08 材料的磨损与接触疲劳
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
20
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
2
▪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。
九江学院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
12
▪ 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。
九江学院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
21
§7.3 磨损实验方法
九江学院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
22
机械设计中的材料疲劳与磨损研究
机械设计中的材料疲劳与磨损研究在机械设计领域，材料疲劳与磨损是一个重要的研究课题。
随着现代工业的发展和需求的提高，各种机械设备的性能要求越来越高，因此对材料疲劳和磨损的研究也变得尤为重要。
材料疲劳是指在连续循环载荷作用下，材料内部产生的微裂纹逐渐扩展并最终导致失效的现象。
疲劳失效不仅会影响机械设备的寿命，还可能引发灾难性的事故。
因此，了解和控制材料的疲劳性能对于机械设计师来说至关重要。
研究人员通过实验和理论分析来探索和解决材料疲劳问题。
实验方法主要包括疲劳试验和断口分析。
疲劳试验通常采用拉伸、压缩或弯曲等方式加载试样，记录载荷与试样寿命的关系，从而确定材料的疲劳性能。
断口分析是根据试样在疲劳失效后的断口形貌来判断失效的机制和过程。
理论分析主要基于力学和材料学的原理，通过建立数学模型和计算方法，预测材料在不同加载条件下的疲劳性能。
除了疲劳，材料的磨损问题也是机械设计师关注的焦点。
磨损是指材料表面与外界接触时摩擦和磨蚀作用导致的物质损失。
材料的磨损会降低设备的工作效率，增加维护成本，并可能导致设备的失效。
因此，理解材料的磨损过程、控制磨损速度是提高设备寿命和性能的关键。
磨损的机制可以分为磨蚀磨损和疲劳磨损两种。
磨蚀磨损是指材料表面由于与外界物体接触和摩擦所导致的物质损失。
疲劳磨损则是由于材料在循环加载下承受的应力超过其承载能力而导致的磨损。
磨损的种类包括磨粒磨损、疲劳裂纹磨损、表面疲劳磨损等。
在材料磨损的研究中，研究人员通过实验和模拟来揭示磨损机制和控制磨损速度的方法。
实验方法包括摩擦磨损试验和表面分析。
摩擦磨损试验可以模拟实际工作条件下的磨损过程，通过调整试验参数和观察试样表面的形貌变化来研究磨损机制。
表面分析是通过扫描电子显微镜等工具观察、分析试样表面的微观结构和组成，以揭示磨损的机制和过程。
除了实验方法，模拟方法也被广泛应用于材料磨损研究中。
计算机模拟可以通过建立数学模型和仿真方法，预测材料在不同工况下的磨损情况。
《材料的磨损原理》课件
轴承磨损案例
总结词
轴承是机械设备中的关键部件，其磨损机制和影响因素较为复杂。
详细描述
轴承在运转过程中，内外圈和滚动体之间会发生接触摩擦，导致磨损。主要的磨 损机制包括粘着磨损、疲劳磨损和微动磨损等。材料的硬度、成分、表面处理和 润滑条件等都影响轴承的耐磨性。
刀具磨损案例
总结词
刀具的磨损对其使用寿命和加工精度有重要影响，涉及多种因素和机制。
磨损的定义和分类
定义
材料磨损是指材料在相对运动过程中 ，由于机械、化学或热的作用而导致 的表面损伤或质量损失。
分类
根据磨损机制的不同，将磨损分为粘 着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀 磨损和腐蚀磨损等类型，并简要介绍 各种类型的特点和影响因素。
