第七章材料力学性能

1、第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 机器运转时机件间因相对运动机器运转时机件间因相对运动 产生的摩擦而磨损。产生的摩擦而磨损。 磨损是降低机器和工具效率、磨损是降低机器和工具效率、 精确度甚至报废的原因，也是造精确度甚至报废的原因，也是造 成金属材料损耗和能源消耗的重成金属材料损耗和能源消耗的重 要原因。要原因。 摩擦磨损消耗能源的三分之一摩擦磨损消耗能源的三分之一 到二分之一，大约到二分之一，大约80%的机件失的机件失 效是磨损引起的。效是磨损引起的。 因此，研究磨损规律，提高机因此，研究磨损规律，提高机 件的耐磨性，对节约

2、能源、减少件的耐磨性，对节约能源、减少 材料消耗、延长机件寿命具有重材料消耗、延长机件寿命具有重 要意义。要意义。 磨损概念磨损概念 磨损过程磨损过程 耐磨性及试验方法耐磨性及试验方法 提高耐磨性的措施提高耐磨性的措施 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 1 磨损的基本概念磨损的基本概念 一、摩擦一、摩擦 两个相互接触的物体在外力作用两个相互接触的物体在外力作用 下发生相对运动或具有相对运动下发生相对运动或具有相对运动 趋势，接触面上具有阻止相对运趋势，接触面上具有阻止相对运 动或相对运动趋势的作用，这种动或相对运动趋势的作用，这种 现象称为摩擦现象称为摩擦 摩擦力同接触法向压

3、力及摩擦系摩擦力同接触法向压力及摩擦系 数成正比。数成正比。 Fp 二、磨损二、磨损 机件表面相接触并作相对运动时，机件表面相接触并作相对运动时， 由于摩擦使摩擦表面逐渐有微小由于摩擦使摩擦表面逐渐有微小 颗粒分离出来形成磨屑，使表面颗粒分离出来形成磨屑，使表面 材料逐渐损失，导致机件尺寸变材料逐渐损失，导致机件尺寸变 化和质量损失，造成表面损伤的化和质量损失，造成表面损伤的 现象。现象。 1.定义定义 2.磨屑形成磨屑形成 磨屑的形成是材料发生变形和断磨屑的形成是材料发生变形和断 裂的结果。裂的结果。 静强度的基本理论也基本适用静强度的基本理论也基本适用 于磨损过程分析。于磨损过程分析。 1

4、 磨损的基本概念磨损的基本概念 磨损是发生在材料表面的局部磨损是发生在材料表面的局部 变形与断裂，这种变形与断裂是变形与断裂，这种变形与断裂是 反复进行的，具有动态特征。一反复进行的，具有动态特征。一 旦磨屑形成，该过程就转入下一旦磨屑形成，该过程就转入下一 循环。循环。 在磨损过程中材料还将发生一在磨损过程中材料还将发生一 系列物理、化学状态的变化。如系列物理、化学状态的变化。如 因表面材料的塑性变形引起的形因表面材料的塑性变形引起的形 变硬化及应力分布的改变；因摩变硬化及应力分布的改变；因摩 擦热引起的二次相变淬火、回火擦热引起的二次相变淬火、回火 及回复再结晶等。及回复再结晶等。 因外部

5、介质产生的吸附和腐蚀因外部介质产生的吸附和腐蚀 作用等都将影响材料的耐磨性能。作用等都将影响材料的耐磨性能。 3.磨损曲线磨损曲线 4.磨损的基本类型磨损的基本类型 根据摩擦面损伤和破坏的形式根据摩擦面损伤和破坏的形式 粘着磨损粘着磨损 磨料磨损磨料磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 疲劳磨损（接触疲劳）疲劳磨损（接触疲劳） 1 磨损的基本概念磨损的基本概念 磨损类型在不同的条件下，可以发生转化磨损类型在不同的条件下，可以发生转化 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 2 磨损过程磨损过程 一、粘着磨损一、粘着磨损 (Adhesive Wear) 1.定义定义 粘着磨损是接触表面相互运动时，

6、粘着磨损是接触表面相互运动时， 因固相焊合作用使材料从一个表因固相焊合作用使材料从一个表 面脱落或转移到另一表面而形成面脱落或转移到另一表面而形成 的磨损，又称咬合磨损。的磨损，又称咬合磨损。 2.产生的条件产生的条件 滑动摩擦滑动摩擦，相对，相对滑动速度较小滑动速度较小 （钢小于（钢小于1m/s） 缺乏润滑油缺乏润滑油 摩擦摩擦表面无氧化膜表面无氧化膜 单位法向载荷很大：单位法向载荷很大：接触应力接触应力 超过实际接触点处的屈服强度超过实际接触点处的屈服强度 3.粘着磨损过程及机理粘着磨损过程及机理 表面局部凸起表面局部凸起 载荷很小时，接触面局部应力载荷很小时，接触面局部应力 很大，接触点

