第三章 磨损及磨损理论.ppt

第三章磨损及磨损理论 一 概述1 磨损定义 相互接触的物体在相对运动中 表层材料不断损失 转移或产生残余变形的现象称为磨损 它是伴随着摩擦而产生的必然结果 有些磨损是有益的 如 研磨 可使零件表面粗糙度减小 使刀刃变得锋利 但是 据统计 约有80 左右的机械零件是由于磨损而报废或失效 磨损不仅消耗材料 浪费能源 并直接影响到机器的寿命和可靠性 固此 对磨损的研究引起了人们的极大关注 2 磨损研究的主要内容 1 主要磨损类型的发生条件 特征和变化规律 2 磨损的影响因素 包括摩擦副材料 表面形态 润滑状况 环境条件 以及滑动速度 载荷 工作温度等工况参数 3 磨损的模型与磨损计算 4 提高材料耐磨性的措施 5 磨损研究的测试技术与实验分析方法 3 磨损过程零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段 跑合阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段 跑合阶段出现在摩擦副的初始运动阶段 由于表面存在粗糙度 微凸体接触面积小 接触应力大 磨损速度快 在一定载荷作用下 摩擦表面逐渐磨平 实际接触面积逐渐增大 磨损速度逐渐减慢 如图所示 稳定磨损阶段 出现在摩擦副的正常运行阶段 经过跑合 摩擦表面加工硬化 微观几何形状改变 实际接触面积增大 压强降低 从而建立了弹性接触的条件 这时磨损已经稳定下来 如图所示 磨损量随时间增大缓慢增大 剧烈磨损阶段 由于摩擦条件发生较大的变化 如温度的急剧增高 金属组织的变化等 磨损速度急剧增加 这时机械效率下降 精度降低 出现异常的噪音及振动 最后导致零件完全失效 从磨损过程的变化来看 为了提高机器零件的使用寿命 应尽量延长 稳定磨损阶段 二 磨损的分类 1 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的结点发生剪切断裂 接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损 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 此后 在相对滑动过程中 如果粘着点的剪切发生在界面 则磨损轻微 如果剪切发生在界面以下 则材料就会从一个表面转移到另外一表面 继续滑动 一部分转移的材料分离 从而形成游离磨粒 接触 塑性变形 粘着 剪断粘着点 材料转移 再粘着 循环不断进行 构成粘着磨损过程 3 四种典型的粘着磨损 根据粘着点的强度和破坏位置不同 粘着磨损有几种不同的形式 从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损 它们的磨损形式 摩擦系数和磨损度虽然不同 但共同的特征是 出现材料迁移 以及沿滑动方向形成程度不同的划痕 a 轻微磨损粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低时 剪切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 b 涂抹粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度 小于较硬金属的强度 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 粘附 在硬金属表面上 这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多 但磨损程度加剧 c 擦伤粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高 剪切主要发生在软金属的亚表层内 有时也发生在硬金属的亚表层内 转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面 使软金属表面出现划痕 所以擦伤主要发生在软金属表层 硬金属表面也偶有划伤 d 咬合如果粘着强度比两金属基体的强度高得多 而且粘着点面积较大时 剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方 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 4 简单粘着磨损计算 Archard模型 上图为粘着磨损模型 假设摩擦副的一方为较硬的材料 摩擦副另一方为较软的材料 法向载荷W由n个半径为a的相同微凸体承受 则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 