材料的磨损原理.ppt

第四章材料的磨损原理,学号：2011208093姓名:马芝存,第四章 材料的磨损原理,4.4 微动磨损（Fretting Corrosion）,一、概述 1.微动磨损定义70年代欧洲合作与发展组织（OECD）的定义：两个表面之间发生小振幅相对振动引起的磨损现象。微动损伤中化学或电化学反应占重要地位的则称为微动腐蚀（Fretting Corrosion）。微动磨损的部件，同时或在微动作用停止后，受到循环应力，出现疲劳强度降低或早期断裂的现象称为微动疲劳（Fretting Fatigue）。,2.微动磨损的发展历程1911年，Eden、Rose和Cunningham首先观察到微动与疲劳的联系；1924年，Gillet和Mack发表了机器紧固件因微动导致疲劳寿命明显降低的报告；1927年，Tomlinson认为腐蚀是次要因素并提出了一种微动机理；1941年，Warlow-Davies注意到微动可以加速疲劳破坏；1949年，Mindlin提出在一定条件下，微动区存在滑移区和非滑移区，计算分析了接触表面的应力分布；,1950年，第一届ASTM Symposium On Fretting Corrosion在美国的Philadelphia召开，并宣读五篇论文，会上由IMing Feng和Rightmire提出了一种微动理论；1951年，Uhlig在JApplMech发表了题为Mechanism Of Fretting Corrosion的论文；1969年，Nishioka、Nishimura和Hirakawa提出了一种早期的微动疲劳模型；1970年，Hurrick在Wear发表The Mechanism Of Fretting的论文，认为微动分为三个过程；,1972年，Waterhouse发表了首部编著Fretting Corrosion，Hoeppner提出了微动疲劳极限的概念；1974年，Specialists Meeting On Fretting in Aircraft在德国Munich召开，发表论文16篇；1977年，Waterhouse将大位移滑动磨损的剥层（delamination）理论引入微动磨损的研究；1981年，Waterhouse编辑出版了由10篇论文组成的Fretting Fatigue论文集；,1982年，第二届ASTM Symposium On Materials Evaluation under Fretting Conditions在美国Philadelphia召开，宣读论文近20篇；1985年，Wear编辑出版了在英国Nottingham召开的Fretting Wear Seminar会议专辑，发表了15篇论文；1988年，Wear期刊在Waterhouse退休之际，编辑出版了他的13篇论文专辑，在该专辑中，Berthier、Vincent和Godet提出Velocity Accommodation理论；,1990年，Godet提出微动三体理论；1990年，第三届ASTM Symposium On Standarization Of Fretting Fatigue Tests Methods and Equipment在美国的Philadelphia召开，宣读论文20篇；1992年，Waterhouse发表了Fretting Wear综述论文；1992年，Zhou和Vincent提出二类微动图理论，成为揭示微动运行和损伤规律的重要理论；,1993年，在英国的Sheffield召开International Symposium On Fretting-Fatigue，宣读论文37篇；1996年，在英国的Oxford召开Euromech 346 On Fretting Fatigue会议，宣读论文18篇；1997年，在中国成都召开首届International Symposium On Fretting，宣读论文32篇；1998年，在美国Salt Lake City召开2nd International Symposium On Fretting Fatigue，发表学术论文近40篇；,2001年，在日本召开3rd International Symposium On Fretting Fatigue，并形成每3年一次的微动疲劳系列国际会议。3.一些统计数据（1）国家和地区的分布 按照发表论文的数量，主要有英国、法国、美国、日本、加拿大、瑞典、德国、中国、瑞士和比利时。这些国家发表的论文数占论文总数的90以上。,（2）研究机构及人员 约有300名研究人员作为第一作者或合作者在刊物和会议上发表微动摩擦学研究的论文，一半左右仅出现一次署名。发表微动摩擦学研究论文最多的有七个研究单位，主要集中在法国、英国、美国。（3）研究领域分布 微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近一半，而有关微动腐蚀的论文相对较少。