磨损及磨损原理-第二讲
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第三章-磨损及磨损机理
第三章-磨损及磨损机理第三章磨损及磨损机理概述物体摩擦表面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。
在一般正常工作状态下，磨损可分三个阶段：a.跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。
b.稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。
c.剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动，摩擦温度迅速升高，说明零件即将失效。
（如图3.1）机件磨损是无法避免的。
但，如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧烈磨损的到来，是研究者致力的方向。
影响磨损的因素很多，例如相互作用表面的相对运动方式(滑动，滚动，往复运动，冲击)，载荷与速度的大小，表面材料的种类，组织，机械性能和物理-化学性能等，各种表面处理工艺，表面几何性质(粗糙度，加工纹理和加工方法)，环境条件(温度、湿度、真空度、辐射强度、和介质性质等)和工况条件(连续或间歇工作)等。
这些因素的相互影响对于磨损将产生或正或负的效果，从而使磨损过程更为复杂化。
磨损过程涉及到许多不同的学科领域，由于具有跨学科的性质，至今还很难将它的规律解释清楚。
已经有很多学者对磨损进行了大量的研究。
如20世纪20年代，汤林森提出了分子磨损的概念，他认为两个粗糙表面在接触摩擦过程中相互接近，而一个表面上的原子被另一个表面俘获的现象就是磨损。
霍尔姆在上述基础上作了进一步的发展，他指出摩擦材料的压缩屈服极限σb(即硬度)对耐磨性的影响很大。
50年代初，奥贝尔(Oberle)从表层材料的机械破坏着眼，联系“切削”过程来解释磨损，他认为影响磨损的主要因素除硬度H外，还有材料的弹性模量E。
处在弹性极限内的，变形越大，机械破坏越少，并提出用模数(m＝E/H×105)来反映材料的耐磨性，m值高则耐磨性好。
冯(Feng)提出了机械性质相近的两表面上机械嵌锁作用导致界面上既粘连又犁削的观点。
布洛克(Blok)认为软钢表面变得粗糙和发生塑性变形，是由于应力过高而引起的。
磨损及磨损理论
摩擦学基础知识 —磨损及磨损理论
第一节 概 述
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。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视 研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1／3～1／2消耗 于摩擦，而机械零件80％失效原因是磨损。
表表面面存存在在明明显显粘粘着着痕痕迹迹和和材材料料转转移移，，有有较较大大粘粘着着坑坑块，块在，高在速高重速 载重下载，下大，量大摩量擦摩热擦使热表使面表焊面合焊，合撕，脱撕后脱留后下留片下片片粘片着粘坑着。坑。
黏黏着着坑坑密密集集，，材材料料转转移移严严重重，，摩摩擦擦副副大大量量焊焊合合，，磨磨损急损剧急增剧加增，加， 摩摩擦擦副副相相对对运运动动受受到到阻阻碍碍或或停停止止。。 材材料料以以极极细细粒粒状状脱脱落落，，出出现现许许多多““豆豆斑斑””状状凹凹坑坑。。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查轮，胎压联痕(SEM 邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其5中000X) 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常 在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。
(2)涂抹:
粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。 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。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。
（3）磨损比
第一节 概 述
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。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视 研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1／3～1／2消耗 于摩擦，而机械零件80％失效原因是磨损。
表表面面存存在在明明显显粘粘着着痕痕迹迹和和材材料料转转移移，，有有较较大大粘粘着着坑坑块，块在，高在速高重速 载重下载，下大，量大摩量擦摩热擦使热表使面表焊面合焊，合撕，脱撕后脱留后下留片下片片粘片着粘坑着。坑。
