磨损及磨损原理-第一讲汇编

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1、磨损及磨损原理 第一讲 一 .概 述 二 .粘着磨损 三 .磨粒磨损 四 .疲劳磨损 五 .其他形式磨损 冲蚀磨损、化学磨损 六 .磨损的转化与复合 题纲 第一节 概 述 任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产 生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成 表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用 寿命。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视 研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1312消耗 于摩擦，而机械零件80失效原因是磨损。 轮胎压痕(SEM 5000X) 摩擦痕迹(350X) 1.1磨损研究的重要性 与摩擦相比，磨损要复杂得多。对大多

2、数机器来说，与摩擦相比，磨损要复杂得多。对大多数机器来说， 磨损比摩擦显得更为重要，实际上人们对磨损的理解远磨损比摩擦显得更为重要，实际上人们对磨损的理解远 远不如摩擦。对机器磨损的预测能力也很差。远不如摩擦。对机器磨损的预测能力也很差。对于大多对于大多 数不同系统的材料，在空气中的摩擦系数大小相差不超数不同系统的材料，在空气中的摩擦系数大小相差不超 过过2020倍，而磨损率之差却很大，倍，而磨损率之差却很大，如聚乙烯对钢的磨损和如聚乙烯对钢的磨损和 钢对钢的磨损之比可相差钢对钢的磨损之比可相差1010 5 5 倍。倍。 在具体的工作条件下，磨损影响因素十分复杂，它包在具体的工作条件下，磨损影

3、响因素十分复杂，它包 括工作条件、环境因素、介质因素和润滑条件以及零件括工作条件、环境因素、介质因素和润滑条件以及零件 材料的成分、组织和工作表面的物理、化学、机械性能材料的成分、组织和工作表面的物理、化学、机械性能 等，了解影响因素有利于实现对磨损的控制。等，了解影响因素有利于实现对磨损的控制。 1.2磨损研究的进展 磨损的研究工作开展得较迟，本世纪50年代初期在工业 发展国家开始研究“粘着磨损”理论，探讨磨损机理。1953年 美国的J. F. Archard 提出了简单的磨损计算公式，1957年 苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法，1973 年美国的N.P.Suh提出了磨损剥层

4、理论。 20世纪60年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、 俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技 术、铁谱技术等大量的综合的应用，使得磨损研究在磨损力 学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。 把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和录像，了解 磨损的动态过程；研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、成 分、组织和性能的变化，以监测磨损过程，分析磨损机理， 从而寻求提高机器寿命的可能途径。 1.3磨损定义： 磨损是摩擦副相对运动时，在摩擦的作用下，材料表面物 质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。 表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。 (1) 机械作用使摩

5、擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。 (2) 化学作用使摩擦表面发生性状的改变。 (3) 热作用使摩擦的表面发生形状的改变。 定义说明 磨损并不局限于机械作用，由于伴同化学作用而产生的腐蚀 磨损；由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损；以及 由于伴同热效应而造成的热磨损等现象都在磨损的范围之内； 定义强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而，橡胶表面 老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴 ； v定义说明 磨损发生在物体工作表面材料上，其它非界面材料的损失 或破坏，不包括在磨损范围之内； 磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和 材料的转移(材料从一个表面转移到另一个

6、表面上去)，破坏 包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。不断损失或破 坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次 。 1.4 磨损的危害： (1) 影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损 ，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损 ，影响零件的加工精度。 (2) 降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功 率不能充分发挥。 (3) 减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损 。 (4) 消耗材料, 造成机械材料的大面积报废。 1.5 研究内容： (1) 磨损类型及发生条件、特征和变化规律。 (2) 影响磨损各种因素，包括材料、表面形态

7、、环境、滑动 速度、载荷、温度等。 (3) 磨损的物理模型、计算及改善措施。 (4) 磨损的测试技术与实验分析方法。 表面被磨平 ，实际接触 面积不断增 大，表面应 变硬化，形 成氧化膜， 磨损速率减 小。 斜率就是磨损速率，唯一稳定值 ；大多数机件在稳定磨损阶段（ AB段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。 随磨损的增长，磨耗 增加，表面间隙增大 ，表面质量恶 化，机件快速失效。 1.6 磨损过程的一般规律： 1、磨损过程分为三个阶段: 非典型磨损曲线 2. 磨损特性曲线 典型浴盆曲线典 型浴盆曲线 磨损率:单位时间内单位载荷下材 料的磨损量的表示 1.7 磨损类型 1、磨损

8、 类型 其 他 磨 损 类 型 破坏方式 基 本 特 征 微动磨损磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通 常作为磨料加剧磨损。 剥 层破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展 ，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。 胶 合表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速 重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。 咬 死黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加 ，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。 点 蚀材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。 研 磨 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。 划 伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削

9、或犁沟造成。 凿 削存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成 2、 表面破坏方式及特征 磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常 作为磨料加剧磨损。 表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重 载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。 黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加， 摩擦副相对运动受到阻碍或停止。 破坏首先发生在次表层，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落 ，形成片状磨屑。 材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。 低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。 存在压坑，间或有粗

10、短划痕，由磨粒冲击表面造成 1.8磨损的评定 磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前 对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法：磨损量、 耐磨性和磨损比。 （1）磨损量 评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和 重量磨损量Ww。 长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的 磨损监测中经常使用。 体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的 改变量。 在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此，用磨损率Wt来表示 时间的特性。其它指标还有磨损强度W(单位摩擦距离的磨损量，有人也 把它称为磨损率)，和磨损速度WT

11、(是指机器完成一单位工作量的磨损量 )。 （2）耐磨性 材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性 。材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相 对耐磨性是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的 比值，其中材料之一的A是标准(或参考)试样。 AWA/WB 磨损量WA和WB一般用体积磨损量，特殊情况下可使用 其它磨损量。 耐磨性通常也用绝对指标W-1或W-1表示，即用磨损量或 磨损率的倒数表示。 W-1=1/W, W-1=1/W 耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数，也可用体积磨损 率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。 绝对耐磨性 和相对耐磨性的关系是AWAW1 （3）磨损

12、比 冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度 量磨损。 它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段 中所测量的磨损比将有较大的差别。 不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一 定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或 工况下的数据是不可比较的。 第二节 粘着磨损 1 定义: 当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应 所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材 料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到 另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。 2 粘着磨损机理： 当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几 个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷 作用下，微凸体的局部压力就可能超过材料的 屈服压力而发生塑性变形，继而

13、使两摩擦表面 产生粘着（焊接） 。当微凸体相对运动时，相 互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料 或成为磨屑，或发生转移。如撕断处在焊接的 部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接 的部位，则发生物质的转移。粘着-剪断-转移- 再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。 粘 着 磨 损 (1)轻微磨损: 粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低，剪切破坏发生在 粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。 此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常 在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。 (2)涂抹: 粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。

14、剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬 金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。 v粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。 v出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱 ，润滑条件差，接触应力大。 根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损 有五种不同的形式（五类典型粘着磨损） ： (5) 咬死： 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低于粘 着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。 (3)擦伤： 粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表 层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划

15、痕，硬金属表面也偶有划伤。 (4)划伤： 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合强度 。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。 此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继 续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现 局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。 (1)摩擦副材料： a:材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。 塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生 在表层深处，磨损颗粒大 。 脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易 脱落，不堆积于表面。 根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切 应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一 定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。 4. 粘着磨损的影响因素 b:材料的互溶性： 1.相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。 2.异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。 3.金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦副 。 一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属 摩擦副，摩擦互溶性最差。 随着滑动速度的变化，磨损类型由一