第十一章金属的磨损与接触疲劳

外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动 （一般小于100μm），此时接触表面间产生大 量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称 为微动磨损。
微动以三种方式对构件造成破坏；
如在微动磨损过程中，两个表面之 间的化学反应起主要作用时，则称 微动腐蚀磨损。如果微动表面或次 表面层中产生微裂纹，在反复应力 作用下发展成疲劳裂纹，称为微动 疲劳磨损。
ε 11.3 磨损试验方法
（11-1）
11.4 磨损机制及影响因素
11.4.1 粘着磨损 粘着磨损又称擦伤，咬合磨损。由于零件表面 某些接触点在高的局部压力下发生粘合，在相 互滑动时，粘着点又被剪切分开，接触面上有 金属磨屑被拉拽出来，这种过程反复进行很多 次，便导致了表面的损伤。
形成机理：
由于表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一 定载荷作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏， 两摩擦表面金属直接接触形成粘结点（固相焊合）；摩擦热 产生使接触点处熔化和熔合（热磨损）。 由于粘着点与摩擦副双方材料机械性能的差别，当粘着部分 脱离时，可能出现两种情况：⑴外部粘着；粘着点的结合强 度比摩擦副双方材料的强度低时，从粘着点分界面脱离，机 体内部变形小，没有明显粘着现象。气缸壁与活塞环润滑不 良时，将或多或少产生此种磨损； ⑵内部粘着；粘着点的 结合强度比摩擦副的一方强度高，此时脱离面发生在原子结 合力较弱的金属内部，大块磨粒从基体被撕裂后而导致粘着 磨损。发动机的拉缸、抱瓦等。
表面被划伤
磨料硬度的影响
材料的硬度：
为减少磨损当 材料表面硬度 是磨粒硬度的 1.3 倍 时， 磨 损 量是最小的。
磨料尺寸的影响

磨料尺寸增大， 磨损量增加，但 当尺寸增加到一 定值后，磨损量 不再增加，过大 的磨粒可以凸出 于表面，起到阻 止其它磨料对表 面进行显微切削 的作用。
特点
普遍存在于机件中； 磨损速度较大，0.5～5
11.5 接触Байду номын сангаас劳
接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等 类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引起的 一种表面疲劳现象。
11.5.1 接触应力概念
两物体相互接触时，在表面上产生的局部压力叫 做接触应力，一般出现如下两种情况： (1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、 圆柱与平面接触) (2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承)
⑵油楔理论－裂纹起源于摩擦表面（滚动带滑动接触）


在滚动带滑动的接触过程中 （如齿轮啮合面），由于外 载荷及表层的应力和摩擦力 的作用，引起表层或接近表 层的塑性变形，使表层硬化 形成初始裂纹，并沿着与表 面呈小于45°的夹角方向扩 展。 形成油楔，裂纹内壁承受很 大压力，迫使裂纹向纵深发 展。裂纹与表面层之间的小 块金属犹如一承受弯曲的悬 臂梁，在载荷的继续作用下 被折断，在接触面留下深浅 不同的麻点剥落坑，深度 0.1~0.2mm。
11.2.3 耐磨性评价 表示磨损量的方法很多，可用摩擦表面法向尺寸减少 量来表，称为线磨损量；也可用体积和重量法来表示， 分别称为体积磨损量和重量磨损量。由于上述磨损量是 摩擦行程或时间的函数，因此，也可用耐磨强度或耐磨 率表示其磨损特性，前者指单位行程的磨损量，单位为 μm/m或mg/m;后者指单位时间的磨损量,单位为μm/hr或 mg/hr。还经常用磨损量的倒数和相对耐磨性（ε）表示 所研究材料的耐磨性。
失效原理：表面疲劳磨损是疲劳和摩擦共同 作用的结果，其失效过程可分为两个阶段： ⑴疲劳核心裂纹的形成； ⑵疲劳裂纹的发 展直至材料微粒的脱落。 对表面疲劳磨损初始裂纹的形成，有下述几 种理论： 最大剪应力理论 － 裂纹起源于次表层； 油楔理论 － 裂纹起源于摩擦表面；（滚动带 滑动的接触） 裂纹起源于硬化层与芯部过度区；
第十一章
金属的磨损与接触疲劳
11.1 前言
任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相
对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的
结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件 尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。
11.2 摩擦及磨损的概念
11.2.1 摩擦 两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力 作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势 时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这 种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。摩擦力的方向 总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向 相反，阻碍物体间的相对运动。摩擦力(F)与施加在 摩擦面上的法向压力(P)之比称为摩擦系数，以μ表 示，即μ=F/P。
微动磨损通常发生在静配合的轴和孔表 面、某些片式摩擦离合器内外摩擦片的 结合面上，以及一些受振动影响的连接 件（如花键、销、螺钉）的结合面上。 微动磨损造成摩擦表面有较集中的小凹 坑，使配合精度降低。更严重的是在微 动磨损处引起应力集中，导致零件疲劳 断裂。
3· 影响因素
材料的性能； 滑动距离、载荷； 相对湿度；
μm/h
防止措施
提高表面硬度（从选材方面）；
减少磨粒数量（从工作状况方面）。
耐磨材料及应用
常用耐磨材料与应用 (1) 常用耐磨料磨损材料:
1)低合金钢：
耐磨性中等，且耐磨性随硬度增加而增加。 2)工具钢： 含碳量及碳化物起主要作用，高合金钢（高速钢、 高铬钢等）优于低中合金钢。
3)锰钢系列：
相对湿度
微动磨损量随相对
湿度的增加而下降。 相对湿度大于50%以 后，金属表面形成 Fe2O3.H2O薄膜，它 比通常Fe2O3软，因 此随着相对湿度的 增加，则微动磨损 量减小。
振动频率和振幅
在大气中振幅很小
（0.012mm）时，钢 的微动磨损不受振动 频率的影响； 振幅较大时，随着振 动频率的增加，微动 磨损量有减小的倾向。 当振幅超过 50~150μm时，磨损 率均显著上升。
11.4.2 磨料磨损
磨料磨损是指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦 过程中，使材料表面发生磨耗的现象。这种磨粒或 凸出物一般指石英，砂土，矿石等非金属磨料，也 包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦面而形成 的磨粒。
磨料磨损的失效机理（假说）
以微量切削为主的假说； 塑性金属 同固定的磨料摩擦时：磨屑呈螺旋形、 弯曲形等； 在金属表面内发生⑴塑性挤 压、 形成擦痕； ⑵切削金属， 形成磨屑；
11.5.2 接触疲劳类型和损伤过程
接触疲劳破坏分为点蚀、浅层剥落、深层剥落三种 主要类型。
(1)点蚀 通常把深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落叫做 点蚀。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。
(2)浅层剥落 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。
(3)深层剥落 这类剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一般 发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。
振动频率和振幅；
温度。
材料的性能
一般来说，抗粘着磨损性能力
大的材料也具有良好的抗微动 磨损性能。
滑动距离、载荷