黏黏着着坑坑密密集集，，材材料料转转移移严严重重，，摩摩擦擦副副大大量量焊焊合合，，磨磨损急损剧急增剧加增，加， 摩摩擦擦副副相相对对运运动动受受到到阻阻碍碍或或停停止止。。 材材料料以以极极细细粒粒状状脱脱落落，，出出现现许许多多““豆豆斑斑””状状凹凹坑坑。。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查轮，胎压联痕(SEM 邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其5中000X) 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常 在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。
(2)涂抹:
粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。 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。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。
（3）磨损比
摩擦学第五章磨损ppt课件
5、其他。包括侵蚀磨损或冲蚀磨损 (Erosive wear) 和微动磨损 (Fretting wear)等。
实际的磨损现象大都是多种类型磨损同时存在；或磨损状态随工 况条件的变化而转化。
摩擦学第五章磨损
9
第二节 粘着磨损
一、定义及其过程
1、定义：
(1) 在摩擦副中，相对运动的摩擦表面之间，由于粘着现象产生材料转移
此外，磨损率与滑动速度无关。
摩擦学第五章磨损
22
金属的粘着磨损的磨损系数
润滑状况 相同 无润滑 15X10-4
金属/金属
相容
部分相容和 部分不相容
不相容
金属/ 非金属
5X10-4
1X10-4 0.15X10-4 1.7X10-6
润滑不良 30X10-5 10X10-5
润滑良好 润滑极好
30X10-6 10X10-7
假定磨屑半径 ，产生磨屑的概率 ，则滑动 距离磨损体积：
摩擦学第五章磨损
21
分析
粘着磨损的体积磨损率与法向载荷N (或正压力p)成正比，而与软金属材 料的屈服强度(或布氏硬度HB值)成反比。
当正压力
时，会使磨损加剧，产生胶合或咬死。
因此，在设计时应保证正压力不超过材料的布氏硬度的三分之一。
体积磨损率随着粘着磨损的磨损系数的增大而增大，而后者主要取决于摩 擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地粘着的趋向。
相溶性好的材料 材料塑性越高，粘着磨损越严重
脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高 脆性材料：正应力引起，最大正应力在表面，损伤浅， 磨屑也易脱落，不堆积在表面。 塑性材料：剪应力引起，最大剪应力离表面某一深度， 损伤深。
摩擦学第五章磨损
25
三、防止和减轻粘着磨损的措施
实际的磨损现象大都是多种类型磨损同时存在；或磨损状态随工 况条件的变化而转化。
摩擦学第五章磨损
9
第二节 粘着磨损
一、定义及其过程
1、定义：
(1) 在摩擦副中，相对运动的摩擦表面之间，由于粘着现象产生材料转移
此外，磨损率与滑动速度无关。
摩擦学第五章磨损
22
金属的粘着磨损的磨损系数
润滑状况 相同 无润滑 15X10-4
金属/金属
相容
部分相容和 部分不相容
不相容
金属/ 非金属
5X10-4
1X10-4 0.15X10-4 1.7X10-6
润滑不良 30X10-5 10X10-5
润滑良好 润滑极好
30X10-6 10X10-7
假定磨屑半径 ，产生磨屑的概率 ，则滑动 距离磨损体积：
摩擦学第五章磨损
21
分析
粘着磨损的体积磨损率与法向载荷N (或正压力p)成正比，而与软金属材 料的屈服强度(或布氏硬度HB值)成反比。
当正压力
时，会使磨损加剧，产生胶合或咬死。
因此，在设计时应保证正压力不超过材料的布氏硬度的三分之一。
体积磨损率随着粘着磨损的磨损系数的增大而增大，而后者主要取决于摩 擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地粘着的趋向。
相溶性好的材料 材料塑性越高，粘着磨损越严重
脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高 脆性材料：正应力引起，最大正应力在表面，损伤浅， 磨屑也易脱落，不堆积在表面。 塑性材料：剪应力引起，最大剪应力离表面某一深度， 损伤深。
摩擦学第五章磨损
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三、防止和减轻粘着磨损的措施
磨损及磨损理论
粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合强度。 剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。
此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继 续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现 局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查， 轮胎压痕(SEM 5000X) 联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
1.6
磨损过程的一般规律：
1、磨损过程分为三个阶段:
表面被磨平， 实际接触面 积不断增大， 表面应变硬 化，形成氧 化膜，磨损 速率减小。
随磨损的增长，磨耗 增加，表面间隙增大， 表面质量恶 化，机件快速失效。
