金属磨损基本理论.ppt

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1、1,2.4.4 金属表面的接触,一、接触表面间微凸体的相互作用在垂直载荷作用下两个粗糙表面相接触时，是从微凸体的顶峰之间的接触开始的，即微凸体峰高之和为最大的那对微凸体首先开始接触，随着垂直载荷的增加，依次将在高度较小处接触。微凸体开始接触时是弹性变形。在载荷超过某个临界值后发生塑性变形，但是，微凸体的这种塑性变形只是在局部发生，对于材料的基体而言，仍然是处于弹性变形状态。,随着载荷的增加，参与接触的微凸体数目不断增多，由于微凸体之间高度的差别，在每一瞬间同一表面上不同微凸体的接触和变形程度是不同的。最大高度的微凸体发生剧烈的变形，低于轮廓中线的微凸体通常并不进入接触。即使在高载荷的情况下也是

2、如此。假若不同硬度的材料表面相互接触，那么、较大硬度的表面微凸体将压入与其接触表面的微凸体中，而表面较软的微凸体将发生塑性变形来改变自已的形状。在这种情况下，较硬表面的微观几何形状和较软表面的机械特性将会影响接触性能。,当两个表面相互接触时，表面间相互作用的一种形式就是在接触区的某些部位发生粘着；这是因为即使经过精密加工的表面，从微观上看仍是凹凸不平的，所以当两表面接触时，实际上只在少数较高的微凸体上产生接触，由于实际接触面积很小而接触点的应力很大，因此在接触点上发生塑性流动、粘着或冷焊。这种接触点称为粘着点或结点；对于产生粘着的微观机制目前还没有形成统一的认识，一般认为与两接触表面间的分子相

3、互作用有关。,4,另一种表面相互作用方式称为机械相互作用，此时材料不发生粘着而只是产生一定的变形和位移以适应相对运动。当材料表面硬度极高并且载荷极轻时，微凸体相互越过而产生波浪运动，一般情况下、由于接触点局部的高应力值，为了产生相对运动，较软材料将产生位移和塑性变形。,5,二、接触面积,如果将两个几何学的平面相互压在一起，则整个面都接触。但是实际表面相互接触时，只是某些微凸体的相互接触，而不是整个固体表面的接触，即接触具有不连续性和不均匀性（如图所示），,6,接触面积可分为三种：,1.名义接触面积，即接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定，以Aa表示。2.轮廓接触面积，即物体的接触表面被

4、压扁部分所形成的面积（如图1-3中小圈范围内面积），以Ac表示，其大小与表面承受的载荷有关；3.实际接触面积：即物体真实接触面积的总和，以Ar表示。,7,两个固体表面接触时，实际接触面积仅为名义接触面积的一小部分，一般为0.01%0.1%，由各个微凸体变形所形成的实际斑点直径为350m，而轮廓接触面积一般为表观接触面积的5%15%。,8,真实接触面积的影响因素,影响接触表面真实接触面积的主要因素是：1、接触载荷2、表面粗糙度。,9,1载荷,显然、在确定的表面状态下，随着载荷的增加，真实接触面积是不断增大的，研究表明：实际接触面积与载荷之间的关系不仅取决于变形的形式，而且还取决于表面轮廓的分布。

5、当微凸体只发生塑性变形时，对于微凸体高度的任何分布，载荷与实际接触面积均呈线性关系。当微凸体为弹性变形时，仅在微凸体高度的分布接近于指数型的情况下，载荷与实际接触面积才具有线性关系。对于大多数工程表面，粗略的认为无论是弹性接触还是塑性接触，实际接触面积均与所加载荷成正比。,10,2表面粗糙度,当接触表面的粗糙度降低时，将从三个方面导致真实接触面积增大：（1）表面微凸体发生弹性变形的比率增大，发生塑性变形的比率减小，因此、在同样载荷作用下，将导致真实接触面积A的增加。（2）表面微凸体的相对曲率半径增大：在弹性变形的条件下，真实接触面积随着微凸体半径的增加而增加。（3）表面分子间的相互作用行为增大

6、,11,在清除了氧化膜的洁净金属表面上很容易出现固体粘附（冷焊）现象，,实际上对于任何固体，这种现象均会发生，但是、它常常因接触面积小（由于表面粗糙不平）和受压表面的弹性而被掩盖；出现这种现象的原因在于固体表面分子间的相互吸引，分子相互吸引的各种形式均通过粘附现象反映出来。因此、在表面粗糙度降低到一定程度后，在同样的外载荷作用下，由于界面分子的接近程度增加，分子间相互作用力增大，这时真实接触面积随粗糙度的降低而迅速增大。,12,第3章,摩擦学基本理论,13,第3章 摩擦学基本理论,3.1 概 论3.2 摩擦的基本理论3.3 磨损的定义与类型 3.4 磨料磨损3.5 粘着磨损3.6 疲劳磨损3.

