關于磨損及磨損理論第1頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三一、概述1、磨損定義：相互接觸的物體在相對運動中，表層材料不斷損失、轉移或產生殘余變形的現象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產生的必然結果。有些磨損是有益的，如“研磨”，可使零件表面粗糙度減小，使刀刃變得鋒利。但是，據統計，約有80%左右的機械零件是由于磨損而報廢或失效。磨損不僅消耗材料，浪費能源，并直接影響到機器的壽命和可靠性。固此，對磨損的研究引起了人們的極大關注。第2頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2、磨損研究的主要內容：(1)主要磨損類型的發生條件、特征和變化規律;(2)磨損的影響因素,包括摩擦副材料、表面形態、潤滑狀況、環境條件,以及滑動速度、載荷、工作溫度等工況參數;(3)磨損的模型與磨損計算;(4)提高材料耐磨性的措施;(5)磨損研究的測試技術與實驗分析方法。第3頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3、磨損過程零件的正常磨損過程大致可分為三個階段：Ⅰ：跑合階段；Ⅱ：穩定磨損階段；Ⅲ：劇烈磨損階段第4頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三Ⅰ：跑合階段出現在摩擦副的初始運動階段，由于表面存在粗糙度，微凸體接觸面積小，接觸應力大，磨損速度快。在一定載荷作用下，摩擦表面逐漸磨平，實際接觸面積逐漸增大，磨損速度逐漸減慢，如圖所示。第5頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三Ⅱ穩定磨損階段：出現在摩擦副的正常運行階段。經過跑合，摩擦表面加工硬化，微觀幾何形狀改變，實際接觸面積增大，壓強降低，從而建立了彈性接觸的條件，這時磨損已經穩定下來，如圖所示，磨損量隨時間增大緩慢增大。第6頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三Ⅲ劇烈磨損階段：由于摩擦條件發生較大的變化(如溫度的急劇增高，金屬組織的變化等)，磨損速度急劇增加。這時機械效率下降，精度降低，出現異常的噪音及振動，最后導致零件完全失效。**從磨損過程的變化來看，為了提高機器零件的使用壽命，應盡量延長“穩定磨損階段”。第7頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三二、磨損的分類第8頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

1、粘著磨損

(1)定義當摩擦副相對滑動時,由于粘著效應所形成的結點發生剪切斷裂，接觸表面的材料從一個表面轉移到另一個表面的現象稱為粘著磨損。第9頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(2)粘著磨損機理當摩擦副接觸時，接觸首先發生在少數幾個獨立的微凸體上。因此，在一定的法向載荷作用下，微凸體的局部壓力就可能超過材料的屈服壓力而發生塑性變形，繼而使兩摩擦表面產生粘著；此后，在相對滑動過程中，如果粘著點的剪切發生在界面，則磨損輕微；如果剪切發生在界面以下，則材料就會從一個表面轉移到另外一表面，繼續滑動，一部分轉移的材料分離，從而形成游離磨粒。**接觸-塑性變形-粘著-剪斷粘著點-材料轉移-再粘著，循環不斷進行，構成粘著磨損過程。第10頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

(3)四種典型的粘著磨損

根據粘著點的強度和破壞位置不同，粘著磨損有幾種不同的形式，從輕微磨損到破壞性嚴重的膠合磨損。它們的磨損形式、摩擦系數和磨損度雖然不同，但共同的特征是:出現材料遷移，以及沿滑動方向形成程度不同的劃痕。a.輕微磨損

粘著強度比摩擦副的兩金屬基體強度低時，剪切發生在粘著結合面上，表面轉移的材料較輕微。此時雖然摩擦系數增大，但是磨損卻很小，材料遷移也不顯著。通常在金屬表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂層時發生輕微粘著摩損。第11頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.涂抹

粘著強度大于摩擦副中較軟金屬的強度，小于較硬金屬的強度。剪切破壞發生在離粘著結合面不遠的較軟金屬淺層內，軟金屬涂抹(粘附)在硬金屬表面上。這種模式的摩擦系數與輕微磨損差不多，但磨損程度加劇。c.擦傷

粘著強度比摩擦副的兩基體金屬的強度都高。剪切主要發生在軟金屬的亞表層內，有時也發生在硬金屬的亞表層內，轉移到硬金屬上的粘著物又刮削軟金屬表面，使軟金屬表面出現劃痕，所以擦傷主要發生在軟金屬表層，硬金屬表面也偶有劃傷。第12頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三d.咬合如果粘著強度比兩金屬基體的強度高得多，而且粘著點面積較大時，剪切破壞發生在一個或兩個金屬表層深的地方。此時表面將沿著滑動方向呈現明顯的撕脫，出現嚴重磨損。如果滑動繼續進行，粘著范圍將很快增大，摩擦產生的熱量使表面溫度劇增，極易出現局部熔焊，使摩擦副之間咬死而不能相對滑動。這種破壞性很強的磨損形式，應力求避免。第13頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(4)簡單粘著磨損計算(Archard模型)上圖為粘著磨損模型，假設摩擦副的一方為較硬的材料，摩擦副另一方為較軟的材料；法向載荷W由n個半徑為a的相同微凸體承受。第14頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三則當材料產生塑性變形時，法向載荷W與較軟材料的屈服極限σs之間的關系：

