摩擦与磨损-张程煜.ppt

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1、,摩擦与磨损-接触疲劳,7 接触疲劳,接触疲劳：表面接触压应力长期反复作用下引起的一种表面疲劳现象常见于滚动轴承、铁轨和齿轮等零件。疲劳寿命分散性大,接触应力,两物体接触，在接触面上产生的局部压力为接触应力在接触应力作用下，材料由线(或点)接触变为面接触最大压应力在接触面的中心线(或点)上，最大切应力位于表层下,线接触,面接触,接触面积为2bL,板材下底面固定,接触应力,线接触,面接触,接触应力,弹性力学：,承受法向压应力后两圆柱体接触表面上的各应力分量,主应力、主切应力分布图,可能影响接触疲劳失效的切应力有两个：第一个是与y轴成45o的主切应力45第二个是正交切应力yz,正交切应力分布图,(

2、a)中1-在接触面上;2.3-分别在接触面下0.5b和1.0b处,(b)yz的作用面与方向。,接触应力,点接触,面接触,板材下底面固定,接触疲劳也是一个裂纹形成和扩展过程。接触疲劳裂纹的形成也是局部金属反复塑性变形的结果。某些裂纹的不断扩展，就在金属表面上产生剥落。剥落后的断口反映了接触疲劳过程。断口大都呈扇形。扇轴处为疲劳源。随着时间推移，裂纹逆滚动方向放射扩展。,损坏形式,接触疲劳剥落后的断口,损坏形式,接触表面上出现深浅不一的针状或痘状凹坑,或较大面积表面压碎点蚀：深度小于的小块剥落浅层剥落：深度一般为深层剥落：剥落坑大于0.4mm,点蚀,浅层剥落,深层剥落,损坏形式,点蚀：深度小于的小

3、块剥落。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。,表面裂纹发展和润滑油作用示意图,损坏形式,浅层剥落：剥落深度一般为0.2-0.4 mm。在纯滚动或摩擦力很小的情况下，次表层将承受着更大的切应力。因此，裂纹易于在该处形成。金属磨损的剥层理论认为，在法向和切向应力作用下，次表层将产生塑性变形，并在变形层内出现位错和空位，并逐步形成裂纹。,剥层磨损裂纹形成示意图,基体围绕硬质点发生塑性流动，将使空位在界面处聚集而形成裂纹。,第二相硬质点和夹杂物,加速作用,损坏形式,深层剥落：这类剥落坑较深(0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。裂纹源往往位于硬化层与心部的交界处(过渡区)。该

4、交界处是零件强度最薄弱的地方。如果其塑性变形抗力低于该处的最大合成切应力，则将在该处形成裂纹，最终造成大块剥落。,硬化层裂纹示意图,损坏形式,渗碳淬火试件的试验表明，当切应力/材料切变强度的比值大于0.6时，疲劳裂纹在硬化层和心部交界处产生和扩展，造成深层剥落；当切应力/材料切变强度的比值小于0.55时，就出现浅层剥落和点蚀，或者只出现点蚀。可见，这一比值的高低在一定程度上决定了疲劳裂纹源的位置与扩展方向，也决定了其失效类型。,过渡区裂纹形成应力分析示意图,损伤过程,和其它疲劳一样，包括裂纹形成和裂纹扩展过程；是切应力和材料切变强度交相作用的结果；渗碳淬火时间的试验结果：切应力/材料切变强度0

5、.6，疲劳裂纹在硬化层和心部交界处产生，深层剥落；切应力/材料切变强度0.55，浅层剥落或点蚀。,接触疲劳试验方法,接触疲劳试验机种类,(a)单面对放式,(b)双面对滚式,(c)止推式,提高接触疲劳措施,提高滚珠加工精度、表面质量和微观组织均匀性改善摩擦条件，如加入润滑剂较小接触应力显著提高接触疲劳寿命表面热处理提高断裂韧性提高冶金质量引入残余应力,外部条件摩擦类型、相对滑动速度、接触压力等；材料：与氧的化学亲和力及形成的氧化膜性质；抗粘着能力；力学性能；耐热性；与润滑剂相互作用的能力；材料的动态特性。,8 耐磨性评价,耐磨性：材料抵抗磨损的指标用磨损量表示，分为：线磨损量、体积磨损量和重量磨

