材料性能学学习课程

1、 摩擦磨损是工程材料失效的主要因素之一 因机件的相对运动产生摩擦，导致磨损 摩擦磨损降低使用寿命、增加能耗、产生噪音和振动、影响环境。2022-6-191第1页/共43页第一页，编辑于星期日：二十一点 五分。本章主要内容 介绍材料摩擦磨损机理、摩擦磨损试验测试方法以及提高材料摩擦磨损性能的主要途径。 重点要掌握材料摩擦磨损的机理和提高材料摩擦磨损性能的主要途径。2022-6-192第2页/共43页第二页，编辑于星期日：二十一点 五分。第一节第一节 磨损的基本概念及类型磨损的基本概念及类型1、摩擦 机械零件的表面在显微镜下观察是高低不平的。 高低不平的两个接触面相对运动时，就产生阻力 接触物产生

2、阻碍运动的现象就叫摩擦，阻碍运动的力称为摩擦力。它与接触法向压力（p）和摩擦系数（）的关系为： F = p 摩擦的害处：磨损、消耗能量、降低机器性能。 摩擦的益处：行走、车辆制动等。 2022-6-193第3页/共43页第三页，编辑于星期日：二十一点 五分。2、磨损 摩擦运动的结果是产生磨屑，即产生磨损。 磨屑的形成也是材料发生变形和断裂的过程。 材料的磨损过程除造成材料损失外，还将发生一系列物理、化学状态的变化，如形变硬化（高锰钢履带）和摩擦热引起的相变（淬火钢中的残余奥氏体转变为马氏体）等。这些变化将影响材料的摩擦磨损性能。2022-6-194第4页/共43页第四页，编辑于星期日：二十一点

3、 五分。3 3、磨损的、磨损的3 3个阶段：个阶段： 跑合阶段：表面逐步磨平，实际接触面积不断增大磨损速率不断减小。 稳定磨损阶段：磨损量呈线性，磨损速率为一定值。工件服役阶段，跑合越好，磨损速率越低。 剧烈磨损阶段：摩擦接触面间隙增大，机件的振动加剧，润滑膜或保护层被损坏，机件表面被恶化，磨损速率迅速加大。 2022-6-195第5页/共43页第五页，编辑于星期日：二十一点 五分。 磨损的基本类型磨损的基本类型 按工作环境来分有：润滑磨损、干磨损、磨粒磨损和和腐蚀磨损等。 按机理来分主要有粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损（接触疲劳）等。摩擦面损伤和破坏形式不同。 腐蚀磨损是材料与周围环

4、境发生化学或电化学反应的结果，这里就不讨论了。本章主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。2022-6-196第6页/共43页第六页，编辑于星期日：二十一点 五分。第二节第二节 磨损的基本过程磨损的基本过程一、粘着磨损 凹凸不平的表面，少数微凸体的尖顶产生很高的应力，超过屈服点而发生塑性变形。 若接触面上的油膜、氧化膜等保护膜被破坏，裸露的凸体直接与对磨面接触，摩擦热使凸体与接触的对磨材料直接熔合。 相对运动，使熔合点被拉开、脱落，形成磨屑。 新的凸体将成为新的粘着点，如此反复，使工件不断磨损。 易发生条件：摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大2022-6-197第7页/

5、共43页第七页，编辑于星期日：二十一点 五分。粘着磨损粘着磨损 粘着磨损的表面特征： 机件表面有大小不等的结疤2022-6-198第8页/共43页第八页，编辑于星期日：二十一点 五分。 粘着点断裂的两种形式： 粘着点结合强度低于两侧材料，则接触点断裂。磨损量较小，摩擦面显得较平滑，只有轻微擦伤。锡基合金与钢的滑动就属此类型。 粘着点的结合强度高于两侧材料，断裂发生在强度较差的一侧，粘着点保留在强度较高的材料上，形成更大的凹坑和凸台，使接触面显得越来越粗糙，造成磨损速率加大，甚至出现咬死现象。如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘着磨损就属于此类。粘着磨损粘着磨损2022-6-199第9页/共43页第

