金属的磨损与接触疲劳

金属的磨损与接触疲劳第1页，共34页，2023年，2月20日，星期四2/34一、磨损的过程

跑合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段。图7-1磨损量与时间的关系示意图(磨损曲线)第2页，共34页，2023年，2月20日，星期四3/34二、耐磨性

耐磨性是材料抵抗磨损的性能。通常用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。

1、磨损量

(1)线磨损：试样摩擦表面法线方向的尺寸减小。

(2)体积磨损：试样体积减小。

(3)质量磨损：试样的质量损失。

(4)比磨损量：磨损量／(摩擦距离·压力)。

2、耐磨性：1／磨损量。第3页，共34页，2023年，2月20日，星期四4/343、相对耐磨性4、磨损系数：1/ε。

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按磨损机理分为：粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损(接触疲劳)、腐蚀磨损和微动磨损。一、粘着磨损(咬合磨损)1、定义：相接触的两种材料由于表面某些接触点局部正压力超过该处的屈服强度以致发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损。§7.2磨损的类型第5页，共34页，2023年，2月20日，星期四6/342、产生机理滑动摩擦条件下，摩擦副双方接触时，局部突起的表面在压载荷下因应力较高引起塑性变形，使表面氧化膜、润滑膜破裂暴露出新鲜、洁净表面，接触面间原子间距极小，产生原子间的键合作用，即冷焊(粘着)。继续滑动中，粘着点受剪切应力被剪断→转移脱落→形成磨屑；该过程反复进行→粘着磨损。第6页，共34页，2023年，2月20日，星期四7/34图7-2粘着磨损表面形貌

摩擦副一方金属表面常粘附一层很薄的转移膜，并伴有化学成分变化→判断粘着磨损的主要特征。图7-3粘着磨损过程示意图第7页，共34页，2023年，2月20日，星期四8/34

(1)粘着点强度比一方金属强时磨损量大，表面较粗糙，甚至产生咬死。

(2)粘着点强度比双方金属都低时，磨损量小，摩擦面较平滑。

(3)粘着点比双方金属都高时，剪断可发生在摩擦金属的任何一方，较软金属的磨损量大。第8页，共34页，2023年，2月20日，星期四9/34

3、磨损量的估算粘着磨损量正比于法向载荷F，滑动距离L，(软材料压缩屈服强度或硬度)。

4、磨损表面特征：大小不等的结疤。第9页，共34页，2023年，2月20日，星期四10/34

5、影响粘着磨损的因素P142

材料特性、法向力、滑动速度及温度。

6、改善粘着磨损耐磨性的措施

(1)选择合适的摩擦副材料强、硬度高则不易粘着；互溶性小的材料不易粘着：晶格类型不同、晶格间距相差大、电化学性质相差大的材料组成摩擦件，粘着倾向小。第10页，共34页，2023年，2月20日，星期四11/34

(2)避免或阻止摩擦副(原子)间直接接触使用润滑剂，改善表面润滑条件；增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；表面化学热处理。

(3)降低表面粗糙度；但并非越光滑越好，需要考虑润滑剂储存。

(4)减小摩擦滑动速度，降低接触压应力。第11页，共34页，2023年，2月20日，星期四12/34

二、磨粒磨损(磨料磨损，研磨磨损)1、定义当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或在接触面之间存在着硬粒子时所产生的一种磨损。前者称两体磨粒磨损，后者称三体磨粒磨损。微观断裂。第12页，共34页，2023年，2月20日，星期四13/34图7-4两体和三体磨粒磨损第13页，共34页，2023年，2月20日，星期四14/342、机理由于一方的硬度比另一方大得多，或存在硬质粒子，对材料的创槽作用而损耗。具体机制：切削作用；塑性变形；疲劳破坏；脆性断裂。圆钝的磨粒或材料塑性较高时：首先形成犁沟但并不剥落(应力集中小，不易产生裂纹)。经反复、多次塑性变形后形成裂纹，最终剥落。尖锐的磨粒或材料脆性较高时，直接产生切削、剥落，留下犁沟。第14页，共34页，2023年，2月20日，星期四15/34

