第五章 磨損原理

1、第五章 磨損原理,一、磨損的定義 磨損是由于機(jī)械作用和(或)化學(xué)反應(yīng)(包括熱化學(xué)、電化學(xué)和力化學(xué)等反應(yīng))，在固體的摩擦表面上產(chǎn)生的一種材料逐漸損耗的現(xiàn)象，這種損耗主要表現(xiàn)為固體表面尺寸和(或)形狀的改變。,第一節(jié) 概述,磨損的三個主要特征：1) 磨損是發(fā)生在物體上的一種表面現(xiàn)象。材料內(nèi)部裂紋引起的材料整體疲勞破壞和斷裂不屬于磨損的范疇；2) 磨損是發(fā)生在物體摩擦表面上的一種現(xiàn)象，其接觸表面必須有相對運(yùn)動。單純的腐蝕和某些高分

2、子材料表面的老化都是在靜止表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(包括氧化)的結(jié)果，也不屬于磨損的范疇；3) 磨損必然產(chǎn)生物質(zhì)損耗(包括材料轉(zhuǎn)移)，而且它是具有時變特征的漸進(jìn)的動態(tài)過程。因此，不產(chǎn)生材料逐漸損耗的、單純的塑性變形也不屬于磨損的范疇。,二、磨損的基本特性 1、磨損是機(jī)器零件在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不可避免的一種能量耗散的現(xiàn)象。 只要機(jī)器零件的磨損量或磨損率在規(guī)定使用期內(nèi)不超過允許值，就可以認(rèn)為是一種允許的正常磨損現(xiàn)象。,機(jī)器零件典

3、型磨損過程的三個階段 1)   磨合(跑合)階段(0－t1) 2)   正常磨損階段(t1-t2) 3)   事故磨損階段(t2-t3),0-t1,t1-t2,t2-t3,時間,2、磨損不僅是材料本身固有特性的表現(xiàn)，更是摩擦學(xué)系統(tǒng)特性的反映。 因此，磨損也具有條件性和相對性。 磨損的這種特性和摩擦很相似，因而也可用類似的表達(dá)式來表示，即：,,同一種機(jī)

4、器零件在不同機(jī)器中會產(chǎn)生不同類型或不同程度的磨損。即使在同一臺機(jī)器中，不同工況也會導(dǎo)致不同程度甚至不同類型的磨損。因此，在分析和處理機(jī)器零件的磨損問題時，必須全面考慮到該零件所在 的摩擦學(xué)系統(tǒng)的特性，才能對其磨損現(xiàn)象作出準(zhǔn)確的判斷和正確的分析。,衡量磨損特性的主要參數(shù)是磨損率，通?？刹捎靡韵氯N磨損率： 1、線性磨損率： 2、體積磨損率： 3、重量磨損率：式中， －磨損厚度； －磨

5、損體積； －磨損重量； －滑動距離； －被磨損的材料的密度。,,,,,,,,*其它參數(shù)：（1） 磨損因數(shù) 式中， — 正壓力； — 法向載荷。,（2）磨損度(能量磨損率) 式中，F(xiàn)— 摩擦力； f — 摩擦系數(shù)。,（3）耐磨性系數(shù)(耐磨性),,（4）磨損系數(shù),式中，w—磨損量；H—材料硬度； v—速度；t —時間；N —正壓力。

6、 磨損系數(shù)表示磨損量與工況之間的關(guān)系，當(dāng)載荷與速度為已知，并可求出一定工況下的磨損系數(shù)時，就可估算磨損量，以預(yù)測摩擦學(xué)系統(tǒng)的壽命。也可根據(jù)磨損系數(shù)來確定磨損類型，因?yàn)椴煌哪p類型具有不同的磨損系數(shù)。,（5）磨損速率(磨損強(qiáng)度) （6）相對耐磨性 它是標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損率與被測試樣磨損率之比(％)。,,,1、粘著磨損或粘附磨損(Adhesive wear)； 2、磨料磨損或磨粒磨損 (Abrasive

7、wear)； 3、疲勞磨損或表面疲勞磨損(Surface fatigue wear)； 4、腐蝕磨損(Corrosive wear)或摩擦－化學(xué)磨損(Tribo-chemical wear)。 5、其他。包括侵蝕磨損或沖蝕磨損 (Erosive wear) 和微動磨損(Fretting wear)等。,三、磨損的分類,實(shí)際的磨損現(xiàn)象大都是多種類型磨損同時存在；或磨損狀態(tài)隨工況條件的變化而轉(zhuǎn)化。,(1) 在

8、摩擦副中，相對運(yùn)動的摩擦表面之間，由于粘著現(xiàn)象產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移而引起的磨損，稱為粘著磨損。 這類磨損一般發(fā)生在相互滑動(或轉(zhuǎn)動)的干摩擦表面上，即在表面上的某些微突體產(chǎn)生固相焊合，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)摩擦副完全“咬死”的現(xiàn)象。 如：在潤滑狀況惡化的條件下，柴油機(jī)燒軸瓦就是這種磨損的典型例子。(2) 有兩種粘著（焊合）：①冷焊粘著；②熱局部焊合粘者。,第二節(jié) 粘著磨損,,一、定義及其過程 1、定義：,2、過程：⑴載荷、

9、速度??；[⑵載荷、速度較大]；⑶變形、斷裂及材料轉(zhuǎn)移；⑷新粘著點(diǎn)產(chǎn)生。,Bowden根據(jù)剪斷位置并以軸承合金為例進(jìn)行分類１、一類：粘著強(qiáng)度?。?、二類：粘著強(qiáng)度中３、三類：粘著強(qiáng)度大４、四類：同一材料組合，加工硬化材料，剪斷發(fā)生在內(nèi)部，磨損大；相反，加工軟化，粘著部變軟，有很好的耐磨性,按照磨損程度的不同，粘著磨損可以分為以下五類： 1) 輕微磨損 粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度比形成該粘著點(diǎn)的任何一方的基體金屬的剪切強(qiáng)度

