金属材料的表面摩擦与磨损

1、材料成形界面工程,Interfacial Engineering in Materials Processing,李 贵 武汉科技大学机械自动化学院,金属材料的表面摩擦与磨损,6/,6.1 摩擦 6.2 磨损,摩擦,6/1,6.1 摩擦,1. 摩擦定义,两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时, 接触表面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。,摩擦表面,相互运动零件配合表面的摩擦、磨损与摩擦表面的形貌、表面层的结构和性能有关,摩擦表面的形貌(Surface Layer morphology)和表示方法,1) 表面波度： 2) 表面粗糙度：粗糙度(Ra) 3) 宏观几何形状：用

2、圆度、圆柱度、平面度表示,实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差,零件表面形貌可分为：,6.1 摩擦,1. 摩擦定义,两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时, 接触表面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。,表面形貌,6.1 摩擦,1. 摩擦定义,轮廓算术平均偏差 (Ra),指在L长度范围内被测表面轮廓上的各点至轮廓中线mm距离绝对值总和的算术平均值。它是用表面轮廓在高度上的量来反映表面粗糙度的大小,轮廓算术平均偏差(Ra),6.1 摩擦,2. 表面层的结构(Surface Layer Composition),金属表面层的具体结构示意图,6.1 摩擦,2. 表面层的结构

3、(Surface Layer Composition),表面层的硬度高于基体，提高表面的耐磨性,表面层中存在着物理、化学和应力缺陷。会成为磨损的应力集中源。,表面层晶粒较细使晶界增加，对腐蚀介质中工作的摩擦副不利,实际表面是凹凸不平的；,接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积名义接触面积；,即使在接触点上，也可能有表面膜把金属隔开。,6.1 摩擦,3. (滑动)摩擦机理,产生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交错啮合作用而引起的。表面的粗糙度越大, 摩擦力越大,1) 机械理论(凹凸说) 1699年,2) 分子理论(分子说) 1734年,基本观点：产生摩擦的原因是由于表面分子间的相互作用,3) 分

4、子机械理论 1939年,认为：摩擦有两重性（分子作用和机械作用）,4) 粘着理论 1942年, 比较公认的理论,Bowden等人, 基本观点: 实际接触面积小(名义接触面积的千分之几或万分之几）应力大表面膜破裂并伴有塑性变形（变形热） 粘着产生滑动阻力即摩擦力。,6.1 摩擦,4. 摩擦类型,静摩擦 和 动摩擦,1) 按摩擦副的运动状态分,2) 按摩擦副的运动形式分,滑动摩擦 和 滚动摩擦,3) 按摩擦表面的润滑状态分,纯净摩擦,干摩擦 Dry Friction,边界摩擦 Boundary Friction,液体摩擦（Liquid Friction）,混合摩擦,6.1 摩擦,4.1 干摩擦 D

5、ry Friction,摩擦系数大, 0.11.5,摩擦表面间没有任何润滑剂时的摩擦,干摩擦的表面接触情况,6.1 摩擦,4.1 干摩擦 Dry Friction,摩擦机理,机械作用： 接触面积小塑性变形氧化膜被压碎或剪切分子溶合冷焊焊点被剪切,分子作用： 塑性变形晶格歪扭破碎加工硬化表面温度升高，高于再结晶温度硬化层发生再结晶温度继续升高表面金属软化，发生粘结和相变继续运动接触部分脱开冷却淬火进一步提高硬度。,化学作用：氧化膜被压碎或剪切裸露的金属氧化形成新的氧化膜,6.1 摩擦,4.2 边界摩擦 Boundary Friction,在摩擦副的表面间, 存在一层极薄边界膜时的摩擦, 称为边界

6、摩擦。边界膜分为物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜。,特点:,边界膜的厚度很小(0.1微米), 但仍可使摩擦系数大大降低(0.05-0.5),摩擦磨损特性不取决于润滑剂的粘度, 而是取决于表面膜的特性,减少边界摩擦的方法:,在普通工作条件的机械的润滑剂中, 加入油性添加剂, 如：油酸、甘油等,在低速、重载的“极压条件”下工作的润滑剂中, 加入极压添加剂(又称油膜增强剂), 如：酯。,边界摩擦实例：气缸套活塞环， 凸轮挺杆等,6.1 摩擦,4.2 边界摩擦 Boundary Friction,物理吸附膜,矿物润滑油中常含有一些极性物质，其分子的一端是带有强电荷的极性团，与金属表面亲和力强，在金属

