第七章金属磨损和接触疲劳

2．2 两圆柱体作纯滚动时接触应力场 (Contacting stress field of both cylinders under rolling condition)
a．y ＝0处的应力场 ． 处的应力场 如p175，图7－18所示，两接触圆柱体半径分别为R1、 R2，长 度为L0 。在未变形前时线接触。施加法向力F 后， 则为面接触，接触面积为2bl。 根据弹性力学可推导出，σz 沿y 轴呈半椭圆形分布 （在y ＝0 处，σz 达到最大(σz max） σz ＝σz max （1－Y2 / b---- -----2 ）1/2 式中 b ＝ F ·（R1·R2）/ 【E·l· （R1＋R2）】为接触面半 宽；E ＝ 2E1·E2 / ( E1 +E2 )为综合杨氏模量。
2.4 磨粒磨损影响因素 金属材料的磨粒磨损抗力随H/E（H：材 金属材料的磨粒磨损抗力随 （ ： 料硬度； 材料的弹性模量 的增大而提高， 材料的弹性模量） 料硬度；E材料的弹性模量）的增大而提高，即 材料硬度越高， 则耐磨性越好（ 上图7材料硬度越高 ， 则耐磨性越好 （ 见 P177上图 上图 7）； ） 细化晶粒可以提高材料的耐磨性； 细化晶粒可以提高材料的耐磨性； 在较软基体中分布均匀、弥散的第二相， 在较软基体中分布均匀、弥散的第二相， 可以提高耐磨性； 但在硬基体中分布均匀、 可以提高耐磨性 ； 但在硬基体中分布均匀 、 弥 散的第二相，反而会降低耐磨性； 散的第二相，反而会降低耐磨性； 2.5 软磨粒磨损 （一般应用较少，故略）（见 一般应用较少，故略） P169） ）
第七章、金属磨损和接触疲劳 第七章、 Chapter 7 Wear and Contacting Fatigue of Metals
§7.1概述(Summarization) 概述(Summarization)
任何机器在运转时，各构件之间总要发生 任何机器在运转时， 接触及相对运动（滑动、滚动或滑动＋滚动）， 接触及相对运动（滑动、滚动或滑动＋滚动）， 因而产生摩擦＝ 磨损＝ 降低工具效率、 因而产生摩擦＝>磨损＝>降低工具效率、精度 甚至报废等，因此研究磨损规律， 甚至报废等，因此研究磨损规律，提高构件耐 磨性也是很重要的。 磨性也是很重要的。工业中发生磨损的零件很 如齿轮、轴承等的运转，飞机起落， 多，如齿轮、轴承等的运转，飞机起落，火车 飞驰，各种部件的锻造、挤压、冲压等等。 飞驰，各种部件的锻造、挤压、冲压等等。
磨损现象和耐磨性(Wear phenomenon and §7.2 磨损现象和耐磨性 resistance) 磨损(Wear) 一、 磨损 1.1 定义（Definition） 定义（ ）
相接触并作相对运动的两构件，其 表面因摩擦而形成 磨屑，从而从表面逐渐损失及损伤的现象称为磨损。其 中，磨损是一个复杂的过程，而磨屑的形成也是一个变 形与断裂的过程。
实际上，在F作用下，接触处应力为三向压应力，σx 、 σy 、σz 为主应力，相应的最大切应力为： τzy45o ＝ （σz － σy ）/2 τzx45 o ＝ （σz － σx ）/2 τyx45 o ＝ （σy － σx ）/2 其中τzy45 o 最大。它的分布见P185上图7-19和图7-20。 由图7-20或计算可得：在接触深度为0.786 b处，τzy45 o 达到最大值。 τzy45omax ≈ （0.3～0.33）σz max 因此该处将作 0～τzy45 o max 之间的循环应力作用。振幅 为1/2τzy45 o max 。
1.2 磨损过程 磨损过程(Wear process)
ε
⋅
磨损一般分为三个过程(见P.170上图7-1)： 跑合过程（磨合过程） 稳定磨损过程 剧烈磨损过程
1．3 耐磨性（Wear resistance） ． 耐磨性（ ） 耐磨性指材料抵抗磨损的能力。可用磨损 量或摩擦表面法线方向的尺寸减小或磨痕宽 度等来表示。
