摩擦腐蚀基本知识

以力的作用特点分类
低应力划伤式磨料磨损、高应力划伤式磨料磨 损、凿削式磨料磨损
18
19
2) 磨料磨损机理
塑性材料
1．微观切削机理 磨粒作用存材料表面上的 力可分解为法向分力(正压 力)和切向分力(摩擦力)。 在法向分力作用下，磨料压 入材料表面形成压痕，在切 向分力作用下，磨粒向前推 进。 形成一次切屑
Why？
当摩擦副材料性能接近，并且摩擦表面硬度较低时，往 往容易产生胶合而导致摩擦副损坏。 采用性能相差较大的材料作摩擦副 如果所采用的摩擦副材料性能接近时，如齿轮摩擦副， 则通常使表面具有较高的硬度。
10
2．表面粗糙度
当摩擦表面的粗糙度发生变化时，会导致摩擦机理 的改变 对于粗糙表面，以机械啮合为主；对于光滑表面， 以黏附为主。 当摩擦副表面非常粗糙时，摩擦系数较大。然而非 常平滑的表面可能摩擦系数更大，这是因为真实接 触面积增大，表面间的分子作用加强。 一般说来，摩擦副存在一最佳粗糙度区间，在这一 间内，所产生的摩擦系数最小。
14
2.1.2 磨损基本知识
磨损定义：由于机械作用，有时伴有化学或 电的作用物体工作表面材料作相对运动过程 中不断损耗的现象。 大多数材料配副的摩擦系数介于0.1~1.0之 间，而其磨损率却相差很多数量级。
按磨损机理分四大类：磨料磨损，冲蚀磨损， 粘着磨损和疲劳磨损。
15
表2.1 磨损的基本类型P39
20
微切削磨损
图2-2 a) 微切削磨损在钢表面产生的切削痕 b) 钢的微切屑形貌
图2-3 (a) 典型微切屑;
(b) 滑移变形形成的皱褶
21
2．犁沟变形机理
当磨粒的形状与位向不利于切削时，磨粒将使材料 产生犁沟变形，即将材料推向前方或两侧并使沟底 及沟槽附近的材料产生塑性变形。 后继的磨粒可能把堆积起来的材料压平，也可能使 已经犁沟变形的材料遭受再一次的犁沟变形，如此 反复，将导致材料的加工硬化和其他强化作用，最 后产生裂纹、断裂而形成磨屑。
11
3．温度
两方面进行分析
一方面金属摩擦副随温度升高，可焊性增大， 强度降低，导致真实接触面积增大，黏附程度 增加，从而使摩擦系数增大； 另一方面随着温度升高，表面发生氧化的程度 增加，形成表面氧化膜的可能性增大，这有可 能导致摩擦系数下降。
因此金属摩擦副在一定温度下的摩擦特性将 取决于金属在该温度下的强度、可焊性及所 形成的表面膜。
4．疲劳磨损机理 疲劳磨损机理在一般磨料磨损中起主导作用.即材料表 面在磨粒产生的循环接触应力作用下，因疲劳剥落而形 成磨屑。
29
3) 磨料磨损的Leabharlann Baidu要影响因素
(1)磨料硬度的影响 材料的耐磨性决定于材料硬度Hm 和磨料硬度Ha的比值。 当Hm／Ha＜0.5时为硬磨料磨损， 此时增加材料的硬度对其耐磨性增 加不大（无关）。 当Hm／Ha＞0.8时为软磨料磨损， 此时增加材料的硬度能迅速地提高 其耐磨性 当H m／Ha在0.5~0.8之间时，要 根据实际情况进行判断。
12
4．速度
当摩擦表面的相对滑动速度发生变化时，表 面微凸体的变形速度、变形程度和表面温度 都将发生受化，从而导致摩擦系数发生变化。 因此，速度对摩擦系数的影响，受多种因素 制约，往往需要针对具体的摩擦副，通过试 验确定。
13
5．表面膜
摩擦副接触表面膜一般由氧化膜、吸附膜和其他污染薄 膜等组成，其存在会极大地影响摩擦副的摩擦特性。 如在干摩擦表面加入润滑油后会使摩擦系数显著降 低。 当摩擦副材料表面存在表面膜时，由于摩擦主要发 生在表面膜之间，同时一般情况下表面膜的剪切强 度小于本体材料的剪切强度，因此摩擦系数较小。 生产中常常在摩擦副材料表面涂覆一层软金属(如铟、 镉、铅等)或表面膜(如硫化膜、氧化膜、磷化膜等)以 降低摩擦系数，减少材料的摩擦与磨损。 表面膜的厚度对摩擦系数有显著影响，通常存在者 一个最佳的膜厚范围，太薄或太厚都会使摩擦增大。
30
(2)磨料形状及尺寸的影响
尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损率大。 磨料颗粒大小对材料的磨损有影响，一般是随着磨 粒直径的增加，磨损量增大。 磨粒的直径达到某一临界尺寸后，磨损量几乎不再 增加，这个磨料颗粒的临界尺寸在100 μm左右， 与材料的成分、性能、加工方法、速度及载荷等有 关