6、九页，编辑于星期日：二十一点 五分。 J. F. Archard提出了粘着磨损的估算方法。 设法向力p，微凸体接触数量n，粘着点平均直径为d的球体。当n个接触点同时发生塑性变形时，作用在接触点上的法向力p为： （6-2） 2022-6-1910真实面积真实面积接触压缩屈服强度接触压缩屈服强度第10页/共43页第十页，编辑于星期日：二十一点 五分。 只要滑动d距离，就有n个接触点发生了粘着磨损，故单位滑动距离内出现的接触点数为： N = n/d = 4p/(3sc d3 ) 如接触点被拉出半球的几率是K，则滑动一段距离后，总拉出的磨损量为： 2022-6-1911K为粘着磨损系数为粘着磨损系数第

7、11页/共43页第十一页，编辑于星期日：二十一点 五分。 WKpL/3Hv 表明，粘着磨损量与接触压力p、滑动距离L成正比，与材料的硬度成反比。Archard模型的适用性模型的适用性 当p 1/3摩擦副材料硬度时，适用。 当pb时，K值急剧增大，磨损量也急剧增加，造成大面积的焊合和咬死。 2022-6-1912第12页/共43页第十二页，编辑于星期日：二十一点 五分。复 习 提高金属疲劳性能有哪些措施？ 什么是热疲劳？有哪些因素影响材料热疲劳性能？ 磨损过程分哪三个阶段？ 磨损的基本类型有哪些？ 什么是粘着磨损？它的表面特征是什么？ 粘着磨损中，粘着点断裂的形式有哪两种？ Archard公式是

8、什么？它表明磨损与什么因素有关？2022-6-1913第13页/共43页第十三页，编辑于星期日：二十一点 五分。二、磨粒磨损二、磨粒磨损 磨粒磨损又称为磨料磨损，是摩擦副的一方坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子（从外界进入或从表面剥落）时产生的磨损。 两体磨损、三体磨损 磨粒磨损分类：凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式 磨粒磨损的特征是摩擦表面出现有擦伤或因明显梨皱形成的沟槽。2022-6-1914第14页/共43页第十四页，编辑于星期日：二十一点 五分。 磨粒对表面的作用力分法向力法向力和切向力切向力。主要作用是使材料表面产生应力集中。 法向力法向力在表面形成压痕，切向力切向力推动颗粒前

9、进。在一定的条件下（压力、颗粒形貌、相位），颗粒才会象刀具一样切削表面。 圆钝颗粒或软材料，颗粒划出槽沟，材料产生塑性变形并不脱落。随后的摩擦又将槽沟两侧堆积部分压平，如此反复地变形、堆积、压平，便导致形成裂纹并引起剥落。 脆性材料则较容易剥落，形成槽沟。2022-6-1915第15页/共43页第十五页，编辑于星期日：二十一点 五分。 磨粒磨损量的数学表达式为： W= KpL/3sc KpLtan/Hv 式中：p为接触压力；L为滑动距离；为磨粒与摩擦面的夹角，与磨粒形状有关；Hv为材料硬度；K为系数(与磨粒形状、取向等因素有关)。2022-6-1916第16页/共43页第十六页，编辑于星期日：

10、二十一点 五分。 磨粒磨损的影响因素十分复杂：基体材料的力学性能力学性能（硬度与韧性）、基体显显微组织微组织和磨粒硬度磨粒硬度等。 对金属材料来说，一般材料硬度越高，抗磨粒磨损性能就越好。 2022-6-1917第17页/共43页第十七页，编辑于星期日：二十一点 五分。弹性模量的影响 材料的H/E值越大，则在相同接触压力下，弹性变形量增大。由于接触面积增加，单位法向载荷反而下降，导致沟槽深度减小，堆在沟槽两侧的材料也少，所以磨损量就小。然而，E是组织不敏感的，因此，机件抵抗磨粒磨损的能力主要与材料的硬度成正比。所以， 一般情况下，材料硬度高，其抗磨粒磨损能力也越好。2022-6-1918第18

11、页/共43页第十八页，编辑于星期日：二十一点 五分。断裂韧性的影响2022-6-1919第19页/共43页第十九页，编辑于星期日：二十一点 五分。三、接触疲劳三、接触疲劳1、现象与特征现象与特征 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剥落，使材料发生磨损的现象。 接触疲劳的特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑（麻坑），有些凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展的痕迹。 2022-6-1920第20页/共43页第二十页，编辑于星期日：二十一点 五分。2、接触应力的概念 两个物体相互接触时在局部产生的压应力称为接触应力

