第7章材料摩擦与磨损性能
金属磨损和接触疲劳
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。
第7章 金属磨损和接触疲劳
材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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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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磨损及磨损理论
第一节 概 述
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。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视 研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1／3～1／2消耗 于摩擦，而机械零件80％失效原因是磨损。
表表面面存存在在明明显显粘粘着着痕痕迹迹和和材材料料转转移移，，有有较较大大粘粘着着坑坑块，块在，高在速高重速 载重下载，下大，量大摩量擦摩热擦使热表使面表焊面合焊，合撕，脱撕后脱留后下留片下片片粘片着粘坑着。坑。
黏黏着着坑坑密密集集，，材材料料转转移移严严重重，，摩摩擦擦副副大大量量焊焊合合，，磨磨损急损剧急增剧加增，加， 摩摩擦擦副副相相对对运运动动受受到到阻阻碍碍或或停停止止。。 材材料料以以极极细细粒粒状状脱脱落落，，出出现现许许多多““豆豆斑斑””状状凹凹坑坑。。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查轮，胎压联痕(SEM 邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其5中000X) 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常 在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。
(2)涂抹:
粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。 剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬 金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。
（3）磨损比
摩擦和磨损的联系
摩擦和磨损的联系一、摩擦和磨损的基本概念及关系摩擦力是指两个接触物体相对运动时出现的阻力，而磨损是指固体表面在相对运动或接触过程中，由于摩擦力所引起的物质的消耗和形貌的变化。
摩擦和磨损密切相关，两者之间存在着紧密的联系。
本文将对摩擦和磨损的关系进行全面深入的探讨。
二、摩擦对磨损的影响1. 摩擦对磨损程度的影响摩擦力的大小直接决定了磨损的程度。
当两个物体之间的摩擦力增大时，磨损程度也会相应增加。
摩擦力的大小与物体间的相互作用力、表面粗糙度以及润滑情况等因素密切相关。
2. 摩擦对磨损方式的影响摩擦力的作用下，可以产生不同的磨损方式。
当两个物体间的摩擦力较小时，可能会出现微小的磨粒，造成表面磨损；当摩擦力增大时，可能会出现表面剥蚀、刮伤等更为明显的磨损方式。
3. 摩擦对磨损速率的影响摩擦力的大小还会直接影响磨损速率。
摩擦力越大，物体表面的材料消耗速度越快，磨损速率也会相应增加。
因此，在工程设计中需要合理控制摩擦力的大小，以减缓磨损速率，延长材料的使用寿命。
三、磨损对摩擦的影响1. 磨损对摩擦力的影响磨损会造成物体表面的不平整，增加了摩擦力的大小。
磨损表面的粗糙度会显著影响摩擦力的大小。
当物体表面经过长时间的磨损后，摩擦力可能会大幅增加，从而对摩擦产生重大影响。
2. 磨损对摩擦过程的影响磨损会改变物体表面的形貌和材料特性，从而对摩擦过程产生影响。
磨损会使物体表面变得粗糙，增加了接触面积，改变了摩擦系数。
此外，磨损还会引起表面的氧化、硬质颗粒剥离等现象，进一步改变了摩擦过程的特性。
3. 磨损对摩擦耐磨性能的影响磨损会降低物体的摩擦耐磨性能。
物体经过长时间的磨损后，表面会变得疲劳、龟裂、掉屑等，从而降低了摩擦耐磨性能。
因此，在工程设计中需要充分考虑材料的磨损特性，选择具有较高耐磨性的材料，以提高摩擦耐磨性能。
四、如何减少摩擦和磨损1. 合理润滑润滑是减少摩擦和磨损的重要手段之一。
润滑可以在物体表面形成一层保护膜，减少摩擦力的大小，降低磨损程度。
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。
摩擦系数与磨损量的关系
摩擦系数与磨损量的关系1. 摩擦系数和磨损的基本概念在物理学中，摩擦系数是指两个物体之间发生相对运动时所发生的摩擦力和正压力的比值。
摩擦系数的大小取决于物体的材料、摩擦面的状态、温度以及相对速度等因素。
而磨损是指材料表面因为物理、化学或机械作用而造成的逐步损耗过程。
磨损直接影响着材料的使用寿命，而摩擦系数是磨损的重要因素之一。
2. 摩擦系数的影响因素摩擦系数的大小与材料的性质有关，例如表面光滑度、硬度、弹性模量等，它与温度、湿度也有关系。
在实际生产中，往往会对材料的表面进行处理，比如粗糙度修整、加涂料等方式，以改变其摩擦系数。
3. 耐磨材料的选择制造业中常常需要使用高耐磨材料，这也被称之为“工程陶瓷”。
比如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等，这些材料具有硬度大、密度小、抗裂性好、耐腐蚀等优点，同时也有较高的摩擦系数。
