1、第五章磨損規(guī)律 wear characteristics 各種磨損形式有著不同的作用機(jī)理：磨粒磨損(abrasive wear )主要是犁溝和微觀切削作用；粘著磨損(adhesive wear )過程與表面間分子作用力和摩擦熱密切相關(guān)；接觸疲勞磨損(contact fatigue wear )是在循環(huán)應(yīng)力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的結(jié)果；而氧化和腐蝕磨損(oxidation and corrosive wear )則由環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用產(chǎn)生。 實(shí)際的磨損現(xiàn)象通常不是以單一形式出現(xiàn)，而是以一、兩種為主，幾種不同機(jī)理的磨損形式綜合表現(xiàn)的。 隨著工況條件的變化，實(shí)際機(jī)械零件的主要磨損形式也會相應(yīng)改

2、變。圖5.1給出了齒輪失效方式隨著載荷和速度的變化情況。在這一章中，磨損被視作綜合的表面損傷現(xiàn)象，討論磨損變化規(guī)律、影響因素和抗磨措施。第五章磨損規(guī)律wear characteristics 圖5.1齒輪失效方式failure mode of gear第五章磨損規(guī)律wear characteristics 近年來通過對磨損狀態(tài)和磨屑分析以及對磨損過程的深入研究，提出了一些磨損理論，它們是磨損計算的基礎(chǔ)。 磨損計算方法的建立必須考慮磨損現(xiàn)象的特征。而這些特征與通常的強(qiáng)度破壞很不相同。例如摩擦副的實(shí)際接觸點(diǎn)是離散的和變化的，因而摩擦副承載材料的體積很小并在磨損過程中不斷變化。 由此可知：考慮表層材

3、料在磨損過程中的動態(tài)特性和破壞特點(diǎn)，以及材料與周圍介質(zhì)的作用等等，對于建立磨損理論及其計算方法具有十分重要的意義，而這一任務(wù)的復(fù)雜性使得磨損計算至今還不能滿足應(yīng)用的要求。5.1磨損過程曲線5.1.1 磨損過程曲線 圖5.2給出了典型的磨損曲線，它表示磨損量q隨時間t的變化關(guān)系。各種磨損曲線通常由表示三種不同的磨損變化過程中三個階段組成。圖5.2磨損過程曲線5.1.1 磨損過程曲線 組成磨損曲線的三種磨損階段為： i磨合磨損(running-in wear process )階段：磨損率隨時間增加而逐漸降低。它出現(xiàn)在摩擦副開始運(yùn)行時期。 ii穩(wěn)定磨損(steady wear process )階

4、段：摩擦表面經(jīng)磨合以后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，磨損率保持不變。這是摩擦副正常工作時期。 iii劇烈磨損(sharp wear process)階段：磨損率隨時間而迅速增加，使工作條件急劇惡化，而導(dǎo)致零件完全失效。5.1.2 磨合磨損 加工裝配后的摩擦副表面具有微觀和宏觀幾何缺陷，使配合面在開始摩擦?xí)r的實(shí)際接觸峰點(diǎn)壓力很高，因而磨損劇烈。在磨合過程中，通過接觸峰點(diǎn)磨損和塑性變形，使摩擦副接觸表面的形態(tài)逐漸改善，而表面壓力、摩擦系數(shù)和磨損率也隨之降低，從而達(dá)到穩(wěn)定的磨損率進(jìn)入正常磨損階段。按照歐洲經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織（oecd）的工程材料磨損小組的定義，磨合是機(jī)械零件在使用初期，改善其適應(yīng)性、表面形貌和摩擦相

5、容性的過程。可認(rèn)為是形成表面氧化膜等的化學(xué)過程和形變硬化等的冶金過程。5.1.2 磨合磨損1表面形貌與性能的變化 生產(chǎn)實(shí)踐中，主要有四種磨合方式，即干摩擦條件下的磨合、普通潤滑油中的磨合、添有磨料潤滑油中的磨合和電火花磨合。在有潤滑油的磨合磨損中，除粘著磨損和磨粒磨損主要機(jī)理外，同時還存在化學(xué)磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、氣蝕磨損和電化磨損等多種復(fù)雜機(jī)理。在添有磨料潤滑油中的磨合中，采用的磨料有微米固體顆粒和納米固體顆粒，研究人員將微米和納米固體粉末混合在一起作為磨料，取得了較好的磨合效果。電火花磨合是利用放電原理使運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦副達(dá)到磨合的目的。 不同摩擦副結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及不同磨合工況，其磨合磨損機(jī)理

6、的構(gòu)成都不一樣。 1表面形貌與性能的變化 磨合階段的磨損形式主要是粘著磨損和磨粒磨損。特別是在表面粗糙度較高，兩表面硬度相差較大時，表面微凸體的機(jī)械相互作用，硬的微凸體對較軟表面的犁削作用，更是磨合初期的主要磨損形式。隨著磨合磨損過程的進(jìn)行，表面粗糙度將發(fā)生變化，正常的情況是粗糙度下降，磨粒磨損或微凸體機(jī)械作用的磨損逐漸減少，直至進(jìn)入磨損的持續(xù)階段。 通過磨合磨損不僅使摩擦副在幾何上相互貼服，同時還使表面層的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，獲得適應(yīng)工況條件的穩(wěn)定的表面品質(zhì)。 1表面形貌與性能的變化ararar磨合過程中粗糙度ar值的變化 圖5.4表示較硬摩擦副表面磨合前后表面形貌變化。磨合使接觸面積顯著地增