7、7 冲蚀磨损3.8 腐蚀磨损3.9 微动磨损,14,3.1 概 论,摩擦学的定义是：“研究作相对运动的相互作用表面及有关理论和实践的科学技术”。摩擦学包括摩擦、磨损和润滑三个分支没有摩擦学，或者说，没有“作相对运动的相互作用表面”，人类就不可能生存。这个真理也同样适用于重型机械和精密机构、制动器和火箭、机械联接和人工关节。因此、摩擦学无处不在。,15,Jost报告,1966年约斯特（Jost）等人受英国科学研究教育部的委托，开展了一项调查，并提出了“Tribology Education and Research”报告，这就是著名的“Jost报告”，它标志着摩擦学进入了一个新的发展时间。报告中

8、指出，如果较好地运用摩擦学知识，可使英国工业一年内节约五亿一千五百万英镑，相当于当时国民经济总收入的1。还应指出，要达到上述节约的数值，仅仅运用现有的知识就行。,16,摩擦与磨损是材料失效的三种主要形式（磨损、腐蚀和断裂）之一。据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩擦与磨损；约80的机器零件失效是由于摩擦与磨损引起的。,17,摩擦与磨损不仅消耗大量能源和材料，而且由于磨损更换零部件时的停工、维修以及由于磨损使产品质量降低造成的设备及人身事故等严重地影响了工业技术向现代化自动化发展。所以对摩擦与磨损的研究，特别是在工业发达国家，越来越引起人们的重视。,18,摩擦学的学科性质,摩擦学过程涉及的

9、影响因素很多，是一门多学科、跨学科的边缘科学。它主要涉及材料学、冶金学、机械学、固体力学、表面物理、表面化学等诸多学科。,19,摩擦学特性是系统特性,摩擦磨损过程极其复杂，摩擦学性能不是材料的固有属性，而是整个摩擦副的系统特性。在摩擦学系统中任一外部因素（如载荷、速度、运动形式、持续时间、环境温度、介质、润滑条件、接触面状况等）和内部因素（如材料成分，组织结构，表面物理、化学、力学性能等）稍有变化，都可能引起材料摩擦磨损性能的较大变化。,20,摩擦学系统是时变系统,在摩擦过程中表面状态，环境条件是在不断发生变化的。因此系统参数的改变将导致系统行为的改变系统特性和时变特性是导致摩擦学研究复杂化的

10、主要原因,由于摩擦磨损是在相互接触和相对运动的固体表面进行的。因此接触体表面及其性能对材料的摩擦磨损性能十分重要，近些年来各种表面技术迅速发展。大量研究结果表明，摩擦副材料表面采用某种或某些表面技术处理后，可使材料的摩擦磨损性能有显著的改善。由此不难看出表面工程与摩擦磨损之间的密切关系。,22,3.2 摩擦的基本理论,3.2.l 摩擦的定义和分类当两个相互接触的物体在外力作用下产生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这个阻力与运动方向相平行，这种现象称之为摩擦。摩擦可以按不同的方法进行分类，主要有如下几种分类方法。,23,一、按摩擦副的运动状态分类：,静摩擦

11、一物体沿另一物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称为静摩擦。这种摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力随作用于物体上的外力而变化，当外力达到能克服最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。从而由静摩擦转变为动摩擦。动摩擦 一物体沿另一物体表面相对运动时产生的摩擦称为动摩擦。阻碍物体运动的切向力称为动摩擦力。动摩擦力通常小于静摩擦力。,24,二、按摩擦副的运动形式分类：,滑动摩擦 物体接触表面相对滑动时产生的摩擦称为滑动摩擦。滚动摩擦 在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦。,25,三、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时产生的摩擦称为纯净摩擦。这种摩擦只有

12、在接触面产生塑性变形使表面膜破坏或在真空中摩擦时才能发生。干摩擦（无润滑摩擦）在大气条件下，摩擦表面间名义上没有润滑剂存在时产生的摩擦称为干摩擦，或无润滑摩擦。,3、流体（润滑）摩擦：相对运动的两物体表面完全被流体隔开时产生的摩擦称为流体（润滑）摩擦。当流体为液体时称为液体摩擦；流体为气体时称为气体摩擦。流体摩擦时摩擦发生在流体内部。4、边界（润滑）摩擦：介于干摩擦和流体（润滑）摩擦之间的一种摩擦形式，摩擦表面间存在着一层极薄的润滑膜，这层润滑膜的存在使得边界摩擦较之干摩擦状态有很大改善，但还不足以将两摩擦表面完全分隔开。,27,四、摩擦的其它分类方法,许多机器装置中的摩擦副处于高温、高速、低

13、温、真空、辐射等特殊环境条件下工作，因此又可将摩擦分为正常工况条件下的摩擦和特殊工况条件下的摩擦。此外也有人根据产生摩擦的程度，将摩擦分为轻微摩擦与严重摩擦等。,28,3.2.2 古典摩擦定律,很早以前，人们从日常生活和试验研究中开始总结摩擦的基本规律，意大利科学家达芬奇（14521519年）、法国工程师阿蒙顿（16631705年）和法国科学家库仑（17361806年）通过摩擦试验，建立了摩擦基本定律，一般称为古典摩擦三定律，主要内容如下：,29,古典摩擦三定律,摩擦第一定律，摩擦力与两接触体之间表观接触面积无关。摩擦第二定律，摩擦力与作用于摩擦面间的法向载荷成正比。摩擦第三定律，动摩擦力几乎

