第三章_磨损及磨损机理

第三章磨损及磨损机理

概述

物体摩擦表面上得物质,由于表面相对运动而不断损失得现象称磨损。

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:轻微得磨损,跑合就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,发生噪音与振动,摩擦温度迅速升高,说明零件即将失效。(如图3、1)

影响磨损得因素很多,例如相互作用表面得相对运动方式(滑动,滚动,往复运动,冲击),载荷与速度得大小,表面材料得种类,组织,机械性能与物理-化学性能等,各种表面处理工艺,表面几何性质(粗糙度,加工纹理与加工方法),环境条件(温度、湿度、真空度、辐射强度、与介质性质等)与工况条件(连续或间歇工作)等。这些因素得相互影响对于磨损将产生或正或负得效果,从而使磨损过程更为复杂化。

磨损过程涉及到许多不同得学科领域,由于具有跨学科得性质,至今还很难将它得规律解释清楚。已经有很多学者对磨损进行了大量得研究。

如20世纪20年代,汤林森提出了分子磨损得概念,她认为两个粗糙表面在接触摩擦过程中相互接近,而一个表面上得原子被另一个表面俘获得现象就就是磨损。

霍尔姆在上述基础上作了进一步得发展,她指出摩擦材料得压缩屈服极限σb(即硬度)对耐磨性得影响很大。

50年代初,奥贝尔(Oberle)从表层材料得机械破坏着眼,联系“切削”过程来解释磨损,她认为影响磨损得主要因素除硬度H外,还有材料得弹性模量E。处在弹性极限内得,变形越大,机械破坏越少,并提出用模数(m＝E/H×105)来反映材料得耐磨性,m值高则耐磨性好。

冯(Feng)提出了机械性质相近得两表面上机械嵌锁作用导致界面上既粘连又犁削得观点。

布洛克(Blok)认为软钢表面变得粗糙与发生塑性变形,就是由于应力过高而引起得。

拉宾诺维奇认为表面能与材料硬度之比,对于磨损就是一个重要因素,它可能影响磨屑得大小。

赫鲁晓夫提出了硬质微凸体在软表面上犁沟得模式图。

有不少学者通过实验与观测发现,磨损就是比原子量级大得多得数量级,大规模地发生着。拉宾诺维奇与阿查德(Archard)分别指出,磨损颗粒大约具有如实际接触斑点直径那样得数量级。拉宾诺维奇提出磨屑呈半球形,阿查德也认为磨屑具有一定得厚度。

在滑动或滚动过程中,表面微凸体反复承载而发生疲劳脱落得现象,有人把它瞧作就是一种磨损,克拉盖尔斯基(Крагельский)提出了形成磨屑得数学模式,木村好次(Kimura)等人得观

点也属于这一类。

苏(Suh)等人提出了由于应力重复作用与应变累积而引起材料转移得观点,她指出磨屑呈细片状而不就是呈半球形,同时认为材料得整体性能(硬度)不就是控制磨损得因素。

关于磨损现象得解释,不同得论点都从某一角度描述了磨损某一方面得状况。还难以解释千变万化得磨损现象。随着表面微观分析仪器及电子计算技术得发展,人们对磨损得研究也由宏观进入亚微观,进而进入微观研究;由静态到动态,由定性到定量。但至今仍不能算很完善。

本章主要讨论金属材料得磨损,关于非金属材料得磨损问题将稍加讲解。

磨损得情况与程度,用磨损率来表示。磨损率就是指单位时间,单位滑动距离、单位作功,或每一转、每一次摆动中表面材料得磨损量。磨损量可用质量,体积或厚度来度量。

3、1磨损类型

关于磨损得分类也有各种观点。这里采用伯韦尔(Burwell)得观点根据磨损机理得不同,把粘着磨损,磨粒磨损、腐蚀磨损与表面疲劳列为磨损得主要类型,而把表面侵蚀,冲蚀等列为次要类型。这些不同类型得磨损,可以单独发生,相继发生或同时发生(为复合得磨损形式)。

3、1、1粘着磨损

摩擦副相对运动时,由于接触点上得固相焊合,接触表面得材料从一个表面转移到另一个表面得现象称为粘着磨损。

①粘着磨损机理

由摩擦得粘着理论可知,金属表面微凸体在法向载荷得作用下,当顶端压力达到屈服强度时,就会发生塑性变形而使接触面扩大,直到实际接触面积大到足以支承外载荷时。相对滑动时,界面膜破裂,就会在接触处形成“冷焊”接点。继续滑动又会将接点剪断,随后再形成新得接点。在不断得剪断与形成新得接点得过程中,发生了金属磨损。磨损量得大小取决于节点处被剪断得位置。

如剪切发生在界面上,则磨损轻微;如发生在界面以下,则会使金属从一个表面转移到另一个表面。继续摩擦时,这部分转移物就可能成为磨屑。

如表面有污染膜,吸附膜等表面膜存在时,磨损轻微。由于表面膜得抗剪强度较低,接触点处得表面膜很容易遭到破坏,使新鲜得金属表面得以暴露,加上摩擦热得影响,金属间形成了很强得粘着,运动时必须剪断这些金属粘着点,造成表面损伤,严重时甚至可以咬死。

综上所述,可以将粘着磨损得过程作如下得描述:

接触——塑性变形——表面膜(包括油膜)破裂——粘着(冷焊)——剪断接点——再粘着得循环过程。

②粘着磨损得分类

根据剪断位置得不同,表面损伤程度得不同,又可将粘着磨损分为以下几个等级(如表3、1所列):

③粘着磨损规律

a、阿查德(Archard)得磨损量计算式

她假设在一系列等高度,大小相仿得微凸体上形成磨屑(见图3、2)。

设单个微凸体得接触面积得半径为r,面积为πr2,则所支承得载荷N i=σb·πr2。如滑动距离为一个直径长时,则剪断得半球状微凸体得体积ΔQ=2／3πr3(半个球得体积)。

设n为接触表面间得接触点数,则滑动了L这么长距离后得总磨损量为:

所受得载荷为N,将

代入上式,则得:

以上就是假定每个接触得微凸体都被

剪断而形成磨屑(磨损量)。而实际上尚有

一个概率,

用系数k来表示:

如滑动距离L设为1个单位长度,将单位长度得磨损量定义为磨损率

式中:Q 总磨损量; N 法向载荷; L 滑动距离; σb材料得压缩屈服极限(硬度)。

根据以上结果,可以得出以下结论:

⑴、磨损量与滑动距离成正比;

⑵磨损量与法向载荷成正比,而与表观面积无关;

⑶磨损量与较软材料得压缩屈服极限(硬度)成反比;

⑷滑动速度大体上对磨损量没有影响。

但就是实验证明,磨损量与法向载荷成正比只适用于法向载荷较小得情况下,当载荷大到接触面上平均压应力超过3σb时,磨损会急剧增大。另外很多实验也表明,速度对于各种材料得不同磨损类型都存在着一定得影响。

同时,阿查德得公式中没有说明表面膜对粘着磨损得影响,计算式中没有反应出表面几何性质、表面加工状况、磨合等因素得影响。

b、吉本(Yoshimoto)与筑添(Tsukizoe)

得计算式

考虑到几何因素得影响,她们假定微

凸体呈锥状。锥底直径为2r,高度不等,都

具有相同得锥底角θ。与理想平滑得表面

摩擦(见图3、3)。

她们得推导思路与方法与阿查德相

同。唯每个微凸体得形状为锥体: 则:

图3、3 吉本-筑添得表面接触模型

N

图3、2 阿查德得微凸体相遇模式