s之间的关系 1 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 即磨损率 通常用于判断材料磨损的快慢程度 为 2 由 1 和 2 式 可得 3 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 如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数K和滑动距离L 则接触表面的粘着磨损量表达式为 3 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 由于对于弹性材料 s H 3 H为布氏硬度值 则式 4 可变为 式中K为粘着磨损系数 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 5 粘着磨损的影响因素 摩擦副材料性质的影响a 脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高 塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主 发生在表层深处 磨损颗粒大 脆性材料粘着点的破坏主要是剥落 发生在表层浅处 磨损颗粒小 呈磨屑状 磨屑容易脱落 不堆积在表面上 b 相同金属或冶金相溶性大的材料摩擦副 相同金属或晶格类型 电子密度 电化学性能相似的金属 易发生粘着磨损 异种金属或冶金相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种金属摩擦副 应避免使用同种金属或冶金相溶性大的金属组成摩擦副 冶金的相 互 溶性 两种金属能在固态互相溶解的性能 摩擦的相 互 溶性 一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能 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 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 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 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 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 2 磨粒 磨料 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 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 磨粒磨损分类及其磨损特征 磨料磨损根据表面磨损的破坏形式 大体可以分为下列几种类型 按摩擦表面的数目分为 两体磨料磨损种和三体磨料磨损 a 二体磨粒磨损磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损 当磨粒运动方向与固体表面接近平行时 磨粒与表面接触处的应力较低 固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹 如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时 此时 磨粒与表面产生高应力碰撞 在表面上磨出较深的沟槽 并有大颗粒材料从表面脱落 在一对摩擦副中 硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用 这也是一种二体磨损 它通常是低应力磨粒磨损 b 三体磨粒磨损外界磨粒移动于两摩擦表面之间 类似于研磨作用 称为三体磨粒磨损 通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力 往往超过磨粒的压溃强度 这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳 而脆性金属表面则发生脆裂或剥落 凿削式磨粒磨损这类磨损的特征是冲击力大 磨料以很大的冲击力切入金属表面 因此工件受到很高的应力 造成表面宏观变形 并可以从摩擦表面凿削下金属大颗粒 在被磨损表面有较深的沟槽和压痕 如挖掘机的斗齿 矿石破碎机锤头等零件表面的磨损即属于此种磨损形式 按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分为凿削式磨料磨损 高应力碾碎式磨料磨损和低应力擦伤式磨料磨损 b 