08 材料的磨损与接触疲劳

2、外部因素
（1）表面粗糙度和接触精度 降低表面缺陷和粗糙度，提高接触精度，可
以有效提高接触疲劳寿命。
（2）硬度匹配 如减速器中小齿轮与大齿轮的硬度比保持在
1.4~1.7 的匹配关系，可提高接触疲劳寿命。
（3）润滑 良好的润滑和装配质量等可以提高接触疲劳寿
命。
8.5 非金属材料的磨损性能
（1） 陶瓷材料 ➢陶瓷材料的耐磨性远高于金属，而且在高温、 腐蚀环境下更显示出其独特的优越性。 ➢陶瓷的摩擦磨损行为对表面状态极为敏感； ➢陶瓷材料的抗冲蚀性能不仅与组分纯度有关， 而且与制备工艺有关。抗冲蚀磨损下选择高密 度、高纯度陶瓷。
(3)硬化层（深层）剥落
➢剥落坑深度大于0.4mm，剥块大。 ➢初始裂纹一般发生在机件表面硬化层的 过渡区，裂纹形成后先沿平行于表面扩展， 然后沿过渡区扩展，而后垂直于表面扩展， 最终造成大块剥落。
三、影响接触疲劳抗力的因素
1、内部因素 （1）冶金质量
非金属夹杂物如氧化物、硅酸盐降低接触疲劳寿命。采 用电渣重溶、真空冶炼等可以降低非金属夹杂物。 （2）热处理和组织结构
（2）聚合物
➢聚合物对磨粒具有良好适应性； ➢聚合物与金属配对的摩擦副优于金 属和金属配对； ➢大多数液体对聚合物具有润滑减摩 作用。
本章重点内容
1、磨损曲线三个阶段 2、各种磨损的定义（特征）
3、接触疲劳及其接触疲劳的类型
热处理主要提高强度和硬度，材料的抗拉强度越高，其 变形与断裂抗力越大，所以接触疲劳寿命大。 （3）表面硬度和心部硬度
在一定硬度范围内，接触疲劳强度随硬度升高而增大， 但是如果表面硬度太大，在表面层下的硬度梯度过大，则 容易在过渡区产生深层剥落。 （4）残余应力
在渗碳层中的一定范围内存在残余压应力，可以提高接 触疲劳寿命。
第八章 材料的磨损和接触疲劳
➢8.1 摩擦与磨损的基本概念 ➢8.2 磨损机制及提高磨损抗力的因素 ➢8.4 接触疲劳 ➢8.5 非金属材料的磨损性能
前言
➢相互接触的机械部件之间在相对运动的过程中必然 出现摩擦，产生发热和磨损。这不仅降低电力的利 用效率，长期的磨损还将导致机械部件的精度下降 ，甚至报废。大约80%的机件失效是磨损引起的。
8.4 接触疲劳
➢一、定义：对于轴承 和齿轮机件，在表面交 变接触压应力长期作用 下，接触表面局部区域 产生小片或小块状金属 剥落，导致机件疲劳损 伤的现象。又称疲劳磨 损、麻点、点蚀。
➢接触疲劳的宏观形态特征：接触面出现许多深浅
不均匀的针状或点状凹坑或较大面积的表面压碎。
二、接触疲劳的类型
➢接触疲劳过程：裂纹的成核（所占时间 长）＋裂纹扩展 ➢接触疲劳裂纹的形成由反复塑性变形所 致，裂纹的不断扩展，导致材料的表层剥 落。 ➢根据剥落坑外形特征，接触疲劳失效可 分为：麻点剥落、浅层剥落和硬化层剥落。
三、耐磨性
耐磨性是材料抵抗磨损的力 学性能指标，用磨损量来表 示。
磨损曲线（磨损量－时间曲线）：
(1) 跑合阶段 ：磨损速率不断减小。
(2) 稳定磨损阶段：材料的耐磨 性能由该段经历的时间、磨损速 率或磨损量来评定。大多数工件 均在此阶段服役，磨合得越好， 该段磨损速率就越低。
(3) 剧烈磨损阶段 ：磨损重新加 剧，机件快速失效。
摩擦
静摩擦
动摩擦
滑动摩擦 滚动摩擦
根据润滑状态分：液体摩擦、半液体摩擦、境界摩擦、干摩擦
二、磨损及类型
➢磨损：当两个物体沿接触表面作相对运动时发 生摩擦，引起物体表面层的物理、化学、机械性 能的变化，并因此出现几何形状、尺寸及物体质 量的变化过程。
➢摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。
➢磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相
➢其过程：
粘着→剪断→转移→再粘着
➢咬合磨损的速率较大。
减轻咬合磨损的主要措施：
(1) 摩擦副配对材料的选择 基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，
如选用互溶性小的材料配对，表面易形成化合 物的材料、金属与非金属等配对。
(2) 降低表面粗糙度，增加真实接触面积，减少 凸起接触点处所受压力。
(3) 设计时摩擦副一方承受的压强不超过所选材 料硬度的1/3。
➢ 氧化腐蚀过程：由于形成的氧化膜强度低，在摩擦 副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起 所剥落，裸露出新表面，发生氧化，随后又再被磨 去。
➢ 如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。
➢ 氧化磨损具有最小的磨损速率，生产上可以允许该 磨损的存在。
二、咬合磨损（黏着磨损、粘着磨损）
