材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能
第六章 高分子材料的磨损性能
CH3 CH2 C O + CH CH
高分子材料性能学
HC CH2 CH2 C O O
CH3
异构化
25
高分子材料性能学
摩擦力作用下，交联橡胶的中S-S交联键断裂， 并与氧作用
CH3 H
CH2 C CH C
S
+ O2
CH3 H
CH2 C CH C
SOO
表面层的氧化降解和热降解，降低了强度性能， 加速了磨损
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高分子材料性能学
(2).载荷
正压力较低时摩擦系数随增压力增加而减小； 正压力较高时，摩擦系数变化不大
20
(3).滑动速度与温度
PE
硅橡胶
PS PMMA
尼ห้องสมุดไป่ตู้66
高分子材料性能学
21
(4).摩擦环境的影响
高分子材料性能学
摩擦环境决定了摩擦形式和磨损程度
干摩擦是两个完全干净表面间的摩擦，摩擦系数很大
湿摩擦是两摩擦表面间存在水或润滑剂等液体的摩擦， 摩擦系数较低，磨损率也较低
摩擦过程中高分子材料与周围介质发生化学反应而产生 的表面损伤称为侵蚀磨损，包括氧化磨损和特殊介质磨损
22
高分子材料性能学
（5） 填充的影响 在高分子材料中填充一些能降低摩擦系数的液态或固 态的润滑材料，可以有效的降低材料的摩擦系数。
耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示。 磨损量愈小，耐磨性愈高。 磨损量的测量有称重法和尺寸法两种：
称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化 确定磨损量。
尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。
17
高分子材料性能学
比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量
材料性能与测试
重量法
通过测量材料在腐蚀介质 中的重量变化来评估其耐 腐蚀性能。
深度法
测量材料腐蚀后的深度或 厚度变化来评估耐腐蚀性 能。
电化学方法
利用电化学原理测量材料 的腐蚀电流、电位等参数 来评估耐腐蚀性能。
抗氧化性能评估方法
热重分析法
通过测量材料在高温下的重量变化来 评估其抗氧化性能。
化学分析法
通过分析材料氧化后的产物来评估其 抗氧化性能。
压缩、弯曲和剪切试验方法
压缩试验
压缩试验主要测定材料在轴向压力作用下的力学行为，试样破坏时的最大压缩载荷除以试 样的横截面积，称为压缩强度或抗压强度。
弯曲试验
弯曲试验是测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，试样在弯曲过程中外层受到拉伸 ，内层受到压缩，在其横截面上存在着一个既不受拉，又不受压的应力为零的纤维层，称 为材料的中性层。
其他化学性能测试技术
01
02
03
04
光谱分析法
利用光谱原理分析材料的化学 成分和结构来评估其性能。
质谱分析法
通过质谱仪测量材料的质谱图 来评估其化学成分和性能。
核磁共振法
利用核磁共振原理测量材料的 分子结构和化学环境来评估其
性能。
X射线衍射法
通过X射线衍射仪测量材料的 晶体结构来评估其性能和组成
。
人工智能在材料性能测试中应用
01
数据处理
利用人工智能技术处理大量实验 数据，提取有用信息，提高数据 处理效率。
智能预测
02
03
优化设计
基于机器学习算法，建立材料性 能预测模型，实现对材料性能的 快速预测。
利用人工智能技术优化材料设计 方案，提高材料性能和使用寿命 。
第六章 高分子材料的磨损性能
高分子材料性能学
磨粒磨损示意 (金属与橡胶间）
13
p (3 sc )r 2 Hr 2
W r 2L tan
W PL tan PL tan
3 sc
H
高分子材料性能学
14
(3)疲劳磨损
在交变应力作用下，橡胶与 金属表面微凸接触点处受到周期 性变化的应力作用，在相对运动 中，刚性微凸使橡胶材料表面发 生多次压缩、拉伸、剪切变形， 当应力循环次数达到一定时产生 疲劳裂纹，进而 扩展形成磨屑。
滚动摩擦示意
滚 动 摩 擦 系 数 μ
滚动速度v(m/s)
低v，与载荷（W）无关；中等v，μ正比于W1/3; 高v， μ正比于W1/2
8
6.2 磨损
高分子材料性能学
①反复进行局部变形和断裂 ②材料表层经过每次循环后总要变到新的状态 磨损三个阶段：
① 跑合（磨合）阶段 ② 稳定磨损阶段 ③ 剧烈磨损阶段
高分子材料性能学
第六章 高分子材料的磨损性能
1
主要内容:
磨损的基本概念及类型； 磨 损 过 程； 耐磨性及其测量方法； 影响磨损的因素 摩擦磨损中的表面力化学反应
高分子材料性能学
2
高分子材料性能学
6.1 磨损的基本概念及类型
一、摩擦与磨损的概念 1．摩 擦 接触物体间阻碍运动的现象，阻力称为摩擦力 2．磨损 在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出 磨屑从而不断损伤的现象。静强度理论基本适合于磨 损过程分析
3
1.优点:
高分子材料的磨损
1)抗划伤能力(柔性大,硬度小)
高分子材料性能学
2)聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。
3)高弹性又可在接触表面产生变形而不发生切削犁沟式损伤 4)就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金 属配对的摩擦副
材料的磨损与摩擦性能评价
材料的磨损与摩擦性能评价磨损和摩擦性能评价是材料工程领域中非常重要的研究方向之一。
