点蚀。以滚动轴承为例，粗糙度为Ra 0.2的轴承寿命比Ra 0.4的高 23倍，而粗糙度低于Ra 0.05的对寿命影响甚微。此外，在部分膜弹流润滑状态下，由油膜厚度和表面粗糙度所确定的膜厚比是影响表面疲劳的重要参数。,润滑剂的物理与化学作用,增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。通常认为增加润滑剂粘度可以提高疲劳寿命是由于弹流油膜增厚,从而减轻粗糙峰互相作用的结果。但其不能解释某些无油滚动时不出现接触疲劳,而加入润滑油后迅速发生接触疲劳的现象。,改变润滑剂的粘度数值可使接触疲劳寿命差别2倍，而润滑剂的化学成分不同可以影响接触疲劳寿命变化10倍。一般说来，润滑剂中含氧和水分将剧烈地降低接触疲劳寿命。当含有对裂纹尖端有腐蚀作用的化学成分时，也显著降低接触疲劳寿命。如果添加剂能够生成较强的表面膜并减小摩擦时，将提高抗疲劳磨损能力。 环境对于接触疲劳磨损也有一定的影响。在有腐蚀介质的环境中，或者矿物油中含有水分，都加速接触疲劳磨损。温度升高，将使润滑剂的粘度降低，油膜厚度减小，导致接触疲劳磨损加剧。,第五节 其他形式磨损,1. 定义：,一、冲蚀磨损,冲蚀磨损(Erosion或Erosive Wear)是指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所造成的磨损；根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。,在自然界和工矿生产中，存在着大量的冲蚀磨损现象。例如矿山的气动输送管道中物料对管道的磨损，锅炉管道被燃烧的灰尘冲蚀，喷砂机的喷嘴受砂粒的冲蚀，抛丸机叶片被铁(钢)丸冲蚀，各种排料泵中磨粒对叶轮和泵体的磨损，蒸汽透平机叶片被凝结水滴撞击，水轮机叶轮被水中的砂粒撞击，直升飞机的螺旋浆被空气中的灰尘冲蚀，火箭发动机层部喷嘴受燃气的冲刷等等。,2、冲蚀磨损理论,对于冲蚀磨损的研究，早在二十世纪40年代就开始了。起初人们主要研究冲蚀磨损的规律和各种影响因素。然而关于冲蚀磨损理论的研究，则是近三十几年才发展起来的。许多研究者提出了冲蚀磨损的理论和模型。其中影响较大的有切削磨损理论、断裂磨损理论、变形磨损理论、绝热剪切与变形局部化磨损理论和薄片剥落磨损理论等。,延性材料的切削理论 芬尼于1958年首先提出延性材料的切削理论。他认为磨粒就如一把微型刀具，当它划过靶材表面时便把材料切除而产生磨损。该模型假设一颗多角形磨粒，质量为m，以一定速度v，冲角冲击到靶材的表面，其物理模型如下图所示。,式中：m冲蚀磨粒的质量；v磨粒的冲蚀速度；V靶材的磨损体积；p靶材的流动应力；一磨粒的冲击角；K常数。,由上式可以看出，材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方(即磨粒的动能)成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲角，成一定的函数关系。由切削模型计算得到的冲蚀磨损体积与某些实验结果基本吻合。,由理论分析可得出靶材的磨损体积为：,脆性材料的断裂理论,脆性材料在磨料冲击下几乎不产生变形。根据赫兹应力分析，认为脆性材料在冲蚀磨损时，在材料表面存在缺陷的地方产生裂纹，裂纹不断扩展而形成碎片剥落。脆性材料的冲蚀磨损规律与延性材料不同。当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲角的增大而增加。当冲角等于90时，磨损量最大。,根据谢尔登和芬尼对冲角为90时脆性材料的冲蚀磨损断裂模型。脆性材料(单位重量磨粒的)冲蚀磨损量的表达式,式中： r磨粒的尺寸；v0磨粒的速度； b2.4 m/(m-2)；m材料缺陷分布常数， a3m/(m-2)（球形磨粒）；a3.6m/(m-2)（多角形磨粒）；K1E0.8/b2， E靶材的弹性模量，b材料的弯曲强度。,变形磨损理论,比特(Bitter)于1963年提出把冲蚀磨损分为变形磨损与切削磨损两部分。他认为90冲角下的冲蚀磨损是和粒子冲击时靶材的变形有关。并在此基础上提出变形磨损理论。 比特认为反复冲击产生加工硬化，并提高材料的弹性极限，直到应力超过材料的强度，形成裂纹。他从能量观点出发，推导出变形磨损量WD和切削磨损量WC，而总磨损量W WD WC,变形磨损理论的设想是正确的，并得到后来许多试验研究的证实。但是比特本人并没有深入的阐明磨损过程中材料去除的物理模型。