7第七章

4. 改善粘着磨损耐磨性的措施
① 首先要注意摩擦副配对材料的选择 ②采用表面化学热处理改变材料表面状态 ③控制摩擦滑动速度和接触压应力
二、磨粒磨损 1.磨损机理 2.磨损量的估算 3.影响因素 4.改善磨粒磨损耐磨性的措施
1. 磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬 的细微凸起，或者在接触面之间存在着硬质 粒子时所产生的一种磨损。前者称为两体磨 粒磨损，如锉削过程；后者称为三体磨粒磨 损，如抛光。 两种情况的磨粒磨损如图7-4所示。
1、氧化磨损
氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损，这就是氧 化磨损过程。 氧化磨损的宏观特征是，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Fe2O3或为灰黑色Fe3O4。 既然因氧化磨损时，在摩擦副表面接触点处同时进行塑 性变形和氧的扩散，所以氧化磨损的速率或磨损量就决定于: 摩擦副表面层对塑性变形的抗力，氧在金属中的扩散速率， 氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固程度等。 摩擦学参数如接触压力、滑动速度、滑动距离、温度等也影 响氧化磨损的磨损量。
2. 热处理组织状态
⑴马氏体含碳量 对于轴承钢而言，在未 溶碳化物状态相同的条件下，当马氏体含碳量在 0.4%～0.5%左右时，接触疲劳寿命最高。 ⑵马氏体和残余奥氏体的级别 对于轴承 钢而言，在未溶碳化物状态相同的条件下，当马 氏体含碳量在 0.4%～0.5% 左右时，接触疲劳寿 命最高。 ⑶末溶碳化物和带状碳化物 对于马氏体 含碳为0.5%的高碳轴承钢，末溶碳化物颗粒愈粗 大，则其相邻马氏体边界处的含碳量就愈高，该 处也就愈易形成接触疲劳裂纹，故寿命较低。
图7-6是理想化的磨粒磨损模型。按照这一 模型， 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(图7-6 阴影线所示面积)，即磨损量V为
Fltgθ V =K H
K为系数。可见， 磨粒磨损量与法向力、 摩擦距离成正比，与 材料硬度成反比。
机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶 段，如图7-1所示。
1.跑合阶段(磨合阶段) 2.稳定磨损阶段 3.剧烈磨损阶段 如图7-1中的oa线段。
如图7-1中的ab线段。 如图7-1中的bc段。
二、耐磨性
通常是用磨损量来表示材料的耐磨性。磨损量愈小，耐磨性愈 高。 1、用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示；线磨损。 2、用试样体积或质量损失来表示；体积磨损或质量磨损。 3、若测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等，则称为 比磨损量。 4、为和通常的概念一致，用磨损量的倒数来表征材料的耐 磨性。 5、相对耐磨性ε用下式表示
2、特殊介质腐蚀磨损
化工机械
五、微动磨损机理
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称为微动磨损或微动 腐蚀，其特征是摩 擦副接触区有大量 红色Fe2O3磨损粉 末，如图7-10所示。
7.3 磨损试验方法
磨损试验方法分为实物试验与实验室试验两类。 实验室试验所用磨损试验机的原理如图7-13所示。 图7-13a为销盘式试验机，图7-13b为销筒式试验机， 图7-13c为往复运动式试验机，图7-13d为MM型磨 损试验机原理简图。
2. 浅层剥落
浅层剥落裂纹产生 于亚表层， 如图7－20。 浅层剥落多出现在机件 表面粗糙度低，相对滑 动小，即摩擦力小的场 合。
3. 深层剥落
深层剥落裂纹产 生如图7－21。 表面硬化机件小 部强度太低，硬化层 深不合理，梯度太陡 或过渡区存在不利的 应力分布都易造成深 层剥落。
三、接触疲劳试验方法
2. 硬度匹配
两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，直接影 响接触疲劳寿命。实践表明，2Q－400型减速器小 齿轮与大齿轮的硬度比保持1.4～1.7的匹配关系， 可使承载能力提高30%～50%。
思考题与习题
1. 解释下列名词： ⑴ 磨损；⑵ 粘着；⑶ 磨屑；⑷ 跑合； ⑸ 咬死；⑹ 犁皱；⑺ 耐磨性；⑻ 接触疲劳。 2. 试比较三类磨粒磨损的异同，并讨论 加工硬化对它们的影响。 3.试述粘着磨损产生的条件、机理及其 防止措施。
