材料力学性能-第7章

1、1第七章金属磨损和接触疲劳2任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的必然结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗零件尺寸发生变化降低机器和工具效率，引起能源损耗直接影响零件的使用寿命。研究磨损规律意义：提高机件耐磨性，延长机件寿命节约能源、减少材料消耗3本章主要讨论机器零件中最常见的磨损形式介绍其磨损机理和影响磨损速率的因素从材料科学角度研究控制磨损的途径。47.1 磨损概念7.2 磨损模型7.3 磨损试验方法7.4 金属接触疲劳主要内容57.1 磨损概念一、磨损磨损：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、

2、造成表面损伤的现象。磨损主要是力学作用引起的，但磨损并非单一力学过程，是一个复杂的系统过程影响因素：摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动特性及工作温度在磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂过程（机件表面），且此过程是反复进行的。6机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶段1.跑合磨损阶段，oa段；3.剧烈磨损阶段，bc段。随着机器工作时间增加，摩擦副表面质量下降，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，此时机件很快失效在此阶段内，无论摩擦副双方硬度如何，摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面积增大+表面应变硬化，磨损速率减小。2.稳定磨损阶段，ab段；斜率为磨损速率，大多数机器零件均在此阶

3、段内服役。通常根据这一阶段的时间、磨损速率或磨损量来评定不同材料或不同工艺的耐磨性能。在跑合阶段跑合得越好，稳定磨损阶段的磨损速率就越低7设计机器时，要求：缩短跑合期延长稳定期推迟剧烈磨损期的到来8磨损曲线因工作条件不同可能有很大差异。摩擦条件恶劣，跑合不良，机件无法正常运行，则只有剧烈磨损阶段跑合很好，则稳定磨损期很长，磨损量小9磨合：新的传动零部件经过一段时间的运转摩擦，使得接合与啮合面的接触非常吻合、表面非常光洁的过程汽车磨合是在新车完成装配或大修后上路进行。磨合后才能正常使用；新车磨合期一般为10001500公里汽车磨合期的机油一般都有特殊的磨合、精磨合成分磨合期内，要控制车速，不能速

4、度太高，时速最好控制在5080公里/时汽车磨合的优劣，会对汽车寿命、安全性和经济性产生重要影响10粘着磨损磨粒磨损疲劳磨损腐蚀磨损微动磨损冲蚀磨损按照磨损机理将磨损分为15%50%14%5%8%8%磨损的类型按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损。按表面接触性质可分为：金属-流体磨损；金属-金属磨损；金属-磨料磨损工业领域磨损造成的经济损失中所占比例约为11标准试样的磨损量被测试样的磨损量二、耐磨性耐磨性：材料抵抗磨损的性能，是一个系统性质。迄今为止，未有统一的意义明确耐磨性指标。通常是用磨损量来表示材料的耐磨性。磨损量愈小，耐磨性愈高。表示方法：线磨损：试样摩擦表面法线方向的尺寸减小(

5、m/h)体积磨损或质量磨损：试样体积或质量损失(mg/h)来表示比磨损量：单位摩擦距离的磨损量 (m/m)磨损量的倒数（磨损系数）相对耐磨性(广泛使用) =局部接触接触面积小应力大润滑油膜、氧化膜被挤破局部粘着（冷焊）粘着处被撕掉金属表面被划伤或金属屑粒脱落7.2 磨损模型一、粘着磨损粘着磨损：当摩擦面发生相对滑动时，由于固相焊合作用产生粘着点，该点在剪应力作用下变形以致断裂，使材料从一个表面迁移到另一个表面造成的磨损又称咬合磨损，当相对滑动速度较小时发生的1. 磨损机理粘着剪断转移再粘着，循环不已12局部 s粘着磨损根据粘着点的强度和破坏位置不同轻微磨损：粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低时