斜率就是磨损速率，唯一稳定值； 大多数机件在稳定磨损阶段（AB 段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。
（3）磨损比
冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度 量磨损。
Hale Waihona Puke 材料的冲蚀磨损量（g或μ m 3） 磨损比＝ 造成该磨损量所用的磨料量（g）
它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段 中所测量的磨损比将有较大的差别。 不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一 定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或 工况下的数据是不可比较的。
当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限σy之间的关系：
（1）
当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。 其体积为(2/3)πa3，则单位滑动距离的总磨损量为:
摩擦磨损基本原理
4.犁沟效应
犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑 动中推挤软金属，产生塑性流动并划出一条沟槽。 犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损 和檫伤磨损中，为主要分量。
硬金属表面的粗糙峰由许多半角为θ 的圆锥体组成，在法向载荷作用下，硬 峰嵌入软金属的深度为h，滑动摩擦时， 只有圆锥体的前沿面与软金属接触。 接触表面在水平面上的投影面积A =πd2/8； 在垂直面上的投影面积S=dh/2。 如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限为σs，于是 法向载荷W和犁沟力Pe 分别为
定律三：摩擦系数与滑动速度无关。虽然对于金属材料基 本符合，而对粘弹性显著的弹性材料，摩擦系数则明显与滑 动速度有关。
特别注意：在古典摩擦定律中，摩擦系数µ是一个常数。 大量的试验指出，很难确定某种摩擦副固定的摩擦系数， 仅在一定的环境(湿度温度等)和工况(速度和载荷等)下，对 于一定的材质的摩擦副来说，µ才有可能是一个常数。如在 正常的大气环境下，硬质钢摩擦副表面的µ为0.6，但在真 空下，其µ可达到2.0。 因此，通过摩擦试验测得试样的摩擦系数时，必须注明 试验条件，否则所得的试验数据没有意义。
a.金属的整体机械性质：如剪切强度、屈服极限、硬度、弹 性模量等，都直接影响摩擦力的粘着项和犁沟项。 b. 晶态材料的晶格排列：在不同晶体结构单晶的不同晶面 上，由于原子密度不同，其粘着强度也不同。如面心立方晶 系的Cu的(111)面，密排六方晶系的Co的(001)面，原子密度 高，表面能低，不易粘着。
对金属间的摩擦而言，主要是粘着作用，其次是“犁沟”作用。 而材料的弹性变形引起的能量消耗很小，因而对总摩擦阻力的 影响很小，故可忽略不计，因此摩擦阻力可用下式表达：
F = F 剪 + F犁
摩擦和磨损ppt课件
1)粘着磨损 (最普通的磨损)
当摩擦表面的不平度的尖峰相互作用的各点发生粘着后，在相对滑动时， 材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，故而形成粘着磨损。
严重的粘着磨损会造成运动副咬死，不能正常运转 。
影响因素： ①同类摩擦副材料比异类材料容易粘着，如钢件运动副的 相对运动； ②脆性材料比塑性材料的粘着能力高； ③在一定范围内，零 件的表面粗糙度愈小，抗粘着能力愈强。
机械基础
§1-3 摩擦和磨损
摩擦和磨损
1
§1-4 摩擦与磨损
摩擦和磨损是自然界和社会生活中普遍存在的现象。 有时人们利用它们有利的一面，如车辆行驶、带传动等是利用
摩擦作用，精加工中的磨削、抛光等是利用磨损的有用方面。 由于摩擦的存在造成了机器的磨损、发热和能量损耗。 据估计目前世界上约有30%~50%的能量消耗在各种形式的摩擦 中，约80%的机器是因为零件磨损而失效。
磨损会影响机器的精度，强敌工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。
摩擦和磨损
8
§1-4 摩擦与磨损 1. 磨损过程
磨
损 量
Q
磨 合
稳定磨损
剧烈磨损
0 t2
t1
时间t
0~t1 ：磨合阶段 t1~t2：稳定磨损阶段
t2~~：剧烈磨损阶段
摩擦和磨损
9
§1-4 摩擦与磨损
1. 磨损过程
(1)磨合阶段
在运转初期，摩擦副的接触面积较小，单位面积上的实际载荷较 大，磨损速度较快。随着磨合的进行，实际接触面积不断增大，磨损
因此，零件的磨损是决定机器使用寿命的主要因素。
摩擦和磨损
2
§1-4 摩擦与磨损
一、 摩擦
1. 定义：两物体的接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力。 相互摩擦的两个物体称为摩擦副。
当摩擦表面的不平度的尖峰相互作用的各点发生粘着后，在相对滑动时， 材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，故而形成粘着磨损。
严重的粘着磨损会造成运动副咬死，不能正常运转 。