7.4 金属接触疲劳
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 2. 接触应力
1. 接触疲劳现象
接触疲劳是机件两接触而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7-12。
第七章
金属磨损和接触疲劳
7.1 磨损概念 7.2 磨损模型 7.3 磨损试验方法 7.4 金属接触疲劳
7.1 磨损概念
一、磨损 机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有 微小颗粒分离出来形成磨屑（松散的尺寸与形状均 不相同的碎屑），使表面材料逐渐损失（导致机件 尺寸变化和质量损失）、造成表面损伤的现象即为 磨损 。 磨损过程中，磨屑形成也是变形和断裂过程。
接触疲劳试验是在接触疲劳试验机上进行的。 试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。 图7－23是 应用较广的JP M－1型滚子式 试验机原理图。 该种试验机可以 做纯滚动或滚动 带滑动的试验。
四、影响接触疲劳寿命的因素
（一）内部因素
1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力
标准试样的磨损量Hale Waihona Puke Baiduε= 被测试样的磨损量
相对耐磨性的倒数亦称磨损系数。
7.2 磨损模型
一、粘着磨损 二、磨粒磨损 三、冲蚀磨损 四、腐蚀磨损 五、微动磨损
一、粘着磨损
1.磨损机理 2.磨损量的估算 3.影响因素 4.改善粘着磨损耐磨性的措施
1. 磨损机理
粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条 件下，当摩擦副相对滑动速度较小(钢小于 lm/s)时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副 表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，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，表面形貌如图7-2所示。
3. 表面硬度与心部硬度
在一定硬度范围内，接触疲劳抗力随硬度 升高而增大，但 并不保持正比关 系。轴承钢表面 硬度为62HRC时， 其平均使用寿命 最高（图7-25）。
4. 表面硬化层深度
为防止表层产生早期麻点或深层剥落， 渗碳的齿轮需要有一定硬化层深度。最佳硬 化层深度 t 推荐值为：
t = m(15~20 ) ；或 t≥3.15b （7－16） 100
（二）外部因素
1. 非金属夹杂物
钢在冶炼时总存在有非金属夹杂物等冶金缺陷， 对机件（尤其是对轴承）的接触疲劳寿命影响 很大。轴承钢星的非金属夹杂物有塑性的（如硫化 物）、脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氮化物等）和 球状的（如硅钙酸盐、铁锈酸盐）三类，其中以脆 性的带有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂物对接触疲劳 寿命危害最大。 人们普遍认为，钢中适量的硫化物夹杂对提高 接触疲劳寿命有益。生产上应尽量减少钢中非金属 夹杂物（特别是氧化物、硅酸盐夹杂物），在有条 件情况下，要采用电渣重熔，真空冶炼等工艺。
4. 改善磨粒磨损耐磨性的措施
（1）对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损 应增加材料硬度 （2）根据机件服役条件，合理选择耐磨材料 （3）采用渗碳、碳氢共渗等化学热处理
三、冲蚀磨损
1.磨损机理 2.影响因素
1.磨损机理
定义：流体或固体以松散小颗粒以一定速度、角度 对材料表面进行冲击所造成的磨损，一般粒子尺寸 小于100微米；冲击速度在每秒550米以内。
二、接触疲劳破坏机理
1. 麻点剥落 2. 浅层剥落 3. 深层剥落
1. 麻点剥落
麻点剥落的形成过 程如图7-24所示。实践 表明，表面接触应力较小， 摩擦力较大、或表面质 量较差（如表面有脱碳、 烧伤、淬火不足、夹杂 物等）时，易产生麻点 剥落。前者是因为表面 最大综合切应力较高， 后者则是材料抗剪强度 较低所致。
断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐 磨性。图 7-8 为耐磨性与硬度及断裂韧度 关系的示意图。
