材料的摩擦与磨损性能.ppt

1、第八章第八章金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳第八章第八章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 机器运转时机件间因相对运动机器运转时机件间因相对运动产生的摩擦而磨损。产生的摩擦而磨损。磨损是降低机器和工具效率、磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因，也是造精确度甚至报废的原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约到二分之一，大约80%的机件失的机件失效是磨损引起的。效是磨损引起的。因此，研究磨损规律，提高机因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少件的耐磨性，对

2、节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。要意义。磨损概念磨损概念磨损过程磨损过程耐磨性及试验方法耐磨性及试验方法提高耐磨性的措施提高耐磨性的措施第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳1 磨损的基本概念磨损的基本概念一、摩擦一、摩擦两个相互接触的物体在外力作用两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动下发生相对运动或具有相对运动趋势，接触面上具有阻止相对运趋势，接触面上具有阻止相对运动或相对运动趋势的作用，这种动或相对运动趋势的作用，这种现象称为摩擦现象称为摩擦摩擦力同接触法向压力及摩擦系摩擦力同接触法向压力及摩擦系数成正比。数成正

3、比。Fp 二、磨损二、磨损机件表面相接触并作相对运动时，机件表面相接触并作相对运动时，由于摩擦使摩擦表面逐渐有微小由于摩擦使摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的化和质量损失，造成表面损伤的现象。现象。1.定义定义2.磨屑形成磨屑形成磨屑的形成是材料发生变形和断磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。裂的结果。静强度的基本理论也基本适用静强度的基本理论也基本适用于磨损过程分析。于磨损过程分析。1 磨损的基本概念磨损的基本概念磨损是发生在材料表面的局部磨损是发生在材料表面的局部变

4、形与断裂，这种变形与断裂是变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。一反复进行的，具有动态特征。一旦磨屑形成，该过程就转入下一旦磨屑形成，该过程就转入下一循环。循环。在磨损过程中材料还将发生一在磨损过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。如系列物理、化学状态的变化。如因表面材料的塑性变形引起的形因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变；因摩变硬化及应力分布的改变；因摩擦热引起的二次相变淬火、回火擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶等。及回复再结晶等。因外部介质产生的吸附和腐蚀因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。作用等都将影响材料的耐磨性能。3

5、.磨损曲线磨损曲线4.磨损的基本类型磨损的基本类型根据摩擦面损伤和破坏的形式根据摩擦面损伤和破坏的形式粘着磨损粘着磨损磨料磨损磨料磨损腐蚀磨损腐蚀磨损疲劳磨损（接触疲劳）疲劳磨损（接触疲劳）1 磨损的基本概念磨损的基本概念磨损类型在不同的条件下，可以发生转化磨损类型在不同的条件下，可以发生转化第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳2 磨损过程磨损过程一、粘着磨损一、粘着磨损(Adhesive Wear)1.定义定义粘着磨损是接触表面相互运动时，粘着磨损是接触表面相互运动时，因固相焊合作用使材料从一个表因固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成面脱落或转移到另一表面而形

6、成的磨损，又称咬合磨损。的磨损，又称咬合磨损。2.产生的条件产生的条件滑动摩擦滑动摩擦，相对，相对滑动速度较小滑动速度较小（钢小于（钢小于1m/s）缺乏润滑油缺乏润滑油摩擦摩擦表面无氧化膜表面无氧化膜单位法向载荷很大：单位法向载荷很大：接触应力接触应力超过实际接触点处的屈服强度超过实际接触点处的屈服强度3.粘着磨损过程及机理粘着磨损过程及机理表面局部凸起表面局部凸起载荷很小时，接触面局部应力载荷很小时，接触面局部应力很大，接触点发生塑性变形很大，接触点发生塑性变形若表面洁净，原子彼此接触很若表面洁净，原子彼此接触很近，产生粘着（冷焊）近，产生粘着（冷焊）2 磨损过程磨损过程相对运动产生剪切力，

