材料力学性能第七章
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材料力学性能
裴立宅
材料科学与工程学院
Email: lzpei1977@, lzpei@
12/15/2014
安徽工业大学 材料科学与工程学院
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第七章 金属磨损和接触疲劳
12/15/2014
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磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因， 也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦 磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机 件失效是磨损引起的。 因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能 源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。 本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和 影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损 的途径。
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（一）氧化腐蚀机理
大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作 相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压 力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金 属内部扩散，从而形成了氧化膜。 氧化腐蚀过程：由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副 继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥 落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随着又再被磨 去。 如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。 宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其 磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。
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凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也 就是磨损量V： 所以
金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：
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3. 影响因素
(1) 据实验，金属材料对磨粒 磨损的抗力与H/E成比例，H 为材料硬度。 弹性模量对组织不敏感，所以 机件抵抗磨粒磨损的能力主要 与材料硬度成正比。所以材料 硬度越高，其抗磨粒磨损的能 力也越好。
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高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复 合材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、 速度、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等参数的各种 情况下进行试验，可测量材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机 适用于科学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、 塑料、陶瓷、建 工建材、军工等领域。该机的标准为Q/01J0422003《MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机》。
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第三节 磨损试验方法
（1）实物试验 （2）实验室试验
右图是销盘型试验机：将试样加上试 验力紧压在旋转圆盘上，试样可在半 径方向往复运动， 这类试验机可用来评定各种摩擦副及 润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性 能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。
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第一节 磨损概念
一、磨损
定义：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，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。 磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运 动性（方式和速度）以及工作温度。
在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有 影响； 在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。
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在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨 损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生 变化。
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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，这是提高耐磨性最有效的措施。 (2) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应 力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧性和高 的加工硬化能力，可提高耐磨性。 (3) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度， 也能有效提高磨粒磨损耐磨性。 (4) 经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入 接触面，也是有效措施。
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第二节 磨损模型
一、粘着磨损 二、磨粒磨损 三、腐蚀磨损
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一、粘着磨损
磨损机理
粘着磨损定义：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1m/s）时发生的。
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（二）微动磨损机理
在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽 然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动 的影响下却能产生微小滑动。 这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。 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。 特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的 磨损产物为黑色。
1. 磨粒磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表 面存在坚硬的细微突起，或 者在接触面之间存在着硬质 粒子时所产生的一种磨损。
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1不同，磨粒磨损分为： 凿削式磨粒磨损 高应力碾碎磨粒磨损 低应力擦伤性磨粒磨损 从磨粒硬度与被磨材料硬度相对关系看，若磨 粒硬度高于被磨材料的硬度，则属于硬磨粒磨 损，反之，则为软磨粒磨损。
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2. 磨损量的计算
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似 为单向压缩屈服强度σsc的三倍。 如果接触处因压应力很高，超过3σsc产生塑性变形，随后因加工 硬化而使变形终止。 设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3σsc，作用于表面 上的法向力为F，则有： 假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘 着点尺寸相同，直径也是d，则
渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。
(3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损 大为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属
的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接 接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。
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二、磨粒磨损
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主要特征是摩擦面上有明显犁皱 形成的沟槽，见右图。 在磨粒磨损时，对于韧性金属材 料，每一磨粒从表面上切下的是 一个连续屑；对于脆性金属材料， 一个磨粒切下的是许多新屑。 在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压 碎前几乎没有滚动和切削的机会， 所以磨粒对摩擦表面的作用是由 于磨粒接触点处的集中压应力造 成的，这种集中压应力可使韧性 材料表面产生塑性变形。 磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦 表面的切削作用，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， 而以某一种损害为主。
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微动磨损过程有三个阶段：
第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹 和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂； 第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑， 磨屑形成后随即氧化； 第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速 第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。
塑性材料比脆性材料易于粘着； 互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、 电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大； 单相金属比多相金属粘着倾向大； 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组成的摩擦副不易粘 着。 在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验 表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。 在法向应力一定时，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。 摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大 影响。