磨损是指材料表面因摩擦或其他力的作用而逐渐减少或丧失的现象，而摩擦性能则是指材料在与其他物体接触时，所表现出的摩擦特性。
本文将探讨材料磨损和摩擦性能评价的方法和意义。
一、磨损评价方法材料的磨损评价方法多种多样，下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 质量损失法质量损失法是一种直接测量材料质量变化的方法。
在实验中，首先测量材料的初始质量，然后通过与其他材料或固体表面进行摩擦，再次测量质量，并计算质量损失。
这种方法的优势在于直接、简便，能够准确反映材料的磨损程度。
2. 磨损剖面观察法磨损剖面观察法是通过对材料磨损表面进行显微镜等观察，来评价磨损程度的方法。
这种方法能够直观地观察到材料的磨损特征，如磨痕的长度、宽度和深度等，从而对磨损机制进行分析和评价。
3. 磨损体积法磨损体积法是通过测量磨损表面的体积来评价磨损程度的方法。
实验中，将磨损前后的材料表面进行三维扫描，并分析扫描数据，计算磨损体积。
与质量损失法相比，磨损体积法更能准确地描述磨损的形状，为磨损机理的研究提供更多数据。
二、摩擦性能评价方法材料的摩擦性能评价方法多种多样，下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 摩擦系数法摩擦系数法是一种通过测量材料在与其他材料或固体表面接触时的摩擦系数来评价摩擦性能的方法。
实验中，通过施加一定的力，使被试材料与摩擦体进行接触，并测量摩擦力和正压力，从而计算摩擦系数。
这种方法能够客观地反映材料在摩擦过程中的性能。
2. 表面形貌观察法表面形貌观察法是通过对材料表面形貌进行观察和分析，来评价摩擦性能的方法。
这种方法可以使用扫描电子显微镜等设备对材料表面进行观察，并分析表面的粗糙度、摩擦痕迹等特征，以评估材料的摩擦性能。
3. 摩擦磨损试验法摩擦磨损试验法是通过在实验条件下模拟材料的实际工作环境，测量和评价材料的摩擦性能。
这种方法可以模拟不同的工作条件，如不同的载荷、速度和温度等，从而更真实地反映材料的摩擦特性和磨损机制。
材料力学性能与耐磨性能的关系研究
材料力学性能与耐磨性能的关系研究材料的力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为，而耐磨性能是指材料在摩擦、磨损等力学作用下的抗磨损能力。
这两者之间存在着密切的关系，本文将探讨材料力学性能与耐磨性能之间的关系。
一、材料力学性能对耐磨性能的影响材料的力学性能对耐磨性能有着直接的影响。
首先，材料的硬度对耐磨性能起到了决定性的作用。
硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，硬度高的材料抗磨损性能也相对较好。
一个典型的例子是钢材与铝材的比较，钢材硬度高于铝材，因此在磨擦力作用下，钢材的耐磨性能明显优于铝材。
其次，强度和韧性也会影响材料的耐磨性能。
强度表示材料抵抗外力破坏的能力，韧性则表示材料在断裂前能吸收的能量。
材料强度高的话，能够更好地抵抗摩擦产生的破坏；而材料的韧性高，则能吸收更多的能量，减少磨损的程度。
此外，硬度、强度和韧性的相互作用也会影响材料的耐磨性能。
例如，一些高强度同时具有高硬度的合金材料，具有较好的耐磨性能。
这是因为高强度和高硬度共同抵抗磨擦力，从而减少磨损。
二、材料的组成与耐磨性能的关系材料的组成也与其耐磨性能密切相关。
一般来说，合金材料在耐磨性能方面比单一金属材料更具优势。
这是因为合金材料由两种或多种金属元素组成，可以调节材料的硬度、强度和韧性等性能，以满足不同的耐磨要求。
此外，添加一些特殊的元素或化合物也可以改善材料的耐磨性能。
例如，在钢材中添加适量的硬质碳化物，可以增加材料的硬度，从而提高耐磨性能。
另外，通过表面处理也可以改善材料的耐磨性能，如在材料表面涂覆陶瓷涂层等。
三、材料表面处理和耐磨性能的关系材料的表面处理是提高材料耐磨性能的一种有效手段。
表面处理可以增强材料的硬度、抗腐蚀性和耐磨性能，以应对各种外界摩擦力的作用。
常见的表面处理方法包括热处理、电镀、喷涂、溅射等。
热处理是利用材料本身的相变过程来改善性能，如淬火、回火等；电镀可以在材料表面形成一层保护膜，提高其耐磨性；喷涂和溅射则是利用高速喷射熔融的金属或陶瓷颗粒，形成坚固的涂层。
第六章 疲劳与磨损
若应力变化幅度为常值，称为等幅交变应 等幅交变应 力。若应力变化幅度也是周期性变化的（图 a），或应力变化幅度具有偶然性（图b）， 称为变幅交变应力 变幅交变应力。图b所示的也称随机交变 变幅交变应力 随机交变 应力。 应力
变动应力示意图： 变动应力示意图：
+ -
+ -
+ -
+ -交变应力的描述：交变应力的描述：上图所示的齿轮传动副，观察其中一个齿， 上图所示的齿轮传动副，观察其中一个齿，该齿参与啮合就承 否则就不承载。由于该齿承受着随时间循环变化的载荷， 载，否则就不承载。由于该齿承受着随时间循环变化的载荷， 因而齿根上任一点A的弯曲正应力也随时间循环变化 的弯曲正应力也随时间循环变化。 因而齿根上任一点 的弯曲正应力也随时间循环变化。像这样 随时间而循环变化的应力称为交变应力。 随时间而循环变化的应力称为交变应力。交变应力随时间变化 的历程称为应力谱（应力－时间曲线）。 的历程称为应力谱（应力－时间曲线）。
摩擦副真实接触面积ar只有表现接触面积a的百分之一和万分之一产生塑性流动接触面积增加接触面上压力很大很容易达到材料的压缩屈服极限sy接触点塑性变形后接触面容易产生粘合现象产生结点滑动时先将结点切开设结点的剪切强度极限为则摩擦则摩擦系数sy则摩擦系数显然此时摩擦系数取决于材料的剪切强度和抗压强度材料的剪切强度越低滑动时先将粘结点切开的强度抗压强度越高摩擦系数越小
2. 疲劳破坏的基本概念