7、表面形成单层分子或多层分子的吸附膜。,因此, 摩擦发生在金属表面的极性分子的非极性端, 从而有效地防止摩擦表面的直接接触, 减少了摩擦。,物理吸附膜完全可逆，受热容易产生脱吸，所以适用于常温、低速、轻载的摩擦副。,6.1 摩擦,4.2 边界摩擦 Boundary Friction,化学吸附膜,润滑剂中的一些极性分子的有价电子与金属或其氧化表面的交换电子产生新的化合物，定向排列吸附于金属表面,化学吸附膜很薄, 且吸附于脱吸不完全可逆, 受热发生脱吸,化学反应膜稳定，用于高温、高压、高滑动速度的摩擦副,化学反应膜,在润滑油中加入硫、磷、氯等元素的添加剂（极压添加剂），在高温下这些元素与金属表面发生

8、化学反应形成厚度较大的化学反应膜。,6.1 摩擦,4.3 液体摩擦 Liquid Friction,摩擦副表面有一层由边界膜和流体膜组成的润滑剂, 摩擦表面不直接接触,流体动压润滑：利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体自然产生内压来承受外部载荷并使摩擦表面隔开的润滑。,摩擦系数小,特点:,类型：,流体静压润滑：利用压力把润滑剂打入摩擦表面使之隔开的润滑。(需要一套专用的供油系统),6.1 摩擦,4.3 液体摩擦 Liquid Friction,摩擦副表面有一层由边界膜和流体膜组成的润滑剂, 摩擦表面不直接接触,摩擦副零件的配合间隙要合适,建立液体摩擦油膜必须具备的条件：,摩擦表面应具有较高的加工

9、精度和表面粗糙度等级,保证连续而又充分地供给一定温度下粘度合适的润滑油,摩擦副零件必须具有足够高的相对滑动速度,6.1 摩擦,4.4 混合摩擦,半干摩擦：介于边界摩擦和干摩擦间的摩擦,半液体摩擦：介于边界摩擦和液体摩擦间的摩擦,力求维持液体润滑; 最低要维持边界润滑或混合润滑; 避免出现干摩擦。,4.5 摩擦小结,磨损,6/2,6.2 磨损,1. 磨损,摩擦副的表面物质, 在摩擦的过程中逐渐损失, 使其尺寸、形状和位置精度及表面层性质发生改变的现象, 称为磨损,磨损指标: 磨损量指标：磨损量、磨损率 几何形状指标：平面度、圆度、圆柱度,平面度: 公差带是距离为公差值t 的两个平行平面之间的区域

10、。 圆度: 半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域。 轴颈的圆度误差可以采用外径千分尺测量指定平面两个相互垂直的直径, 其半径差就是圆度误差。 圆柱度: 其公差带是半径差为公差值t的两个同心圆柱面之间的区域。测量轴或孔的同一纵向截面(包含轴线)内数个直径, 其中最大与最小直径的半径差即为圆柱度误差。,6.2 磨损,1. 磨损,磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象。只要机器零件的磨损量或磨损率在规定使用期内不超过允许值, 就可以认为是一种允许的正常磨损现象。,机器零件典型磨损过程的三个阶段:,1)磨合(跑合)阶段(0-t1) 2)正常磨损阶段(t1-t2) 3)事故磨损阶段

11、(t2-t3),0-t1,t1-t2,t2-t3,时间,6.2 磨损,1. 磨损,磨损不仅是材料本身固有特性的表现, 更是摩擦学系统特性的反映。 因此, 磨损也具有条件性和相对性,磨损的这种特性和摩擦很相似, 因而也可用类似的表达式来表示, 即：,同一种机器零件在不同机器中会产生不同类型或不同程度的磨损。 即使在同一台机器中, 不同工况也会导致不同程度甚至不同类型的磨损。 因此, 在分析和处理机器零件的磨损问题时, 必须全面考虑到该零件所在的摩擦学系统的特性, 才能对其磨损现象作出准确的判断和正确的分析。,6.2 磨损,1. 磨损,磨损指标:磨损率,1、线性磨损率： 2、体积磨损率： 3、重量