12、，也叫赫兹应力。 接触应力分为线接触（齿轮接触）和点接触（滚珠轴承）。2022-6-1921第21页/共43页第二十一页，编辑于星期日：二十一点 五分。（1 1）圆柱体的线接触应力）圆柱体的线接触应力 设有两个圆柱体，半径分别为R1、R2，长度为L。未变形前为线接触，施加法向力p后，因弹性变形而变成面接触，接触面积为2bL。2022-6-1922第22页/共43页第二十二页，编辑于星期日：二十一点 五分。（1 1）圆柱体的线接触应力）圆柱体的线接触应力 根据弹性力学分析，接触压应力z沿Y轴按半椭圆规律分布，在接触中心Y=0处，z达到最大值： E为综合弹性模量.2022-6-1923第23页/共

13、43页第二十三页，编辑于星期日：二十一点 五分。（1 1）圆柱体的线接触应力）圆柱体的线接触应力 三向压应力，在Y=0的对称面上，z、x、y与YZ45沿Z方向分布图。 在Z=0.786b处，YZ45达到最大，约为0.3zmax，方向与接触面成45。 在连续滚动过程中，切应力从00.3zmax交替变化着，应力幅为YZ45/ 2 = 0.15zmax。2022-6-1924第24页/共43页第二十四页，编辑于星期日：二十一点 五分。（2）球体的点接触 滚珠与轴承圈接触可近似认为点接触，接触应力为： E为综合弹性模量；p为法向力。YZ45max在Z=0.786b处，约为0.3max2022-6-19

14、25第25页/共43页第二十五页，编辑于星期日：二十一点 五分。接触应力分析接触应力分析 上述是在纯滚动情况分析。 两物体既作滚动又有滑动，应附加切向摩擦力。 切向摩擦力与压应力共同作用在接触区域上，使应力分布相应改变，最大切应力的位置将向表面移动。当摩擦系数0.2时，最大切应力的位置将移到材料接触表面，因此接触疲劳裂纹的产生地也将移到零件表面。2022-6-1926第26页/共43页第二十六页，编辑于星期日：二十一点 五分。3、接触疲劳过程 当最大切应力大于材料剪切疲劳强度时，在长期循环作用，裂纹便在该处形成。根据最大切应力位置的深浅，接触疲劳分3类： 根据最大切应力与材料强度之应力判据分析

15、各种接触疲劳的裂纹萌生和扩展。2022-6-1927第27页/共43页第二十七页，编辑于星期日：二十一点 五分。（1）点蚀（麻点剥落）点蚀（麻点剥落）：深度为0.10.2mm，小块剥落，形成不对称V型针状或痘状凹坑。受力情况：滚动+滑动，最大综合切应力在材料表面。滑动摩擦系数越大，疲劳剥落点就越浅。 表面接触应力较小、滑动摩擦力较大或表面质量较差（如粗糙、脱碳、烧伤、淬火不足、有夹杂物等）时，易出现这种麻点剥落。2022-6-1928第28页/共43页第二十八页，编辑于星期日：二十一点 五分。（2 2）浅层剥落）浅层剥落 在滚动或滑动摩擦力很小的情况下，次表层（在0.50.7b之间）承受最大的

16、循环切应力，长期循环，在此产生位错塞积和空位，逐步形成裂纹。 裂纹在最大应力层面上沿着薄弱方向发展，到一定程度后，垂直扩向表面，形成盆状剥落凹坑，深度一般为0.20.4mm。2022-6-1929第29页/共43页第二十九页，编辑于星期日：二十一点 五分。（3 3）深层剥落）深层剥落 一般发生在经强化但强化深度不足的工件，裂纹源都位于强化与未强化的结合处，即剥落层厚度与强化层深度相当（0.4mm）。 裂纹形成处虽然切应力不是最大，但该处切应力/材料抗切强度的比值最大，安全系数最小。2022-6-1930第30页/共43页第三十页，编辑于星期日：二十一点 五分。 渗碳淬火试样试验表明： 切应力/

17、抗剪切强度的比值大于0.55时，在过渡区产生疲劳裂纹，出现大块剥落。 比值在0.50.55时，出现表层剥落和麻点剥落的混合情况。 比值小于0.5时，则出现麻点剥落。 2022-6-1931接触疲劳裂纹的形成与扩展是：接触疲劳裂纹的形成与扩展是： 接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。影响材料接触疲劳的因素：影响材料接触疲劳的因素：除了加载条件外，除了加载条件外，主要是材料因素，主要是材料因素，如材料成分和组织状态，表面硬度与心部硬度或摩擦副如材料成分和组织状态，表面硬度与心部硬度或摩擦副硬度匹配、硬化层深度、表面状态硬度匹配、硬化层深度、表面状态第