02
CATALOGUE
材料磨损原理
粘着磨损
粘着磨损是指两个接触表面在相对运动时，由于粘着效应而产生摩擦力 使表面材料转移或粘附到对方表面或伴随摩擦产生剪切应力使材料表层 发生塑性变形、撕裂和脱落的现象。
疲劳磨损
疲劳磨损是指摩擦表面在交变应力或循环应力的作用下，由于疲劳裂纹的 萌生和扩展，最终导致材料脱落的现象。
疲劳磨损与材料的疲劳强度、应力集中、循环次数和表面粗糙度等因素有 关。
疲劳磨损常见于滚动轴承、齿轮和曲轴等机械零件。
腐蚀磨损
腐蚀磨损是指摩擦表面与腐蚀介质相互作用，引起表面材料腐蚀和脱落的现象。
提高耐磨性。
耐腐蚀材料
02
针对腐蚀性环境，选择耐腐蚀的材料，如钛合金、某些塑料等
。
复合材料
03
利用复合材料的优势，将不同材料的优点结合，提高整体耐磨
性。
表面处理
表面涂层
在材料表面涂覆耐磨涂层 ，如镀铬、喷涂陶瓷涂层 等。
材料力学性能(8)
8.2 材料的摩擦
按摩擦副运动状态：静摩擦（相对运动趋势）、 动摩擦（相对运动） 按摩擦副运动形式：滑动摩擦（相对滑动）、滚动摩擦（沿接触表面滚动） 按摩擦副表面的润滑状况： 纯净摩擦（表面没有任何吸附膜、如真空条件下）
干摩擦（大气条件下，没有润滑剂存在）
流体摩擦（表面完全被流体隔开，分液体摩擦和气体摩擦） 边界摩擦（极薄的润滑膜存在） 混合摩擦（同时有上面2种以上情形）
粘着坑
按照摩擦表面损伤程度可划分为五类粘着磨损，
√
涂抹
类型
损坏现象 剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微
损坏原因 粘着结合强度比摩擦副的两基本金属 抗剪强度都弱 粘着结合强度大于较软金属的抗剪强 度，但小于较硬金属的抗剪强度 粘着结合强度比两基本金属的抗剪强 度都高
轻微磨损
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上 剪切主要发生在较软金属的亚表层内有是也发生在硬金属的 亚表层内;转移到硬金属上的粘着物又使软表面出现细而浅的 划痕，有时硬金属表面也有划伤
2、机理：交变剪应力作用，裂纹在最大剪应力处成核，扩展至表面剥落→凹坑 轻微时：麻点（麻点剥落形成凹坑） 较重时：浅层剥落 可利用疲劳磨 严重时：深层剥落（硬化层剥落，压碎性剥落） 损进行裂纹修 取决于——最大综合切应力/材料屈服强度、疲劳强度，之相关系
3、影响因素
复
凡影响最大综合切应力（最大剪应力+滑动的摩擦力）和材料强度、韧性的因素，均影响
Ws、 Wb分别为实际试样和标准试样的磨损率
8.3.2 磨损机理
8.3.2.1磨料（磨粒磨损）
√
1、定义：硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移造成的磨损 2、机制： 微观切削——硬颗粒对表面切削形成切屑 微观犁沟——磨粒与塑性材料表面接触，表面受磨粒挤压向两侧隆起，形成犁沟 微观断裂——磨粒与脆性材料接触，材料受磨粒压入产生裂纹，裂纹交叉扩展剥落 实际中，往往几种机制同时存在，以一种为主。随工作条件而变化。
7 金属磨损和接触疲劳
7.3 磨损试验方法
实物磨损试验:以实物零件在机器实际工作条件 下进行试验,或者用实物零件在模拟机械使用条 件的试验台上进行试验.结果可靠性高,但时间 长,难于掌握和分析. 试样磨损试验:将欲试材料制成规定试样,在规 定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验. 时间短,成本低,易掌握和控制,但可靠性不高. 通常用秤量法或测长法确定磨损量.
氧化磨损
过程:氧化膜形成又除去,机件表面逐渐 被磨损. 宏观特征:在摩擦面上沿滑动方向呈匀细 磨痕,其磨损产物或为红褐色的Fe 磨痕,其磨损产物或为红褐色的Fe2O3或为 灰黑色Fe 灰黑色Fe3O4.