10、都小(如錫與鐵對磨)，磨損發(fā)生在粘著點(diǎn)的界面上，材料轉(zhuǎn)移十分輕微，甚至不產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移。磨合屬于這種磨損。,一、主要類型,2) 涂抹 粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度介于形成該粘著點(diǎn)的兩種基體金屬的剪切強(qiáng)度之間（如鉛與鋼對磨），剪切破壞發(fā)生在較軟金屬的淺表層內(nèi)，并使該表層的材料轉(zhuǎn)移到較硬金屬表面上，使后者的表面上被涂抹上薄薄的一層。 例如，重載蝸輪表面的銅涂抹到蝸桿表面上即屬此類。,3) 刮傷 沿滑動方向形成嚴(yán)重的劃

11、痕。剪切破壞發(fā)生在較軟金屬的表層。,,4) 膠合 表面局部溫度相當(dāng)高，粘著點(diǎn)的面積較大，由于粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度比形成粘著的任何一方基體金屬的剪切強(qiáng)度都要高（如銅與鋼對磨），故在摩擦副的一方或雙方的基體金屬上產(chǎn)生較深層的破壞，因而，既有較多的軟金屬轉(zhuǎn)移到硬金屬表面上，同時也有部分硬金屬轉(zhuǎn)移到軟金屬表面上。,5) 咬死 由于粘著點(diǎn)的面積較大，其剪切強(qiáng)度也相當(dāng)高，致使摩擦表面因局部熔焊而停止相對運(yùn)動。,基本類型,粘著磨損是

12、在固/固界面上產(chǎn)生嚴(yán)重滑動摩擦的結(jié)果。 粘著磨損的基本物理過程是：粘著－剪切－再粘著－再剪切的循環(huán)過程，或是粘著點(diǎn)的生成－消失－再生成－再消失過程。 在此過程中，磨損主要是以材料轉(zhuǎn)移的形式表現(xiàn)出來，有時還會出現(xiàn)少量磨屑。,二、磨損機(jī)理,(1)面積-(2)載荷-(3)滑動距離為 ，磨損體積為,1、阿恰德模型理論,P,F,r,⑷單位滑動距離總的磨損體積為：,; 若n個微突體,總載荷為P,,故有:,考慮

13、磨損概率K實(shí)際磨損:,滑動距離L總的磨損為:,則:,*粘著磨損的磨損率：體積磨損率的理論計算式：式中， 　　－軟材料的屈服強(qiáng)度； 　　　　　　?。持p的磨損系數(shù)。它表示一個微突體在全部載荷接觸下滑動，產(chǎn)生一粒磨屑的概率，或產(chǎn)生磨屑的載荷接觸的微突體在全部載荷接觸的微突體中所占的百分比。 　　越大，材料磨損越嚴(yán)重。,,,,Holm認(rèn)為，互相接觸的兩個表面上，如果不同物體表面上的原子間的距離

14、m,小于物體本身原子間的距離d時，（圖所示），則不同原子間將作用有很強(qiáng)的分子力，會產(chǎn)生嚴(yán)重粘著，粘著的兩個表面被拉開時，將要損失一定數(shù)量的原子，產(chǎn)生磨損。,2、Holm理論——真實(shí)接觸理論。,磨損(過程)量計算：(1)Ⅰ物體上原子a1,在運(yùn)動過程中分別與Ⅱ物體上b1、b2……逐次接觸，每滑動距離d就與一個新的原子接觸，當(dāng)滑動L距離時，a1遇到的原子數(shù)L/d;(2)每兩個物體接觸面積為Ar，Ar面積上的原子數(shù)等于Ar/d2;因之兩

15、接觸面滑動L距離時，原子總的接觸次數(shù)Na等于；,(4)設(shè)每次接觸損失z個原子，原子體積為 ，則總的磨損體積V等于：,得:,(3)已知,則,3、Archard理論—結(jié)塊清除理論 Holm是從原子尺度來研究磨損的，研究真實(shí)接觸面積上磨損粒子的產(chǎn)生機(jī)理。為了便于分析，Archard發(fā)表了新的理論，稱為結(jié)塊清除理論，意思是：由于兩個表面上的凸峰相遇，導(dǎo)致塊狀粒子的損失。,Archard理論的模型 認(rèn)為真實(shí)的接觸面

16、積Ar是由n個（圖所示）的接觸點(diǎn)構(gòu)成。即:,接觸面滑動，接觸面積大小發(fā)生變化，達(dá)到圖c所示（即滑過2a距離）接觸點(diǎn)完全分開。,由式知　　　　接觸著的某一點(diǎn)，滑過Ｌ距離時與對偶面上微凸體接觸次數(shù)為L/2a；則接觸面整體滑過L距離總的接觸次數(shù)Np為：,假定磨屑半徑 ，產(chǎn)生磨屑的概率 ，則滑動 距離磨損體積：,粘著磨損的體積磨損率與法向載荷N (或正壓力p)成正比，而與軟金屬材料的屈服強(qiáng)度(或布氏硬度HB值)成反

17、比。 當(dāng)正壓力 時，會使磨損加劇，產(chǎn)生膠合或咬死。因此，在設(shè)計時應(yīng)保證正壓力不超過材料的布氏硬度的三分之一。 體積磨損率隨著粘著磨損的磨損系數(shù)的增大而增大，而后者主要取決于摩擦表面的潤滑狀況和兩滑動金屬相互牢固地粘著的趨向。 此外，磨損率與滑動速度無關(guān)。,,分析,,金屬的粘著磨損的磨損系數(shù),1）載荷 載荷引起表面塑性變形必然導(dǎo)致溫度升高，引起粘著。載荷達(dá)

