金属磨损和接触疲劳

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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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11三.4、.3 腐腐蚀蚀磨磨损损
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。
各类金属零件中经常见到的是氧化磨损。摩擦状态下氧化反 应速反比未受变形时的速度快。
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▪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。 本章主要内容： ▪摩擦磨损形式及磨损机理； ▪影响磨损速率的因素； ▪控制磨损的途径； ▪接触疲劳类型及破坏机理； ▪影响接触疲劳抗力的因素。
▪转移的碎屑脱落下来形成 磨屑。
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▪ 2.磨损量的估算
V KFlt KFlt
9 sc
H
K 磨屑形成几率
F 作用于表面的法向力
lt 总滑动距离
系数
H 材料硬度（较软的一方的硬度）
▪粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软 方材料的压缩屈服强度（或硬度）成反比，而与表观接 触面积无关。
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§7.3 磨损实验方法
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§7.4 金属接触疲劳
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。接触疲劳的宏观形态特征是在接触表 面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝 壳状，有疲劳裂纹发展线的痕迹。
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▪ 4.改善粘着磨损耐磨性的措施 ▪首先注意摩擦副配对材料的选择：其基本原则是配对材 料的粘着倾向应比较小。如选用互溶性小的材料配对； 选用表面易形成化合物的材料配对；金属与非金属材料 配对；选用淬火钢或淬火钢与灰铸铁配对。 ▪采用表面化学热处理改变材料表面状态：通过表面化学 热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工 艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物， 含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小 粘着磨损。 ▪控制摩擦滑动速度和接触压应力。
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7.4.1 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)。
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▪当作用于磨粒上的应力不超过磨粒的破坏强度时，产生低 应力擦伤式磨损。
▪共性：表面有沟槽。
图 磨粒磨损表面形貌
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影响因素
1.材料的硬度 (1)退火状态的工业纯金属和退火钢的相对耐磨性 与硬度成正比。 (2)经过热处理的钢，其耐磨性随硬度的增加而增 加，但比未经热处理的钢，相对耐磨性增加的速度 要慢一些。
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2.材料的显微组织 （1）基体组织 耐磨性按铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的顺序
递增。片状珠光体耐磨性高于球化体。 相同硬度下，等温淬火组织的耐磨性比回火马氏体
要好。 残余奥氏体也影响磨损抗力。 （2）第二相 在较软的基体材料中，增加碳化物数量、减小其尺
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图 粘着磨损表面形貌
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▪接触面凸起因塑性变形被 碾平，并在接触面之间形 成剪断强度高的分界面。
▪在摩擦副一方金属远离分 界面内发生断裂，从该金 属上脱落下碎屑并转移到 另一方金属表面。
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二、耐磨性
▪耐磨性是材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示耐磨
性，磨损量越小，耐磨性越高。
▪表示磨损量的方法：用摩擦表面法向尺寸减少量来表，
称为线磨损量；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；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。
寸对改善耐磨性有利。但在硬基体（基体硬度与碳 化物硬度相近）中，碳化物反而损害材料的耐磨性。
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(3)加工硬化的影响 右 图表示加工硬化对低应 力磨损试验时耐磨性的 影响。因塑性变形而加 工硬化的材料虽然提高 了材料的硬度值，但却 没行使耐磨性增加。 在低应力磨损时，并不 能依靠加工硬化来提高 表面的耐磨性。如果是 在高应力冲击加载条件 下，表面会因加工硬化 而使硬度升高，其耐磨 性也随之增加。
▪(2)稳定磨损阶段(ab段)。经过跑合阶段，接触表面进一 步平滑，磨损已经稳定下来，磨损量很低，磨损速率保 持恒定。
▪(3)剧烈磨损阶段(b点以后)。随着时间或摩擦行程增加， 接触表面之间间隙逐渐扩大，磨损速率急剧增加，摩擦 副温度升高，机械效率下降，精度丧失，最后导致了零 件完全失效。
