表面摩擦与磨损.ppt

第3章 表面摩擦、磨损与润滑,主 要 内 容,概 述 摩 擦 磨 损 润 滑,概述,摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。,摩擦 两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应；,磨损 由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；,润滑 减轻摩擦和磨损所应采取的措施。,关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。,世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。,减少摩擦,节省能源；,减少磨损,降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。,3.1 摩擦,摩擦的定义,摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，导致接触表面瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩擦力，如车辆制动器、摩擦离合器等。,摩擦-两个接触的物体在相互运动过程中，表面之间所产生的阻碍运动的效应。,摩擦的大小一般用摩擦系数来表示，其值等于摩擦力F（切向力）与法向力N（载荷）的比值，即=F/N,摩擦力-两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力。,有动静区分，静动。,摩擦的分类,按摩擦副的运动状态分类,静摩擦,动摩擦,-仅有相对运动趋势时的摩擦,-在相对运动进行中的摩擦,按摩擦副的运动形式分类,滑动摩擦,滚动摩擦,物体表面间的运动形式是相对滑动,物体表面间的运动形式是相对滚动,按发生部位分类,内摩擦,外摩擦,在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象,在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。,按摩擦副表面的润滑状况分类,纯净摩擦摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦,干摩擦（无润滑摩擦）在大气条件下，摩擦表面之间名义上没有润滑剂存在时的摩擦,边界润滑摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦,流体润滑摩擦相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦,固体润滑摩擦相对运动的两物体表面间有固体润滑存在时的摩擦,混合摩擦介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时出现干摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。,按摩擦副所处的工况条件分类,正常摩擦机械设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工况条件下的摩擦,特殊工况条件下的摩擦摩擦副处于高速、高温、低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦,摩擦的机理,“机械说”摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；,“分子说”摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；,“机械-分子说”两种作用均有,摩擦理论（自学）,图 粘着理论示意图,粘着理论,大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的10-210-3，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a 所示）。当发生滑动时，必须先将结点剪断（如图b 所示），同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹（即犁刨作用），从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小，故可忽略。,影响摩擦的因素,1.材料性能-当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，则摩擦较严重。,2.接点长大,3.摩擦环境,表 不同摩擦状态下的摩擦系数（大致值）,3.2 磨损,磨损的定义 磨损（Wear）-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移的现象称为磨损。,磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。这种动态特征的另一标志是材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。所以由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。,材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶，因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。,机件正常运行的磨损过程如图所示，一般分为3个阶段，曲线上各点斜率即为磨损速率。,图 磨损量与时间的关系示意图（磨损曲线）,(1)跑合(磨合)阶段。该阶段随着表面被磨平，实际接触面积不断增大，表层应变硬化，磨损速率不断减小。表面形成牢固的氧化膜，也降低了该段的磨损速率。,(3)剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩擦副接触表面间隙增大，机件表面质量恶化，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。,(2)稳定磨损阶段。该段的斜率就是磨损速率，为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。