高应力碾碎式磨粒磨损这类磨损的特点是应力高 磨料所受的应力超过磨料的压碎强度 当磨料夹在两摩擦表面之间时 局部产生很高的接触应力 这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳 而脆性金属表面则发生脆裂或剥落 同时磨料不断被碾碎 被碾碎的磨料颗粒呈多角形 擦伤金属 在摩擦表面留下沟槽和凹坑 如矿石粉碎机的颚板 轧碎机滚筒等表面的破坏 c 低应力擦伤式磨粒磨损这种磨损的特征是应力低 磨料作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度 材料表面有擦伤并有微小的切削痕迹 如犁铧 泥沙泵叶轮等 3 磨粒磨损机理 关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设 微观切削假说 法向载荷将磨料压入摩擦表面 滑动时磨料对表面产生切削作用 材料脱离表面形成磨屑 压痕破坏假说 擦痕假说 磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕 滑动时使表面产生严重的塑性变形 压痕两侧材料受到损伤 因而易从表面挤出或剥落 疲劳破坏假说 摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下 表面材料开始出现疲劳裂纹并逐渐扩大 最后从表面剥离 4 磨粒磨损模型 简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出 下图为磨粒磨损模型 可以将磨粒看做是具有锥形的硬质颗粒在软材料上滑动 犁出一条沟 假设磨粒为形状相同的圆锥体 半角为 锥底直径为r 即犁出的沟槽宽度 载荷为W 压入深度h 滑动距离为L 屈服极限 s 在垂直方向的投影面积为 r2 滑动时只有半个锥面 前进方向的锥面 承受载荷 共有n个微凸体 则所受的法向载荷为 将犁去的体积作为磨损量 其水平方向的投影面积为一个三角形 单位滑动距离的磨损量 磨损率 为Q0 nhr 因为r htan 因此 1 如果考虑到微凸体相互作用产生磨粒的概率数K和滑动距离L 并且代人材料的硬度H 3 s 则接触表面的磨损量表达式为 式中Ks为磨粒磨损系数 是几何因素2 tan 和概率常数K的乘积 Ks与磨粒硬度 形状和起切削作用的磨粒数量等因素有关 应当指出 上述分析忽略了许多实际因素 例如磨粒的分布情况 材料弹性变形和滑动前方材料堆积产生的接触面积变化等等 因此式 2 近似地适用于二体磨粒磨损 在三体磨损中 一部分磨粒的运动是沿表面滚动 它们不产生切削作用 因此Ks值明显减小 由公式 2 可看出 粘着磨损定律也同样适用于磨粒磨损 2 相对耐磨度 标准试样磨损量和被评价试验试样磨损量之比 其值越大 材料耐磨性越好 材料硬度的影响 5 影响磨粒磨损的因素 如图 a 所示 对于纯金属和退火钢 其耐磨性与硬度成正比 图 b 是正常淬火后 不同温度回火的几种钢的磨粒磨损试验结果 淬火回火钢的耐磨性随着硬度的增加而增大 但是与退火钢相比 耐磨性的增大速度缓慢些 即淬火回火可以提高钢的硬度和耐磨性 但效果微弱 由此得出 金属的耐磨性不仅取决于其硬度 还取决于它的成分和组织结构 相同硬度下 钢中的碳含量及碳化物形成元素含量越高 其耐磨性也越强 右图为表面冷作硬化对低应力磨粒磨损试验时的耐磨性的影响 由图可见 冷作硬化后 表层硬度的提高并没有使耐磨性增加 甚至有下降的趋势 所以在低应力磨损时 冷作硬化不能提高表面的耐磨性 只要在塑性变形的过程中组织未发生变化 加工硬化的影响 应提出的是 零件实际使用条件与上述试验条件相近时 以上结论才是适用的 如果零件在更复杂的条件下工作 如除了磨粒磨损之外 可能还有其他因素起作用 这时就不能简单套用上述结论 例如 表面层的机械冷作硬化 喷丸处理 滚压强化等 是提高零件疲劳强度的方法 由于提高了材料的表面硬度 这对于以粘着磨损为主的磨损 也能提高摩擦副的相对耐磨性 以上所述是指冷作硬化对低应力磨粒磨损时的耐磨性的影响 对于高应力磨粒磨损曾用球磨机钢球进行了试验 试验表明 材料在受高应力冲击载荷下 表面会受到加工硬化 加工硬化后的硬度愈高 其耐磨抗力也愈高 高锰钢的耐磨性也可说明这个问题 此钢淬火后为软而韧的奥氏体组织 当受低应力磨损时 它的耐磨性不好 而在高应力磨损的场合 它具有特别高的耐磨性 这是由于奥氏体在塑性变形时其加工硬化率很高 同时还因为其转变为很硬的马氏体 生产实践证明 高锰钢用作碎石机锤头可呈现很好的耐磨性 综合 和 所述 提高钢材硬度的方法有改善合金成分 热处理或冷作硬化等三种 而材料抗磨粒磨损的能力与硬化方法有关 所以必须根据各种提高硬度的方法来考虑耐磨性与硬度的关系 相对硬度影响 