五,微动磨损
定义:接触表面之间因存在小振幅相对振动或往 复运动而产生的磨损微动磨损.通常发生在一对 紧配合的零件. 特征:摩擦副接触区有大量红色Fe 特征:摩擦副接触区有大量红色Fe2O3磨损粉末. 微动磨损量与材料性质,滑动振幅和施加载荷有 关. 滚压,喷丸和表面热处理都可因为表层产生压应 力,能有效地提高微动磨损与疲劳的抗力.
�
4,改善粘着磨损耐磨性的措施
合理选择摩擦副材料; 避免或阻止两摩擦副间直接接触; 为使磨屑多沿接触面剥落,以降低磨损量, 可采用表面渗硫,渗磷,渗氮等表面处理 工艺等.
二,磨粒磨损
1,磨损机理 摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或 在接触面向存在硬质粒子( 在接触面向存在硬质粒子(从外界进入或从 表面剥落) 表面剥落)时产生的磨损. 特征:摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成 的沟槽.
一般发生在表面强化的材料中如渗碳钢接触疲劳试验机上进行试验机目前国内接触疲劳试验机上进行试验机目前国内常用的主要有单面对滚式双面对滚式和常用的主要有单面对滚式双面对滚式和接触疲劳寿命首先取决于加载条件特别接触疲劳寿命首先取决于加载条件特别是载荷大小
铝基镶嵌材料的磨损特性及耐磨机理
铝基镶嵌材料的磨损特性及耐磨机理铝基镶嵌材料的磨损特性及耐磨机理磨损是机械设备在运转过程中的一种难免的现象，因此材料的抗磨性能是重要的工程性能之一。
铝基材料因其密度小、强度高、可加工性强等特点而受到广泛应用，但对于长时间受到磨损的部件，其寿命可能会受到影响。
为了提高铝基材料的抗磨性能，研究人员开发出了铝基镶嵌材料。
本文对铝基镶嵌材料的磨损特性和耐磨机理进行了研究。
1. 铝基镶嵌材料的制备铝基镶嵌材料是通过在铝基材料表面镶嵌一定量的磨损抵抗性材料来制备的。
铝基材料通常是6061-T6铝合金，而用于镶嵌的材料通常是硬度高、抗磨性能好的材料，如碳化钨、氧化锆等。
铝基镶嵌材料的制备过程主要包括以下几个步骤：(1) 表面处理：首先要对铝基材料进行表面处理，以便于镶嵌材料与铝基材料相接合。
表面处理步骤通常包括清洗、去除氧化层和处理化学涂层等。
(2) 镶嵌：在表面处理后，将镶嵌材料分散在粘合剂中，然后涂在铝基材料表面上。
(3) 热处理：将铝基镶嵌材料进行热处理，以提高镶嵌材料与铝基材料的结合强度，同时也有利于改善铝基材料的力学性能。
2. 铝基镶嵌材料的磨损特性铝基镶嵌材料的磨损特性是指在材料受到外力作用下，材料表面被磨损的程度。
磨损可以分为三种形式：磨粒磨损、表面疲劳磨损和接触疲劳磨损。
(1) 磨粒磨损：磨粒磨损是指在外力作用下，磨粒与材料表面相互作用，导致材料表面被切削或刮削。
铝基镶嵌材料的磨损抵抗性能主要由镶嵌材料的硬度和结合强度决定。
(2) 表面疲劳磨损：表面疲劳磨损是指在外力作用下，材料表面微小成分发生了疲劳破坏。
这种磨损形式可能会在材料表面出现裂纹，进而导致材料失效。
(3) 接触疲劳磨损：接触疲劳磨损是指在外力作用下，接触表面上的高点和凹槽之间产生的往返运动，导致材料表面发生了疲劳破坏。
在铝基镶嵌材料中，磨损抵抗性能主要取决于镶嵌材料的硬度和结合强度。
3. 铝基镶嵌材料的耐磨机理铝基镶嵌材料的耐磨机理主要包括以下三个方面。
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。
磨损的类型磨损机理表面疲劳磨损形成及影响因素
磨损的类型磨损机理表面疲劳磨损形成及影响因素磨损实际是接触表面随着时间增加和载荷作用损伤的累积过程。
自然界中不论机械零件，还是人造关节都存在着磨损。
可以说，磨损无处不在。
它直接影响着机器的运转精度和寿命。
据统计,每年全世界生产总值的近五分之二被摩擦磨损消耗掉了。
因此，开展系统的摩擦学设计，尽量减少或消除磨损，对人类具有重大意义。
前苏联学者进一步较全面地提出了区分磨损类别的方法。
他将磨损分为三个过程，依次为表面的相互作用两体摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的。