影响因素： ①同类摩擦副材料比异类材料容易粘着，如钢件运动副的 相对运动； ②脆性材料比塑性材料的粘着能力高； ③在一定范围内，零 件的表面粗糙度愈小，抗粘着能力愈强。
机械基础
§1-3 摩擦和磨损
摩擦和磨损
1
§1-4 摩擦与磨损
摩擦和磨损是自然界和社会生活中普遍存在的现象。 有时人们利用它们有利的一面，如车辆行驶、带传动等是利用
摩擦作用，精加工中的磨削、抛光等是利用磨损的有用方面。 由于摩擦的存在造成了机器的磨损、发热和能量损耗。 据估计目前世界上约有30%~50%的能量消耗在各种形式的摩擦 中，约80%的机器是因为零件磨损而失效。
磨损会影响机器的精度，强敌工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。
摩擦和磨损
8
§1-4 摩擦与磨损 1. 磨损过程
磨
损 量
Q
磨 合
稳定磨损
剧烈磨损
0 t2
t1
时间t
0~t1 ：磨合阶段 t1~t2：稳定磨损阶段
t2~~：剧烈磨损阶段
摩擦和磨损
9
§1-4 摩擦与磨损
1. 磨损过程
(1)磨合阶段
在运转初期，摩擦副的接触面积较小，单位面积上的实际载荷较 大，磨损速度较快。随着磨合的进行，实际接触面积不断增大，磨损
因此，零件的磨损是决定机器使用寿命的主要因素。
摩擦和磨损
2
§1-4 摩擦与磨损
一、 摩擦
1. 定义：两物体的接触表面阻碍它们相对运动的机械阻力。 相互摩擦的两个物体称为摩擦副。
第七章金属磨损和接触疲劳
因为粘着磨损过程中有材料转移，所以摩擦副一方金属表 面常粘附一层很薄的转移膜，并伴有化学成分变化。这 是判断粘着磨损的重要特征。
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
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
磨损知识 ppt课件
(1)表面性质发生变化：如硬化、相变或软化。
(2)表面膜变化：破坏表面膜，导致氧化膜或 其它形式化合物膜形成。
(3)润滑剂的性质发生变化：油膜氧化或热降 解，油膜离析，分子链位向消失。一般情况 下，温度升高，材料硬度下降，在不考虑其 它因素的作用时，摩擦表面容易产生粘着磨 损。
PPT课件
26
磨粒磨损
PPT课件
27
接 两体 硬磨料或硬表面微凸体与一 犁铧、水
触 磨损 个摩擦表面对磨的磨损
轮机轮叶
表 三体 磨粒介于两摩擦表面之间， 齿轮、滑
面 磨损 并在两表面间滑动
动轴承间
力 划伤 磨料的作用应力低于其压溃 犁铧、输 的 磨损 强度，材料表面被轻微划伤 送机溜槽
作 碾压 磨料与表面接触最大压应力 破碎滚筒
在表层深处，磨损颗粒大。 **脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较
浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。 **根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，
塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最 大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定 深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。
PPT课件
工 一般磨损 正常条件下的磨料磨损 作 环 腐蚀磨损 腐蚀介质中的磨料磨损 境 热料磨损 高温工作下的磨料磨损
石英-钢材 矿石-钢
球磨机干磨 球磨机湿磨 泥浆泵等 各类机械 化工机械等 沸腾炉等
PPT课件
29
3 磨粒磨损机理
(1) 微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面， 而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面 剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。
多出现在零件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩 擦力小的情况下。 （a）裂纹产生于亚表层，该处切应力最大，塑性变 形最剧烈。 （b）在接触应力的反复作用下，塑性变形反复进行， 使材料局部弱化。
(2)表面膜变化：破坏表面膜，导致氧化膜或 其它形式化合物膜形成。
(3)润滑剂的性质发生变化：油膜氧化或热降 解，油膜离析，分子链位向消失。一般情况 下，温度升高，材料硬度下降，在不考虑其 它因素的作用时，摩擦表面容易产生粘着磨 损。
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磨粒磨损
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接 两体 硬磨料或硬表面微凸体与一 犁铧、水
触 磨损 个摩擦表面对磨的磨损
轮机轮叶
表 三体 磨粒介于两摩擦表面之间， 齿轮、滑
面 磨损 并在两表面间滑动
动轴承间
力 划伤 磨料的作用应力低于其压溃 犁铧、输 的 磨损 强度，材料表面被轻微划伤 送机溜槽
作 碾压 磨料与表面接触最大压应力 破碎滚筒
在表层深处，磨损颗粒大。 **脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较
浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。 **根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，
塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最 大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定 深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。
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工 一般磨损 正常条件下的磨料磨损 作 环 腐蚀磨损 腐蚀介质中的磨料磨损 境 热料磨损 高温工作下的磨料磨损
石英-钢材 矿石-钢
球磨机干磨 球磨机湿磨 泥浆泵等 各类机械 化工机械等 沸腾炉等
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3 磨粒磨损机理
(1) 微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面， 而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面 剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。
多出现在零件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩 擦力小的情况下。 （a）裂纹产生于亚表层，该处切应力最大，塑性变 形最剧烈。 （b）在接触应力的反复作用下，塑性变形反复进行， 使材料局部弱化。
磨损及磨损理论PPT幻灯片课件
21
e.材料的硬度 硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触 应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转 变为严重的粘着磨损。
22
②载荷的影响 粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，
如图所示，K/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关
系。当载荷值超过材料硬度值的1/3时，磨损急剧增加， 严重时咬死。 因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。
发生相互影响。当压力值增加到H/3以上时，整个表面变
成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出
现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。
17
由于式中的K代表微
凸体中产生磨粒的概 率，即粘着磨损系
数．因此，K值必须
按不同的滑动材料组 合和不同的摩擦条件 求得。右表给出了不 同工况和摩擦副配对
时的磨损系数K值。
距离的总磨损量(即磨损率，通常用于判断材料磨损
的快慢程度)为:
(2)
由(1)和(2)式，可得：
(3) 15
(3)
式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出
如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数K和滑动距离L，
则接触表面的粘着磨损量3，H为布氏硬度值，则式(4)可
这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度 加剧。
c.擦伤
粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高。剪
切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金
属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金
属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发生
在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。
12
d.咬合
如果粘着强度比两金属基体的强度高得多，而且粘着点面积较 大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方。 此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如 果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表 面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相 对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。
e.材料的硬度 硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触 应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转 变为严重的粘着磨损。
22