,（4）研究内容 基础研究 从简单的工业微动破坏现象的观察、单一实验参数的影响，走向破坏机理的实验分析、综合机械材料参数（如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等）的影响。从平移微动模式的研究，走向其他微动模式（如径向、滚动、扭动、冲击等模式）和复合微动模式等的研究。,理论分析 理论分析不再局限于Hertz弹性接触理论，而借助计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析（包括热力学）等研究手段来模拟微动的运行和破坏过程。新材料 过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合金，现在已有不少研究者开始致力于各种新材料的微动损伤规律的研究。,环境影响 微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之外，诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也得到积极开展。防护措施 研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破坏研究并重的阶段，各种减缓技术如表面处理、润滑和结构设计改进等有很大的进展。,工业应用 航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入器官、电接触等工业领域的微动损伤已日益成为研究热点。4.微动磨损的特征具有引起微动的振动源（机械力、电磁场、冷热循环等），流体运动所诱发的振动；磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形以及微裂纹；磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。,二、微动磨损理论 一个较为完满的微动磨损理论应该能对下列实验现象作出合理的解释：真空或惰性气氛中微动损伤较小；微动产生的磨屑主要由氧化物组成；循环数一定时，低频微动比高频损伤大；材料流失量随负荷和振幅而增加；低于室温比高于室温的磨损严重；空气环境比湿空气中损伤大。,Uhlig模型室温下铁的氧化为：每一循环造成氧化层的重量损失为：每一循环金属的磨损量为：,总的微动磨损量：,uhlig根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：Uhlig的模型不足：忽略了氧化膜起到防止材料粘着的有利作用忽略了微动过程中磨屑参与磨损的作用 因此它不能解释实验中出现的许多现象，至少对微动磨损随循环次数的变化规律不能给予完满的说明。,2.Feng和Rightmire模型Feng和Rightmire在总结微动循环次数与材料失重关系后提出来的。可以将曲线分为四个阶段：OA段：由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升；AB段：从剪切到磨粒参与磨损使曲线第二次向上弯曲；BC段：磨粒作用下降，从而减缓材料损失；CD段：最后达到稳定磨损率。,接触首先发生在微凸体 上，少量磨屑落入谷内；磨屑填满谷，使磨损变成磨粒磨损。许多微凸体合并成一个小平台；磨屑进一步增加，并开始从接触区溢出进入邻近的洼谷区；,接触区压力再分布，中心压力增高，边缘压力降低，使中心的磨粒磨损加重，凹坑迅速加深。模型很快为科学家们所接受：形象地说明微动磨损中表面变粗糙的现象 确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征不足：至今尚未达到令人满意的定量描述。,3.微动的三体理论 微动的三体理论认为磨屑的产生可看成是两个连续和同时发生的过程：磨屑的形成过程接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈的加工硬化；加工硬化使材料脆化，白层同时形成，随着白层的破碎，颗粒剥落；颗粒被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数（如振幅、频率、载荷等）。,磨屑的演化过程起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量级（约1m）；在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度在亚微米量级（约0.1m）；磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗粒（约10nm），射线衍射分析表明磨屑含-Fe、-Fe2O3（呈红色）和低百分比的Fe3O4。