机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应，可以是两体表面的粗糙峰直接啮合引起的，也可以是夹在中间的外界磨粒造成的。
表面分子的作用包括相互吸引和粘着，前者作用力小于后者。
表面层的变化在表面摩擦的作用下，表面层将发生机械的，组织结构的及物理的和化学的变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响造成的。
表面层的塑性变形会使金属冷作硬化而变脆，反复的弹性变形会使金属出现疲劳破坏。
摩擦热引起的表面接触高温可以使表层金属退火软化，而接触后急剧冷却将导致再结晶或固溶体分解。
外界环境的影响主要表现为介质在表层的扩散，包括氧化和其他化学腐蚀作用，因而会改变金属表面层的组织结构。
表面层的破坏形式有擦伤、点蚀、剥落、胶合、微观磨损。
近年来的研究普遍认为, 按照不同的机理对磨损来进行分类是比较恰当的。
通常可将磨损划分为个基本类型粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。
虽然这种分类还不十分完善, 但概括了各种常见的磨损形式。
磨损机理通常从机理上可以把磨损分为粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，侵蚀磨损，腐蚀磨损和热磨损等。
粘着磨损相对运动的表面因存在分子间的吸引而在表面的微观接触处产生粘着作用，当粘着作用的强度大于材料内部的联接强度时，经过一定周期的接触就会产生磨损。
粘着磨损的磨损度常常是压力的函数，低压软表面或高压下都会产生严重的粘着磨损。
对于可以认为是同类材料的摩擦副表面，磨损常数趋于较大值，因为粘着作用的实质是原子或分子间产生了融合。
疲劳磨损
的控制参量。 三、疲劳磨损影响因素： 1、材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性， 在循环应力作用下与基体材料脱离形成 空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。 通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低 接触疲劳寿命。 2、表面粗糙度的影响 粗糙度值越大，疲劳寿命越短。 因为实际加工表面的微凸体接触，使椭圆分布的应力场变成了很多分散的微观应力 场，从而引发了很多微观点蚀。微观点蚀的出现往往构成了宏观点蚀裂纹的起源，因此，提 高表面光洁度有利于延长疲劳磨损寿命。 3、润滑与润滑剂的影响 实验表明： 增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。 下面是粘度影响疲劳磨损机理的不同 观点：
高速铁路钢轨的接触面疲劳与磨损机理
高速铁路钢轨的接触面疲劳与磨损机理随着交通需求的增长和技术的进步，高速铁路系统已经成为现代交通领域的重要组成部分。
而作为高速铁路系统中的重要基础设施，钢轨的质量和工作状态对于保障运营的安全和可靠性至关重要。
其中，钢轨的接触面疲劳与磨损问题成为铁路工程师和维护人员关注的焦点。
接触面疲劳是指钢轨上的轮托力在列车行驶过程中产生的动态载荷作用下，导致钢轨表面裂纹、剥落等损伤现象的过程。
接触面磨损则是由于列车轮与钢轨表面的接触摩擦作用，使得钢轨表面的金属材料不断磨损的现象。
在高速铁路的运营环境中，接触面疲劳和磨损问题与列车运行速度、受力条件、车轮和钢轨材料等多种因素密切相关。
首先，高速列车的运行速度较快，使得钢轨所承受的力和应力显著增加。
其次，不同列车类型和运行方式导致钢轨的受力特点存在差异，比如有轨电车、动车组和高速铁路列车等，它们的受力情况有所不同，从而对钢轨接触面疲劳和磨损机理产生影响。
此外，钢轨和车轮的材料特性也在一定程度上决定了接触面的疲劳和磨损情况。
具体来说，接触面疲劳主要由以下几个因素引起。
第一，动态载荷是产生接触面疲劳的最重要因素之一。
列车通过钢轨时，车轮对钢轨施加的载荷会导致接触面上的应力集中，并在钢轨表面形成裂纹。
随着列车的不断行驶，载荷的作用会导致裂纹的扩展和扩展区域的表面剥落，最终导致钢轨的断裂。