7、加和峰頂半徑增大。 1表面形貌與性能的變化1表面形貌與性能的變化圖5.5是塑性指數(shù)曲線。隨磨合時間的延續(xù)，經(jīng)過磨合磨損表面由塑性接觸過渡到彈塑性接觸，甚至彈性接觸狀態(tài)。 2磨合規(guī)范 采用不同的磨合規(guī)范可以使磨合時間、磨合磨損量以及磨合后的磨損率有很大的不同。實(shí)踐證明：良好的磨合能夠使摩擦副的正常工作壽命提高12倍。 在圖5.6中，若以下標(biāo)0表示的是磨合磨損的物理量；而以下標(biāo)a表示的為穩(wěn)定磨損的物理量。令磨損率為單位時間的磨損量，則有：（5.1） 總磨損量q=q0+qa，而穩(wěn)定磨損量qa=ata。因此，正常磨損壽命為：（5.2） 由此可知：正常磨損壽命ta隨著q0和a的減小而增加。tgdtdqa

8、 )(10qqtaa 2磨合規(guī)范三種磨合規(guī)范的磨合曲線 2磨合規(guī)范，良好的磨合還能夠有效地改善摩擦副其它性能。如圖5.8所示，滑動軸承經(jīng)磨合后可以改善表面形貌，使軸承臨界特性數(shù)降低，更利于建立流體動壓潤滑膜。又如發(fā)動機(jī)的合理磨合提高了缸套活塞環(huán)的表面品質(zhì)，減少擦傷痕跡，提高密合性，可使發(fā)動機(jī)的耗油量較一般情況下降達(dá)50%。3提高磨合性能的措施 良好的磨合性能表現(xiàn)為磨合時間短，磨合磨損量小，以及磨合后的表面耐磨性高。為提高磨合性能一般可采取以下措施： 選用合理的磨合規(guī)范 選擇適當(dāng)?shù)臐櫥秃吞砑觿?采用合適的材料配對 控制制造精度和表面粗糙度5.2 影響磨損因素5.2.1 材料的減摩耐磨機(jī)理 1軟

9、基體中硬相承載機(jī)理 通常認(rèn)為減摩耐磨材料的組織應(yīng)當(dāng)是在軟的塑性基體上分布著許多硬顆粒的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如，錫基巴氏合金的組織是以含銻與錫固溶體為塑性基體，在該軟基體上面分布著許多硬的sn-sb立方晶體和cu-sn針狀晶體。在正常載荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬相直接承受載荷，而軟相起著支持硬相的作用。由于是硬相發(fā)生接觸和相對滑動，所以摩擦系數(shù)和磨損都很小。又由于硬相被支持在軟基體之上，易于變形而不致于擦傷相互摩擦的表面。同時，軟基體還可以使硬相上壓力分布均勻。當(dāng)載荷增加時，承受壓力增大的硬相顆粒陷入軟基體中，將使更多的硬顆粒承載而達(dá)到載荷均勻分布。 5.2.1 材料的減摩耐磨機(jī)理 2軟相承載機(jī)

10、理 有人認(rèn)為材料的減摩耐磨機(jī)理在于軟相承受載荷。在這類材料中，各種組織的熱膨脹系數(shù)不同，軟相的膨脹系數(shù)大于硬相。在摩擦過程中，由于摩擦熱引起的熱膨脹使軟相突起幾個油分子的高度而承受載荷。由于軟相的塑性高，因而減摩性能良好。 3多孔性存油機(jī)理 粉末冶金材料的孔隙約占1035%。將它放在熱油中浸漬數(shù)小時后，孔隙中即充滿潤滑油。當(dāng)摩擦副相對滑動時，摩擦熱使金屬顆粒膨脹，孔隙容積減小。而潤滑油也膨脹，其膨脹系數(shù)比金屬大，因而潤滑油被溢出表面起潤滑作用。5.2.1 材料的減摩耐磨機(jī)理 4塑性涂層機(jī)理 近年來，多層材料日益廣泛地應(yīng)用于軸瓦和其它摩擦副。在硬基體材料表面覆蓋一層或多層軟金屬涂層。常用的涂層材

11、料有鉛、錫、銦和鎘等。由于表面涂層很薄，并具有良好塑性，因而容易磨合和降低摩擦系數(shù)。5.2.2 摩擦副材料性能 根據(jù)使用要求不同，摩擦學(xué)中的材料可分為：摩阻材料和摩擦副材料兩類。摩阻材料用于各種機(jī)器設(shè)備的制動器、離合器和摩擦傳動裝置中。對材料主要要求具有較高和熱穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。而摩擦副材料又分為減摩材料和耐磨材料。一般情況下，材料的減摩性與耐磨性是統(tǒng)一的，即摩擦系數(shù)低的材料通常也具有耐磨損性能。 摩擦副材料的選擇依據(jù)主要是摩擦表面的壓力、滑動速度和工作溫度。通常對于摩擦副材料的主要技術(shù)要求有： 1機(jī)械性能機(jī)械性能:由于摩擦表面的載荷作用和運(yùn)動中的沖擊，材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，特別是抗壓能力

12、。此外，疲勞強(qiáng)度也很重要，例如滑動軸承的軸瓦約有60%是由于表面疲勞剝落而失效。金屬材料硬度越高，其耐磨性越好。而良好的塑性使摩擦表面能迅速地磨合，塑性低的耐磨材料在受到?jīng)_擊載荷時容易脆裂。5.2.2 摩擦副材料性能 2減摩耐磨性能:良好的耐磨材料應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)，它不但本身耐磨，同時也不應(yīng)使配對表面的磨損過大。所以減摩耐磨性能實(shí)質(zhì)上是相互配對材料的組合性能。良好的磨合性能表現(xiàn)為：在較短的時間內(nèi)以較小的磨損量獲得品質(zhì)優(yōu)良的磨合表面。 3熱學(xué)性能:為了保持穩(wěn)定的潤滑條件，特別是在邊界潤滑狀態(tài)下摩擦副材料應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性能，以降低摩擦表面的工作溫度。同時，材料的熱膨脹系數(shù)不宜過大，否則會使