提高耐磨性的方法(Methods of increasing §7.5 提高耐磨性的方法 wear resistance)
由于金属材料磨损主要发生在工件表面上的变形与 断裂， 因此提高材料表面强度（ 或硬度） 及韧性， 断裂 ， 因此提高材料表面强度 （ 或硬度 ） 及韧性 ， 可 以提高材料的耐磨性。 以提高材料的耐磨性。 提高粘着磨损抗力的方法（ 一、 提高粘着磨损抗力的方法（Methods of increasing adhesion wear resistance） resistance） 方法有： 方法有： a．提高材料强韧性； ．提高材料强韧性； b．改善润滑条件（加润滑剂或表面渗 、P、N等）； ．改善润滑条件（加润滑剂或表面渗S、 、 等 c．提高氧化膜的稳定性及其与基体材料的结合力 ． 降低工件表面粗糙度。 降低工件表面粗糙度。
b．其他区域的应力分布 ． 以上是沿z轴方向的应力分布 轴方向的应力分布， 以上是沿 轴方向的应力分布，在接触区的其 他区域应力分布与此不同。即切应力不等于零。 他区域应力分布与此不同 。即切应力不等于零。 也即σ 不是主应力了。 也即 σx 、 σy 、 σz 不是主应力了 。 最大切应力 τ0 max 也平行于接触表面。τ0 max ＝0.25 bσz 也平行于接触表面。 σ max 。切应力平行于接触表面。且在 ＝ 0.5 b处， 切应力平行于接触表面。且在z 处 y ＝ 0.85 b处为最大。 处为最大。 处为最大 现两圆柱体作纯滚动接触， 现两圆柱体作纯滚动接触 ， 有两处接触应 力，即 z ＝ 0.786 b ，y ＝0和 z ＝ 0.5b，y ＝ 和 ， ±0.85 b 处。这两处最大切应力将是疲劳裂纹形 成的源区。 成的源区。 c．其他接触体的应力场。见p176-177。 ．其他接触体的应力场。 。
金属接触疲劳（ §7.6 金属接触疲劳（Contacting Fatigue of Metals） ） 一 、 接 触 疲 劳 及 接 触 应 力 （ Contacting fatigue and stress） ） 1．1 定义 定义(Definition) ．
当两机件接触滚动或滚动加滑动摩擦时， 当两机件接触滚动或滚动加滑动摩擦时 ， 在交变载荷（ 接触压应力） 的作用下， 表面 在交变载荷 （ 接触压应力 ） 的作用下 ， 因疲劳而损伤的现象称为接触疲劳， 也成为 因疲劳而损伤的现象称为接触疲劳 ， 表面疲劳磨损或疲劳磨损。 表面疲劳磨损或疲劳磨损。
1.4 磨损量的估算 磨损量的估算(Evaluation of wearing mass) J ·F·Archard 经推导得： V ＝ K · F·Lt / （ 9σsc·δ） 式中，V ：磨损的体积； Lt ：滑动距离；K ： 磨屑形成几率； F ： 法向作用力； σsc ：压缩屈服强度 δ：伸长率 由上式可见： σsc ，δ 升高，即 H 升高, V降低； F ，Lt 升高，V升高。
提高磨粒磨损抗力的方法（硬磨粒磨损） 二、 提高磨粒磨损抗力的方法（硬磨粒磨损） （ Methods of increasing particle wear resistance） ）
方法有： 方法有： a． 提高材料的强韧性； a． 提高材料的强韧性； b． 表面渗 、B、N； ． 表面渗C、 、 ； c． 保持表面清洁，即减少磨粒种类及数量。 ． 保持表面清洁，即减少磨粒种类及数量。
1．4 磨损分类 ． 磨损分类(Classification of wear)
1) 根据磨损表面形态可分为： 根据磨损表面形态可分为： a. 粘着磨损 b. 磨粒磨损 c. 腐蚀磨损
ε
⋅
ε
⋅
2) 根据磨损所受应力大小，磨粒磨损可分为: a．凿削式磨粒磨损（如挖掘机齿轮） b．高应力辗碎性磨粒磨损 c．低应力擦伤性磨粒磨损 3) 根据磨粒硬度与材料的相对硬度，磨粒磨损可分 为: a．硬磨粒磨损（磨粒硬度大于被磨材料的硬度） b．软磨粒磨损（磨粒硬度小于被磨材料的硬度）