4. 摩擦系数与磨损关系的实验研究在实验中，通常会制作一些摩擦材料，通过不同状态的压力或速度，来研究其摩擦系数和耐磨性。
比如研究低温环境下的金属材料对不同力和压力的响应。
在这些实验中，科学家们可以通过收集实验数据，得到摩擦系数与磨损量之间的关系。
这些关系可以反映材料磨损机制的不同阶段以及材料性能的变化。
5. 应用案例摩擦系数和磨损与材料在各个领域有着广泛的应用，比如机械制造、船舶设计、汽车及机械维护等。
在汽车领域中，人们通常使用石墨和陶瓷作为轮辋和制动器等部件的材料，来增强其摩擦系数和耐磨实力。
在船舶领域中，由于海水对金属材料的腐蚀作用比较强烈，因此人们通常使用防腐材料和耐磨材料制造部件。
6. 摩擦系数和磨损的重要性摩擦系数和磨损的研究在不同物理领域中有着重要的经济和科学意义。
一个材料的摩擦系数和磨损量可以决定其使用寿命和性能。
这些研究成果也可以用于设计新的耐磨性材料，在全球范围内改善工业化生产的效率。
7. 结论摩擦系数和磨损是材料科学中不可避免的关键因素。
人们研究其规律的目的在于寻找更加适合的材料和新的应用方案。
材料表面涂层对摩擦和磨损的影响机理研究
材料表面涂层对摩擦和磨损的影响机理研究摩擦和磨损是各种机械系统中普遍存在的问题，对材料和设备的性能产生负面影响。
为了解决这一问题，研究人员发现通过在材料表面涂层来改善其摩擦和磨损性能是一种有效的方法。
这种表面涂层技术在工业领域已经被广泛应用，本文将重点探讨材料表面涂层对摩擦和磨损的影响机理。
涂层是通过在材料表面上形成一层覆盖物来提高摩擦和磨损性能的技术。
涂层可以通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、电沉积、溅射等方法进行制备。
涂层材料的选择主要依据于材料的使用环境和要求，如金属、陶瓷、聚合物等。
首先，涂层可以改变材料表面的摩擦特性。
涂层可以利用其固有的滑动特性，降低材料表面与其他物体之间的接触力，从而减小了摩擦系数。
此外，一些涂层材料还具有自润滑的特性，能够在摩擦过程中释放润滑剂，降低了摩擦系数，并减少了摩擦产生的热量。
其次，涂层可增加材料的硬度和耐磨性。
在表面涂层的过程中，涂层材料与基材之间发生化学反应，使涂层与基材形成牢固的结合。
这样，在摩擦和磨损过程中，由于涂层的硬度高于基材，涂层能够承受更大的载荷，减少了材料表面的磨损。
同时，涂层还能够有效减少摩擦表面的接触面积，从而降低了摩擦表面的磨损。
涂层还可以增加材料的抗腐蚀性能。
在某些工作环境中，材料容易受到氧化、腐蚀等侵蚀。
通过在材料表面形成涂层，可以有效隔绝外界环境对材料的侵蚀，提高材料的抗腐蚀性能。
涂层的抗腐蚀性能主要取决于涂层材料的化学稳定性和结构稳定性。
涂层的厚度和结构对摩擦和磨损性能也有重要影响。
较厚的涂层可以提供更好的保护层，延长材料的使用寿命。
然而，过厚的涂层可能导致表面粗糙度增加，反而影响材料的摩擦和磨损性能。
此外，涂层结构的致密性和均匀性也对摩擦和磨损性能起着关键作用。
较致密的涂层结构可以有效减少材料表面的微孔和缺陷，提高摩擦和磨损性能。
此外，涂层的制备工艺和材料的选择也对摩擦和磨损性能有直接影响。
不同的制备工艺会影响涂层的致密性、晶体结构和表面形貌，从而影响材料的摩擦和磨损性能。
第七章金属磨损和接触疲劳
第七章金属磨损和接触疲劳机器运转时，相互接触的机器零件总要相互运动，产生滑动、滚动、滚动＋滑动，都会产生摩擦，引起磨损。
如:轴与轴承、活塞环与气缸、十字头与滑块、齿轮与齿轮之间经常因磨损和接触疲劳，造成尺寸变化，表层剥落，造成失效。
有摩擦必将产生磨损，磨损是摩擦的必然结果。
磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。
据不完全统计，摩擦磨损消耗能源的1/3～1/2，大约80％的机件失效是磨损引起的。
汽车传动件的磨损和接触疲劳是汽车报废的最主要原因，所以，耐磨成了汽车档次的一个重要指标。
因此，研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。
第一节磨损概念一、摩擦与磨损现象1、摩擦两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，接触表面之间就会出现一种阻碍运动或运动趋势的力，这种现象成为摩擦。
这种作用在物体上并与物体运动方向相反的阻力称为摩擦力。
最早根据干摩擦的试验，得到摩擦力F正比于两物体之间的正压力（法线方向）N的经典摩擦定律，即F=μN，式中μ称为摩擦系数。
后来发现这个定律只对低速度、低载荷的干摩擦情况是正确的，然而在许多场合下还是被广泛应用。
摩擦力来源于两个方面：①由于微观表面凸凹不平，实际接触面积极少(大致可在1/10000～1/10的范围内变化)，这部分的接触应力很大，造成塑性变形而引起表面膜（润滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使两种金属原子结合（冷焊）；②由于微观表面凸凹不平，导致一部分阻止另一部分运动。
要使物体继续移动，就必须克服这两部分阻力。
用来克服摩擦力所做的功一般都是无用功，在机械运动中常以热的形式散发出去，使机械效率降低。
减小摩擦偶件的摩擦系数，可以降低摩擦力，即可以保证机械效率，又可以减少机件磨损。
而要求增加摩擦力的情况也很多，在某些情况下却要求尽可能增大摩擦力，如车辆的制动器、摩擦离合器等。
磨损及磨损理论
粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合强度。 剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。
