摩擦学.ppt

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第三讲磨损谢小鹏谢小鹏华南理工大学机械与汽车工程学院一、磨损分类和机理一、磨损分类和机理参考书摩擦学原理温诗铸、黄平著，清华大学出版社，2002年11月第2版摩擦体系热力学引论戴振东、王珉、薛群基，国防工业出版社，2002年1月第1版齿轮表面微观形貌齿轮表面微观形貌正常磨损磨粒正常磨损磨粒疲劳磨粒疲劳磨粒严重滑动磨粒严重滑动磨粒切削磨粒切削磨粒层状磨粒层状磨粒球状磨粒球状磨粒磨损的概念磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤过程，它是伴随摩擦而产生的必然结果磨损分类早期分类早期分类俄国俄国N.B.克拉盖克拉盖尔斯基的磨斯基的磨损分分类方法方法现在通常磨在通常磨损分分类通常磨损分类磨粒磨损粘着磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损总结磨损分类磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损磨损机理磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损机理磨粒磨损1定义:

外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突出外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突出物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象。

典型磨粒磨损象。

典型磨粒磨损:

掘土机铲车、犁耙等掘土机铲车、犁耙等2磨粒磨损形式3磨粒磨损机理4影响磨粒磨损因素磨粒磨损形式1二体磨粒磨损：

磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损。

2低应力磨粒磨损：

在一对摩擦副中，硬表面的粗糙度对软表面起着磨粒作用3三体磨粒磨损：

外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用。

磨粒磨损机理1微观切削微观切削法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。

2挤压剥落挤压剥落磨粒在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状的剥落脆性碎屑3疲劳破坏疲劳破坏摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落影响磨粒磨损的因素实验室研究表明：

磨料硬度H0与材料硬度H之间的相对值影响磨粒磨损的特性，通常采用相对耐磨性R来说明材料的抗磨粒磨损能力影响磨粒磨损的因素前苏联学者XpyIIIOB对磨粒磨损进行了系统的研究，指出硬度是表征材料抗磨粒磨损性能的主要参数1）对于纯金属和各种成分未经热处理的钢材，耐磨性与材料硬度成正比关系2）用热处理方法提高钢的硬度也可使它的耐磨性沿直线缓慢增加，但变化的斜率降低3）通过塑性变形使钢材冷作硬化能够提高钢的硬度，但不能改善其抗磨粒磨损的能力粘着磨损定义：

当摩擦副表面相对滑动时，由于粘当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁徙到另一个表面，此类磨损统称为粘面迁徙到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损着磨损粘着磨损种类粘着磨损机理影响粘着磨损的因素粘着磨损的种类1轻微粘着磨损轻微粘着磨损当粘结点的强度低于摩擦副两金属的强度时，剪切发生在结合面上。

通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生此种粘着磨损2一般粘着磨损一般粘着磨损粘结点的强度高于摩擦副中较软金属的剪切强度时，破坏发生在离结合面不远处软金属表层中，因而软金属粘附在硬金属表面上粘着磨损的种类3擦伤磨损擦伤磨损当粘结强度高于两金属的剪切强度时剪切破坏主要发生在软金属表层内，有时也发生在硬金属表层内4胶合磨损胶合磨损粘结点强度比两金属的剪切强度高得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方粘着磨损机理当摩擦接触峰点出现高温时（时间很短），润滑油膜、吸附膜或其他表面膜发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动中粘着结点破坏。

这种粘着、破坏、在粘着的交替过程就构成粘着磨损有关粘着结点形成原因的不同观点1高温熔焊的观点。

Bowdon等人认为粘着是接触峰点的塑性变形和瞬现高温使材料溶化或软化而产生的焊合2冷焊作用。

XpyIIIOB等人认为粘着是冷焊作用，不必达到溶化温度即可形成粘结点。

3粘着是由于摩擦副表面分子作用总的来说没有统一的粘着机理观点。

但是粘着现象必须在一定的压力和温度条件下才发生这一认识是一致的。

Archard粘着磨损模型影响粘着磨损的因素1表面载荷表面载荷苏联学者BHHOTPAIIOBA系统研究了载荷对胶合磨损的影响,她认为当表面压力达到一定的临界值,并经过一段时间才会发生胶合影响粘着磨损的因素2表面温度表面温度表面温度可使润滑膜失效，而温度梯度引起材料性质和破坏形式沿深度方向变化。