7、发生塑性变形很大，接触点发生塑性变形 若表面洁净，原子彼此接触很若表面洁净，原子彼此接触很 近，产生粘着（冷焊）近，产生粘着（冷焊） 2 磨损过程磨损过程 相对运动产生剪切力，导致粘相对运动产生剪切力，导致粘 着点断裂，发生材料转移或磨屑着点断裂，发生材料转移或磨屑 粘着、剪粘着、剪 切、再粘着的交替过程切、再粘着的交替过程 就形成了粘着磨损。就形成了粘着磨损。 4.分类分类 按工作温度分：按工作温度分： 低温粘着磨损（冷焊）低温粘着磨损（冷焊） 高温粘着磨损（表面摩擦生热高温粘着磨损（表面摩擦生热 温度升高使相接触的材料直接温度升高使相接触的材料直接 焊合）焊合） 按粘结点的强度和磨损程度分

8、按粘结点的强度和磨损程度分 a）涂抹：当较软金属的剪切强）涂抹：当较软金属的剪切强 度小于界面强度时，度小于界面强度时， 剪切断裂剪切断裂 发生在较软金属的浅表层内，发生在较软金属的浅表层内， 材料从软金属材料从软金属 表面上脱落，又表面上脱落，又 粘附粘附(涂敷涂敷)在硬金属的表面上。在硬金属的表面上。 2 磨损过程磨损过程 软材料表面出现微小的凹坑，硬软材料表面出现微小的凹坑，硬 材料表面形成微小凸起，使摩擦材料表面形成微小凸起，使摩擦 面变得粗糙。面变得粗糙。 最终使不同材料的摩擦副滑动变最终使不同材料的摩擦副滑动变 成同材料间的滑动，磨损增大，成同材料间的滑动，磨损增大， 甚至产生咬死

9、现象。如铅基合金甚至产生咬死现象。如铅基合金 轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损 就同这种情况。就同这种情况。 b）擦伤：当）擦伤：当界面强度大于两摩擦界面强度大于两摩擦 材料基体的强度材料基体的强度时，时， 剪切断裂发剪切断裂发 生在软材料的亚表层内，附在硬生在软材料的亚表层内，附在硬 金属表面金属表面 的粘着物，在摩擦表面的粘着物，在摩擦表面 的滑动方向上将软材料的表面的滑动方向上将软材料的表面 划划 伤，形成伤，形成细而浅的划痕细而浅的划痕，使摩擦，使摩擦 表面破坏。表面破坏。 c）刮伤：当）刮伤：当界面强度大于两摩擦界面强度大于两摩擦 材料基体的强度材料基体的强度

10、时，时， 摩擦表面上摩擦表面上 形成的粘着物使另一摩擦表面沿形成的粘着物使另一摩擦表面沿 滑动方向产生滑动方向产生较深的划痕较深的划痕。 d）胶合：在）胶合：在摩擦力和摩擦热的摩擦力和摩擦热的 作用作用下，摩擦表面出现下，摩擦表面出现较深的划较深的划 痕和凹坑痕和凹坑的磨损。胶合是的磨损。胶合是擦伤和擦伤和 撕脱联合作用的结果撕脱联合作用的结果。 e）咬死：当摩擦表面形成牢固）咬死：当摩擦表面形成牢固 的焊结结点时，的焊结结点时，外力克服不了结外力克服不了结 点界面上的结合力点界面上的结合力，也不能使摩，也不能使摩 擦面双方剪擦面双方剪 切破坏时，使摩擦切破坏时，使摩擦 副双方没有相对滑动。副

11、双方没有相对滑动。 2 磨损过程磨损过程 5.粘着磨损的共同特征粘着磨损的共同特征 出现材料迁移以及沿滑动方向出现材料迁移以及沿滑动方向 形成程度不同的划痕形成程度不同的划痕,机件表面机件表面 有大小不等的结疤。有大小不等的结疤。 6.磨损量的计算磨损量的计算 在摩擦副接触处为三向压缩应在摩擦副接触处为三向压缩应 力状态，所以接触压缩强度近似力状态，所以接触压缩强度近似 为单向压缩屈服强度为单向压缩屈服强度sc的三倍。的三倍。 接触点真实面积为接触点真实面积为A，作用于，作用于 表面上的法向力为表面上的法向力为F sc AF3 假定磨屑为半球形，直径为假定磨屑为半球形，直径为d， 任一瞬时有任

