磨损及磨损理论

①材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件
②材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围
③材料磨损量与较软材料的屈服极限σy(或硬度H)成反
比
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右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑
动摩擦时的结果。图中示出钢的
磨损系数随表观压力的变化曲线。
纵坐标为K/H，代表单位载荷、
单位滑动距离的磨损量，横坐标
代表平均接触压力。
磨损及磨损理论
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一、概述
1、磨损定义：
相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或 产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生 的必然结果。
➢ 有些磨损是有益的，如“研磨”，可使零件表面粗糙度 减小，使刀刃变得锋利。
➢ 但是，据统计，约有80 %左右的机械零件是由于磨损而 报废或失效。磨损不仅消耗材料，浪费能源，并直接影 响到机器的寿命和可靠性。固此，对磨损的研究引起了 人们的极大关注。
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a ，摩擦表面严重破坏。
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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
在少数几个独立的微凸体上。因
此，在一定的法向载荷作用下，
微凸体的局部压力就可能超过材
料的屈服压力而发生塑性变形，
继而使两摩擦表面产生粘着；
此后，在相对滑动过程中，如果粘着点的剪切发生 在界面，则磨损轻微；如果剪切发生在界面以下， 则材料就会从一个表面转移到另外一表面，继续滑 动，一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒。
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Ⅱ稳定磨损阶段：
出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦表面加工硬 化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从 而建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图所 示，磨损量随时间增大缓慢增大。
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Ⅲ 剧烈磨损阶段：由于摩擦条件发生较大的变化(如温度的急剧增 高，金属组织的变化等)，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降， 精度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。
** 从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的
使用寿命，应尽量延长“稳定磨损阶段”。
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二、 磨 损 的 分 类
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1、粘着磨损
(1)定义 当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应所形
成的结点发生剪切断裂，接触表面的材 料从一个表面转移到另一个表面的现象 称为粘着磨损。
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(2) 粘着磨损机理
当摩擦副接触时，接触首先发生
当压力值小于片H/3时，磨损率
小而且保持不变(即K保持常数)；
但当压力值超过H/3时，磨损量急剧增大(K值急剧增大)，
这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。
对其他金属也有类似的情况，只是K开始增加时的平均压
力值通常比H/3稍低而已。
在压力值为H/3作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始
发生相互影响。当压力值增加到H/3以上时，整个表面变
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，a 硬金属表面也偶有划伤。
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百度文库 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。
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2、磨损研究的主要内容：
(1) 主要磨损类型的发生条件、特征和变化 规律;
(2) 磨损的影响因素, 包括摩擦副材料、表 面形态、润滑状况、环境条件, 以及滑动速 度、载荷、工作温度等工况参数;
(3) 磨损的模型与磨损计算;
(4) 提高材料耐磨性的措施;
(5) 磨损研究的测试技术与实验分析方法。
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3、磨损过程
零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段：
Ⅰ：跑合阶段；Ⅱ：稳定磨损阶段；Ⅲ：剧烈磨损阶 段
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Ⅰ：跑合阶段
出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微 凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。 在一定载 荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大， 磨损速度逐渐减慢，如图所示。
向形成程度不同的划痕。
a.轻微磨损
粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低时，剪 切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。
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。
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b.涂抹
粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小于较 硬金属的强度。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(粘附)在硬金属表面上。
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。
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(4)简单粘着磨损计算(Archard模型)
上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较硬
的快慢程度)为:
(2)
由(1a )和(2)式，可得：
(315)
(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表达式为：
(4)
由变于为对：于弹性材料σs≈H/3式，中HK为为布粘氏着硬磨度损值系，数则式(4)可
由(4)式可得粘着磨损的三个定律：
的材料，摩擦副另一方为较软的材料；法向载荷W
由n个半径为a的相同微凸体承受。
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则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σs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(即磨损率，通常用于判断材料磨损
** 接触-塑性变形-粘着-剪断粘着点-材料转移再粘着，循环不a 断进行，构成粘着磨损过程。 10
(3)四种典型的粘着磨损
根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有几 种不同的形式，从轻微磨损到破坏性严重的胶合 磨损。它们的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然 不同，但共同的特征是:出现材料迁移，以及沿滑动方