谢尔登和凯希尔于1972年设计了第一台单颗粒冲蚀磨损试验机。直接观察了单颗粒冲蚀磨损的磨痕形貌，发现在球形粒子冲击坑边缘出现“挤出唇”，并很容易地被随后冲击的磨粒打掉。进一步验证了变形磨损理论。,绝热剪切与变形局部化磨损理论,哈青斯首先把绝热剪切与变形局部化的概念引入冲蚀磨损过程，并用绝热剪切敏感性较大的钛合金作冲蚀磨损试验，证实了绝热剪切作用的存在。其用9.5mm钢球以270ms的速度冲击低碳钢时发现变形唇。在一个狭窄的带状区域变形非常严重。他还用高速摄影机研究粒子的冲击过程，估算了冲蚀时材料的应变率高达105107/s。在这样高的应变率下，材料将产生很高的温升。首先是使变形过程绝热化，其次是变形的局部化将形成绝热剪切带。克里蒂曼等人在铝合金的冲蚀磨损试验中观察到绝热剪切带，并在磨粒的冲速为185ms时发现局部熔化。奎迪耳等人在铜合金中也观察到绝热剪切带。尤斯特以及布朗等人观察到由于绝热剪切和变形局部化造成的材料熔化现象。,现在绝热剪切和变形局部化磨损理论已经得到普遍的承认。一些研究者并提出相应的数学模型。,薄片剥落磨损理论,莱维等使用分步冲蚀试验法和单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过程。他们发现不论是大冲角(例如90冲角)还是小冲角的冲蚀磨损，由于磨粒的不断冲击，使靶材表面材料不断的受到前推后挤，于是产生小的、薄的、高度变形的薄片。形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该表面层由于绝热剪切变形而被加热到(或接近于)金属的退火温度，于是形成一个软的表面层。在这个软的表面层的下面，有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区。这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层薄片的形成起促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面形成的薄片将从材料表面剥落下来。,薄片剥落磨损理论提出后，得到许多研究者的证实。因而可以认为薄片剥落磨损理论是当前延性材料冲蚀磨损中的一种较有前途的磨损理论。但莱维只承认在冲浊磨损中存在薄片剥落机理，而不承认有切削机理的存在，这是值得探讨的。,（3）影响冲蚀磨损的主要因素,磨粒的影响磨粒硬度的影响 一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数。冲蚀磨损量与磨粒硬度之间的关系式为KH2.3,磨粒形状的影响 显然尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产生更大的冲蚀磨损。甚至低硬度的多角形磨粒比高硬度的圆球形磨粒产生的磨损更大。,磨粒尺寸的影响 磨粒尺寸很小时，对冲蚀磨损影响不大。随着磨粒尺寸增大，靶材的冲蚀磨损也增大，当磨粒尺寸增大到一定值(磨粒的临界尺寸)时，磨损几乎不再增加。这一现象称为“尺寸效应” 。,磨粒破碎的影响 磨粒在冲击靶材表面时，往往会产生大量碎片。这些碎片能除去磨粒在以前冲击时在靶材表面形成的挤出唇或翻皮，增加靶材的磨损。这种由于碎片造成的磨损称为二次磨损，而磨粒末形成碎片时造成的磨损称为一次磨损，冲蚀磨损是一次磨损与二次磨损的总和。,磨粒嵌镶的影响 在冲蚀磨损的初期，由于磨粒嵌镶于靶材的表面，因此靶材的冲蚀磨损量很小，甚至不是产生失重而是增重，即产生负磨损，这一阶段称为“孕育期”。经过一段时间(或冲蚀了一定量的磨粒)之后，当靶材的磨损量大大超过嵌镶量时，才变为正磨损。随着冲蚀磨粒数量的增加，靶材的磨损量也稳定增加，这一阶段称为稳定(态)冲蚀期。,冲蚀速度的影响,磨粒的冲蚀速度对冲蚀磨损影响很大，这是因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接的关系。许多研究表明，冲蚀磨损量与磨粒的速度存在以下关系式Kvn式中K是常数， v是磨粒的冲蚀速度，n是速度指数，一般情况下n23；,比特认为存在一个速度门坎值，低于这个数值则不产生冲蚀磨损，只发生弹性变形。蒂利还提出速度门坎值与磨粒大小有关。,冲角的影响,冲角是指磨粒与靶材表面之间的倾角。冲角对冲蚀磨损的影响与靶材有很大的关系。延性材料的冲蚀磨损开始随冲角增加而增大，当冲角为2030时，磨损最大。然后随