右图为Rabinowicz的实验结果。

3摩擦副材料摩擦副材料材料塑性越高，粘着磨损越严重疲劳磨损定义：

两个互相滚动兼滑动的摩擦表面，两个互相滚动兼滑动的摩擦表面，再循环变化的接触应力作用下，由于材料再循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成凹坑，称为表面疲劳磨损。

疲劳剥落而形成凹坑，称为表面疲劳磨损。

齿轮传动、滚动轴承等以这种磨损为主要齿轮传动、滚动轴承等以这种磨损为主要失效形式。

失效形式。

疲劳磨损种类和机理影响疲劳磨损的因素疲劳磨损的种类和机理1表层萌生疲劳磨损和表层萌生疲劳磨损表层萌生疲劳磨损和表层萌生疲劳磨损表层萌生疲劳磨损表层萌生疲劳磨损在循环接触应力作用下，这种磨损的疲劳裂纹发源在材料表层内部的应力集中源，如非金属夹杂物处。

通常裂纹萌生点局限在一个狭窄区域，典型深度为0.3mm左右。

与表层内最大切应力的位置相符合。

裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表层扩展，然后又延伸到表面。

磨屑剥落后形成凹坑，其断口比较光滑。

这种疲劳磨损的裂纹萌生所需时间较短，但裂纹扩展速度缓慢。

主要发生在一般质量的钢材以滚动为主的摩擦副。

是滚动轴承的主要破坏形式。

疲劳磨损的种类和机理表面萌生疲劳磨损表面萌生疲劳磨损裂纹发源在摩擦表面上的应力集中源，如切削痕等。

裂纹由表面出发以与滑动方向成2030度向表层内部扩展。

到一定深度后，分叉形成脱落凹坑，其断口比较粗糙。

这种磨损的裂纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速。

由于表层萌生疲劳破坏的边缘可以构成表面萌生裂纹的发源点，所以上述两种疲劳磨损同时存在。

疲劳磨损的种类和机理2鳞剥和点蚀磨损鳞剥和点蚀磨损按照磨屑和疲劳坑的形状，通常将表面疲劳磨损分为鳞剥和点蚀两种。

前者磨屑是片状，凹坑浅而面积大；后者磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深的麻点。

疲劳磨损机理在疲劳磨损的初期阶段是形成微裂纹，无论有无润滑油存在，循环应力起着主要作用。

裂纹萌生在表层或表面，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展其重要影响。

影响疲劳磨损的因素1载荷性质载荷性质载荷大小决定了摩擦副的宏观应力场，直接影响疲劳裂纹的萌生和扩展，通常认为是决定疲劳磨损寿命的基本因素。

同时载荷性质有巨大的影响。

2材料性能材料性能材料中的杂物破坏了基体的连续性，严重降低了接触疲劳寿命。

同时在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。

同时摩擦表面的粗糙度与疲劳寿命密切相关影响疲劳磨损的因素3润滑剂的物理与化学作用增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力，同时改变润滑剂的粘度数值可提高接触疲劳寿命腐蚀磨损定义：

摩擦过程中，金属与介质发生化学摩擦过程中，金属与介质发生化学或电化学反应而产生的表面磨损或电化学反应而产生的表面磨损腐蚀磨损的种类和机理影响腐蚀磨损的因素腐蚀磨损的种类和机理1氧化磨损当金属摩擦副在氧化性介质中工作时，表面所生成的氧化膜被磨料以后，又很快地形成新的氧化膜，氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程。

氧化磨损的大小取决于氧化膜连接强度和氧化速度。

对于钢材摩擦副而言，氧化反应与表面接触变形形态有关。

氧化磨损的磨屑是暗色的片状或丝状。

腐蚀磨损的种类和机理2特殊介质腐蚀磨损由于金属表面与酸、碱、盐等介质作用而形成腐蚀磨损。

比氧化磨损而言磨痕较深，磨损量较大。

腐蚀磨损的种类和机理3微动磨损微动磨损两个表面间由于振幅很小的相对运动而产生的磨损称为微动磨损。

在载荷作用下，相互配合表面的接触峰点形成粘着结点。

当接触表面受到外界微小振动，虽然相对滑动量很少，通常为0.05mm，不超过0.25mm，粘着结点将被剪切，随后剪切面渐渐被氧化而发生氧化磨损，产生氧化磨屑堆积在表面。

