材料力学性能第七章-金属的磨损

UMT 系列产品主要用于从 纳米、显微及宏观水平上 ，对各种材料，薄膜/涂层/ 改性层，固态或液态的润 滑层，润滑油和润滑剂的 力学、摩擦学研究及其评 价的测试系统。被测样品 可以是尺寸直径从纳米尺 度（如纳米碳管）到几百 德测精国试选布系版鲁统ppt克公司 UMT 系列多功能材料力学 毫米的任何形状物体。
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粘着磨损的基本过程
➢ 压力作用—塑性变形、局部温度升高—粘着（焊接） ➢ 摩擦力--撕脱、剪切—材料转移
➢ 粘着→剪断→转 移→再粘着
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2 重要特征： ➢ 转移膜、化学成分变化 ➢ 机件表面有大小不等的结疤
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粘着点强度与两摩擦 副强度相比
➢大于一方→相同金属 间滑动
➢低于两者→磨损量小 ➢大于两者
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3. 磨损量的计算
由阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨损量估算 方法计算可得总滑动距离内的粘着磨损体积为
V KFl t
9 sc
式中 l t ——总滑动距离；
sc ——单向压缩屈服强度；
K ——磨屑形成几率； δ ——材料的断后伸长率。
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铝合金材质的轴瓦，轴是灰铁材质。转速为300rpm。运行10 秒抱死,接触面有润滑油。最终判断为铝片进入导致。
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冲蚀磨损
➢ 定义：流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对 材料表面进行冲击所造成的磨损。
➢ 分类：气固冲蚀、流体冲蚀、液滴冲蚀和气蚀磨损 ➢ 现象：短程沟槽、冲蚀坑、微小裂纹 ➢ 塑性材料，短程微切削；脆性材料，裂纹形成与快速扩展 ➢ 影响因素：冲击角、粒子性态、材料硬度
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表面温度的影响
表面温度升高可使润滑 膜失效，使材料硬度下 降，摩擦表面容易产生 粘着磨损。
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上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出， 当表面温度达到临界值(约80℃)时, 磨损量 和摩擦系数都急剧增加。
润滑油、润滑脂的影响
在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润滑 油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能 力。
二、接触疲劳破坏机理 1. 麻点剥落（点蚀
磨损是一个复杂的系统工程
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机件正常运行的磨损过程
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（a）磨损量与 时间或行程关系曲线；
（b）磨损速率与 时间或行程关系曲线
3. 磨损的分类方法
粘着磨损 磨粒磨损
冲蚀磨损 疲劳磨损 微动磨损 腐蚀磨损
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§7.2 磨损模型
一、粘着磨损 1. 磨损机理 ➢定义：在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速 度较小（钢小于1m/s）时发生的， ➢原因：缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单 位法向载荷很大，σ接触＞σs又称咬合磨损
5
11
6
7
1－砂量调节杆 2－砂斗 3－进砂管 4－电阻炉 5－砂气混合室 6－排气管 7－试样 8－载气预热管 9、11－热电偶 10－喷管
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GW/CS－MS装置结构简图
43
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§7.4 金属接触疲劳
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一、接触疲劳现象与接触应力
1. 接触疲劳
➢ 定义：机件两接触面作滚动或 滚动加滑动摩擦时，在交变接 触压应力长期作用下，材料表 面因疲劳损伤，导致局部区域 产生小片或小块状金属剥落而 使材料损失的现象
V K Fl tan
H
磨粒磨损量与法向力、摩擦距离成正比与材料硬度
成反比，与硬材料凸出部分和磨粒形状有关
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3. 影响因素
➢ 硬度
与H/E成比例
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➢断裂韧度
硬度和KIC配合最佳时，耐磨性最高
➢ 显微组织
组织硬度、细化晶 粒、加工硬化
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磨粒硬度对磨损的影响
➢ I区：Ha<H，磨损量最小 ➢ II区： Ha≈H，过渡区，
sliding time/s
摩擦系数变化
➢ 技术指标： 1.接触形式：线接触 2.磨损方式：纯滑动磨损 3.加载方式：砝码、杠杆加载 （杠杆比1:10） 4.载荷范围：10kg-500kg 5.主轴转速：100-1440转/分， 无级调速
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MHK-500型环块磨损试验机