7、导致粘相对运动产生剪切力，导致粘着点断裂，发生材料转移或磨屑着点断裂，发生材料转移或磨屑粘着、剪粘着、剪 切、再粘着的交替过程切、再粘着的交替过程就形成了粘着磨损。就形成了粘着磨损。4.分类分类按工作温度分：按工作温度分：低温粘着磨损（冷焊）低温粘着磨损（冷焊）高温粘着磨损（表面摩擦生热高温粘着磨损（表面摩擦生热温度升高使相接触的材料直接温度升高使相接触的材料直接焊合）焊合）按粘结点的强度和磨损程度分按粘结点的强度和磨损程度分a）涂抹：当较软金属的剪切强）涂抹：当较软金属的剪切强度小于界面强度时，度小于界面强度时，剪切断裂剪切断裂发生在较软金属的浅表层内，发生在较软金属的浅表层内，材料从软金属

8、材料从软金属 表面上脱落，又表面上脱落，又粘附粘附(涂敷涂敷)在硬金属的表面上。在硬金属的表面上。2 磨损过程磨损过程软材料表面出现微小的凹坑，硬软材料表面出现微小的凹坑，硬材料表面形成微小凸起，使摩擦材料表面形成微小凸起，使摩擦面变得粗糙。面变得粗糙。最终使不同材料的摩擦副滑动变最终使不同材料的摩擦副滑动变成同材料间的滑动，磨损增大，成同材料间的滑动，磨损增大，甚至产生咬死现象。如铅基合金甚至产生咬死现象。如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就同这种情况。就同这种情况。b）擦伤：当）擦伤：当界面强度大于两摩擦界面强度大于两摩擦材料基体的强度材料基体的强度时，时，

9、剪切断裂发剪切断裂发生在软材料的亚表层内，附在硬生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面金属表面 的粘着物，在摩擦表面的粘着物，在摩擦表面的滑动方向上将软材料的表面的滑动方向上将软材料的表面 划划伤，形成伤，形成细而浅的划痕细而浅的划痕，使摩擦，使摩擦表面破坏。表面破坏。c）刮伤：当）刮伤：当界面强度大于两摩擦界面强度大于两摩擦材料基体的强度材料基体的强度时，时，摩擦表面上摩擦表面上形成的粘着物使另一摩擦表面沿形成的粘着物使另一摩擦表面沿滑动方向产生滑动方向产生较深的划痕较深的划痕。d）胶合：在）胶合：在摩擦力和摩擦热的摩擦力和摩擦热的作用作用下，摩擦表面出现下，摩擦表面出现较深的划较深的划痕和凹

10、坑痕和凹坑的磨损。胶合是的磨损。胶合是擦伤和擦伤和撕脱联合作用的结果撕脱联合作用的结果。e）咬死：当摩擦表面形成牢固）咬死：当摩擦表面形成牢固的焊结结点时，的焊结结点时，外力克服不了结外力克服不了结点界面上的结合力点界面上的结合力，也不能使摩，也不能使摩擦面双方剪擦面双方剪 切破坏时，使摩擦切破坏时，使摩擦副双方没有相对滑动。副双方没有相对滑动。2 磨损过程磨损过程5.粘着磨损的共同特征粘着磨损的共同特征出现材料迁移以及沿滑动方向出现材料迁移以及沿滑动方向形成程度不同的划痕形成程度不同的划痕,机件表面机件表面有大小不等的结疤。有大小不等的结疤。6.磨损量的计算磨损量的计算在摩擦副接触处为三向压

11、缩应在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度为单向压缩屈服强度sc的三倍。的三倍。接触点真实面积为接触点真实面积为A，作用于，作用于表面上的法向力为表面上的法向力为F假定磨屑为半球形，直径为假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有任一瞬时有n个粘着点，所有粘个粘着点，所有粘着点尺寸相同，则着点尺寸相同，则2 磨损过程磨损过程设每一粘着点滑过距离设每一粘着点滑过距离d，则，则单位距离内粘着点数为单位距离内粘着点数为设粘着点成为磨屑几率为设粘着点成为磨屑几率为K，则单位距离内磨损体积则单位距离内磨损体积总的滑动距离总的滑动距离lt 内磨损体

