中科大材料摩擦与磨损课件07粘着磨损

第七章

粘着磨损⒈定义：实际上是相互接触表面上的微凸体不断地形成粘着接点和接点断裂而导致摩擦表面破坏并形成磨屑的过程。最常见的磨损形式，如一固体材料在另一固体材料表面上滑动或压入其表面后被拉开时。以小颗粒状形式、存在粘附和反粘附现象§1粘着磨损的特点与分类举例：1、真空中洁净的硬钢压在黄铜块上后分开，用高倍显微镜观察，明显看到分散的黄铜粒嵌在钢表面。2、黄铜圆销在旋转的钢制圆盘上滑动，可看到钢盘表面被涂抹上一层黄铜。如果用显微镜观察可看到分散的转移特性。3、巴克莱用单晶体碳化硅与各种金属相摩擦，第一组球形碳化硅滑块在金属平面滑动；第二组球形金属滑块在碳化硅平面滑动。⑴轻微磨损⑵涂抹⑶擦伤（胶合或咬合）⑷撕脱（或咬焊）⑸咬死

2.根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损区分为5类：§3粘着机理

两洁净金属表面相互接触会形成强的金属接点；当表面粗糙的两固体，在法向压力作用下相互接触时，一小部分微凸体的顶峰受到很大压应力，当达到了流动压力时，就发生塑性变形。当表面洁净时，两固体表面的粒子随着距离的缩短，将先后出现物理和化学键，当两表面上有成片的粒子相结合，就形成凸体桥，即接点。齐曼Ziman胶体模型：金属中的自由电子云类似于粘结液，能够把金属表面上靠得很近的正离子结合起来，形成金属键，粘着强度基本决定于界面上的电子密度。如果两固体的内聚功不同，而粘着功的大小又介于两者之间，则断裂将发生在内聚功较小的固体内。影响固体间的粘着的两个主要因素：一个是表面上的氧化膜或其他污染膜；往往会被表面变形，特别是剪切应力所破坏，显露出新鲜表面而被粘着；另一个是弹性应力恢复效应。接触区接点在形成过程中被强烈的加工硬化，当载荷卸除后，界面发生弹性变形，此时周边的连接桥处于拉应力状态，由于延性不足而被拉断，所以只有一部分接点被保留下来；对于大多数金属（即使完全净化的表面），由于弹性应力恢复效应，在卸除法向载荷之后，粘着面积比预计的值小的解决措施？可在卸载前通过接点退火，使加工硬化后微凸体桥的延性增加，获得很大的法向粘着。当法向载荷存在时，对试样施加切向应力，由于法向和切向应力复合的结果，使接触面积增大，粘着点增大。结晶表面间的结晶位向影响粘着：具有完全配合的位向，很容易发生粘着；位向失配时，必须提供能量才能使界面形成强固粘着；能量可以是热量或塑性变形功；（如：低温比高温需要更多的塑变才能形成界面间强固粘着。）金属晶体结构（如密排面、滑移方向）影响界面上塑性变形，所以对粘着也有很大影响。一般滑移系增加，滑移概率增加，开始易滑移，位错形成位错接点后阻碍滑移，易焊合，微凸体加工硬化后难断开，使粘着增大。材料间的溶解度和互溶性影响粘着：38种金属对钢在真空中实验：溶解度极小或者和铁组成金属化合物的材料不易粘着；原因：接点的形成和生长与在原子范畴内发生扩散有关。虽然时间较短，但微凸体接触瞬间，温度很高，使接点能够生长。上述理论也适用于非金属材料间及非金属材料与金属间的粘着作用：粘着的本质：例如：两片洁净的铜表面被压紧在一起，微凸体上原子靠近，甚至靠近到本身原子间的距离程度，此时无法区分界面上原子属于那边，所以界面间的力就和其基体内部原子力具有相同性质。但由于相遇铜晶格间的错配，界面总有缺陷，使接触区粘着变弱；塑性流动和热扩散可以使缺陷消除，同时界面就不存在了。接触区的粘着强度相当于材料本身强度。粘着的本质：对于异类合金可以应用如上推理；若不形成合金，则界面力可能为两金属内部原子力的平均值如（铟-金），若形成合金则相互作用性质比较复杂。强固粘着是原子间力的结果，可以看作是整个固体内部的原子力处理；如果实践中没发现强固粘着，则主要是由于粘染膜和弹性应力恢复效应影响。§4粘着磨损的模型和定律一、粘着磨损的发生1）界面比滑动表面中任一金属都弱，则剪切发生在界面上，并且磨损极小。（如锡-钢）2）界面比滑动表面中一金属强而弱于另一个，则剪切发生在较软金属表层上，并且磨屑粘附到硬金属表面上。（如铝-钢）3）界面比滑动表面中一金属强，偶而也强于另一个，则较软金属明显转移到硬金属上，偶而也会撕下硬金属。（如铜-钢）4）界面比滑动表面中任一金属都强，则剪切发生在界面不远处。（如同种金属间滑动）上述情况磨损量相差很大！由于界面为截面积最小处，且存在大量缺陷，故强度较低，断裂一般发生在界面处。实验表明，材料副在滑动中形成大磨屑的少于接点总数的5%。磨屑形成过程的图解格林伍德Greenwood和泰伯Tabor用不同金属与塑料的两维模型说明微凸体及其剪切。指出：某些情况，特别是接点平面与滑动方向不平行时，将形成粘附磨屑。由于原始表面粗糙或在滑动过程中变粗糙，使不平行性一定存在。芬恩Feng：若接点与滑动方向平行，在滑动过程中使接点变粗糙，则切屑易形成。较硬材料也会形成磨屑：大多数情况磨屑发生在较软金属内部且形成较多、较大的磨屑；事实证明，较硬材料也会形成磨屑可能是较硬材料内部也有局部的低硬度区，同时较软材料表面也存在高硬度区，所以使较硬材料形成磨屑。二、粘着磨损的原子模型（汤姆林逊模型）原子俘获而生的磨损：摩擦表面十分接近时，原子相互排斥，被排斥原子不仅回到原来位置，另一方面一个原子也会从平衡位置被驱逐出来并粘附在另一表面的原子上，而不回到原来位置。可以用俘获过程中形成原子配对的能量消耗来推导：由于每对中只有一个原子被俘获，总质量不是2nm。P为平均排斥力α为原子分开概率Pmax为最大排斥力H为金属的硬度表明总磨损量与金属硬度成反比，基本合理磨损与摩擦系数成反比，不合理。三、磨损定律（阿查德）用屈服应力与滑动距离来表达体积磨损WV载荷增大使真实接触面积通过两个途径增大：1、原来接触点的接触面积增大2、新的接触点增多L为法向载荷σy为被磨损材料的屈服应力由于3σy=H，H为软材料的硬度，得到如下方程阿查德方程体积磨损量和载荷与滑动距离成正比，与材料硬度成正比K为粘着磨损系数，决定于摩擦条件和摩擦副的材料§5材料的转移和摩屑形成过程一、初生磨屑的特征