磨粒磨损取决于磨料硬度H0与试件材料硬度H比值 如图所示的三种不同的磨损状态 当磨料硬度低于试件材料硬度 即H0 0 7H时 轻微磨 损阶段 当磨料硬度超过试件材料硬度后 即0 7H H0 1 3H 磨损量随磨料硬度迅速增大 过渡磨损阶段 若磨料硬度远高于材料硬度 即H0 1 3H 将产生严重磨损 磨损量不再随磨料硬度而变化 由此可知 为了降低磨粒磨损 材料硬度H大约为磨料硬度H0的1 4倍 即H0 0 7H时最佳 不必要求金属硬度太高 因为H太高并不能带来耐磨性的明显提高 磨粒尺寸的影响 一般金属的磨损量随磨料平均尺寸的增大而增加 到某一临界值后 磨损量便保持不变 即磨损与磨料的尺寸无关 钢磨损量与磨料尺寸关系如下图所示 各种材料磨料临界尺寸是不相同的 磨料的临界尺寸还与工作零件的结构和精度有关 例如 通过对柴油机油泵柱塞副的磨损研究 认为3 6 m的机械杂质引起的磨损最大 而通过对发动机的磨损研究 发现20 30 m的磨料对缸套磨损才最严重 所以 防止3 6 m左右的机械杂质进人燃油系统 防止20 30 m的磨料进入缸套摩擦表面最为重要 显微组织的影响 a 基体组织由铁素体逐步转变为珠光体 贝氏体 马氏体时 耐磨性提高 众所周知 铁素体硬度太低 故耐磨性很差 马氏体与回火马氏体硬度高 所以耐磨性好 但在相同硬度时 下贝氏体氏体的耐磨性要比回火马氏体的好得多 钢中的残余奥氏体也影响抗磨料磨损能力 在低应力磨损下 残余奥氏体数量较多时 将降低耐磨性 反之 在高应力磨损下 残余奥氏体因能显著加工硬化或转变为马氏体而改善耐磨性 b 第二相组织钢中的碳化物是最重要的第二相 在磨粒磨损中 材料的耐磨性与碳化物和基体硬度相对大小以及碳化物硬度有关 在软基体中增加碳化物的数量 减小尺寸 增加弥散度 均能改善耐磨性 在硬基体中 即碳化物的硬度与基体的硬度相近 碳化物反而损害材料的耐磨性 因为此时碳化物如同内部缺口一样 极易使裂纹扩展 致使表面材料通过切削过程而除去 当摩擦条件不变时 如碳化物硬度比磨粒低 则提高碳化物的硬度 将增加耐磨性 载荷的影响 载荷显著地影响各种材料的磨粒磨损 如右图所示 线磨损度与表面压力成正比 当压力达到转折值pc时 线磨损度随压力的增加变得平缓 这是由于磨粒磨损形式转变的结果 各种材料的转折压力值不同 3 表面疲劳磨损 1 定义 疲劳 指材料在远低于拉伸强度 常常低于屈服强度 的交变载荷作用下发生破裂的现象 表面疲劳磨损 两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面 在交变接触应力的作用下 表层产生塑性变形 在表层薄弱处引起裂纹 裂纹不断扩大并发生断裂 而造成的点蚀或剥落的现象 如滚动轴承 齿轮副 凸轮副以及轮轨都能产生表面疲劳磨损 其磨损形式是在光滑的接触表面上分布有若干深浅不同的针状或豆状凹坑 或较大面积的表面压碎 摩擦表面粗糙凸峰周围应力场变化引起的微观疲劳现象也属于表面疲劳 2 表面疲劳磨损的机理 最大切应力理论表面疲劳磨损的机理可以用赫兹公式来解释 在赫兹接触中 最大切应力产生于离表面一定距离的下层 如右图所示 由于滚动的结果 在最大切应力处的材料首先出现屈服而塑变 随着外载荷的反复作用 材 料在此处首先出现裂纹 并沿最大切应力方向扩展到表面 最后形成疲劳破坏 以颗粒形式分离出来 并在摩擦表面留下痘斑状凹坑 称为点蚀 凹坑小而深 或以鳞片状从表面脱落下来 称为剥落 凹坑大而浅 对于无缺陷的材料 如图 在滚动接触时 首先损伤部位 可由赫兹公式求得的最大交变切应力的位置确定 如果接触中还有一定的滑动 那么损伤的部位将向表面移近 滑动摩擦力愈大 最大剪应力位置愈接近表面 然而 实际上材料是不可能完整无缺的 所以 最终的损伤部位总是受到杂质 疏松 原始微裂缝等因素的影响 这些缺陷都容易引起应力集中而产生早起的疲劳裂纹 所以裂纹有时从表面开始 有时从次表面开始 油楔理论对于滚动兼有滑动的接触表面 因同时存在接触压应力和剪切应力 使得接触应力增大 实际最大切应力十分接近表面 故在摩擦表面上容易产生塑性变形而形成微观裂纹 有时虽然摩擦副的表而剪应力并不大 但因表面缺陷 高温或脱碳等原因 使表面局部变弱 也容易在表面形成裂纹 若滚动方向与裂纹方向一致 则当滚动体接触到裂纹口处 将把裂口封住 裂纹中的润滑油不能往外跑 从而使裂纹的两内壁承受巨大的挤压力 于是迫使裂纹与表面呈30 45 倾角向外扩张 在已形成微裂纹的表面 当有润滑油时 由于毛细管作用 微裂纹吸附润滑油 使得裂纹的尖端处形成油楔 如图 a 所示 此过程经历若干周次 裂纹由表面向内层扩展到定深度 起始裂纹口也张大到一定宽度 那么裂纹上部的金属像一个悬臂梁承受弯曲 在随后的加载运转若干周次就会突然折断 使这里的金属剥离 