第六章+材料的磨损性能

1、第六章第六章 材料的磨损性能材料的磨损性能一、摩擦与磨损的概念一、摩擦与磨损的概念摩擦摩擦 摩擦是接触物体间的的一种阻碍物体运动的现象，摩擦是接触物体间的的一种阻碍物体运动的现象，这种阻力为摩擦力。这种阻力为摩擦力。磨损磨损 磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。离出磨屑从而不断损伤的现象。6-1 磨损的基本概念及类型磨损的基本概念及类型磨损曲线磨损曲线磨损过程：跑合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。磨损过程：跑合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。磨损性能指标：磨损性能指标：绝对磨损量绝对磨损量相对耐磨性相对耐磨性被

2、测试样的磨损量标准试样的磨损量磨损磨损表面疲劳磨损表面疲劳磨损（接触疲劳）（接触疲劳）腐蚀磨损腐蚀磨损磨粒磨损磨粒磨损粘着磨损粘着磨损磨损磨损复合磨损复合磨损滑动磨损滑动磨损滚动磨损滚动磨损二二. 磨损的分类：磨损的分类：磨损量与滑动速度及载荷的关系磨损量与滑动速度及载荷的关系一一. 粘着磨损粘着磨损u 粘着磨损：粘着磨损：又称咬合磨损，又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。）时发生的。u 原因：原因：由于缺乏润滑油，由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很

3、大，以致接触应力法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。产生的一种磨损。Al-Sn轴瓦的粘着磨损轴瓦的粘着磨损特点：表面有结疤特点：表面有结疤6-2 磨损过程磨损过程粘着磨损过程粘着磨损过程粘着磨损过程：粘着磨损过程：接触接触塑性塑性变形变形表面表面膜（包括油膜）膜（包括油膜）破裂破裂粘着粘着（冷焊）（冷焊）剪断接点剪断接点再粘着。再粘着。u磨损量的计算磨损量的计算粘着磨损模型示意图粘着磨损模型示意图 有有n个接触点，材个接触点，材料单项压缩屈服强度料单项压缩屈服强度sc，法向力：，法向力：234scdpn磨损量：磨损量：93scvpLpL

4、WKKHHv是软材料的硬度，是软材料的硬度，Hv3sc，L是滑动长度，是滑动长度，K是软材料上被拉拽出半球的几率，也称粘着磨损系是软材料上被拉拽出半球的几率，也称粘着磨损系数，决定于摩擦条件和摩擦副材料。数，决定于摩擦条件和摩擦副材料。u 影响因素影响因素 塑性材料比脆性材料易于粘着；塑性材料比脆性材料易于粘着； 互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）粘着倾向大；子密度、电化学性质相近的金属）粘着倾向大； 单相金属比多相金属粘着倾向大；单相金属比多相金属粘着倾向大； 固溶体比化合物粘着倾向大；固溶体比化合物

5、粘着倾向大； 在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验表明接触应力超过材料硬度的三分之一，粘着磨损试验表明接触应力超过材料硬度的三分之一，粘着磨损量急剧增加。量急剧增加。 在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增在法向应力一定时，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又随滑动速度的增加而减小。加，但达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。 摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大影响。有较大影响。 摩擦副配对材料的选择摩擦副配对材料的选择 基本原

6、则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料、表面易形成化合物的材料、金属与非互溶性小的材料、表面易形成化合物的材料、金属与非金属等配对。金属等配对。 表面改性表面改性 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减轻粘着磨损。如渗碳、磷化、氮碳共渗处理等以及增强轻粘着磨损。如渗碳、磷化、氮碳共渗处理等以及增强表面氧化膜的稳定性和结合强度。表面氧化膜的稳定性和结合强度。 改变摩擦条件改变摩擦条件 控制摩擦滑动速度和接触压应力，降低表面粗糙度控制摩擦滑动速度和接触压应力，降低表面粗糙度等，可使粘着磨损大

7、为减轻。等，可使粘着磨损大为减轻。 改善润滑条件，阻止金属之间直接接触，以及也都改善润滑条件，阻止金属之间直接接触，以及也都可以减轻粘着磨损。可以减轻粘着磨损。u 改善粘着磨损耐磨性的措施改善粘着磨损耐磨性的措施二二. 磨粒磨损磨粒磨损 磨粒磨损又称磨料磨磨粒磨损又称磨料磨损、研磨磨损。损、研磨磨损。 磨粒磨损是当摩擦副磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间突起，或者在接触面之间存在着其他粒子时所产生存在着其他粒子时所产生的一种磨损。的一种磨损。 磨粒磨损分为两体磨磨粒磨损分为两体磨粒磨损和三体磨粒磨损。粒磨损和三体磨粒磨损。两体磨粒磨损和三体磨粒