疲劳：工程构件在服役过程中， 疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载 荷或反复承受应力和应变， 荷或反复承受应力和应变，即使所受的应力低于 断裂强度或屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展， 断裂强度或屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展， 以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏， 以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏， 这一过程，或这一现象称为疲劳。 这一过程，或这一现象称为疲劳。 疲劳是一个过程， 疲劳是一个过程，疲劳破坏过程是材料内部薄 弱区域组织在变动应力作用下， 弱区域组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和 损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发 损伤累积、开裂， 生突然断裂的过程， 生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损 伤累积，最终引起整理破坏的过程。 疲劳破坏过 伤累积，最终引起整理破坏的过程。(疲劳破坏过 程可以明显地分成裂纹萌生、 程可以明显地分成裂纹萌生、裂纹扩展和最终断 裂三个部分) 裂三个部分
第六章 材料的磨损解读
6.5.1 实验室试验的原理
1)
2)
3)
4)
5) 6)
耐磨试验在摩擦磨损试验机上进行，种类很多，代表性的： 销盘式磨损试验机，是将试样加上载荷压紧在旋转圆盘上，该 法试验速度可调，精度较高； 环块式磨损试验机，试样在圆环外表面做摩擦运动； 往复运动式磨损试验机，试样在静止平面上往复运动，可评定 导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性； 滚子式磨损试验机，可测定材料在滑动、滚动、滚动和滑动复 合摩擦及间歇接触摩擦情况下的磨损； 砂纸磨损试验机，对磨材料为砂纸，简单易行； 快速磨损试验机，旋转圆轮用硬质合金制造，能较快测定材料 的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能。
6.1.1 摩擦 定义：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。
6.1.1.1 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
＊减小零件使用时的磨损是我们学习材料磨损性能的最终目的。
薛群基院士
从事润滑失效研究，现为兰州化学物理研究所所 长，固体润滑国家重点实验室学术委员会主任，亚洲 摩擦学理事会主席，是我国材料摩擦学和摩擦化学领 域的主要学术带头人之一
6.1.2 摩损 定义：磨损是在摩擦的作用下，发生在材料 表面的局部反复进行的变形与断裂。
为摩擦系数，以μ表示，即μ=F/P。
μ静 μ μ动
μ静 ＞μ动
6.1.1.2 摩擦的分类 按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦 分为： ①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物 体上滑动时产生的摩擦。 ②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下， 沿接触表面滚动时的摩擦。
力学性能指标课件
04
塑性指标
延伸率
延伸率 是指试样在拉伸断裂后，原始标距长度的增量与原始标距 的比值。它表示了材料在塑性变形阶段的变形能力，延伸 率越大，说明材料的塑性越好。
计算公式 延伸率 = (L1 - L0) / L0 * 100%，其中L1为断裂后标距的 长度，L0为原始标距的长度。
应用场景 用于评估材料的塑性变形能力，是材料加工成型、冲压、 锻造等工艺性能的重要参考指标。
详细描述
表面处理能够显著影响材料的力学性能，特别是疲劳和耐 磨性。
表面处理如涂层、渗碳、热处理等能够改变材料的表面结 构和性能，从而提高其抗疲劳和耐磨性。例如，涂层可以 减少摩擦系数，渗碳可以增加表面硬度和韧性，热处理则 可以改善材料的内部结构和性能。合理的表面处理能够显 著提高材料的力学性能，延长其使用寿命。
详细描述
抗压强度是材料在受到压力作用时的极限承载能力，反映了材料在压缩过程中的稳定性。 抗压强度可以通过压缩试验进行测定，以评估材料在不同压力水平下的变形和破坏行为。
抗弯强度
总结词
抗弯强度是指材料在弯曲力作用下抵抗 弯曲变形或断裂的能力。
VS
详细描述
抗弯强度是材料在受到弯曲力作用时的承 载能力，反映了材料在弯曲过程中的刚度 和稳定性。抗弯强度可以通过弯曲试验进 行测定，以评估材料在不同弯曲应力水平 下的变形和破坏行为。
力学性能指标的重要性
工程设计
在工程设计中，了解材料的力学性能指标是至关重要 的，因为它们决定了结构的安全性和可靠性。
材料选择
在制造过程中，选择具有适当力学性能的材料对于产 品的质量和性能至关重要。
失效分析
通过分析材料的力学性能指标，可以预测和防止结构 的失效。
力学性能指标的测试方法
橡胶材料的耐磨损性能
橡胶材料的耐磨损性能橡胶材料的耐磨损性能是指在摩擦磨损条件下，橡胶材料能够承受的磨损程度和时间。
由于橡胶材料具有优异的弹性和柔韧性，因此在各个行业中广泛应用于各种耐磨部件的制造，如轮胎、输送带、密封制品等。
本文将为您介绍橡胶材料的耐磨损性能及相关测试方法。
1. 橡胶材料的耐磨损机理橡胶材料的耐磨损性能与其结构、成分、硬度等因素密切相关。