(1)當摩擦副產生相對滑動，且滑動時每個微凸體上產生的磨屑為半球形,其體積為(2/3)πa3，則單位滑動距離的總磨損量(即磨損率，通常用于判斷材料磨損的快慢程度)為:(2)由(1)和(2)式，可得：(3)第15頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三式(3)是假設了各個微凸體在接觸時均產生一個磨粒而導出。如果考慮到微凸體相互產生磨粒的概率數K和滑動距離L，則接觸表面的粘著磨損量表達式為：(3)(4)由(4)式可得粘著磨損的三個定律：①材料磨損量與滑動距離成正比：適用于多種條件②材料磨損量與法向載荷成正比：適用于有限載荷范圍③材料磨損量與較軟材料的屈服極限σy(或硬度H)成反比由于對于彈性材料σs≈H/3，H為布氏硬度值，則式(4)可變為：式中K為粘著磨損系數第16頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三右圖為鋼制銷釘在鋼制圓盤上滑動摩擦時的結果。圖中示出鋼的磨損系數隨表觀壓力的變化曲線?？v坐標為K/H，代表單位載荷、單位滑動距離的磨損量，橫坐標代表平均接觸壓力。當壓力值小于片H/3時，磨損率小而且保持不變(即K保持常數)；但當壓力值超過H/3時，磨損量急劇增大(K值急劇增大)，這意味著在這樣高的載荷作用下會發生大面積的粘著焊連。對其他金屬也有類似的情況，只是K開始增加時的平均壓力值通常比H/3稍低而已。在壓力值為H/3作用下，各個微凸體上的塑性變形區開始發生相互影響。當壓力值增加到H/3以上時，整個表面變成塑性流動區，因而實際接觸面積不再與載荷成正比，出現劇烈的粘著磨損，摩擦表面嚴重破壞。第17頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三由于式中的K代表微凸體中產生磨粒的概率，即粘著磨損系數．因此，K值必須按不同的滑動材料組合和不同的摩擦條件求得。右表給出了不同工況和摩擦副配對時的磨損系數K值。第18頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

(5)

粘著磨損的影響因素

摩擦副材料性質的影響a.脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高。塑性材料粘著點的破壞以塑性流動為主，發生在表層深處，磨損顆粒大。脆性材料粘著點的破壞主要是剝落，發生在表層淺處，磨損顆粒小，呈磨屑狀，磨屑容易脫落,不堆積在表面上。第19頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.相同金屬或冶金相溶性大的材料摩擦副(相同金屬或晶格類型、電子密度、電化學性能相似的金屬)易發生粘著磨損。異種金屬或冶金相溶性小的材料摩擦副抗粘著磨損能力較高。金屬與非金屬摩擦副抗粘著磨損能力高于異種金屬摩擦副。應避免使用同種金屬或冶金相溶性大的金屬組成摩擦副。

冶金的相(互)溶性：兩種金屬能在固態互相溶解的性能。摩擦的相(互)溶性：一定配對材料在發生摩擦和磨損時抵抗粘著的性能。一般，冶金相溶性好的金屬摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金屬摩擦副，摩擦互溶性最差。第20頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三c.材料的組織結構和表面處理金屬的組織結構對粘著磨損也有影響，多相金屬比單相金屬的抗粘著磨損能力高；金屬中化合物相比單相固溶體的粘著傾向小。通過表面處理技術在金屬表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以減少粘著效應，同時表面膜限制了破壞深度，提高抗粘著磨損的能力。d.元素周期表中的B族元素，如鍺、銀、鎘、銦、錫、銻、鉈、鉛、鉍與鐵的冶金相容性差，抗粘著磨損性能好。而鐵與A族元素組成的摩擦副粘著傾向大。第21頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三e.材料的硬度硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強，因為表面接觸應力大于較軟金屬硬度的1/3時，很多金屬將由輕微磨損轉變為嚴重的粘著磨損。第22頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三載荷的影響粘著磨損一般隨法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加，如圖所示，K/H的比值實際上是材料硬度與許用壓力的關系。當載荷值超過材料硬度值的1/3時，磨損急劇增加，嚴重時咬死。因此設計中選擇的許用壓力必須低于材料硬度值的1/3。第23頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三速度的影響在壓力一定的情況下，粘著磨損隨滑動速度的增加而增加，在達到某一極大值后，又隨著滑動速度的增加而減少。下圖為摩擦速度不太高的范圍內，鋼鐵材料的磨損隨摩擦速度、接觸壓力的變化規律。第24頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三隨著滑動速度的變化，磨損類型由一種形式轉變為另一種形式。如圖(a)所示，當摩擦速度很低時，主要是氧化磨損，出現Fe2O3的磨屑，磨損量很小。隨速度的增大，氧化膜破裂，金屬的直接接觸，轉化為粘著磨損，磨損量顯著增大。滑動速度再高，摩擦溫度上升，有利于氧化膜形成，又轉為氧化磨損，磨屑為Fe3O4，磨損量又減小。如摩擦速度再增大，將再次轉化為粘著磨損，磨損量又開始增加。第25頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三圖(b)是滑動速度保持一定而改變載荷所得到的鋼對鋼磨損實驗結果。載荷小產生氧化磨損,磨屑主要是Fe2O3；當載荷達到W0后,磨屑是FeO、Fe2O3

