材料的磨损性能

磨损体 积
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ha/H 图6－12 磨损体积和磨粒硬度
与材料硬度比的关系
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Ⅰ区： Ha<H，软磨粒磨损 区，磨损量最小； Ⅱ区： Ha≈H，过渡区； Ⅲ区：Ha>H，硬磨粒磨损 区，磨损量较大。
图中两个转折点A和B 所对应的Ha/H分别为： A＝0.7～1.1；B＝1.3～1.7
磨损体 积
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二、磨料磨损
1.定义：磨料磨损或研磨磨损，是 当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸 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，前者又可称 为两体磨粒磨损——如挫削过程。后 者又称为三体磨粒磨损——如抛光。
两体磨粒磨损 三体磨粒磨损
硬质粒子可以是磨损产生而脱落在 摩擦副表面间的金属磨屑，也可以是 自表面脱落下来的氧化物或沙粒、灰 尘等。
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滑动速度：法向力一定时，粘着 磨损量随滑动速度增加而增加， 达某一极大值后又随滑动速度增 加而减小。 这可能是由于滑动速度增加，导 致温度升高、剪切强度下降(使磨 损量增加)以及塑性变形不能充分 进行延缓粘着点长大(使磨损量下 降)这两个因素共同作用的结果， 也可能与磨损类型变化有关。
滑动速度降 低磨损
压力增加磨 损
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第二节 磨损过程
一、粘着磨损 定义与特点：粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下， 当摩擦副相对滑动速度较小(1m/s)时发生的。它是因缺乏润滑 油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应 力超过实际接触点的屈服强度而产生的一种磨损。 1.条件：滑动速度小，接触面氧化膜脆弱、润滑条件差以及接 触应力大。
随后在继续滑动时粘着点被剪 断并转移到一方金属表面，然 后脱落下来便形成磨屑。
一个粘着点剪断了，又在新的 地方产生粘着，随后也被剪断、 转移，如此粘着剪断转移 再粘着循环，就构成了粘着磨 损过程，如图6－3所 示。
图6－3 粘着磨损过程示意图
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分三个阶段： 接触面凸起因塑性变形被 碾平，并在接触面之间形成 剪断强度高的分界面； ❖摩擦副一方金属远离分界 面内断裂，从该金属上脱落 并转移到另一方金属表面； 转移的碎屑脱落下来形成 磨屑。
材料的磨损性能
● 第一节 磨损的基本概念及类型 ●一、 摩擦与磨损的概念 ●1． 摩擦：接触物体间一种阻碍运动的现象，动态摩擦系
数小于静态。 ● 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。
磨粒磨损量与法向力、摩擦距
图6－8是理想化的磨粒磨损模 型，实际上，由于磨粒的棱面相 对摩擦表面的取向不同，只有一
离成正比，与材料硬度成反比， 同时还与材料凸出部分或磨粒 形状有关。
部分磨粒才能切削表面产生磨屑，
大部分磨粒嵌入较软材料中并使
之产生塑性变形(即使是脆性材
料也会产生少量塑性变形)，造 成擦伤或形成沟槽。
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摩擦机理：
摩擦副实际表面上总存在局部凸 起，当摩擦副双方接触时，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， 则局部塑性变形会使两个接触面 的原子彼此十分接近而产生强烈 粘着。
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粘着磨损表面损伤形貌
所谓粘着实际上就是原子间的 健合作用。
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任何一部机器在运转时，各机件之间总要发生相 对运动，就必然要产生摩擦，而有摩擦就必然造成 磨损。
磨损是降低机器工作效率、精度甚至使其报废的 重要原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重 要原因。
据不完全统计，摩擦磨损消耗能源的1/3~1/2，大 约80％的机件失效是磨损引起的。因此，研究机件 的摩擦磨损的机理和规律是非常重要的。
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图6－6 磨粒磨损
根据磨粒所受应力大小不同，磨粒磨损可分为凿削式磨 粒磨损、高应力碾碎性磨粒磨损和低应力擦伤性磨粒磨 损三类
①凿削式磨粒磨损:从材料表面上凿削下大颗粒金属，摩擦 面有较深沟槽，如挖掘机斗齿、破碎机腭板等机件表面 的破坏。沟槽是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、 塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂引起的。
