材料性能学-第6章

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自经典摩擦定律提出后，人们对摩擦现象和机 理提出了许多理论来解释，但尚未形成统一理论。
目前，对摩擦现象和本质的解释，主要有两类 理论: 摩擦是由于表面接触点上分子间相互作用而产 生的，简称为分子理论。
►
摩擦是由于表面高低不平微峰间的机械作用和 材料的变形所引起的，简称为机械理论。
► ►分子-机械理论和粘着摩擦理论。
在稳定工作达到一定时间后，由于磨损量的积累或 者由于外来因素(工况变化)的影响，使摩擦副的摩擦 系数增大、磨损率随时间而迅速增加(图6-3III区)。
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图6-3a是典型的磨损曲 线，由三个阶段组成。

图6-3b表示磨合期后， 摩擦副经历了两个磨损工况 条件，因而有两个稳定磨损 阶段；在这两个阶段中，虽 然磨损率不同，但都保持不 变，属于正常工作状态。
摩擦(Friction)是两个相互接触的物体在外力 作用下，发生相对运动(或有相对运动趋势)时产生 切向运动阻力的物理现象，而磨损(Wear)是摩擦 的结果；润滑是降低摩擦和减少磨损的措施。 凡相互作用、相对运动的两表面之间，都有摩擦 与磨损存在。
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摩擦磨损的危害：材料间的摩擦消耗了大量的能量， 其中摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因。 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。 摩擦磨损现象也有有利的一面，如人和车辆在陆地 行走；用磨粒磨损原理进行研磨加工等。 控制摩擦、减少磨损、改善润滑性能，已成为节约 能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。 摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备的使用寿 命和增加可靠性也有重要作用。
◊ 胶合：在摩擦力和摩擦热的作用下，摩擦表面出现较深
的划痕和凹坑的磨损。胶合是擦伤和撕脱联合作用的结果。 ◊ 咬死：当摩擦表面形成牢固的焊结结点时，外力克服不 了结点界面上的结合力，也不能使摩擦面双方剪切破坏时， 使摩擦副双方没有相对滑动。 粘着磨损的共同特征：出现材料迁移以及沿滑动方向形 成程度不同的划痕。
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▶ 粘着磨损的影响因素


材料组织与性能(内因)
点阵结构：体心立方和面心立方结构的金属发生 粘着磨损的倾向高于密排六方结构。 材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘着 倾向越大。

组织结构：单晶体的粘着性大于多晶体；单相金 属的粘着性大于多相合金；固溶体比化合物粘着倾 向大。材料的晶粒尺寸越小，粘着磨损量越小。
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分类: 按接触条件或磨损表面数量分： ◊ 两体磨粒磨损：磨料直接作用于被磨材料的表面， 磨粒、材料表面各为一物体。 ◊ 三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。磨粒为 一物体，两材料为两物体，磨粒可以在两表面间滑动， 也可以滚动。

图6-5 两体和三体磨粒磨损示意图
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按力的作用特点分为：
切断裂发生在较软金属的浅表层内，材料从软金属表 面上脱落，又粘附(涂敷)在硬金属的表面上。
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◊ 擦伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时，剪切
断裂发生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面的粘着物， 在摩擦表面的滑动方向上将软材料的表面划伤，形成细而 浅的划痕，使摩擦表面破坏。 ◊ 刮伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时， 摩 擦表面上形成的粘着物使另一摩擦表面沿滑动方向产生较 深的划痕。

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6.3 材料的磨损
粘着磨损(Adhesive Wear)
▶ 概念与分类
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概念：接触表面相互运动时，因固相焊合作用使材 料从一个表面脱落或转移到另一表面而形成的磨损。



分类：
按工作温度：低温粘着磨损；高温粘着磨损。 按粘结点的强度和磨损程度，可分为：
◊ 涂抹：当较软金属的剪切强度小于界面强度时，剪
两个摩擦表面的相互作用，可以是机械的(弹性、塑性和 犁沟效应)或分子的(吸引和粘着) 两类。 ▶ 表面层的变化 在摩擦表面的相互作用下，表面层将发生机械的(硬化)、 组织结构(退火)的、物理的和化学的变化。 ▶ 表面层的破坏形式 擦伤：由于犁沟作用在摩擦表面产生沿摩擦方向的沟痕和 磨屑。 点蚀：在接触应力反复作用下，金属疲劳破坏而形成的表 面凹坑。 剥落：金属表面由于变形强化而变脆，在载荷作用下产生 微裂纹随后剥落。 胶合：由粘着效应形成的表面粘结点具有较高的连接强度， 使剪切破坏发生在表层内一定深度，因而导致严重磨损。