12、磨损率： 式中, 磨损厚度; 磨损体积; 磨损重量; 滑动距离; 被磨损的材料的密度。,磨损指标:其他参数指标,1. 磨损因数 式中, 正压力; 法向载荷,6.2 磨损,1. 磨损,磨损指标:其他参数指标,2. 磨损度(能量磨损率) 式中, F 正压力; f 法向载荷,3. 耐磨性系数(耐磨性),4. 磨损系数(耐磨性),式中, w磨损量; H材料硬度; v速度; t 时间; N 正压力 磨损系数表示磨损量与工况之间的关系, 当载荷与速度为已知, 并可求出一定工况下的磨损系数时, 就可估算磨损量, 以预测摩擦学系统的寿命。 也可根据磨损系数来确定磨损类型, 因为不同的磨损类型具有不同的磨损系数

13、。,5. 磨损速率(磨损强度),6. 相对耐磨性,它是标准试样的磨损率与被测试样磨损率之比(),6.2 磨损,1. 磨损,引起运动副磨损的主要因素,摩擦 环境因素（温度、介质、润滑条件、应力等） 材料的成分、组织和性能，以及在磨损过程中的变化。 装配质量,2. 磨损的机理,粘着磨损 (Adhesive wear) 磨粒磨损 (Abrasive wear) 腐蚀磨损 (Corrosive wear) 微动磨损 (Fretting wear ) 疲劳磨损 (Surface fatigue wear),实际的磨损现象大都是多种类型磨损同时存在, 或磨损状态随工况条件的变化而转化。,6.2 磨损,2.

14、 粘着磨损,在摩擦副中, 相对运动的摩擦表面之间, 由于粘着现象产生材料转移而引起的磨损, 称为粘着磨损。,这类磨损一般发生在相互滑动(或转动)的干摩擦表面上, 即在表面上的某些微突体产生固相焊合, 严重时还会出现摩擦副完全“咬死”的现象。,如:在润滑状况恶化的条件下, 柴油机烧轴瓦就是这种磨损的典型例子。,有两种粘着(焊合)：冷焊粘着；热局部焊合粘者, 载荷、速度小 载荷、速度较大 变形、断裂及材料转移 新粘着点产生,粘着磨损过程,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损类型,Bowden根据剪断位置并以轴承合金为例进行分类 . 一类：粘着强度小 . 二类：粘着强度中 . 三类：粘着强度大 . 四

15、类：同一材料组合, 加工硬化材料, 剪断发生在内部, 磨损大; 相反, 加工软化, 粘着部变软, 有很好的耐磨性,按照磨损程度的不同，粘着磨损可以分为以下五类： 1) 轻微磨损 粘着点的剪切强度比形成该粘着点的任何一方的基体金属的剪切强度都小(如锡与铁对磨), 磨损发生在粘着点的界面上, 材料转移十分轻微, 甚至不产生材料转移。磨合属于这种磨损。,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损类型,2) 涂抹 粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间(如铅与钢对磨), 剪切破坏发生在较软金属的浅表层内, 并使该表层的材料转移到较硬金属表面上, 使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。,3)

16、刮伤 粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间(如铅与钢对磨), 剪切破坏发生在较软金属的浅表层内, 并使该表层的材料转移到较硬金属表面上, 使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损类型,4) 胶合 表面局部温度相当高, 粘着点的面积较大, 由于粘着点的剪切强度比形成粘着的任何一方基体金属的剪切强度都要高(如铜与钢对磨), 故在摩擦副的一方或双方的基体金属上产生较深层的破坏, 因而, 既有较多的软金属转移到硬金属表面上, 同时也有部分硬金属转移到软金属表面上。,5) 咬死 由于粘着点的面积较大，其剪切强度也相当高，致使摩擦表面因局部熔焊而停止相