一般来说，橡胶材料的主要组成是强韧的弹性体，这种材料具有良好的抗磨性能。
然而，橡胶中往往还需添加填充剂、增塑剂和固化剂等辅助材料来提供特定的力学性能和化学稳定性，而这些材料往往会对橡胶的耐磨损性能产生不同的影响。
2. 橡胶材料的耐磨损测试为了评价橡胶材料的耐磨损性能，人们常常采用一系列标准测试方法，如摩擦磨损试验、滚筒磨损试验等。
2.1 摩擦磨损试验摩擦磨损试验是最常见的评价橡胶材料耐磨性能的方法之一。
该试验通常采用摩擦机械设备，将试样与摩擦剂或磨砂纸进行往复摩擦，通过测量试样质量的变化、摩擦系数的变化以及表面形貌的观察等参数来评估试样的耐磨性能。
2.2 滚筒磨损试验滚筒磨损试验主要用于评价橡胶材料在滚动摩擦条件下的耐磨损性能。
试验中，将试样固定在旋转滚筒上，通过加载一定的压力和旋转速度，使试样与滚筒接触并相互摩擦。
通过测量试样质量的变化、摩擦系数的变化以及表面形貌的观察等参数来评估试样的耐磨性能。
3. 橡胶材料的耐磨损性能改进方法为了提升橡胶材料的耐磨损性能，人们常常采用以下几种方法进行改进。
3.1 添加填充剂填充剂的添加可以增加橡胶材料的硬度和抗磨性能。
常用的填充剂包括炭黑、二氧化硅、滑石粉等。
这些填充剂的添加可以增加橡胶材料的摩擦系数、减小磨损量，从而提高橡胶的耐磨损性能。
3.2 改变橡胶成分通过改变橡胶材料的成分，如增加含硫量、改变交联程度等，可增强橡胶的耐磨性能。
例如，在制备轮胎时，常常使用高含硫度的橡胶原料，并通过硫化反应使橡胶成分形成高度交联的网络结构，从而提高轮胎的耐磨性能。
材料的耐磨和摩擦学
材料的耐磨和摩擦学材料的耐磨性和摩擦学是研究物质表面和界面的摩擦、磨损和润滑行为的重要科学领域。
在工程和科学领域中，我们经常面对材料在摩擦和磨损环境下的性能要求。
因此，了解材料的耐磨性及其与摩擦学之间的关系对于开发新材料、改进工程设计以及提高设备和产品的寿命至关重要。
一、耐磨性的定义和测试方法耐磨性是指材料在受到摩擦和磨损作用时能够维持其功能性能的能力。
不同材料因其组成和结构的不同，其耐磨性也会有显著差异。
衡量耐磨性主要通过磨损测试来进行，常用的测试方法包括滑动磨损试验、磨料磨损试验以及交互磨损试验等。
这些试验方法能够模拟不同工况下的摩擦和磨损行为，以评估材料的耐磨性能。
二、摩擦学的基本原理摩擦学是研究物体之间相对运动时所产生的摩擦力和摩擦现象的学问。
摩擦力是指两个物体相对运动时产生的抵抗运动的力，其大小受到材料表面性质、载荷、速度等多种因素的影响。
摩擦学的基本原理可以通过考虑材料之间的接触、摩擦和变形来解释。
表面粗糙度、润滑、界面接触的方式以及材料的硬度等因素都会对摩擦行为产生影响。
三、影响耐磨性的因素耐磨性能的好坏受到很多因素的影响，包括材料的硬度、表面粗糙度、润滑状况、载荷、温度等。
硬度是衡量材料耐磨性的重要参数，材料的硬度越高，其抗磨损性能通常也越好。
表面粗糙度对于摩擦行为和磨损的影响也非常显著，较光滑的表面能够减少材料之间的物理接触，从而减少摩擦力和磨损。
此外，润滑剂的使用和界面的润滑状态也会对材料的耐磨性能产生显著影响。
四、改善耐磨性的方法针对不同材料和工况，我们可以采取一些措施来改善材料的耐磨性能。
首先，可以通过选择合适的材料来满足特定的摩擦和磨损要求。
例如，在需要高耐磨性的装备部件中，常使用硬度高、耐磨性好的材料如陶瓷、金属基复合材料等。
其次，可以通过调整材料的表面粗糙度、润滑剂的选择以及改变载荷和温度等来改善材料的耐磨性能。
此外，利用表面涂层和热处理等方法也可以提高材料的耐磨性能。
材料力学性能教学课件材料的摩擦与磨损性能
结论及展望
通过对材料的摩擦与磨损性能的深入研究，可以为材料的选择和应用提供科学依据，进一步提高材料的性能和可靠 性。
金属材料
金属材料通常具有较高的摩擦系数，但也可以通过表面处理和润滑来减少磨损。
聚合物材料
聚合物材料具有较低的摩擦系数，但其耐磨性能相对较差。
陶瓷材料
陶瓷材料通常具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性能，但也容易产生表面粉化。
影响摩擦与磨损的因素
1 接触压力
增加接触压力会增加摩擦力和磨损。
3 温度
高温环境下摩擦和磨损会加剧。
2 表面粗糙度
粗糙表面会增加摩擦力和磨损。
摩擦与磨损的测试方法
1
磨损实验
2
使用特定装置和试样进行磨损实验，以获得
材料的磨损特性和性能。
3
滑动摩擦测试
通过模拟实际工况下的滑动摩擦来评估材料 的摩擦和磨损性能。
表面分析
通过观察和分析材料表面的变化，了解摩擦 和磨损的影响。
改善材料的摩擦与磨损性能的 措施
材料力学性能教学课件 PPT材料的摩擦与磨损性 能
在本课程中，我们将探讨材料的摩擦与磨损性能。了解摩擦力与摩擦系数的 含义，并分析擦力与磨损之间的相互作用。探讨不同材料之间的摩擦和 磨损的特点，以及它们对材料性能和寿命的影响。
常见材料的摩擦与磨损性能比较
6-7第六和七讲 材料的其它力学性能-摩擦、磨损与蠕变
5.2 磨粒磨损-磨料磨损
根据磨粒所受应力大小分为： (1)低应力划伤式的磨料磨损-应力不超过磨 料压溃强度，材料表面被轻微划伤。 (2)高应力辗碎式的磨料磨损-磨料压溃。 (3)凿削式磨料磨损-磨料有冲击力，从表面 凿下较大颗料磨屑，如挖掘机斗齿。
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
功耗磨损温度局部烧毁磨损机理粘着磨损磨粒磨损腐蚀磨损微动磨损疲劳局部应力局部塑变碾平51粘着磨损咬合磨损转移脱落典型粘着磨损形貌举例内燃机中活塞环和缸套衬启动或停车换向及载荷运转不稳定或润滑条件不好几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时环和套之间易发生局部直接接触处于边界摩擦或干摩擦的工作状态易粘着磨损
7