18、31页/共43页第三十一页，编辑于星期日：二十一点 五分。第三节第三节 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 材料的耐磨性是指材料抵抗磨损的性能指标，迄今还没有一个统一的指标。通常用磨损量来表示。磨损量越小，表示耐磨性越好。 磨损量的测量方法有两种：称重法和尺寸法。 称重法就是称试样或零件磨损前后的重量变化； 尺寸法就是测量试样或机件磨损前后的尺寸变化 磨损量的倒数、相对耐磨性磨、损系数2022-6-1932第32页/共43页第三十二页，编辑于星期日：二十一点 五分。二、磨损试验方法二、磨损试验方法 磨损试验分实物试验和实验室试验。 实物试验的条件与实际工况一致

19、或较接近，试验结果可靠，但试验周期长。 实验室试验周期短，费用低，易于控制各因素，但条件与实际情况相差甚远，结果不能完全反映真实情况。 柴油机缸套、活塞和活塞环的磨损试验一般在几个月才能显示出差异，在实验室强化的条件下，也要几百个小时才能有差异，试验费用十分巨大。 磨损试验是一个十分复杂的，这就是迄今没有一个统一标准的主要原因。2022-6-1933第33页/共43页第三十三页，编辑于星期日：二十一点 五分。二、磨损试验方法二、磨损试验方法 实验室磨损实验的方法很多，主要是想尽可能与实际工作条件一致起来。 按工作环境分：干磨损试验、润滑摩擦磨损试验和磨粒磨损试验。 按运动方式分：滑动摩擦磨损和

20、滚动摩擦磨损。2022-6-1934第34页/共43页第三十四页，编辑于星期日：二十一点 五分。摩擦磨损试验机形式：摩擦磨损试验机形式：（a）销盘磨损试验机（b）环块磨损试验机（c）往复式摩擦磨损试验机（d）滚动磨损试验机（e）砂纸磨损试验机（f）快速磨损试验机（g）橡胶轮磨粒磨损试验机 2022-6-1935第35页/共43页第三十五页，编辑于星期日：二十一点 五分。 磨损量的测量方法：称重法和尺寸法。 磨损数据一般较分散，不仅受计量仪器精度的限制，而且受其他一些因素的影响。如在润滑条件下作的磨损试验，本身磨损量就很小，加上液体浸入等一些因素的影响，往往数据分散，一般在同一中条件下要做45试

21、验，取其平均值。 摩擦磨损试验受环境和试验条件的影响很大，试验数据只能做相对比较，引用文献资料时要特别注意，一般不能用不宜资料上的数据进行比较。 2022-6-1936第36页/共43页第三十六页，编辑于星期日：二十一点 五分。第四节第四节 提高材料耐磨性的途径提高材料耐磨性的途径 首先必须要弄清楚磨损机理。 针对不同的机理，选择合适的措施。2022-6-1937第37页/共43页第三十七页，编辑于星期日：二十一点 五分。一、减轻粘着磨损的主要措施一、减轻粘着磨损的主要措施 选用互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如异种金属或晶格类型、电化学性质相差甚远的材料。 选用强度高而且不易塑性变形的材料。

22、 降低表面粗糙度，改善摩擦副润滑条件。 表面处理（如氮化处理），形成一层化合物或非金属层，减少摩擦系数；采用渗碳、碳氮共渗等表面热处理，提高表面硬度；渗硫、渗磷使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量。 采用复合材料，减少粘着倾向，如球墨铸铁。 改善接触面的状态，如润滑，或在润滑油中添加一些介质，如乌克兰的摩圣。 2022-6-1938第38页/共43页第三十八页，编辑于星期日：二十一点 五分。二、减轻磨粒磨损的主要措施二、减轻磨粒磨损的主要措施 低应力磨粒磨损提高材料的硬度 重载荷贝氏体（高硬度、高韧性） 控制碳化物的数量、形态和分布。在保证冲击韧度的前提下，碳化物多，有利于提高耐磨性；形态要呈颗粒形，在特殊情况下最好要有一定的方向性，如抛丸机叶片；碳化物分布要均匀。 摩擦副