②载荷的影响 粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，
如图所示，K/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关
系。当载荷值超过材料硬度值的1/3时，磨损急剧增加， 严重时咬死。 因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。
发生相互影响。当压力值增加到H/3以上时，整个表面变
成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出
现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。
17
由于式中的K代表微
凸体中产生磨粒的概 率，即粘着磨损系
数．因此，K值必须
按不同的滑动材料组 合和不同的摩擦条件 求得。右表给出了不 同工况和摩擦副配对
时的磨损系数K值。
距离的总磨损量(即磨损率，通常用于判断材料磨损
的快慢程度)为:
(2)
由(1)和(2)式，可得：
(3) 15
(3)
式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出
如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数K和滑动距离L，
则接触表面的粘着磨损量3，H为布氏硬度值，则式(4)可
这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度 加剧。
c.擦伤
粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高。剪
切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金
属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金
属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发生
在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。
12
d.咬合
如果粘着强度比两金属基体的强度高得多，而且粘着点面积较 大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方。 此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如 果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表 面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相 对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。
摩擦与磨损全课件第4章 磨损2
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(2)第二相组织 钢中的碳化物是最重要的第二相。 ① 在磨料磨损中，碳化物的耐磨性与其硬度以及 与碳化物和基体硬度相对大小有关。
在软基体中增加碳化物的数量，减小尺寸，增加弥散度，均能改善耐 磨性。 在硬基体中，如碳化物的硬度与基体的硬度相近，则因碳化物如内部 缺口使耐磨性受损，马氏体中分布的M3C型碳化物就是这样。 当摩擦条件不变时，如碳化物硬度比磨粒低，则提高碳化物的硬度， 将增加耐磨性。
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④ 马氏体有高的硬度，可以作为许多耐磨合金的基体。 马氏体的耐磨性随钢中含碳量的增加而增加，但当碳的质 量分数超过1%时，耐磨性下降。同样硬度的板条状马氏 体的耐磨性高于片状马氏体，原始晶粒细的耐磨性高于原 始晶粒粗的。 ⑤ 具有贝氏体(或贝氏体-马氏体)组织的钢的耐磨性比硬 度相近的马氏体组织的高。因此，很多承受冲击载荷的零 件组织处理成贝氏体。 ⑥ 奥氏体的硬度低，但韧性好。在高应力冲击载荷作用 下不但有很强的硬化能力，而且可发生马氏体相变，使摩 擦表面硬度大大提高。这种外硬内韧的结构能有效地阻止 裂纹的扩展。此外，奥氏体与碳化物的结合优于马氏体， 可防止在磨损过程中碳化物剥落。因此，奥氏体高锰钢在 高应力磨料磨损条件下具有良好的耐磨性，但在低应力条 件下，耐磨性却较差。
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1、与整体疲劳破坏的区别
疲劳磨损与整体的疲劳断裂有很多相似之处，为材料疲劳 断裂的一种特殊形式，与整体疲劳破坏的区别如下:
(1) 裂纹萌生与扩展
① 疲劳磨损的裂纹由于接触应力场分布的特点，除从表 面萌生以外，还可能从亚表面内产生；而整体疲劳裂纹源 都是从表面开始。 ② 两者裂纹扩展的途径也不同。疲劳磨损的裂纹扩展方 向或是平行于表面，或是与表面成一定角度(约为10°30°) ，而且只限于在表层内扩展；而整体疲劳的裂纹一 般都是从表面沿与外加应力成45°方向扩展，超过两三个 晶粒后，即转向与应力垂直的方向。
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(2)第二相组织 钢中的碳化物是最重要的第二相。 ① 在磨料磨损中，碳化物的耐磨性与其硬度以及 与碳化物和基体硬度相对大小有关。