12、一瞬时有n个粘着点，所有粘个粘着点，所有粘 着点尺寸相同，则着点尺寸相同，则 4 2 d nA 2 磨损过程磨损过程 2 3 4 d F n sc 设每一粘着点滑过距离设每一粘着点滑过距离d，则，则 单位距离内粘着点数为单位距离内粘着点数为 scd F d n N 3 3 4 设粘着点成为磨屑几率为设粘着点成为磨屑几率为K， 则单位距离内磨损体积则单位距离内磨损体积 sc KFd KN l V 912 3 总的滑动距离总的滑动距离lt 内磨损体积内磨损体积 9 tt sc KFlKFl V H 材料的粘着磨损量与所加法向载材料的粘着磨损量与所加法向载 荷、摩擦距离成正比；与材料的荷、摩擦距离成

13、正比；与材料的 硬度或强度成反比，而与接触面硬度或强度成反比，而与接触面 积大积大 小无关。小无关。 n大部分粘结点不产生磨屑，即大部分粘结点不产生磨屑，即 几率几率k 值远小于值远小于1 7.粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素 1）材料组织与性能（内因）材料组织与性能（内因） 2 磨损过程磨损过程 （1）点阵结构：体心立方和面）点阵结构：体心立方和面 心立方结构的金属发生粘着磨损心立方结构的金属发生粘着磨损 的倾向高于密排六方结构。的倾向高于密排六方结构。 （2）材料的互溶性：摩擦副材）材料的互溶性：摩擦副材 料的互溶性越大，粘着倾向越大。料的互溶性越大，粘着倾向越大。 （3）组织结构：单

14、晶体的粘着）组织结构：单晶体的粘着 性大于多晶体；单相金属的粘着性大于多晶体；单相金属的粘着 性大于多相合金；固溶体比化合性大于多相合金；固溶体比化合 物粘着倾物粘着倾 向大。材料的晶粒尺向大。材料的晶粒尺 寸越小，粘着磨损量越小。寸越小，粘着磨损量越小。 （4）塑性材料比脆性材料易于粘）塑性材料比脆性材料易于粘 着；金属着；金属/金属组成的摩擦副比金金属组成的摩擦副比金 属属/非金属的摩擦副易于粘着。非金属的摩擦副易于粘着。 2）工作环境（外因）工作环境（外因） （1）在摩擦速度一定时，粘着）在摩擦速度一定时，粘着 磨损量随接触压力的增大而增磨损量随接触压力的增大而增 加。一般情况下，应小于

15、硬度加。一般情况下，应小于硬度 的的1/3。 （2）在接触压力一定的情况下，）在接触压力一定的情况下， 粘着磨损量随滑动速度的增加粘着磨损量随滑动速度的增加 而增加，但达到某一极大值后，而增加，但达到某一极大值后， 又随滑动又随滑动 速度的增加而减小。速度的增加而减小。 （3）降低表面粗糙度，将增加）降低表面粗糙度，将增加 抗粘着磨损能力。但粗糙度过抗粘着磨损能力。但粗糙度过 低，反因润滑剂难于储存在摩低，反因润滑剂难于储存在摩 擦面内而促进擦面内而促进 粘着。粘着。 2 磨损过程磨损过程 （4）提高温度和滑动速度，粘着）提高温度和滑动速度，粘着 磨损量增加。磨损量增加。 （5）良好的润滑状态

16、能显著降低）良好的润滑状态能显著降低 粘着磨损。粘着磨损。 二、磨粒磨损二、磨粒磨损 (Abrasive Wear) 1.概念概念: 摩擦副的一方表面存在坚硬的细微摩擦副的一方表面存在坚硬的细微 凸起或在接触面向存在硬质粒子凸起或在接触面向存在硬质粒子 (从外界进入或从表面剥落从外界进入或从表面剥落)时产生时产生 的磨损。的磨损。 2.分类分类: 1)按接触条件或磨损表面数量分按接触条件或磨损表面数量分 （1）两体磨粒磨损：磨料直接）两体磨粒磨损：磨料直接 作用于被磨材料的表面，磨粒、作用于被磨材料的表面，磨粒、 材料表面各为一物体，如挫削材料表面各为一物体，如挫削 过程。过程。 （2）三体磨

17、粒磨损：磨粒介）三体磨粒磨损：磨粒介 于两材料表面之间。磨粒为一于两材料表面之间。磨粒为一 物体，两材料为两物体，磨粒物体，两材料为两物体，磨粒 可以在两表面可以在两表面 间滑动，也可以间滑动，也可以 滚动，如抛光过程。滚动，如抛光过程。 2 磨损过程磨损过程 2）按磨料所受应力大小）按磨料所受应力大小 （1）低应力划伤式磨粒磨损：磨）低应力划伤式磨粒磨损：磨 粒作用于表面的应力不超过磨料粒作用于表面的应力不超过磨料 的压碎强度，材料表面为轻微划的压碎强度，材料表面为轻微划 伤。伤。 （2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨）高应力碾碎式磨粒磨损：磨 粒与材料表面接触处的最大压应粒与材料表面接触处的最大