,利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的变化过程：接触表面膜去除，摩擦系数较低；第一、二体之间相互作用增加，发生粘着，摩擦系数上升，并伴随材料组织结构变化；,磨屑剥落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，因第三体的保护作用，粘着受抑制，摩擦系数降低；磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表面随时间改变，形成和排出的磨屑达到平衡，微动磨损进入稳定阶段。,3.微动磨损的发展过程（1）粘着机制在微动磨损中的作用 普通滑动磨损中，金属表面的微凸体接触后形成冷焊点，受切向力作用发生断裂，同时出现材料转移。这是单方向上一次作用下实现的。微动磨损中：金属表面微凸体接触后形成冷焊点，微动往复式多次反复运动，使某些冷焊点发生断裂，同时出现材料转移，因此，磨损率低。,微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾向迅速增大。发生断裂并形成松散磨粒后，粘着倾向会逐渐减小，最后过渡到平稳阶段。粘着阶段持续的时间与材料及环境有关。同种金属在一起微动时易发生粘着，而且两表面的损伤程度相同。异种金属微动时，损伤主要出现在较软的金属表面上。,经过时效处理或加工硬化的材料与未经处理的材料，振幅对粘着系数的影响有相同的结果。（氮气氛中）,微动振幅对粘着系数影响的趋势大体相似，但是，随合金化程度的增加，粘着的机会明显减小。合金化不仅增加了材料的强度，更重要的是改变了金属表面氧化膜的性质。合金化对铜的影响图,（2）氧化作用金属表面的氧化膜对防止冷焊十分有效，有利于防止粘着。能在金属表面生成附着牢固，且在微动下能出现一层釉质氧化物层的材料，其磨损量和摩擦系数将随微动而明显下降。空气及氮气中体碳钢粘着系数和振幅关系,氧化对微动磨损的影响：贵金属或惰性气氛环境中合金间的微动磨损，氧不参与作用，以粘着及塑性变形机制为主；薄而附着不牢的氧化膜，在不到一次微动循环便被破坏，这时氧化与机械两种机制均对微动磨损有贡献；氧化较严重而且氧化膜易碎裂成片，氧化与机械两种机制的协同作用加速表面破坏；氧化层致密能起减摩作用，如钛合金、镍铬铝合金在高温下的微动磨损，氧化作用缓解了机械摩擦导致的损伤。,（3）微动磨损的稳态阶段 稳态阶段是微动磨损的主要阶段，用它来评价材料的耐磨性是合理的。稳态阶段哪种磨损机制占主导地位呢？1973年提出磨损剥层理论后，才统一了认识：微动是相对运动速度较低的滑动，它符合剥层理论中提到的假设：磨屑呈片状离开母体材料表面，屑片的厚度为110m，长度为2050m；,微动磨损观察到磨痕为平底浅坑；认为在交变应力较低时，形成亚表面裂纹所需要的循环次数多，直到裂纹萌生并扩展至一定长度后才会产生磨屑；在考虑粘着、磨粒磨损机制的同时应该注意剥层理论的作用。但是，的剥层理论未能说明裂纹是否首先在亚表层形成。,4.微动疲劳（1）微动疲劳的特征与诊断 微动疲劳是指因微动而萌生裂纹源，并在交变应力下裂纹扩展而导致疲劳断裂的破坏形式。特征一：疲劳断裂源必然出现在微动接触区或其影响区内。特征二：裂纹扩展的阶段性。诊断：只要断口具有疲劳破坏特征，裂纹源发生于微动磨痕，裂纹扩展呈现阶段性即可确认为微动疲劳破坏。,（2）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）只有达到一定的微动循环次数时才能导致疲劳强度的降低。低于此值时，微动的影响不明显。而微动造成疲劳强度明显下降，并降低于一确定值后即使微动过程继续进行，疲劳强度也不再进步下降。,（3）微动疲劳裂纹的萌生与扩展微动疲劳裂纹萌生和扩展大致经过几个阶段：出现裂纹源；微裂纹萌生；微裂纹生长；宏观裂纹出现；宏观裂纹扩展。从微观应力场分布可以看出：微动时，在接触中心部分因过高的法向压力导致摩擦力大于切向力（fpq）而处于静止状态；边缘地区由于 fpq而产生局部滑动，疲劳裂纹就在该处萌生。,微动摩擦力和疲劳应力的协同作用将导致裂纹的萌生和加速其扩展。拐点是微动作用的终止点疲劳裂纹扩展的起始点,随后的疲劳裂纹只受交变应力的支配而扩展，其扩展速度降低。一般来说，当微动疲劳裂纹深入到表面1mm后，其扩展和断裂过程将完全按一般的疲劳规律进行。,三、影响微动磨损的因素材料性能微滑动距离载荷4.相对湿度5.振动频率与振幅6.温度,四、影响微动疲劳的因素 1.法向压力 2.微动振幅 3.环境气氛,第四章 材料的磨损原理,4.5 疲劳磨损（Fatigue Wear）,一、概述1.定义 零件受交变应力的反复作用，在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，造成颗粒从零件工作表面上脱落，形成疲劳坑的现象。,疲劳磨损也称为接触疲劳，他经历裂纹的萌生、扩展、断裂三个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特殊形式。早期的磨损分类，没有把这种接触疲劳划入磨损的范畴。