磨损及耐磨材料-复习课-长安大学PPT课件.pptx

张凤英 zhangfengying 磨损及耐磨材料复习课 第一章固体的表面与接触特性 3 第二章摩擦及其理论 古典摩擦定律 实用而并不严密的定律 第二章摩擦及其理论 摩擦定义 抵抗两物体表面发生切向相对运动的现象 摩擦分类 5 机械啮合理论 18世纪以前 理论内容及建立基础 建立在纯几何概念上 将固体看作刚体来研究 结论 m只取决于q局限性 无法解释当两接触表面过于光滑时 m反而增大的现象 第二章摩擦及其理论 6 分子理论 基本假说 当两个物体接触时 一个物体的原子可能和另外一个物体的原子足够近以至于进入斥力场中 此时 两表面分开就会造成能量损失 并以摩擦力的形式存在 m的大小与摩擦副材料本身的性质有关m与正压力大小无关 第二章摩擦及其理论 7 分子机械理论 1939 克拉盖尔斯基 1 其中 2 3 当摩擦表面十分光滑时 机械分量可忽略不计 4 核心观点 外摩擦具有双重特性 即 摩擦力由机械分量和分子分量组成 第二章摩擦及其理论 8 粘着理论 核心观点 摩擦力是由剪切力和微凸体在较软材料表层内的犁削力所组成 1 简单粘着理论 存在问题 对大多数金属 计算得m约为0 2 与实验测量结果不符 第二章摩擦及其理论 9 修正的粘着理论 考虑粘着接点长大 m增大 考虑污染膜的影响 m减小 考虑犁沟分量 m增大 第二章摩擦及其理论 10 能量理论 核心观点 在一个摩擦学系统中 输入的能量总是大于输出能量 损失能量即为摩擦过程中力学 物理和化学的变化能量消耗的总和 第二章摩擦及其理论 11 影响滑动摩擦的因素 第二章摩擦及其理论 12 滚动摩擦 定义 在力矩作用下 物体沿接触表面滚动时产生的摩擦为滚动摩擦 滚动摩擦系数 2 自由滚动 纯滚动 传递小切向力的滚动 传递很大切向力的滚动 第二章摩擦及其理论 13 润滑 润滑剂分类 润滑方式分类 润滑的目的 作用 润滑理论 液体 半固体 固体 气体 第二章摩擦及其理论 14 润滑方式 流体润滑 边界润滑 无润滑或干摩擦状态 如何判断润滑状态 润滑方式分类 第二章摩擦及其理论 15 采用膜厚比 并借助斯特里贝克 Stribeck 摩擦曲线来判断润滑状态 膜厚比的定义为 hmin 最小油膜厚度 R 综合粗糙度值 R1 R2为两对偶表面的相应粗糙度值Ra或Rz Stribeck摩擦曲线 I区h R II区h R III区 h 0 第二章摩擦及其理论 16 第三章磨损及其理论 定义 由于机械作用 间或伴有化学或电的作用 物体工件表面材料在相对运动中不断损耗的现象 评定方法 磨损量 耐磨性 磨损比 第三章磨损及其理论 18 定义 过程特点 分类 涂抹 擦伤 粘焊 粘着磨损 咬卡 模型及机理 第三章磨损及其理论 19 阿查德 Archard 理论 施加载荷的结果 首先使上半球体压入下半球体中 并使下半球体发生塑性流动 设接触面积的直径为2a 并加一切向力使粘附的软金属切断 在下微凸体上留下一个干净的圆形表面 表面2上消耗损失材料为Wv 第三章磨损及其理论 20 第三章磨损及其理论 21 粘着磨损 大小不等的结疤 磨料磨损 有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽 第三章磨损及其理论 22 两体磨料式 磨料与一个零件表面接触 三体磨料式 磨粒介于两滑动或滚动表面间 接触条件 第三章磨损及其理论 23 低应力划伤式磨料磨损 高应力碾碎式磨料磨损 凿削式磨料磨损 第三章磨损及其理论 24 微观切削磨损机理 核心观点 磨料磨损是由磨粒的尖峰对金属表面的微切削造成的 