磨粒与摩擦表面之间的相互作用与机械加工中切削 刀具和工件的相互作用类似。但磨粒磨损不是简单的切 削过程，当磨粒受切向力作用而沿摩擦表面产生相对运 动时，摩擦表面将受到剪切、犁皱或切削。
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②高应力碾碎性磨粒磨损:磨粒与摩擦面接触处的最 大压应力超过磨粒的破坏强度，则磨粒不断被碾碎， 产生高应力碾碎性磨粒磨损，如球磨机衬板与钢球、 轧碎机滚筒等机件表面的破坏。
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温度：提高温度促进粘着磨损的产生。这 里所说的温度是环境温度或摩擦副体积平 均温度，它不同于摩擦副的表面平均温度 ，更不同于摩擦副接触区的温度。在接触 区内因摩擦热的影响，温度很高，甚至可 能使材料达到熔化状态。
降低粗糙度可增加抗粘着磨损的能力，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。
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磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂的 过程。 静强度的基本理论和概念也可用来分析磨 损过程。 两者的区别是：前面所述的是指机件材料整体的变 形和断裂，而磨损是发生在机件表面的过程。 整体加载时，塑性变形集中在材料一定体积内，在 这些部位产生应力集中导致裂纹形成； 表面加载时，变形和断裂均发生在表面。
40#
Fe Ni Cu Al Zn Sn Pb
Cr12 T12 T10 40#
硬度HV
图6－9 磨粒磨损相对耐磨 性与材料硬度的关系
图6－10
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断裂韧性也影响金属磨 粒磨损。Ⅰ区磨损受断裂 过程控制，随断裂韧性增 加而增加；Ⅱ硬度和断裂 韧性配合最佳时，耐磨性 最高；Ⅲ区耐磨性随硬度 下降而下降，耐磨损失受 塑性变形过程控制。
软磨粒 磨损
过渡区 硬磨粒磨损
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
A
B
Ha/H
图6－12磨损体积和磨粒硬度 与材料硬度比的关系
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可见，增加金属材料的硬度 使Ha/H下降，磨损体积减小。 进入Ⅰ区时增加H，磨损量的变 化不显著。 进入Ⅲ区后，再增加H，磨损量 也不再变化了，因此，要降低磨 粒磨损的速率，就必须使金属材 料的硬度大于磨粒硬度的1.3倍， 这是获得低磨损速率的判据。
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由于接触区的应力分布比较复杂，沿接触面上任 何一点都有可能参与变形和断裂。 在磨损过程中，变形和断裂是反复进行的，一旦磨 屑形成后又开始下一轮循环，其过程具有动态特征 。这也表明材料的表层组织也具有动态特征：即每 次循环材料总要转变到新的组织状态。
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● （1）跑合阶段：实际接触面积增大，表面应变硬化，形成牢 固氧化膜，磨损速率不断减小；
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●
纯金属与未经热处
理的钢，其耐磨性与它们
的自然硬度成正比，且直
线通过原点，如图6－9
所示，经过热处理的钢其
耐磨性也与硬度成线性关
系，只不过斜率比纯金属
的小。
● 这表明在相同硬度下 比较时，经过热处理的钢 其抗磨粒磨损能力反而不 及纯金属。
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相对耐磨 性
Mo
Cr12
T12 T8
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3.粘着磨损量的影响因素：
材料特性： 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 固溶体比化合物粘着倾向大； 金属－金属摩擦副比金属－非金属粘着倾向大。
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法向力：摩擦速度一定时， 粘着磨损量随法向力增大而 增加。 试验指出，当接触压应力超 过材料硬度的1/3时，粘着磨 损量急剧增加，严重时甚至 会产生咬死现象。
于表面上的法向力为F=3 sc A。假定磨屑呈半球形，直 径为d，任一瞬时有垂直于滑动方向上n个粘着点，设
所有粘着点的尺寸相同，直径为d，则：A=nπd2/4
F
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单位滑动距离 lt 内的接触点数
接触点半球体积
磨屑形成有个几率问题，几率为K --粘着磨 损系数 ，随压力增大而增加。
当压力超过屈服强度时，K剧增。
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，因此，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所造成的，这种集中 压应力可使韧性材料表面产生塑性变形，由于磨粒 大量而密集地反复压入摩擦表面，使经受塑性变形 的材料前后流动，最后由于疲劳而破碎。