此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继 续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现 局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查， 轮胎压痕(SEM 5000X) 联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
1.6
磨损过程的一般规律：
1、磨损过程分为三个阶段:
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。
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。
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； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。
（3）磨损比
冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度 量磨损。
Hale Waihona Puke 材料的冲蚀磨损量（g或μ m 3） 磨损比＝ 造成该磨损量所用的磨料量（g）
它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段 中所测量的磨损比将有较大的差别。 不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一 定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或 工况下的数据是不可比较的。
当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限σy之间的关系：
（1）
当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。 其体积为(2/3)πa3，则单位滑动距离的总磨损量为:
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。
《摩擦磨损试验》课件
目录 CONTENTS
• 摩擦磨损试验概述 • 摩擦磨损试验的种类 • 摩擦磨损试验的设备与材料 • 摩擦磨损试验的结果分析 • 摩擦磨损试验的应用 • 摩擦磨损试验的发展趋势与展望
01
摩擦磨损试验概述
摩擦磨损试验的定义
摩擦磨损试验
通过模拟实际工况，对材料或零件进行摩擦和磨 损性能测试的方法。
摩擦系数的确定
摩擦系数的测量
通过测量试样与对磨材料在一定压力 和速度下的摩擦力与正压力之比得到 摩擦系数。
摩擦系数的确定
根据测量的摩擦力与正压力之比，可 以得到摩擦系数随时间的变化曲线， 从而分析摩擦系数的变化规律。
表面形貌的分析
表面形貌的观察
通过光学显微镜、扫描电子显微镜等手 段观察试样表面在摩擦过程中的形貌变 化。
摩擦磨损试验可以研究材料的摩擦学 行为，揭示其摩擦磨损机制，为新型 耐磨材料的研发和应用提供理论支持 。
在石油化工中的应用
石油化工设备常常需要在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下工作，其摩擦磨损性能对生产安全和经济效 益具有重要影响。
摩擦磨损试验可以研究石油化工设备的摩擦磨损机理，为其材料选择、设计和优化提供依据，提高设 备的安全性和可靠性。
开展多学科交叉研究
探索微观摩擦磨损机制
利用先进的微观观测手段，深入探索摩擦磨损的微 观机制，为新型试验技术的发展提供理论支持。
结合材料科学、物理学、化学等多学科知识 ，开发新型的摩擦磨损试验技术与方法。
开发智能化试验系统
结合人工智能和机器学习技术，开发能够自 动识别、预测摩擦磨损行为的智能化试验系 统。
复合摩擦磨损试验
总结词
同时模拟滑动和滚动摩擦以及不同润滑条件下的摩擦和磨损行为。
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。
第七章金属磨损和接触疲劳
2.磨损量的估算
Archard 提出的粘着磨损量估算方法如下： 在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，故接触压缩屈服强度近似为
单向压缩屈服强度σSC的三倍。若接触处因压应力很高超过σSC 产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。此时，外加载荷 事实上作用在接触点真实面积上。设真实接触面积为A，接触压 缩屈服强度为3 σSC ，作用于表面上的法向力为F，则
(b) 磨粒性能
* 磨粒硬度
磨损体积与硬度比Ha /H（磨粒硬度Ha与材料硬度 H之比） 的关系。
4.改善磨粒磨损耐磨性的措施
a) 对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增 加材 料的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损， 应提高 材料的韧性。
b) 根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的 低应 力)，合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳 调质钢)。