18、压应 力大于磨料的压碎强度，磨粒不力大于磨料的压碎强度，磨粒不 断被碾断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球碎，如球磨机衬板与磨球 等。等。 （3）凿削式磨粒磨损：磨粒对）凿削式磨粒磨损：磨粒对 材料表面有高应力冲击式的运材料表面有高应力冲击式的运 动，从材料表面上凿下较大颗动，从材料表面上凿下较大颗 粒的磨屑，如粒的磨屑，如 挖掘机斗齿、破挖掘机斗齿、破 碎机锤头等。碎机锤头等。 3）按材料的相对硬度分）按材料的相对硬度分 （1）软磨粒磨损：材料硬度与）软磨粒磨损：材料硬度与 磨粒硬度之比大于磨粒硬度之比大于0.8。 （2）硬磨粒磨损：材料硬度与）硬磨粒磨损：材料硬度与 磨粒硬度之比小于磨粒硬度之比

19、小于0.8。 4）按工作环境分）按工作环境分 （1）普通型磨粒磨损：正常条）普通型磨粒磨损：正常条 件下件下 2 磨损过程磨损过程 （2）腐蚀磨粒磨损：腐蚀介质中）腐蚀磨粒磨损：腐蚀介质中 （3）高温磨粒磨损：高温下）高温磨粒磨损：高温下 3.磨粒磨损的过程与机理磨粒磨损的过程与机理 磨粒对摩擦表面产生的磨粒对摩擦表面产生的微切削作微切削作 用、塑性变形、疲劳破坏或脆性用、塑性变形、疲劳破坏或脆性 断裂产生的，或是它们综合作用断裂产生的，或是它们综合作用 的结果。的结果。 4.特征特征 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形 成的成的沟槽沟槽 5.磨损量的计算磨损量的计算 1

20、966年年Rabinowicz以两体磨粒磨以两体磨粒磨 损为例，估算切削磨损量损为例，估算切削磨损量 磨粒磨损中的颗粒为圆锥体磨粒磨损中的颗粒为圆锥体 被磨材料为不产生任何变形的被磨材料为不产生任何变形的 刚体刚体 磨损过程为滑动过程磨损过程为滑动过程 当作用在一个凸出部分上的力当作用在一个凸出部分上的力 F除以凸出部分在水平面上投影除以凸出部分在水平面上投影 接触面积等于软材料的压缩屈服接触面积等于软材料的压缩屈服 强度时，磨粒的压入就会停止强度时，磨粒的压入就会停止 2 磨损过程磨损过程 2 3rF sc 磨粒切削下来的材料体积磨粒切削下来的材料体积 ltgrV 2 sc KFltg V

21、3 材料的屈服强度与硬度成正比材料的屈服强度与硬度成正比 H KFltg V 表明在一定磨粒条件下，磨损表明在一定磨粒条件下，磨损 体积与所加的载荷成正比，而体积与所加的载荷成正比，而 与材料的硬度成反比。与材料的硬度成反比。 6.磨粒磨损的影响因素磨粒磨损的影响因素 1）材料性能）材料性能 a.硬度：硬度： 一般情况下，材料硬度越高，其一般情况下，材料硬度越高，其 抗磨粒磨损能力也越高。抗磨粒磨损能力也越高。 （1）对纯金属和各种成分未经）对纯金属和各种成分未经 热处理的钢，耐磨性与材料的硬热处理的钢，耐磨性与材料的硬 度成正比。度成正比。 2 磨损过程磨损过程 （2）对经过热处理的钢，其耐

22、）对经过热处理的钢，其耐 磨性也与硬度成线性关系，但直磨性也与硬度成线性关系，但直 线的斜率比纯金属为小。线的斜率比纯金属为小。 （3）通过塑性变形虽能使钢材）通过塑性变形虽能使钢材 加工硬化、提高钢的硬度，但不加工硬化、提高钢的硬度，但不 能改善其抗磨粒磨损的能力。能改善其抗磨粒磨损的能力。 2)断裂韧性断裂韧性 3)显微组织显微组织 (1)钢：钢： M耐磨性好耐磨性好, F因硬度太因硬度太 低，耐磨性最差低，耐磨性最差 (2)H相同相同,下贝氏体耐磨性高于下贝氏体耐磨性高于 回火马氏体。回火马氏体。 (3)钢中碳化物：在软基体中碳钢中碳化物：在软基体中碳 化物数量增加，弥散度增加，化物数量