31
32
33
(3)磨料脆性的影响
材料的磨料磨损往往需要多次反复才能完成， 在这一过程中，磨料的状态将发生改变
一种表现为尖角和锐边被破坏，即由原来尖锐 的、多角形的磨料变成圆而钝的磨料，使得材 料的磨损率下降。 另一种表现为磨料破碎，生成尖角和锐边，使 得材料的磨损率增大。
34
（4）载荷的影响：
磨损的金属表面上发生了最大限度的“加工硬化”， 材料耐磨性与其磨损后的表面硬度成正比。
38
高锰钢材料是一个典型的实例。高锰钢经水韧性处 理后，获得单一奥氏体组织，硬度约为HB180~230。 用高锰钢制作的挖掘机斗齿，在挖掘硬的矿心时， 由于高锰钢得到充分的加工硬化，表现出良好的耐 磨性，优于回火马氏体和贝氏体钢。 相反，若将高锰钢斗齿用于挖掘主要含石英砂的砂 土层时，其耐磨性远不如马氏体和贝氏体钢。
16
一、磨料磨损 abrasive wear
def：由硬颗粒或硬突起物在载荷的作用 下，嵌入摩擦表面，相互接触和作用的过 程中，使材料产生迁移而造成的损耗。一 般指非金属,如石英砂，岩石等。 特征：摩擦表面沿滑动方向出现刻痕

17
1) 磨料磨损的分类 P39
以磨损接触物体表面来分类
两体磨料磨损，三体磨料磨损（滑动，滚动）
40
(1)
磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加。出 现在初始运动阶段，由于表面存在粗糙度， 微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度 快。
41
(2)稳定磨损阶段：摩擦表面磨合后达到稳定状
态，磨损率保持不变。标志磨损条件保持相 对稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。
42
(3) 剧烈磨损阶段：工作条件恶化，磨损量急
39
二、粘着磨损
定义：两个接触表面相对运动 时，由于接触点粘着和焊合而 形成的粘着结点被锯切断裂， 被剪断的材料由一个表面转移 到另一个表面，或脱落成磨屑 而产生的磨损。 粘着磨损的主要特征是出现材 料转移，同时沿滑动方向产生 不同程度的磨痕。
磨 损 量
o
a
b
时 间
图2.1 粘着磨损阶段磨损特征
剧增大。精度降低、间隙增大，温度升高， 产生冲击、振动和噪声，最终导致零部件完 全失效。
43
非典型磨 损曲线
44
磨损特性曲线----浴盆曲线
典型浴 盆曲线
45
1) 粘着磨损的分类
46
五类典型粘着磨损
(1)轻微磨损:
粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低， 剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较 轻微。
施加载荷较大、磨料尖锐以 及材料的断裂韧度与硬度的 比值愈低时，材料愈趋向于 压痕断裂。材料的硬度决定 了磨料颗粒可能压入的深度 。
28
如果压痕深度大于产生断裂的临界深度时，材料因断 裂机制产生的去除过程就会优先发生。高的断裂韧度 会增加压痕临界深度值，因而减小了因断裂机制去除 的磨损体积。
无论是塑性材料还是脆性材料，均可能同时发 生塑性变形和断裂两种机制，在某种条件下， 某一机制占主导地位。
26
不形成切削
形成 切削
图2-18
27
脆性材料
3．微观断裂(剥落)磨损机理
在磨损过程中，大多数材料表面都会发生塑性变形， 但脆性材料(如陶瓷、玻璃、碳化物等)或含有硬而 脆的第二相质点的材料在与磨料作用时，断裂机理 可能占主导地位，脆性材料或脆性相将产生断裂或 剥落，因此磨损量比塑性材料的磨损量大
36
图2-35 钢与铁的各种基体组织的耐磨料磨损性
37
未经热处理钢的耐磨性单值地决定其宏观硬度。 热处理钢的相对耐磨性随宏观硬度增高而线性地增 加，但比未经热处理钢要慢—些。 耐磨性不仅取决于钢的硬度，而且取决于成分。