这是由于缺乏润滑油，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。
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摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双 方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触 面上的局部应力就足以引起塑性变形。 如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原 子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。 随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一 方金属表面，然后脱落形成磨屑。 一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后 也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。
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2. 磨损量的计算
现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒 磨损量计算式：
根据此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为 圆锥体）被压入软材料中。 当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接触面 积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停 止下来：
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机件的正常磨损通常分为三个阶段：
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二、耐磨性
通常用磨损量表示材料的耐磨性 磨损量可用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示， 称为线磨损 也可用试样体积或质量损失率来表示，称为体积磨损 或质量磨损 如果测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等，称 为比磨损量 有时还可用磨损量的倒数来表征材料的耐磨性 相对磨损性：（标准试样的磨损量）/（被测试样的磨 损量，其倒数也称为磨损系数
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右图是粘着点强度比摩擦副一 方金属强度高的情况， 此时常在较软一方体内产生剪 断，其碎片转移至较硬一方的 表面上， 软方金属在硬方表面逐步累积 最终不同金属的摩擦副滑动成 为金属间的滑动， 所以磨损量较大，表面较粗糙， 可能产生咬死现象。
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氧化磨损的速率或磨损量的影响因素：
(1) 摩擦副表面层对塑性变形的抗力； (2) 氧在金属中的扩散速率； (3) 氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固 程度； (4) 摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、 温度等。 氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于其它类 型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则氧化磨损是有 利的。
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(2) 断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性
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(3) 细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所 以也提高耐磨性 (4) 加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不 同而有不同
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三、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 成与脱落引起腐蚀磨损。 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。
分类：
1. 氧化磨损 2. 微动磨损 3. 冲蚀磨损（又称气蚀） 4. 特殊介质腐蚀磨损
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4 改善粘着磨损耐磨性的措施
(1) 摩擦副配对材料的选择
基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性 小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属 等配对。
(2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效 减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行
所以
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假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损 体积为： 所以：
积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动 距离内的粘着磨损体积为：
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3 影响因素
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第七章 金属磨损和接触疲劳
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磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因， 也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦 磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机 件失效是磨损引起的。 因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能 源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。 本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和 影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损 的途径。
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（一）氧化腐蚀机理
大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作 相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压 力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金 属内部扩散，从而形成了氧化膜。 氧化腐蚀过程：由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副 继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥 落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随着又再被磨 去。 如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。 宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其 磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。
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凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也 就是磨损量V： 所以
金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：
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3. 影响因素
(1) 据实验，金属材料对磨粒 磨损的抗力与H/E成比例，H 为材料硬度。 弹性模量对组织不敏感，所以 机件抵抗磨粒磨损的能力主要 与材料硬度成正比。所以材料 硬度越高，其抗磨粒磨损的能 力也越好。
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高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复 合材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、 速度、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等参数的各种 情况下进行试验，可测量材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机 适用于科学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、 塑料、陶瓷、建 工建材、军工等领域。该机的标准为Q/01J0422003《MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机》。
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第三节 磨损试验方法
（1）实物试验 （2）实验室试验
右图是销盘型试验机：将试样加上试 验力紧压在旋转圆盘上，试样可在半 径方向往复运动， 这类试验机可用来评定各种摩擦副及 润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性 能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。
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第一节 磨损概念
一、磨损
定义：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，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。 磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运 动性（方式和速度）以及工作温度。
在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有 影响； 在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。
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在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨 损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生 变化。