14、与滑动速度无关。,因此、一块砖沿其侧面滑动与沿其端面滑动同样容易，如果两摩擦面间的载荷增大一倍，则摩擦力也增大一倍。古典摩擦定律是从试验的基础上总结出来的，长期以来，一直被人们所接受，并广泛应用于工程实际中。但由于摩擦过程的复杂性，因此、近代摩擦学的研究成果表明，上述定律存在着很大的局限性。,31,3.2.3 摩擦的起因,摩擦过程是两接触物体配对表面之间相互作用的过程，其结果产生了相对运动的阻力。当两个表面作相对运动时，引起运动的力就作功，也就是说，在接触表面上有能量损耗。因此在研究摩擦机理时，其重点在于研究表面相互作用和能量损耗机理。,32,一、表面相互作用,当两个表面相互压紧时，会在接触区

15、的某些部分发生粘着，因此这种粘着就是引起摩擦的表面相互作用的一种形式。,如果不发生粘着，则产生运动阻力的相互作用就是另一种形式，这时材料一定发生变形和产生位移以适应相对运动。在这种形式下存在着两个相互作用。,第一个相互作用是微凸体互嵌，如图31所示。显而易见，微凸体材料如不产生位移，表面A和B就不能作相对运动。,第二个相互作用是宏观位移，如图32所示。图中；一个硬球A压向一个较软的平面B。为了产生相对运动，材料B的一部分必须作位移。,图32 宏观位移在运动中硬球A压向较软的表面B时引起材料B的位移,35,二、能量损耗形式,作相对运动时，材料必发生变形。变形可以是弹性变形，也可以是塑性变形；此外

16、，材料也可能发生断裂。这三种机理能在相互作用的表面上引起显著的能量损耗。,塑性变形总是带来能量损耗，在大多数实际情况下，这种能量损耗占金属摩擦的大部分。当表面相互作用为粘着式时必发生断裂，而当互嵌着的微凸体作相对运动时也会引起断裂。磨屑的形成无疑是发生断裂的迹象。然而，在大多数滑动金属的情况下，断裂时的能量损耗比塑性变形所引起的能量损耗少。其原因之一在于，不是每个微凸体在接触时都能形成磨粒，对常规大气条件下的大多数金属而言，在形成磨粒之前，一个微凸体要作1000多次接触。,37,虽然使金属发生弹性变形需要能量，但这种能量大部分可以回复，因而弹性能量损耗与塑性变形时的能量损耗相比可以忽略不计。但

17、是，某些橡胶在发生弹性变形（由于产生弹性滞后现象）时则显示出有很大的不可逆的能量损耗，而在某些情况下，这就是摩擦的主因。,38,综上所述可知，,表面相互作用有两个来源，即粘着和材料位移，由于发生弹性、塑性变形以及断裂，它们会引起能量损耗。这些因素是造成摩擦的原因,39,3.2.4 摩擦机理,许多科学家通过对摩擦的起因和本质进行深入的研究，提出了多种摩擦机理，但至今尚未形成统一的理论。这里仅就一些主要方面进行简要的介绍。,40,一、机械啮合理论,1699年阿蒙顿（Amontons）和海亚（Hire）等认为摩擦副表面是凹凸不平的，当两个凹凸不平的表面接触时，凹凸部分彼此交错啮合，在发生相对运动时，

18、互相交错啮合的凹凸部分阻碍物体的运动。摩擦力就是所有啮合点切向阻力的总和。接触表面越粗糙，摩擦力和摩擦系数越大。,41,二、分子吸引理论,1929年汤姆林逊（Tomlinson）和1936年哈迪（Hardy）等认为在平衡状态时，固体原子间的排斥力和内聚力相平衡，但是当两物体接触时，一个物体内的原子可能与另一物体的原子非常接近以致于进入斥力场中，因此当两表面分开时就会产生能量损失，并以摩擦阻力的形式出现。,42,三、分子-机械理论,1939年克拉盖尔斯基提出了分子机械摩擦理论。他认为摩擦力不仅取决于两个接触面间的分子作用力，而且还取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌的畸变（可逆或不可

19、逆）。因而摩擦力为分子阻力分量和机械阻力分量之和，也称为摩擦的二项式定律。,摩擦力中分子阻力分量和机械阻力分量所占的比率取决于载荷、接触表面的状况、摩擦副材料及其性能、接触条件等，可在很大范围内变化。当载荷较大、接触表面粗糙不平时，机械阻力分量增大；相反，当载荷很小，接触表面非常光滑时，机械阻力分量减小，甚至可以忽略不计。,44,四、粘着摩擦理论,这一理论是1950年鲍登（）和泰伯（D.Tabor）提出的，其出发点是：当接触表面相互压紧时，它们只在微凸体的顶端接触，由于实际接触面积很小，接触着的微凸体上的压力很高，足以引起塑性变形。接触处的这种塑性流动导致接触面积增大到实际接触面积恰好能支承载