8、磨损两体磨粒磨损和三体磨粒磨损u磨粒磨损的概念及机理磨粒磨损的概念及机理磨料磨损磨料磨损类型类型产生条件产生条件破坏形式破坏形式实例实例凿削式磨料磨损凿削式磨料磨损磨料对材料表面磨料对材料表面产生高应力碰撞产生高应力碰撞从材料表面凿削从材料表面凿削下大颗粒的金属，下大颗粒的金属，被磨表面有较深被磨表面有较深的沟槽。的沟槽。挖掘机斗齿，破挖掘机斗齿，破碎机的锤头等碎机的锤头等高应力碾碎式磨高应力碾碎式磨料磨损料磨损磨料与金属表面磨料与金属表面接触处的最大应接触处的最大应力大于抗压强度力大于抗压强度韧性材料疲劳剥韧性材料疲劳剥落，脆性材料碎落，脆性材料碎裂剥落。裂剥落。球磨机衬板，轧球磨机衬板，轧

9、碎机滚筒等碎机滚筒等低应力擦伤式磨低应力擦伤式磨料磨损料磨损磨料对表面的作磨料对表面的作用力小于抗压强用力小于抗压强度度表面产生擦伤或表面产生擦伤或切削痕迹。切削痕迹。犁铧、溜槽等犁铧、溜槽等 磨料磨损的机理：微量切削理论、疲劳破坏理论、磨料磨损的机理：微量切削理论、疲劳破坏理论、凿削理论。凿削理论。u磨损量的计算磨损量的计算tantan3scPLPLWKH 磨损量与接触应力、活动距离成正比，与抗压屈服强度、磨损量与接触应力、活动距离成正比，与抗压屈服强度、硬度成反比，与硬材料凸出部分或磨粒形状有关。硬度成反比，与硬材料凸出部分或磨粒形状有关。u磨粒磨损影响因素磨粒磨损影响因素 硬度的影响：金

10、属材料硬度的影响：金属材料对磨粒磨损的抗力与对磨粒磨损的抗力与H/E成比例，成比例，H为材料硬度。为材料硬度。 弹性模量对组织不弹性模量对组织不敏感，所以机件抵抗磨敏感，所以机件抵抗磨粒磨损的能力主要与材粒磨损的能力主要与材料硬度成正比。所以材料硬度成正比。所以材料越高，其抗磨粒磨损料越高，其抗磨粒磨损的能力也越好。的能力也越好。断裂韧度：影响金属磨粒磨损的耐磨性断裂韧度：影响金属磨粒磨损的耐磨性耐磨性、硬度与断裂韧度的关系示意图耐磨性、硬度与断裂韧度的关系示意图细化晶粒：由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所细化晶粒：由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性。以也提高耐磨性。加工

11、硬化：对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型加工硬化：对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不同而有不同。不同而有不同。 在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响；没有影响； 在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。性。 在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。磨损体积与硬度比的关系磨损体积与硬度比的关系（磨粒硬度与材料硬度之

12、比）（磨粒硬度与材料硬度之比）u改善磨粒磨损耐磨性的措施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对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢应力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨

13、损耐磨性。也能有效提高磨粒磨损耐磨性。 经常注意机件防尘和清洗，防止大于经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入微米磨粒进入接触面，也是有效措施。接触面，也是有效措施。三三. 腐蚀磨损腐蚀磨损氧化磨损氧化磨损微动磨损微动磨损冲蚀磨损（又称气蚀）冲蚀磨损（又称气蚀）特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损接触应力接触应力表面距离表面距离屈服强度屈服强度表面距离表面距离接触应力曲线接触应力曲线强度分布曲线强度分布曲线四、四、 接触疲劳接触疲劳 接触疲劳定义：机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦接触疲劳定义：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，时，在交变

14、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。象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为：根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为： (1) 麻点剥落（点蚀）麻点剥落（点蚀） (2) 浅层剥落浅层剥落 (3) 深层剥落（表面压碎）深层剥落（表面压碎）（1）麻点剥落）麻点剥落u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、夹杂脱碳、烧伤、淬火

15、不足、夹杂物等）地，易产生麻点剥落。物等）地，易产生麻点剥落。u前者因为表面最大综合切应力前者因为表面最大综合切应力较高，后者则是材料抗剪强度较高，后者则是材料抗剪强度较低引起的。较低引起的。最大综合切应力最大综合切应力强度分布强度分布（2）浅层剥落）浅层剥落u 接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。u 裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一

16、倾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。角的二次裂纹。u 二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，反复弯曲发生弯断，形成浅层剥落。反复弯曲发生弯断，形成浅层剥落。最大综合切应力最大综合切应力强度分布强度分布（3）深层剥落（压碎性剥落）深层剥落（压碎性剥落）u 深层剥落的初始裂纹经常在表面硬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，该处切应化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料材料强度而在切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂纹。该处产生裂纹。u 裂纹形成后先平行于表面扩展，即裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。扩展，最后形成较深的剥落坑。