7 摩擦与磨损

1、1 7 摩擦与磨损摩擦与磨损 东南大学材料学院 张友法 2 摩擦、磨损无处不在摩擦、磨损无处不在 磨损的轴磨损的轴 高速列车制动闸片高速列车制动闸片 q摩擦：摩擦：相对运动物体表面间相互阻碍作用；相对运动物体表面间相互阻碍作用； q磨损：磨损：摩擦造成的能量损失和物体表面材料的损失或转移；摩擦造成的能量损失和物体表面材料的损失或转移； 3 4 7 金属的磨损与接触疲劳金属的磨损与接触疲劳 世界使用能源约世界使用能源约1/31/3 1/21/2消耗于摩擦。减少无用摩擦消耗于摩擦。减少无用摩擦 消耗，可大量节省能源。消耗，可大量节省能源。 易损零件，磨损超过限度，报废和更换。易损零件，磨损超过限度

2、，报废和更换。 控制和减少磨损，提高耐磨性，既减少设备维修次控制和减少磨损，提高耐磨性，既减少设备维修次 数和费用，又节省制造零件及其所需材料费用。数和费用，又节省制造零件及其所需材料费用。 5 7 金属的摩擦与磨损金属的摩擦与磨损 l7.1 摩擦及磨损的概念摩擦及磨损的概念 l7.2 磨损机制及影响因素磨损机制及影响因素 l7.3 磨损试验方法磨损试验方法 6 7.1.1 摩擦摩擦 l1. 两个两个相互接触的物体或物体与介质之间在相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用外力作用 下，发生下，发生相对运动相对运动，或者具有相对运动的，或者具有相对运动的趋势趋势时，时，在在 接触表面上所产生的阻

3、碍作用接触表面上所产生的阻碍作用。 l2. 阻碍相对运动的阻力称为阻碍相对运动的阻力称为摩擦力摩擦力。摩擦力的方向。摩擦力的方向总总 是沿着接触面的切线方向是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反跟物体相对运动方向相反， 阻碍物体间的相对运动。阻碍物体间的相对运动。 l3. 摩擦力摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力与施加在摩擦面上的法向压力(p)之比称之比称 为为摩擦系数摩擦系数，以，以表示，即表示，即=F/p 。 7 7.1.1 摩擦摩擦 l4. 按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦 分为：分为： l滑动摩擦滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物

4、体上滑动：指的是一个物体在另一个物体上滑动 时产生的摩擦。时产生的摩擦。 l滚动摩擦滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下，沿接触表：指的是物体在力矩作用下，沿接触表 面滚动时的摩擦。面滚动时的摩擦。 l实际上，发生滚动摩擦的零件或多或少地都带实际上，发生滚动摩擦的零件或多或少地都带 有滑动摩擦，呈现出滚动滑动的复合式摩擦。有滑动摩擦，呈现出滚动滑动的复合式摩擦。 种滑动摩擦状态种滑动摩擦状态 干摩擦：干摩擦：表面无任何润滑剂或保护膜的纯接触摩擦。表面无任何润滑剂或保护膜的纯接触摩擦。 不允许出现干摩擦！不允许出现干摩擦！ 功耗功耗 磨损磨损 温度温度 局部烧毁局部烧毁 9 7.1.2 磨损及磨损的

5、类型磨损及磨损的类型 l磨损：磨损： l物体相互接触并作相对运动时由于摩擦造成的物体表面损伤。物体相互接触并作相对运动时由于摩擦造成的物体表面损伤。 l磨损分类方法：磨损分类方法： l按环境和介质分：流体磨损、湿磨损、干磨损按环境和介质分：流体磨损、湿磨损、干磨损 l按表面接触性质分：金属按表面接触性质分：金属流体磨损、金属流体磨损、金属金属磨损、金属金属磨损、金属 磨料磨损磨料磨损 l基于磨损的破坏机制分类基于磨损的破坏机制分类 l磨损机制：磨损机制： l在磨损过程中材料是在磨损过程中材料是如何从表面破坏和脱落如何从表面破坏和脱落的，这里包括了磨损的，这里包括了磨损 过程中接触表面发生的物理

6、、化学和力学方面的变化、力的分布、过程中接触表面发生的物理、化学和力学方面的变化、力的分布、 大小和方向及其在表层和次表层发生的作用、同时还包括磨屑是大小和方向及其在表层和次表层发生的作用、同时还包括磨屑是 怎样形成和如何从接触面脱落的。怎样形成和如何从接触面脱落的。 10 7.1.2 磨损及磨损的类型磨损及磨损的类型 l磨损的类型磨损的类型 l 粘着磨损；粘着磨损； l 磨料磨损；磨料磨损； l 腐蚀磨损；腐蚀磨损； l 微动磨损；微动磨损； l 表面疲劳磨损表面疲劳磨损(接触疲劳接触疲劳)。 11 7.1.2 磨损及磨损的类型磨损及磨损的类型 l磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和不同