和Fe3O4的混合物。載荷超過Wc以后,便轉入危害性的粘著磨損。第26頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三表面溫度的影響表層溫度特性對于摩擦表面的相互作用和破壞影響很大。表面溫度升高可使潤滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易產生粘著磨損。

上圖為溫度對膠合磨損的影響，可以看出，當表面溫度達到臨界值(約80℃)時,磨損量和摩擦系數都急劇增加。影響溫度特性的主要因素是表面壓力p和滑動速度v，其中速度的影響更大，因此限制pv值是減少粘著磨損和防止膠合發生的有效方法。第27頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三潤滑油、潤滑脂的影響在潤滑油、潤滑脂中加人油性或極壓添加劑能提高潤滑油膜吸附能力及油膜強度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。

油性添加劑是由極性非常強的分子組成，在常溫條件下，吸附在金屬表面上形成邊界潤滑膜，防止金屬表面的直接接觸，保持摩擦面的良好潤滑狀態。

極壓添加劑是在高溫條件下，分解出活性元素與金屬表面起化學反應，生成一種低剪切強度的金屬化合物薄膜，防止金屬因干摩擦或邊界摩擦條件下而引起的粘著現象。

第28頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

2、磨粒(磨料)磨損

(1)定義外界硬顆?；蛘邔δケ砻嫔系挠餐黄鹞锘虼植诜逶谀Σ吝^程中引起表面材料脫落的現象,稱為磨粒磨損。例如：掘土機鏟齒、犁耙、球磨機襯板等的磨損都是典型的磨粒磨損。機床導軌面由于切屑的存在也會引起磨粒磨損。水輪機葉片和船舶螺旋槳等與含泥沙的水之間的侵蝕磨損也屬于磨粒磨損。第29頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(2)磨粒磨損分類及其磨損特征磨料磨損根據表面磨損的破壞形式，大體可以分為下列幾種類型：按摩擦表面的數目分為:兩體磨料磨損種和三體磨料磨損第30頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三a.二體磨粒磨損磨粒沿一個固體表面相對運動產生的磨損。當磨粒運動方向與固體表面接近平行時,磨粒與表面接觸處的應力較低,固體表面產生擦傷或微小的犁溝痕跡。如果磨粒運動方向與固體表面接近垂直時，此時,磨粒與表面產生高應力碰撞,在表面上磨出較深的溝槽,并有大顆粒材料從表面脫落。在一對摩擦副中,硬表面的粗糙峰對軟表面起著磨粒作用,這也是一種二體磨損,它通常是低應力磨粒磨損。第31頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.三體磨粒磨損外界磨粒移動于兩摩擦表面之間,類似于研磨作用,稱為三體磨粒磨損。通常三體磨損的磨粒與金屬表面產生極高的接觸應力,往往超過磨粒的壓潰強度。這種壓應力使韌性金屬的摩擦表面產生塑性變形或疲勞,而脆性金屬表面則發生脆裂或剝落。第32頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三鑿削式磨粒磨損這類磨損的特征是沖擊力大，磨料以很大的沖擊力切入金屬表面，因此工件受到很高的應力，造成表面宏觀變形，并可以從摩擦表面鑿削下金屬大顆粒，在被磨損表面有較深的溝槽和壓痕。如挖掘機的斗齒、礦石破碎機錘頭等零件表面的磨損即屬于此種磨損形式。按摩擦表面所受的應力和沖擊的大小分為鑿削式磨料磨損、高應力碾碎式磨料磨損和低應力擦傷式磨料磨損。第33頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.高應力碾碎式磨粒磨損這類磨損的特點是應力高，磨料所受的應力超過磨料的壓碎強度，當磨料夾在兩摩擦表面之間時，局部產生很高的接觸應力，這種壓應力使韌性金屬的摩擦表面產生塑性變形或疲勞,而脆性金屬表面則發生脆裂或剝落。同時磨料不斷被碾碎，被碾碎的磨料顆粒呈多角形，擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。如礦石粉碎機的顎板、軋碎機滾筒等表面的破壞。第34頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三c.低應力擦傷式磨粒磨損這種磨損的特征是應力低，磨料作用于摩擦表面的應力不超過它本身的壓潰強度。材料表面有擦傷并有微小的切削痕跡。如犁鏵、泥沙泵葉輪等。第35頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

