摩擦与磨损-张程煜

,摩擦与磨损,张程煜,摩擦在人类文明的进展中发挥极重要作用；早期人类的两个重要发现：摩擦生火、滚动比滑动更省力；摩擦在人们日常生活和工业活动中发挥重要作用；,Itaidsinstartingthemotionofabody,changingitsdirection,andsubsequentlystoppingit.Withoutfriction,wecouldnotreadilymoveabout,gripobjects,lightamatch,orperformamultitudeofothercommondailytasks.Withoutfriction,mostthreadedjointswouldnothold,rollingmillscouldnotoperate,andfrictionweldingwouldobviouslynotexist.Withoutfriction,wewouldhearneitherthesongoftheviolinnorthesquealofthebrake.ASMHandbook.V18Friction,Lubrication,andWearTechnology,摩擦消耗能量，对于运动物体需要不断补充能量才能维持运动发达国家10%的能耗用于克服摩擦力克服摩擦力做的功将主要转化为热能摩擦还将导致磨损为了减少摩擦产生的热和磨损，诞生了润滑,1摩擦的概念,摩擦(广义)：动能逐渐损失的现象。包括：内摩擦(内耗)、粘滞摩擦、表面摩擦和固体摩擦。两个相互接触的物体或物体与介质在外力作用下，发生相对运动(或相对运动趋势)时，在接触表面上产生的阻碍作用称为摩擦；,阻碍相对运动的力为摩擦力F，方向为沿接触面的切线方向，与运动方向相反摩擦系数=F/P，P为施加在摩擦面上的法向压力；良好润滑轴承，为0.03；干摩擦，为0.5-0.7；洁净金属表面，可大于5；步行时为0.2-0.3，冰面/鞋小于0.05；按照两接触面运动方式，分为：滑动摩擦和滚动摩擦；,摩擦与表面状态有关,包括：表面硬度、表面粗糙度、表面洁净程度、表面偏析、重构、表面化学吸附和生成化合物,2磨损,11.1摩擦和磨损的概念,磨损：摩擦造成接触表面材料的损伤、消耗或者物质转移；磨损和摩擦相生相伴按照磨损机制(材料发生损伤并脱落)进行分五类粘着磨损；磨料磨损；腐蚀磨损；微动磨损；表面疲劳磨损(接触疲劳),表面损伤的主要表现,表面微观组织变化：相变、再结晶、退火和时效等塑性变形：用局部或整个表面层的残余应变表征，整个表面发生应变体现在形状或尺寸改变表面开裂：过大表面局部应变或反复机械或热导致的裂纹表面物质损失或获得表面腐蚀：与环境或与摩擦副发生化学反应,3粘着磨损,定义：二粗糙表面局部接触，高局部应力破坏润滑膜或氧化膜，在摩擦力的作用下，表面温度升高，产生黏着，在剪切应力的作用下破坏。,AISID1钢的粘着磨损表面的SEM图,同种金属粘着力可达材料强度；异种金属粘着力开始比较小，随时间延长，原子的扩散导致粘着力逐渐增加接触表面在正应力和剪应力作用下，塑性材料表面发生塑性流动和材料的断裂，导致材料的混合脆性材料不发生材料混合,粘着磨损所造成的体积磨损量和载荷及滑动距离成正比，与材料的硬度成反比；当压力不超过钢的硬度的1/3时，该公式合理，磨损与载荷成正比，K/H保持不变；超过硬度的1/3时，K值急剧增大，磨损也急剧增大，结果造成大面积的焊合和咬死。整个表面发生塑性变形，接触面积不再与载荷成正比。,K黏着磨损系数,预防措施,选择性质差别大，形成化合物倾向较大的金属，避免性质相似材料之间的滑动摩擦滑动轴承选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对通过表面化学热处理，使表面生成化合物薄膜、硫化物，磷化物或含氮化合物。渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。改善润滑条件。