18、到一臨界值可發(fā)生膠合的值稱為臨界載荷。,2）溫度 溫度升高可引起粘著，使表面膜破壞引起粘著發(fā)生的溫度稱為臨界失效溫度。 影響溫度特性的主要因素是表面壓力p和滑動速度v，其中速度影響較大，因此有時把pv值作為控制粘著磨損和防止膠合發(fā)生的一個參數(shù)。,影響因素：,3）摩擦材料同種材料相溶性好的材料材料塑性越高，粘著磨損越嚴(yán)重,脆性材料的抗粘著能力比塑性材料高脆性材料：正應(yīng)力引起，最大正應(yīng)力在表面，損傷淺

19、，磨屑也易脫落，不堆積在表面。塑性材料：剪應(yīng)力引起，最大剪應(yīng)力離表面某一深度，損傷深。,1、合理選擇摩擦副材料 為了避免和減輕粘著磨損，摩擦副宜選用互溶性小的金屬，即不要選用同種或晶格類型相近的金屬。Pb在Ni、Cr、Fe中的溶解度很低，是很好的摩擦副材料，但其強(qiáng)度低，所以應(yīng)選用其合金（如鉛青銅），或作為表面涂層來使用。在抗粘著能力方面，多相金屬優(yōu)于單相金屬，脆性材料優(yōu)于塑性材料，其粘著破壞的深度較淺。此外，非金屬材料（如高分子材

20、料、陶瓷等）不易與金屬產(chǎn)生粘著磨損。,三、防止和減輕粘著磨損的措施,2、進(jìn)行表面處理 采用表面氮化、滲硫、電鍍或采用非金屬涂層，均可提高摩擦表面抗粘著的能力，可有效地阻止金屬的粘著。,3、減小摩擦熱 控制pv值，或加強(qiáng)摩擦表面的冷卻(如對鉆機(jī)剎車副摩擦表面進(jìn)行水冷)，以消除產(chǎn)生粘著磨損的各種條件。,4、在潤滑劑中加油性添加劑或極壓添加劑 油性添加劑可提高潤滑油在金屬表面的吸附能力，保持良好的邊界潤滑狀態(tài)。極壓添加劑可分解出硫、

21、磷、氯等活性元素，與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)反應(yīng)膜，從而有效地防止或減輕金屬表面的粘著。,磨粒磨損是指在摩擦過程中，由于摩擦表面上硬的微突體或摩擦界面上的硬顆粒而引起物體表面材料損耗的一種磨損。這是最常見的一種磨損現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，因磨粒磨損而造成的損失約占各類磨損所造成的全部損失的一半。油田設(shè)備中許多零件的磨損都屬于磨粒磨損。,第三節(jié) 磨粒磨損,一、主要類型 由于物體表面硬的微突體使對偶表面產(chǎn)生的磨粒磨損稱為兩體磨粒

22、磨損(Two-body abrasive wear); 由于摩擦表面上存在自由硬顆粒而產(chǎn)生的磨粒磨損稱為三體磨粒磨損(Three-body abrasive wear)。,根據(jù)磨損程度的不同，磨粒磨損又可分為以下三種類型： 1、擦傷 磨粒作用在表面上的應(yīng)力較低，使摩擦表面沿滑動方向形成微細(xì)的擦痕。被塵土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出現(xiàn)這種磨損。 2、刮傷 磨粒作用在表面上的應(yīng)力較高，使脆性材料表面碎裂；而對韌性材料

23、，則往往表現(xiàn)為摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞破壞。 3、犁溝 在磨粒作用下，較軟金屬表面因塑性變形而出現(xiàn)較深的溝槽。,由于材料類型不同，有以下兩種磨損機(jī)理： 1、塑性變形機(jī)理 對于一般塑性材料(含金屬)，其磨粒磨損的主要物理過程可分為以下兩種： 1) 犁溝 軟材料在硬微突體或硬顆粒的擠壓下產(chǎn)生塑性變形，向兩邊隆起，此時，不發(fā)生材料脫落。但在發(fā)生多次變形后，表層材料脫落而形成二次切屑。,二、磨損機(jī)理,2) 微觀切削 如

24、同金屬加工的刨削過程一樣，在硬微突體或硬顆粒的切削作用下，材料脫落而形成一次切屑。,正角副角,*體積磨損率方程： 按照微切削作用在磨粒磨損的過程中起主導(dǎo)作用的觀點(diǎn)，并將硬材料表面的微突體轉(zhuǎn)化為一個圓錐體。,圖中： H為磨粒壓入材料的深度；L為磨粒滑動的距離；θ為（磨粒）側(cè)錐角； a為錐體壓入深度處的半徑。,,為材料的屈服強(qiáng)度， 為單個微突體的法向載荷,考慮磨粒運(yùn)動過程中，只有前部承受壓力＊,磨粒錐

25、體壓入材料的深度為,,,,單個磨?；瑒覮距離產(chǎn)生的磨損體積量,體積磨損率方程,二、磨損的計算為了對磨料磨損作出定量的描述。可以從磨粒入手。把磨?？醋鲆粋€錐體。在載荷Fn作用下插入較軟物體，假定滑動距離為 ，則磨損體積 為：,由圖知　　　　 ；又由于錐體向前運(yùn)動，外載荷ＦＮ只由錐體前半錐體承受，根據(jù)力的平衡知：　　　　　　　　把上述關(guān)系式代入可得：,根據(jù)上式可得出錐體移動單位距離的磨損量Ｖ為：式中　　