最后在接触表面留下一个深浅不等的麻点剥落凹坑 一般剥落深度为0 1 0 2mm 在摩擦过程中 摩擦力促使表面金属流动 因而疲劳裂纹往往有方向性 即与摩擦力方向一致 如图所示 主动轮裂纹中的润滑油在对滚中被挤出 而从动轮上的裂纹口在通过接触区时受到油膜压力作用促使裂纹扩展 由于油的压缩性和金属的弹性 油压传递到裂纹尖端将产生压力降 因此 若滚动方向与裂纹方向相反 则当滚动体接触到裂纹时 裂纹中的润滑油被挤出来 如图中的主动轮 裂纹内不会产生很大的挤压力 因而裂纹扩展缓慢 工作寿命长 总之 对于滚动接触的理想材料 其破坏位置取决于用赫兹方程求得的最大交变切应力的位置 对于滚动兼滑动的接触 则破坏位置移向表面 材料并不理想的 其破坏的确切位置会受到材料内存在的杂质 孔隙 微观裂纹和其他因素的影响 微观点蚀磨损理论 微观点蚀理论认为 裂纹产生的位置实际上较之最大切应力理论确定的位置更靠近表面 因为最大切应力理论是用宏观的赫兹接触应力来分析的 这种分析以接触区表面理想光滑 接触 应力成椭圆分布为前提的 如图所示的光滑表面应力分布线 这样所决定的点蚀应称为宏观点蚀 但是 真实表面是粗糙的 接触发生在微凸体的峰处 即表面粗糙度使赫兹接触应力分布发生调幅现象 如图所示 微凸体每个峰点进入接触都产生一个微观应力分布 这种由接触表面峰点作用所引起的点蚀称为微观点蚀 微观点蚀和宏观点蚀虽然都是与最大切应力的区域相对应 但微观点蚀的最大切应力更接近表面 且裂纹深度比宏观点蚀浅得多 约浅20倍 试验证实 随着循环次数的增加 已产生的微观点蚀可以诱发二次裂纹 三次裂纹 裂纹依次向纵深扩展可以形成宏观点蚀 这是宏观点蚀形成的一种机理 对用赫兹理论米解释点蚀产生的观点作了很大修正 3 疲劳磨损的影响因素非金属夹杂 非金属夹杂物破坏了基体的连续性 严重降低了材料抗疲劳磨损能力 特别是脆性夹杂 硅酸盐和氧化物等 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 当超过基体的弹性极限 产生塑性变形 易在脆性夹杂物的边缘部分最易产生微裂纹 降低抗疲劳磨损能力 塑性夹杂 硫化物 易随基体一起变形 能够把氧化物夹杂包住形成共生夹杂 可降低氧化物夹杂的破坏作用 因此 钢种含有适量的硫化物夹杂对提高抗疲劳磨损能力有益 总之 生产上应尽量减少钢中夹杂物 特别是氧化物 硅酸盐夹杂物 即炼钢时要进行净化处理 表面层状态的影响 a 表层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 反而会降低接触疲劳寿命 例如 对轴承钢而言 当表面的硬度为62HRC左右时 轴承的平均使用寿命最高 如图所示 b 心部硬度承受接触应力的零件 必须有适当的心部硬度 若心部硬度太低 则表面和心部的硬度梯度太陡 使得硬化层的过渡区产生裂纹 容易产生表层压碎现象 实践表明 心部硬度在35 40HRC范围内较适宜 c 硬化层深度渗碳钢或其他表面硬化钢的硬化层厚度影响抗疲劳磨损能力 硬化层太薄时 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 d 硬度匹配硬度匹配直接影响接触疲劳寿命 例如 在齿轮副的硬度选配时 因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多 所以对于软齿面 一般要求小齿轮硬度大于大齿轮硬度 这样小齿轮不易出现疲劳磨损失效 达到大小齿轮使用寿命等长的目的 表面粗糙度的影响 对于滚动或滚滑摩擦副来说 表面粗糙度应当尽量低些 特别是硬度较高的零件 表面粗糙度更应该低些 但是表面粗糙度也有个最佳值 过低的表面粗糙度对提高疲劳磨损寿命的影响不大 例如 滚动轴承的粗糙度为Ra0 2的接触疲劳寿命比Ra0 4的高2 3倍 Ra0 1的比Ra0 2的高1倍 Ra0 05比Ra0 1高0 4倍 粗糙度低于Ra0 05对寿命影响甚微 润滑的影响 润滑油粘度愈高 则接触部分的应力愈接近平均分布 相对地降低了最大接触应力 因而抗疲劳磨损的能力就愈高 油的粘度愈低 愈易渗入裂纹中 加速裂纹扩展 降低了寿命 润滑油中含水量过多 腐蚀作用 对疲劳磨损有较大影响 必须严格控制含水量 润滑油中适当加入固体润滑剂如MoS2或硫化润滑脂 可在接触表面层形成一层坚固薄膜 减少摩擦 从而提高抗疲劳磨损性能 4 腐蚀磨损 定义 摩擦过程中 由于机械作用以及金属表面与周围介质发生化学或电化学反应 共同引起的表面损伤 分类 由于介质的性质 作用于摩擦面的状态以及摩擦材料性能等的不同 腐蚀磨损可分为 氧化磨损 特殊介质腐蚀磨损 气蚀和微动磨损 3 氧化磨损 氧化磨损机理 当金属摩擦副在氧化性介质中工作时 表面生成一层氧化膜 避免金属间的直接接触 