23、增加，弥散度增加， 耐磨性也提高；在硬基体上分耐磨性也提高；在硬基体上分 布碳化物反而损害材料的耐磨布碳化物反而损害材料的耐磨 性。性。 4)晶粒尺寸：细化晶粒，提高晶粒尺寸：细化晶粒，提高 耐磨性。耐磨性。 2 磨损过程磨损过程 5)磨粒性能磨粒性能 区：软磨粒，材料通过表面严区：软磨粒，材料通过表面严 重变形、疲劳而发生的重变形、疲劳而发生的, 硬度是次硬度是次 要因素。要因素。 区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形 成沟槽产生磨损，硬度是控制因成沟槽产生磨损，硬度是控制因 素素 (1)磨粒的硬度磨粒的硬度 区：过渡区区：过渡区 A点点Ha/H=0.71.1，B点点 Ha/

24、H=1.31.7；在；在AB之间，之间，H 增加，磨损量下降，所以要降低增加，磨损量下降，所以要降低 磨损速率，必须使磨损速率，必须使H/Ha1.3 (2)磨粒尺寸磨粒尺寸 磨粒大小磨粒大小 对耐磨性对耐磨性 的影响，的影响， 存在一个存在一个 临界尺寸。临界尺寸。 2 磨损过程磨损过程 (3)磨粒形状磨粒形状 尖锐磨粒造成的磨损量高于同样尖锐磨粒造成的磨损量高于同样 条件下的多角型和圆型磨粒产生条件下的多角型和圆型磨粒产生 的磨损量的磨损量 三、接触疲劳三、接触疲劳 1、现象、现象 接触疲劳是两接触材料作滚动或接触疲劳是两接触材料作滚动或 滚动加滑动摩擦时，交变接触压滚动加滑动摩擦时，交变接

25、触压 应力长期作用使材料表面疲劳损应力长期作用使材料表面疲劳损 伤，局部区域出现小片或小块状伤，局部区域出现小片或小块状 材料剥落，而使材料磨损的现象，材料剥落，而使材料磨损的现象， 故又称表面疲劳磨损或麻点磨损。故又称表面疲劳磨损或麻点磨损。 2、特征、特征 宏观形态特征是：接触表面出现宏观形态特征是：接触表面出现 许多痘状、贝壳状或不规则形状许多痘状、贝壳状或不规则形状 的凹坑的凹坑(麻坑麻坑)，有的凹坑较深，有的凹坑较深， 底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。 2 磨损过程磨损过程 3、分类、分类 按剥落裂纹的起始位置及形态按剥落裂纹的起始位置及形态 分为：分为： 麻

26、点剥落麻点剥落(点蚀点蚀)：深度在深度在0.2mm 以下的小块剥落，以下的小块剥落， 常呈针状或常呈针状或 痘状凹坑，截面呈不对称痘状凹坑，截面呈不对称V形。形。 浅层剥落浅层剥落: 深度深度0.20.4mm，剥，剥 块底部大致和表面平行，裂纹块底部大致和表面平行，裂纹 走向与表面成锐角和垂直。走向与表面成锐角和垂直。 深层剥落深层剥落(表面压碎表面压碎): 深度和表面深度和表面 强化层深度相当，强化层深度相当， 裂纹走向与表裂纹走向与表 面垂直。面垂直。 4.接触应力的概念接触应力的概念 1）定义）定义 两物体相互接触时在局部表面产两物体相互接触时在局部表面产 生的压应力称为接触应力，也叫生

27、的压应力称为接触应力，也叫 赫兹应力赫兹应力 2 磨损过程磨损过程 2）分类）分类 (1) 线接触应力线接触应力 设有两圆柱体，半径分别为设有两圆柱体，半径分别为Rl、 R2，长度为，长度为L。末变形前两者是。末变形前两者是 线接触；线接触； 施加法向力多后，因弹性变形成施加法向力多后，因弹性变形成 为面接触，接触面积为为面接触，接触面积为2bL。 接触压应力接触压应力z沿沿y轴按半椭圆规轴按半椭圆规 律分布；在接触中心律分布；在接触中心(y0)处，处， z达到最大值。达到最大值。 在一定的接触深度范围内，在一定的接触深度范围内， z y x ，超过该深度，超过该深度z x y 2 磨损过程磨

28、损过程 相应的最大切应力为相应的最大切应力为: 45 2 o zy zy 45 2 o zx zx 45 2 o yx yx 其中其中zy45 最大，其值在离表面一 最大，其值在离表面一 定距离定距离Z=0.786b处达到最大。处达到最大。 (2) 点接触应力点接触应力 在在纯滚动纯滚动条件下，施加法向应条件下，施加法向应 力后，视两接触物体形状不同，力后，视两接触物体形状不同， 接触面可能是椭圆或圆。接触面可能是椭圆或圆。 接触面为椭圆接触面为椭圆时，如滚珠与轴承时，如滚珠与轴承 套圈接触，接触应力按半椭圆球套圈接触，接触应力按半椭圆球 规律分布。规律分布。 最大剪应力最大剪应力max 发生