在软基体中增加碳化物的数量，减小尺寸，增加弥散度，均能改善耐 磨性。 在硬基体中，如碳化物的硬度与基体的硬度相近，则因碳化物如内部 缺口使耐磨性受损，马氏体中分布的M3C型碳化物就是这样。 当摩擦条件不变时，如碳化物硬度比磨粒低，则提高碳化物的硬度， 将增加耐磨性。
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④ 马氏体有高的硬度，可以作为许多耐磨合金的基体。 马氏体的耐磨性随钢中含碳量的增加而增加，但当碳的质 量分数超过1%时，耐磨性下降。同样硬度的板条状马氏 体的耐磨性高于片状马氏体，原始晶粒细的耐磨性高于原 始晶粒粗的。 ⑤ 具有贝氏体(或贝氏体-马氏体)组织的钢的耐磨性比硬 度相近的马氏体组织的高。因此，很多承受冲击载荷的零 件组织处理成贝氏体。 ⑥ 奥氏体的硬度低，但韧性好。在高应力冲击载荷作用 下不但有很强的硬化能力，而且可发生马氏体相变，使摩 擦表面硬度大大提高。这种外硬内韧的结构能有效地阻止 裂纹的扩展。此外，奥氏体与碳化物的结合优于马氏体， 可防止在磨损过程中碳化物剥落。因此，奥氏体高锰钢在 高应力磨料磨损条件下具有良好的耐磨性，但在低应力条 件下，耐磨性却较差。
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1、与整体疲劳破坏的区别
疲劳磨损与整体的疲劳断裂有很多相似之处，为材料疲劳 断裂的一种特殊形式，与整体疲劳破坏的区别如下:
(1) 裂纹萌生与扩展
① 疲劳磨损的裂纹由于接触应力场分布的特点，除从表 面萌生以外，还可能从亚表面内产生；而整体疲劳裂纹源 都是从表面开始。 ② 两者裂纹扩展的途径也不同。疲劳磨损的裂纹扩展方 向或是平行于表面，或是与表面成一定角度(约为10°30°) ，而且只限于在表层内扩展；而整体疲劳的裂纹一 般都是从表面沿与外加应力成45°方向扩展，超过两三个 晶粒后，即转向与应力垂直的方向。
磨损与摩擦的基本原理及其应用
磨损与摩擦的基本原理及其应用磨损和摩擦是我们生活中经常遇到的现象。
我们走路时，鞋底与地面的摩擦产生噪音，驾车时，车轮和地面的摩擦使我们车辆行驶。
同时，磨损和摩擦也是一项重要的研究领域，与工程学、材料学、机械制造等众多领域息息相关。
本文将介绍磨损和摩擦的基本原理及其应用。
一、摩擦的基本原理摩擦可以定义为两个物体接触并相对运动时的阻力。
摩擦力的大小与两个物体之间的接触面积和物体表面间的粗糙程度有关。
通常，摩擦力的大小可以通过以下公式表示：Ff = fN其中，Ff为摩擦力，f为摩擦系数，N为垂直于接触面的受力大小。
摩擦系数是一个无量纲数值，表示为μ。
它是考虑到物体表面状况的因素，如表面的成分、温度和光滑度等。
不同物体之间摩擦系数不同，例如，滑冰鞋在冰上滑行时的摩擦系数很小，而橡胶底鞋子在冰面表上行走时的摩擦系数较大。
摩擦力的大小决定了物体运动状态的变化，当物体沿着某个方向施加一定的力时，摩擦力会在反方向上阻碍运动，产生负加速度，即使物体足够大，对地面施加的力足够大，摩擦力也会阻碍物体移动。
二、磨损的基本原理磨损是材料表面因相互接触和摩擦而失去原来形状的现象。
摩擦往往导致材料表面磨损和损坏，主要分为两种类型：磨粒磨损和疲劳磨损。
磨粒磨损是指材料表面的颗粒和其他颗粒之间的摩擦损失。
磨损率取决于磨损颗粒的硬度和材料表面硬度的比较。
颗粒的尺寸越小，磨损率则越高。
磨粒磨损是一种常见的磨损方式，例如，机械零件在运转过程中容易受到此种磨损。
疲劳磨损又称为表面疲劳磨损，是由表面微小韧性变形引起的剥落或断裂而导致的，通常出现在高速运动的机械零件之间的接触面。
在机械工作时，因为机械零件之间的摩擦力和容易产生热量，从而导致零件表面的变形和裂纹。
一旦表面氧化，则容易受到疲劳磨损。
三、磨损与摩擦的应用磨损和摩擦在工程制造和材料科学中具有广泛的应用。
例如，工业生产中的磨损是一个非常重要的因素，因为它会影响设备的寿命和生产效率。
磨损的控制不仅可以降低运营成本，还可以提高设备的寿命和可靠性。
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碳钢微动疲劳时表面损伤疲劳裂 纹扩展 循环次数 104，×400
诊断：
只要断口具有疲劳破坏特
征，裂纹源发生于微动磨痕，
裂纹扩展呈现阶段性即可确
认为微动疲劳破坏。
磨损及磨损原理-第二讲
（2）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）
评定材料微动疲劳性能 的主要方法是在微动条 件下测定其应力(s)— 循环数(N)曲线，称为 s—N曲线。
磨损及磨损原理-第二讲
微动磨损的发生过程：
微动磨损基本上属于粘着磨损和磨粒磨损的混合机理： • 载荷使微凸体产生粘着磨损，而往复运动引起断裂并产生磨
屑。微动与腐蚀通常是同时发生的，被称作微动腐蚀。
• 例如，当钢磨粒产生后，出生的磨粒表面被氧化成Fe2O3， 形成褐红色粉末，这些氧化颗粒具有研磨性，由于表面之间 的紧配合和小振幅往复运动（约为几十微米），界面接触没 有暴露的机会，因而磨粒很难逃逸出摩擦表面，后续的往复 运动就会产生磨粒磨损和氧化. 往复运动通常来自外部振动， 但多数情况是接触界面的某个表面承受周期应力（或疲劳） 的结果，这将引发早起疲劳裂纹而产生更大的微动磨损，称 为微动疲劳。
根据被氧化磨屑的颜色，往往可以断定是否发生微动 磨损。如被氧化的铁屑呈红色，被氧化的铝屑呈黑色，则
磨损及磨损原理-第二讲
振动时就会引起磨损。
左图为303不 锈钢轴表面产 生微动腐蚀后 的照片。