6、，剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微涂抹：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。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，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面。咬合：粘着强度比两金属基体的强度高得多，且粘着点面积较大，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方。可能使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。呈现明显的撕脱，出现严重磨损，应力求避免13材料特性法向力滑动速度温度、润滑状态、表面粗糙度2. 粘着磨损的影响因素塑性材料比脆性材料容易粘着；互溶性大的摩

7、擦副粘着倾向大；单相合金比多相合金粘着倾向大；化合物比固溶体粘着倾向小；金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属的摩擦副不易粘着。在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加当接触压应力超过材料硬度值的1/3时，粘着磨损量急剧增加在法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而增加，但达到某一极大值后又随滑动速度增加而减小温度粘着磨损良好润滑能显著粘着磨损量表面粗糙度抗粘着磨损能力14153. 改善粘着磨损耐磨性的措施 要注意摩擦副配对材料的选择，基本原则：配对材料的粘着倾向应比较小采用表面化学热处理改变材料表面状态（形成化合物层和非金属层）控制摩擦滑动速度和接触压应力改善润滑条件降低表面粗糙度16二

8、、磨粒磨损磨粒磨损：在滑动摩擦时零件表面存在的或外部进入摩擦表面的硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、切割表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损磨粒磨损的主要特征：摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽17磨粒磨损分类按磨料所受应力大小分为高应力碾碎性磨粒磨损低应力擦伤性磨粒磨损（轻微擦伤）按摩擦表面的数目分为两体磨粒磨损三体磨粒磨损eg.锉削eg.抛光，活塞与汽缸间或齿轮间落入磨粒，凿削式磨粒磨损（较深沟槽）磨粒磨损影响因素根据试验，金属材料对磨粒磨损的抗力与H/E成比例，H为材料硬度，E为弹性模量。材料的H/E值越大，在相同接触压力下，弹性变形量接触面积磨损。E对组织不敏感，机件抵抗磨粒磨损

9、的能力主要与材料硬度成正比。一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨损能力也越好纯金属与未经热处理的钢，其磨粒磨损耐磨性与它们的自然硬度成正比，且直线通过原点1819经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关系，但直线的斜率比纯金属为小在相同硬度下比较时，经过热处理的钢，其抗磨粒磨损能力反不及纯金属在硬度相同时，钢中含碳量越高，碳化物形成元素越多，则耐磨性越好。20断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐磨性。区，硬度与断裂韧度配合最佳时，耐磨性最高21马氏体耐磨性最好；铁素体硬度太低，耐磨性最差。球墨铸铁的试验证明，因基体组织不同，耐磨性也不同，基体为马氏体与回火马氏体者，其耐磨性最好在相同硬度下，下贝氏

10、体比回火马氏体具有更高的耐磨性。细化晶粒因为能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性。在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；在硬基体(即基体硬度与碳化物硬度相近)中，碳化物反而损害材料的耐磨性显微组织对金属磨粒磨损耐磨性的影响22磨损体积和硬度比Ha/H(磨粒硬度Ha与金属材料硬度H比)的关系曲线。曲线分三个区域：区 Ha H，硬磨粒磨损区，磨损量较大图中两个转折点A 与B所对应的Ha/H分别为0.71.1和1.31.7。H Ha/H磨损量磨粒磨损的三种状态：23改善磨粒磨损耐磨性的措施 对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料

11、 采用渗碳、碳氢共渗等化学热处理，提高表面硬度24三、腐蚀磨损腐蚀磨损：摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成的腐蚀产物在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。又称腐蚀机械磨损。腐蚀磨损包括：各类机械中普遍存在的氧化磨损；在化工机械中因特殊腐蚀气氛而产生的特殊介质腐蚀磨损。25冲蚀磨损：流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损微动磨损：一种典型的复合式磨损，在两个表面之间由于振幅很小(0.25 mm以下)的相对振动而产生的磨损；一般出现在机器零件嵌合部位四、其它磨损267.3 磨损试验方法磨损试验方法分为