➢定义：只发生在滑动摩擦条件下，零Biblioteka Baidu表面缺乏润 滑和无氧化膜，摩擦副相对滑动速度较小（钢小于 1m/s），而单位法向载荷很大，以致接触应力超过实 际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。
对运动性（方式和速度）以及工作温度。
➢磨损的类型(按照磨损的破坏机制来分）：
氧化磨损；黏着磨损(咬合磨损、热磨损）； 磨粒磨损；微动磨损；表面疲劳磨损(接触疲 劳)。
➢磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件 和材料具有不同特性情况下，损伤机制会由 一种损伤机制变成另一种损伤机制。
磨损形式随滑动速度和载荷的变化
(1)麻点剥落（点蚀）
➢剥落深度在0.2mm 以下的小块剥落称为点蚀， 点蚀外观为针状或点状凹坑，截面呈不对称V形。
麻点剥落形成过程示意图 (a) 初始裂纹形成；(b) 初始裂纹扩展；(c) 二次裂纹形成；
(d) 二次裂纹扩展；(e) 形成磨屑；(f) 锯齿形表面
(2)浅层剥落
➢剥落深度为0.2-0.4mm，剥块底部大致和表面平行， 而且侧面的一侧与表面成锐角，另一侧与表面垂直。 ➢浅层剥落裂纹产生于亚表层，在纯滚动或摩擦力很小 的情况下，亚表层承受更大的切应力，产生塑性变形， 出现位错和空位，并逐步发展形成裂纹。裂纹沿与表 面平行的方向扩展，在应力集中处（夹杂物）产生二 次裂纹，沿与表面成锐角的方向扩展至表面，在另一 端形成悬臂梁，在反复弯曲作用下发生弯断，从而形 成浅层剥落。
➢磨损量可以有几种表示方法：
（1）线磨损量 即机件摩擦表面的法线方向的尺寸减少量。 （2）体积磨损或质量磨损 即机件体积或质量的损失量。 ➢耐磨性也可由磨损量倒数来表示；
➢也可由相对耐磨性ε表示：
8.2 磨损机制及提高磨损抗力的因素
一、氧化磨损
➢ 大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副 作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单 位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了 氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。
(4) 表面化学热处理改变材料表面状态，如进行 渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。
三、磨粒磨损
又称磨料磨损或研磨磨 损，是指滑动摩擦时，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。
主要特征：
摩擦面上有明显梨沟
减轻磨粒磨损的主要措施：
(1) 若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬 度； (2) 若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基 体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体； (3) 就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分 布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响； (4) 对于经渗碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机 件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤； (5) 确定材料硬度时，应以Hm＝1.3 Ha(Hm为摩 擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。
➢因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约 能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。
➢本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理 和影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制 磨损的途径。
8.1 摩擦与磨损
一、摩擦及类型：
摩擦：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。