26、　　　　　 -----磨料磨損常數(shù)．刻槽時取　　　　　　則上式可寫成　 式中?。?----軟物體硬度,磨粒磨損的磨損系數(shù)Ka不僅和磨粒的幾何形狀有關(guān)，形成磨屑的概率等許多因素有關(guān)。,典型的磨粒磨損的磨損系數(shù)值。表中的數(shù)值是按尖銳的新生磨粒表面得出，經(jīng)磨損和粘附后，表中數(shù)值一般要下降一個數(shù)量級。,磨粒磨損的磨損系數(shù),磨粒磨損的磨損系數(shù)Ka不僅和磨粒的幾何形狀有關(guān)，形成磨屑的概率等許多因素有關(guān)。,2、斷裂機(jī)理 對于

27、一般脆性材料，如陶瓷、碳化物和玻璃等，當(dāng)載荷較大而磨粒較尖銳以及材料的斷裂韌性與硬度之比較低時，材料會出現(xiàn)壓痕斷裂。顯然，如果材料的斷裂韌性很好，磨損將減輕。一般斷裂機(jī)理比塑性變形機(jī)理產(chǎn)生的磨損大得多。,注意：材料發(fā)生磨粒磨損往往是上述兩種機(jī)理綜合作用的結(jié)果，只是由于材料特性和工況條件的不同，其中一種機(jī)理起主導(dǎo)作用，因此，隨著條件的變化，兩種機(jī)理會相互轉(zhuǎn)化。,其它：磨粒磨損是在摩擦過程中，與磨粒接觸的金屬表面在循環(huán)交變接觸壓應(yīng)力的作用下

28、產(chǎn)生表面疲勞破壞的結(jié)果。,影響磨粒磨損的因素除了摩擦副的工況條件和磨粒磨損的類型(兩體磨損和三體磨損)之外，還有金屬材料的硬度以及磨粒的硬度與尺寸。,三、影響磨粒磨損的因素,1、金屬材料的硬度 在一般情況下，金屬材料的硬度或金屬的含碳量越高，其耐磨性也越高。尤其是長期在低應(yīng)力下工作的零件，宜選用硬度較高的鋼。而在高應(yīng)力或沖擊作用下工作的零件，則應(yīng)選用韌性好、冷作硬化的鋼。 零件工作表面的磨損性能往往比原設(shè)計的硬度還

29、要高。例如，當(dāng)工作應(yīng)力高到足以在表面形成冷硬層時，錳鋼的耐磨性反而比工作應(yīng)力低時為更高。所以，應(yīng)當(dāng)考慮到零件磨損時產(chǎn)生的實(shí)際最大硬度，而不僅是零件工作表面原有的硬度。,2、磨粒的硬度,根據(jù)磨粒硬度和金屬本體硬度之間的關(guān)系，可將磨粒硬度對磨損的影響分為三個區(qū)間,I －低磨損區(qū)當(dāng) ，不產(chǎn)生磨粒磨損。II－磨損轉(zhuǎn)化區(qū)磨損隨磨粒硬度的增高而加劇。III－高磨損區(qū) 磨損量不再受磨粒硬度的影響。,,,,,研究

30、表明，要改善材料抗磨粒磨損的性能，必須滿足下列條件：,,,當(dāng) ，抗磨粒磨損的性能將不會得到更進(jìn)一步的改善， 可作為低磨粒磨損率的判據(jù)。,,3、磨粒尺寸,通常，金屬的磨粒磨損會隨磨粒尺寸的增大而加劇。這可能是由于磨粒的微切削作用深度增大所致。但磨粒尺寸達(dá)到一個臨界值以后，磨損量即保持不變?？梢哉J(rèn)為，此時磨粒尺寸增大使接觸應(yīng)力下降（當(dāng)法向載荷保持不變時），因而微切削深度不再增加。

31、 磨粒尺寸的臨界值隨金屬材料而異，對于A3和45號鋼，此值約為90～100μm 。,第四節(jié) 表面疲勞磨損(疲勞磨損),兩接觸表面作純滾動或滾動與滑動復(fù)合摩擦?xí)r，在高接觸壓應(yīng)力的作用下，經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)后，在其相互作用表面的局部地區(qū)產(chǎn)生小塊材料剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，這種磨損稱為表面疲勞磨損或簡稱疲勞磨損。,一、基本類型1、點(diǎn)蝕(pitting) 特征：初始裂紋出現(xiàn)在零件表面，表面疲勞破壞逐漸產(chǎn)生，破壞深度淺，材

32、料以小片脫落，最后在零件表面形成麻點(diǎn)狀小坑。 一般，當(dāng)表面接觸壓應(yīng)力較?。ㄐ∮诓牧霞羟袕?qiáng)度的55%），而摩擦系數(shù)較大時，表面疲勞磨損主要表現(xiàn)為點(diǎn)蝕。零件表面質(zhì)量較差時（如脫碳、淬火不足、有夾雜物等），尤其如此。,2、剝落(spalling) 當(dāng)表面接觸壓應(yīng)力較大（大于材料剪切強(qiáng)度的60%），而摩擦系數(shù)較小時，其初始裂紋往往在表面以下萌生并擴(kuò)展，疲勞破壞大都突然發(fā)生，材料呈片狀脫落，破壞區(qū)較大，這種表面疲勞磨損的形

33、式稱為剝落。 一般滾動軸承常發(fā)生這種形式的表面疲勞磨損，其破壞部位大多在軸承內(nèi)外圈的滾道和滾動體表面。,產(chǎn)生表面疲勞磨損的基本條件是： 產(chǎn)生滾動摩擦或滑動摩擦或二者兼有的摩擦副，承受了較高的重復(fù)接觸應(yīng)力（壓應(yīng)力或剪應(yīng)力）。 表面疲勞磨損與一般材料疲勞破壞的主要區(qū)別是： (1)磨損的產(chǎn)生與摩擦力有關(guān)； (2)磨損往往發(fā)生在材料的表層或次表層； (3)材料不存在疲勞極限。,在相同工作條件下，同一種