第二，钢轨的缺陷和不均匀性也是接触面疲劳的重要因素。
如果钢轨存在缺陷，如内部夹杂物、晶界偏差或裂缝等，这些缺陷会成为应力集中的地方，从而加速接触面的疲劳过程。
此外，钢轨的不均匀性也会导致接触面疲劳问题。
例如，在车轮通过交叉轨道或道岔时，钢轨的形变和几何形状也会导致接触面的应力变化，从而进一步加剧疲劳现象。
钢轨接触面的磨损是由列车车轮与钢轨表面之间的接触摩擦引起的。
在列车行驶中，车轮和钢轨的接触面会受到不断变化的力和摩擦效应，从而导致钢轨表面的材料磨损。
这种磨损主要表现为轮磨和轨磨。
轮磨是指车轮表面与钢轨的接触摩擦作用，使车轮表面的金属材料受到磨损和剥落。
武汉理工大学839机械设计05-08年考研真题答案
k冫
荻:= 尹 氵 迂
、
^
2′
~
$尸 3°
2ti
'
' 廴 l
卩
∷i P撼 l F∷ 督 Ⅲ 盯
∷ :=钾 阝
・ ’ 钅 x枷
t亻
)°°
尹 `笋 、 Ⅱ 甘
飨
栽 ”
嘎
衤 廴 牌 f ;
^笋 ∵ 飧 i摄 ;耆 i翳 鼙 镘 舞 |鼾 鋈 畔 斡鼙 襻 犟 篾 卿 瞬
艹冖∷抒 挨
Ⅰ 锣
∷窬
∷
硇
爽 赊 芦
^ 芩 ∷ Ⅴ 螯 Ⅲ 韩
∷ 燕
∷ ¤ ￠肀 轸
口 F 0 苫 9 沁 . h
茹 飞
| 仟
?△ 盯 ∷∷∶ ∷∵黟∷ |∷ ∷△ ∷ ∷ ∷ 如 ⒎ ∷ ∷∷ ∷ ∷ ∷ ∷ ∷ =∷ Ⅱ 诋 ∷
§ 晷弪
蟀 i翳 ~咿 宝
饽 舅扛 3莨淼
′ 艮 忄 z=fF(x阝 十 之 )'A′ ’ =∶ xf°
∷ 娥∷砝∷ 轴 蔽 ∷ ∴ ∷ ∷
灬 ⒊ 羿 彦 耱 ∷ 扌 F`/
豳j∷ 蹬
睿
Ⅱ 嗲F嗥 吓 鄣 1廴
∷∷ △ 飙
∷ 妒 驷
醛罗 亻 扌
ζ。 莎 乃 /莎 ⒈ 邓
谗 熏 聘 :謦孟∵ 啄螂酽唆 黩∷ 缸掭扣 舯 冖 △ ||△肀
轱
,|Ⅱi俨 艹∴ γ
￠
拿秩
/
∵ 哏:l\
‘ 、η
∶\ |
^ ˉ `
午 笋
F・ ,甓
⊥
∷ 心 ∷,赞∷ 盛咖洱
P 冫 ・ . 、 ∴ i ∶∴ 。i∴ ∶ ∶ ∶ , 1 ∶ ∶ ∶} ∶ ;∶’ ∶ ∵.{ ` ∶
机械结构的磨损与疲劳特性分析
机械结构的磨损与疲劳特性分析引言机械结构在长期使用过程中，不可避免地会出现磨损和疲劳现象。
磨损是指材料表面的慢性剥落和磨蚀，而疲劳则是由于反复应力加载而导致的材料损伤。
本文将从机械结构的磨损与疲劳特性分析的角度入手，探讨其机制和影响因素，为相关领域的研究提供一定的参考。
一、磨损的机制与分类1.1 磨损机制磨损机制是指导致机械结构磨损的基本原因和过程。
目前，磨损机制主要包括磨粒磨损机制、接触疲劳磨损机制和腐蚀磨损机制等。
磨粒磨损机制是指分散在润滑介质或杂质中的颗粒对材料表面产生剥落和磨蚀作用；接触疲劳磨损机制是由于反复应力加载引起材料断裂和剥落；腐蚀磨损机制是由于化学性质的反应导致材料表面产生腐蚀和剥落。
1.2 磨损的分类根据磨损表面形貌不同，磨损可分为磨粒磨损、疲劳磨损、划痕磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等。
磨粒磨损是由于磨粒与材料表面相互作用引起的；疲劳磨损是由于动载荷导致材料疲劳破坏；划痕磨损是由于外界物体在材料表面上滑动引起；粘着磨损是由于材料表面粘附有其他材料引起；腐蚀磨损是由于液体、气体等环境介质腐蚀作用引起。
二、磨损对机械结构的影响磨损对机械结构的影响主要体现在以下几个方面：2.1 降低精度和寿命磨损使得机械结构的工作表面失去一定的平滑度，导致精度降低。
同时，磨损还会导致机械结构的寿命缩短，降低了机械设备的可靠性和使用效率。
2.2 增加能量损耗和噪音磨损会引起机械结构的摩擦增加，从而增加能量损耗和产生噪音。
这不仅对机械设备的运行效率和生产环境造成了不利影响，还会增加能源消耗和人们的心理负担。
2.3 引发故障和事故机械结构的磨损可能导致零部件的损坏和系统故障，甚至引发严重的事故。
例如，在交通工具中，车辆轮胎的磨损过度可能导致爆胎，引发交通事故。
三、疲劳特性分析3.1 疲劳失效疲劳失效是指机械结构在连续或循环加载下由于应力超过其承受范围而发生破坏。