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▪ 3.影响因素 ▪材料特性：塑性材料比脆性材料易于粘着；互溶性大的 材料(相同金属或品格类型、点阵常数、电子密度、电化 学性质相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向大；单相金属 比多相金属粘着倾向大；化合物比固溶体粘着倾向小； 金属与非金属组成的摩擦副比金属与金屑的摩擦副不易 粘着；当摩擦副是由容易产生粘着材料组成时，则磨损 量大。 ▪载荷与滑动速度：载荷越大，粘着倾向越高；载荷一定， 提高滑动速度，粘着倾向降低；表面光滑，粘着倾向下 降；温度：温度升高，粘着倾向上升；润滑：粘着倾向 大大下降。
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7.4.2 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。
在滚动接触过程中(实际条件下尚应有滑动)，由于表面最大综合 切应力反复作用，在表层局部区域产生塑性变形，同时必伴有形变 强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切应力超过材料的抗 剪强度时，就在表层形成型纹。裂纹形成后，润滑油挤入裂纹。在 连续滚动接触过程中，润滑油反复压入裂纹内并被封闭。封闭在裂 纹内的高压油，以较高的压力作用于裂纹内壁，使裂纹沿与滚动方 向成小于45度倾角向前扩展。在纯滚动条件下，裂纹扩展方向与最 大切应力方向一致；有滑动摩擦时，倾角减小，摩擦力越大，倾角 越小。当裂纹扩展到一定程度后，因尖端有应力集中，故在该处产 生二次裂纹。二次裂纹与初始裂纹垂直，其中也有润滑油。二次裂 纹也受高压油作用而不断向表面扩展。当二次裂纹扩展到表面时， 就剥落下一块金届而形成一凹坑。
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一、粘着磨损
▪1.磨损机理 ▪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。
▪磨损过程机理解释：实际材料表面不可能是完全平整的， 总存在着可以检测的粗糙度。当两个相互作用的表面接 触时，其真正的接触仅在少数几个孤立的微凸体顶尖上； 出现了粘着-剪断-再粘着-再剪断的循环过程。因此，粘 着磨损过程就是粘着点不断形成又不断被剪断的过程。
氧化磨损在各类摩擦过程、各种摩擦速皮和接触压力下都会 发生，只是磨损程度有所不同。和其它磨损类型比较，氧化磨 损具有最小的磨损速度，也是生产中允许存在的一种磨损形态。 在生产中，总是多方面创造条件使其它可能出现的磨损形态转 化为氧化磨损，以防止发生严重的粘着磨损。
氧化磨损速率主要取决于所形成的氧化膜性质和它与基体的 结合强度，同时也和金属表层的塑性变形抗力有关。若形成的 氧化膜是脆性的，它与基体结合的抗剪切能力差，则氧化膜易 被磨损。能否保证较低的氧化磨损量取决于氧化物的硬度与基 体材料硬度的比值。
▪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。
标准试样的磨损量
被测试样的磨损量
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§7.2 磨损模型
▪磨损模型又称为磨损机制，是指在磨损过程中材料是如何 从表面破坏和脱落的，包括： ▪磨损过程中接触表面发生的物理、化学变化； ▪力学方面的变化如力的分布、大小和方向及其在表层和次 表层发生的作用； ▪磨屑的形成和如何从接触面脱落的。 ▪研究磨损机制和类型有利于根据不同失效类型采取相应的 技术对策，以降低磨损，因而有着重要的实际意义。
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§7.1 磨损概念
一、磨损
▪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。 ▪磨损和摩擦是物体相互接触并作相对运动时伴生的两 种现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。 磨损是多种因素相互影响的复杂过程，而磨损的结果将 给摩擦面带来多种型式的损伤和破坏，因而磨损的类型 也就相应地有所不同。
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▪(1)跑合阶段(oa段)。开始，摩擦表面具有一定的粗糙度， 真实接触面积较小，故磨损速率很大。随着表面逐渐被 磨平，真实接触面积增大，磨损速率减慢。
通常发生于有微量振动 飞机操纵杆 的接触表面上，伴有腐 的花键、销 蚀过程产生的氧化碎屑。 子
接触 疲劳
两接触表面滚动或重复接 触，由于载荷作用使表面 产生变形，导致裂纹产生 而造成剥落。
无论有无润滑，表层或 齿轮、滚动 次表层在接触应力反复 轴承 作用下，产生麻点剥落。
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类型
内容
特点
举例
粘着 磨损
摩擦副相对运动时，由于 接触表面直接粘着，在随 后摩擦过程中粘着点被拉 拽下来。
发生在无润滑和氧化膜 缺少及滑动速度不大的 情况下，粘着点被剪切 破坏。
内燃机活塞 壁与缸体的 摩擦
磨料 因硬颗粒或凸出九江学院材料科学与工程学院 杜大明
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二、磨粒磨损
▪1.磨损机理 ▪定义：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。 ▪根据磨粒所受应力大小不同，磨粒磨损可分为凿削式磨粒 磨损、高应力辗碎式磨损和低应力擦伤式磨损三类。 ▪凿削式磨粒磨损时，从材料表面上凿削下大颗粒金属，摩 擦面有较深的沟槽。 ▪若磨粒与摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度， 则磨粒不断被碾碎，并产生高应力辗碎式磨损。
脱落。
发生于各种压力和滑动 速度，磨料作用于表面 而破坏。
农业机械、 矿山机械
腐蚀 在摩擦过程中，金属同时 磨损 与周围介质发生化学或电
化学反应而使材料损失。
有化学或电化学反应的 曲轴轴颈的
表面腐蚀破坏。
氧化磨损
微动 磨损
两接触表面由于承受周期 性的、幅度极小的相对运 动使之发生粘着、腐蚀和 表面的剥落。