17、对运动。,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损类型,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,粘着磨损是在固/固界面上产生严重滑动摩擦的结果,粘着磨损的基本物理过程是：粘着剪切再粘着再剪切的循环过程, 或是粘着点的生成消失再生成再消失过程 在此过程中, 磨损主要是以材料转移的形式表现出来, 有时还会出现少量磨屑,1) 阿恰德模型理论,(1)面积 (2)载荷 (3)滑动距离为磨损体积为,P,F,r,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,1) 阿恰德模型理论,单位滑动距离总的磨损体积为：,若n个微突体, 总载荷为P,故有:,则:,考虑磨损概率K实际磨损:,滑动距离L总的磨损为:,6.2 磨损,2.

18、粘着磨损,磨损机理,1) 阿恰德模型理论,粘着磨损的磨损率：,体积磨损率的理论计算式：,式中, 软材料的屈服强度,粘着磨损的磨损系数。 它表示一个微突体在全部载荷接触下滑动, 产生一粒磨屑的概率, 或产 生磨屑的载荷接触的微突体在全部载荷接触的微突体中所占的百分比。 越大，材料磨损越严重。,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,2) Holm理论,Holm认为，互相接触的两个表面上，如果不同物体表面上的原子间的距离m,小于物体本身原子间的距离d时，（图所示），则不同原子间将作用有很强的分子力，会产生严重粘着，粘着的两个表面被拉开时，将要损失一定数量的原子，产生磨损。,磨损(过程)量计算：,(

19、1)物体上原子a1, 在运动过程中分别与物体上b1、b2逐次接触，每滑动距离d就与一个新的原子接触, 当滑动L距离时, a1遇到的原子数L/d (2) 每两个物体接触面积为Ar，Ar面积上的原子数等于Ar/d2; 因之两接触面滑动L距离时, 原子总的接触次数Na等于,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,2) Holm理论,磨损(过程)量计算：,(3) 已知 则：,(4)设每次接触损失z个原子，原子体积为 ，则总的磨损体积V等于：,则：,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,3) Archard理论结块清除理论,Holm是从原子尺度来研究磨损的，研究真实接触面积上磨损粒子的产生机理。为了便

20、于分析，Archard发表了新的理论，称为结块清除理论。意思是：由于两个表面上的凸峰相遇，导致块状粒子的损失。,Archard理论的模型 ：认为真实的接触面积Ar是由n个(图所示)的接触点构成。即:,接触面滑动, 接触面积大小发生变化, 达到图c所示(即滑过2a距离)接触点完全分开。,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,3) Archard理论结块清除理论,由式知 接触着的某一点，滑过距离时与对偶面上微凸体接触次数为L/2a；则接触面整体滑过L距离总的接触次数Np为：,假定磨屑半径 , 产生磨屑的概率 , 则滑动 距离磨损体积：,6.2 磨损,2. 粘着磨损,磨损机理,3) Archard

21、理论结块清除理论,粘着磨损的体积磨损率与法向载荷N (或正压力p)成正比, 而与软金属材料的屈服强度(或布氏硬度HB值)成反比。,当正压力 时，会使磨损加剧，产生胶合或咬死。因此，在设计时应保证正压力不超过材料的布氏硬度的三分之一。 体积磨损率随着粘着磨损的磨损系数的增大而增大，而后者主要取决于摩擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地粘着的趋向。 此外，磨损率与滑动速度无关。,6.2 磨损,2. 粘着磨损,金属的粘着磨损的磨损系数,6.2 磨损,2. 粘着磨损,影响因素,1）载荷 载荷引起表面塑性变形必然导致温度升高, 引起粘着。载荷达到一临界 值可发生胶合的值称为临界载荷。,2）温度 温度升