,4磨料磨损,定义：在硬磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中，使表面层材料发生磨耗的现象；,陶瓷颗粒在Cu表面滑动后的SEM照片,以力作用特点可分为：(1)低应力划伤式的磨料磨损：磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。(2)高应力辗碎式的磨料磨损：磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。(3)凿削式磨料磨损：磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑；以接触物体表面数目分为：(1)两体磨损：磨料与一个零件表面接触；(2)三体磨损：其磨损料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面。,磨料磨损机制,对于塑性材料，压入程度对于这三种形式的转变起重要作用当压入深度与接触面积之比超过0.2，切削是主要磨损形式；除上述3种外，还有微疲劳和微裂纹机制。,切削,楔入,犁沟,影响因素,材料：硬度，弹性模量，屈服强度，熔点、晶体结构，微观组织和成分；环境：磨粒类型和性质、温度、速度、载荷、湿度，还可能有腐蚀介质的影响。,磨损量与接触压力和滑动距离成正比，与硬度成反比；磨损量与磨料或凸出物的尖端形状有关。实际上，磨料磨损与诸多因素有关。,硬度的影响,加工硬化通过提高材料的硬度也提高材料的耐磨性,微观组织的影响,对于不同组织的钢，磨损量顺序：铁素体珠光体贝氏体马氏体；钢中引入大的、高硬度的第二相颗粒(如碳化物)，能够降低磨粒磨损；,显微组织的影响,微观组织的影响,复合材料内增强相的排列方向、大小、弹性模量、相对硬度和脆性对磨粒磨损性能有明显的影响,合金成分的影响,C作为间隙元素能够提高材料的磨料磨损；对于完全互溶合金(如Hf-Zr,Cu-Ni,和Cr-V等)，磨损符合混合定则，有时由于结合键强度和晶格扭曲，会偏离混合定则。,晶体结构的影响,Alison结果：体心立方金属耐磨性低于六方结构金属的耐磨性；Steijn结果：在体心立方和面心立方金属表面的(001)晶面上，方向的磨损大于方向。,断裂韧性的影响,对于陶瓷等脆性材料，增加断裂韧性可有效改善材料的抗磨损能力。,ZrO2陶瓷材料的断裂韧性对磨损速率的影响,磨料的影响,磨料的角度(由Archard公式给出)；磨料的硬度；磨料形状：圆形磨料的磨损小于尖锐棱角磨料的磨损；磨料的韧性：韧性提高，磨损增大。,5腐蚀磨损,定义：摩擦面与介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损包含两个过程：腐蚀和机械磨损，协同作用；除在真空或惰性气体中，磨损过程中都会伴随腐蚀；最常见的是氧化磨损。,氧化磨损的影响因素,降低腐蚀磨损的措施,选择合适的材料表面改性改善腐蚀环境,氧化膜厚度氧化膜性质氧化膜/基体结合强度,温度摩擦类型摩擦速度接触压力,6微动磨损,两接触面间小幅度的反复相对切向运动为微动，在压紧的表面间由微动而发生的磨损为微动磨损；,微动疲劳三个过程：1)塑性变形导致表面黏着，2)黏着点脱落并氧化(空气中)，3)接触区疲劳；微动磨损伴随着粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损，腐蚀磨损和疲劳磨损；微动损伤区存在明显的边界，且有大量磨粒和黏着剥落,不锈钢纯Ni,微动裂纹起始扩展方向与表面呈35-55o随表面切应力减小，裂纹停止扩展在交变拉应力下，改变扩展方向(垂直拉应力),切应力主要取决于三个参数：接触压力、相对位移和摩擦系数压紧表面附近的交变切应力最大，是微裂纹源微动裂纹与应力集中有关,相对位移(滑动幅度),相对滑移幅度与接触压力有关,相对滑移幅度增加，微动磨损增大,微动磨损的影响因素,频率,与氧化膜的形成与破坏有关,微动磨损的影响因素,循环次数,给定的环周期，低频率下，材料的磨损量大,氮气下磨损量较空气中小,残余应力,残余应力对微动疲劳磨痕深度的影响.,微动磨损的影响因素,表面疲劳损伤,残余应力对微动疲劳有显著影响,表面拉应力增加，划痕深度增加表面压应力增加，划痕深度减小,预防措施,改进设计：消除相对运