哈工大摩擦磨损理论 第六章 磨损1-金属1

图6－6 钢（HB223）的磨损常数和平均压力的关系曲线
图6－7 表面龟裂
3．影响粘着磨损的因素
影响粘着磨损的主要因素有，载荷、添加剂、摩擦副材料的组合、速 度和温度等。载荷和添加剂对粘着磨损的影响在第五章中已有初步介绍， 这里主要介绍其它因素对粘着磨损的影响。 1）摩擦副材料组合的影响 摩擦的相容性：通常，将一定的配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘 着的性能称为摩擦的相容性。如果摩擦副在工作过程中具有低摩擦、高耐 磨度的性能，则摩擦的相容性好，反之则摩擦的相容性差。 冶金相容性：两种金属在固态能互相溶解的性能称为金属的冶金相容 性。金属间能互溶的材料，其冶金相容性好。 一般来说，相同金属或晶格类型、晶格间距、电子密度、电化学性能 相近的金属的冶金相容性好； 冶金相容性好的金属组合，其摩擦相容性就差，即磨损增大。 例如，铅、锡、铜和铟与铁的冶金相容性差，因此这四种材料可作为 滑动轴承耐磨材料的基础金属。
疲劳磨损 （接触疲劳）
齿轮副、滚 动轴承疲劳
曲轴轴颈的 氧化磨损； 化工设备中 的零件表面 飞机操纵杆 花键、销子 燃气轮机叶 片遭受石英 砂粒的侵蚀
腐蚀磨损
微动磨损
冲蚀磨损
第二节 金属的磨损
一、粘着磨损
当摩擦表面有相对运动时，由于粘结，使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。
相当于式（6－1）中的 C 值，由此可源自阿查得给常数 C 值 以更明确的定义。
表 6－ 3 各种材料组合的
k
值
材 料 组 合
k
160×10-3
45×10-3
锌对锌
低碳钢对低碳钢
铜对铜
不锈钢对不锈钢
32×10-3
21×10-3
铜在低碳钢上滑动
低碳钢在铜上滑动 酚醛塑料对酚醛塑料
1.5×10-3
0.5×10-3 0.02×10-3
表层的金相组织和化学成分均有明显变化。高温粘着磨损的磨屑呈薄 带形，其厚度小于低温粘着磨损的磨屑。图6－2 b)是高温粘着磨损的表层， 在沿深度方向h处的化学成分含量百分数的分布情况。图6－3 a）、b）、c） 是磨损前后45号钢X射线影图，它表明了金属组织在磨损前后的变化情况。
图6－3 45钢磨损前后X射线影图 图6－2 45钢磨损后表层Mn、C、Si含量的变化 b ) 高温粘着磨损，载荷500 N，速度4m/s a）、b）高温粘着磨损后 c）高温粘着磨损前 d）低温粘着磨损前 e）低温粘着磨损后
脆性材料比塑性材料粘着倾向小，因此，塑性材料比脆性材料容易产生 粘着磨损。塑性材料破坏在表层深处、磨粒大，脆性材料破坏发生在表层浅 处、磨粒细小。 ③非金属： 金属与非金属材料（如石墨、塑料等）组成的摩擦副，比同时用金属组 成的摩擦副粘着倾向小。
表6－5 为常用纯金属与钢铁摩擦副的粘着磨损性能
金属 Be C Mg Al* Si* Ca Ti Cr Fe Co Ni 与Fe的互溶性 （% ） >0.05 1.7 0.026 0.03 4 ~5 不 溶 6.5 100 100 100 100 与钢的 抗粘着 性 差 良 可 可 差 差 差 差 差 差 差 与铁的 抗粘着 性 差 良 优 良 差 良 可 差 可 差 差 金属 Cu Zn* Ge Ag* Cd* Sn* Sb* Te* Ta W Au* 与Fe的互溶性（ %） 4 0.0009~0.0028 化合物 0.0004~0.0006 0.0002~0.0004 化合物 化合物 化合物 7 32.5 34 与钢的抗 粘着性 良或可 可 优 优 优或可 优 优 良 差 可 差 与铁的抗 粘着性 良 良 差 优 良 优 优 优 可 差 优
二、磨损的分类与特点
类 型 现 象 特 点 举 例
粘着磨损
摩擦副相对运动时，由于接触表面直接 粘着，使接触点表面的材料由一个表面 转移到另一表面的现象
发生于无润滑和氧化膜缺少 及滑动速度不大的情况下， 粘着点被剪切破坏 发生于各种压力和滑动速度 下，磨粒作用于表面而破坏
无论有无润滑，表层或次表 层在接触应力反复作用下， 而产生麻点剥落 有化学或电化学反应的表面 腐蚀破坏 通常发生于有微量振动的接 触表面上，都伴有腐蚀过程 而产生氧化碎屑，是一种复 合式的磨损 发生在多相流体中，有磨屑 脱落