,磨损的分类,粘着磨损（Adhesive Wear）,磨料磨损（Abrasivee Wear）,表面疲劳磨损（Surface Fatigue Wear）,腐蚀磨损（Corrosive Wear）,磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据不同磨损机理，分为四个主要类别：,粘着磨损（Adhesive Wear）(又称咬合磨损),定义-是指两个相对运动的表面发生相互焊合，在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而发生的磨损。,粘着磨损是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤。,粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。,图 Al-Sn合金轴瓦的粘着磨损,根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损分为：,1）轻微磨损2）涂抹3）擦伤（胶合或咬合）4）撕脱（或咬焊）5）咬死,1）轻微磨损：,往往出现在摩擦初期的比较洁净的金属表面上，这种磨损是正常的，利用这种磨损使机器达到正常跑合的目的。,轻微磨损的程度决定于载荷和速度。因此在跑合阶段要特别注意选择适当的跑合规范，也就是选择适当的载荷、速度、跑合时间等参数，使跑合时间尽可能地缩短而又不会在表面上产生擦伤现象。,2）涂抹：,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的现象，称为涂抹。,一般是较软的金属涂抹在较硬的金属表面上。,增加滑动面的油膜厚度、减小表面粗糙度的幅值和斜率，都可以减轻涂抹的产生。,3）擦伤：,沿滑动方向产生细小抓痕的现象，称为擦伤。,擦伤产生的条件：有较硬的凸峰（或较硬的颗粒），且在表面之间有相对滑动。,4）划伤：,在滑动表面之间，局部产生固相焊合时，沿滑动方向形成较严重的抓痕的现象。,5）胶合：,在滑动表面之间，由于固相焊合产生局部破坏，但尚未出现局部焊熔的现象。,焊合-指固体表面直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。包括：冷焊和熔焊。,胶合产生原因：流体动压润滑油膜的破裂；边界润滑油膜的破裂；表面局部瞬时闪发温度升高。,6）咬死是胶合最严重的表现形式,由于界面的摩擦使相对运动停止的现象。,磨料磨损（Abrasivee Wear）(又称磨粒磨损或研磨磨损),磨料磨损是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式3类。,磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽，如图所示。沟槽可能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产生的，或是它们综合作用的结果。,图 磨粒磨损表面形貌,表面疲劳磨损（Surface Fatigue Wear）（又称为接触疲劳磨损）,表面疲劳磨损是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。,表面疲劳磨损的宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹，如图所示。,图 表面疲劳磨损的表面形貌,腐蚀磨损（Corrosive Wear）,-在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损，腐蚀可在没有摩擦的条件下形成，而相对运动消除了化学反应的生成物，接着表面又受到腐蚀，如此不断反复。,氧化磨损,特殊介质腐蚀磨损,气蚀浸蚀磨损,微动磨损,腐蚀磨损有以下几种类型：,：在摩擦过程中，金属的摩擦表面受空气或润滑剂中的氧作用形成氧化膜而发生磨损。,：在摩擦过程中，摩擦副表面与各种液体介质（酸、碱、盐等）发生作用，生成各种化学产物，并在摩擦过程中不断去除，这种磨损称为特殊介质腐蚀磨损。,：在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损。,：两个表面由于振幅很小的相对运动而产生的磨损现象。,磨损过程中摩擦表面的变化,表面微裂纹的生成及其破坏作用,化学反应过程-在磨损过程中，磨损过的新鲜材料表面会与空气和周围介质形成化合物薄膜。,润滑剂的作用-润滑剂对摩擦与磨损有很大影响，很多情况下，润滑剂决定着磨损的程度。,摩擦表面间材料的转移-摩擦过程中，材料会从一个材料表面转移到另一个材料表面，通常是塑性大的材料由于粘着作用而转移到较硬的材料表面而发生磨损。相反，有时由于材料转移的结果会增大摩擦副的实际接触面积，使摩擦副有较高的耐磨性。,摩擦过程中，两个物体的表面微凸体相互接触处会发生弹性变形或塑性变形过程，此过程将伴随着一连串的物理、化学及机械性能的变化。,影响磨损的因素,载荷-随载荷增加，摩擦副表面实际接触面积增大，从而摩擦力增大，摩擦热增加，使材料表面损伤加速,速度-若滑动速度增加未引起摩擦表面温度的激增，则随滑动速度增加，摩擦时间减少，材料来不及变形，从而使磨损量减少。若滑动速度增加使摩擦副表面急剧升温而软化，则会加剧接触表面的粘着倾向，使粘着磨损增加。,磨损种类不同，影响因素也不同，一般来说，影响因素有以下几种,(1)服役条件的影响,表面粗糙度-一般情况下，表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系数也越大，磨损就愈严重。但表面太光滑又会使基础面积增加和表面的储油能力下降，从而使磨损增加。,表面污染层与润滑膜-材料表面所吸附的表面污染层，在摩擦过程中可降低接触表面间的粘着倾向，起到减磨润滑作用。但是，若污染层中含有硬颗粒时，则会使磨料磨损加剧。,温度-随温度升高，材料表面的硬度降低，使实际接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升，当温度升高到一定程度后，将使基础表面局部熔化焊合，使粘着磨损急剧增加。同时，温度升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至失效，也会加剧磨损。,(2)材料本身性质的影响,材料的机械性能-硬度对耐磨性有很多影响。一般来说，硬度越高，耐磨性越好。塑性与韧性对硬脆材料的耐磨性影响较大。硬脆材料在磨损过程中，表层容易萌生裂纹并扩展，从而导致表层剥离，若提高材料的塑性与韧性，将增加材料阻止裂纹扩展的能力，可明显提高耐磨性。,化学成分和组织结构的影响-材料的化学成分对磨损有较大影响。