7、材磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和不同材 料特性情况下，损伤类型会发生转化，由一种损伤机料特性情况下，损伤类型会发生转化，由一种损伤机 制变成另一种损伤机制。制变成另一种损伤机制。 l外部条件外部条件主要指摩擦类型主要指摩擦类型(滚动或是滑动滚动或是滑动)、摩擦表面、摩擦表面 的相对滑动速度和接触压力的大小。的相对滑动速度和接触压力的大小。 l材料特性材料特性包括：包括： l金属与氧的化学亲和力以及形氧化膜性质；金属与氧的化学亲和力以及形氧化膜性质； l金属在常温和高温下的抗粘着力；金属在常温和高温下的抗粘着力； l金属的力学性能；金属的力学性能； l金属的耐热性；金属的耐热性； l金

8、属与润滑剂相互作用的能力。金属与润滑剂相互作用的能力。 12 磨损量与滑动速度和载荷的关系磨损量与滑动速度和载荷的关系 压力一定压力一定 滑动速度滑动速度 一定一定 13 7.1.3 耐磨性评价耐磨性评价 l耐磨性是材料抵抗磨损的一个性能指标，可用耐磨性是材料抵抗磨损的一个性能指标，可用磨损量磨损量 来表示。显然，磨损量愈小，耐磨性愈高。来表示。显然，磨损量愈小，耐磨性愈高。 l磨损量随摩擦行程的关系一般分为磨损量随摩擦行程的关系一般分为三个阶段三个阶段 (1) 跑合阶段：磨损速率减慢。跑合阶段：磨损速率减慢。 (2) 稳定磨损阶段：磨损速率不变。稳定磨损阶段：磨损速率不变。 (3) 剧烈磨损

9、阶段：磨损速率急剧增加。剧烈磨损阶段：磨损速率急剧增加。 磨损过程磨损过程 15 7.2 磨损机制及影响因素磨损机制及影响因素 l7.2.1 粘着磨损粘着磨损 l7.2.2 磨料磨损磨料磨损 l7.2.3 腐蚀磨损腐蚀磨损 l7.2.4 微动磨损微动磨损 16 7.2.1 粘着磨损粘着磨损 l又称擦伤，咬合磨损。又称擦伤，咬合磨损。 l零件表面某些接触点在高的局部压力下发生粘合零件表面某些接触点在高的局部压力下发生粘合，相互滑，相互滑 动时分开，金属磨屑被拉拽出来，动时分开，金属磨屑被拉拽出来，反复反复多次，导致多次，导致损伤损伤。 局部应力局部应力 局部塑变，局部塑变， 碾平碾平 转移，脱落

10、转移，脱落 典型粘着磨损形貌典型粘着磨损形貌 举例举例- -内燃机中活塞环和缸套衬内燃机中活塞环和缸套衬 l启动或停车，换向及载荷运转不稳定，或润滑条件启动或停车，换向及载荷运转不稳定，或润滑条件 不好，几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油不好，几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油 膜时膜时，环和套之间易发生局部直接接触，处于边界，环和套之间易发生局部直接接触，处于边界 摩擦或干摩擦的工作状态，易粘着磨损。摩擦或干摩擦的工作状态，易粘着磨损。 19 7.2.1 粘着磨损粘着磨损 l影响因素及减轻措施影响因素及减轻措施 l（1）合理选择摩擦副材料合理选择摩擦副材料。当摩擦副是由容易产生粘着材

11、料组成当摩擦副是由容易产生粘着材料组成 时，则磨损量大。时，则磨损量大。 l两种性质相近的金属所组成的摩擦副，粘着倾向大，容易磨损；两种性质相近的金属所组成的摩擦副，粘着倾向大，容易磨损； l脆性材料比塑性材料的抗粘着能力大；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力大； l熔点高，再结晶温度高的金属抗粘着性好；熔点高，再结晶温度高的金属抗粘着性好； l从结构上看，多相合金比单相合金粘着性小；从结构上看，多相合金比单相合金粘着性小； l生成的金属化合物为脆性化合物时，粘着的界面易剪断分离，则生成的金属化合物为脆性化合物时，粘着的界面易剪断分离，则 使磨损减轻；使磨损减轻； l当金属与非金属材料当金属与非金