34、零件也有可能會同時出現(xiàn)以上兩種磨損形式。,1、點(diǎn)蝕的物理過程可分為以下三個階段： (1) 微觀裂紋的萌生 在滾動摩擦或滾動與滑動摩擦同時出現(xiàn)時，由于表面接觸剪應(yīng)力的作用非常接近表層，在表層產(chǎn)生塑性流變（流變層厚度約0.1～0.3mm），形成各向異性的纖維組織。因沿纖維組織方向（即塑性流向）的金屬移動的阻力最小，當(dāng)表面剪應(yīng)力足夠大時，在表面就會產(chǎn)生晶界微裂紋。,二、磨損機(jī)理,(2) 裂紋擴(kuò)展 表面形成微裂紋后

35、，潤滑油進(jìn)入其中。而在零件作相對運(yùn)動的過程中，潤滑油會被反復(fù)壓入裂紋并被封閉，封閉腔中的油壓增大，迫使裂紋擴(kuò)展。,裂紋擴(kuò)展的尺寸越大，裂紋形成封閉腔內(nèi)的儲油越多，作用于裂紋內(nèi)壁的油壓也越大。在多次重復(fù)作用下，裂紋擴(kuò)大到使表層材料在其危險截面處折斷并脫落，從而使零件表面形成麻點(diǎn)剝落。 在沒有潤滑油的情況下，由于摩擦表面的摩擦力更大，溫度更高，使表面材料產(chǎn)生畸變，局部應(yīng)力增大，從而使接觸表面在高的壓應(yīng)力、摩擦力和熱應(yīng)力等作用下，也會

36、產(chǎn)生點(diǎn)蝕。,(3) 表層疲勞剝落,,2、剝落的形成過程(和點(diǎn)蝕相似)，分為三個階段：,(1) 裂紋萌生 當(dāng)表面接觸應(yīng)力較大而摩擦力較小時，根據(jù)彈性理論中的赫芝方程可知，表層最薄弱處是在表面以下、距表面0.786b的地方，即最大剪應(yīng)力的作用點(diǎn)。 由于最大剪應(yīng)力的反復(fù)作用，微裂紋首先在該點(diǎn)產(chǎn)生，裂紋的方向與零件相對運(yùn)動的表面平行。,(2) 裂紋擴(kuò)展 隨著循環(huán)作用次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴(kuò)展，并產(chǎn)生與表面垂直或傾斜

37、的分枝裂紋。,(3) 表層脆斷剝落 隨著分枝裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展并互相交織在一起，在裂紋包圍的地區(qū)引起脆斷而剝落。,對于滲碳淬火的滾動接觸零件，當(dāng)滲碳層的深度不夠大時，其初始裂紋往往發(fā)生在硬化層與心部交界的過渡區(qū)。,*表面疲勞磨損的磨損率方程：,,是表面疲勞磨損的磨損系數(shù)，它與材料發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 成反比， 。,,三、影響表面疲勞磨損的因素,1、軸承鋼的性能與質(zhì)量

38、 鋼中非金屬的脆性夾雜物（氧化物、氮化物和硅酸鹽等）在交變應(yīng)力作用下，易與基體材料分離而形成空穴。當(dāng)空穴棱邊尖角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中超過材料的彈性極限后，會產(chǎn)生較大的塑性變形，導(dǎo)致材料硬化，從而產(chǎn)生裂紋。為此，必須改善鋼錠的冶煉方法，進(jìn)行凈化處理,這是降低鋼中夾雜物含量的根本措施。,此外，軸承鋼中碳化物含量太多、粒度太大、形狀不規(guī)則和分布不勻也會引起材料組織和性能的不均勻和應(yīng)力集中，從而降低材料抵抗表面疲勞磨損的能力。因此，適

39、當(dāng)降低軸承鋼中的含碳量，充分的鍛造，采用合理的球化退火工藝，以減少鋼中碳化物的含量，并使片狀及網(wǎng)狀碳化物變成球狀，以降低硬度，改善組織，減少淬火缺陷，這也是提高零件壽命的重要措施之一。,滲碳層一般具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，其深度直接影響滾動接觸零件內(nèi)部剪應(yīng)力的分布，以及剪應(yīng)力與材料剪切強(qiáng)度二者比值的變化。合理選擇滲碳層深度，將使最大剪應(yīng)力落在高強(qiáng)度的滲碳層內(nèi)，從而可大大提高零件的壽命。,2、滲碳鋼的性能與質(zhì)量,式中， －滲碳層深度，

40、mm； －接觸部位的相對曲率半徑，mm； －最大接觸應(yīng)力，MPa。 －滲碳層的維氏硬度。,*通常，可用下式確定滲碳層的合理深度：,材料心部的剪切強(qiáng)度也不可太低，否則，會增大剪應(yīng)力與材料剪切強(qiáng)度之比值，易在滲碳層與心部的過渡區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋，以至早期出現(xiàn)深層疲勞剝落。尤其是在熱處理不當(dāng)時(如零件尺寸過大、加熱保溫時間過短、材料淬透性差和冷卻劑不良等)，會在心部形成強(qiáng)度過

41、低的索氏體或鐵素體組織，從而使零件的壽命降低。因此，只有合理增大零件的心部硬度，才能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度的潛力，以有效地提高零件表面的抗疲勞磨損的能力。,潤滑油的粘度愈低，愈易滲入裂縫，加速裂紋的擴(kuò)展。根據(jù)彈性流體動壓潤滑理論，潤滑油的粘度越高，接觸壓力的分布就越均勻，零件抗疲勞磨損的能力也就越高。因此，必須嚴(yán)格控制潤滑油的含水量。而適當(dāng)?shù)卦跐櫥椭屑尤牍腆w潤滑劑(如MoS2)，也可改善零件表面抗疲勞磨損的性能。,3、潤滑油的粘度,4、零件