20、荷为止。并使紧密接触处发生牢固粘着，即接点产生“冷焊”现象。此时，若要接触物体产生相对滑动，必须剪断冷焊点。,45,因此摩擦力的粘着分量可表示为：,图33 单个微凸体接触的示意图,46,粘着摩擦理论需要进行修正,上式表明，摩擦力与法向载荷L成正比；与名义接触面积无关。这与古典摩擦定律是一致的。但是，由上述粘着摩擦理论计算得出的摩擦系数与试验数据差异较大。例如一些金属按上述粘着摩擦理论得出的摩擦系数约为0.2，而在空气中试验测得的摩擦系数0.5，在真空中的摩擦系数则更大，因此，必须对粘着摩擦理论进行修正。一般认为产生差异的原因主要有以下两点：,1、粘着接点长大现象 在静摩擦时，实际接触面积与载荷

21、成正比。而在滑动时，有切向力的作用，材料的屈服是由法向压应力和切应力合成作用的结果。当切应力逐渐增大到，粘着接点产生塑性流动，使接触面积增大，即粘着接点“长大”。此时实际接触面积Ar为：（3-4）由上式可知，在真空中洁净的表面摩擦时，由于切应力的作用，粘着点增大，实际接触面积增加，因而摩擦系数变大。,2、污染膜的影响 摩擦副在空气中滑动时，材料（特别是金属材料）表面被覆盖一层薄的污染膜（如氧化膜等），这时的摩擦副实质上是污染膜之间的摩擦，只有在污染膜破坏以后才是摩擦副材料之间的直接摩擦。一般情况下污染膜的剪切强度较低，同时粘着接点的增长较小，所以摩擦副在空气中的摩擦系数较真空中洁净表面为低。,

22、49,获得较低摩擦系数的一种方法是:,在硬的金属材料表面涂覆一层软金属。显然此时载荷由本体硬金属材料承受，而剪切产生于软金属涂覆层。,50,五、犁沟摩擦理论,当硬的粗糙表面在软的表面上滑动时，硬的表面上的微凸体可能压入软的表面使之产生塑性变形，并划出一条沟槽（犁沟），这时，摩擦力中的犁沟（或犁削）分量可能是摩擦力的主要分量。,51,如图所示，设一个硬的圆锥在软材料表面上滑动产生犁沟。载荷支承面积A1与沟槽面积A2可由下式表示：,52,假设上述软材料是各向同性的，它的屈服压力为，则,式中L载荷；F摩擦力。,由犁沟引起的摩擦系数可由下式表示,同样，可以计算出圆球及圆柱因犁沟引起的摩擦系数。,53,

23、在上述摩擦力犁沟分量的计算中，忽略了在微凸体前方的材料堆积。,图35为一球形微凸体在犁沟前方材料压皱和积聚的示意图。显然这使得沟槽面积A2增大，同时假设材料各向同性也是一种近似。考虑到这些误差，在实际过程中要进行相应的修正,对于干摩擦滑动摩擦，一般认为是摩擦副微凸体间微观接触、粘结点形成和分离的过程。其中包括：（1）微凸体的弹、塑性变形；（2）粘着点的形成和剪断；（3）犁沟。因此，滑动摩擦阻力主要由变形分量、粘着分量和犁沟分量三部分组成。,55,3.2.5 摩擦过程的 主要影响因素,摩擦过程极其复杂，影响因素也很多，在一般情况下，往往几种摩擦机理同时存在。在一定条件下，可能某一种机理起主要作用

24、，因此需要对实际工况作具体分析。摩擦性能并不是材料的固有属性，而与摩擦副材料、工作条件、环境介质、润滑条件等因素有关的系统特性，其中任一参数稍有变化，都可能使摩擦机理和摩擦性能发生变化。下面简要介绍影响干滑动摩擦的主要因素。,56,一、材料性质,当摩擦副是同一种（或者性质非常接近的）材料，或是两种有可能形成固溶合金的金属时，摩擦较严重。例如铜铜摩擦副的摩擦系数可达1.0以上；铝铁或铝低碳钢摩擦副的摩擦系数大于0.8。而不同金属或由亲和力低的金属组成的摩擦副摩擦系数较低，如银铁或银低碳钢摩擦副的摩擦系数约为0.3。,57,二、表面粗糙度,摩擦副表面非常粗糙时，摩擦系数较大。然而非常平滑的表面可能

25、摩擦系数更大，这是因为真实接触面积增大，表面间的分子作用加强。因此、一般说来，摩擦副存在一最佳粗糙度区间，在这一区间内，所产生的摩擦系数最小。,58,三、温度,温度对摩擦性能的影响可从两方面进行分析，一方面金属摩擦副随温度升高，可焊性增大，强度降低，导致真实接触面积增大，粘附程度增加，从而使摩擦系数增大；另一方面随着温度升高，表面发生氧化的程度增加，形成表面氧化膜的可能性增大，这有可能导致摩擦系数下降。因此金属摩擦副在一定温度下的摩擦特性将取决于金属在该温度下的强度、可焊性及所形成的表面膜。,59,四、速度,滑动速度改变时，摩擦系数常常发生变化。1882年德国学者弗兰克（Franke）提出了摩