13、間隙變化而導(dǎo)致潤滑性能改變。 4潤滑性能:摩擦副材料與所使用的潤滑油應(yīng)具有良好的油性，即能夠形成連接牢固的吸附膜。此外，摩擦副材料與潤滑油的潤濕性能要好，從而潤滑油容易覆蓋摩擦表面。5.2.3 表面品質(zhì)與磨損 摩擦表面經(jīng)過加工成形工藝以后具有不同的幾何品質(zhì)即表面形貌，如粗糙度、波紋度、宏觀幾何偏差和加工痕跡方向等，以及不同的物理品質(zhì)，如冷作硬化、微硬度和殘余應(yīng)力等。這些都對磨損有重要的影響。 1幾何品質(zhì)的影響 加工表面的特征是外形輪廓的起伏變化，表面幾何品質(zhì)可以用表面形貌參數(shù)來描述。設(shè)峰高為h，兩峰之間距離為l，根據(jù)l/h的大小可分為粗糙度、波紋度和宏觀偏差，如圖5.9所示。5.2.3 表面品

14、質(zhì)與磨損圖5.9加工表面外形輪廓5.2.3 表面品質(zhì)與磨損 原蘇聯(lián)科學(xué)院機(jī)械研究所的學(xué)者對表面品質(zhì)對磨損的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，下面介紹他們得出并得到普遍認(rèn)可的主要結(jié)論。實(shí)驗(yàn)研究得出：對于不同的磨損工況條件，表面粗糙度都具有一個最優(yōu)值hr0，此時磨損量最小，如圖5.10所示。這一結(jié)論已為許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。圖5.10 粗糙度與磨損量最優(yōu)粗糙度的存在表明：磨損過程是摩擦副表面之間機(jī)械的和分子的聯(lián)合作用。當(dāng)表面粗糙度小于最優(yōu)粗糙度時，磨損加劇是由表面分子作用造成的。而當(dāng)表面粗糙度大于最優(yōu)值時，磨損主要是由表面機(jī)械作用產(chǎn)生的。5.2.3 表面品質(zhì)與磨損 摩擦副所處的工況條件不同，最優(yōu)粗糙度也不同。在繁重

15、工況條件下，由于摩擦副的磨損嚴(yán)重，因而最優(yōu)粗糙度也相應(yīng)增大。如圖5.11所示，工況條件包含摩擦副的載荷、滑動速度的大小、環(huán)境溫度和潤滑狀況等。 圖5.11 不同工況 的值0hr0hr5.2.3 表面品質(zhì)與磨損 圖5.12說明：不同粗糙度的表面在磨合過程中粗糙度的變化。在一定的工況條件下，不論原有的粗糙度如何，經(jīng)磨合后都會達(dá)到與工況相適應(yīng)的最優(yōu)粗糙度。此后，表面粗糙度穩(wěn)定在最優(yōu)粗糙度下持續(xù)工作。圖5.12磨合中的hr變化與最優(yōu)粗糙度5.2.3 表面品質(zhì)與磨損 表面波紋度對于磨損的影響與粗糙度相類似。此外，波紋度大的表面將使相配合表面的磨合磨損量增加，而磨合后的穩(wěn)定磨損率卻趨于一致。圖5.13為巴

16、氏合金試件與不同波紋度鋼表面磨合時的磨損曲線。1：hw=15m，l=3mm；2：hw=10m，l=3mm；3：hw=8.5m，l=2.5mm圖5.13巴氏合金與鋼對磨損的磨合曲線5.2.3 表面品質(zhì)與磨損 摩擦表面的加工痕跡方向影響磨合時間和磨合磨損量，而磨合以后的痕跡方向總是順著摩擦方向，此后的磨損率與原來的痕跡方向無關(guān)。圖5.14和圖5.15是表面加工痕跡方向?qū)δp的影響。圖中輕微工況是指摩擦表面壓力p=14.2mpa和潤滑良好的工作狀況；繁重工況為p=66mpa和潤滑不良的工作狀況。5.2.3 表面品質(zhì)與磨損圖5.14輕微載工況下的磨損圖5.15繁重載工況下的磨損5.2.3 表面品質(zhì)與磨

17、損 由圖可知：在同樣的工作時間內(nèi)，輕微工況條件下，痕跡方向相互平行并與摩擦方向一致的摩擦副表面磨合磨損量最小。這是因?yàn)檩p微工況下表面壓力不高而潤滑充足，潤滑膜易于形成，磨損主要由于粗糙峰的機(jī)械作用引起。但是，對于繁重的工作條件，粘著磨損出現(xiàn)的可能性增加，相互交叉的痕跡方向?qū)⒈苊獯竺娣e的接觸點(diǎn)，從而提高抗磨損性能。通常，機(jī)床導(dǎo)軌屬于繁重磨損工況，宜采用交叉的痕跡方向。2物理品質(zhì)的影響 加工的表面由于切削過程中變形和熱的急劇變化而形成表面層特定的物理品質(zhì)，包含冷作硬化、微硬度和殘余應(yīng)力的分布。表面層物理品質(zhì)的不同，其磨損性能將有顯著的變化。然而，物理品質(zhì)對磨損的影響往往被人們所忽視，因此研究得還很