42、的表面粗糙度 零件的表面粗糙度越小，其壽命越長。 以滾動軸承為例，表面粗糙度參數(shù)，即輪廓算術(shù)平均偏差值Ra 等于（0.16—0.32）μm的軸承壽命比Ra 等于（0.32—0.63）μm的軸承的壽命高2～3倍；而Ra 等于（0.08—0.16）μm的軸承壽命又比Ra 等于（0.16—0.32）μm的軸承的壽命長一倍。但是，軸承的Ra 超過（0.04—0.08）μm 后，對其壽命影響甚微。,腐蝕磨損是金屬表面在摩擦

43、過程中與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的一種磨損。 由此可見，產(chǎn)生腐蝕磨損的必要和充分條件是具有在腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下的摩擦表面。實(shí)際上，這是腐蝕與磨損綜合作用的一種非常復(fù)雜的磨損形式。,第五節(jié) 腐蝕磨損(摩擦－化學(xué)磨損),一、腐蝕磨損的類型 按周圍介質(zhì)的不同，腐蝕磨損可分為以下兩種類型：,1、氧化磨損 當(dāng)摩擦副受到空氣中或潤滑劑中氧的作用時，會在金屬表面形成氧化膜，這種氧化物被磨掉的現(xiàn)象就是氧化

44、磨損。,通常，在輕載低速的條件下，氧化膜主要由Fe2O3 組成；在重載高速情況下，氧化膜主要是Fe3O4。 因氧化膜的生成速度隨時間按指數(shù)規(guī)律下降， 因此，如磨損速度小于氧化速度，則氧化膜對零件表面起保護(hù)作用（如鋁合金表面的韌性氧化鋁膜）；反之，則表面磨損加劇。在高溫和潮濕環(huán)境中以外，氧化磨損一般都比較緩慢。,因此，氧化磨損的磨損機(jī)理就是氧化膜的形成、破壞、再生與再破壞的周而復(fù)始的過程。,當(dāng)摩擦副受到酸、堿或海水等腐蝕介質(zhì)的

45、作用時，或在高溫條件下潤滑劑中的硫、磷、氯等元素與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，會在零件表面生成化學(xué)反應(yīng)膜，這種表面膜在摩擦過程中不斷被除去的現(xiàn)象，即為化學(xué)腐蝕磨損。其磨損機(jī)理則是化學(xué)反應(yīng)膜的不斷產(chǎn)生、破壞、再生與再破壞的過程。,2、化學(xué)腐蝕磨損,含鎘、鉛等元素的滑動軸承易被潤滑油中的酸性物質(zhì)腐蝕，在表面上生成小黑點(diǎn)，并在摩擦過程中形成小塊剝落。含銅的軸承材料與潤滑油中的硫生成硫化銅膜，在高溫時易在摩擦過程中破裂、剝落。化學(xué)腐蝕磨損的磨損速

46、度一般都比氧化磨損快。,二、腐蝕磨損的一般物理過程,1、 第一階段固體(1)和固體(2)與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)膜。如果環(huán)境溫度升高，將使反應(yīng)加劇。,2、第二階段 固體(1)和固體(2)發(fā)生相對運(yùn)動，在機(jī)械力的作用下，使反應(yīng)膜破裂并產(chǎn)生磨屑，而在反應(yīng)膜破裂的瞬間，所露出的新鮮表面又將進(jìn)入上述第一階段。 實(shí)際上，在整個磨損過程中還會發(fā)生腐蝕與磨損的交互作用，而且在上述第二階段往往伴隨有磨粒磨

47、損或粘著磨損。,腐蝕磨損的磨損率方程也可寫成下列形式： 式中， 為腐蝕磨損的磨損系數(shù)，它與反應(yīng)膜的臨界厚度以及接觸狀態(tài)等因素有關(guān)。 一般在 的范圍之內(nèi)。,1、腐蝕介質(zhì) 一般酸性介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，而堿性介質(zhì)的腐蝕性較弱。 如45號鋼在含有酸性介質(zhì)H2SO4和HCl的砂漿中，其腐蝕磨損量是在堿性介質(zhì)NaOH中的14～16倍，即使在腐蝕性較弱的NaCl中，其腐蝕磨損量也是在NaOH中的

48、1.6～3.6倍。  介質(zhì)濃度對腐蝕磨損的影響十分復(fù)雜，往往因材料而異。,三、影響腐蝕磨損的因素,2、緩蝕劑 由于在腐蝕磨損中，機(jī)械作用主要是通過影響電極反應(yīng)的陽極過程，增加陽極溶解速度，促使材料腐蝕。而在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑，可在陽極上形成鈍態(tài)的保護(hù)膜，以抑制陽極過程。,3、溫度 溫度升高對金屬腐蝕磨損會產(chǎn)生兩種相互矛盾的效應(yīng)： 1) 提高化學(xué)反應(yīng)速度，從而增加腐蝕速度；

49、2) 降低氧溶解度，從而降低腐蝕速度。,因此，在靜態(tài)腐蝕條件下，腐蝕速度隨溫度的升高會出現(xiàn)一個極大值。而如果消除氧的影響，腐蝕速度隨溫度增加而增加，并呈線性關(guān)系。,當(dāng)相互接觸的兩個固體表面以小振幅(一般小于100)振動而相互作用時，就會產(chǎn)生這種磨損現(xiàn)象。 微動磨損主要是上述四種基本磨損機(jī)理綜合作用而形成的一種磨損形式。 它一般發(fā)生在軸頸、螺栓聯(lián)接、鍵槽和花鍵等配合較緊的零件上，以及金屬密封和離合器中。這種磨損會