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在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时 在，而且一种磨损发生后往往诱发其它形式的磨损。
另外，磨损形式还随工况的变化而转化，如下图。
图6-1 磨损形式随滑动速度和载荷的变化 (a)滑动速率 (b)载荷
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磨损过程
根据磨损的定义和分类，磨损可分为三个过程。
图6-2 磨损分类图
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▶ 表面的相互作用

图6-3c是恶劣工况条件 图6-3 磨损过程曲线 下的磨损曲线，在磨合磨损 之后直接发生剧烈磨损，不 (a)典型磨损过程 (b)两个稳定磨损过程 (c)恶劣磨损过程 (d)接触疲劳磨损过程 能建立正常的工作条件。

图6-3d属于接触疲劳磨损，正常工作到接触疲劳寿命T0时 开始出现疲劳磨损，并迅速发展引起失效。

第二定律：摩擦力的大小与名义接触面积无关。 第三定律：静摩擦力大于动摩擦力。 第四定律：摩擦力的大小与滑动速度无关。
第五定律：摩擦力的方向总是与接触表面间相 对运动速度的方向相反。

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经典摩擦定律是实验中总结出的规律，它揭示了摩擦 的性质。但随着对摩擦现象的深入研究，发现上述定律 与实际情况有许多不符的地方：
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▶ 粘着磨损的模型与机理
由于峰点上的结点体积比接触峰的体积小得多， 当覆盖在峰上的表面膜遭到破坏后，峰顶产生粘着， 随后的滑动使接触点分离，结点剪断。这种粘着、 剪切、再粘着的交替过程就形成了粘着磨损。
图6-4 粘着磨损模型
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1953年Archard提出，假设单位面积上有n个 凸起， 在压力p的作用下发生粘着，每个粘着点的 半径为a。并假定粘着点处的材料处于屈服状态，其 压缩屈服极限为σs。则承受的总载荷为：
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磨损的概念和分类
▶ 概念
磨损是相互作用的固体表面在相对运动中，接触 表面层内材料发生转移和损耗的过程，它是伴随摩 擦而产生的必然结果。 磨损造成的损失是十分惊人的。在机械零件的三 种主要失效方式(磨损、腐蚀、断裂)中，磨损失 效占60~80%。 材料的磨损不是简单的力学过程，而是物理、力 学和化学过程的复杂综合。
p = n a2σs (6 2)
相对运动使粘着点分离时，一部分粘着点从软方 材料中拉出半径为a的半球，其磨损体积为2πa3/3。 考虑到并非所有的粘结点都能发生破坏，形成磨屑。 引入粘结点发生迁移破坏的几率(或粘着磨损常数) 为k，于是当滑动位移为2a时，单位位移产生的体 积磨损量为：
V 2 1 1 = k n a3 = kn a 2 l 3 2a 3 (6 3)
材料性能学
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第六章 材料的磨损性能
6.1 前言 6.2 摩擦和磨损的概念及类型 6.3 材料的磨损 6.4 耐磨性及摩擦磨损的测量方法 6.5 摩擦磨损的控制
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6.1 前言
材料的摩擦与磨损是研究具有相对运动的、相互 作用的材料表面间的有关理论与实践的一门学科— 摩擦学(Tribology)。
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▶ 分类

按环境和介质分：流体磨损；湿磨损；干磨损。
按表面接触性质分：金属/流体磨损；金属/ 金属磨损；金属/磨料磨损。

按摩擦表面作用分：机械磨损；分子-机械磨 损(粘着磨损)；腐蚀-机械磨损。

按表面破坏方式分：擦伤、点蚀、剥落、胶合、 凿削、咬死。

按磨损程度分：轻微磨损；严重磨损等。
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6.2 摩擦和磨损的概念及类型
摩擦的概念、分类和经典摩擦理论
▶ 概念
两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作 用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时 ，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这种 阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。
摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物 体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。

降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力；但 粗糙度过低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促 进粘着。