其特点是在相对较小的载荷下引起的损伤，常常以裂纹扩展为主要特征，最终导致断裂。
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：
接触疲劳 PPT课件
图2为齿轮节圆附近齿面的麻点剥落， 图3为表面淬火齿轮深层剥落的宏观形貌。
图2 中等硬度齿轮小的麻点
图3 表面淬火齿轮沿过渡区深层剥落
接触疲劳与一般疲劳一样，也分为裂纹形成和扩展两 个阶段，但通常认为裂纹形成过程时间长。
接触疲劳曲线也有两种：一种是有明显的接触疲劳极 限；另一种是对于硬度较高的钢，最大接触压应力随 循环周次增加连续下降，无明显接触疲劳极限。
工程材料力学性能
09金属三班
吕洪伟
0907024321
接触疲劳
一、接触疲劳现象与接触应力 二、接触疲劳破坏机理 三、接触疲劳试验方法 四、影响接触疲劳寿命的因素
一、接触疲劳现象与接触应力
1. 接触疲劳现象 机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在
交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损 伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使 物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。
接触疲劳的宏观形 态存征是在接触表面上 出现许多小针状或痘状 凹坑，有时凹坑很深， 呈贝壳状，有疲劳裂 纹发展线的痕迹，如图 1
图 1:接触疲劳表面形貌
根据剥落裂纹起始位置及形态的不同，金属接触疲 劳破坏分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥 落三类。 麻点剥落：深度在0.1~0.2mm以下的小块剥落，呈 针状或豆状凹坑，截面呈不对称V型。 浅层剥落：深度在0.2~0.4mm，剥落底部大致和表 面平行，裂纹走向与表面呈锐角和垂直。 深层剥落：深度和硬化层深度相当，裂纹走向和表 面垂直。
滚动接触时，不论两接触物体是球体的点接触还是 圆柱体的线接触，接触面均为椭圆、最大压应力都
发生在表面上，而最大剪应力τmax发生在离表面一
定距离Z=0.786b处, 其中b为接触圆半径。
金属的磨损及接触疲劳
③深层剥落 这类剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一般
发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。
（3 ）提高接触疲劳抗力的措施
Hale Waihona Puke 1)采用真空电弧冶炼和电渣重熔等工艺提供优
质纯净的材料； 2)对轴承钢接触疲劳性能的研究表明，末溶碳 化物状态相同的条件下，马氏体含碳量在0.4％ ~0.5％左右时，接触疲劳抗力、寿命最高． 3)在基体为马氏体的组织中，减小碳化物粒度 并使之呈球状均匀分布，使基体中马氏体、残 余奥氏体和末溶碳化物量之间有最佳匹配，可 最大限度地提高接触疲劳抗力。
11.3.5接触疲劳
接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮 等类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引 起的一种表面疲劳现象。
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
（1）接触应力概念
两物体相互接触时， 在表面上产生的局部 压力叫做接触应力， 一般出现如下两种情 况：
①两接触物体在加载
前为线接触(如圆柱与 圆柱、圆柱与平面接 触)
潘存云教授研制
磨料磨损事例图
11.3.4微动磨损