在外观上，微动磨损的表面特 征是黑色金属上有褐红色斑点且 临近区域被抛光，因为硬质铁氧 化体磨屑具有研磨作用。
种复合型式的磨损。在有振动的机械中，螺纹联接、花键 联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。
微动磨损的机理：摩擦表面间的法向压力使表面上的 微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接 着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用， 使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应 力集中的根源。
磨损及磨损原理-第二讲
影响微动磨损的因素
1.在一定范围内磨损率随载荷增加而增加，超过某极大值后 又逐渐下降；
2.温度升高则磨损加速； 3.抗粘着磨损好的材料抗微动磨损也好； 螺纹联接加装聚四氟乙烯垫圈也可减小微动磨损。 若氧化物能牢固地粘附在金属表面，则可减轻磨损 4.零件金属氧化物的硬度与金属的硬度之比较大时，容易剥 落成为磨粒，增加磨损；
①接触表面膜去除， 摩擦系数较低；
②二体接触，发 生粘着，摩擦 系数上升。并 伴随材料组织 结构变化；
磨损及磨损原理-第二讲
③磨屑剥落，二体接触 逐渐变成三体接触， 因第三体的保护作用， 粘着受抑制，摩擦系 数降低；
④磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表 面随时间改变，形成和排出的磨屑达到平衡， 微动磨损进入稳定阶段。
磨损及磨损原理
——第二讲
磨损及磨损原理-第二讲
题纲
一 .概 述 二 .粘着磨损 三 .磨粒磨损 四 .疲劳磨损 五.其他形式的磨损（补充）
微动磨损 六 .磨损的转化与复合
七.磨损的控制与预防
磨损及磨损原理-第二讲
五.磨损的主要类型（补充）
微动磨损（Fretting Corrosion）
1.微动磨损定义 在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一
低碳钢的平面弯曲 疲劳曲线
这是微动疲劳的一般规律：
(1)微动造成疲劳强度明显下降．这里普通疲劳极限为233MN／m2，微
动 动疲劳极限下降57．7%。
(2)在高应力低循环数时，微动对疲劳强度的影响较小，而当应力较低，
循环数增加时，疲劳强度降低的比例也增加；
(3）尽管在高循环次数下，微动疲劳强度降至很低值.仍有一确定的疲劳
磨损及磨损原理-第二讲
微动的三体理论
微动的三体理论认为磨屑的产生可看成是两 个连续和同时发生的过程：
① 磨屑的形成过程 ➢ 接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈的加工
硬化； ➢ 加工硬化使材料脆化，白层同时形成，随着白
层的破碎，颗粒剥落； ➢ 磨粒(三体磨粒)被碾碎，并发生迁移，迁移过
程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数（如振 幅、频率、载荷等）。
磨损及磨损原理-第二讲
微动磨损的特征
➢ 具有引起微动的振动源（机械力、电磁场、冷热循环等），流体运 动所诱发的振动；
➢ 磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形以及微裂纹； ➢ 磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。
磨损及磨损原理-第二讲
微动磨损机理主要解释下列实验现象：
➢ 真空或惰性气氛中微动损伤较小； ➢ 微动产生的磨屑主要由氧化物组成； ➢ 循环数一定时，低频微动比高频损伤大； ➢ 材料流失量随负荷和振幅而增加； ➢ 低于室温比高于室温的磨损严重； ➢微动疲劳
（1）微动疲劳的特征与诊断 微动疲劳是指因微动而萌生裂纹源，并在交变应力下
裂纹扩展而导致疲劳断裂的破坏形式。 特征一：出现位置：微动接触区或其影响区内。
磨损及磨损原理-第二讲
特征二：裂纹扩展的阶段性。
将遭受微动疲劳的部件在断 裂之前沿微动方向剖开，可看 到受微动影响的亚表层产生的 疲劳裂纹。裂纹在近表面处扩 展受材料晶界或缺陷影响，较 深处为穿晶裂纹。
磨损及磨损原理-第二讲
5.一般湿度增大则磨损下降，在界面间加入非腐蚀性润 滑 剂或对钢进行表面处理，可减小微动磨损； 如对钢铁而言，相对湿度大于50%时，表面生成 Fe2O3•H2O薄膜，他比通常的Fe2O3软，具有较低的磨 损率。
6.在大气中，振幅很小时（如0.012mm），钢的微动磨 损 量基本与振动频率无关，但在较大振幅时，随振动频 率 的增加，微动磨损量有减小的倾向。
磨损及磨损原理-第二讲
② 磨屑的氧化过程 ➢ 起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度
为微米量级（约1μm）； ➢ 在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成
灰褐色，粒度在亚微米量级（约0.1μm）； ➢ 磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小
为纳米颗粒（约10nm） ，
磨损及磨损原理-第二讲
利用三体理论来解释钢铁材料微动摩擦系数随循环 周次的变化过程：
极限，在该值上，循环数可达107次以上,即使进一步增加循环数疲劳强
度不再降低．
磨损及磨损原理-第二讲
（3）微动摩擦力和疲劳应力的协同作用将导致裂纹的萌