12、属材料(如某些聚合物材料如某些聚合物材料)配对时具有较好的抗粘着配对时具有较好的抗粘着 能力。能力。 20 7.2.1 粘着磨损粘着磨损 l影响因素及减轻措施影响因素及减轻措施 l（2）环境的影响）环境的影响 l暴露于空气中工作的零件，大多会很快氧化而被覆盖一层氧化膜暴露于空气中工作的零件，大多会很快氧化而被覆盖一层氧化膜 或吸附膜。这些表面膜的存在将使摩擦系数降低，减小磨损。或吸附膜。这些表面膜的存在将使摩擦系数降低，减小磨损。 l对于在真空下工作的零件，由于吸附在金属表面的气体分子蒸发对于在真空下工作的零件，由于吸附在金属表面的气体分子蒸发 和氧化物的分解，而使金属表面直接接触，摩擦系数随

13、之增大。和氧化物的分解，而使金属表面直接接触，摩擦系数随之增大。 l真空度愈高，摩擦系数增加也愈大，致使接触表面产生强烈的粘真空度愈高，摩擦系数增加也愈大，致使接触表面产生强烈的粘 着作用，加剧了磨损过程，如果继续滑动，表面很快损坏。着作用，加剧了磨损过程，如果继续滑动，表面很快损坏。 l工作条件：工作条件：接触压力、接触压力、滑动速度；摩擦面温度及润滑状态滑动速度；摩擦面温度及润滑状态 21 7.2.1 粘着磨损粘着磨损 l影响因素及减轻措施影响因素及减轻措施 l（3）对摩擦副材料进行表面覆层处理和化学热处理是减少粘着磨）对摩擦副材料进行表面覆层处理和化学热处理是减少粘着磨 损的有效措施。这

14、些处理工艺可使表面层产生很薄的富有活性元损的有效措施。这些处理工艺可使表面层产生很薄的富有活性元 素的化合物层或非金属涂层，避免同种金属相互间的摩擦。素的化合物层或非金属涂层，避免同种金属相互间的摩擦。 l如在室温下真空中，不锈钢如在室温下真空中，不锈钢/不锈钢清洁表面粘着磨损系数不锈钢清洁表面粘着磨损系数K=10-3； 若表面覆以若表面覆以Sn的薄膜时的薄膜时K=10-7、覆以、覆以MoS2时时K=10-910-10。 对用于高空工作的金属，如宇航设备的零件，还需要采用特殊的固体润对用于高空工作的金属，如宇航设备的零件，还需要采用特殊的固体润 滑剂。滑剂。 22 7.2.2 磨料磨损磨料磨损

15、 l硬的磨粒或凸出物在对零件表面摩擦过程硬的磨粒或凸出物在对零件表面摩擦过程中，表面发生磨耗。中，表面发生磨耗。 金属表面金属表面 发生局部发生局部 塑性变形塑性变形 磨 粒 嵌 入 金磨 粒 嵌 入 金 属 表 面 ， 切属 表 面 ， 切 割金属表面割金属表面 表面被划伤表面被划伤 23 7.2.2 磨料磨损磨料磨损 l分类分类 l低应力擦伤式磨损：低应力擦伤式磨损：应力不超过磨料压溃强度，材料表应力不超过磨料压溃强度，材料表 面被轻微划伤，面被轻微划伤，如犁铧耕地所产生的磨损；如犁铧耕地所产生的磨损； l高应力辗碎式磨损：高应力辗碎式磨损：磨料压溃磨料压溃，一般金属材料被拉伤，韧，一般金

16、属材料被拉伤，韧 性材料产生塑性变形或疲劳；脆性材料则发生碎裂或剥落。性材料产生塑性变形或疲劳；脆性材料则发生碎裂或剥落。 如凿岩机钎头、碎石机锤头等的磨损。如凿岩机钎头、碎石机锤头等的磨损。 l凿削式磨料磨损：凿削式磨料磨损：磨料有冲击力，从表面凿下较大颗料磨料有冲击力，从表面凿下较大颗料 磨屑，如挖掘机斗齿。磨屑，如挖掘机斗齿。 微观犁沟微观犁沟隆起隆起 微观犁沟微观犁沟隆起隆起 微观剥落微观剥落裂纹裂纹 27 7.2.2 磨料磨损磨料磨损 l影响因素影响因素 l工作条件：外部载荷、滑动距离及速度、环境介质工作条件：外部载荷、滑动距离及速度、环境介质 l磨料性能：磨料性能：硬度硬度、大小、