两接触表面间小幅度的相对切向运动称为微动磨损。 在压紧的表面之间由于微动而发生的磨损称为微动磨 损。在一些机器的紧配合处，它们之间虽然没有明显 的相对位移，但在外加循环载荷和振动的作用下，在 配合面的某些局部地区将会发生微小的滑动。 微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦 副的相对运动。 应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、 旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。
研究认为，微动磨损是粘着、磨料、腐 蚀和表面疲劳的复合磨损过程。
一般认为，它可能出现三个过程： ①两接触面微凸体因微动出现塑性变形，粘
着，随后发生的切向位移使粘着点脱落：
材料接触疲劳极限
材料接触疲劳极限材料接触疲劳极限是指材料在长期接触外界环境或受到外力作用下，逐渐失去原有性能并最终发生破坏的极限状态。
这种疲劳现象在工程领域中非常常见，对于材料的设计和使用具有重要的指导意义。
材料接触疲劳极限与材料的特性密切相关。
不同材料具有不同的疲劳极限，这取决于其化学成分、晶体结构、晶界特性等因素。
例如，金属材料通常具有较高的疲劳极限，而陶瓷材料则较低。
因此，在工程设计中，需要根据具体应用场景选择合适的材料，以确保其在长期使用过程中不会发生疲劳破坏。
材料接触疲劳极限还与外界环境的影响密切相关。
例如，金属材料在潮湿环境中容易发生腐蚀，从而降低其疲劳极限。
此外，温度的变化、氧化作用、化学物质的侵蚀等因素也会对材料的疲劳性能产生影响。
因此，在实际应用中，需要对材料进行合理的防护措施，以延长其使用寿命。
外力作用也是导致材料接触疲劳的重要原因之一。
当材料受到周期性加载时，其内部会产生应力集中现象，从而导致疲劳裂纹的形成和扩展。
这种加载可以是拉伸、压缩、弯曲等形式，例如机械零件在运行过程中的振动载荷、风力对建筑物的作用等。
因此，在工程设计中，需要合理预估材料所承受的外力，并采取相应的措施来减小应力集中，以延缓材料的疲劳破坏。
材料接触疲劳极限还与材料的表面质量和处理方式有关。
表面缺陷、裂纹、粗糙度等都会对材料的疲劳性能产生重要影响。
因此，在材料加工和处理过程中，需要采取适当的措施来提高材料的表面质量，例如抛光、喷砂、电镀等。
材料接触疲劳极限是材料工程中一个重要的概念。
了解材料的疲劳性能，选择合适的材料和加工方式，以及采取适当的防护措施，对于确保材料在长期使用过程中不发生疲劳破坏具有重要意义。
在工程实践中，需要综合考虑材料的特性、外界环境和外力作用等因素，以确保材料的安全可靠性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（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
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
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。
(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
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。
➢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。
➢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。
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。
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。
➢ 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，零件表面缺乏润 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。
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。
➢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。