材料性能与测试课件-第六章材料的磨损性能

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三、接触疲劳特点和过程
1、现象和特征： 、现象和特征： 出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑 麻坑 麻坑)。 出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑 。 有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。 有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。
图6-5 接触疲劳磨损的形貌
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2、接触疲劳分类 、
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4、接触疲劳过程 、
1)麻点剥落 1)麻点剥落 最大综合切应力→ 最大综合切应力→表层材料 累积损伤→萌生裂纹； 累积损伤→萌生裂纹；润滑油 挤入裂纹内→形成油楔→ →挤入裂纹内→形成油楔→裂 纹沿与滚动方向倾斜角小于45 45º 纹沿与滚动方向倾斜角小于45 的方向扩展→裂纹与表层材料 的方向扩展→ 间被折断→形成0.1 0.2mm深 0.1～ 间被折断→形成0.1～0.2mm深 的痘状凹坑→形成麻点剥落。 的痘状凹坑→形成麻点剥落。
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2、各种磨损类型可以发生转化。 、各种磨损类型可以发生转化。
图6-2 磨损类型转化
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§6.2 磨损过程
一、粘着磨损特点和过程
1、特点： 、特点： 机件表面有大小不等的结疤， 机件表面有大小不等的结疤， 2、发生条件： 、发生条件： 多发生在摩擦副相对滑动速度小;接触面 多发生在摩擦副相对滑动速度小 接触面 氧化膜脆弱;润滑条件差 润滑条件差; 氧化膜脆弱 润滑条件差 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 3、磨损过程： 、磨损过程： 表面接触的少量微凸体→产生很高的应 表面接触的少量微凸体 产生很高的应 图6-3 粘着磨损形貌和示意图 力 →发生塑性变形 形成粘着点 发生塑性变形→形成粘着点 发生塑性变形 →被剪断、拉开 转移到一方材料表面 被剪断、 被剪断 拉开→转移到一方材料表面 →脱落下来 形成磨屑。 脱落下来→形成磨屑。 脱落下来 形成磨屑 就是粘着点不断形成， 就是粘着点不断形成，又不断被破坏并脱 落的过程。 落的过程。
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Friction This phenomenon is encountered whenever there is relative motion between contacting surfaces, and it always opposes the motion. As no mechanically prepared surfaces are perfectly smooth, when the surfaces are first brought into contact under light load, they touch only along the asperities (real area of contact). The early theories attributed friction to the interlocking of asperities; however, it is now understood that the phenomenon is far more complicated.
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图6-4 磨粒磨损形貌
3、磨粒磨损量： 、磨粒磨损量：
K W = • p • L • tan θ H
Here W is the wear volume lost, K is the wear coefficient, 磨粒磨损系数；H is the hardness, p is the contact pressure force，接触压力； and L is the sliding distance.
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4、粘着磨损量的估算 、粘着磨损量的估算(Archard model)
K W = •F•L H
Here W is the wear volume lost, K is the wear coefficient, 粘着磨损系数，在10-12-10-15 量级；H is the hardness, F is the normal force,法向力; and L is the sliding diatance.