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●③低应力擦伤性磨粒磨损: 若作用于磨粒上的应力不 超过其破坏强度时，产生 低应力擦伤性磨粒磨损， 此时摩擦表面仅产生轻微 擦伤，如犁铧、运输槽板
铁素体 图6－11
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钢中的显微组织对磨粒磨损抗力也有 影响： 马氏体耐磨性最好， 铁素体因硬度太低，耐磨性最差。 贝氏体耐磨性好于珠光体。
在磨粒硬度低于金属 材料硬度的软磨粒磨损情 况下，磨损机理将发生变 化，故控制金属材料耐磨 性的因素也将随之变化。 图6－12所示为磨损体积 和磨粒硬度Ha与金属材料 硬度H之比的关系曲线。 分三个区域：
及机件表面被沙尘擦伤等。
●对于脆性材料，由于摩擦 表面几乎不产生塑性变形，
图6－7
故此时磨损是由于表面材 料脆性断裂的结果，也可 能是反复应力作用而产生 疲劳破坏所致。
磨粒磨损过程是磨粒对摩擦 表面产生的切削作用、塑性 变形和疲劳破坏作用或脆性 断裂作用单独或综合作用的
结果。
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•ห้องสมุดไป่ตู้2.磨损量的估算：
图6－8
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●3.影响因素：试验结果表明：金属材料对磨 粒磨损的抗力与H/E成正比(H为材料硬度，E 为弹性模量)。H/E值越大，在相同接触压力 下，弹性变形量增大，导致接触面积增大， 单位法向力下降，致使沟槽深度减小，堆积 在沟槽两侧的材料也少，故磨损量减小。
●然而，E是组织不敏感的力学指标，因此， 抵抗机件抗磨粒磨损的能力主要与材料硬度 成正比，所以一般情况下，材料硬度越高， 抗磨粒磨损的能力越好。
● 摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称为摩擦 系数，以μ表示，即μ=F/P。
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● 按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：①滑动摩擦：指的是 一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。②滚动摩擦：指的是物体 在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。
● 2． 磨损：在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断 损伤的现象，磨屑的形成是变形和断裂的过程。
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●公式w表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距 离成正比，与软方材料的压缩屈服强度(或硬度)成反 比，而与表观接触面积无关。
●如果sc(或硬度H)一定，而材料塑性较好，则在相同
法向力条件下可以产生较大塑性变形使真实接触面 积增加，因而降低了单位面积上的法向力可减小磨 损量，此即意味着材料的磨损量与其塑性成反比。
●若粘着点强度比摩擦副两方金属的强度都高， 则剪断既可能发生在较软金属本体内，也可 能发生在较硬金属本体内，此时较软金属的 磨损量较大。
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2.磨损量的估算：J.F.Archard提出了粘着磨损量估算方 法。
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，其接触压
缩屈服强度近似为单向压缩屈服强度sc的三倍。 设真实接触面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，作用
● （2）恒定磨损阶段――磨损速率恒定
● （3）剧烈磨损阶段：摩擦副接触表面间隙增大，表面质量恶 化，润滑膜被破坏
跑合阶 段
稳定磨损阶 剧烈磨损阶
段
段
磨损量
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时间(或摩擦行 程) 图7－1 磨损曲线
● 二、 磨损的基本类型
● 粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损 、氧化磨损、麻点疲劳磨损（接触疲 劳磨损）。粘着磨损与氧化磨损相互转换。
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图6－3 粘着磨损过程示意图
●粘着点结合强度低于两侧材料的强度时，磨 损量小，表面比较光滑；锡基合金与钢的滑 动就是如此。
●粘着点结合强度高于一侧材料的强度时，分 离面发生在强度较弱的材料上，软材料表面 形成微小的凹坑，因为软材料转移到硬材料 表面，形成同种材料之间滑动，磨损增大， 产生咬死现象。例如铅基合金轴瓦与钢轴间 的粘着磨损。
磨损体 积
软磨粒 过渡区 硬磨粒磨损 磨损
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