在相对滑动时，软的金属可能从基体上撕脱下来。产生这种粘着磨损 时，表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化学成分的变化，这 种粘着磨损称为低温粘着磨损，如图6－2 a）、图6－3 d）、e）所示。
图6－2 45钢磨损后表层Mn、C、Si含量的变化 a) 低温粘着磨损，载荷500 N，速度 0.025m/s
新机器的跑合，使 表面的不平处磨去 一点，以利于机器 正常运转 蜗轮表面的铜涂抹 在蜗杆表面上
内燃机的活塞和缸 壁，经常出现擦伤 现象
涂 抹
擦 伤
划 伤
胶合
有时突然产生，危 害很大。在齿轮传 动、蜗轮传动、活 塞和汽缸壁之间 不锈钢螺栓与不锈 钢螺母在拧紧过程 中
咬死
（冷焊、焊合：固体表面直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。焊合包括冷焊及熔焊，熔焊在较高的温度下才产生。）
图6－3 45钢磨损前后X射线影图 a）、b）高温粘着磨损后 c）高温粘着磨损前 d）低温粘着磨损前 e）低温粘着磨损后
2) 高温粘着磨损 高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大和单位面积上压力很高的情况 下，这时微峰接触点上的瞬时温度很高。仅仅在表面很薄的一层金属发生 软化，被软化的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上，沿着滑动 方向形成交替的裂口、凹穴。
2．干摩擦条件下的粘着磨损计算
1) 粘着磨损现象存在以下三条规律： ①材料磨损量和载荷 N 成正比关系。
②材料磨损量和滑移距离 x 成正比。
③材料磨损量和较软材料的屈服限 s 或者硬度成反比。 若磨损量用磨屑的体积 V 表示，则 V 、 N 、x 和 s 之间的关系为 Nx （6－1） V C
内燃机铝活 塞壁与缸体 的摩擦擦伤
农业机械和 矿山机械零 件的磨损
磨粒磨损
在摩擦过程中，因硬颗粒或凸出物嵌入 ，并切割摩擦表面材料使其脱落
两接触表面作滚动或重复接触时，由于 周期性载荷作用使表面产生变形和应力 ，并导致裂纹产生和造成剥落 在摩擦过程中，金属同时与周围介质发 生化学或电化学反应而使材料损失 两接触面由于承受周期性的，幅度极小 的相对运动使之发生粘着、腐蚀和表面 的剥落 流体束或含有固态颗粒的流体冲击固体 表面而造成的磨损
3) 粘着磨损的分类：按表面破坏的严重程度
表6－2 粘着磨损的磨损形式、特点
磨损形式 特 点 举 例
轻微磨损
轻微磨损时，粘结点的强度比两个基体金属的强度都弱。因此，剪 切破坏产生在粘结点上，表面金属材料的转移很轻微，轻微磨损程 度取决于载荷和速度 金属从一个表面离开，并以很薄的一层堆积在另一个表面上。它是 较软的金属涂沫在较硬的金属表面上。产生涂抹时，粘结点的强度 大于软金属的剪切强度。剪切破坏产生在软金属表面浅层以内 在金属表面上，沿滑动方向产生的细小抓痕。由于有较硬的凸峰（ 或较硬的颗粒），且在表面之间有相对滑动时，才产生擦伤。产生 擦伤时，粘结点的强度高于二个基体金属的强度，因此，剪切破坏 发生在金属表层以下较浅的部分，抓痕多发生在较软的金属表面上 在摩擦副间产生冷焊，沿滑动方向形成较严重的抓痕 在摩擦表面上有材料转移，表面被严重撕裂并显得粗糙以及有明显 的塑性变形。在滑动表面间，由于固相焊合产生局部破坏。胶合时 ，表面局部温度相当高，此时，粘结点的面积也较大，其剪切强度 比任一基体金属都高。在剪切破坏时，产生较深的破坏深度 由于粘结点焊合，致使摩擦面间的相对运动受到阻止或停止。咬死 往往伴随着表面严重的焊合现象。它是胶合最严重的表现形式。产 生咬死时，粘结点的强度相当高，粘结区较大，粘结点不能从基体 上剪切掉，以致迫使相对运动停止
*为B族元素，共22种元素
2）相对滑动速度的影响 在速度较小的范围内（小于5m/s时）, 当相对滑动速度从零增大超过某一定 值后，碳素工具钢的磨损率随着速度的继续增加而急剧下降。磨损表面的轮廓最 大高度Ry和摩擦系数f也都随着速度的提高而降低，如图6－9、6－10、6－11。 产生上述现象的原因是：随着相对滑动速度的增加，表面温度升高，在表面 形成一层氧化膜或非晶形粉状氧化物，它阻止金属间的直接接触，从而减少粘着 磨损。另一方面由于表层金属软化使摩擦系数降低，磨损亦随之减少。
