第6章 磨损理论

微动磨损



定义：相对接触的两个固体表面因微幅振 动（振幅<100μm）所产生的磨损。 发生部位：联接件：轴颈、螺栓联接、键 槽、花键、金属密封、离合器。 现象：表面产生疲劳裂纹。 磨损机理：

微动磨损是因微振产生的腐蚀、粘着、磨料和 疲劳等的一种综合磨损过程。
磨损机理
周期性的微振动
接触变形 氧化磨损 磨 磨粒磨损 粘着磨损 屑
.

弹性接触
d
.
K pV E p / R p
' 1 2
'
P为名义压力 ，V为滑动速度。 磨损率与pV成正比，选择材料参考pV系数值
防止和减轻粘着磨损的措施
1 合理选择摩擦副材料
脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。
宜选用互溶性小的金属，不要选用同种或晶格 类型相近的金属。Al，Sn，Cu，In与Fe的互溶 差，可作滑动轴承的基材。
Hm /Ha>1.3，材料耐磨性不再提高，低磨损区 Hm /Ha<1.25，K将随Ha /Hm的2.5次幂而下降
Ha K 0.57 K 0 Hm

2.5
增加金属材料的表面硬度，可增加其耐磨性。
硬度、粒径对磨损的影响
硬度
压力
疲劳磨损


定义：材料表面在循环接触应力的作用下，萌 生裂纹，导致产生片状或颗粒的磨屑，表面形 成 豆状凹坑、麻点，这种磨损称为疲劳磨损。 基本类型
磨损机理

磨损过程

粘着——剪切——再粘着——再剪切的循环

阿查德磨损定律：
W =KWL/HS VS材料磨损量与滑动距离成正比 式中： WVS 、Wvh分别为软、硬表面 材料磨损量与载荷成正比 的磨损体积量， W 软材料磨损与其硬度成反比 K， ，L分别为磨损系数，载荷和滑动长 度， Hs，Hh分别为软、硬表面布氏硬度
第7章 磨损原理

磨损概述


磨损：由于机械作用，间或伴有化学或电化学 作用，物质表面材料在相对运动中不断损耗的 现象。 四个特征：

不限于机械作用 相对运动中产生（老化、腐蚀除外） 表面现象（内部的疲劳和断裂不属于磨损） 物质的损耗（包括材料的转移）
磨损曲线


磨合阶段 正常磨损阶段 事故磨损阶段

油楔理论（格鲁宾）：

在滚动摩擦中，W和f导致塑性变 形，表层硬化，在表面形成微晶 裂纹。润滑油压入微裂纹内部并 封闭，使封闭腔中油压增大，裂 纹扩展。裂纹扩大，封闭腔储油 硬多，其油压愈大。多次重复作 用，表层材料折断并脱落，在表 面形成麻点。 此作用与润滑油的粘度有关。粘度低，油易进 入裂纹，加速裂纹扩展，降低抗疲劳强度。
磨损分类

粘着磨损(Adhesive wear)：15%（占
磨损率）


磨料磨损(abrasive wear)：50% 疲劳磨损(Surface fatigue wear)： <8% 腐蚀磨损(Corrosive wear)： <8% 微动磨损(Fretting wear)：8%
2 粘着磨损
磨损方程

磨屑厚度：取决于材料性能和作用于表面的 法向和切向载荷的大小。
Gb h 4 (1 ) f G为剪切弹性模量;b为柏氏矢量, 泊松比, f 表面摩擦力 磨损率方程: V l d ( C l Cd ) Q= L lc
2
l 接触表面长度, 微凸体顶峰间距, lc 裂纹间距.
启示：提高表面硬度，是减少工具 和模具磨损的有效措 R p
' 1 2
'
E’是综合弹性模量， ζp 、 Rp分别是表面凸峰的综合标准差和 综合曲率半径
磨损深度的变化率