上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、 上式表明，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（ 动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬 成反比， 度）成反比，与表观接触面积无关
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二、磨粒磨损特点和过程
1、特点： 、特点： 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。 2、形成过程： 、形成过程： 磨粒对摩擦表面产生的微切削作用→塑性变形 磨粒对摩擦表面产生的微切削作用 塑性变形 →疲劳破坏或脆性断裂 →产生沟槽。 疲劳破坏或脆性断裂 产生沟槽 产生沟槽。
麻点剥落形成过程示意图： 初始裂纹形成； 初始裂纹扩展 初始裂纹扩展； 图6-7 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 二次裂纹形成； 二次裂纹扩展； 形成磨屑；
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2)浅层剥落 2)浅层剥落 纯滚动情况。 纯滚动情况。 最大综合切应力→ 最大综合切应力→次表层材料 累积损伤→ 萌生裂纹→ 累积损伤→ 萌生裂纹→裂纹沿 非金属夹杂物平行于表面扩展 →而后垂直扩展直至表面→形 而后垂直扩展直至表面→ 成盆状剥落凹坑→ 成盆状剥落凹坑→形成浅层剥 落。
1、摩擦： 、摩擦： 接触物体间的一种阻碍运动的现象。 接触物体间的一种阻碍运动的现象。 2、磨损： 、磨损： 在摩擦作用下物体相对运动时， 在摩擦作用下物体相对运动时，表面 逐渐分离出磨屑(局部变形和断裂 局部变形和断裂)， 逐渐分离出磨屑 局部变形和断裂 ， 从而不断损伤的现象。 从而不断损伤的现象。 3、磨损过程： 、磨损过程： 1) 跑合 磨合 阶段 磨损速率下降。 跑合(磨合 阶段: 磨损速率下降。 磨合)阶段 2) 稳定磨损阶段 磨损速率稳定。 稳定磨损阶段: 磨损速率稳定。 3) 剧烈磨损阶段 磨损速率增加。 剧烈磨损阶段: 磨损速率增加。 时间变化； 载荷大小方向随 时间变化；
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Wear This is the progressive loss of substance of one body because of rubbing by another body. There are many different types of wear, including sliding wear, abrasive wear, corrosion, and surface fatigue.
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图6-1 磨损量和时间曲线
二、摩擦的基本类型
1、根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分四类： 、根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分四类： a 粘着磨损 粘着磨损(Adhesive Wear)：材料表面某些接触点局部压应力超 ： 过该处材料屈服强度发生粘合并拉开而产生的磨损； 过该处材料屈服强度发生粘合并拉开而产生的磨损； b 磨粒磨损 磨粒磨损(Abrasive Wear)：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微 ： 凸起或在接触间存在硬质粒子时产生的磨损；如锉削、磨金相、 凸起或在接触间存在硬质粒子时产生的磨损；如锉削、磨金相、 抛光等 c 腐蚀磨损 包括氧化、微动、浸蚀磨损 腐蚀磨损(包括氧化 微动、浸蚀磨损)(Corrsion Wear)：在腐 包括氧化、 ： 蚀应用环境中摩擦表面与周围介质发生反应， 蚀应用环境中摩擦表面与周围介质发生反应，在表面形成腐蚀 产物粘附不牢，摩擦中被剥落下来， 产物粘附不牢，摩擦中被剥落下来，新的表面又进一步发生反 产生磨损。 应，产生磨损。 d 接触疲劳磨损 接触疲劳磨损(Rolling Contact Wear)：两接触材料作滚动或者 ： 滚动滑动摩擦时， 滚动滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳 磨损，局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损； 磨损，局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损； 是齿轮、滚动轴承常见失效方式。 是齿轮、滚动轴承常见失效方式。
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3、接触应力概念 、
两物体相互接触时, 两物体相互接触时 在局部表面产生 的压应力。分为线接触(如圆柱与圆柱 的压应力。分为线接触 如圆柱与圆柱 接触)与点接触 如滚珠与轴承圈)两类 与点接触(如滚珠与轴承圈 两类。 接触 与点接触 如滚珠与轴承圈 两类。 (d) (c)
(a)
(b)
两圆柱体线接触表面应力分布(a)； 图6-6 两圆柱体线接触表面应力分布 ； (b)沿接触深度的应力分布； 沿接触深度的应力分布； 沿接触深度的应力分布 (c) 点接触表面应力分布； 点接触表面应力分布； (d) 综合切应力沿深度分布 综合切应力沿深度分布.