29、在离表面发生在离表面 一定距离一定距离Z=0.786b处。处。 球与球或球与平面接触时，球与球或球与平面接触时， 接触面为圆形。接触面为圆形。 球与平面接触时，最大剪应力球与平面接触时，最大剪应力 发生在发生在Z=0.786b处。处。 球与球接触时，最大剪应力发球与球接触时，最大剪应力发 生在生在Z=0.5b处。处。 2 磨损过程磨损过程 对于滚动加滑动条件下：对于滚动加滑动条件下： 滑动产生的切向摩擦力与接触应滑动产生的切向摩擦力与接触应 力场叠加，摩擦力和力场叠加，摩擦力和zy45 叠加 叠加 的最大综合切应力的最大值从的最大综合切应力的最大值从 z=0.786b处向表面移动，当摩擦处向表

30、面移动，当摩擦 系数大于系数大于0.1时，将移动到表面。时，将移动到表面。 因滚动接触应力为交变应力，因滚动接触应力为交变应力， 因而对接触面上某一位置，其亚因而对接触面上某一位置，其亚 表层受表层受0max 重复循环应力作用，重复循环应力作用， 应力半幅为应力半幅为0.5max ，即为，即为 (0.150.16) max 。 在交变剪应力的影响下，裂纹在交变剪应力的影响下，裂纹 容易在最大剪应力处成核，并扩容易在最大剪应力处成核，并扩 展到表面而产生剥落，在零件表展到表面而产生剥落，在零件表 面形成面形成 针状或豆状凹坑，造成针状或豆状凹坑，造成 疲劳磨损。疲劳磨损。 5.疲劳磨损机理疲劳磨

31、损机理 1）麻点剥落）麻点剥落 a.在表面最大综合切应力的反复在表面最大综合切应力的反复 作用下，在材料表面的局部区作用下，在材料表面的局部区 域产生塑性变形，由于损伤的域产生塑性变形，由于损伤的 积累，当最大综合切应力超过积累，当最大综合切应力超过 抗剪强度时产生裂纹。抗剪强度时产生裂纹。 2 磨损过程磨损过程 在纯滚动条件下，裂纹扩展方在纯滚动条件下，裂纹扩展方 向与向与max 方向方向(450倾角倾角)一致一致 b. 在连续滚动接触过程中润滑在连续滚动接触过程中润滑 油反复进入裂纹内，并被封闭，油反复进入裂纹内，并被封闭， 产生高压导致裂纹扩展。产生高压导致裂纹扩展。 c. 裂纹扩展到一

32、定程度，尖端裂纹扩展到一定程度，尖端 应力集中，产生与主裂纹垂直应力集中，产生与主裂纹垂直 的二次裂纹的二次裂纹 d. 润滑油进入二次裂纹中，使其润滑油进入二次裂纹中，使其 向表面扩展向表面扩展 e. 裂纹扩展到表面形成不对称裂纹扩展到表面形成不对称V 字形凹坑。字形凹坑。 表面接触应力较小，摩擦力较表面接触应力较小，摩擦力较 大、或表面质量较差（如表面有大、或表面质量较差（如表面有 脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物 等）时，易产生麻点剥落。等）时，易产生麻点剥落。 前者是因为表面最大综合切应前者是因为表面最大综合切应 力较高，后者则是材料抗剪强度力较高，后者则是材料抗

33、剪强度 较低所致。较低所致。 2 磨损过程磨损过程 2）浅层剥落）浅层剥落 a. 在和最大综合切应力相当的位在和最大综合切应力相当的位 置置0.5或或0.786b处产生塑变处产生塑变 b. 在接触应力反复作用下，塑性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，变形反复进行，使材料局部弱化， 遂在该处形成裂纹。遂在该处形成裂纹。 裂纹常出现在非金属夹杂物附近，裂纹常出现在非金属夹杂物附近， 裂纹开始沿非金属夹杂物平行于裂纹开始沿非金属夹杂物平行于 表面扩展表面扩展 c.在滚动及摩擦力作用下又产生在滚动及摩擦力作用下又产生 与表面成一倾角的二次裂纹。二与表面成一倾角的二次裂纹。二 次