3、磨损量的估算图7-5磨粒磨损示意图第15页，共34页，2023年，2月20日，星期四16/34

4、磨粒磨损表面特征：犁沟、擦伤。图7-3磨粒磨损表面形貌第16页，共34页，2023年，2月20日，星期四17/34

5、降低磨粒磨损的措施

(1)影响因素材料硬度高，磨损量小，耐磨性高；但过高反而不利——韧度低还与材料的韧性有关。耐磨性与硬度、断裂韧度之间的关系(教材图7-8和7-9)(2)改善磨粒磨损的措施(P147)第17页，共34页，2023年，2月20日，星期四18/34图7-4耐磨性、硬度与断裂韧性关系图7-5磨损体积与硬度比(磨粒硬度与材料硬度之比)的关系第18页，共34页，2023年，2月20日，星期四19/34

实物试验与实验室试验两类。

(1)磨损试验结果分散度很大，一般试验要有4~5对摩擦副，数据分散度大时还应增加。

(2)一般取试验数据的平均值。分散度大时需要用均方根值。

(3)同一材料采用不同的磨损试验方法，结果往往不同，甚至是颠倒的。§7.3磨损试验方法第19页，共34页，2023年，2月20日，星期四20/34

(4)采用称量法或测长法确定磨损量。

称量法采用分析天平测定试样磨损前后的质量变化；测长法采用测微尺测量摩擦表面法线方向的尺寸变化。称量法用于磨损量在10-2g以上时才有较好结果。测长法用于磨损量较大、称量法难于实现的情况。第20页，共34页，2023年，2月20日，星期四21/34一、概念

1、定义接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，工件表面在交变接触压应力长期作用后所引起的一种局部区域发生小片(块)状剥落的表面疲劳损伤现象，称接触疲劳(表面疲劳磨损、疲劳磨损)

接触形式：线接触和点接触。§7.4金属的接触疲劳第21页，共34页，2023年，2月20日，星期四22/342、接触疲劳宏观特征小痘状、贝壳状或其它不规则状凹坑。图7-6接触疲劳表面形貌第22页，共34页，2023年，2月20日，星期四23/343、接触疲劳破坏的分类

接触疲劳包括裂纹形成和扩展两个阶段，并且裂纹形成占据的时间长，而裂纹扩展所占据的时间很短。麻点剥落(点蚀)、浅层剥落、深层剥落(表面压碎)。第23页，共34页，2023年，2月20日，星期四24/344、接触疲劳损伤过程金属局部反复塑性变形→裂纹的形成→裂纹的扩展→金属表面的剥落，麻点。接触疲劳＝疲劳＋磨损接触应力：两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力。第24页，共34页，2023年，2月20日，星期四25/34二、接触疲劳破坏机理金属局部反复塑性变形→裂纹的形成→裂纹的扩展→金属表面的剥落。从综合切应力的分布和大小，材料的强度相互比较，决定了裂纹产生的部位和接触疲劳类型。第25页，共34页，2023年，2月20日，星期四26/341、麻点剥落：裂纹起源于表面的接触疲劳损伤。

(1)滑动加滚动条件下：切向摩擦力较大，使最大综合切应力转移至表面。

(2)表面存在质量缺陷：软点、硬点、夹杂物等，造成抗剪强度不足。深度：0.1－0.2mm的小块剥落。形态：麻点是些针状或痘状的凹坑。第26页，共34页，2023年，2月20日，星期四27/34麻点剥落形成过程示意图第27页，共34页，2023年，2月20日，星期四28/34提高麻点剥落抗力措施：

(1)提高机件表面的塑性变形抗力；

(2)提高零件表面光洁度，使F降低，表面折叠几率降低；

(3)提高润滑油的粘度，降低油楔作用。第28页，共34页，2023年，2月20日，星期四29/342、浅层剥落：裂纹起源于次表层的接触疲劳损伤。深度：0.2－0.4mm。浅层剥落在次表层(最大切应力处)：0.786b处或0.5b处；实际多在0.5－0.7b处。第29页，共34页，2023年，2月20日，星期四30/34浅层剥落过程示意图

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过程：在0.5－0.7b处，首先滑移变形→一定循环N→产生疲劳裂纹→沿应力，夹杂物走向发展→形成二次裂纹→扩展到表面→另一端形成悬臂梁→压断，浅层剥落。提高浅层剥落抗力措施：提高材料的塑性变形抗力，进行整体或表面强化，使0.5－0.786b处的切变强度↑。提高材料纯净程度，↓夹杂物数量。第31页，共34页，2023年，2月20日，星期四32/343、深层剥落(压碎性剥落)

裂纹起源于表面硬化层下过渡区。原因：过渡区强度不足。深层剥落过程示意图

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提高深层剥落抗力的措施