22、高可引起粘着，使表面膜破坏引起粘着发生的温度称为临界失效温度。影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v, 其中速度影响较大, 因此有时把pv值作为控制粘着磨损和防止胶合发生的一个参数。,3）摩擦材料 同种材料 / 相溶性好的材料 / 材料塑性越高，粘着磨损越严重,脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高 脆性材料：正应力引起, 最大正应力在表面, 损伤浅, 磨屑也易脱落, 不堆积在表面。 塑性材料：剪应力引起, 最大剪应力离表面某一深度, 损伤深。,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨粒磨损是指在摩擦过程中，由于摩擦表面上硬的微突体或摩擦界面上的硬颗粒而引起物体表面材料损耗的一种磨损。这是最常见的一

23、种磨损现象。,据统计, 因磨粒磨损而造成的损失约占各类磨损所造成的全部损失的一半。油田设备中许多零件的磨损都属于磨粒磨损。,主要类型,由于物体表面硬的微突体使对偶表面产生的磨粒磨损称为两体磨粒磨损(Two-body abrasive wear),由于摩擦表面上存在自由硬颗粒而产生的磨粒磨损称为三体磨粒磨损(Three-body abrasive wear),6.2 磨损,3. 摩粒磨损,根据磨损程度的不同，磨粒磨损又可分为以下三种类型：,1、擦伤 磨粒作用在表面上的应力较低, 使摩擦表面沿滑动方向形成微细的擦痕。被尘土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出现这种磨损,2、刮伤 磨粒作用在表面上的应

24、力较高，使脆性材料表面碎裂；而对韧性材料，则往往表现为摩擦表面产生塑性变形或疲劳破坏,3、犁沟 在磨粒作用下，较软金属表面因塑性变形而出现较深的沟槽,粒度的影响,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨损机理：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1、塑性变形机理,对于一般塑性材料(含金属)，其磨粒磨损的主要物理过程可分为以下两种：,1) 犁沟 软材料在硬微突体或硬颗粒的挤压下产生塑性变形, 向两边隆起, 此时, 不发生材料脱落。但在发生多次变形后, 表层材料脱落而形成二次切屑,2) 微观切削 如同金属加工的刨削过程一样，在硬微突体或硬颗粒的切削作用下，材料脱落而形成一次切屑,正角 副角,6.2 磨

25、损,3. 摩粒磨损,磨损机理：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1、塑性变形机理,体积磨损率方程：按照微切削作用在磨粒磨损的过程中起主导作用的观点，并将硬材料表面的微突体转化为一个圆锥体。,图中： H为磨粒压入材料的深度； L为磨粒滑动的距离； 为(磨粒)侧锥角； a为锥体压入深度处的半径。,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨损机理：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1、塑性变形机理,体积磨损率方程：,考虑磨粒运动过程中, 只有前部承受压力,为材料的屈服强度, 为单个微突体的法向载荷,磨粒锥体压入材料的深度为,单个磨粒滑动L距离产生的磨损体积量,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨损机理

26、：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1、塑性变形机理,体积磨损率方程：,磨损的计算：为了对磨料磨损作出定量的描述。可以从磨粒入手。把磨粒看做一个锥体。在载荷Fn作用下插入较软物体, 假定滑动距离为 ，则磨损体积 为：,由图知 ；又由于锥体向前运动，外载荷只由锥体前半锥体承受；根据力的平衡知： 把上述关系式代入可得：,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨损机理：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1、塑性变形机理,磨损的计算：,根据上式可得出锥体移动单位距离的磨损量为： 式中-磨料磨损常数 刻槽时取则上式可写成 式中-软物体硬度,磨粒磨损的磨损系数Ka不仅和磨粒的几何形状有关, 形成磨屑的概率等许多因素有关,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨损机理：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1、塑性变形机理,磨粒磨损的磨损系数Ka不仅和磨粒的几何形状有关，形成磨屑的概率等许多因素有关。,典型的磨粒磨损的磨损系数值。表中的数值是按尖锐的新生磨粒表面得出，经磨损和粘附后，表中数值一般要下降一个数量级。,磨粒磨损的磨损系数,6.2 磨损,3. 摩粒磨损,磨损机理：由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,2、断裂机理,对于一般脆性材料, 如陶瓷、碳化物和玻璃等，当载荷较大而磨粒较尖锐以及材料的断裂韧性与硬度之比较低时