34、裂纹扩展至表面，另一端则形次裂纹扩展至表面，另一端则形 成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断， 从而形成浅层剥落。从而形成浅层剥落。 形成底部大致和表面平行，而其形成底部大致和表面平行，而其 侧面的一侧与表面约成侧面的一侧与表面约成 450，另，另 一侧垂直于表面的凹坑。一侧垂直于表面的凹坑。 2 磨损过程磨损过程 3）深层剥落（压碎性剥落）深层剥落（压碎性剥落） a.深层剥落的初始裂纹经常在表深层剥落的初始裂纹经常在表 面硬化机件的过渡区内产生。面硬化机件的过渡区内产生。 该处切应力虽不是最大，但因该处切应力虽不是最大，但因 过渡区是弱区，切应力可能高于过渡区是弱区，切

35、应力可能高于 材料材料强度而在该处产生裂纹材料材料强度而在该处产生裂纹 b.裂纹形成后先平行于表面扩展，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表面扩展，最后形成较深的剥落 坑。坑。 6.影响接触疲劳寿命的因素影响接触疲劳寿命的因素 1）非金属夹杂物）非金属夹杂物 脆性的、带有棱角的非金属夹脆性的、带有棱角的非金属夹 杂（如硅酸盐等）在和基体的交杂（如硅酸盐等）在和基体的交 界处由于塑性变形不协调，产生界处由于塑性变形不协调，产生 应力集中，导致在夹杂物边缘产应力集中，导致在夹杂物边缘产 生裂纹。生裂纹。 塑性夹杂物塑

36、性夹杂物(硫化物硫化物)可以与基可以与基 体一起变形，当硫化物把氧化物体一起变形，当硫化物把氧化物 夹杂包裹形成共生夹杂物时，可夹杂包裹形成共生夹杂物时，可 以降低氧化物的不良影响。以降低氧化物的不良影响。 2 磨损过程磨损过程 2）热处理组织）热处理组织 a. M的含碳量的含碳量 对于轴承钢，在未溶碳化物状对于轴承钢，在未溶碳化物状 态相同的条件下，态相同的条件下，M含碳量在含碳量在 0.40.5左右最好。左右最好。 b. M和残余奥氏体的级别和残余奥氏体的级别 残余奥氏体越多，残余奥氏体越多，M针越大表层针越大表层 的压应力越小，渗碳层强度越低，的压应力越小，渗碳层强度越低， 易于产生裂纹

37、。易于产生裂纹。 c. 未溶碳化物的大小未溶碳化物的大小 碳化物越粗大，相邻碳化物越粗大，相邻M边界含碳边界含碳 量越高，易形成裂纹。量越高，易形成裂纹。 3） 表面硬度与心部硬度表面硬度与心部硬度 a. 表面硬度表面硬度 2 磨损过程磨损过程 表面脱碳表面脱碳可以降低表面的硬可以降低表面的硬 度，同时易生成非马氏体组织，度，同时易生成非马氏体组织， 在表面形成拉应力，降低接触在表面形成拉应力，降低接触 疲劳寿命。疲劳寿命。 若表面脱碳层很薄（若表面脱碳层很薄（0.1 0.3mm)，表面易于塑变，增加，表面易于塑变，增加 接触面积，降低应力集中，反接触面积，降低应力集中，反 而有利于提高接触疲

38、劳寿命而有利于提高接触疲劳寿命 b. 心部硬度心部硬度 心部硬度太低，应力梯度增大，心部硬度太低，应力梯度增大， 易在过渡区形成裂纹，造成深易在过渡区形成裂纹，造成深 层剥落（渗碳齿轮心部层剥落（渗碳齿轮心部35 40HRC） 4） 表面硬化层深度表面硬化层深度 最佳硬化层深度：最佳硬化层深度： 100 2015 mt 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 3 耐磨性及其测量方法耐磨性及其测量方法 一、材料的耐磨性一、材料的耐磨性 耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，耐磨性是指材料抵抗磨损的性能， 迄今还没有一个明确的统一指标，迄今还没有一个明确的统一指标， 通常用磨损量表示。磨损量愈

39、小，通常用磨损量表示。磨损量愈小， 耐磨性愈高。耐磨性愈高。 1. 磨损量：磨损量： 线磨损量；体积线磨损量；体积(质量质量)磨损量；比磨损量；比 磨损量磨损量 2. 相对耐磨性相对耐磨性 被测试样的磨损量 标准试样的磨损量 3. 磨损系数磨损系数 1 二、磨损试验方法二、磨损试验方法 1.销盘型试验机销盘型试验机 可用来评定各种摩擦副及润可用来评定各种摩擦副及润 滑材料的低温与高温摩擦和滑材料的低温与高温摩擦和 磨损性能，可做磨粒磨损和磨损性能，可做磨粒磨损和 粘着磨损试验。粘着磨损试验。 2.环块型磨损试验机环块型磨损试验机 可测定金属及非可测定金属及非 金属材料（如尼金属材料（如尼 龙、