F=A (3 σSC) 假定磨屑呈半球形，直径为d。任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点
尺寸相同，直径也为d，则
d 2
A n( ) 4
可推出：
n
4F 3 SCd
2
再假定每一粘着点滑过距离也为d，则单位滑动距离形成的粘着点
数N为
N
n d
4F 3 SC d 3
磨屑形成有个几率问题，设此几率为K，则单位滑动距离内的磨损
以得到 F= (3 σSC) πr2
设θ为凸出部分的圆锥面与软材料表面间的夹角，当摩擦副相对滑 动了l长的距离时，凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积，即磨损 量V为 V=0.5*2r*r*tan θl=r2ltanθ
由上两式可得
材料力学性能第七章金属的磨损ppt课件
➢ 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）
46
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）
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。
17
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。
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。
磨损是一个复杂的系统工程
6
机件正常运行的磨损过程
（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
7
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
8
§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
36
主轴转速 ： 60r/min ～ 12000r/min
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：
材料的摩擦学性能研究
材料的摩擦学性能研究摩擦学是研究物体之间相对运动引发的力和现象的学科。
它在工程学和材料科学中具有重要作用，特别是在摩擦材料的研究和应用中更是必不可少。
材料的摩擦学性能研究主要涉及到材料的磨损、摩擦系数以及摩擦性能的改良等方面。
本文将对这些内容进行探讨。
首先，我们了解一下材料的磨损性能。
磨损是材料在相对运动下受到力的作用而逐渐失去物质的过程。
摩擦材料的磨损性能直接影响着材料的使用寿命和使用效果。
磨损性能的研究不仅涉及到材料的选择和设计，还包括磨损机理的分析和预测。
通过研究材料的磨损行为和机理，我们可以选择合适的材料来提高产品的寿命和性能。
其次，我们来探讨一下材料的摩擦系数。
摩擦系数是描述物体相对滑动时所受到的摩擦阻力与物体受到的压力之间的比值。
摩擦系数的大小既受材料本身特性的影响，也受到使用条件的影响。
对于摩擦材料的研究，我们需要了解材料摩擦系数随着温度、压力、速度等因素的变化规律。
这些规律不仅可以为设计和制造提供指导，还可以帮助我们选择合适的材料来满足特定工作条件下的摩擦性能要求。
最后，我们来谈一谈如何改良材料的摩擦性能。
在工程实践中，我们常常遇到需要改良材料的摩擦性能的情况。
有时候，我们需要增加材料的摩擦系数来提高物体之间的传递效率；有时候，我们又需要减小摩擦系数来降低能源消耗和减少磨损。
为了满足这些需求，科学家和工程师们通过改变材料的成分和结构来改良其摩擦性能。
例如，添加摩擦剂可以改变材料的表面特性和摩擦系数；使用复合材料结构可以在材料的摩擦性能和力学性能之间取得平衡。
这些方法都是为了优化材料的摩擦性能来满足特定工程需求。
综上所述，材料的摩擦学性能研究在现代工程学和材料科学中扮演着重要的角色。
它关注着材料在相对运动中的磨损行为、摩擦系数以及材料性能的改良。
通过深入研究摩擦学性能，我们可以优化材料的选择和设计，提高产品的寿命和性能，并满足各种工程需求。
摩擦学性能的研究不仅对于工业界有重要意义，同时也对于推动科学技术的发展具有深远影响。
工程摩擦学7 减摩材料
锡基合金的硬度较低HB13-32,熔点也较低240-320℃.摩擦系数 和膨胀系数小，塑性和导热好等优点，但疲劳强度低。
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7. Materials for Tribology
7.1.1常用金属减摩材料 1)巴氏合金, 由E.Babbitt(1839年)发明
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7. Materials for Tribology
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7. Materials for Tribology
7.1.1常用金属减摩材料 2) 铜基轴承合金
锡青铜和铅青铜:锡青铜的机械强度较高，减摩性和耐磨 性也较好，适宜于制造重载轴承。铅青铜的承载能力和疲劳强 度较高．能在250℃以下的温度正常工作，但顺应性和嵌合性 较差，也不耐腐蚀。
7.4 润 滑 材 料 7.4.3 润滑油添加剂 1)增粘剂
2)油性剂 3)极压抗磨剂 4)抗氧化剂及抗氧抗腐剂
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7. Materials for Tribology
7.4 润 滑 材 料 7.4.4 常用润滑油 1)内燃机用润滑油
气油机油、柴油机油、航空机油、稠化机油、增压柴油机 油、船舶柴油机油、二冲程汽油机油和铁道汽油机油.