17、形状、强度等、大小、形状、强度等 l材料性能：材料性能：组织成分、硬度组织成分、硬度等。等。 28 相对耐磨性与材料硬度间关系相对耐磨性与材料硬度间关系 29 加工硬化对耐磨性的影响加工硬化对耐磨性的影响 30 加工硬化后硬度与磨损因子关系加工硬化后硬度与磨损因子关系 31 7.2.3 腐蚀磨损腐蚀磨损 l摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，产物剥离而造摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，产物剥离而造 成的磨损。成的磨损。 l发生了两个过程：腐蚀和磨损，常见的是氧化磨损。发生了两个过程：腐蚀和磨损，常见的是氧化磨损。 l氧化磨损，速率小。致密非脆性氧化膜可提高耐磨性。氧化磨损，速率小。致密

18、非脆性氧化膜可提高耐磨性。 （有色金属氧化处理）（有色金属氧化处理） l电化学腐蚀磨损，材料表面与导电性电解质溶液作用，速电化学腐蚀磨损，材料表面与导电性电解质溶液作用，速 率大，产物为酸、碱、盐的化合物。率大，产物为酸、碱、盐的化合物。 Ni、Cr、Ti钝化膜：结合力强、致密钝化膜：结合力强、致密-耐腐蚀，耐腐蚀， W、Mo：高温保护膜：高温保护膜-抗高温腐蚀磨损抗高温腐蚀磨损 32 7.2.4 微动磨损微动磨损 l接触面接触面小幅度相对切向运动小幅度相对切向运动引起。引起。 l非单独的磨损型式：粘着非单独的磨损型式：粘着+ +氧化氧化+ +磨粒磨粒+ +疲劳，复合磨损疲劳，复合磨损 l配合

19、紧密零件在载荷和一定振动频率下，较长时间后松动。配合紧密零件在载荷和一定振动频率下，较长时间后松动。 l松动引起滑动，松动引起滑动，出现塑性变形，出现塑性变形，导致导致粘着粘着，剪切后粘着物脱落，剪切后粘着物脱落， 形成凹坑或形成凹坑或麻点麻点。 l大气环境下，脱落物被氧化成大气环境下，脱落物被氧化成氧化物氧化物磨屑。磨屑。 l脱落颗粒在随后相对位移过程起着磨料作用，脱落颗粒在随后相对位移过程起着磨料作用，加速微动磨损。加速微动磨损。 l接触区产生疲劳，出现接触区产生疲劳，出现微动损伤区微动损伤区 。 l引起应力集中，疲劳强度降低。引起应力集中，疲劳强度降低。 33 微动磨损的发生微动磨损的发

20、生 微动磨损微动磨损 35 LY12C2合金微动磨损区形貌合金微动磨损区形貌 36 微动磨损对疲劳强度的影响微动磨损对疲劳强度的影响 钢（钢（0.25C-0.25Cr-0.25Ni-1.0Mn） LC4CS 38 7.2.5 接触疲劳接触疲劳 l齿轮、滚动轴承，车轮和铁轨，凿岩机活塞和钎齿轮、滚动轴承，车轮和铁轨，凿岩机活塞和钎 尾的打击端部等。尾的打击端部等。 l接触压应力长期反复作用，表面疲劳剥落破坏。接触压应力长期反复作用，表面疲劳剥落破坏。 l有许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫有许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀点蚀 或或麻点磨损麻点磨损。 麻点磨损麻点磨损 40 接触疲劳的

21、类型接触疲劳的类型 麻点剥落：麻点剥落：表面产生裂纹，因油楔作用而引起浅层剥落。表面产生裂纹，因油楔作用而引起浅层剥落。 浅层剥落：浅层剥落：本质上也是一种麻点剥落，只是疲劳裂纹萌本质上也是一种麻点剥落，只是疲劳裂纹萌 生于次表面层而已。生于次表面层而已。 硬化层剥落：硬化层剥落：仅发生在经表层处理过的零件上，过渡层仅发生在经表层处理过的零件上，过渡层 强度不足造成。强度不足造成。 41 影响接触疲劳的因素影响接触疲劳的因素 l1内部因素内部因素 l (1)非金属夹杂物非金属夹杂物 :脆性夹杂物对接触疲劳寿命危害最大脆性夹杂物对接触疲劳寿命危害最大 ;硫化物夹硫化物夹 杂可与基体一起塑性变形，还可能将氧化物夹杂包住形成共生夹杂可与基体一起塑性变形，还可能将氧化物夹杂包住形成共生夹 杂物，降低了氧化物的有害作用杂物，降低了氧化物的有害作用 . l(2)热处理组织状态热处理组织状态 l2外部因素外部因素 l(1)表面光洁度及接触精度表面光洁度及接触精度 l(2)硬度匹配硬度匹配 42 7.3 磨损试验方法磨损试验方法 1. 磨损试验方法磨损试验方法 l零件磨损试验：零件磨损试验：以实际零件在机器实际工作条件下以实际零件在机器实际工作条件下 进行试验。