7 磨损破坏.ppt

1、金属材料失效分析,河海大学力学与材料学院硕士课程,第7讲 磨损破坏,（Failure analysis of metallic materials）,编讲：江静华,2,第七讲 磨损破坏,第一节 磨损的类型 第二节 磨损破坏机制与特征 第三节 磨损破坏检测 第四节 提高材料耐磨性的途径 第五节 总结,接触物体作相对运动时, 因机械、物理-化学作用造成表面材料分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称磨损。磨损是逐渐发展过程，构件失效常前有所预兆，但某些磨损件失效前特征不明显可能引发突发事故。,3,第一节 磨损的类型,日常生活中, 磨损并非全然均是有害的( 如:新制件运转初期,可借磨损达到

2、自然修整作用), 但大多属不受欢迎的材料破坏现象。,磨 损 系 统,4,表1 工程应用中的磨损系统分析,改变系统中任何一项, 均会影响整体的磨损结果。也即材料的磨损量(或耐磨性)实际上是由整个磨损系统各单元相互作用所共同决定的。,5,磨损现象可根据磨损系统单元及磨损条件进行分类(附表为德国DIN50320分类法) 。,6,第二节 磨损破坏机制与特征,磨损机制主要说明磨损条件对磨损系统单元的作用,以及在中间物质与环境介质的影响下,磨损主体与磨损客体相互之间的能量与物质交替作用。 目前被广为接受的磨损机制主要有:粘着磨损、磨料磨损、冲蚀磨损、微动磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。 实际构件磨损失效，可能有

3、几种磨损机理同时起作用，也有可能是一种磨损发生以后诱发其他形式的磨损。,7,表3 工程上常见磨损个例的磨损机制 (Habig 1979),8,2.1 粘着机制,物体表面接触点（微观粗糙点）发生局部压缩，形成弹性乃至塑性变形，并借助摩擦热产生“冷焊接”现象。 冷焊点被撕开造成了粘着磨损，磨损量由撕裂位置决定（撕裂位置在原来接触表面上则无磨损发生）。,9,假设表面微观粗糙点（接触点）为半球形，Bowden 与Tabor等推导出粘着磨损量的计算公式：,10,粘着磨损的发生倾向取决于两物体的粘着系数。测定时，将两物体在一定正向负荷下相互挤压后再拉开，为避免氧化层的阻隔作用可挤压的同时相互扭转（如图）。

4、,纯金属粘着系数一般随硬度增加而降低，FCC具有较强的粘着倾向（表明塑性变形在粘着磨损机制中扮演着重要角色。,11,一般合金的粘着系数也随着硬度增加而降低。最高硬度对应最低粘着系数。,12,经过适当热处理使合金得到有序相时， 硬度大大提高，而粘着系数可能下降至0.1，甚至0。,13,典型粘着磨损形貌,沟槽与粗糙表面,许多鳞片,大块材料被挖起,存在韧窝，证明有塑性变形,对磨件表面 粘附物质,两物体材质可相同或相异（至少一为延性以产生局部塑性变形），硬度可相近或不同。,14,2.2 刮损机制(磨粒磨损),物体表面被相对运动物体表面凸起物或硬颗粒嵌入而被犁削或刮除的现象.,15,材料的刮损行为随材质

5、不同而迥异,犁割前缘 因塑性变 形滑动产 生刮削屑,由于无塑性 变形, 刮削 屑直接破碎 沟槽内形成 微裂纹,刮损后表面组织变化随材质不同亦不同,可形成明显 塑性变形区, 内含许多位 错, 残余应力 区极深,形成许多裂 纹及少量位 错,其残余应 力区较浅,脆性材料刮擦 磨损量与断裂 韧性有关,16,刮损磨损的检测,使表面有坚硬颗粒的物体(如:砂纸)旋转,待测物在正向负荷作用下压在此表面上,测其刮损磨损量。,17,陶瓷材料斜率更陡(无塑性变形,而直接以裂纹形成及扩展进行)。,高分子材料的抗刮损磨损特性与硬度无明显关系。,18,典型的刮损磨损表面形貌,特征为许多刮损沟槽及刮屑. 延性材料沟槽极明显

6、,且呈现连续平行刮痕. 脆性材料的刮损沟槽会中断,同时出现碎片.,19,刮损磨损机制发生在硬度不同的两物体接触面上(较硬的物体对较软物体进行犁削),两者必定为不同材质,至于材质本身为延性或脆性均可能发生刮损磨损. 喷砂也可形成极严重的刮损磨损,因而喷砂试验常用作刮损磨损检测。影响因素包括:喷砂角度、砂粒速度、砂粒硬度及其他相关因素。,20,脆性材料在正向喷击时会导致大量裂纹形成与扩展,磨损速率随喷击角度增加而增加。,大部分金属在30-50 之间磨损速率偏大。,硬橡胶正向喷击主要产生弹性变形,几乎无磨损作用。,21,立体图,两种材料的喷砂磨损行为极不同,C60H钢在低喷砂角度及低砂粒硬度时,相对