紧配合接触面间相对 滑动距离大，微动磨 损就大。滑动距离一 定则微动磨损量随载 荷的增加而增加，但 超过一定载荷后，磨 损量将随着载荷的增 加而减少；可通过控 制预应力及过盈配合 的过盈量来减缓微动 磨损。
以断裂为主的假说针对脆性材料，以 脆性断裂为主； 磨料压入和擦划金属表面， 压痕处的金属产生变形，磨料压入的深度 达到临界深度时，随压力而产生的拉伸应 力足以使裂纹产生。 裂纹主要有两种形式， 垂直表面的中间裂纹和从压痕底部向表面 扩展的横向裂纹。
金属表面 发生局部 塑性变形
磨粒嵌入金属 表面，切割金 属表面
介质含氧量对氧化磨损的影响
介质含氧量直接影响磨损率，金属在
还原气体、纯氧介质中，其磨损率都 比空气中大，这是因为空气中形成的 氧化膜强度高，与基体金属结合牢固 的关系。
润滑条件对氧化磨损的影响
润滑油膜能起到减磨和保护作用，减缓氧化膜
生成的速度。 但油脂与氧化反应生成酸性氧化物时则会腐蚀 摩擦表面。 生产中有时利用危害性小的氧化磨损来防止危 害性大的粘着磨损。如汽车后桥采用双曲线齿 轮传动，因双曲线齿轮副接触应力较大，极易 产生早期粘着磨损。在润滑油中加入中性极压 添加剂，使油膜强度提高。

⑴最大剪应力理论 － 裂纹起源于次表层



裂纹的产生一般是由于切应 力作用下因塑性变形而引起。 纯滚动时，最大剪切应力发 生在表层下0.786b（b为接触 宽度之半）处，即次表层内， 在载荷反复作用下，裂纹在 此附近发生，并沿着最大剪 切应力方向扩展到表面，形 成磨损微粒脱落，磨屑形状 多为扇形，在“痘斑”状坑 点。 当除纯滚动接触外，还带有 滑动接触式，最大剪切应力 的位置随着滑动分量的增加 向表层移动，破坏位置随之 向表层移动。
典型为 ZGMn13 ，高韧性，必须用于能产生强烈加工
硬化的工况，其耐磨能力和强韧性才能得到充分发挥。
4)铬镍白口铸铁：
用于冲击负荷不大、韧性要求不高而耐磨性要求较高
场合。
5)硬质合金：
镶嵌或焊接于钢基体，如用于破岩工具。
11.4.3 腐蚀磨损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应， 形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨 损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐 蚀和机械磨损。
局部接触
接触面积小 应力大 粘着处 被撕掉
润滑油膜、 氧化膜被挤 破 金属表面被划伤或 者金属屑粒脱落
局部粘着 （冷焊）
特点


在滑动摩擦条件上产生； 摩擦副的两种金属力学性能相 差不大； 磨损速度大， 10 ～ 15μm/h ，破 坏严重。
防止措施
合理选材，摩擦幅配对材料选
用硬度差较大的异类材料； 提高表面硬度； 合理设计减小接触压应力； 减小表面粗糙度。
滑动速度和接触载荷对氧化磨损的影响
氧化磨损量随滑动速度的变化而变化。