12、两类：实物试验优点：与实际情况一致或接近一致，试验结果可靠性高。缺点：所需时间长，且受外界因素的影响难于掌握和分析。实验室试验优点：试验时间短、成本低、易于控制各种因素的影响缺点：试验结果常不能直接表明实际情况研究重要机件的耐磨性时，往往兼用这两种方法27实物磨损试验转椅脚轮磨损试验机28常见磨损试验机的试样接触形式29实验室试验所用磨损试验机销盘型磨损试验机环块型试验机往复运动型试验机滚子型磨损试验机30销盘型磨损试验机它是将试样加上试验力紧压在旋转圆盘上，试样可在半径方向往复运动，也可以是试样不动仅圆盘转动。这类试验机可用来评定各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能；既可以做磨粒磨

13、损试验，也能进行粘着磨损规律的研究。适用范围：MPX-2000型销盘式摩擦磨损试验机31环块型磨损试验机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。试验后测量环形试样的失重和块形试样的磨痕宽度，分别计算体积磨损，以评定试验材料的耐磨性。可以测定各种金属材料及非金属材料(尼龙、塑料)等在滑动状态下的耐磨性能。适用范围：MRH-5A环块磨损试验机32往复运动型试验机试样在静止平面上作往复运动可评定往复运动机件如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性；评定选用材料及工艺与润滑材料的摩擦及磨损性能。适用范围：LKY-型低速往复式原位同步摩擦磨损测试仪33滚子型磨损试验机在试验时，所用试样有圆环形

14、和蝶形两种当进行滚动、滚动与滑动复合摩擦磨损试验时上、下试样均用圆环形试样；在进行滑动摩擦磨损试验时，上试样可为蝶形试样，下试样为圆环形试样。适用范围：用来测定金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动和滑动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量，用来比较各种材料的耐磨性能。MM一20034清华大学摩擦学国家重点实验室UMT-2微摩擦试验机生产厂家 CETR(Center of trobology) ，美国规格指标 加载范围：0.1 mN (0.01g)120N (12kg)对偶方式：四球式，往复式，球盘式，销盘式，盘盘式主轴转速：0.001 到 5000 转/分功能介绍 ：可同时得到摩擦力、载荷、扭矩、摩

15、擦系数、水平位移、垂直位移、高频声信号等测量数据35SRV高温摩擦磨损试验机是一种用途广泛的摩擦、磨损实验机及润滑油、添加剂性能评定装置。 主要用于：1.对材料在室温或高温条件下；有润滑或干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行测试。2.对润滑介质承载能力、高温减摩性能进行评定。工作区高温试验试件照片36磨损试验时，应按摩擦副运动方式(往复、旋转)摩擦方式(滚动或滑动)来确定试验方法及所用试样形状及尺寸，并应使速度、试验力和温度等因素尽可能接近实际服役条件。注意：试样加工应保证相同的精度及表面粗糙度有色金属试样应尽量避免磨削及研磨，以防磨粒嵌入摩擦表面。磨损试验结果分散性很大，试样数量要足够，一般试验需

16、要有45对摩擦副。处理试验结果时，一般情况下取试验数据的平均值，分散度大时需用均方根值来处理。37试验结束，用秤量法或测长法确定磨损量。秤量法是用分析天平测定试样磨损前后的质量变化，秤量法操作简便，但灵敏度不高，用于磨损量在10-2g以上时才有较好结果。测长法是用测微尺测量摩擦表面法线方向的尺寸变化，测长法用于磨损量较大、秤量法难于实现的情况。同一材料当用不同方法进行磨损试验时，不仅在绝对值上，在相对关系上也不相同，结果往往不同，有时甚至是颠倒的。 因此，在引用文献资料以及比较试验结果时，要特别慎重。38实验时试样由径向进给，底座与砂纸作旋转运动，磨损试样和砂纸之间产生相对摩擦运动。1-磨损试