40、塑料）在滑龙、塑料）在滑 动状态下的耐磨动状态下的耐磨 性能性能 3 耐磨性及其测量方法耐磨性及其测量方法 环形试样安装在主轴上，顺时针环形试样安装在主轴上，顺时针 转动，块形试样安装在夹具上。转动，块形试样安装在夹具上。 测量环形试样的失重和块状试测量环形试样的失重和块状试 样的磨痕宽度，分别计算体积磨样的磨痕宽度，分别计算体积磨 损量。损量。 3.往复运动型试验机往复运动型试验机 试样在静止平面上作往复运动，试样在静止平面上作往复运动， 可评定往复运动的机件，如导轨、可评定往复运动的机件，如导轨、 缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性 4.滚子型磨损试验机滚子型磨损试验

41、机 用来测定金属材料在滑动摩擦、用来测定金属材料在滑动摩擦、 滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及 间隙摩擦情况下的磨损量间隙摩擦情况下的磨损量 5.快速磨损试验机快速磨损试验机 能较快测定材料的耐磨性，也能较快测定材料的耐磨性，也 可测定润滑剂的摩擦及磨损性可测定润滑剂的摩擦及磨损性 能能 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 4 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 一、减轻粘着磨损的主要措施一、减轻粘着磨损的主要措施 (1) 合理选择摩擦副材料。尽量选择合理选择摩擦副材料。尽量选择 互溶性少，粘着倾向小的材料配对，互溶性少，粘着倾向小的材料配对， 如

42、非同种或晶格类型、电子密度、如非同种或晶格类型、电子密度、 电化学性质相差甚远的多相或化合电化学性质相差甚远的多相或化合 物材料；强度高不易塑变的材料物材料；强度高不易塑变的材料;表表 面易形成化合物的材料面易形成化合物的材料。 (2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触。避免或阻止两摩擦副间直接接触。 增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与 基体的结合力；降低接触表面粗糙度，基体的结合力；降低接触表面粗糙度， 改善表面润滑条件等。改善表面润滑条件等。 (3) 为使磨屑多沿接触面剥为使磨屑多沿接触面剥 落，以降低磨损量，可采用落，以降低磨损量，可采用 表面渗硫、渗磷、渗氮等

43、表表面渗硫、渗磷、渗氮等表 面处理工艺，在材料表面形面处理工艺，在材料表面形 成一层化合物层或非金属层，成一层化合物层或非金属层， 既降低接触层原子间结合力，既降低接触层原子间结合力， 减少摩擦系数，又避免直接减少摩擦系数，又避免直接 接触。为使磨损发生在较软接触。为使磨损发生在较软 方材料表层，可采用渗碳、方材料表层，可采用渗碳、 渗氮共渗、碳氮硼三元共渗渗氮共渗、碳氮硼三元共渗 等工艺以提高另一方的硬度。等工艺以提高另一方的硬度。 第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 4 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 一、减轻粘着磨损的主要措施一、减轻粘着磨损的主要措施 (1)

44、合理选择摩擦副材料。尽量选择合理选择摩擦副材料。尽量选择 互溶性少，粘着倾向小的材料配对，互溶性少，粘着倾向小的材料配对， 如非同种或晶格类型、电子密度、如非同种或晶格类型、电子密度、 电化学性质相差甚远的多相或化合电化学性质相差甚远的多相或化合 物材料；强度高不易塑变的材料物材料；强度高不易塑变的材料;表表 面易形成化合物的材料面易形成化合物的材料。 (2) 避免或阻止两摩擦副间直接接触。避免或阻止两摩擦副间直接接触。 增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与 基体的结合力；降低接触表面粗糙度，基体的结合力；降低接触表面粗糙度， 改善表面润滑条件等。改善表面润滑条件等

45、。 (3) 为使磨屑多沿接触面剥为使磨屑多沿接触面剥 落，以降低磨损量，可采用落，以降低磨损量，可采用 表面渗硫、渗磷、渗氮等表表面渗硫、渗磷、渗氮等表 面处理工艺，在材料表面形面处理工艺，在材料表面形 成一层化合物层或非金属层，成一层化合物层或非金属层， 既降低接触层原子间结合力，既降低接触层原子间结合力， 减少摩擦系数，又避免直接减少摩擦系数，又避免直接 接触。为使磨损发生在较软接触。为使磨损发生在较软 方材料表层，可采用渗碳、方材料表层，可采用渗碳、 渗氮共渗、碳氮硼三元共渗渗氮共渗、碳氮硼三元共渗 等工艺以提高另一方的硬度。等工艺以提高另一方的硬度。 4 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 (4)控制摩擦滑动速度和接触压应控制摩擦滑动速度和接触压应 力，可使粘着