3. ４种滑动摩擦状态
干摩擦：表面无任何润滑剂或保护膜的纯接触摩擦。 →功耗↑ 磨损↑ 温度↑→局部烧毁
不允许出现干摩擦！
4. 磨损过程
5. 磨损机理
►粘着磨损 ►磨粒磨损 ►腐蚀磨损 ►微动磨损（疲劳）
5.1 粘着磨损-咬合磨损
局部应力
局部塑变， 碾平
转移，脱落
典型粘着磨损形貌
举例-内燃机中活塞环和缸套衬
1. 材料的摩擦与磨损
世界使用能源约1/31/2消耗于摩擦。减少无 用摩擦消耗，可大量节省能源。 易损零件，由于磨损超过限度而报废和更 换，控制和减少磨损既减少设备维修次数和费 用，又节省制造零件及其所需材料费用。
摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。
2. 摩擦的分类
内摩擦：物质内部发生的阻碍分子间相对运动现象。 外摩擦：相对运动物体表面间发生的相互阻碍作用。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间运动形式是相对滑动，常用。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动，高速、 高精度、重载。
材料的性能教学课件
热膨胀系数和热传导系数衡量材料在热环境下的膨 胀和传导特性。
透明性和光学性能
磁性和超导性
透明性和光学性能决定材料的透光能力和光学行为， 广泛应用于光学器件和视觉应用。
磁性和超导性是材料对磁场和电流的响应能力，对 电子学和能源领域具有重要影响。
化学性能
1 耐腐蚀性和耐氧化性
耐腐蚀性和耐氧化性衡量材料对化学侵蚀和 氧气的抵抗能力。
硬度和耐磨性
硬度和耐磨性是材料抵御表面破坏和磨损的关 键属性。
抗拉强度、屈服强度、断裂强度
这些参数衡量了材料在受力时的抗拉能力和破 坏行为。
可塑性和韧性
可塑性和韧性决定了材料在受力时的变形能力 和抗断裂能力。
物理性能
导电性和导热性
热膨胀系数和热传导系数
导电性和导热性描述了材料传导电流和热量的能力， 对电子和热传输应用至关重要。
力学测试方法用于测量材料的强度、硬
物理测试方法
2
度和韧性等力学性能。
物理测试方法用于测量材料的导电性、
导热性、透明性等物理性能。
3
化学测试方法
化学测试方法用于测量材料的耐腐蚀性、
测试数据分析和应用
4
化学稳定性、溶解性等化学性能。
测试数据分析和应用帮助我们理解材料 性能，做出正确的设计和决策。
材料性能分析和设计
材料性能教学的意义和未来发展 趋势
材料性能教学有助于学生理解和应用材料技术，促 进材料科学的创新和发展。
材料性能的确定和分 析方法
通过实验和模拟等方法确定和 分析材料的性能特征和潜力。
不同性能指标之间的 关系和平衡
不同性能指标之间存在着平衡 和权衡பைடு நூலகம்系，在设计中需要综 合考虑。
材料的力学性能课件06_缺口试样
缺口试样的静拉伸试验 缺口试样偏斜拉伸试验 缺口试样的静弯曲试验 缺口试样冲击试验 缺口试样疲劳试验
缺口敏感性试验
在缺口试样试验 中，缺口的几何形状、 大小是一个很重要的影 响因素。缺口几何参数 通常包括缺口深度t、 缺口根部曲率半径ρ以 及缺口张角ω。
缺口敏感性试验-缺口试样的静拉伸
由于断裂韧度有多种不同的定义方式，包括Kc、Gc、Jc、δc等，加之材
料的特性不同，测试方法也有很多种。其中最重要的就是平面应变断裂
韧度KⅠc的测定，这已在工程实践当中有着重要的应用。
不同于缺口敏感性试验，该类试验重在分析缺口试样局部区域的力学行 为，因此对试样尺寸有着严格要求，一定要符合理论计算模型的要求。
断裂韧度测定试验-KⅠc的测定
测定KIC用的试样尺寸 必须保证裂纹顶端处
于平面应变及小范围 屈服状态
断裂韧度测定试验-KⅠc的测定
断裂韧度测定试验-KⅠc的测定
三点弯曲试样加载时，裂纹尖端的应力强度因子KI为：
紧凑拉伸试样加载时，裂纹尖端的应力强度因子KI为：
将当前B、W条件下裂纹失稳扩展的临界载荷FQ及试样的裂 纹长度a0代人上述KI表达式即可求出KI的条件值，记为KQ。
缺口效应
缺口对材料的力学行为影响可归结为四个方面： ①应力集中； ②双向或三向复杂应力状态； ③应变集中； ④局部应变速率增大。 这些统称为缺口效应，其中应力集中是最为重要的一种影响。
缺口效应
缺口效应
应力集中系数
反映局部应力增高程度的参数称为应力集中系数。 将应力集中区域内的峰值应力与不考虑应力集中时的基准应力的比值称为 理论应力集中系数:
疲劳裂纹扩展试验
当材料中存在裂纹并且外加应力达到某一临界值后，裂纹就会发生失 稳扩展。因此含裂纹材料的断裂可根据断裂韧度加以判别。不过在很 多情况下，这种足够大的宏观临界裂纹是在载荷作用下由萌生的小裂 纹逐渐扩展而成的，这也就是所谓的亚临界裂纹扩展过程。 疲劳载荷下的亚临界裂纹扩展尤为重要，这也是导致材料疲劳破坏的 主要原因。通过疲劳裂纹扩展试验，得到疲劳裂纹从萌生到亚临界扩 展再到最后失稳扩展的全过程，可以测定材料中疲劳裂纹扩展的门槛 值，得到疲劳裂纹扩展速率的变化规律，进而估算材料的疲劳寿命。
材料的磨损性能
粘着剪断的两种形式
1、若粘着点结合强度低于两侧材料,则沿接触面剪断,磨损 若粘着点结合强度低于两侧材料,则沿接触面剪断, 量较小,摩擦面显得较平滑,只有轻微擦伤。锡基合金与钢的 量较小,摩擦面显得较平滑,只有轻微擦伤。 滑动属此类型。 滑动属此类型。 若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时, 2、 若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时,分 离 面便发生在强度较弱的材料上, 面便发生在强度较弱的材料上,被剪断的材料将转移到强度 较高的材料上。使软材料表面出现微小的凹坑, 较高的材料上。使软材料表面出现微小的凹坑,硬材料表面 形成微小凸起,使摩擦面变得粗糙,造成进一步磨损。 形成微小凸起,使摩擦面变得粗糙,造成进一步磨损。如 铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。 铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。