12、积内磨损体积材料的粘着磨损量与所加法向载材料的粘着磨损量与所加法向载荷、摩擦距离成正比；与材料的荷、摩擦距离成正比；与材料的硬度或强度成反比，而与接触面硬度或强度成反比，而与接触面积大积大 小无关。小无关。n大部分粘结点不产生磨屑，即大部分粘结点不产生磨屑，即几率几率k 值远小于值远小于17.粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素1）材料组织与性能（内因）材料组织与性能（内因）2 磨损过程磨损过程（1）点阵结构：体心立方和面）点阵结构：体心立方和面心立方结构的金属发生粘着磨损心立方结构的金属发生粘着磨损的倾向高于密排六方结构。的倾向高于密排六方结构。（2）材料的互溶性：摩擦副材）材料的互溶性：摩

13、擦副材料的互溶性越大，粘着倾向越大。料的互溶性越大，粘着倾向越大。（3）组织结构：单晶体的粘着）组织结构：单晶体的粘着性大于多晶体；单相金属的粘着性大于多晶体；单相金属的粘着性大于多相合金；固溶体比化合性大于多相合金；固溶体比化合物粘着倾物粘着倾 向大。材料的晶粒尺向大。材料的晶粒尺寸越小，粘着磨损量越小。寸越小，粘着磨损量越小。（4）塑性材料比脆性材料易于粘）塑性材料比脆性材料易于粘着；金属着；金属/金属组成的摩擦副比金金属组成的摩擦副比金属属/非金属的摩擦副易于粘着。非金属的摩擦副易于粘着。2）工作环境（外因）工作环境（外因）（1）在摩擦速度一定时，粘着）在摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触

14、压力的增大而增磨损量随接触压力的增大而增加。一般情况下，应小于硬度加。一般情况下，应小于硬度的的1/3。（2）在接触压力一定的情况下，）在接触压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后，而增加，但达到某一极大值后，又随滑动又随滑动 速度的增加而减小。速度的增加而减小。（3）降低表面粗糙度，将增加）降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力。但粗糙度过抗粘着磨损能力。但粗糙度过低，反因润滑剂难于储存在摩低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促进擦面内而促进 粘着。粘着。2 磨损过程磨损过程（4）提高温度和滑动速度，粘着）提高温度和滑动速度，粘着磨损量增

15、加。磨损量增加。（5）良好的润滑状态能显著降低）良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。粘着磨损。二、磨粒磨损二、磨粒磨损(Abrasive Wear)1.概念概念:摩擦副的一方表面存在坚硬的细微摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面向存在硬质粒子凸起或在接触面向存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落从外界进入或从表面剥落)时产生时产生的磨损。的磨损。2.分类分类:1)按接触条件或磨损表面数量分按接触条件或磨损表面数量分（1）两体磨粒磨损：磨料直接）两体磨粒磨损：磨料直接作用于被磨材料的表面，磨粒、作用于被磨材料的表面，磨粒、材料表面各为一物体，如挫削材料表面各为一物体，如挫削过程。过程。（2）

16、三体磨粒磨损：磨粒介）三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。磨粒为一于两材料表面之间。磨粒为一物体，两材料为两物体，磨粒物体，两材料为两物体，磨粒可以在两表面可以在两表面 间滑动，也可以间滑动，也可以滚动，如抛光过程。滚动，如抛光过程。2 磨损过程磨损过程2）按磨料所受应力大小）按磨料所受应力大小（1）低应力划伤式磨粒磨损：磨）低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应力不超过磨料粒作用于表面的应力不超过磨料的压碎强度，材料表面为轻微划的压碎强度，材料表面为轻微划伤。伤。（2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨）高应力碾碎式磨粒磨损：磨粒与材料表面接触处的最大压应粒与材料表面接触处的最大压应力大于磨料的压碎强度，磨粒不力大于磨料的压碎强度，磨粒不断被碾断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球碎，如球磨机衬板与磨球等。等。（3）凿削式磨粒磨损：磨粒对）凿削式磨粒磨损：磨粒对材料表面有高应力冲击式的运材料表面有高应力冲击式的运动，从材料表面上凿下较大颗动，从材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如粒的磨屑，如 挖掘机斗齿、破挖掘机斗齿、破碎机锤头等。碎机锤头等。3）按材料的相对硬度分）按材料的相对硬度分（1）软磨粒磨损