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7. Materials for Tribology
7.2 耐 磨 材 料 7.2.2常用的耐磨金属
3)石墨钢
石墨钢既有良好的耐磨性．也有较高的机械性能和较 好的铸造性能，其化学成分：碳1.25％—1.45％，硫1 ％-1.25％，锰0.3％-0.5％。在低应力的磨料磨损条件 下，石墨钢比高锰钢的耐磨性好，且成本低。但它的 导热性差，在热应力高的情况下会发生热裂。
磨损及磨损理论
(2)磨粒磨损分类及其磨损特征
磨料磨损根据表面磨损的破坏形式，大体可以 分为下列几种类型： ① 按摩擦表面的数目分为:两体磨料磨损种和 三体磨料磨损
a.二体磨粒磨损 磨粒沿一个固体表面相对运动 产生的磨损。 当磨粒运动方向与固体表面接 近平行时, 磨粒与表面接触处 的应力较低, 固体表面产生擦 伤或微小的犁沟痕迹。 如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，此时, 磨粒与表面产生高应力碰撞, 在表面上磨出较深 的沟槽, 并有大颗粒材料从表面脱落。 在一对摩擦副中, 硬表面的粗糙峰对软表面起着 磨粒作用, 这也是一种二体磨损, 它通常是低应 力磨粒磨损。
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。 影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v， 其中速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨 损和防止胶合发生的有效方法。
⑤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。 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。
由于式中的K代表微 凸体中产生磨粒的概 率，即粘着磨损系 数．因此，K值必须 按不同的滑动材料组 合和不同的摩擦条件 求得。右表给出了不 同工况和摩擦副配对 时的磨损系数K值。
(5) 粘着磨损的影响因素
①摩擦副材料性质的影响
a.脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。 塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主，发生在表层深处，磨 损颗粒大。脆性材料粘着点的破坏主要是剥落，发生在表层浅
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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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❖ 等到车子过热的时候，油门踏板的A与B由于热胀系数
不同，一下子就把A与B靠在一起了，你即使松开油门
踏板，踏板也回不来了，因为A与B之间太紧密了，摩
擦力太大了，超过了弹簧的张力。那为何丰田车子会
突然加速呢？按照物理学常识，油门踏板由于A与B过
紧而不能弹回来，那油门也不会加大，虽然不会减小
。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 那么，到底是CTS的油门踏板档次高，还是日本Denso塑料
芯踏板档次高？其实还是CTS的档次高！因为金属的寿命要
比塑料长多了。问题在于：丰田在设计油门踏板的时候用的
材料是两种，而美国车德国车用的是一种。一种材料，由于
热胀冷缩的系数一样，就没有丰田车的问题。日本人偷工减
❖ 一旦换了电脑，那个部位也要换才成。这样，每 部车需要数千美元（工钱加上零件钱）， 900万 辆的规模，那就是数百亿美元，丰田没有那么多 现金，就只好破产保护了。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 丰田油门踏板的毛病，根本原因可能是“两层皮”
导致的 同样都是油门踏板，同样是CTS一家出的，
为何美国车德国车就没这个问题？因为人家要求所
❖ 就像用改锥支起这个杠杆结构一样
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 这样，如果丰田把召回的车换成Denso的油门踏 板，那个电脑里边的信号处理器要更换的。在美 国，修车店里的人不会拆开电脑去换里边的部件 的，要换就得把整个电脑换掉。我担心的是：在 日本出的用Denso油门踏板的车，不仅仅油门踏 板不同而导致的电脑里的信号处理器不同，而且 还有其它零件不同，比如电子油门开关。
方在于：A与B之间不能有空隙。这样，就容易“粘连”在
一起。为何 CTS 给美国、德国等汽车制造厂生产的油门踏