50、在零件的工作表面產(chǎn)生疲勞裂紋和微小的半球狀麻點(diǎn)。,第六節(jié) 微動磨損,一、磨損機(jī)理 微動磨損的磨損過程一般可分為三個階段：,1、周期性微幅振動產(chǎn)生的接觸變形，一方面導(dǎo)致零件工作表面上氧化膜的生成－破壞－再生－再破壞的磨損過程（氧化磨損）；另一方面，在固體表面之間同時產(chǎn)生粘著－剪切－再粘著－再剪切的磨損過程(粘著磨損)。,2、上述兩種磨損過程所產(chǎn)生的磨屑(以Fe2O3為主)，在零件不斷發(fā)生微幅振動的條件下，產(chǎn)生冷作硬化，它們

51、不僅會對零件表面產(chǎn)生微切削和研磨作用（磨粒磨損），而且還使零件表面在循環(huán)交變接觸壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，最后導(dǎo)致疲勞剝落或脆性破壞(表面疲勞磨損)。,3、上述磨損過程所產(chǎn)生的微動磨屑又進(jìn)一步促使第一階段磨損的發(fā)展。,*微動磨損的體積磨損率可用下式表示：,,式中， －微動磨損的磨損系數(shù)。 其數(shù)值主要取決于界面的潤滑狀況。對于無潤滑的表面， ； 對于潤滑不良和潤滑良好的表面， 的數(shù)值可分別采用相應(yīng)的粘著

52、磨損的磨損系數(shù)的數(shù)值。,,,,二、影響因數(shù),1、作用力影響⑴循環(huán)次數(shù)的影響：磨粒體積隨之增加磨損率隨著時間減少。（A、C軟材料,B、D振幅較大,振幅較?。普穹挠绊懀弘S滑動振幅增加而增加。⑶法向載荷的影響：載荷增加磨損量增加，達(dá)到一定時候反會減少。（接觸面振動）,D,A,B,C,循環(huán)數(shù),磨料體積,磨料體積,振幅,調(diào)質(zhì)鋼,淬火鋼,載荷,磨料體積,2、環(huán)境影響⑴外部介質(zhì)的影響：真空中磨損量低，因粘著點(diǎn)來回遷移不脫落。磨損

53、量隨表面濕度增加而降低。⑵溫度的影響：隨溫度增加降低，溫度較高時（150 0c）氧化加劇，磨損急速降低。⑶材料副的影響:不同材料副微動磨損不同,磨料體積,磨料體積,相對濕度,溫度,1、應(yīng)區(qū)分由“力控制”(部分滑移)和由“位移控制”(滑移發(fā)生在整個接觸界面上，滑移幅值為常量)這兩種微動磨損，對于前者應(yīng)增大摩擦系數(shù)或增大法向載荷以減小滑移幅值；對于后者，則應(yīng)減小摩擦系數(shù)和法向載荷，以減小磨損。,三、預(yù)防微動磨損的一般性原則,2、改進(jìn)

54、設(shè)計，消除引發(fā)微動的相對運(yùn)動；減少應(yīng)力集中等。3、采用噴丸處理和合適的表面涂層等表面處理技術(shù)。4、在兩接觸面間插入墊片，如用軟金屬片或低彈性模量的聚合物薄片將兩表面隔離，靠墊片的塑性或彈性變形來吸收微動。5、在接觸界面上加無腐蝕性的潤滑劑。,第七節(jié) 沖蝕磨損,沖蝕或浸蝕(侵蝕)磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊表面時出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象,一、類型微粒流沖蝕、流體沖蝕、氣蝕和點(diǎn)火花沖蝕等磨損由沖角：1、沖擊侵蝕2、

55、磨粒侵蝕,由介質(zhì)：1、噴沙沖蝕；2、雨滴、水滴沖蝕；3、泥漿沖蝕；4、氣蝕,二、沖蝕原理,微切削，塑性變形，疲勞破壞；脆性斷裂,1、脆性沖蝕----脆性材料,2、延性沖蝕（1）切削理論（2）變形理論（3）局部熔化理論（4）巴哈第爾現(xiàn)象學(xué)理論,二、影響因數(shù),1、沖擊顆粒硬度2、沖擊顆粒尺度3、沖擊顆粒形狀4、沖擊速度5、沖角影響6、被沖擊材料硬度,一、研究磨損理論的重要性 以上各節(jié)都是把某一種磨損現(xiàn)象作為

56、單一的、獨(dú)立的磨損形式進(jìn)行介紹，這是為了便于深入認(rèn)識和分析該類磨損的特征、特性及其產(chǎn)生與發(fā)展的規(guī)律性。然而，這也反映了摩擦學(xué)的研究工作基本上還只是孤立地對各類特定的磨損機(jī)理進(jìn)行分析與研究的現(xiàn)狀。為了更好地控制及預(yù)防各種磨損，這些研究工作都是十分必要的，并且也取得了不少進(jìn)展。但是，必須充分認(rèn)識到磨損是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下兩個方面：,*第八節(jié) 磨損理論簡介,1) 磨損現(xiàn)象的綜合性。 這包括兩層意思，其一是在實(shí)際

57、的摩擦副中，往往是多種形態(tài)的磨損同時發(fā)生，并且相互影響；其二是即使是某一種形態(tài)的磨損現(xiàn)象，也往往是機(jī)械的、化學(xué)的、電化學(xué)的、熱化學(xué)的以及力化學(xué)的多種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。,2) 磨損現(xiàn)象的不穩(wěn)定性。 這不僅表現(xiàn)在它的時變特征和漸進(jìn)的動態(tài)過程，而且還表現(xiàn)在對它所在的摩擦學(xué)系統(tǒng)中，各種因素作用的響應(yīng)。因此，外部或內(nèi)部條件的任何一種變化（甚至是微小的變化），既會引起量的變化（磨損增加或減少），也會引起質(zhì)的變化，包括某一種形態(tài)的磨損在多種