18、不充分。在加工冷作硬化過程中，表面的塑性變形促進(jìn)氧在金屬中擴(kuò)散，形成連接牢固的氧化膜，因而使抗氧化磨損性能提高。表面經(jīng)冷作硬化后塑性降低，硬度提高，從而減少了粘著磨損，并提高了抗膠合能力。接觸疲勞裂紋在表面硬化層中的萌生和擴(kuò)展必須在較高的應(yīng)力和更多次應(yīng)力循環(huán)下才能發(fā)生，因而冷作硬化可以提高表面疲勞磨損壽命。總的說來，經(jīng)過冷作硬化的表面對于各類磨損的耐磨性都有一定程度的提高。一般粗加工表面硬化層深度為0.31mm；精車、精銑的硬化層為0.10.2mm；而磨削加工的硬化層只有0.050.1mm。2物理品質(zhì)的影響 表面層的應(yīng)力狀態(tài)對磨損性能有很大的影響。在切削過程中，由于切削變形，刀具與表面的摩擦，

19、切削熱引起的相變和體積變化等原因形成表面殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對于磨損的影響有著不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：表面壓縮殘余應(yīng)力能提高材料的抗接觸疲勞磨損能力，相反地拉伸殘余應(yīng)力將降低疲勞磨損壽命。這一結(jié)論可以由接觸應(yīng)力分析中得到解釋，即壓縮殘余應(yīng)力可以降低表面最大剪應(yīng)力和等效應(yīng)力，有時也能降低表層內(nèi)的最大剪應(yīng)力。5.3 磨損的轉(zhuǎn)化5.3.1 磨損的形式圖5.16磨損分類圖（1962年）提出了較全面的磨損分類方法。他將磨損劃分為三個過程：表面相互作用、表面層狀態(tài)變化和破壞階段。根據(jù)每一階段分類來說明其相互關(guān)系，如圖5.16所示。5.3.1 磨損的形式 1表面的相互作用 兩個摩擦表面的相互作用可以

20、是機(jī)械的或分子的兩類。機(jī)械作用包括彈性變形、塑性變形和犁溝效應(yīng)。它可以由兩個接觸表面的粗糙峰而引起，也可以由于兩表面間的外界磨粒造成三體磨損而引起。表面分子作用包括相互吸引和粘著效應(yīng)兩種，前者作用力小而后者的作用力較大。5.3.1 磨損的形式 2表面層的變化 圖5.17說明在摩擦磨損過程中各種因素的相互關(guān)系。在摩擦表面的相互作用下，表面層將發(fā)生機(jī)械性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)變化，這是由于表面變形、摩擦溫度和環(huán)境介質(zhì)等因素的影響而造成的。圖5.17 摩擦磨損過程圖5.3.1 磨損的形式 3表面層的破壞形式（l）擦傷：表面不平的接觸面相對運(yùn)動時由于粗糙峰的犁溝作用，在摩擦表面產(chǎn)生沿摩擦方向的溝痕和

21、磨粒。（2）點(diǎn)蝕：表層或次表層在接觸壓應(yīng)力的反復(fù)作用下，由于疲勞而形成的表面凹坑。（3）剝落：金屬表面由于變形強(qiáng)化而變脆，在載荷作用下產(chǎn)生微裂紋隨后剝落。（4）膠合：表面不平的接觸面在相對滑動和載荷的作用下，在接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形或剪切，摩擦表面溫度升高，嚴(yán)重時表層金屬會軟化或熔化，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生粘著。然后出現(xiàn)粘著-剪斷-再粘著-再剪斷的循環(huán)過程。因而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。（5）微觀磨損：以上各種表面層破壞的微觀形式。微觀磨損也可以是微動磨損，微動磨損是一種典型的復(fù)合式磨損。5.3.2 粘著與氧化磨損的轉(zhuǎn)化磨損形式還隨工況條件的變化而轉(zhuǎn)化。圖a是在載荷一定時改變滑動速度得到的鋼對鋼磨損量的變化和磨損形式的

22、轉(zhuǎn)化。 5.3.2 粘著與氧化磨損的轉(zhuǎn)化圖b是滑動速度不變而載荷改變時，鋼對鋼磨損的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)載荷較小時磨損形式為氧化磨損，磨屑主要是fe2o3。當(dāng)載荷達(dá)到w0后，磨屑為feo、fe2o3和fe3o4的混合物。載荷超過wc以后，便出現(xiàn)危害性的粘著磨損。5.3.2 粘著與氧化磨損的轉(zhuǎn)化 在多數(shù)情況下，腐蝕性磨損首先產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，然后由于摩擦中的機(jī)械作用使化學(xué)生成物從表面脫落。表面化學(xué)生成物的形成速度與被磨掉速度之間存在相對平衡關(guān)系，兩者相對大小不同產(chǎn)生不同的效果。這里以防止膠合磨損的極壓添加劑為例來說明它的不同效果。通常化學(xué)反應(yīng)膜的生成速度遵循arrhenius定律，即rtekcev/式中，v