粘着磨损先是微凸体发生粘着，然后是磨屑的粘附与脱落。格林Green，1955蜡泥塑料制作大型模型接点；格林伍德和泰伯，金属接点，粘着-剪切实验；象铜等硬、脆（相对而言）接点，剪切多数横过颈部；象铅等延性好接点，被撕开并缩成螺纹性；结论：延性高的金属的初始磨屑比延性低的金属大得多；加工硬化金属形成的有效磨损比延性金属小的多。二、材料的转移当软表面和硬表面摩擦时，软表面的材料将粘附到硬表面；金属转移肉眼可看到，详细情况可在显微镜上观察，定性；盖格-密勒计数器，发光；定性分析—证明了金属相互作用时的接点形成理论；自动放射照相法—沉积物的分散特性，定量分析;微量天平—分期测量、重量变化、接点大小、真实接触面积、精度差。1.铜在钢上的摩擦克列其Kerridge、兰卡斯特Lacster，放射活化寻迹法。黄铜圆销-旋转钢盘（未活化），盖格-密勒记数器记录转移过程，转移磨损无润滑有润滑时间体积磨损2.钢在钢上摩擦退火钢的圆销—淬火钢圆环上滑动，在产生磨屑前转移膜已被氧化，因此产生磨屑的速度决定于氧化的速度。钢磨屑形成是多阶段的过程；最初磨屑是从已涂敷在圆盘上的金属脱落而成，由于法向载荷只由较少数的接触点支承，此阶段磨屑尺寸较大。随滑移时间延长，接点生长、金属转移、磨损继续进行，但磨屑逐渐变小，无润滑曲线表明：开始黄铜很快转移到钢盘上，属于“磨合”阶段，“磨合”终止后，磨屑从界面脱落；当磨损率达到稳定时，转移量为常数；有润滑曲线表明：转移速度因润滑而变慢；转移和磨损的情况类似，且斜率相同；黄铜对钢的磨损有两个明显阶段：黄铜转移沉积到钢表面、黄铜磨损形成磨屑阶段；当金属的转移量和磨屑形成量相等时，平衡。磨屑脱落机理：开始时，黄铜沉积在钢上，继续滑动时，由于不断地遭遇，沉积物增长及至到达一临界尺寸，变从界面脱落下来成为磨屑。铜在钢上滑动时，摩擦热小，磨损过程中没有氧化物参加。自由磨屑产生的速度决定于金属从销钉转移到圆盘的频繁程度。最后阶段是由另外一种磨损机理起作用：金属转移仍然存在；但磨损过程与金属转移无关；磨屑的高度比下面钢的微凸体高度还大；磨屑由100Å大小的颗粒聚合而成，有氧化物存在；转移（粘着）和磨粒磨损同时在起作用。3.转移量放射性物质示踪方法（在非活性表面）；自动射线照相法测涂敷磨屑的大小和分布；磨屑是不连续的碎片，不同金属组合，滑动时金属的转移量属于同一数量级，与硬度无关；无润滑相同金属副的转移量比不同金属副的转移量大40多倍；三、磨屑的形成过程加藤/日本/1979/SEM/动态分析根据扫描电镜连续观察，发现两种不同的典型粘着磨屑形成过程。420试样尺寸θ1.片状屑的形成过程①施加法向载荷，静止接触，接点形成。②施加切向力，接点塑性长大到不发生滑动的极限状态。此时塑性区为ABC；③滑移在滑移线AC上发生，形成舌状物ABCB’并形成新的接触面AA’。④由于剪切作用，滑移舌状物ABCB’弯曲，同时形成第二个塑性区A’B’C’，接触面是A’B’。⑤滑移片状物以同样方式连续形成，并在滑移舌状物的根部出现裂纹。⑥滑移发生在接触表面，并形成转移的片状屑。总结：两种粘着磨屑形成过程；粘着转移磨屑形成过程使磨屑端面上具有剪切波纹和剪切撕裂的特征；尖锐的微凸体比圆钝的微凸体更易形成这两种类型的磨屑。2.