主轴转速 ： 60r/min ～ 12000r/min
尺寸法：根据表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损 量。为了便于测量，在摩擦表面上选一测量基准，借助长 度测量仪器及工具显微镜等来度量摩擦表面的尺寸。
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§7.3 磨损试验方法
还要测量什么？
➢ 摩擦系数 ➢ 摩擦副、润滑材料 ➢ 不同载荷形式、载荷大小、速度、温度、介质
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磨损量
K/10-14
4. 影响因素
➢材料特性 塑性材料、互溶性大的材料、单相金属、固溶体、 金属与金属摩擦副
➢法向力 在V滑动一定时，F↑、V↑。F＞1/3H，V ↑ ↑
➢滑动速度 在F一定时， V滑动↑、V先↑后↓
➢表面粗糙度、表面温度以及润滑状态
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硬度及载荷的影响
粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，
5. 改善粘着磨损耐磨性的措施
➢ (1) 选择粘着倾向较小的摩擦副配对材料 互溶性小、表面易形成化合物、金属与非金属配对
➢ (2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态 渗硫、渗氮、磷化、氮碳共渗等。
➢ (3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力 ➢ (4)改善润滑条件，增强表面氧化膜稳定性
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二、磨粒磨损
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8.3 磨损试验方法
2. 磨损试验机
圆盘—销式 磨损试验机
滚子式磨损 试验机
往复运动式 磨损试验机
滚子式磨损 32 试精验选机版ppt
砂纸磨损试 验机
切入式磨损 试验机
8.3 磨损试验方法
3. 磨损量的测量
称重法：根据试样在试验前后的重量变化，用精密分析天 平称量，来确定磨损量。它适用于形状规则和尺小的试样 和在摩擦过程中不发生较大塑性变形的材料。
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§ 8.3 磨损试验方法
1. 磨损试验方法
零件磨损试验：以实际零件在机器实际工作条件下进行 试验。试验具有真实性和可靠性，但其试验结果是结构， 材料、工艺等多种因素的综合表现，不易进行单因素的 考察 。
试样磨损试验：将欲试验的材料加工成试样，在规定的 试验条件下进行试验，它一般多用于研究性试验，可以 通过调整试验条件，对磨损某一因素进行研究，以探讨 磨损机制及其影响规律。
如图所示，K/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系。
当载荷值超过材料硬度值的1/3时，磨损急剧增加，严重时 咬死。 因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。
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速度的影响
在压力一定的情况下， 粘着磨Байду номын сангаас随滑动速度 的增加而增加，在达 到某一极大值后，又 随着滑动速度的增加 而减少。下图为摩擦 速度不太高的范围内， 钢铁材料的磨损随摩 擦速度、接触压力的 变化规律。
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腐蚀磨损
➢ 定义：在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介 质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成 和脱落引起腐蚀磨损。
➢ 分类：氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损
微动磨损
➢ 定义：接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运 动而产生的磨损。
➢ 特征：嵌合和紧配合处，微小滑动
油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下， 吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直 接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。
极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表 面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜， 防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下而引起的粘着现象。
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直线关系
➢ III区：Ha>H，磨损量较 大, 1.3~1.7
➢ III区：硬度是控制因素
➢ I区：通过表面严重变形， 疲劳而发生，硬度是次要 因素。
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4. 改善磨粒磨损耐磨性的措施 ➢(1) 增加材料硬度 ➢(2) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料 ➢(3) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理 ➢(4) 经常注意机件防尘和清洗
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线接触：
➢ 假设两圆柱体的半径分别为 R1、R2，长l，线接触→面接 触（面积2bl）