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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，这是提高耐磨性最有效的措施。 (2) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应 力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧性和高 的加工硬化能力，可提高耐磨性。 (3) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度， 也能有效提高磨粒磨损耐磨性。 (4) 经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入 接触面，也是有效措施。
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第二节 磨损模型
一、粘着磨损 二、磨粒磨损 三、腐蚀磨损
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一、粘着磨损
磨损机理
粘着磨损定义：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1m/s）时发生的。
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（二）微动磨损机理
在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽 然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动 的影响下却能产生微小滑动。 这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。 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。 特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的 磨损产物为黑色。
1. 磨粒磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表 面存在坚硬的细微突起，或 者在接触面之间存在着硬质 粒子时所产生的一种磨损。
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1不同，磨粒磨损分为： 凿削式磨粒磨损 高应力碾碎磨粒磨损 低应力擦伤性磨粒磨损 从磨粒硬度与被磨材料硬度相对关系看，若磨 粒硬度高于被磨材料的硬度，则属于硬磨粒磨 损，反之，则为软磨粒磨损。
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2. 磨损量的计算
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似 为单向压缩屈服强度σsc的三倍。 如果接触处因压应力很高，超过3σsc产生塑性变形，随后因加工 硬化而使变形终止。 设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3σsc，作用于表面 上的法向力为F，则有： 假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘 着点尺寸相同，直径也是d，则
渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。
(3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损 大为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属
的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接 接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。
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二、磨粒磨损
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主要特征是摩擦面上有明显犁皱 形成的沟槽，见右图。 在磨粒磨损时，对于韧性金属材 料，每一磨粒从表面上切下的是 一个连续屑；对于脆性金属材料， 一个磨粒切下的是许多新屑。 在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压 碎前几乎没有滚动和切削的机会， 所以磨粒对摩擦表面的作用是由 于磨粒接触点处的集中压应力造 成的，这种集中压应力可使韧性 材料表面产生塑性变形。 磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦 表面的切削作用，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， 而以某一种损害为主。
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微动磨损过程有三个阶段：
第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹 和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂； 第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑， 磨屑形成后随即氧化； 第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速 第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。
塑性材料比脆性材料易于粘着； 互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、 电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大； 单相金属比多相金属粘着倾向大； 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组成的摩擦副不易粘 着。 在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验 表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。 在法向应力一定时，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。 摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大 影响。
这是由于缺乏润滑油，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。
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摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双 方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触 面上的局部应力就足以引起塑性变形。 如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原 子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。 随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一 方金属表面，然后脱落形成磨屑。 一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后 也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。
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2. 磨损量的计算
现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒 磨损量计算式：
根据此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为 圆锥体）被压入软材料中。 当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接触面 积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停 止下来：
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机件的正常磨损通常分为三个阶段：
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二、耐磨性
通常用磨损量表示材料的耐磨性 磨损量可用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示， 称为线磨损 也可用试样体积或质量损失率来表示，称为体积磨损 或质量磨损 如果测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等，称 为比磨损量 有时还可用磨损量的倒数来表征材料的耐磨性 相对磨损性：（标准试样的磨损量）/（被测试样的磨 损量，其倒数也称为磨损系数
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右图是粘着点强度比摩擦副一 方金属强度高的情况， 此时常在较软一方体内产生剪 断，其碎片转移至较硬一方的 表面上， 软方金属在硬方表面逐步累积 最终不同金属的摩擦副滑动成 为金属间的滑动， 所以磨损量较大，表面较粗糙， 可能产生咬死现象。
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氧化磨损的速率或磨损量的影响因素：
(1) 摩擦副表面层对塑性变形的抗力； (2) 氧在金属中的扩散速率； (3) 氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固 程度； (4) 摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、 温度等。 氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于其它类 型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则氧化磨损是有 利的。
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(2) 断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性
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(3) 细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所 以也提高耐磨性 (4) 加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不 同而有不同
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三、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 成与脱落引起腐蚀磨损。 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。
分类：
1. 氧化磨损 2. 微动磨损 3. 冲蚀磨损（又称气蚀） 4. 特殊介质腐蚀磨损
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4 改善粘着磨损耐磨性的措施
(1) 摩擦副配对材料的选择
基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性 小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属 等配对。
(2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效 减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行
所以
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假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损 体积为： 所以：
积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动 距离内的粘着磨损体积为：
12/15/2014
安徽工业大学 材料科学与工程学院
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3 影响因素