23、為化學(xué)反應(yīng)速度即膜的生成速度；c為潤滑油中極壓添加劑的濃度；e為表征極壓添加劑活性的常數(shù)；t為絕對溫度k；r為氣體常數(shù)；k為比例常數(shù)。顯然，在穩(wěn)定工況條件下，腐蝕性磨損的磨損率取決于表面化學(xué)生成物的生成速度。由式5.3可知：磨損率與腐蝕介質(zhì)的濃度成正比，而與溫度按指數(shù)關(guān)系變化。在前面曾經(jīng)指出：采用極壓添加劑降低粘著磨損時，應(yīng)選擇合適的化學(xué)活性，即添加劑成分和濃度。 5.3.2 粘著與氧化磨損的轉(zhuǎn)化圖5.19最佳活性位置圖5.19給出了粘著磨損和由極壓添加劑引起的腐蝕磨損與添加劑化學(xué)活性的關(guān)系。粘著磨損的磨損率隨化學(xué)活性的增加而降低。而腐蝕磨損的磨損率隨化學(xué)活性按線性增加。因而圖中a點(diǎn)是最佳活性

24、，此處磨損率最低。5.3.2 粘著與氧化磨損的轉(zhuǎn)化圖5.20最佳活性選擇如圖5.20，當(dāng)摩擦副的載荷較大或者油膜厚度較薄時，粘著磨損曲線的位置改變。此時應(yīng)選擇較高的化學(xué)活性，最佳活性為b點(diǎn)。增加添加劑的化學(xué)活性可以采用提高潤滑油中添加劑的濃度，或者選用活性更強(qiáng)的添加劑組成。 5.3.2 粘著與氧化磨損的轉(zhuǎn)化圖5.21極壓添加劑濃度的影響圖5.21中兩種磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對極壓添加劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極壓添加劑的抗膠合能力隨其濃度而增加，同時添加劑引起的腐蝕磨損也相應(yīng)增加。5.3.3 微磨粒磨損中的二體和三體磨粒磨損的轉(zhuǎn)化 如前所述，在磨粒磨損中以二體和多體磨損為主要形式，在實(shí)際磨損過程它們可能同時存在并

25、在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化。下面是利用軟鐵和聚丙烯球，實(shí)驗(yàn)條件如表5.1，在無漿料和帶有漿料液體中，施加不同的載荷和電流強(qiáng)度，模擬人工關(guān)節(jié)微磨粒磨損過程，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討磨粒磨損轉(zhuǎn)化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果的sem照片如圖5.22。樣品材料軟鋼球材料聚丙烯球直徑25 mm速度100 rpm載荷1-5n漿料碳化硅 (顆粒尺寸4 m)溶液碳酸鹽溶液 (ph 9.8)表5.1 實(shí)驗(yàn)條件5.3.3 微磨粒磨損中的二體和三體磨粒磨損的轉(zhuǎn)化 (a) 1n and 0.2 v (b) 4n and 0.2 v (c) 5n and 0.2 v 圖5.22軟鐵微磨損斑點(diǎn)的sem照片5.3.3 微磨粒磨損中的二體和三體磨粒

26、磨損的轉(zhuǎn)化圖5.23微磨粒磨損機(jī)理圖5.3.3 微磨粒磨損中的二體和三體磨粒磨損的轉(zhuǎn)化圖5.24微磨粒磨損過程轉(zhuǎn)化圖5.3.3 微磨粒磨損中的二體和三體磨粒磨損的轉(zhuǎn)化當(dāng)相對硬度越小，表面越容易出現(xiàn)三體磨損，反之則主要是二體磨損 。圖5.25 磨損轉(zhuǎn)化與相對硬度的關(guān)系5.4 非金屬摩擦材料5.4.1 金屬基復(fù)合材料磨損的轉(zhuǎn)化 金屬基復(fù)合材料的磨損主要是以腐蝕磨損的形式表現(xiàn)的。 圖5.26 金屬基復(fù)合材料的磨損結(jié)合料為金屬基體，上面附有陶瓷材料wc涂層。在兩者的結(jié)合部形成的邊界是薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)界面產(chǎn)生腐蝕后，附上的材料將被移去，產(chǎn)生磨損。5.4.1 金屬基復(fù)合材料磨損的轉(zhuǎn)化 碳酸鹽溶解的漿料沖擊磨損

27、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在給定的沖擊速度下，不同的電壓會導(dǎo)致不同的磨損形式。如圖5.27a所示，沖擊速度為2m/s時，在負(fù)壓條件下，由于保護(hù)效果，無論漿料里的顆粒多少，材料的磨損以腐蝕磨損為主。隨著電壓增加，腐蝕量增加，在低漿料顆粒的沖蝕下以腐蝕為主，磨損為輔，當(dāng)顆粒量增加后，磨損的形式轉(zhuǎn)化為磨損為主腐蝕為輔。當(dāng)沖擊速度增加大到4m/s時（圖5.27a），腐蝕區(qū)域增加，其他區(qū)域減少。 5.4.1 金屬基復(fù)合材料磨損的轉(zhuǎn)化(a) 沖擊速度2 m/s (b) 沖擊速度4 m/s圖5.27 wc/co-cr涂層腐蝕磨損腐蝕轉(zhuǎn)化5.4.1 金屬基復(fù)合材料磨損的轉(zhuǎn)化當(dāng)在溶液中加入添加劑和增效劑后，磨損區(qū)域出現(xiàn)很大

28、改變，如圖5.28所示。 (a) 沖擊速度2 m/s (b) 沖擊速度4 m/s圖5.28 wc/co-cr涂層腐蝕磨損腐蝕轉(zhuǎn)化圖（添加劑與增效劑作用）5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損 潤滑條件下的磨損實(shí)際上是在潤滑劑存在時，表面產(chǎn)生的磨粒磨損問題。由于潤滑劑的存在，可以大大減少磨損量，但是由于未達(dá)到形成全流體潤滑膜的條件，且表面粗糙度的存在，因此并不能完全避免磨損。 1表面構(gòu)形分析 常規(guī)的微彈流數(shù)值解表明，無論是在滑動或是滾動情況下，即使表面很粗糙，彈流潤滑膜仍可以阻止固體表面相互接觸。這是因?yàn)榱黧w粘度和材料彈性變形隨潤滑膜壓力增大而顯著增加，使得在粗糙峰處的壓力迫使材料產(chǎn)生足以避免粗糙峰相