板就没问题？请看后面的解释您就明白了。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 图片三：丰田召回的900万辆车后，就是在那个地方加一个 铁片。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 图片四：示意图。可看出铁片加的地方。对丰田来说，这个活太 容易了。一个铁片造价很低。丰田计算的是成本。加一个铁片的 目的就是不让A过多进入B，这样虽然这个问题解决了，但又出 现了新的问题，那就是最大油门得不到了，也就是没有办法进行 全油门，虽然日常驾驶够用；但这样也绝对是会有安全隐患的！9
机关：两种钢材没问题，只是在A的背面或B的背面用另一弹簧
顶着，而非现在的铸在一起。那样的话，不论温度怎么变化，
A和B的接触是恒定的，是靠背面的弹簧压住的。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 其实，这么简单的构想，丰田就没在意。毕竟不是
发动机，也不是变速箱，一个踏板而已。所以，不
起眼的地方，大意了，说不定就把公司给毁了。对
缺陷/偷工减料 丰田召回问题未根本解决
第七章 材料的摩擦与磨损性能
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖丰田因为突然加速并刹不住车而引发的“丰田 安全危机”风暴席卷全球，目前我们知道丰田 已经开始维修和解决问题了，但是，如何解决 成了大家关注的焦点，而丰田的做法那就是在 油门踏板上加一个铁片！为了说明到底是怎么 回事，丰田加一个铁片的道理，是不是真的能 解决问题？
主讲人:
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28,000,000,000 $ ------ 0.02 $
丰田公司接连爆出油门踏 板、刹车等部件缺陷，先后 宣布在全球范围内召回多款 车辆合计 850 万辆。
丰田汽车上月在美国销量 下降16%，召回的直接损失 高达20亿美金，丰田汽车公 司需要承担几十起诉讼费用 ，未来一年其财务方面的损 失总计可能超过50亿美元。
第七章 材料的摩擦与磨损性能
槽状结构啮合的图片
为了避免上面的槽状结构卡死， 丰田就在这个空隙增加了金属片
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 图片五：Denso的油门踏板。这个设计不存在粘住 问题。要是出了问题的话，那可不是靠加一个铁片 就能解决的。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 那么，为何丰田不把召回的车统统换成Denso的 油门踏板呢？有人抱怨说如果换成新的油门踏板 ，丰田要出更多的血，买踏板要比买铁片贵多了 。这是所谓的“内行”们非常恼火丰田的地方。 然而，这两种油门踏板给出的信号可能是不一样 的。
❖ CTS出的那个踏板是金属的，测出的是A与B之间
的接触面积（踩油门越大，接触面积越大），也
就是测出的是“电流”然后送给电脑。而Denso
出的那个，中间是塑料的，测出来的不是金属与
金属之间的电流，而是光学原理。中间那个塑料
滚轮滚动的角度大小可以用简单的光学信号交给
电脑。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
有的钢材都是一样的。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 而丰田的油门踏板，摩擦的部位是好钢，而不摩擦的 部位是软铁。由于A和B钢材的材料不同，导致由于温 度变化热胀冷缩的程度不同，在温度特低的时候，由 于A与B钢材密度有异，冷缩的系数不同，可能导致接 触不上。这就使得有时候你加油踩下油门踏板，车子
于丰田汽车来说，我们更希望看到的是态度。愈演
愈烈的丰田召回事件，对丰田汽车的影响可谓是致
命的。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
摩擦的定义： 两个接触物体表面在外力作用下相互接触并 作相对运动或有运动趋势时，在接触面之间 产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象 就是摩擦。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 图片一：油门踏板，可以看出，丰田车用的两种油
门踏板（一个是美国CTS公司，一个是日本Denso
公司）外表是差不多的，也是可以互换的。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 图片二： CTS油门踏板的工作原理。这个设计是由丰田自
己的工程师设计的，可不要埋怨CTS公司。而它的要命的地
料，降低成本，又没有在意油门踏板，导致了这样19人死
亡的悲剧。
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第七章 材料的摩擦与磨损性能
❖ 丰田油门踏板设计者太大意了，日本人只是知道中国人有“好
钢用在刀刃上”的成语，不知道有“大意失荆州”的典故。如
果丰田不是大意而理所当然地认为美国车德国车都用这个设计
没问题，他们也不会有问题，那么，他们就会把A和B分成两个