对钢材而言，原子半径小的元素，如：碳、氮、磷、硼等，以间隙固溶的形式存在于钢中，使钢的硬度增加，从而提高耐磨性。材料的组织结构对磨损有较大的影响。在摩擦过程中，两种金属材料的互溶性越好，粘着磨损的倾向越大，两种材料差别越大，则它们之间的粘着磨损倾向越小。若选择同种材料做摩擦副，则在摩擦中会产生强烈的粘着磨损。,磨损的评定,常用的评定方法有：磨损量、磨损率和耐磨性,磨损量,长度磨损量Wl：磨损过程中零件表面尺寸的改变量,体积磨损量Wv：磨损过程中零件体积的改变量,质量磨损量Wm：磨损过程中零件质量的改变量,磨损量：单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。,相对耐磨性：两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值。,磨损量愈小，耐磨性愈高。磨损量的测量有称重法和尺寸法两种。称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。,常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()表征材料的耐磨性。即,相对耐磨性的倒数亦称磨损系数。,提高材料耐磨性的途径,一、减轻粘着磨损的主要措施,(1)合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料。(2)避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。,(3)为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量，可采用表面渗疏、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、掺氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。,二、减轻磨粒磨损的主要措施,(1)若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料。(2)若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体。(3)就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。(4)对于经渗碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻磨粒磨损量。,二、减轻磨粒磨损的主要措施,(5)确定材料硬度时，应以Hm1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力。(6)值得提及的是具有单相组织的高锰钢w(C)1.0-1.3，w(Mn)11-14因其有很高的加工硬化能力，是公认的理想抗凿削磨损材料。,三、提高接触疲劳抗力的措施,(1)采用真空电弧冶炼和电渣重熔等工艺提供优质纯净的材料；或钢中含有适量塑性硫化物夹杂，能将脆性氧化物夹杂包住形成共生夹杂物，降低氧化物的破坏作用，于提高材料接触疲劳抗力有益。(2)对轴承钢接触疲劳性能的研究表明，末溶碳化物状态相同的条件下，马氏体含碳量在0.4-0.5左右时，接触疲劳抗力、寿命最高。,三、提高接触疲劳抗力的措施,(3)在基体为马氏体的组织中，减小碳化物粒度并使之呈球状均匀分布，使基体中马氏体、残余奥氏体和末溶碳化物量之间有最佳匹配，可最大限度地提高接触疲劳抗力。(4)材料表面硬度可部分地反映材料抗塑变能力及剪切强度的高低，因此对材料表面硬度应有最佳要求，同时还要考虑心部硬度和足够的硬化层深度，使表层材料硬度变化不要太陡。,提高材料耐磨性的途径,三、提高接触疲劳抗力的措施,(5)合理选择表面硬化工艺，在一定深度范围内保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利。(6)改善接触配对副的表面状态，减少冷热加工缺陷，降低表面租糙度，降低摩擦系数，也是很有效的措施。,提高材料耐磨性的途径,四、非金属材料的磨损特性,工程陶瓷材料受接触应力后，在局部的应力集中区表层发生塑性变形，或在水、空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的表层，进而开裂产生磨屑。因此，陶瓷的摩擦磨损行为对表面状态极为敏感。陶瓷材料抗冲蚀性能不仅与组分纯度有关，还与其制备工艺密切相关。,提高材料耐磨性的途径,四、非金属材料的磨损特性,聚合物的硬度虽远低于工程陶瓷和金属，但其具有较大柔性，故在不少场合应用下显示出较高的抗划伤能力。聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁沟式损伤，如同用纫挫刀挫削一块橡皮一样，表现出较好的抗磨损性能。,提高材料耐磨性的途径,四、非金属材料的磨损特性,在摩擦条件下，金属材料在高分子材料表面滑动时，仍是粘着性接合，但表面的塑性变形使高分子链趋向平行滑动表面排列，在随后的滑动过程中，这种取向的分子链易沿该方向被剪断，使摩擦系数仅有0.05-0.2因此，就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副。,提高材料耐磨性的途径,3.3 润滑,润滑-在两个摩擦表面直接加入润滑剂，以减小摩擦好磨损。此外，润滑还可起到散热降温，防锈、防尘，缓冲吸振等作用。,润滑剂-凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。,润滑剂的分类,1）液体润滑剂：主要有动植物油、矿物油、水、液态金属等。2）润滑脂：俗称黄油。由润滑油+稠化剂混合而成。3）固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。4）气体润滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。,锥入度-即润滑脂的稠度；滴点-指润滑脂受热后从标准量杯的孔口滴下第一滴油时的温度，决定工作温度。,润滑脂的主要性能指标,1）在低速、重载、高温、间隙大的情况下，应选用粘度较大的润滑油。,润滑脂选用的基本原则：,2）在高速、轻载、低温、间隙小的情况下，应选用粘度小的润滑油。,3）润滑脂主要用于速度低、载荷大、不需经常加油、使用要求不高或灰尘较多的场合。,4）气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防止污染等一般润滑剂不能适用的场合。,