58、磨損形態(tài)共存中各自所占的比重，以及各種形態(tài)的磨損之間的相互作用與相互轉(zhuǎn)化。,磨損現(xiàn)象的這種復(fù)雜性往往是使室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果難于應(yīng)用于工程實(shí)際的主要原因之一，為此，必須從本質(zhì)上深入研究磨損機(jī)理，以建立能綜合闡明磨損發(fā)生與發(fā)展規(guī)律性的統(tǒng)一的磨損理論，否則，就不可能期望在磨損的預(yù)防與控制上取得根本性的突破。,二、磨損理論的研究進(jìn)展 嚴(yán)格地說，到目前為止，還沒有一種完善的磨損理論能闡明各種形態(tài)的磨損現(xiàn)象的共同本質(zhì)及其發(fā)生與發(fā)展的普遍規(guī)律。

59、下面僅簡要介紹這方面的研究進(jìn)展情況。,這是最早提出的一種磨損理論。這種理論認(rèn)為磨損是摩擦副中界面上一側(cè)的微凸體推壓并切掉另一側(cè)微凸體的現(xiàn)象，即把磨損看作是一種切削現(xiàn)象。 這種理論的最大的缺點(diǎn)是把磨損現(xiàn)象僅僅歸結(jié)為機(jī)械作用的結(jié)果，而絲毫沒有考慮摩擦表面上的各種非機(jī)械作用(如化學(xué)作用等)。,1、“犁溝”理論。,這種理論最早是在1946年由霍姆(R. Holm)建立的。他認(rèn)為在平面接觸的情況下，互相接近的兩個表面，由于摩擦作用

60、，一側(cè)的原子被對方原子捕捉的現(xiàn)象就是磨損。并導(dǎo)出了霍姆磨損方程。但后來的觀察表明，磨損不是原子捕捉而是更大規(guī)模的原子脫落的結(jié)果。對此，拉賓諾維奇和阿查德等人做了修正，提出了脫落的磨屑的計算模型和磨損方程。然而，這種理論無法解釋在滑動摩擦條件下，游離的磨屑的形成，以及在該對摩擦表面中硬材料表面也會發(fā)生磨損的現(xiàn)象。,2、“粘著”理論。,克拉蓋爾斯基于1957年發(fā)表了他在引入疲勞破壞的概念的基礎(chǔ)上，所創(chuàng)立的磨損的疲勞理論，從而使磨損理論的研究

61、進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。此理論的基本要點(diǎn)是：摩擦表面上的磨損是由于多次重復(fù)的摩擦作用的結(jié)果，即由于摩擦力的重復(fù)作用，材料受到累積損傷而最終導(dǎo)致疲勞破壞，這種破壞首先發(fā)生于微觀接觸區(qū)(微凸體)。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，其作用次數(shù)可以定量表示。這種理論不僅可用于解釋表面疲勞磨損現(xiàn)象，也可用于分析粘著磨損和磨粒磨損的磨損過程。,3、疲勞理論。,朱可夫 （C. H. Журков）把固體的破壞看作熱活化過程，建立了壽命與破壞應(yīng)力及破壞過程的活化能之間的關(guān)

62、系。這種理論主要用于分析高分子材料的磨損。,4、熱活化理論。,從磨損的物理本質(zhì)上看，任何磨損都是能量的轉(zhuǎn)換和分配的過程。為此，弗萊舍爾于1973年發(fā)表了他所提出的能量理論。此理論的基本要點(diǎn)是：摩擦表面的各個局部體積由于摩擦力作功(摩擦功)而變形，摩擦功的大部分以熱的形式消散，而小部分(約占全部摩擦功的9～16％)以內(nèi)能的形式儲存在該體積中，即變形能。當(dāng)該局部體積的內(nèi)能積累到足以使表面破壞的某個臨界值時，材料脫落，形成磨屑，即產(chǎn)生磨損。他

63、提出的這一理論，只能定性地解釋磨損的物理過程，而不能對磨損現(xiàn)象作定量描述。近年來，張嗣偉等提出了可對橡膠線接觸磨粒磨損進(jìn)行定量分析的橡膠磨損的能量理論。,5、能量理論。,N. P. 經(jīng)過多年的研究，認(rèn)為金屬的滑動磨損是通過摩擦表面的裂紋生長，使其表層材料沿平行表面的方向逐層剝落而形成的。1973年，他發(fā)表了磨損的剝層理論。這種理論對于軟、硬物體的磨損現(xiàn)象都能作出較滿意的解釋。,6、剝層理論。,磨損失效分析的對象和方法有三個對象（1

64、）磨損表面或亞表面分析 ①確定：從表面磨掉的材料數(shù)量 磨損損傷的類型 表面膜的存在及其類型 表面組分的變化 表面磨損粒子的狀態(tài)（嵌入、運(yùn)動方向） 表面微觀性能及組織結(jié)構(gòu)的變化,②方法： 微觀和宏觀相結(jié)合 采用金相顯微鏡、透射電鏡

65、、掃描電子顯微鏡； 化學(xué)分析儀器：俄歇、X射線能譜、X射線光電子能譜，X射線衍射等,（2）環(huán)境狀態(tài)分析①確定環(huán)境影響因素及指標(biāo)介質(zhì)的成分（油、水、氣）（S、Cl、SO4-2、CO3 -2 ）②方法：各種化學(xué)分析技術(shù),（3）磨損碎片和磨損粒子①磨屑。 因磨屑和磨損之間有一定的對應(yīng)關(guān)系、和磨損階段也有一定的對應(yīng)關(guān)系，能提供有關(guān)磨損機(jī)理的重要線索；②方法：磨屑可在表面發(fā)現(xiàn)或懸浮于潤滑劑中，表面分析可通過各種表面分