(3)磨粒磨損機理

關于材料磨粒磨損主要有以下幾個假設：微觀切削假說：法向載荷將磨料壓入摩擦表面，滑動時磨料對表面產生切削作用，材料脫離表面形成磨屑。壓痕破壞假說(擦痕假說)：磨料在載荷作用下壓入摩擦表面而產生壓痕，滑動時使表面產生嚴重的塑性變形，壓痕兩側材料受到損傷，因而易從表面擠出或剝落。疲勞破壞假說：摩擦表面在磨料產生的循環接觸應力作用下，表面材料開始出現疲勞裂紋并逐漸擴大，最后從表面剝離。第36頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(4)磨粒磨損模型：簡單的磨粒磨損計算方法是根據微量切削假說得出，下圖為磨粒磨損模型?？梢詫⒛チ？醋鍪蔷哂绣F形的硬質顆粒在軟材料上滑動，犁出一條溝。第37頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三假設磨粒為形狀相同的圓錐體，半角為θ，錐底直徑為r(即犁出的溝槽寬度)，載荷為W，壓入深度h，滑動距離為L，屈服極限σs。在垂直方向的投影面積為πr2，滑動時只有半個錐面(前進方向的錐面)承受載荷，共有n個微凸體，則所受的法向載荷為：將犁去的體積作為磨損量，其水平方向的投影面積為一個三角形，單位滑動距離的磨損量(磨損率)為Q0=nhr,因為r=htanθ，因此：(1)第38頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三如果考慮到微凸體相互作用產生磨粒的概率數K和滑動距離L，并且代人材料的硬度H=3σs，則接觸表面的磨損量表達式為：式中Ks為磨粒磨損系數，是幾何因素2/tanθ和概率常數K的乘積，Ks與磨粒硬度、形狀和起切削作用的磨粒數量等因素有關。應當指出，上述分析忽略了許多實際因素，例如磨粒的分布情況、材料彈性變形和滑動前方材料堆積產生的接觸面積變化等等，因此式(2)近似地適用于二體磨粒磨損。在三體磨損中，一部分磨粒的運動是沿表面滾動，它們不產生切削作用，因此Ks值明顯減小。由公式(2)可看出:粘著磨損定律也同樣適用于磨粒磨損。(2)第39頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三相對耐磨度ε：標準試樣磨損量和被評價試驗試樣磨損量之比，其值越大，材料耐磨性越好。材料硬度的影響：(5)影響磨粒磨損的因素：如圖(a)所示，對于純金屬和退火鋼，其耐磨性與硬度成正比。第40頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三圖(b)是正常淬火后，不同溫度回火的幾種鋼的磨粒磨損試驗結果。淬火回火鋼的耐磨性隨著硬度的增加而增大，但是與退火鋼相比，耐磨性的增大速度緩慢些，即淬火回火可以提高鋼的硬度和耐磨性，但效果微弱。由此得出：金屬的耐磨性不僅取決于其硬度，還取決于它的成分和組織結構。相同硬度下，鋼中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越強。第41頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三右圖為表面冷作硬化對低應力磨粒磨損試驗時的耐磨性的影響。由圖可見，冷作硬化后，表層硬度的提高并沒有使耐磨性增加，甚至有下降的趨勢。所以在低應力磨損時，冷作硬化不能提高表面的耐磨性(只要在塑性變形的過程中組織未發生變化)。加工硬化的影響：第42頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三應提出的是，零件實際使用條件與上述試驗條件相近時，以上結論才是適用的。如果零件在更復雜的條件下工作，如除了磨粒磨損之外，可能還有其他因素起作用，這時就不能簡單套用上述結論。例如，表面層的機械冷作硬化(噴丸處理、滾壓強化等)是提高零件疲勞強度的方法，由于提高了材料的表面硬度，這對于以粘著磨損為主的磨損，也能提高摩擦副的相對耐磨性。