29、互接觸和碰撞的變形量，因此，不可能產(chǎn)生材料磨損。然而，常規(guī)的彈流潤滑理論中采用了下面兩個造成求解誤差的假設(shè)： (1)將一般的潤滑問題看成一個運(yùn)動剛性平面和一個不動的彈性曲面的等效問題。 (2)固體材料被看成是完全彈性體。5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損 如果修正前一個假設(shè)，彈性變形應(yīng)當(dāng)分別加在兩個摩擦副表面上。這一構(gòu)形將與原來的解有顯著差異。 對后一假設(shè)加以修正就應(yīng)當(dāng)考慮固體材料的粘性。粘性的引入使材料不能象常規(guī)彈流潤滑理論中認(rèn)為的完全變形，從而將可能導(dǎo)致潤滑磨損的發(fā)生。5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損 下面以一個運(yùn)動的光滑表面和一個具有正弦粗糙的靜止表面的純滑動微彈流潤滑問題為例，討論常規(guī)的

30、等效解與修正前一個假設(shè)的實(shí)際解中表面構(gòu)形上的差異。 假定兩摩擦表面材料相同，即e1=e2和1=2。等效解的膜厚形狀如圖5.29a所示。雖然粗糙峰幅值明顯高于計算得到的hertz區(qū)平均膜厚（其中0.562m和h0.119m），但從等效解表明仍有足夠厚的潤滑膜將兩表面分開。特別需要指出的是：從圖5.29a中可以看到等效解中，速度平行于表面。這意味著摩擦副間的相對運(yùn)動不會引起材料間的磨損。圖中，b為hertz接觸半徑；h為無量綱膜厚，h=h/hh，這里hhb2/r。5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損（a） 等效彈流潤滑變形 （b） 實(shí)際彈流潤滑變形圖5.29 等效解與實(shí)際解的彈流接觸變形的差異如果將彈

31、性變形相應(yīng)分配到兩個摩擦副表面，上述情況將發(fā)生變化。這時動、靜表面的構(gòu)形按下式計算1201)(2vxhxhz22vz靜上面 動表面 雖然膜厚的表達(dá)式仍為h=z1z2，但是潤滑區(qū)內(nèi)間隙形狀出現(xiàn)了波動，如圖5.29b。此時，運(yùn)動速度不再與任何表面平行，即使表面間存在一層較厚的潤滑膜，但是由于變形后的兩表面相互嵌入，潤滑磨損將可能發(fā)生。 5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損 2表面材料粘彈性模型及其變形 實(shí)際上任何材料變形都需要一定的時間，這就是說材料具有粘性。當(dāng)變形時間遠(yuǎn)小于加載時間時，材料的粘性可以忽略不計。但是當(dāng)加載時間與變形時間相當(dāng)或很短時，不考慮材料的粘性將可能引起較大偏差。點(diǎn)線接觸摩擦副的加

32、載時間通常都很短。圖5.30kelvin-voigt粘彈性模型kelvinvoigt模型的變形由彈性項和粘性項共同控制。在變形初期，由于速度較大粘性項起主要作用。在變形后期，彈性項成為主要因素。總變形被限制在經(jīng)典彈性模型的數(shù)值內(nèi)，即極限值為彈性模型中的總變形 5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損 kelvinvoigt模型的應(yīng)變與時間的關(guān)系式如下/01te(5.6) 式中：0為彈性模型中的總應(yīng)變，t為時間；為遲滯時間，g，其中為表面材料的粘度，g為剪切彈性模量。式5.6給出了應(yīng)變與時間的關(guān)系。由于變形是應(yīng)變的積分，因此為方便起見而又不會帶來實(shí)質(zhì)的偏差原則下，通常用了類似的公式來描述變形與時間的關(guān)系

33、。如果彈性模型中的總變形為0，則變形隨時間的變化公式為/01te(5.7) 5.4.2 潤滑條件下的磨粒磨損 如果粗糙度的波長為，兩摩擦表面的相對滑動速度為u，則一個運(yùn)動的粗糙峰需要經(jīng)過的時間滑過一個靜止的粗糙峰，如圖5.29b。當(dāng)時，則粗糙峰在1時間內(nèi)的變形將不完全。如圖 5.29b所示的算例中，如果摩擦副的材料是鋼，則在加載時間內(nèi)變形無法實(shí)現(xiàn)。所以運(yùn)動粗糙峰有可能與靜止粗糙峰碰撞，這時在潤滑條件下的磨損就會發(fā)生。3潤滑磨損模型 如果實(shí)際解的粗糙峰的高度超過潤滑膜厚度，由于兩摩擦表面是相互嵌入和材料的不完全變形，則潤滑磨損將可能發(fā)生。基于上述論點(diǎn)，設(shè)一個粗糙峰以速度u滑過靜止表面，并假設(shè)：