7、磨损量极低;橡胶在高喷砂角度相对磨损量大幅降低,且此时砂粒硬度不再影响橡胶的喷砂磨损量。,22,2.3 表面疲劳损伤机制,表面疲劳是造成许多辊轮及齿轮机件失效的主要机制。,由于材料表面受到重复循环负荷(一般为压应力),使材料近表面部位发生组织改变、裂纹形成及裂纹扩展等破坏现象,最后以磨损颗粒形式脱离材料表面而产生表面坑洞。,此循环负荷及疲劳破坏发生于材料表面或内部近表面区域。,23,表面疲劳的特征,坑洞内的疲劳条纹,当磨损界面存在润滑液层时, 由表面疲劳所产生的裂纹出现在材料内部接近表面处,且常相邻而生,即”蝴蝶状”破坏特征。,24,典型表面疲劳损伤破坏形貌,表面坑洞,疲劳条纹,与磨损方向垂直

8、的裂纹,裂纹合并形成磨损颗粒,25,表面疲劳主要由材料表面重复循环压应力所造成, 与两者材质关系不大(脆性或延性、同质或异质,均可能发生表面疲劳)。,当两物体以高频率相对磨损运动时,可能发生的剧烈表面疲劳损伤。主要特征是表面变色,同时形成孔洞,在电接触元件中常发生.,擦蚀,擦蚀的破坏机制示意图,26,接触电阻随着擦蚀磨损的进展分3个阶段产生变化;表面适当润滑可有效减缓擦蚀磨损及接触电阻劣化现象.,27,2.4 磨损化学机制,磨损过程中常伴随着化学(氧化或腐蚀)发生, 磨损会加剧氧化或腐蚀反应,同样氧化或腐蚀亦影响磨损作用。,A. 磨损对氧化或腐蚀反应的影响, 磨损造成材料表面温度上升效应 磨损

9、造成材料表面活化效应 磨损刮除表面氧化层或钝态膜效应,28,电化学测试结果,考虑温升效应与活化效应,只考虑活化效应,磨损作用下腐蚀电位负移值,无磨损作用下腐蚀电位,29,静水中存在钝化行为,流水中供氧充分,更易钝化,磨损负荷增加, 腐蚀行为有如一般碳钢!,对有钝化膜或保护性氧化膜的材料,磨损对其腐蚀速率的促进远超出温度升高和表面机械活化作用。,30,B.氧化或腐蚀对磨损的影响 主要取决于生成物与底材硬度之比.,一般氧化物硬度远高于基体者(如:Mg),其氧化对磨损有加剧作用. 氧化层超出临界厚度则脱落后产生磨粒.,31,典型磨损氧化的破坏形貌,钢铁表面肉眼可见深褐色氧化物(对磨损有缓和),钢铁表

10、面氧化物常紧密附着在其表面,加剧磨损的松散磨粒常密布于金属表面,32,四种磨损机制的磨损量, 均可采用Archard关系式加以说明, 即:磨损量与正向负荷成正比,与硬度成反比.,33,磨损机制的判定准则,34,第三节 磨损破坏检测,针对特定的磨损系统与工程需求选用或设计合适的检测方法。,大部分商用检测装置均根据这些形式设计。 间接度量磨损重量损失，结合磨损形貌判定破坏机制。,模拟齿轮,A.块状-块状试样的相对磨损检测,35,连续测量磨损应力与摩擦系数，更有助于判断磨损机制。,该检测装置可在任意固定磨损负荷下，连续精确检测材料的摩擦系数；环状试样可随意取下进行磨损重量损失及磨损表面观察。,36,

11、磨损与腐蚀共同作用下的破坏 旋转试样浸入内置腐蚀液槽中，以恒电位仪测不同磨损条件下（负荷、转速）样品的腐蚀行为，亦可经此恒电位仪控制样品在不同腐蚀状态下（活性、钝态及过钝态等），评估腐蚀对磨损的影响。,37,擦蚀的检测与两块体相对磨损的检测方法类似，不同的是其相对运动为高频振动方法。,该装置可检测相对电接触元件的擦蚀破坏和接触电阻的变化。,38,B. 块材忍耐硬颗粒打击的能力,空气压力喷射部分参照标准设计,利用砂粒自由落体打击材料表面,39,MLD-10型动载磨料磨损试验机,具有多功能可模拟多种工况条件的试验机，可用于金属材料和各种干、湿磨料在有冲击载荷或无冲击载荷、接触或无接触、滑动或滚动摩