以上所述是指冷作硬化對低應力磨粒磨損時的耐磨性的影響。

第43頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

對于高應力磨粒磨損曾用球磨機鋼球進行了試驗，試驗表明，材料在受高應力沖擊載荷下，表面會受到加工硬化，加工硬化后的硬度愈高，其耐磨抗力也愈高。

高錳鋼的耐磨性也可說明這個問題。此鋼淬火后為軟而韌的奧氏體組織，當受低應力磨損時，它的耐磨性不好，而在高應力磨損的場合，它具有特別高的耐磨性。這是由于奧氏體在塑性變形時其加工硬化率很高，同時還因為其轉變為很硬的馬氏體。生產實踐證明，高錳鋼用作碎石機錘頭可呈現很好的耐磨性。第44頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三綜合①和②所述,提高鋼材硬度的方法有改善合金成分、熱處理或冷作硬化等三種。而材料抗磨粒磨損的能力與硬化方法有關，所以必須根據各種提高硬度的方法來考慮耐磨性與硬度的關系。第45頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三相對硬度影響：磨粒磨損取決于磨料硬度H0與試件材料硬度H比值，如圖所示的三種不同的磨損狀態:Ⅰ：當磨料硬度低于試件材料硬度,即H0

≤0.7H時，輕微磨損階段。

Ⅱ：當磨料硬度超過試件材料硬度后，即0.7H<H0<1.3H，磨損量隨磨料硬度迅速增大，過渡磨損階段。Ⅲ：若磨料硬度遠高于材料硬度，即H0≥

1.3H，將產生嚴重磨損，磨損量不再隨磨料硬度而變化。由此可知，為了降低磨粒磨損，材料硬度H大約為磨料硬度H0

的1.4倍，即H0

≈0.7H時最佳，不必要求金屬硬度太高，因為H太高并不能帶來耐磨性的明顯提高。第46頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三磨粒尺寸的影響：一般金屬的磨損量隨磨料平均尺寸的增大而增加，到某一臨界值后，磨損量便保持不變，即磨損與磨料的尺寸無關。鋼磨損量與磨料尺寸關系如下圖所示。各種材料磨料臨界尺寸是不相同的，磨料的臨界尺寸還與工作零件的結構和精度有關。例如：通過對柴油機油泵柱塞副的磨損研究，認為3～6μm的機械雜質引起的磨損最大，而通過對發動機的磨損研究，發現20～30μm的磨料對缸套磨損才最嚴重。所以，防止3～6μm左右的機械雜質進人燃油系統，防止20～30μm的磨料進入缸套摩擦表面最為重要。第47頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三顯微組織的影響：a.基體組織由鐵素體逐步轉變為珠光體、貝氏體、馬氏體時，耐磨性提高。眾所周知，鐵素體硬度太低，故耐磨性很差。馬氏體與回火馬氏體硬度高，所以耐磨性好。但在相同硬度時，下貝氏體氏體的耐磨性要比回火馬氏體的好得多。鋼中的殘余奧氏體也影響抗磨料磨損能力。在低應力磨損下，殘余奧氏體數量較多時，將降低耐磨性；反之，在高應力磨損下，殘余奧氏體因能顯著加工硬化或轉變為馬氏體而改善耐磨性。第48頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.第二相組織鋼中的碳化物是最重要的第二相。在磨粒磨損中，材料的耐磨性與碳化物和基體硬度相對大小以及碳化物硬度有關。在軟基體中增加碳化物的數量，減小尺寸，增加彌散度，均能改善耐磨性。在硬基體中，即碳化物的硬度與基體的硬度相近，碳化物反而損害材料的耐磨性，因為此時碳化物如同內部缺口一樣，極易使裂紋擴展，致使表面材料通過切削過程而除去。當摩擦條件不變時，如碳化物硬度比磨粒低，則提高碳化物的硬度，將增加耐磨性。第49頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三載荷的影響：載荷顯著地影響各種材料的磨粒磨損。如右圖所示，線磨損度與表面壓力成正比。當壓力達到轉折值pc