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风阻：550公里/小时 轨道磨损
弓网：大电流下的摩擦磨损
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水中航行体的主要能源和动力 被用来克服行进中的阻力，其中 摩擦阻力占最大成分(水下80%)； 对于诸如输油管道这类管道运输， 其能量几乎全部被用来克服流固 表面的摩擦阻力。
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卫星飞轮 轴承润滑油 耐磨轴承材料 稳定的微量供油技术 航空发动机 叶片和摩擦阻尼器
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四、腐蚀磨损特点和过程
1)氧化磨损： 1)氧化磨损： 氧化磨损 滑动时， 滑动时，空气或润滑剂中的氧扩散到变形层内形成氧化 遇到突起剥落，新漏出的表面又被氧化， 膜，遇到突起剥落，新漏出的表面又被氧化，磨掉 → 氧化 磨损； 磨损； 特征：磨损产物为氧化物，如红褐色的Fe2O3 Fe2O3， 特征：磨损产物为氧化物，如红褐色的Fe2O3，灰褐色的 Fe3O4；磨损速率取决于氧化膜的脆性程度、膜基结合力。 Fe3O4；磨损速率取决于氧化膜的脆性程度、膜基结合力。 氧化磨损时一种广泛的磨损形态， 氧化磨损时一种广泛的磨损形态，材料在干燥大气中的 氧化磨损值在0.1 0.5μm/h；若空气中含有少量的水汽， 0.1氧化磨损值在0.1-0.5μm/h；若空气中含有少量的水汽， 化学反应产物是氢氧化物，加快腐蚀； 化学反应产物是氢氧化物，加快腐蚀；空气中有二氧化硫 或二氧化碳，腐蚀更快。 或二氧化碳，腐蚀更快。
分为麻点剥落 点蚀 浅层剥落、 深层剥落(表面 分为麻点剥落(点蚀 、浅层剥落、 深层剥落 表面 麻点剥落 点蚀)、 压碎)三类 三类。 压碎 三类。
a 点蚀 深度在 ～0.2mm的小块剥落，形状为不对称 点蚀: 深度在0.1～ 的小块剥落， 的小块剥落 形状为不对称V 型针状或痘状凹坑。 型针状或痘状凹坑。 b 浅层剥落 深度在 ～0.4mm的小块剥落 剥块底部大 浅层剥落: 深度在0.2～ 的小块剥落→剥块底部大 的小块剥落 致与表面平行，裂纹沿与表面成锐角或直角扩展。 致与表面平行，裂纹沿与表面成锐角或直角扩展。 c 深层剥落 深度 0.4mm的小块剥落 深度与表面强化层 深层剥落: 深度> 的小块剥落→深度与表面强化层 的小块剥落 深相当，裂纹垂直于表面扩展。 深相当，裂纹垂直于表面扩展。
图6-8 剥层磨损裂纹形成示意图
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3)深层剥落 3)深层剥落 裂纹源多位于硬化层与心部 的交界处(过渡区) 的交界处(过渡区) → 优先萌 生→ 造成沿硬化层的大块材料 剥落。 剥落。
综上所述， 综上所述，接触疲劳裂纹 的形成与扩展是接触综合切应 力高于材料接触疲劳强度的结 果。
图6-9 深层剥落裂纹示意图
振动故障占发动机总故障的60%以上，而叶片的故障要 占发动机振动故障的70%以上
压气机盘与涡轮盘
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§目 录
§6.1 磨损的概念和类型 §6.2 磨损过程
§6.3 耐磨性指标及其测试 §6.4 提高耐磨性的途径 §6.5 补充：炭炭复合材料的磨损 补充：
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§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
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§引 言
摩擦： 摩擦：相互接触的两个物体有相对运动或相对运 动的趋势时，在接触界面上出现阻碍相对运动的现象。 动的趋势时，在接触界面上出现阻碍相对运动的现象。 摩擦力的方向与引起相对运动的切方向相反。 摩擦力的方向与引起相对运动的切方向相反。摩擦力 与施加在摩擦面上的垂直载荷之比称为摩擦系数： 与施加在摩擦面上的垂直载荷之比称为摩擦系数：μ ＝F/N 磨损：物体表面相互摩擦时， 磨损：物体表面相互摩擦时，材料自表面逐渐小 时的过程称为磨损。 时的过程称为磨损。 摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。 摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。机器运 转时相对运动产生的摩擦而磨损， 转时相对运动产生的摩擦而磨损，不仅直接影响零件 的使用寿命，还增加能耗，产生噪声和振动。 的使用寿命，还增加能耗，产生噪声和振动。磨损是 降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废重要原因； 降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废重要原因； 磨损失效； 机件间摩擦磨损引起失效叫磨损失效 机件间摩擦磨损引起失效叫磨损失效； 磨损方式、磨损机理、磨损本质、影响因素； 磨损方式、磨损机理、磨损本质、影响因素；提 高耐磨性途径； 高耐磨性途径；