17、验过程：ML-10型销盘型回转式磨料磨损实验机磨损方式为干磨磨损性能衡量标准为失重法。对磨材料多采用100#的水砂纸,，尺寸为126mm，砂纸安装在底座上，与底座一起作旋转运动磨损试样的尺寸为622mm，安装在试样夹中，与砂纸对磨，39实验方法和程序1.预磨：磨损实验前，为保证试样的端面与对磨砂纸面完全接触，每个试样都要经过一次预磨，至试样的端面与磨盘砂纸面充分接触为止。2.称重：试样在称重前要清洗干净，并烘干，以保证称重的准确性。光电天平称重，该天平的精确度为0.0001g3.磨损实验：载荷为0.1Kg；转数为60rpm。407.4 金属接触疲劳一、接触疲劳现象与接触应力1. 接触疲劳现象接

18、触疲劳：机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。齿轮、轴承、钢轨等表面经常出现接触疲劳破坏41在接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝壳状有疲劳裂纹扩展线的痕迹。接触疲劳的宏观形态特征：深度在0.2mm以下深度为0.2mm0.4mm深度与表面强化层相当麻点剥落浅层剥落深层剥落接触疲劳破坏角齿上的麻点剥落表面淬火齿轮沿过渡区深层剥落4243在接触压应力作用下，接触疲劳破坏与表面层塑性变形有关表面层塑性变形的深度决定麻点剥落的深度塑性变形进行的剧烈程度决

19、定麻点剥落扩展的速度。少量麻点剥落不影响机件的正常工作当麻点过大过多时，会导致机件失效。对于齿轮而言，麻点越多，啮合情况则越差，噪声也越来越大，振动和冲击也随之加大，严重时甚至可能将轮齿打断。442. 接触应力两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称为接触应力，也叫赫兹应力。受接触应力作用的机件，按接触面初始几何条件不同，可分为：线接触，如齿轮的接触点接触，如滚珠轴承的接触45二、接触疲劳破坏机理1. 麻点剥落滚动接触时，由于表面最大综合切应力反复作用，表层局部产生塑性变形当最大综合切应力抗剪强度时，表层形成裂纹，封闭在裂纹内的高压润滑油使裂纹沿与滚动方向成小于45倾角向前扩展扩展到一定

20、程度，产生二次裂纹(与初始裂纹垂直)，二次裂纹扩展到表面时，剥落下一块金属而形成凹坑。46实践表明：表面接触应力较小，摩擦力较大或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）时，易产生麻点剥落。表面接触应力较小，摩擦力较大易产生麻点是因为表面最大综合切应力较高表面质量较差易产生麻点则是材料抗剪强度低所致472. 浅层剥落浅层剥落裂纹产生于亚表层（切应力最大深度处）。浅层剥落多出现在机件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩擦力小的场合。483. 深层剥落深层剥落裂纹产生在表面硬化机件的过渡区（强度低）表面硬化机件 心部强度太低 硬化层深不合理 梯度太陡 过渡区存在不利的应力分布都易造成深层剥

21、落。49三、接触疲劳试验方法测定接触疲劳极限时其循环基数N0一般取107规定：当试样上深层剥落面积大于或等于3mm2；或当试样上麻点剥落(集中区)在10mm2面积内出现麻点率达15的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。接触疲劳强度用接触疲劳曲线(max-N曲线)来描述max为最大接触压应力N为破坏循环周次水平部分对应的应力为接触疲劳极限50接触疲劳试验是在接触疲劳试验机上进行的。试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。JPM-1型试验机可以做纯滚动或滚动带滑动的试验。试样(上试样)装于上主轴陪试件(下试样)装于下主轴根据试验目的和试验机类型，可选用不同试样和陪试件进行线接触或点接触试验。51四、影响接触疲劳寿命的因素（一）内部因素1. 非金属夹杂物2. 热处理组织状态3. 表面硬度与心部硬度4. 表面硬化层深度5. 残余内应力（二