時,線磨損度隨壓力的增加變得平緩,這是由于磨粒磨損形式轉變的結果。各種材料的轉折壓力值不同。第50頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3、表面疲勞磨損(1)定義：疲勞：指材料在遠低于拉伸強度(常常低于屈服強度)的交變載荷作用下發生破裂的現象。表面疲勞磨損：兩個相互滾動或滾動兼滑動的摩擦表面,在交變接觸應力的作用下，表層產生塑性變形，在表層薄弱處引起裂紋，裂紋不斷擴大并發生斷裂，而造成的點蝕或剝落的現象。如滾動軸承、齒輪副、凸輪副以及輪軌都能產生表面疲勞磨損，其磨損形式是在光滑的接觸表面上分布有若干深淺不同的針狀或豆狀凹坑，或較大面積的表面壓碎，摩擦表面粗糙凸峰周圍應力場變化引起的微觀疲勞現象也屬于表面疲勞第51頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(2)表面疲勞磨損的機理：最大切應力理論表面疲勞磨損的機理可以用赫茲公式來解釋。在赫茲接觸中，最大切應力產生于離表面一定距離的下層，如右圖所示，由于滾動的結果，在最大切應力處的材料首先出現屈服而塑變，隨著外載荷的反復作用，材料在此處首先出現裂紋，并沿最大切應力方向擴展到表面，最后形成疲勞破壞，以顆粒形式分離出來，并在摩擦表面留下痘斑狀凹坑，稱為點蝕(凹坑小而深)。或以鱗片狀從表面脫落下來，稱為剝落(凹坑大而淺)。第52頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第53頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三對于無缺陷的材料，如圖：在滾動接觸時，首先損傷部位，可由赫茲公式求得的最大交變切應力的位置確定。如果接觸中還有一定的滑動，那么損傷的部位將向表面移近，滑動摩擦力愈大，最大剪應力位置愈接近表面。然而，實際上材料是不可能完整無缺的。所以，最終的損傷部位總是受到雜質、疏松、原始微裂縫等因素的影響，這些缺陷都容易引起應力集中而產生早起的疲勞裂紋。所以裂紋有時從表面開始，有時從次表面開始。第54頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三油楔理論對于滾動兼有滑動的接觸表面，因同時存在接觸壓應力和剪切應力，使得接觸應力增大，實際最大切應力十分接近表面，故在摩擦表面上容易產生塑性變形而形成微觀裂紋。有時雖然摩擦副的表而剪應力并不大，但因表面缺陷、高溫或脫碳等原因，使表面局部變弱，也容易在表面形成裂紋。第55頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三若滾動方向與裂紋方向一致，則當滾動體接觸到裂紋口處，將把裂口封住，裂紋中的潤滑油不能往外跑，從而使裂紋的兩內壁承受巨大的擠壓力，于是迫使裂紋與表面呈30o～45o傾角向外擴張。在已形成微裂紋的表面，當有潤滑油時，由于毛細管作用，微裂紋吸附潤滑油，使得裂紋的尖端處形成油楔，如圖(a)所示。此過程經歷若干周次，裂紋由表面向內層擴展到定深度，起始裂紋口也張大到一定寬度，那么裂紋上部的金屬像一個懸臂梁承受彎曲。在隨后的加載運轉若干周次就會突然折斷，使這里的金屬剝離，最后在接觸表面留下一個深淺不等的麻點剝落凹坑，一般剝落深度為0.1-0.2mm。第56頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三在摩擦過程中，摩擦力促使表面金屬流動，因而疲勞裂紋往往有方向性,即與摩擦力方向一致。如圖所示，主動輪裂紋中的潤滑油在對滾中被擠出，而從動輪上的裂紋口在通過接觸區時受到油膜壓力作用促使裂紋擴展。由于油的壓縮性和金屬的彈性，油壓傳遞到裂紋尖端將產生壓力降。因此，若滾動方向與裂紋方向相反，則當滾動體接觸到裂紋時，裂紋中的潤滑油被擠出來,如圖中的主動輪，裂紋內不會產生很大的擠壓力，因而裂紋擴展緩慢，工作壽命長。第57頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三總之：對于滾動接觸的理想材料，其破壞位置取決于用赫茲方程求得的最大交變切應力的位置。對于滾動兼滑動的接觸，則破壞位置移向表面。材料并不理想的，其破壞的確切位置會受到材料內存在的雜質、孔隙、微觀裂紋和其他因素的影響。第58頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三微觀點蝕磨損理論微觀點蝕理論認為：裂紋產生的位置實際上較之最大切應力理論確定的位置更靠近表面。因為最大切應力理論是用宏觀的赫茲接觸應力來分析的，這種分析以接觸區表面理想光滑，接觸應力成橢圓分布為前提的。如圖所示的光滑表面應力分布線。這樣所決定的點蝕應稱為宏觀點蝕。但是，真實表面是粗糙的，接觸發生在微凸體的峰處，即表面粗糙度使赫茲接觸應力分布發生調幅現象，如圖所示。微凸體每個峰點進入接觸都產生一個微觀應力分布，這種由接觸表面峰點作用所引起的點蝕稱為微觀點蝕。第59頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三微觀點蝕和宏觀點蝕雖然都是與最大切應力的區域相對應，但微觀點蝕的最大切應力更接近表面，且裂紋深度比宏觀點蝕淺得多(約淺20倍)。試驗證實，隨著循環次數的增加，已產生的微觀點蝕可以誘發二次裂紋、三次裂紋，裂紋依次向縱深擴展可以形成宏觀點蝕。這是宏觀點蝕形成的一種機理。對用赫茲理論米解釋點蝕產生的觀點作了很大修正。第60頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(3)疲勞磨損的影響因素非金屬夾雜：非金屬夾雜物破壞了基體的連續性,嚴重降低了材料抗疲勞磨損能力。特別是脆性夾雜(硅酸鹽和氧化物等)在循環應力作用下與基體材料脫離形成空穴,構成應力集中源,當超過基體的彈性極限，產生塑性變形，易在脆性夾雜物的邊緣部分最易產生微裂紋，降低抗疲勞磨損能力。塑性夾雜(硫化物)易隨基體一起變形，能夠把氧化物夾雜包住形成共生夾雜，可降低氧化物夾雜的破壞作用。因此，鋼種含有適量的硫化物夾雜對提高抗疲勞磨損能力有益?？傊?，生產上應盡量減少鋼中夾雜物(特別是氧化物、硅酸鹽夾雜物)，即煉鋼時要進行凈化處理。第61頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三表面層狀態的影響：a.表層硬度通常增加材料硬度可以提高抗疲勞磨損能力,但硬度過高,材料脆性增加,反而會降低接觸疲勞壽命。例如：對軸承鋼而言，當表面的硬度為62HRC左右時，軸承的平均使用壽命最高，如圖所示。第62頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.心部硬度承受接觸應力的零件，必須有適當的心部硬度。若心部硬度太低，則表面和心部的硬度梯度太陡，使得硬化層的過渡區產生裂紋，容易產生表層壓碎現象。實踐表明：心部硬度在35～40HRC范圍內較適宜。c.硬化層深度滲碳鋼或其他表面硬化鋼的硬化層厚度影響抗疲勞磨損能力。硬化層太薄時,疲勞裂紋將出現在硬化層與基體的連接處,容易形成表層剝落。選擇硬化層厚度應使疲勞裂紋產生在硬化層內。第63頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三d.硬度匹配硬度匹配直接影響接觸疲勞壽命。例如：在齒輪副的硬度選配時，因為小齒輪受載荷次數比大齒輪多，所以對于軟齒面，一般要求小齒輪硬度大于大齒輪硬度，這樣小齒輪不易出現疲勞磨損失效，達到大小齒輪使用壽命等長的目的。第64頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三表面粗糙度的影響：對于滾動或滾滑摩擦副來說，表面粗糙度應當盡量低些，特別是硬度較高的零件，表面粗糙度更應該低些，但是表面粗糙度也有個最佳值，過低的表面粗糙度對提高疲勞磨損壽命的影響不大。例如：滾動軸承的粗糙度為Ra0.2的接觸疲勞壽命比Ra0.4的高2-3倍;Ra0.1的比Ra0.2的高1倍;Ra0.05比Ra0.1高0.4倍；粗糙度低于Ra0.05對壽命影響甚微。第65頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三潤滑的影響：潤滑油粘度愈高，則接觸部分的應力愈接近平均分布，相對地降低了最大接觸應力，因而抗疲勞磨損的能力就愈高；油的粘度愈低，愈易滲入裂紋中，加速裂紋擴展，降低了壽命。潤滑油中含水量過多(腐蝕作用)對疲勞磨損有較大影響，必須嚴格控制含水量。潤滑油中適當加入固體潤滑劑如MoS2或硫化潤滑脂，可在接觸表面層形成一層堅固薄膜，減少摩擦，從而提高抗疲勞磨損性能。第66頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三4、腐蝕磨損定義：摩擦過程中,由于機械作用以及金屬表面與周圍介質發生化學或電化學反應，共同引起的表面損傷。分類：由于介質的性質、作用于摩擦面的狀態以及摩擦材料性能等的不同，腐蝕磨損可分為：氧化磨損、特殊介質腐蝕磨損、氣蝕和微動磨損。第67頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(3)氧化磨損:氧化磨損機理：當金屬摩擦副在氧化性介質中工作時,表面生成一層氧化膜，避免金屬間的直接接觸，在摩擦過程中，表面所生成的氧化膜被磨掉,但又很快地形成新的氧化膜，如此周而復始，這個過程所造成的材料損傷為氧化磨損。