提高温度和滑动速度，粘着磨损量增加。

良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。
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▶ 提高抗粘着磨损能力的措施

首先要注意摩擦副配对材料的选择。 互溶性小、非同种材料等。
采用表面处理工艺(氮化、渗碳等)，可提高摩 擦表面的抗粘着能力，有效地阻止材料的粘着。 控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨 损大为减轻。
◊ 低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应
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将式(6-2)代入式(6-3)中，并假定屈服极限σs 与材料的硬度H相等，则有滑动行程为L时的粘着 磨损体积为：
pL V =k 3H (6 4)
上式表明，材料的粘着磨损量与所加法向载荷、 摩擦距离成正比；与材料的硬度或强度成反比，而 与接触面积大小无关。
另外，需要说明的是在所有的粘着结点中只有极 少数发生磨损，而大部分粘结点不产生磨屑，即几 率k值远小于1。
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目前，比较常见的磨损分类方法是：
粘着磨损(Adhesive Wear)：接触表面相互 运动时，由于固相焊合作用使材料从一个表面脱落 或转移到另一表面而形成的磨损。

磨粒磨损(Abrasive Wear)：由于摩擦表面 间硬颗粒或硬突起，使材料产生脱落而形成的磨损。

疲劳磨损(Fatigue Wear)：由于摩擦表面间 循环交变应力引起表面疲劳，导致摩擦表面材料脱 落而形成的磨损。

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腐蚀磨损(Corrosive Wear)：在摩擦过程 中，由于固体界面上的材料与周围介质发生化学 反应导致材料损耗而形成的磨损。

微动磨损(Fretting Wear)：在两物体接触 面间由于振幅很小(1mm以下)的相对振动引起 的磨损。

冲蚀磨损(Erosion 或 Erosive Wear)：含 有固体颗粒的流体介质冲刷固体表面，使表面造 成材料损失的磨损，又称为湿磨粒磨损。

塑性材料比脆性材料易于粘着；金属/金属组成 的摩擦副比金属/非金属的摩擦副易于粘着。

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工作环境(外因)
在摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的 增大而增加。一般情况下，许用应力必须小于材料 硬度的1/3，才不会产生严重的粘着磨损。 在接触压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动 速度的增加而增加，但达到某一极大值后，又随滑 动速度的增加而减小。

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磨粒磨损(Abrasive Wear)
▶ 概念与分类
概念: 硬的磨(颗)粒或硬的凸出物在与摩擦表面 相互接触运动过程中，使表面材料发生损耗的一种 现象或过程。

磨粒磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和 水平分力，前者使硬质点压入材料表面，而后者使 硬质点与表面之间产生相对位移。其结果使被磨损 表面产生犁皱或切屑，形成磨损或沟槽。 磨粒磨损是最重要的磨损类型。在工业领域中的 磨粒磨损，约占零件磨损失效的50%。
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与磨损过程相对应，磨损曲线可分为三个阶段：
►
磨合磨损阶段
磨合(跑合)是磨损过程的非均匀阶段，在整个磨损 过程中所占比例很小，其特征是磨损率随时间的增加 而降低(图6-3中的I区)。
►
稳定磨损阶段
摩擦表面经磨合以后达到稳定状态，实际接触面积 始终不变、磨损率保持不变(图6-3中的II区)。
►
剧烈磨损阶段
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▶ 分类

按摩擦副的运动状态 静摩擦(相对运动趋势)、动摩擦(相对运动)

按摩擦副的运动形式 滑动摩擦、滚动摩擦

按摩擦副表面的润滑状况
纯净摩擦、干摩擦、 流体摩擦、边界摩擦、 混合摩擦
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▶ 经典摩擦理论
第一定律：摩擦力与作用于摩擦面间的法向载 荷成正比

F = μ p (6 1)
式中F为摩擦力；p为法向载荷；μ是摩擦系数。此 公式常称为库仑定律。
对第一定律：摩擦系数不仅与摩擦副材料的性质有 关，而且还与许多其他的因素有关，如温度、粗糙度和 表面污染情况等。摩擦系数是一个与材料和环境条件有 关的综合系数。 对第二定律：只对有一定屈服点的材料(如金属材料) 才能成立。 对第三定律：不适用于粘弹性材料。粘弹性材料的 静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。 对第四定律：对于很多材料而言，摩擦系数都与滑 动速度有关。