26、擦系数与速度的经验关系式：,60,五、表面膜,摩擦副接触表面常覆盖氧化膜、吸附气体膜和其他污染薄膜。这些表面膜对摩擦副的摩擦特性会产生重要影响。有润滑时的摩擦系数均小于无润滑时的摩擦系数。摩擦副材料表面存在表面膜时，由于摩擦主要发生在表面膜之间，同时一般情况下表面膜的剪切强度小于本体材料的剪切强度，因此摩擦系数较小。,Wait,61,3.3 磨损的定义与类型,当两个作相对运动表面发生相互作用时，必然会发生磨损。因此、磨损和摩擦一样是一种普遍性行为，尽管我们对磨损机理的认识在不断深化，但至今对磨损的预测却没有一条可靠而简明的定量性定律。这是因为磨损过程受诸多因素的影响，而这些因素又是相互作用的。

27、大多数材料的摩擦系数介于0.1到1.0之间，而相应的磨损率却相差很多数量级。,62,3.3.1 磨损的定义,尽管磨损现象是人人皆知的，然而，要给磨损下一个定义却是不容易的，这是由于材料的磨损现象非常复杂，直到目前对磨损机理与磨损的定义尚缺乏统一而准确的认识。目前普遍接受的磨损定义是：由于机械作用，有时伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运动过程中不断损耗的现象。,63,3.3.2 磨损的分类,64,这里需要着重指出：,1、影响磨损机理的因素非常多而复杂。其中每一个因素稍有变化都可使磨损量和磨损机理发生变化。2、在实际工况下，材料的磨损往往不只是一种机理在起作用，可能是几种机理同时存在。只

28、是在一定条件下，某一种机理起主要作用。当条件发生变化时，可能从一种机理为主转变为另一种机理为主。,65,有人对工业领域中各类磨损所占的比例作了估计，结果如下表所示。,磨损研究的对象虽然只是材料表面层破坏失效的问题，但要把这个薄层内的问题研究清楚，确是非常复杂和困难的任务，困难不仅在于表面层的厚度只有几个纳米到几十微米的量级，对这个薄层的组织和性能进行分析测定需要特殊的方法与手段，更主要的是它涉及到很多学科和一系列的影响因素，即具有突出的边缘学科性质。材料磨损的多学科性质和系统性可用示意图表示（如图22所示）。,材料磨损多学科性和系统性示意图,68,3.4 磨料磨损,欧洲合作与发展组织编定的摩擦

29、学术语中对磨料磨损所下的定义是：“由于硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损”。在工业领域中，磨料磨损是最主要的一种磨损类型，约占50%，,69,磨料磨损可以分为很多种类型，代表着不同的磨损机制；而实际的磨料磨损过程很少是单一因素引起的，往往是多种磨损机制综合作用的结果。而且随着条件的变化，可以从一种磨损机制转化成另一种磨损机制。,71,3.4.2 磨料磨损机理和 简化模型,磨料磨损机理主要有如下几种。,72,一、微观切削机理,磨粒作用在材料表面上的力可分解为法向分力和切向分力。在法向分力作用下，磨粒压入材料表面形成压痕，在切向分力作用下，磨粒向前推进，具有锐利棱角和适当迎角的磨粒像刀

30、具一样对材料进行切削而形成切屑，,73,二、犁沟变形机理,当磨粒的形状与位向不利于切削时，磨粒将使材料产生犁沟变形，即将材料推向前方或两侧并使沟底及沟槽附近的材料产生塑性变形。后继的磨粒可能把堆积起来的材料压平，也可能使已经犁沟变形的材料遭受再一次的犁沟变形，如此反复，将导致材料的加工硬化和其他强化作用，最后产生裂纹、断裂而形成磨屑。,74,三、疲劳磨损机理,克拉盖尔斯基认为疲劳磨损机理在一般磨料磨损中起主导作用。即材料表面在磨粒产生的循环接触应力作用下，因疲劳剥落而形成磨屑。,75,四、微观断裂（剥落）磨损机理,脆性材料（如陶瓷、玻璃、碳化物等）或含有硬而脆的第二相质点的材料在与磨料作用时，

31、脆性材料或脆性相将产生断裂或剥落。,76,3.4.2 磨料磨损的主要影响因素,磨料特性、材料组织与性能工况条件,77,一、磨料特性的影响,1、磨料硬度的影响 磨料磨损一般是指磨料的硬度比材料硬度高得多的情况，但当磨料的硬度比材料硬度低时，也会产生磨损，只是磨损量很小而已。因此材料的耐磨性决定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。当0.50.8时为硬磨料磨损，此时增加材料的硬度对其耐磨性增加不大。当0.50.8时为软磨料磨损，此时增加材料的硬度能迅速地提高其耐磨性。,78,当磨料的硬度比材料的硬度大得多时，材料的相对磨损与磨料硬度几乎无关，但较软材料的相对磨损比较硬材料的大些；当磨料的硬度接近或低

32、于材料的硬度时，则材料的相对磨损急剧下降，到某一定值时，相对磨损接近于零。,79,理查德森（Richardson）的研究表明，,直接决定材料耐磨性的是材料表面经受磨损后的最大硬度Hu（材料表面在磨损过程中由于塑性变形和加工硬化等原因硬度进一步提高），而不是材料磨损前的硬度Hm。,80,2、磨料形状及尺寸的影响,尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损率大。这由磨料磨损简化方程式可知，当载荷和材料硬度不变时，磨损率决定于磨料与材料表面夹角正切的平均值（即），即磨料越尖锐、角越大，值也越大，因而磨损率也越大。,81,磨料颗粒大小对材料的磨损有影响，,一般是随着磨粒直径的增加，磨损量增大。当磨粒的直径