34、(1)粗糙峰運(yùn)動引起的磨損只發(fā)生在靜止表面上； (2)粗糙峰和靜止表面均為粘彈性體； (3)按式(5.4)計算表面彈性變形。 下面將先給出磨損發(fā)生的條件，再建立相應(yīng)的磨損模型3潤滑磨損模型 (1) 潤滑磨損準(zhǔn)則 如果是粗糙度的波長、0是粗糙峰總變形高度，則運(yùn)動的粗糙蜂從靜止粗糙峰邊緣到其中心所需時間為：。在此期間材料的變形可按下式計算 （5.8） 當(dāng)變形后的粗糙峰高度仍然高于潤滑膜厚度即，則潤滑磨損將會發(fā)生。將式5.8代入這一不等式，可以得到潤滑磨損發(fā)生時膜厚、粗糙峰高度、粗糙度波長、相對滑動速度和遲滯時間等五個參數(shù)的關(guān)系 )1 (/01te)/ln(200hu(5.9) 3潤滑磨損模型 (2

35、) 潤滑磨損模型 在干摩擦條件下，錐形粗糙峰對平面的磨損公式可表達(dá)為 式中：h為粗糙峰高度；為圓錐角；w為載荷；h為材料硬度；k為磨損系數(shù)。 如果用udt代替位移增量ds，潤滑磨損公式可類似地寫成(5.10) 式5.10應(yīng)用的條件是潤滑磨損發(fā)生的式5.9必須首先滿足。式5.10表明，磨損量不再與載荷、材料硬度相關(guān)，而潤滑膜厚度h0、粗糙度波長、相對滑動速度u以及材料粘度即遲滯時間等影響潤滑磨損。hwktghdsdv20202/0/heudtdvu(3) 潤滑磨損的計算與實(shí)驗(yàn) 這里給出利用式5.10計算的潤滑磨損算例8，即靜止光滑平面和轉(zhuǎn)動的粗糙圓環(huán)線接觸摩擦副的潤滑磨損問題。雖然磨損是一個非穩(wěn)

36、態(tài)過程，但為了方便起見這里采用了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)求解整個磨損過程，即在每一步磨損后求解彈流潤滑膜壓力及膜厚按穩(wěn)態(tài)解出，再利用它們計算下一步的磨損量。此外還假設(shè)：當(dāng)粗糙峰滑過接觸區(qū)時，材料的磨損僅發(fā)生在光滑平面上，粗糙表面不發(fā)生磨損。計算工況如下：e221mpa r=0.02 m u1 m/s 0=0.05 pas 計算表明變形后的粗糙峰高度為初始中心膜厚的1.1倍，因此大于膜厚的粗糙峰部分在滑動過程中都將被磨損掉。這里的磨損量是在考慮了彈性變形之后得到的。下一步的彈流潤滑求解是在前一步磨損后的構(gòu)形下得到的。(3) 潤滑磨損的計算與實(shí)驗(yàn)（a） 計算磨損表面（b） 實(shí)驗(yàn)?zāi)p表面圖5.31磨損形狀的對比圖5.

37、31a給出了第10和25次滑動后彈流解膜厚曲線。從圖中可以看出：隨磨損過程的發(fā)展，潤滑區(qū)不斷增大。初期的磨損形狀如同彈流潤滑解中的膜厚形狀，其頸縮現(xiàn)象明顯可見。但隨著磨損量的增加，磨損區(qū)成了拋物線狀。這實(shí)際就是圓環(huán)在接觸區(qū)的附近未發(fā)生變形時的形狀。(3) 潤滑磨損的計算與實(shí)驗(yàn) 圖5.31b是采用環(huán)塊磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對計算的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。可以看出，磨損表面形狀與計算結(jié)果相似，表明了上述分析是合理的。 為了進(jìn)一步揭示潤滑磨損特性，對于潤滑磨損與工況條件的相關(guān)性進(jìn)行了計算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)材料粘彈性模型分析潤滑磨損是可行的。圖5.32是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5.32潤滑磨損與滑動速度的關(guān)系5.5磨損計算

38、5.5.1 ibm磨損計算方法 首先將磨損劃分為零磨損和可測磨損兩類。零磨損的厚度不超過表面原始粗糙度高度，而可測磨損是指厚度超過表面粗糙度的磨損。通過大量的實(shí)驗(yàn)表明：為了保證摩擦副在一定的時間內(nèi)處于零磨損狀態(tài)，必須滿足以下條件(5.11) 這里，max為機(jī)械零件所受的最大剪應(yīng)力；s為剪切屈服極限；為系數(shù)，它與材料、潤滑狀態(tài)和工作期限等有關(guān)。 在ibm計算方法中以行程次數(shù)表示磨損壽命。一個行程表示的滑動距離等于沿滑動方向摩擦副相接觸的長度。通常選定行程次數(shù)n=2000來確定零磨損系數(shù)。此時，系數(shù)以0表示，因?yàn)樵谶@段時間以內(nèi)將能較穩(wěn)定地顯示出磨損的特性。 實(shí)驗(yàn)得出：當(dāng)行程次數(shù)n=2000時，對于

39、流體潤滑狀態(tài)0= l；干摩擦狀態(tài)0= 0.2；邊界潤滑時，0= 0.2或0.54；潤滑油中含有活性添加劑時，可采用0=0.54。smax5.5.1 ibm磨損計算方法 參照金屬材料疲勞曲線的關(guān)系，可以建立保證零磨損條件下行程次數(shù)與最大剪應(yīng)力之間的關(guān)系式(5.12) 采用式（5.12）預(yù)測摩擦副保證零磨損的壽命時，需將工作時間折算成行程次數(shù)。式中剪切屈服極限s可以由圖5.33的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線來確定。ssnn091max909max20002000)(圖5.33 剪切屈服極限5.5.1 ibm磨損計算方法 對于可測磨損， ibm的科技人員提出的計算模型是：磨損量是每次行程內(nèi)磨損所消耗的能量和行程次數(shù)