4P 2 d PL PL K ⋅ ⋅ ⋅ L = K ⋅ = K⋅ 3 9σsc 3Hv 3πσscd 3 2
上式表明,粘着磨损量与接触压力 、滑动距离L成正比 成正比, 上式表明,粘着磨损量与接触压力P、滑动距离 成正比 与材料硬度值成反比。式中K值称为粘着磨损系数 值称为粘着磨损系数,反映配对 与材料硬度值成反比。式中 值称为粘着磨损系数 反映配对 材料粘着力大小,决定于摩擦条件和摩擦副材料 当压力P不 决定于摩擦条件和摩擦副材料。 材料粘着力大小 决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力 不 超过摩擦付材料硬度值的1/3时 实验证实该式反映的规律是 超过摩擦付材料硬度值的 时,实验证实该式反映的规律是 正确的。 正确的。
切削作用的磨粒磨损模型
磨粒磨损的估算
P=(3σsc) πr2=H⋅π r2
被切削下来的软材料体积，即为磨损量W 可表示为: 被切削下来的软材料体积，即为磨损量W，可表示为:
材料的磨损性能及试验知识详解
材料的磨损性能及试验知识详解磨损是由于机械作用、化学反应(包括热化学、电化学和力化学等反应)，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。
磨损是发生在物体上的一种表面现象，其接触表面必须有相对运动。
磨损必然产生物质损耗(包括材料转移)，而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。
一、磨损的危害1、影响机器的质量，减低设备的使用寿命，如齿轮齿面的磨损、机床主轴轴承磨损等；2、降低机器的效率，消耗能量，如柴油机缸套的磨损等；3、减少机器的可靠性，造成不安全的因素，如断齿、钢轨磨损；4、消耗材料，造成机械材料的大面积报废。
磨损曲线跑合阶段：表面被磨平，实际接触面积不断增大，表面应变硬化，形成氧化膜，磨损速率减小；稳定磨损阶段：斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役；剧烈磨损阶段：随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙增大，表面质量恶化，机件快速失效。
二、磨损的评定磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。
目前对磨损评定方法还没有统一的标准。
这里主要介绍三种方法：磨损量、耐磨性和磨损比。
磨损量分为长度磨损量W l、体积磨损量W v、重量磨损量W w。
耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。
耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数。
材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。
材料的相对耐磨性ε是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料之一的A是标准(或参考)试样。
εA＝W A/W B磨损比用于度量冲蚀磨损过程中的磨损。
（磨损比=材料的冲蚀磨损量/造成该磨损量所用的磨料量）三、磨损的类型磨损按磨损机理可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损，按环境介质可分为干磨损、湿磨损、流体磨损。
1、粘着磨损当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。
磨损过程：粘着→剪断→转移→再粘着。
工程材料的耐磨性能与材料磨损机理研究
工程材料的耐磨性能与材料磨损机理研究引言工程材料是各个行业中不可或缺的重要组成部分，其性能直接影响着产品的质量和寿命。
在工业生产过程中，材料的磨损问题一直是一个极具挑战的领域。
磨损导致材料失去原有的形状和功能，进而影响设备的性能。
因此，研究工程材料的耐磨性能和磨损机理对于解决这一问题具有重要意义。
一、材料的耐磨性能材料的耐磨性能是指材料在受到磨损作用时能够保持其原有性能和形状的能力。
耐磨性能是工程材料的一项重要指标，直接关系到材料在使用过程中的寿命和可靠性。
各种工程材料具有不同的耐磨性能，容器材料、建筑材料、造船材料等多种领域都需要考虑耐磨性能的问题。
1.1 耐磨性能测试方法为了评估材料的耐磨性能，科学家们发展了多种测试方法。
其中，最常用的方法是滑动磨损测试、刮擦磨损测试和冲击磨损测试。
滑动磨损测试通过模拟材料在实际工作条件中的滑动摩擦来评估材料的耐磨性能。
刮擦磨损测试则是以刮削行为为基础，通过刮擦材料来模拟材料受到的磨损情况。
冲击磨损测试则是通过在一定速度下对材料进行冲击来测试其抗冲击磨损性能。
1.2 影响耐磨性能的因素除了测试方法外，材料的耐磨性能还受到多种因素的影响。
首先是材料本身的物理化学性质，例如硬度、强度、韧性等。
材料的硬度越高，通常意味着它具有更好的耐磨性能。
其次是材料的结构，例如晶体结构和晶界结合等。
不均匀的结构容易引起应力集中，从而增加磨损的概率。
此外，材料的表面处理和涂层技术也对耐磨性能有着显著影响。
通过表面冶金处理和涂层技术，可以大大提高材料的耐磨性能。
二、材料磨损机理材料磨损机理研究是理解材料磨损现象并提出相应措施的基础。
