材料力学性能第七章-金属的磨损
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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
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
II区： Ha≈H，过渡区， 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。
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
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。
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。
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
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。
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
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
KFlt V 9 sc
式中
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。
K/10-14
lt ——总滑动距离；
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
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， 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。
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
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
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
2. 磨损量的估算
Fl tan V K 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
3. 影响因素
硬度
与H/E成比例
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
磨粒硬度对磨损的影响 I区：Ha<H，磨损量最小
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
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
§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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu流失、造成表面损伤的
现象。
高性能炭/炭航空制动材料的制备技术 飞机起落架 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。
磨损是一个复杂的系统工程
第七章 金属磨损和接触疲劳
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。
主要内容
磨损的概念 磨损的模型
磨损试验方法 金属接触疲劳
§7.1 磨损概念
一、（摩擦）磨损
速度的影响
在压力一定的情况下， 粘着磨损随滑动速度 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。
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。
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
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
二、磨粒磨损 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
磨粒磨损的分类
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
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
II区： Ha≈H，过渡区， 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。
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
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。
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。
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
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。
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
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
KFlt V 9 sc
式中
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。
K/10-14
lt ——总滑动距离；
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
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， 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。
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
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
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
2. 磨损量的估算
Fl tan V K 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
3. 影响因素
硬度
与H/E成比例
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
磨粒硬度对磨损的影响 I区：Ha<H，磨损量最小
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
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
§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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu流失、造成表面损伤的
现象。
高性能炭/炭航空制动材料的制备技术 飞机起落架 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。
磨损是一个复杂的系统工程
第七章 金属磨损和接触疲劳
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。
主要内容
磨损的概念 磨损的模型
磨损试验方法 金属接触疲劳
§7.1 磨损概念
一、（摩擦）磨损
速度的影响
在压力一定的情况下， 粘着磨损随滑动速度 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。
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。
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
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
二、磨粒磨损 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
磨粒磨损的分类