6、损量磨损曲线三个阶段：1)跑合阶段；2)稳定磨损阶段；3)剧烈磨损阶段相对耐磨性与压力和相对滑动量成正比，与磨损量成反比,磨损试验,方法：零件磨损和试件磨损试验ASTM标准规定了超过20种固体磨损试验方法参考GB、ISO、DEN、JIS等标准。,记录摩擦的变化可判断磨损过程，得到摩擦系数；测量磨损前后的质量和体积变化，确定磨损量；,分析摩擦表面和磨损产物，研究磨损机制和工程磨损预测。,Al7%Si合金的磨损量与压力关系,Al7%Si合金的平行于滑动方向的截面SEM照片,滑动速度0.5 m/s，压力:(a)10 N;(b)20 N;(c)50 N;(d)75 N,摩擦与磨损实验,Xiawei Y

7、ang,Wenya Li,Jiang Li,Tiejun Ma,Jia Guo.FEM analysis of temperature distribution and experimental study of microstructure evolution in friction interface of GH4169 superalloy.Materials&Design.2015,84:133-143,摩擦与磨损实验,陶瓷材料的力学性能,耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损脆性材料对缺陷十分敏感分散性大试验结果的统计分析,弹性模量强度断裂韧性热震性能,陶瓷基本特点,本课重点,1 弹性模量,

8、比金属弹性模量大得多：离子键和共价键；压缩模量高于拉伸模量；制备方法和原料影响大,孔隙率的影响,含少量球形空隙的陶瓷：其中：E0-致密材料的弹性模量，A=1.9；B=0.9固体泡沫陶瓷(p0.7),微裂纹的影响,微裂纹由陶瓷晶粒热膨胀系数的各向异性引起；影响规律：其中：f=1.51.77，N-单位体积的微裂纹数目；a-微裂纹平均长度；弹性模量随微裂纹数目和长度增加而下降。,2 强度,影响因素：晶粒大小、工艺、缺陷、表面状态和测试方法等晶粒大小的影响满足Hall-Patch关系缺陷包括：微裂纹和孔洞,孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响（图中圆圈和黑方块为一些陶瓷的试验值）,压缩强度远大于抗拉强度；,

9、压缩断裂机制,一种压缩断裂机制,陶瓷压缩断裂过程示意图，由a到e顺序发展,表面状态的影响,表面划痕、缺口等降低强度,不同的摩擦力对三种ZrO2弯曲强度的影响，图中Y-TZP为氧化钇稳定的四方氧化锆；Mg-PSZ为氧化镁部分稳定的氧化锆；Ce-TZP为氧化铈稳定的四方氧化锆(SK Lee等，2000),强度的概率分布,分散性大；服从Weibull分布,拉伸：GB/T 23805-2009压缩：GB/T 8489-2006弯曲：GB/T 6569-2006,测试方法,金属与陶瓷强度的分布规律示意图。横坐标为应力，纵坐标f()为应力为时材料断裂的概率,经2000C热处理不同时间后的Si3N4陶瓷弯曲强度的Weibull分布(N Hirosaki等，1993)。SN2、SN4和SN8分别代表2000C下热处理2h、4h和8h后的材料。,3 断裂韧性,远低于金属的断裂韧性,陶瓷与金属复合增韧相变增韧微裂纹增韧,增韧方法,AlN-Mo,ZrO2相变增韧,测试方法,单边预裂纹梁(SEPB)法(GB/T 23806-2009)；双悬梁(DCB)法;双扭试件(DT)法压痕法,4 热震性能,定义：材料抵抗温度骤变不破坏的能力分为：热震断裂和热震损伤,表征参数,本 章 完,