不规则磨屑的形成过程①施加法向载荷使两微凸体形成接点。②施加切向力，使接点塑性长大到不发生滑动的极限态，并产生塑性区ABC。③在AD位置出现裂纹，BC凸出是由于塑性变形。④第二个塑性区DC’E从裂纹顶部相应接触面DC’延伸。⑤剪切裂纹扩展，微观滑移在第二个滑移线上产生，并形成第三个塑变区。⑥以同样方式继续下去，最后形成不规则形状的磨屑。

§6轻微磨损、严重磨损、零件磨损特性一、轻微磨损和严重磨损载荷磨损率严重磨损轻度磨损载荷低于5N，磨损沿下面曲线变化；载荷高于10N，磨损沿上面曲线变化；中间载荷时，磨损在两曲线间波动。轻微磨损区的磨屑是黑色粉末，磨损表面变成象抛光一样而且损伤微小，且电阻较高，约1Ω；严重磨损区的磨屑是片状的，且磨损表面损伤严重；（润滑状态情况类似）软钢—硬钢：轻微磨损时，磨屑基本都是金属氧化物；严重磨损时，磨屑主要为金属屑片。二、机械零件磨损的特性时间磨损量剧烈磨损稳定磨损跑合abo磨损的三个阶段跑合（或磨和）阶段新的摩擦副由于机加工造成的表面粗糙度，使开始时的接触面积较小，在磨合阶段使表面磨得平滑，软表面发生塑性流动，真实接触面积逐渐增大，最终达到平衡尺寸。如果两表面都是硬的，则高的凸点被磨去，表面变为平坦。总之，使磨损速率减缓，进入稳定阶段。2.稳定磨损阶段接触面积增大，金属材料因塑性变形而发生加工硬化及形成表面氧化膜，使表面耐磨性提高，是零件正常运转阶段。3.剧烈磨损阶段磨损剧烈增加