33、达到某一临界尺寸后，磨损量几乎不再增加，这个磨料颗粒的临界尺寸在100200微米左右，与材料的成分、性能、加工方法、速度及载荷等有关。,82,二、材料微观组织及机械性能的影响,1、材料微观组织的影响材料微观组织的影响非常复杂，与材料的成分、冶炼、生产及处理工艺等有关。朱卡尔等人综合了钢铁材料的基体组织与耐磨性的关系指出，基体组织的耐磨性一般按铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的顺序递增。,83,“硬度越高的材料耐磨性越好”?,在实际工作中选用耐磨材料并不如此简单，有人认为“硬度越高的材料耐磨性越好”。这在较低接触应力、较低滑动速度的滑动磨料磨损条件下比较符合实际。相反，在高接触应力、高冲击或相对滑

34、动速度快、磨料硬而锐利的情况下，可能得到不同的结果。,84,碳化物含量的影响,试验表明：无论是马氏体基体还是奥氏体基体，耐磨性均随碳化物含量增加而提高。当碳化物含量超过一定值后，耐磨性不再提高，有时反而下降。,85,碳化物颗粒的大小对材料的耐磨性也有影响,一般认为随碳化物颗粒平均尺寸增大，材料的磨损率降低。这是由于当碳化物颗粒尺寸比磨料颗粒的压痕深度大时，碳化物对磨料的刺入起阻碍作用，使沟槽变浅，因而提高耐磨性。但是在某些工况条件下，细颗粒的碳化物表现出高的耐磨性。因此，应根据工况条件选择适宜的碳化物粒度。,2、材料机械性能的影响 材料机械性能的影响主要表现在材料的硬度对耐磨性的影响。(1)纯

35、金属及退火钢的相对耐磨性与材料的硬度成正比。(2)经淬火和不同温度回火的钢，其耐磨性也随硬度的提高而增加，但比纯金属及退火钢增加得慢一些。(3)材料磨损后的表面硬度Hu与材料的耐磨性成正比。这一规律更符合生产实际，两种原始硬度不同的材料，只要磨损后的最高硬度Hu相等，其相对耐磨性也相同。(4)纯金属的弹性模量E与其相对耐磨性有良好的线性关系。这种关系可用下式表示,87,三、工况条件的影响,1、载荷的影响：由磨料磨损的简单模型和简化方程式可知，材料的磨损量与载荷成正比。但实际上，磨损率与载荷之间的线性关系一般都有一个临界值，超过此临界载荷，线性关系开始破坏。2、滑动距离的影响 如果磨料在滑动磨损

36、过程中不变圆钝或碎裂，则材料的磨损量与滑动距离成正比，否则磨损量将有改变。,88,3、滑动速度的影响:,在带式固定磨料磨损试验机上的试验结果表明：当速度较小时，磨损率随速度的增高而有下降的趋势，以后又逐渐升高，达到一定速度后趋于常数。载荷和速度对磨损的影响。实际上是热和温度的影响。特别是在高速重载情况下，摩擦引起的温升能使材料表面氧化、软化、硬化甚至熔化，这样就使表面材料的磨损变得很复杂。,89,4、环境的影响,磨损系统的环境对材料的磨损有很大的影响。例如在采矿和选矿等机械中，常存在酸性液体介质，此时材料经受磨损和腐蚀的双重作用，磨损量明显增加。环境中水汽和湿度的增长也往往使材料的磨损率迅速增

37、加。,90,3.5 粘着磨损,3.5.1 粘着磨损的定义和分类两个接触表面相对运动时，由于接触点粘着和焊合而形成的粘着结点被剪切断裂，被剪断的材料由一个表面转移到另一个表面，或脱落成磨屑而产生的磨损，称为粘着磨损。,91,根据磨损的严重程度，常把粘着磨损分为以下几类。,（1）轻微磨损 粘着结点的剪切破坏基本上发生在粘着面上，此时虽然摩擦系数较大，但表面材料的转移很小，即磨损轻微。如锡基合金在钢上滑动、金属表面有氧化膜或涂层等，由于结合点的强度远低于摩擦副中任一金属材料的剪切强度，因而常发生此类粘着磨损。,92,（2）涂抹,粘着结点的剪切破坏发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内，较软金属粘附并涂

38、抹在较硬金属的表面上，便发生此类磨损。此时粘着结点的强度虽比较硬金属的低，但比较软金属的高。,93,（3）擦伤,粘着结点的剪切破坏主要发生在较软金属的浅层内。此时粘着结点的强度比软金属和硬金属都高，转移到硬金属表面的粘着物擦伤软金属表面，有时硬金属表面也有划痕。,94,（4）胶合,胶合也称咬焊、粘焊或撕脱。其实质是固相的焊合及随后的撕脱。摩擦面温度低时产生“冷焊”，温度较高时则产生“热焊”（熔焊）。此时粘着结点的剪切破坏发生在摩擦副一方或两方的较深处，粘着结点的强度大于摩擦副中任一金属的强度，因而磨损比较严重。胶合这个名词的含义不够明确，有时也与划伤、刮伤等通用。一般认为划伤（刮伤）是较轻微的