s
式中 C —无量纲常数，它和材料以及表面清洁度有关。
阿查得（Achard）从理论上证明了上面的公式。
2) 每个触点上产生的磨粒为半球形，其体积为 则单位滑移距离的磨损量为 2 3 r n nr 2 3 V 2r 3 若滑移距离为 x，则总磨损量 Vx 为 Nx 1 Vx Ar x 3 s 3
1．粘着磨损机理
粘着磨损是在有润滑的条件下，最常见的一种摩损形式。普遍认为， 磨损的颗粒是在微峰接触点的部位产生的。 图a）为被磨损表面的原始状况，表面粗糙不平，而且在表层内存在 由于加工形成的许多缺陷。 图b）表示两个摩擦表面相对滑动时，由于摩擦力的作用，在表层产 生塑性流动（用实线表示），表层内的缺陷不断扩展。在表面接触部位发 生金属间的粘着。
第六章
第一节 概 述
磨损
第二节
第三节
金属的磨损
塑料的磨损
第四节
第五节
弹性体的磨损
陶瓷材料的磨损
第六节
第七节
近代磨损理论简介
磨损的计算
第八节
耐磨损设计
摩擦学是 交叉学科
材料学 物理化学 机械学 力学 纳米科学 生物医学
是以实验科学为基础 建立起来的理论 很不完善
本课程的 学习方法
课堂讲授（参考资料） 课后自学 网上阅读相关文献
图c）表示表层内的裂缝扩展到表面，金属从表面撕裂下来，形成磨 粒。一些表面金属粘着在另一金属表面。 图d）是磨损后形成的新表面。
1) 低温粘着磨损 当摩擦面间的相对滑动速度不大（ 0.5m/s～0.6m/s），表面温度在 100～150℃之间，表面间单位面积上的压力很高时，相互接触的微峰之间 将产生冷焊的粘结点。粘结点的金属由于塑性流动产生明显的硬化，因而 粘结点的强度大于摩擦副中较软金属的强度。
k 值在有限的载荷范围内为常数。当平均压力（即载荷除以名义接触面积 ）超过钢硬度 H 的三分之一时， k 值急剧增大，如图6－6所示，磨损率也随之 加大。这是因为当压力超过 H 3 时，将使整个接触面呈现塑性，因而实际接触 面积不再与载荷成正比。
表层的塑性流动使氧化膜开始龟裂，金属从裂缝中挤出和另一个表面的金 属直接接触，从而增加了磨损率，如图6－7所示。
①B族元素： 有人曾用碳素钢和38种金属元素进行粘着摩擦试验。试验结果表明，属 于元素周期表中的 B 族元素，与铁的冶金相容性差或不相溶，能形成化合物 的元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅和铋的抗粘着磨损性能好。 ②金属组织结构： 多相金属比单相金属、金属间化合物比单相固溶体的粘着倾向小。
熔点高、再结晶温度高的金属抗粘着性好。
第一节 概 述
一、磨损的定义 ：
磨损：是指任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的 现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。 磨损的危害：磨损将造成表层材料的损耗，零件尺寸的变化，直接 影响零件的使用寿命和机器的性能。生产中总是力求提高零件的耐 磨性。
利用磨损为生产服务：例如利用磨损原理所进行的加工（如研磨、 磨削、抛光等）。
2 3 r 3
（ 6－ 5）
（ 6－ 5）
图6－4 微峰接触模型
图6－5 微峰间接触和相对滑移的模型
3) 磨损常数k：每一个微峰在每次接触中不一定会产生一个磨粒，产生 磨粒的概率百分数为k ，其值如表6－3。 考虑磨损常数k ，式（6－5）变为：
Vx
k 式中 3
k Nx 3 s
（ 6－ 6）
当两零件表面接触时，由于表面不平，发生的是点接触。通常摩擦表面 的轮廓接触面积是表观接触面积的5%~15%，实际接触面积只有表观面 积的0.01%~0.1%。
对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达5 000 MPa， 并产 生1 000℃以上的瞬时温度。
而由于摩擦副体积远大于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下 降，一般局部高温持续时间只有几毫秒。 润滑油膜、吸附膜或其他表面膜将 发生破裂，使接触峰点产生粘着， 随后在滑动中粘着结点破坏。 这种粘着、破坏、再粘着的交替过 程就构成粘着磨损。