12、擦情况下，金属材料的耐磨性能试验。 通过实验可以定量测量，金属材料在不同载荷、不同相互作用情况下所造成的磨损，以及进行磨损机理的实验研究。,40,MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机,湿砂半自由磨料磨损试验机的工作原理，是利用转动的橡胶轮带动与水混合的矿砂、砂石、泥沙等磨料对各种金属或非金属材料产生磨损，从而对材料进行耐磨性试验。由于橡胶轮的转速和对试样施加的正压力等参数可以改变，故本机能很好地模拟许多工况。,41,第四节 提高材料耐磨性的途径,4.1 影响材料耐磨性的因素 母材的性质及状态部件母材选用什么材质，进行什么样的热处理，对使用效果影响非常大。如：锤头，同样是高锰钢材质，为什么在同一

13、工况下有的耐磨性好，有的耐磨性不好呢？究其原因，其一是材质的成分是否符合标准要求，其二是水韧处理是否到位。,42,宏观硬度是最直观反映金属耐磨性的一个因素，但直观地比较硬度值高低来判断金属耐磨性的优劣是不科学的。 如：45号钢通过热处理表面可达到较高的硬度，但与常规的低合金耐磨材料的耐磨性是没办法相比的；同样硬度下，低合金和高合金的材料耐磨性相差很大。通常，合金成分相同时，硬度越高耐磨性越好。 特殊热处理可在同一化学成分下获得不同性能。 对于不同的合金成分，显微硬度显得较为重要。,硬 度,43,用于高温场合的合金是需特别设计 用于常温和用于高温场合的不同合金成分，如果常温硬度值相近，高温硬度测

14、试值会有很大差别（常温合金硬度值会急剧下降，但高温合金硬度的下降幅度不大）。 硬度随温度的下降幅度直接决定材料的工作温度。,合金的显微组织决定了显微硬度，组织的显微硬度决定了材料的耐磨性。如：常用的高铬合金铸铁材料是性价比较高的耐磨材料，不同合金形成的初生碳化物类型不一样，其分布形态、显微硬度差别较大 ，而宏观硬度差别不大。,显 微 组 织,44,使用工况的介质 部件工作工况介质的状态直接影响使用效果。部件过流物和氛围主要分为三种状态：固态、液态和气态。固态主要考虑的是冲击磨损、磨粒磨损、刮擦以及温度影响等；液态、气态除上面所需考虑的因素外，液态还需要关注冲刷磨损、腐蚀性以及密封性等，气态还需

15、要关注气体压力、汽蚀性等。,45,磨损物料的类型磨损物料主要有5种类型：金属类、矿物类、橡胶类、流体类、混合类。不同类型对部件的磨损程度及磨损机理是有所区别的。 部件的工况常见的磨损机件包括滑动轴承、辊轧轴承、齿轮、凸轮、刹车鼓刹车块、电接触元件、切削工具及成型模具等。 部件的工况决定其磨损形式主要分为：滑动磨损、磨粒磨损、冲击磨损、挤压磨损等，需要根据现场情况准确判断其工作状态。,46,部件承受载荷大小应力的状态直接影响部件的使用寿命。根据部 件的使用情况，其受力状态可分为：低应力、中等 应力、恒定应力、可变应力、高应力。 实际应用中，关注这些因素的变化轨迹并不难，但却容易被忽略。同时需要特

16、别注意的是，每个因素可能有不同的表现形式，并且环境温度的变化会叠加在这些因素的变化中。另外，物料的异性也需要注意，如各种矿石类，无论在成分还是在硬度方面都有很大的不均匀性。因此，准确地去把握这些因素并不容易，需要积累实践经验。,47,4.2 耐磨材料的发展,国外耐磨材料的生产和应用 经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁几个阶段，目前已发展为耐磨钢和耐磨铸铁两大类。 耐磨钢 除传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外，根据其含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；根据合金元素的含量又可分为低合金、中合金及高合金耐磨钢；根据组织的不同还可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢。,48,

17、耐磨铸铁 主要包括低合金白口铸铁和高合金白口铸铁两大类。最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸铁，目前在耐磨铸铁中占有主导地位。 马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地，中铬铸铁则应用较少。 从整体上看，合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但后者韧性好，在诸如衬板、耐磨管道等方面有着广泛的应用,49,我国耐磨金属材料的发展 主要有：改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列,高、中、低碳耐磨合金钢系列,铬系抗磨白口铸铁系列,锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁,不同方法生产的双金属复合耐磨材料,表面技术处理的耐磨材料等。,50,4.3 摩擦学表面工程,对于某些只有表面磨损的零件，表面工程更显出其重要意义。 目前，我国在热喷涂涂层、EB-PVD 涂层、自蔓延高温合成涂层及扩散涂层等抗冲蚀磨损防护涂层方面的研究取得了很大进展。 激光表面处理技术以加热速率高、温度高、热影响区小、可局部加热、处理后材料冷速快而晶粒细小、可