39、胶合（但比擦伤严重），粘焊、撕脱是较严重的胶合。,95,（5）咬死,粘着结点强度较高，粘着面积较大，外力不能使摩擦副之间进行相对运动称为咬死或咬卡。四球机试验中的咬死现象,96,3.5.2 粘着磨损的模型和粘着磨损方程式,关于粘着磨损的机理和模型，荷姆（Holm）、阿查德（Archard）、鲍登（Bowden）、泰伯（Tabor）、伯克莱（Buckly）等人虽然都做过深入的研究，但至今对许多基本问题还没有统一的、准确的结论。这里主要介绍得到各国许多学者承认的阿查德（Archard）粘着磨损模型及粘着磨损方程式。,施加载荷的结果使上半球压入下半球，并使下半球产生塑性变形，设接触面积的直径为2r，

40、并在切向力作用下使粘着的软金属被剪断，软金属磨屑将粘附于上半球的表面或脱落，于是下半球表面产生磨损。,阿查德的粘着磨损模型如图所示。设上半球1与下半球2在载荷L的作用下产生接触，上半球十分坚硬，磨损只发生在不产生加工硬化的下半球。,当摩擦副滑动距离为2r时，软材料将产生一个半球形的磨屑，即磨损体积为。因此磨损率（单位滑动距离的磨损量）为,每个粘着结点的面积为，若有n个粘着结点，则总载荷为:,99,上述推导中假定每一个粘着结点都产生一个磨屑，实际上并不是如此，,只有一部分结点产生磨屑。假设其概率为K则（321）由于3=H（H为软材料的硬度），可得：上式即为阿查德的粘着磨损方程式,100,阿查德的

41、粘着磨损方程式表明：,体积磨损量与载荷及滑动距离成正比，与软材料的硬度或强度成反比。式中的K称为粘着磨损系数，主要决定于摩擦条件和摩擦副材料。,阿查德粘着磨损方程式在一定程度上描述了粘着磨损的一般规律，但在推导中作了一些假设，例如假设接触是洁净的半球形的微凸体，粘着结点是直径为2r的圆面积，没有考虑加工硬化、摩擦热等因素，而且磨损量与载荷成正比只适用于有限的载荷范围。伯韦尔（Burwell）和斯特朗（Strans）的研究结果表明：当载荷小于硬度值的13时，K值保持定值，即磨损量与载荷成正比；如果载荷大于硬度值的13时，则K值急剧增大，磨损也加剧，造成大面积的焊合与咬死。,102,关于粘着磨损与

42、材料硬度的关系比较复杂。有人认为只要提高材料硬度就能改善抗粘着磨损性能，实际情况并非如此。采取某些措施降低材料的表面硬度（如渗硫、氧化、二硫化铝及软金属涂层等）或采用某些表面强化技术（如表面淬火、化学热处理、电镀、热喷涂、喷焊、物理及化学气相沉积等）都能有效地提高材料的抗粘着磨损性能。,103,3.5.3 影响粘着磨损的主要因素,一、载荷的影响：许多研究者发现，金属材料摩擦副一般都有一个临界载荷。在临界载荷以下，磨损率很小，属于轻微磨损；大于临界载荷，磨损率急剧升高，产生严重磨损。试验证明，不同金属材料组成的摩擦副其由轻微磨损向严重磨损转化的临界载荷也不同，例如 Q235钢对青铜为170MPa

43、；Q235钢对GCr15钢为 180MPa；Q235钢对铸铁为 467MPa。,104,二、滑动速度的影响,在滑动速度较低时，材料的磨损率随滑动速度增加而降低；超过某一临界速度后，磨损率随滑动速度增加而升高。显然滑动速度的影响与摩擦副表面的温升有关。随着滑动速度不断增加，摩擦界面的温度不断升高。众所周知，在摩擦磨损过程中，金属材料表面及表层将发生一系列的成分、组织结构和性能变化，如加工硬化、产生“白层”组织或二次淬火、形成牢固的氧化膜等都能提高材料的抗粘着磨损性能；反之材料的软化、甚至熔化等都将使磨损率提高。,105,三、摩擦副材料的影响,（1）金属互溶性的影响 相同金属或互溶性大（晶格类型、

44、晶格常数、电于密度及电化学性能等相同或相近）的金属摩擦副，粘着倾向大。（2）金属晶体结构的影响密排六方晶体结构的金属一般比面心立方晶体的金属抗粘着性能好，这是由于面心立方滑移系数大的缘故。,106,（3）金属组织的影响,一般认为：多相组织的金属比单相金属的抗粘着性能好；金属化合物比单相固溶体的抗粘着性能好；金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属摩擦副抗粘着性能好；脆性材料比塑性材料抗粘着性能好，这是由于塑性材料粘着结点的破坏常发生在离表面较深处，磨屑较大，而脆性材料粘着结点的破坏处离表面较浅，主要是剥落，磨屑呈细片状。,107,在工业生产中常采用各种表面技术来提高金属摩擦副的抗粘着性能。,一类是