磨损过程通常包括磨料的侵入、微裂纹的产生和扩展，以及材料的疲劳破坏等。
通过研究材料磨损机理，可以更好地理解和解决材料磨损问题。
2.1 磨料颗粒的侵入和疲劳破坏磨料颗粒是导致材料磨损的主要原因之一。
当磨料颗粒与材料表面接触时，产生的应力和压力会导致材料表面的塑性变形和微裂纹的产生。
第6章 磨损理论
微动磨损
定义：相对接触的两个固体表面因微幅振 动（振幅<100μm）所产生的磨损。 发生部位：联接件：轴颈、螺栓联接、键 槽、花键、金属密封、离合器。 现象：表面产生疲劳裂纹。 磨损机理：
微动磨损是因微振产生的腐蚀、粘着、磨料和 疲劳等的一种综合磨损过程。
磨损机理
周期性的微振动
接触变形 氧化磨损 磨 磨粒磨损 粘着磨损 屑
.
弹性接触
d
.
K pV E p / R p
' 1 2
'
P为名义压力 ，V为滑动速度。 磨损率与pV成正比，选择材料参考pV系数值
防止和减轻粘着磨损的措施
1 合理选择摩擦副材料
脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。
宜选用互溶性小的金属，不要选用同种或晶格 类型相近的金属。Al，Sn，Cu，In与Fe的互溶 差，可作滑动轴承的基材。
Hm /Ha>1.3，材料耐磨性不再提高，低磨损区 Hm /Ha<1.25，K将随Ha /Hm的2.5次幂而下降
Ha K 0.57 K 0 Hm
2.5
增加金属材料的表面硬度，可增加其耐磨性。
硬度、粒径对磨损的影响
硬度
压力
疲劳磨损
定义：材料表面在循环接触应力的作用下，萌 生裂纹，导致产生片状或颗粒的磨屑，表面形 成 豆状凹坑、麻点，这种磨损称为疲劳磨损。 基本类型
磨损机理
磨损过程
粘着——剪切——再粘着——再剪切的循环
阿查德磨损定律：
W =KWL/HS VS材料磨损量与滑动距离成正比 式中： WVS 、Wvh分别为软、硬表面 材料磨损量与载荷成正比 的磨损体积量， W 软材料磨损与其硬度成反比 K， ，L分别为磨损系数，载荷和滑动长 度， Hs，Hh分别为软、硬表面布氏硬度
第六章+材料的磨损性能
粘着磨损过程： 接触——塑性 变形——表面 膜（包括油膜） 破裂——粘着 （冷焊）—— 剪断接点—— 再粘着。
粘着磨损过程
磨损量的计算 有n个接触点，材 料单项压缩屈服强度 σsc，法向力：
pn
d2
4
3 sc
粘着磨损模型示意图
磨损量：
pL pL W K K 9 sc 3H v
最大综合切应力 强度分布
（2）浅层剥落
接触应力反复作用下，塑性变形反复进行， 使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。 裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹 开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后 在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一倾 角的二次裂纹。 二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁， 反复弯曲发生弯断，形成浅层剥落。
二. 磨粒磨损 磨粒磨损的概念及机理 磨粒磨损又称磨料磨 损、研磨磨损。 磨粒磨损是当摩擦副 一方表面存在坚硬的细微 突起，或者在接触面之间 存在着其他粒子时所产生 的一种磨损。 磨粒磨损分为两体磨 粒磨损和三体磨粒磨损。
两体磨粒磨损和三体磨粒磨损
磨料磨损
类型 产生条件 破坏形式 实例
凿削式磨料磨损 磨料对材料表面 从材料表面凿削 挖掘机斗齿，破 产生高应力碰撞 下大颗粒的金属，碎机的锤头等 被磨表面有较深 的沟槽。 高应力碾碎式磨 磨料与金属表面 韧性材料疲劳剥 球磨机衬板，轧 料磨损 接触处的最大应 落，脆性材料碎 碎机滚筒等 力大于抗压强度 裂剥落。 低应力擦伤式磨 磨料对表面的作 表面产生擦伤或 犁铧、溜槽等 料磨损 用力小于抗压强 切削痕迹。 度
最大综合切应力 强度分布
（3）深层剥落（压碎性剥落）
深层剥落的初始裂纹经常在表面硬 化机件的过渡区内产生，该处切应 力虽不是最大，但因过渡区是弱区， 切应力可能高于材料材料强度而在 该处产生裂纹。 裂纹形成后先平行于表面扩展，即 沿过渡区扩展，而后再垂直于表面 扩展，最后形成较深的剥落坑。
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目 录
• 引言 • 材料摩擦学基础 • 材料磨损的机理 • 材料耐磨性的评价 • 材料摩擦磨损的实验研究 • 材料摩擦磨损的研究进展
PART 01
引言
摩擦与磨损的定义
摩擦
是两个接触表面在相对运动时，由于 表面间的切向阻力所引起的相互作用 的力。
粘着磨损
由于接触表面间粘着力作用， 导致材料从一个表面转移到另 一个表面。
疲劳磨损
在循环应力作用下，材料表面 产生疲劳裂纹和剥落。
微动磨损
在微小振幅的振动下，接触表 面产生氧化膜破裂和材料转移 。
磨损的影响因素
硬度与强度
硬度与强度较高的材料具有较 好的耐磨性。
表面粗糙度
表面粗糙度较大时，容易发生 粘着磨损和磨料磨损。
详细描述
材料摩擦学主要研究材料在摩擦过程中表现出的各种性质和行为，包括摩擦力、磨损率、摩擦系数等，以及这些 性质和行为与材料本身性质、表面形貌、环境条件等因素之间的关系。
材料摩擦学的原理
总结词
材料摩擦学的原理主要包括分子间的相互作用、表面能与表面张力、粘着与粘 着磨损等。
详细描述
分子间的相互作用是材料摩擦学的基础，表面能与表面张力决定了材料表面的 润湿性和摩擦系数。粘着是指两个接触表面之间的吸引力，粘着磨损则是由于 粘着效应导致的材料转移和粘着结点断裂等现象。
摩擦系数
通过测量材料在摩擦过程中的摩擦系数来评 价耐磨性。
表面粗糙度