多次塑变磨损机理 核心观点 形成犁沟或犁皱 当和其他磨粒多次接触时金属脱落而形成磨屑 疲劳磨损机理 核心观点 磨粒使金属表面产生交变接触应力 导致材料表面产生疲劳破坏 微观断裂机理 核心观点 对脆性材料 磨损是由于断裂发生时压痕周围的材料剥落而导致 第三章磨损及其理论 25 微观犁沟 微观切屑 微观断裂 第三章磨损及其理论 26 第三章磨损及其理论 27 润滑油由于接触压力而产生高压油波 快速进入表面裂纹 接触面又将裂纹口堵住 裂纹内的油压增高 根部折断 表面形成小坑 疲势裂纹扩展成为点蚀的理论 油 v1 v2 第三章磨损及其理论 28 a b c d 第三章磨损及其理论 29 剪应力下的位错理论 在次表层产生位错运动 位错在夹杂物或晶界等障碍处堆积 位错切割 形成空穴 空穴集中 进而形成空洞 成为裂纹 裂纹扩展 折向表面形成点蚀 剪应力 滚动 滑动 纯滚动 纯滑动 表面下距离 第三章磨损及其理论 30 表层下一定深度处产生位错塞积 裂纹形成 裂纹向前扩展 达到临界尺寸 表面材料剥落 第三章磨损及其理论 31 实例 列车轮毂与钢轨润滑良好且闭式传动的齿轮 滚动轴承 凸轮副 第三章磨损及其理论 32 微动磨损失重 循环曲线 第三章磨损及其理论 33 微动磨损定义 由于机械振动或交变应力作用而引起的两个紧密配合的表面间发生微小振幅的相对滑动所产生的磨损 微动腐蚀 化学或电化学反应占重要地位微动疲劳 遭受微动磨损的部件 同时或者在微动过程停止后 受到循环应力 出现疲劳强度降低甚至早期断裂的现象 第三章磨损及其理论 34 第三章磨损及其理论 35 微动磨损失重 循环曲线 循环数 微动失重 A B C D O 第三章磨损及其理论 36 实例 各种连接件 包括各种螺栓 铆钉 销连接和搭接 置于振动环境下堆积的零件 如堆积的金属板在运输过程中在局部地区发生微动磨损 造成表面探伤 脱皮或夹沙 各种人工植入件 如人工关节与骨刺处在人体运动时易发生微动磨损 各种电接触部件 如部分仪器设备中的电接触件在机械振动 电磁作用 热波动下导致表面微动损伤 信号失真或失灵 第三章磨损及其理论 37 冲蚀磨损定义 材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损 冲蚀磨损 气固冲蚀 气蚀 液固冲蚀 液滴冲蚀 第三章磨损及其理论 38 第三章磨损及其理论 39 图7刚性粒子切削塑性金属 假设 粒子在冲击时不开裂 不变形而且宽度不变 故可将三维问题作二维处理作用在粒子上的力其水平分量与垂直分量比例不变切削过程中粒子与靶面接触高度与切削深度不变 延性材料的切削模型 第三章磨损及其理论 40 变形局部化模型 材料在粒子的冲击作用下 由于剪切变形局部集中可能导致唇的形成和断裂 从而发生材料的迁移磨损模型 绝热剪切 绝热剪切带 Adiabaticshearband ASB 是一个剪切变形高度局域化的窄带形区域 宽度一般为100mm量级 在ASB内应变速率可高达105 107 s 温升可达102 103K 而且由于周围存在大量相对较 冷 的基体 因此ASB内的材料还要经受极快的冷却速率 105K s 所谓 绝热 是一个近似的说法 由于材料的高速变形 整个变形过程的时间是很短的 在如此短的时间内 绝大部分的塑性功转化为热量并且来不及散失 所以近似认为在这样高应变速率下的变形过程为绝热过程 第三章磨损及其理论 41 固体粒子冲击表面 接近冲击表面夹杂处 空穴成核 形成显微裂纹 裂纹向前扩展 达到临界尺寸 表面材料剥落 刚形成的空洞 拉长的空穴或裂纹 图8 