磨损实验方法(Wear tests) §7.4 磨损实验方法 磨损实验方法有实物的实验（与实际情况一致 或接近）和实验室实验等两大类。 实验室试验方法有：a．销盘式 实验室试验方法有 b．销筒式 c．往复运动 d．MM型 e．砂纸磨损 f．快速磨损 具体装置简图见p172。图7－11 磨损评定：测量磨损重量或测量磨痕的长度。 磨损评定：测量磨损重量或测量磨痕的长度。
2.3 磨 粒 磨 损 量 的 估 算 (Evaluation of wearing mass) 两体磨粒磨损量的估算： 两体磨粒磨损量的估算： W ＝ F· l· tg θ/ 3πσsc πσ 或 W ＝ K·F· l· tg α/ H 法向作用力； 材料硬度； 式中 F ：法向作用力；H ： 材料硬度； 材料抗压屈服强度； σsc ：材料抗压屈服强度； θ：凸出圆锥面 与软材料表面间的夹角； 与软材料表面间的夹角 ； l ： 摩擦副相对滑 动的距离； K ：为系数。 动的距离； 为系数。 可见提高材料的硬度H， 或强度σ 可见提高材料的硬度 ， 或强度 σ ， 均 可提高磨粒磨损抗力。 可提高磨粒磨损抗力。
1.3 过程 过程(Process) 粘着磨损又有如下三个过程： 粘着磨损又有如下三个过程： 接触面凸起部分因塑性变形被辗平， 接触面凸起部分因塑性变形被辗平 ， 并在 接触面之间形成剪断强度高的分界面。 接触面之间形成剪断强度高的分界面。 。 在摩擦一方金属远离分界面处， 在摩擦一方金属远离分界面处 ， 发生断裂 称碎屑＝ 转移到另一方 转移到另一方。 称碎屑＝>转移到另一方。 形成磨屑脱落。 形成磨屑脱落。
通常磨粒磨损即指Βιβλιοθήκη Baidu磨粒磨损
磨损机理(Wearing mechanism) §7.3 磨损机理 粘着磨损(Adhesion wear) 一、 粘着磨损 1.1 定义 定义(Definition)
粘着磨损又称咬合磨损， 是指在滑动摩擦条 粘着磨损又称咬合磨损 ， 件下， 且摩擦副相对滑动速度较小（ <1m/s ） 件下 ， 且摩擦副相对滑动速度较小 （ 的磨损。 的磨损。 1.2 特点(Features) 特点(Features) 粘着实际上是摩擦副两表面原子间的键合 作用，在随后的继续滑动时，粘着点被全部剪 作用，在随后的继续滑动时， 断。并转移到另一方金属表面。然后脱落形成 并转移到另一方金属表面。 磨屑。 磨屑。
1．1 分类 ． 分类(Classification) 接触疲劳磨损可分为： i. 麻点剥落（点蚀）； ii. 浅层剥落； iii. 深层剥落（表面压碎）。 1．2 特性（Characteristic） ． 特性（ ） 接触疲劳破坏表面常有许多小针状或痘状凹 坑或大凹坑。
接触应力(Contacting stress) 一、 接触应力 由于接触疲劳是在接触压应力长期作用 下的结果， 下的结果 ， 所以了解两物体接触应力及其分 布是及其重要的。 布是及其重要的。 2．1 定义 ． 定义(Definition) 两物体相互接触时， 两物体相互接触时，在接触表面上产生局 部压入应力称为接触应力，也称为赫兹应力， 部压入应力称为接触应力，也称为赫兹应力， 可以是面接触、线接触或点接触。 可以是面接触、线接触或点接触。
磨粒磨损（ 二、 磨粒磨损（Particle wear） ） 2.1 定义 定义(Definition) 磨粒磨损——指当摩擦副一方表面存在坚硬 磨粒磨损 指当摩擦副一方表面存在坚硬 的细微凸起， 的细微凸起 ， 或在摩擦副接触面之间存在着硬 质粒子时所产生的一种磨损。 质粒子时所产生的一种磨损 。 前者又称为两体 磨粒磨损，后者称为三体磨粒磨损。 磨粒磨损，后者称为三体磨粒磨损。 2.2 磨粒特征（Characteristic） 磨粒特征（ ） 磨粒磨损主要特征是摩擦面上有明显的犁 皱形成的沟槽。 皱形成的沟槽。如p165，图7-5。 ， 。