图7-9为磨损体积和磨粒硬度Ha况与金属材料硬 度H比的关系曲线。曲线分三个区域： Ⅰ区 Ha <H，软磨粒磨损区，磨损量最小； Ⅱ区Ha ≈H，过渡 区，金属材料的磨损体 积与硬度比（Ha/H）成 直线关系； Ⅲ区Ha >H，硬磨 粒磨损区，磨损量较大。 图中两个转折点A 与B所对应的Ha/H分别 为0.7～1.1和1.3～1.7。
式中 m——模数； b——接触面半宽。
5. 残余内应力
在渗碳层的一定范围内，存在有利的残 余压应力，可以提高接触疲劳寿命。
(二)外部因素
1. 表面粗糙度与接触精度
减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度， 提高接触精度，可以有效地增加接触疲劳寿命。接 触应力大小不同，对表面粗糙度要求也不同。接触 应力低时，表面粗糙度对接触疲劳寿命影响较大;接 触应力高时，表面粗糙度影响较小。
磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有明显犁 皱形成的沟槽，如图7-5。
磨粒磨损结论
综上所述可见，磨粒磨损过程可能是磨粒对摩 擦表面产生的切削作用、塑性变形和疲劳破坏作用 或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映， 而以某一损害作用为主。 磨粒磨损断口主要特征是摩擦面上有明显犁皱形 成的沟槽。
2. 磨损量的估算
2.影响因素
（1）环境因素 （2）粒子性能 （3）材料性能
3.改善冲蚀磨损耐磨性措施 减小粒子速度 改变攻角 合理利用粒子粒度和浓度 合理设计工件形状 改善材料特性
四、腐蚀磨损
在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表 面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐 蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨 损。腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损 （粘着磨损或磨粒磨损）共存，故又称腐蚀 机械磨损。 1、氧化磨损 2、特殊介质腐蚀磨损
3. 影响因素
根据试验，金属材料对磨粒磨损的抗力与H/E成 比例，H为材料硬度，E为杨氏模量。材料的H/E值 越大，在相同接触压力下，弹性变形量增大。因此， 机件抵抗磨粒磨损的能力主要与材料硬度成正比。 纯金属与未经热处理的钢，其磨粒磨损耐磨性 与它们的自然硬度成正比，且直线通过原点(图77a)。 经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关 系，但直线的斜率比纯金属为小(图7-7b)。
KFlt V= 9σ scδ
式中 lt ——总滑动距离； σ sc ——单向压缩屈服强度； K ——磨屑形成几率； δ ——材料的断后伸长率。
3. 影响因素
材料特性、法向力、滑动速度以及温度等均对粘 着磨损有明显影响。 塑性材料比脆性材料易于粘着；化合物比固溶体 粘着倾向小;金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属 的摩擦副不易粘着。 在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而 增加。 在法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而 增加，但达到某一极大值后，又随滑动速度增加而减 小。 摩擦副表面粗糙度、摩擦表面温度以及润滑状态 等也都对粘着磨损有较大影响。
图7-16为齿轮节圆附近齿面的麻点剥落， 图7-17为表面淬火齿轮深层剥落的宏观形貌。
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，也叫赫兹应力。 受接触应力作用的 机件，按接触面初始几 何条件不同，可分为线 接触与点接触两类，前 者如齿轮的接触，后者 如滚珠轴承的接触。
粘着磨损过程如图7-3所示。由图可见，粘着磨 损分三个阶段: 1）接触面凸起因塑性变形被碾平，并在接触面 之间形成剪断强度高的 分界面。 2）在摩擦副一方金 属远离分界面内发生断裂， 从该金属上脱落下碎屑并 转移到另一方金属表面。 3）转移的碎屑脱落 下来形成磨屑。
2. 磨损量的估算
由阿查得（J.F.Archard）提出的粘着磨 损量估算方法计算可得总滑动距离内的粘着 磨损体积为