可見氧化磨損是化學氧化和機械磨損兩種作用相繼進行的過程。第68頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三由于大氣中含有氧，因此氧化磨損是最常見的一種磨損形式，一般氧化磨損率較其他磨損輕微的多。若形成的是脆性氧化膜，由于氧化膜與基體連結的抗剪切強度較差,其磨損速率大于氧化速率,所以磨損量大。若形成的是韌性氧化膜,由于氧化膜與基體連結處的抗剪切強度較高,其磨損速率小于氧化速率,氧化膜能起減摩耐磨作用,所以氧化磨損量較小。第69頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三氧化磨損的影響因素a.滑動速度的影響在載荷不變的條件下，磨損類型與速度都隨滑動速度而變化，如圖所示。當滑動速度很小時，摩擦表面被Fe2O3覆蓋，主要是氧化磨損，磨損量很小。隨速度的增大，氧化膜破裂，金屬的直接接觸，轉化為粘著磨損，磨損量顯著增大?；瑒铀俣仍俑撸Σ翜囟壬仙?，有利于氧化膜形成Fe3O4，表面生成又轉為氧化磨損，磨損量又減小。如摩擦速度再增大，將再次轉化為粘著磨損，且磨損劇烈。第70頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.載荷的影響下圖是滑動速度保持一定而改變載荷所得到的鋼對鋼磨損實驗結果。隨著載荷的增大，磨損由氧化磨損轉變為粘著磨損。載荷小產生氧化磨損,磨屑主要是Fe2O3；當載荷達到W0后,磨屑是FeO、Fe2O3