在摩擦过程中 表面所生成的氧化膜被磨掉 但又很快地形成新的氧化膜 如此周而复始 这个过程所造成的材料损伤为氧化磨损 可见氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程 由于大气中含有氧 因此氧化磨损是最常见的一种磨损形式 一般氧化磨损率较其他磨损轻微的多 若形成的是脆性氧化膜 由于氧化膜与基体连结的抗剪切强度较差 其磨损速率大于氧化速率 所以磨损量大 若形成的是韧性氧化膜 由于氧化膜与基体连结处的抗剪切强度较高 其磨损速率小于氧化速率 氧化膜能起减摩耐磨作用 所以氧化磨损量较小 氧化磨损的影响因素a 滑动速度的影响在载荷不变的条件下 磨损类型与速度都随滑动速度而变化 如图所示 当滑动速度很小时 摩擦表面被Fe2O3覆盖 主要是氧化磨损 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Fe3O4 表面生成又转为氧化磨损 磨损量又减小 如摩擦速度再增大 将再次转化为粘着磨损 且磨损剧烈 b 载荷的影响下图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 随着载荷的增大 磨损由氧化磨损转变为粘着磨损 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 c 氧化膜硬度的影响磨损与氧化膜硬度值H0 基体金属硬度值H有关 若H0 H 氧化膜容易破碎 产生磨损 若H0 H 在小载荷引起小变形时 氧化膜和基体金属同时变形 氧化磨损小些 若变形量大 则氧化膜同样容易破碎 产生磨损 若H0与H都很高 载荷引起的变形小 氧化膜不易破碎 此时的耐磨性好 d 介质含氧量的影响介质含氧量会直接影响磨损率 金属在还原性气体 惰性气体 纯氧介质中 其磨损量都比在空气中大 这是因为空气中所形成的氧化膜强度高 与基体金属结合牢固的缘故 e 润滑状态的影响用油脂润滑时 油脂除了起减磨作用外 又隔绝摩擦表面与空气中氧的直接接触 使氧化膜的生成速度减缓 但油脂与氧的反应 生成酸性氧化物 会腐蚀摩擦面 生产中有时利用危害性小的腐蚀磨损以防止危害性大的粘着磨损 如汽车后桥中采用双曲线齿轮传动 由于双曲线齿轮副接触应力较大 极易产生早期粘着磨损 为了阻止这种粘着磨损 在润滑中有意加入腐蚀性极压添加剂 使油膜强度提高 宁可产生较低的腐蚀磨损 而避免严重的粘着磨损出现 4 特殊介质腐蚀磨损 对于在化工设备中工作的摩擦副 由于金属表面与酸 碱 盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而造成的磨损 其腐蚀磨损的机理与氧化磨损相似 但腐蚀磨损速度较快 磨损痕迹较深 磨损量也较大 磨屑呈颗粒状和丝状 它们是表面金属与周围介质的化合物 此外 金属表面还可能与某些特殊介质作用 而生成耐磨性较好的保护膜 特殊介质腐蚀磨损的影响因素a 介质性质和温度的影响钢的磨损率随着介质腐蚀性的增强而加快 钢的磨损率随着温度的升高而增大 b 合金元素的影响有些元素 如镍 铬 钛等在特殊介质作用下 易形成化学结合力较高 结构致密的钝化膜 从而减轻腐蚀磨损 钨 钼两金属在500 C以上 表面生成保护膜 使摩擦系数碱小 故钨 钼是抗高温腐蚀磨损的重要金属材料 此外 由碳化钨 碳化钛等组成的硬质合金都具有高抗腐蚀磨损能力 含镉 铅等元素的滑动轴承材料很容易被润滑油里的酸性物质腐蚀 在轴承表面上生成黑点 逐渐扩展成海绵状空洞 在摩擦过程中成小块剥落 含银 铜等元素的轴承材料在温度不高时 与油中硫化物生成硫化物膜 能起减摩作用 但高温时膜易破裂 如硫化铜膜 性质硬而脆 极易剥落 5 气蚀 定义 气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤 通常发生在水泵零件 水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面 气蚀的机理 当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸发压力时 将在固体表面附近形成气泡 另外 溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡 随后 当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时 气泡便溃灭 在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温 固体表面经受这种冲击力的多次反复作用 材料发生疲劳脱落 使表面出现小凹坑 进而发展成海绵状 严重的气蚀可在表面形成大片的凹