后来的研究发现，不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其它磨损形式中，也都发现了表面接触疲劳过程，因此，接触疲劳完全可以被认为是一种独立的，而且是相当普遍的磨损形式。,2.疲劳磨损与整体疲劳之间的区别（1）裂纹源和裂纹扩展途径不同,疲劳磨损,（2）疲劳极限的差别整体疲劳存在明显的疲劳极限；疲劳磨损尚未发现疲劳极限，（3）作用过程的差别整体疲劳一般只受循环应力的作用；疲劳磨损除循环应力作用外，摩擦过程可以引起表面层一系列的物理化学变化。（4）应力计算上的差别疲劳磨损的应力计算受材料的均匀性、表面特征、载荷分布、油膜情况、切向力大小等的影响。,3.疲劳磨损的种类（1）表层萌生与表面萌生疲劳磨损,（2）鳞剥（spalling）与点蚀（pitting）磨损 点蚀疲劳裂纹都起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形疲劳坑；鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断裂。,表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形成鳞剥磨损是否有根据？有人曾对冷激铸铁挺杆上106条点蚀裂纹进行了统计分析，结果表明，大约80%的裂纹是从表面起源的，从亚表层内部萌生的只占20%。大量的研究证明，点蚀裂纹的萌生，不仅决定于应力状态，而且与材料的组织结构、性能、表面粗糙度、表面完整性，以及润滑状态与润滑剂等一系列因素有密切关系。,二、疲劳磨损的机理疲劳裂纹诱发点蚀理论由SWay于1935年提出：发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑；润滑油粘度高于某一定值，点蚀将不会发生；光滑的接触表面不易发生点蚀；热处理条件对于点蚀有显著的影响。根据裂纹的扩展方向分为两种情况：,（1）裂纹开口迎 向接触点（2）裂纹开口背 离接触点,点蚀,点蚀,点蚀,点蚀,2.摩擦温度诱发点蚀理论,点蚀,3.最大剪应力理论,（2）位错理论 剪应力方向和大小反复发生变化，在亚表层内将产生位错运动，位错的互相切割产生空穴，空穴的集中形成空洞，最后发展成裂纹。,三、影响疲劳磨损的因素载荷性质的影响（1）苏联科学家的试验,（2）温诗铸教授的试验,少量的滑动将显著地降低接触疲劳磨损寿命，因为，摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加了裂纹萌生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉应力促使裂纹扩展加速。,2.材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。,3.表面粗糙度的影响,4.润滑与润滑剂的影响,在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触疲劳寿命高于使用天然油的，因为合成油的粘压系数值较大，因而油膜厚度较大。说明油膜厚度对阻止裂纹形成具有一定的影响。接触疲劳磨损机理可以归纳如下：在疲劳磨损的初期阶段是微裂纹的形成阶段，无论有无润滑油存在，循环应力起着主要作用。裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展起重要影响。,第四章 材料的磨损原理,4.6 减少磨损的途径,减少磨损的途径1.合理润滑尽量保证液体润滑，采用合适的润滑材料和正确的润滑方法，采用润滑添加剂，注意密封。2.正确选择材料这是提高耐磨性的关键。例如对于抗疲劳磨损，则要求钢材质量好，控制钢中有害杂质。采用抗疲劳的合金材料，如采用铜铬钥合金铸铁做气门挺杆，采用球磨铸铁做凸轮等，可使其寿命大大延长。,3.表面处理 为了改善零件表面的耐磨性可采用多种表面处理方法.如采用滚压加工表面强化处理，各种化学表面处理，塑性涂层、耐磨涂层，喷铝、镀铬、等离子喷涂等。4.合理的结构设计 正确合理的结构设计是减少磨损和提高耐磨性的有效途径。结构要有利于摩擦副间表面保护膜的形成和恢复、压力的均匀分布、摩擦热的散逸、磨屑的排出、以及防止外界磨粒、灰尘的进入等。在结构设计中，可以应用置换原理，即允许系统中一个零件磨损以保护另一个重要的零件；也可以使用转移原理，即允许摩擦副中另一个零件快速磨损而保护较贵重的零件。,5.改善工作条件 尽量避免过大的载荷、过高的运动速度和工作温度，创造良好的环境条件。6.提高修复质量 提高机械加工质量、修复质量、装配质量以及提高安装质量是防止和减少磨损的有效措施。7.正确地使用和维护 要加强科学管理和人员培训，严格执行遵守操作规程和其他有关规章制度。机械设备使用初期要正确地进行磨合。要尽量的采用先进的监控和测试技术。,对于几种基本的磨损类型，防止或减少磨损的方法与途径见下表,