和Fe3O4的混合物。載荷超過Wc以后,便轉入危害性的粘著磨損。第71頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三c.氧化膜硬度的影響磨損與氧化膜硬度值H0，基體金屬硬度值H有關。若H0>H，氧化膜容易破碎，產生磨損。若H0≈H，在小載荷引起小變形時，氧化膜和基體金屬同時變形，氧化磨損小些，若變形量大，則氧化膜同樣容易破碎，產生磨損。若H0與H都很高，載荷引起的變形小，氧化膜不易破碎，此時的耐磨性好。d.介質含氧量的影響介質含氧量會直接影響磨損率。金屬在還原性氣體、惰性氣體、純氧介質中，其磨損量都比在空氣中大。這是因為空氣中所形成的氧化膜強度高，與基體金屬結合牢固的緣故。第72頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三e.潤滑狀態的影響用油脂潤滑時，油脂除了起減磨作用外，又隔絕摩擦表面與空氣中氧的直接接觸，使氧化膜的生成速度減緩，但油脂與氧的反應，生成酸性氧化物，會腐蝕摩擦面。生產中有時利用危害性小的腐蝕磨損以防止危害性大的粘著磨損。如汽車后橋中采用雙曲線齒輪傳動，由于雙曲線齒輪副接觸應力較大，極易產生早期粘著磨損。為了阻止這種粘著磨損，在潤滑中有意加入腐蝕性極壓添加劑，使油膜強度提高，寧可產生較低的腐蝕磨損，而避免嚴重的粘著磨損出現。第73頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(4)特殊介質腐蝕磨損:對于在化工設備中工作的摩擦副，由于金屬表面與酸、堿、鹽等特殊介質發生化學腐蝕作用而造成的磨損。其腐蝕磨損的機理與氧化磨損相似,但腐蝕磨損速度較快，磨損痕跡較深,磨損量也較大。磨屑呈顆粒狀和絲狀,它們是表面金屬與周圍介質的化合物。此外，金屬表面還可能與某些特殊介質作用，而生成耐磨性較好的保護膜。特殊介質腐蝕磨損的影響因素a.介質性質和溫度的影響鋼的磨損率隨著介質腐蝕性的增強而加快。鋼的磨損率隨著溫度的升高而增大。第74頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三b.合金元素的影響有些元素，如鎳、鉻、鈦等在特殊介質作用下，易形成化學結合力較高、結構致密的鈍化膜，從而減輕腐蝕磨損。鎢、鉬兩金屬在500oC以上，表面生成保護膜，使摩擦系數堿小，故鎢、鉬是抗高溫腐蝕磨損的重要金屬材料。此外，由碳化鎢、碳化鈦等組成的硬質合金都具有高抗腐蝕磨損能力。含鎘、鉛等元素的滑動軸承材料很容易被潤滑油里的酸性物質腐蝕，在軸承表面上生成黑點，逐漸擴展成海綿狀空洞，在摩擦過程中成小塊剝落。

含銀、銅等元素的軸承材料在溫度不高時，與油中硫化物生成硫化物膜，能起減摩作用，但高溫時膜易破裂，如硫化銅膜，性質硬而脆，極易剝落。第75頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三(5)氣蝕:定義：氣蝕是固體表面與液體相對運動所產生的表面損傷，通常發生在水泵零件、水輪機葉片和船舶螺旋槳等表面。氣蝕的機理：當液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸發壓力時，將在固體表面附近形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣體也可能析出而形成