薄片剥落理论 第三章磨损及其理论 42 图10挤压锻造作用的示意图 表面材料受到前推后挤 形成一个软的表面层 软表面层的下面 材料塑性变形而产生加工硬化区 反复的冲击和挤压变形作用下 靶材表面形成的薄片脱落 锻造挤压理论 第三章磨损及其理论 43 图1 第三章磨损及其理论 44 图2 第三章磨损及其理论 45 v 图3 第三章磨损及其理论 46 v 图4 第三章磨损及其理论 47 图5 v 第三章磨损及其理论 48 液固冲蚀磨损的定义 液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材料表面进行冲击 使材料表面产生磨损的现象称为液固 浆体 冲蚀磨损 图1 第三章磨损及其理论 冲蚀速度 角度减小 参与冲蚀粒子数目减少 与气固冲蚀磨损的区别 1 冲蚀作用减弱 49 冲角a减小 冲蚀磨损过程中粒子的微切削作用所占的比例有所增大 存在液体的冲刷作用 塑性变形唇被冲刷掉 变形磨损所占的比例减小 微切削所占的比例增大 液体的冷却作用 固体粒子冲击过程中 会导致局部高度变形和局部高温 由于存在液体的冷却作用 使得热效应大为减小 冲蚀磨损率与冲角的关系发生变化 关系曲线上出现两个峰值 冲蚀磨损率与粒子冲击速度的关系发生变化 第三章磨损及其理论 2 冲蚀磨损机理发生变化 3 存在浆体性质的影响 50 液滴冲蚀 液滴或连续射流冲击材料表面造成的冲蚀 气蚀磨损 溶解的气体或蒸发的汽泡形成和破灭时导致的磨损 气蚀破坏开始出现的特征 气蚀区内出现大量球形凹坑 凹坑的直径大小不等 呈蜂窝形点坑 图2 第三章磨损及其理论 51 随气蚀的发展 坑变深变密 并逐渐出现材料剥落 发展为蜂窝状 海绵状 表面变得疏松 图3 第三章磨损及其理论 52 液滴冲蚀 流体的断续作用导致的高流体压力是导致液滴冲蚀的原因 气泡破裂导致了很高的射流速度 导致很高的表面压力 气泡可能在表面缺口或裂纹处破裂 导致了裂纹的形成和扩展 第三章磨损及其理论 53 冲蚀持续时间t 冲蚀磨损率 孕育期 增长期 最大冲蚀期 下降期 稳定期 图4液滴冲蚀磨损率与时间的关系 第三章磨损及其理论 54 实例 磨料射流技术 磨料射流设备中哪部分易磨损 磨料射流是一项新技术 目前 已用于切割和清洗等作业场合 它的工作原理是通过一定的技术手段 将一定粒度的磨料粒子加入到高压水管路系统中 使高压水与磨料粒子进行充分地混合后再经喷嘴喷出 从而形成具有极高速度的磨料粒子流 磨料射流 在这个过程中 磨料粒子得到了充分的加速 具有较高的动能 因而对物料进行切割或破碎时工作压力可以大大地减小 切割比能耗也极小 用途 表面清理 熔覆前的前处理 改变表面性能等 第三章磨损及其理论 55 相互促进 第三章磨损及其理论 56 疏松或脆性产物 产生晶间腐蚀 促进磨损 腐蚀对磨损的影响 表层材料 图8 金属基体 第三章磨损及其理论 57 磨损对腐蚀的影响 图9磨损使表面膜破坏过程 第三章磨损及其理论 58 材料表面产生强烈塑性变形 塑性变形集中在犁沟两侧或冲蚀坑外缘 具有较高的位错密度 腐蚀过程中 成为阳极 其余部位成为阴极 形成 应变差电池 加速磨损 第三章磨损及其理论 59 第三章磨损及其理论 腐蚀磨损加速 60 机械去除模型 I 表面形成均匀腐蚀膜 腐蚀膜局部被机械破坏 再形成新的腐蚀产物 经反复作用 此处腐蚀速度比其他腐蚀膜覆盖处快得多 腐蚀严重 第三章磨损及其理论 61 机械去除模型 II 多相耐磨材料 特别是含有碳化物 基体与碳化物形成腐蚀电池 产生相间腐蚀 在硬质颗粒作用下 碳化物脱落 发生相界面腐蚀的腐蚀磨损模型 