不同成分的热处理钢虽然只有相同硬度但耐磨性不 同，说明各种的耐磨性与宏观硬度间并不存在单值 的对应关系。
3
2.1.1 摩擦的分类
1．按摩擦副的运动状态分类 2．按摩擦副的运动形式分类 3．按摩擦副表面的润滑状况分类 4. 按工作环境条件分类 5. 按摩擦产生的程度分类
4
1．按摩擦副的运动状态分类
(1)静摩擦 一物体沿另一物体表面有相对运动趋势时产 生的摩擦称为静摩擦。这种摩擦力称为静摩 擦力。 静摩擦力随作用于物体上的外力而变化，当 外力达到能克服最大静摩擦力时，物体才开 始宏观运动，从而由静摩擦转变为动摩擦。 (2)动摩擦 一物体沿另一物体表面相对运动时产生的摩 擦称为动摩擦。阻碍物体运动的切向力称为 动摩擦力。动摩擦力通常小于最大静摩擦力。
磨损率与压力成正比，但有一转折点，当 压力达到或超过临界压力时，磨损率随压 力的增加变的平缓。
35
5）材料的基体组织和性能
钢铁材料的基体组织与耐磨性的关系指出， 基体组织的耐磨性—一般按铁素体、珠光体、 贝氏体和马氏体的顺序递增。 在实际工作中选用耐磨材料并不是如此简 单，一个普遍的观念是“硬度越高的材料耐 磨性越好”。适合于较低接触应力、较低滑 动速度的滑动磨料磨损条件。 相反，在高接触应力、高冲击或相对滑动速 度快、磨料硬而锐利的情况下不适用。
22
犁沟变形模型如图：
23
图2-11 因塑性变形发生去除的两种机制 （a）犁沟；（b） 微观切屑；（c）切屑模型
24
图1-4 磨料磨损机制
25
迎角(也叫冲角)是指磨料前面与材料表面间的 夹角(下图示)。 磨料能否切削材料与迎角α有关，只有当迎角大 于临界迎角时，才能产生切屑；反之，如果迎 角小于临界迎角，则只能产生塑性犁沟，将材 料推向沟槽的两侧及前沿。
7
油膜 膜厚 比
8
4. 摩擦副处于高温、高速、低温、真空、 辐射等特殊环境条件下工作，可将摩擦分为 正常工况条件下的摩擦和特殊工况条件下的 摩擦 5. 根据产生摩擦的程度，将摩擦分为轻微 摩擦和严重摩擦等。
9
2.1.2 摩擦过程的主要影响因素
简要介绍影响干滑动摩擦的主要因素 1．材料性质 当摩擦副是同一种(或者性质非常接近的)材料，或是两 种有能形成固溶合金的金属时，摩擦较严重。 例如铜—铜摩擦副的摩擦系数可达1.0以上，铝—铁或 铝—低碳钢摩擦副的摩擦系数大于0.8。而不同金属或 亲和力低的金属组成的摩擦副摩擦系数较低，如银—铁 或银—低碳钢摩擦副的摩棕系数约为0.03。
表面工程 Surface Engineering
第二章 摩擦腐蚀基本知识
授课教师：
马 静
第二章 摩擦腐蚀基本知识
材料破坏的两大破坏形式： 摩擦磨损 腐蚀
2
§2.1 摩擦与磨损
摩擦学：研究作相对运动表面及有关理论和 实践的科学技术 包括摩擦、磨损和润滑
当两个相互接触的物体在外力作用下产生相 对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间 产生的切向运动阻力称为摩擦力，这个阻力 与运动方向相平行，这种现象称之为摩擦。
5
2．按摩擦副的运动形式分类
(1)滑动摩擦
物体接触表面相对滑动时产生的摩擦称为滑动 摩擦。
(2)滚动摩擦
在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时产生的 摩擦称为滚动摩擦
6
3．按摩擦副表面的润滑状况分类
(1)纯净摩擦 摩擦表面没有任何吸附膜或化合物时产生的摩擦称 为纯净摩擦。这种摩擦只有在接触面产生塑性变形 使表面膜破坏或在真空中摩擦时才能发生。 (2)干摩擦(无润滑摩擦) 在大气条件下，摩擦表面间名义上没有润滑剂存在 时产生的摩擦称为干摩擦，或称无润滑摩擦。 (3)流体(润滑)摩擦 相对运动的两物体表面完全被流体隔开时产生的摩 擦称为流体(润滑)摩擦。当流体为液体时称为液体 摩擦，流体为气体时称为气体摩擦。流体摩擦时摩 擦发生在流体内部。 (4)边界(润滑)摩擦 介于干摩擦和流体(润滑)摩擦之间的一种摩擦形式， 摩擦表面间存在着一层极薄的润滑膜，这层润滑膜 的存在使得边界摩擦较之干摩擦状态有很大改善， 但还不足以将两摩擦表面完全分隔开。