45、表面强化或硬化处理（如表面淬火、化学热处理、电镀、喷涂及各种涂层等）另一类是表面润滑处理（如渗硫、磷化、表面软金属涂层等）。,wait,108,3.6 疲劳磨损,疲劳磨损的定义为当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层引起裂纹，并逐 步扩展，最后裂纹以上的材料断裂剥落的磨损过程。,109,如滚动轴承、齿轮、车轮。轧辊等，其典型特征为点蚀及剥落，这种形式的磨损也常称为接触疲劳；因为它也是在循环载荷作用下产生的表面失效形式，其过程同样包括裂纹的萌生、扩展及最后断裂，与整体的疲劳断裂有很多相似之处；可以算作材料疲劳断裂的一种特殊形式。,疲劳磨损的最普遍

46、形式出现在呈滚动接触的机器零件表面上,110,疲劳磨损与整体疲劳破坏的区别？,1）裂纹源与裂纹扩展角度的差异整体疲劳的裂纹源都是从表面开始的，而疲劳磨损的裂纹，由于接触应力场分布的特点，除去从表面萌生以外，还可能从亚表面内产生。两者裂纹扩展的途径也有明显的区别。整体疲劳的裂纹一般都是从表面沿与外加应力成45”角的方向扩展，超过两三个晶粒后，即转向与应力垂直的方向。而疲劳磨损的裂纹扩展方向或是平行于表面，或是与表面成一定角度（约为10”300），而且只限于在表层内扩展。,在整体疲劳中，一般都存在明显的疲劳极限，即对某一种材料都有一个应力极限，低于这个极限，疲劳寿命可以认为是无限的。而疲劳磨损则尚

47、未发现这样的疲劳极限。有个经验公式可以表示疲劳失效时间t与最大接触应力之间的数值关系。t=常数m6在点接触或线接触的情况下，由于接触应力可以达到很高的数值，所以接触疲劳寿命要比整体疲劳低得多。,2）从疲劳极限角度的差异,3）在疲劳磨损中，除去循环应力作用以外，材料还经受了复杂的摩擦过程，可以引起表面层一系列的物理化学变化，诸如残余应力、组织结构、缺陷特征、表面温度、塑性变形以及各种机械物理性能变化等。这种情况不但使疲劳磨损比整体疲劳处于更恶劣的工作条件中，而且使疲劳磨损过程变得非常复杂。所以一般认为疲劳磨损主要是个接触应力作用的问题，这只有处在完全弹流润滑状态，即油膜能把两个接触表面完全分开的

48、情况下才是近似正确的。如果处在部分弹流及边界润滑条件下，就不能不考虑由于材料的直接接触所引起的一系列表面现象，及其对疲劳过程的影响。,113,这不但是因为前者本身就是固体力学中的一个较难的领域，而且是由于一系列的因素都会影响根据理想光滑表面接触的假设条件（如材料是均匀的、各向同性的、只发生弹性变形等）计算出来的结果。这些因素包括：材料的不均匀性、材料表面的特征、载荷分布接触的不连续性、油膜建立情况及切向力的大小等等。,4）接触应力的计算比起整体疲劳断裂的应力强度因子的计算要复杂得多，,114,接触疲劳磨损的过程一般分为两个阶段,即在材料表面或表层首先形成疲劳裂纹和随后的裂纹扩展。当摩擦副两个接

49、触体相对滚动或滑动时，在接触区将产生很大的接触应力和塑性变形。由于交变应力长期反复的作用，便在材料表面或表层的薄弱处引发疲劳裂纹并随后裂纹逐步扩展，最后金属以薄片的形式断裂剥落下来成为磨屑。所以塑性变形是疲劳磨损的重要原因。,115,接触疲劳磨损失效的主要形式是点蚀和剥落,点蚀的裂纹一般从材料的表面开始，向内倾斜扩展，然后折向表面，裂纹以上的材料折断脱落下来即产生点蚀。因此点蚀坑的表面形貌常是“扇形”。,116,剥落,剥落的裂纹一般从材料的亚表层开始，沿与表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落坑。,117,3.6.2 疲劳磨损的基本理论,由疲劳裂纹扩展成为点蚀的理论，最早是在1935年由韦（S

50、.Way）提出来的。他认为润滑油由于接触压力而产生的高压油波，快速进入表面裂纹，对裂纹壁产生强大的液体冲击。同时上面的接触面又将裂纹口堵住，使裂纹内的油压进一步增大，于是裂纹便向纵深扩展。,118,韦（SWay）所提出的模型,裂纹与表面之间的小块金属如同悬臂梁一样受到弯曲作用，当其根部强度不足时就会折断，在表面形成小坑，这就是“点蚀”；如图313所示,119,韦的研究得出以下结论：,(a)发生点蚀的必要条件是使用润滑油；(b)如果润滑油的粘度高于某一定值，由于油不容易进入裂纹，将难以产生点蚀；(c)非常光滑的接触表面不易产生点蚀；(d)热处理状态对点蚀有显著影响。关于点蚀疲劳裂纹产生的起始位置