40、這兩個變量的函數(shù)。這種磨損中變量之間的關(guān)系可用下列微分方程式表示：(5.13) 式中，q為可測磨損量；e為每次行程中磨損所消耗的能量；n為行程次數(shù)。dnnqdeeqdqen5.5.1 ibm磨損計算方法 可測磨損可以按照兩種類型來進(jìn)行計算： 1a型磨損 這種磨損的能量消耗量在磨損過程中維持不變。它主要出現(xiàn)在干摩擦和重載荷條件下的磨損，或者存在嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移和擦傷磨損。 對于a型磨損，可以將式（5.13）簡化為 (5.14) 這里，c為該磨損系統(tǒng)的常數(shù)，其數(shù)值通過實(shí)驗(yàn)測定。cdndq 2b型磨損 此種磨損每改變一次行程消耗于磨損的能量也隨之改變，它出現(xiàn)在有潤滑或者輕載荷條件下的磨損，通常屬于疲勞

41、型的磨損。 對于這種磨損，式（5.14）可寫為 (5.15) 這里，s為每一行程中的滑動距離。 將式5.14或式5.15積分后即可求得磨損量與行程次數(shù)的關(guān)系。cdnsqd29max)(5.5.2 組合磨損計算方法 提出了相互滑動摩擦副的磨損計算。他把磨損分為表面磨損和組合磨損。表面磨損是摩擦表面在垂直表面方向的尺寸變化，在通常情況下表面磨損厚度分布不均勻。組合磨損是由于互相配合表面在摩擦過程中的磨損所造成兩個表面相互位置的變化。 組合磨損計算的基本原則就是根據(jù)機(jī)械零件工作性能確定相配合表面所允許的位置變化量，即組合磨損量，然后由組合磨損量計算機(jī)械零件的磨損壽命。5.5.2 組合磨損計算方法下面

42、扼要地介紹組合磨損計算的要點(diǎn)： 1首先按照實(shí)際工況條件確定摩擦副的磨損曲線和相應(yīng)的磨損率，如圖5.2所示。通常的磨損計算只考慮圖5.2中a和b兩種情況。對于正常工作的機(jī)械零件而言，穩(wěn)定磨損所占的時間最長，因此以穩(wěn)定磨損的時間作為零件的實(shí)際磨損壽命。 如前所述，穩(wěn)定磨損中的磨損率保持不變。若以磨損厚度h表示磨損量，t表示時間，則線磨損率定義為(5.16) 實(shí)驗(yàn)表明：式5.16對以磨粒磨損為主的摩擦副是適用的，對于除接觸疲勞磨損之外的其它磨損形式也可以近似地采用。tandhdt常數(shù)5.5.2 組合磨損計算方法 2根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法確定線磨損率與工況參數(shù)之間的關(guān)系。通常認(rèn)為磨損率主要取決于表面壓力p和滑動

43、速度v，即(5.17) 其中，k為工況條件系數(shù)，與材料、表面品質(zhì)和潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。例如在一般潤滑條件下青銅與鋼摩擦?xí)r，選取青銅k=3.35、鋼k=0.92；m和n分別為表面壓力和滑動速度對磨損率的影響指數(shù)，它們的數(shù)值根據(jù)工況條件不同將在0.61.2間變化。 實(shí)驗(yàn)證明磨粒磨損的線磨損度與表面壓力成正比，而與滑動速度無關(guān)，即(5.18) 于是(5.19) 所以磨粒磨損的指數(shù)m=n=1，線磨損率可簡化寫成 nmvkpkpdsdhkpvdtdsdsdhdtdhkpv5.5.2 組合磨損計算方法 3確定組合磨損與兩個配合表面磨損量之間的關(guān)系。 由于摩擦表面的磨損通常以垂直表面的磨損厚度表示，而組合磨

44、損則以兩個配合表面因磨損后的位置變化來度量，因此必須根據(jù)機(jī)械零件的幾何結(jié)構(gòu)來確定兩種磨損之間的關(guān)系。 如圖5.34所示圓錐推力軸承。軸頸1和軸承2表面的磨損厚度分別為h1和h2，而磨損以后引起的相對位置變化是軸向位移，該軸向位移量即是組合磨損量h。5.5.2 組合磨損計算方法圖5.34 圓錐止推軸承磨損根據(jù)幾何形狀可以推出表面磨損與組合磨損之間的關(guān)系式cos21hhh 5.5.2 組合磨損計算方法 圖5.35是塊式制動器的磨損情況。兩個配合表面磨損以后也產(chǎn)生軸向位移，造成瓦塊與圓盤之間的松動，從而影響制動力矩。此時的組合磨損量h與表面磨損量h1和h2的關(guān)系式與式（5.21）相同，不過的數(shù)值隨各點(diǎn)位置而變化。圖5.35 塊式制動器磨損5.5.2 組合磨損計算方法圖5.36 平面止推軸承磨損4根據(jù)機(jī)械零件的工作性能和使用要求，選定組合磨損的極限數(shù)值。 5磨損壽命計算。這里以圖5.36所示的平面推力軸承為例說明磨損壽命的計算方法。 在軸向載荷w作用下，軸頸以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動。若以磨粒磨損為主要磨損形式，由式（5.20） 半徑為的任意點(diǎn)處的線磨損率為npknpk2222111(5.22) 5.5.2 組合磨損計算方法 由于組合磨損量h=hl+h2，因而組合磨損率為(5.23) 即 (5.24) 上式說明：當(dāng)軸頸旋轉(zhuǎn)時，平面推力軸承的表