与此同时氧化磨屑起着磨料作用，是接触表面产生磨粒磨损。

微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主要因素。

微动磨损是粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损等各种形式的组合。

腐蚀磨损的种类和机理4气蚀气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤，通常发生在水泵零件、水轮机叶片等表面。

气蚀的机理是由于冲击应力造成的表面疲劳破坏，与此同时液体的化学和化学作用加速了气蚀的破坏过程。

影响腐蚀磨损的因素1氧化磨损载荷和滑动速度2微动磨损摩擦副材料、润滑油和载荷3气蚀设备的结果形状和材料的选择早期磨损分类1机械类机械类摩擦过程中表面的机器作用产生的磨损,包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等。

其中磨粒磨损是最普通的机械磨损形式。

2分子分子-机械类机械类由于分子力作用形成表面粘着接点，再经机械作用使粘着结点，再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损，即粘着磨损。

3腐蚀腐蚀-机械类机械类由介质的化学作用引起表面磨损，而摩擦中的机械作用加速腐蚀过程。

包括氧化磨损和化学腐蚀磨损N.B.克拉盖克拉盖尔斯基的磨斯基的磨损分分类方法方法1.表面的相互作用2.表面层的变化N.B.克拉盖克拉盖尔斯基的磨斯基的磨损分分类方法方法二、磨合和磨损计算二、磨合和磨损计算参考资料摩擦学原理，温诗铸、黄平著，清华大学出版社，2002年11月第2版摩擦学的分形，葛世荣、朱华著，机械工业出版社，2005年4月第1版摩擦磨损计算原理，苏N.B.克拉盖尔斯基等，机械工业出版社，1982年10月磨合和磨损计算磨合磨损计算磨损过程曲线图IIIII磨损过程曲线I阶段为磨合磨损阶段；阶段为磨合磨损阶段；II阶段为稳定磨损阶段；阶段为稳定磨损阶段；III为剧烈磨损阶段。

为剧烈磨损阶段。

磨损量磨损量QTime磨合磨合定义：

磨合是加工表面经过动态磨损达到稳定低磨损率之匹配表面的过程，磨合表面是摩擦副表面接触达到动态应力平衡状态的结果磨合的目的是消除运动副的不良接触，避免由于加工痕迹或安装质量造成接触表面的早期磨损、刮伤或失效磨合机理传统机理传统机理摩擦副表面微凸体材料塑性挤压、粘着磨损、磨粒磨损是磨合过程中的主要磨损形式。

与此同时，摩擦表面间的流体人化膜的建立、摩擦表面上保护膜的形成、表面接触特性的改善以及表面物、化性质的稳定，是磨合期间摩擦副表面发生变化的基本过程和类型磨合机理新的研究成果新的研究成果传统的粘着力里和分子-啮合理论忽略了摩擦动态过程中连续发生的物理的、化学的以及物理化学的过程。

新的磨损机理是在摩擦磨损过程中，由于物理、化学的作用，使摩擦面材料性能及其表层组织发生变化，将出现所谓二次组织。

二次组织具有与原始材料性能不同的新性能，其表面层的阻力、附着力和磨损机理，在外部因素的影响下也将不断发生变化。

从而说，由于摩擦时进行的物理、物理化学和机械过程的综合结果，使摩擦表面在磨合过程中导致二次组织层的产生，二次组织的特征和性能对摩擦副的耐磨性有着决定性的影响。

磨合数学模型磨合过程是一个复杂的过程，现还没有一个满意的数学模型三个磨合数学模型MasourosG模型（1977）磨合期磨合期张移山缸套磨合磨损数学模型从混合润滑和磨合动力学出发，在充分考虑磨合过程中表面形貌和乳化状态的变化以及和它们相关的许多因素的基础上，由混合润滑理论和Archard磨损模型建立的数学模型HuYZ磨合动力学模型把磨合过程看成是一个动力学系统的自适应和自调整的过程，即从非稳定状态收敛到平衡状态的过程。

考虑到磨合过程的主要磨损机理是磨粒磨损和粘着磨损，因此，根据Archard磨损公式和分子机械理论，建立磨合磨损动力学模型磨合过程的表面形貌2个小时后磨合图个小时后磨合图11个小时后磨合图个小时后磨合图磨合过程的表面形貌磨合过程的影响因素磨合过程