塑性接触
Wv d K W L KpV d t A t H A t H


微凸体的变形与断裂,使用软表面形成较光滑的表面。 软表面出现塑性变形的积累，金属表层内产生大量的位错。 微裂纹萌生:积累的位错，内部的杂质和空穴。 微裂纹扩展：平行表面的剪应力阻止裂纹向纵深扩展，裂 纹平行于表面延伸和扩展，相邻裂纹相连结。 片状磨屑形成：在材料薄弱位置被剪断而脱落。
4000MPa的钢制成.现将覆带渗C,渗层4mm,压痕硬 度9000MPa,设砂粒硬度为8000MPa,请估计渗C后 覆带的使用寿命。
腐蚀磨损公式
W Qv K H K 3 K 2a
K为磨损系数， K3为微凸体发生磨损的概率， λ为保护膜达到其临界值， a 为接触面半径。
影响腐蚀磨损的因素

腐蚀介质：
对于多数金属材料一般是酸性> 碱性 对于铝和锌则是碱性>酸性

缓蚀剂：形成钝态保护膜 温度：

提高化学反应速度，从而增加腐蚀速度， 降低氧的浓度，从而降低腐蚀速度。


润滑油的粘度：低粘度油加速裂纹扩展， 粘度高提高抗疲零件抗疲劳寿命。 表面粗糙度：小，寿命长。
粘度
油中水分的影响
摩擦力的影响
腐蚀磨损


定义：在摩擦过程中，金属与周围介质 发生化学反应或电化学反应而产生一种 磨损，是机械化学过程。 磨损类型：


氧化磨损：氧化膜的形成与破坏的反复交替 的过程。 化学腐蚀磨损：化学反应膜在摩擦过程中不 断被除出的过程。


定义：在摩擦副中相对运动的摩擦表面之间，由于粘 着现象产生材料转移而引起的磨损。 主要类型

轻微磨损：磨合大属于此种磨损 涂抹：剪切发生软金属浅表层，材料转移到硬金属表面 刮伤：沿滑动方向形成严重的划痕 胶合：粘着点面积大，大块金属的转移 咬死：局部溶焊而停止运动。
粘着磨损过程
粘着磨损定律的推导
假定所有微凸体的接触点半径为a，磨屑为半球形。 2 3 V a 微凸体的体积：
3
微凸体的所承受压力：N=πa2ζs 滑动距离2a后产生磨损，微凸体数量为n。
总载荷:W= π n a2ζs
单位距离的 体积磨损率:
2 a 3 n 2 n a W 3 Wvl 2a 3 3 s
1.5
K1c断裂韧性, n冷作硬化系数, E为弹性模量
影响磨料磨损的因素


磨粒的形状：尖锐多 角的磨粒易形成微观 切削，钝形磨粒易发 生滚动磨损量小。 磨料大小：随粒径增 大而增加，其临界尺 寸约在80μm左右。
磨粒和材料的硬度：

金属表面硬度Hm与磨粒硬度Ha的比值

Hm /Ha>0.8，材料耐磨性提高，软磨粒磨损
磨粒磨损基本形式
表面损害形式：
擦伤：沿滑动方向产生微细的擦 痕，如灰土所磨损。 刮伤：高应力使用脆性材料表面 碎裂；韧性材料产生塑变或疲劳 破坏。 犁沟：在磨粒作用下较软金属表 面出现较深的沟槽

铝板表面的擦伤
金属材料的磨损机理

微观切削：

磨粒的尖峰对金属表面的微切削 磨料对金属表面产生循环交变接触应力 磨料对较软金属表面产生犁沟效应
优良润滑
1
0.03~0.3
0.03
防止和减轻粘着磨损的措施
3载荷：容许压力必须低于材料硬度的1/3
4速度：
5 减少摩擦热——冷却
6表面粗糙度
7润滑剂中加油性剂或极压添加剂
载荷
温度
3 磨料磨损


定义：在摩擦过程中，由于摩擦表面上硬的微 凸体或摩擦界面上的硬颗粒而引起物体表面材 料损耗的一种磨损。 主要类型 两体磨料磨损：硬微凸体使对偶表面产生磨 粒磨损 三体磨料磨损：介于两摩擦面间的自由硬颗 粒产生磨损
疲劳磨损公式