第三章磨损及其理论 62 应变差腐蚀电池模型 电偶腐蚀电池模型 腐蚀去除模型 第三章磨损及其理论 63 氧化磨损 金属表面受空气或润滑剂中氧的作用生成氧化物 然后氧化物不断被磨去而使金属损耗的现象 特殊介质的腐蚀磨损 除氧化磨损以外的其他介质的腐蚀磨损 第三章磨损及其理论 64 实例1 钛合金在人工模拟体液 唾液中的腐蚀磨损研究 实例2 TC11钛合金在人工海水中的腐蚀磨损行为战斗机 直升机经常在海面停靠 海洋大气中的盐尘和盐雾混在金属表面产生吸湿潮解 第三章磨损及其理论 65 第四章减摩与摩阻材料 抗磨材料 具有良好耐磨性的材料 减摩材料 具有低且稳定的摩擦系数的材料 摩阻材料 具有很高的摩擦系数和抗摩擦能力 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 67 含磷 钒钛 铌 硼 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 68 图1石墨结构俯视图 润滑时 吸附和保存润滑油 脱落后 储存润滑剂 有削弱基体的作用 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 69 铸铁中石墨润滑能力 片状石墨铸铁在滑动界面比球墨铸铁形成更厚的石墨膜 片状石墨对金属基体产生的割裂作用比球状石墨严重 蠕墨铸铁兼有片状石墨铸铁和球墨铸铁的优点 可以获得优良的摩擦学性能 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 70 基体组织对铸铁减摩性的影响 铸铁的基体组织越硬 理论上耐磨性越好 基体组织硬度过高 不利于石墨成膜 珠光体基体是合适的铸铁基体组织 珠光体数量越多 片间距越小 铸铁的摩擦磨损性能越好 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 71 基体组织对铸铁磨损的影响 不同铸铁磨损量比较 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 72 滚动轴承钢 用来制造滚动轴承的内圈 外圈和滚动体的专用钢 属专用结构钢 第四章减摩与摩阻材料 减摩材料 73 第四章减摩与摩阻材料 摩阻材料 74 摩阻材料 刹车材料 是用于各种交通运输工具及各种机械设备的制动器 离合器和摩擦传动装置中的材料 功能 摩阻材料的主要功能是将动能转变为热量 然后将热量吸收或散发掉 同时通过摩擦降低摩阻材料与其配副之间的相对运动速度 第四章减摩与摩阻材料 摩阻材料 75 聚合物基摩阻材料 石墨 聚合物 摩擦性能调节剂 有机基体的模量较低 摩擦时易于磨合 舒适性好 且具有摩擦系数高 耐热性好 制造工艺简单等特点 石棉摩阻材料热衰退性明显 石棉纤维影响人类健康 第四章减摩与摩阻材料 摩阻材料 76 第四章减摩与摩阻材料 摩阻材料 77 金属基摩阻材料 金属陶瓷材料 以Cu粉或Fe粉为基础 金属摩阻材料 包括钢铁材料 铝基复合材料等 第四章减摩与摩阻材料 摩阻材料 78 半金属基摩阻材料 在有机摩擦材料与常规粉末冶金摩擦材料基础上发展起来的 采用金属纤维代替石棉纤维所得的一种新型无石棉摩擦材料 目前 半金属摩阻材料的替代纤维已经由最初的钢纤维发展到复合的金属纤维 包括钢纤维与铜纤维 钢纤维与碳纤维 钢纤维与玻璃纤维等 第四章减摩与摩阻材料 摩阻材料 79 C C摩阻材料 用碳纤维增强碳基体的一类材料 价格高限制了C C复合材料在民用领域的推广使用 如果能进一步降低成本