通过测量材料摩擦后的表面粗糙度变化来评 价耐磨性。
耐磨性的影响因素
材料硬度
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上式表明，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，与表观接触面积无关
13
二、磨粒磨损特点和过程
1、特点： 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。 2
→疲劳破坏或脆性断裂 →产生沟槽。
14
图6-4 磨粒磨损形貌
磨损方式、磨损机理、磨损本质、影响因素；提 高耐磨性途径；
2
Friction
This phenomenon is encountered whenever there is relative motion between contacting surfaces, and it always opposes the motion. As no mechanically prepared surfaces are perfectly smooth, when the surfaces are first brought into contact under light load, they touch only along the asperities (real area of contact). The early theories attributed friction to the interlocking of asperities; however, it is now understood that the phenomenon is far more complicated.
落的过程。
12
4、粘着磨损量的估算(Archard model)
W K•F•L H
Here W is the wear volume lost, K is the wear coefficient, 粘着磨损系数，在10-12-10-15 量级；H is the hardness, F is the normal force,法向力; and L is the sliding diatance.
2、磨损： 在摩擦作用下物体相对运动时，表面 逐渐分离出磨屑(局部变形和断裂)， 从而不断损伤的现象。
3、磨损过程： 1) 跑合(磨合)阶段: 磨损速率下降。 2) 稳定磨损阶段: 磨损速率稳定。 3) 剧烈磨损阶段: 磨损速率增加。
载荷大小方向随 时间变化；
图6-1 磨损量和时间曲线
9
二、摩擦的基本类型
4
轨道磨损
风阻：550公里/小时
弓网：大电流下的摩擦磨损
5
水中航行体的主要能源和动力 被用来克服行进中的阻力，其中 摩擦阻力占最大成分(水下80%)； 对于诸如输油管道这类管道运输， 其能量几乎全部被用来克服流固 表面的摩擦阻力。
6
卫星飞轮 轴承润滑油 耐磨轴承材料 稳定的微量供油技术
航空发动机 叶片和摩擦阻尼器
1
§引 言
摩擦：相互接触的两个物体有相对运动或相对运动 的趋势时，在接触界面上出现阻碍相对运动的现象。 摩擦力的方向与引起相对运动的切方向相反。摩擦力 与施加在摩擦面上的垂直载荷之比称为摩擦系数：μ＝ F/N
磨损：物体表面相互摩擦时，材料自表面逐渐小时 的过程称为磨损。
摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。机器运转 时相对运动产生的摩擦而磨损，不仅直接影响零件的 使用寿命，还增加能耗，产生噪声和振动。磨损是降 低机器和工具效率、精确度甚至使其报废重要原因； 机件间摩擦磨损引起失效叫磨损失效；
振动故障占发动机总故障的60%以上，而叶片的故障要 占发动机振动故障的70%以上
压气机盘与涡轮盘
7
§目 录
§6.1 磨损的概念和类型 §6.2 磨损过程 §6.3 耐磨性指标及其测试 §6.4 提高耐磨性的途径 §6.5 补充：炭炭复合材料的磨损
8
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
1、摩擦： 接触物体间的一种阻碍运动的现象。
3、磨粒磨损量：
WK•p•L•tan
H
Here W is the wear volume lost, K is the wear coefficient, 磨粒磨损系数；H is the hardness, p is the contact pressure force，接触压力； and L is the sliding distance.
3
Wear This is the progressive loss of substance of one body because of rubbing by another body. There are many different types of wear, including sliding wear, abrasive wear, corrosion, and surface fatigue.
10
2、各种磨损类型可以发生转化。
图6-2 磨损类型转化
11
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损特点和过程
1、特点： 机件表面有大小不等的结疤， 2、发生条件： 多发生在摩擦副相对滑动速度小;接触面
氧化膜脆弱;润滑条件差; 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 3、磨损过程： 表面接触的少量微凸体→产生很高的应力 图6-3 粘着磨损形貌和示意图 →发生塑性变形→形成粘着点 →被剪断、拉开→转移到一方材料表面 →脱落下来→形成磨屑。 就是粘着点不断形成，又不断被破坏并脱