弹性疲劳寿命：Ne=(ζb /Δζ)Te ：

ζb 为抗拉强度， Δζ为抗拉强度变化幅值 Te=2~12， Ne>104~105 δ为延伸率， Δε为塑性应变幅度 Tp=2~3， Np<104~105

塑性疲劳寿命：Np=(δ/Δε)Tp ：


磨损率方程: Rv=ksfW/Hs
疲劳磨损
影响微动磨损的因素

压力 振幅 频率 温度
压力与振幅的影响
频率
温度
预防微动磨损的措施



改进设计，消除发生微动的相对运动， 减少应力集中。 增加垫片，将两表面隔离，垫片的塑性 或弹性变形来吸收微动。 接触面上增加润滑介质。
磨损的剥层理论


美国麻省理工学院苏（Suh N P)1973年提出，认为 金属的滑动磨损过程是通过摩擦表面的裂纹生长，使 其表层材料沿平行表面的方向一层一层的剥落的过程。 剥层的物理过程

疲劳破坏：


擦痕：


微观切削和疲劳破坏主要是塑性材料的磨屑形 成机理，对于脆性材料主要是脆裂与剥落。
磨粒磨损模型
磨料磨损的简化模型
假定单粒园锥形磨粒，在 载荷dw作用下，压入较软的 材料，并在切向力的作用下， 在表面滑动距离L 微凸体承受力: dw =0.5πr2ζs 槽深h=r tgθ 槽截面积：A=r2tgθ

点蚀：凹坑小而深，磨屑呈扇形 剥落:凹坑大而浅，磨屑呈片状

退火钢或调质钢疲劳磨损以点蚀为主，渗碳钢 以剥落为主。
点蚀、剥落的特征对比
磨损机理(1)

最大剪切理论（赫兹接触理论）

在一般摩擦情况下，最大剪应力发生在表 面以下一定距离处，此处最为薄弱，先产 生微裂纹，并逐渐向表面移动。
磨损机理(2)
多相金属好于单相金属。
2 进行表面处理：氮化、渗硫、、渗碳、电 镀、非金属涂层等
不同润滑条件下金属、金属与非金属的磨 损系数K（×10-6） 工作条件 金属与金属 同种金属 异种金属 干净 不良润滑 一般润滑 1500 300 30 15~500 3~100 0.3~10 金属与非 金属 1.5 1.5 0.3
磨料磨损的简化模型(2)

假设微凸体的总数为n
1 2 载荷W=n dw r s n 2 磨损量Wvs nLA nLr 2tg 1 2 r sn s W 2 2 Wvs nLr tg 2tg L Wvs 6tg W W 单位长度磨损率：Wvl k1 L Hs Hs
作业
1分析某一零件(如自行车链条、轴承）的磨损机理，
提出减磨措施。 2.某铝厂铝板剪机采用钢制剪刃(表面的压痕硬度 80MPa),使用两天后发现刃口因粘着磨损而变钝, 需要重磨.如果在刃口上复盖WC (压痕硬度 1500MPa),试估计采用WC涂层剪刃的寿命.
3.坦克覆带在沙漠中使用一个月后,多数关键 部位达6mm的磨损深度.覆带用压痕硬度
粘着磨损定律的推导(2)
在实际上，每个微凸体产生磨损的概率为K
W Wvl k 3 s
W Hs 3 s Wvl K Hs WL 体积磨损量 Wv s K Hs
硬表面的磨损体积量
Wvh Hs 2 ( ) Wvs Hh Hs 2 Wvh ( ) Wvs Hh KWLH s Wvh 2 Hh
磨料磨损的简化模型(3)
在实际上，每个微凸体产生磨损的概率为K2 K’=k1*k2 磨损量WvsL=K’WL/Hs K’=0.2~0.02(两体磨粒磨损）； K‘=10-2~10-3 (三体磨粒磨损）；三体磨 粒磨损时，磨粒大约90%时间处于滚动状 态。
磨料磨损的精确模型
当考虑微凸体和磨粒的分布情 况以及磨屑的分离方式后, 精确的磨损率计算公式 : Q n 2 s EW 1.5 K1c H


Ksf为疲劳磨损系数，与疲劳寿命（应力循环次数）成 反比， Ksf<10-3~10-6 N为载荷，Hs为材料硬度
影响疲劳磨损的因素


载荷：N=KW-3（N，疲劳寿命，W，
载荷） 表面硬度：一般认为钢的硬度HRC=62 （58~64），抗疲劳寿命最高。 材料的性能与质量

钢铁中脆性夹杂物，碳化合物含量太多、粒 度太大、形状不规则和分布不均匀等均降低 材料的抗疲劳寿命。