➢ 弹性力学，接触压应力沿y轴 按半椭圆柱规律分布，y=0处， 达到最大值：
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zma x 0.418Fl ERR 11RR 22
zy 45
z
2
y
zx 45
z
2
x
yx 45
y
2
x
沿Z轴，z 0.786b,zy45达最大值
zy45max(0.3~0.33)zmax
脉动切应力
沿接触深度的主应力和最大 切应力分布
Z 轴周 z0 边 .5 b ,y ， 0 .8b ,5 0m a0 .x 2 5zm 6， ax
对 精选版p称 pt 循环切应力
点接触：
➢ 接触面可能是椭圆或圆 ➢ 椭圆时，接触应力按半椭圆球
规律分布
➢ 对于半径为R的圆球和平面的点 接触，接触圆半径：
0.78b6,zy45达最大值
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接触压应力：表面最大，沿z减小 切应力：表层下（0.786b
或0.5b） τyz45°或τ0
塑性变形
存在滑动摩擦，切向力+主切应力→最大综合切 应力移向表面
μ=0.1，移到表面。（麻点）
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橡胶轮磨粒磨损试验
序号 试验条件
材料或参数
1 橡胶轮材料
氯丁橡胶
2
磨料
50-70目石英砂
3 轮缘速度 140m/min
4 摩擦行程
1000转， 550-660m
5 载荷压力
130N
6
试样尺寸
50×75×10m m3
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冲蚀磨损试验
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高温冲蚀磨损试验
1 2 8 3
9
4
10
越小，耐磨性越高。 ➢磨损量： 线磨损；体积磨损；质量磨损。
➢相对耐磨性：
标准试样的磨损量
被测试样的磨损量
➢摩擦系数
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friction coefficuent
磨痕轮廓线
0.45
0.40
MAO films
0.35
0.30
Ti-alloy
0.25 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
主轴转速示值准确度： ± 2r/min
高温炉温度范围： 室温～ 800℃；
高温炉密封性能： 在连续充入氮气（纯度
99.9%以上）的条件下，炉内 氧气含量应能达到1%以下。 最大负荷：
2000N
销盘式摩擦磨损试验机(MPX-2000 型)
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四球摩擦试验机
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该机主要是以滑动摩擦的 形式，在极高的点接触压 力条件下评定润滑剂的承 载能力。包括最大无卡咬 负荷PB、烧结负荷PD、 综合磨损值ZMZ等三项指 标。该机还可以做润滑剂 的长时抗磨损试验，测定 摩擦系数，记录摩擦力和 温度曲线。
1. 磨粒磨损机理
➢ 定义：当摩擦副一方表面 存在坚硬的细微突起，或 者在接触面之间存在着硬 质粒子时所产生的一种磨 损。
➢ 两体磨粒磨损 ➢ 三体磨粒磨损
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磨粒磨损的分类
根据磨粒所受应力大小不同：
➢ 凿削式磨粒磨损
➢ 高应力碾碎性磨粒磨损
➢ 低应力擦伤性磨粒磨损
根据磨粒硬度与被磨材料硬度相对关系：
➢ 硬磨粒磨损
➢ 软磨粒磨损
TiN涂层人工膝关节
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磨粒磨损的特征
➢ 特征：明显犁皱形成的沟槽 ➢ 剪切、犁皱或切削 ➢ 韧性材料，连续屑；脆性材料
，断屑 ➢ 在碾碎性磨粒磨损时，集中压应
力，塑性变形或脆性断裂 ➢ 磨粒磨损过程
切削作用，塑性变形和疲劳破坏 作用或脆性断裂
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2. 磨损量的估算
第七章 金属磨损和接触疲劳
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金属的磨损与接触疲劳
机器运转
运动副摩擦
表面磨损
磨损是降低机器工作效率、准确度甚至使其报废 的一个重要原因，同时也增加了材料的消耗。因 此，生产上总是力求提高零件的耐磨性，从而延 长其使用寿命。
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主要内容
磨损的概念
磨损的模型 磨损试验方法
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➢形态特征：小针状或痘状凹坑， 贝精壳选状版ppt
➢ 根据剥落裂纹起始位置及形态不同，分为：
➢ (1) 麻点剥落（点蚀）
➢ (2) 浅层剥落
➢
(3) 深层剥落（表面压碎）
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2. 接触应力
➢ 两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称为 接触应力，也称为赫兹应力。
➢ 线接触（齿轮）与点接触（滚珠轴承）
金属接触疲劳
§7.1 磨损概念
一、（摩擦）磨损 1. 定义 ➢机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐分离 出磨屑，使表面材料逐渐流失、造成表面损伤的 现象。
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飞机起落架
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高性能炭/炭航空制动材料的制备技术 黄伯云：国家技术发明奖一等奖
2. 影响因素
➢ 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性 （方式和速度）以及工作温度。