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1、.,1,磨损及磨损原理 第二讲,.,2,五.其他形式的磨损（补充）,七.磨损的控制与预防,微动磨损,题纲,六 .磨损的转化与复合,一 .概 述,二 .粘着磨损,三 .磨粒磨损,四 .疲劳磨损,.,3,微动磨损（Fretting Corrosion）,1.微动磨损定义 在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合型式的磨损。在有振动的机械中，螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。 微动磨损的机理：摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是
2、应力集中的根源。 根据被氧化磨屑的颜色，往往可以断定是否发生微动磨损。如被氧化的铁屑呈红色，被氧化的铝屑呈黑色，则振动时就会引起磨损。,五.磨损的主要类型（补充）,.,4,在外观上，微动磨损的表面特征是黑色金属上有褐红色斑点且临近区域被抛光，因为硬质铁氧化体磨屑具有研磨作用。,左图为303不锈钢轴表面产生微动腐蚀后的照片。,.,5,微动磨损基本上属于粘着磨损和磨粒磨损的混合机理： 载荷使微凸体产生粘着磨损，而往复运动引起断裂并产生磨屑。微动与腐蚀通常是同时发生的，被称作微动腐蚀。 例如，当钢磨粒产生后，出生的磨粒表面被氧化成Fe2O3，形成褐红色粉末，这些氧化颗粒具有研磨性，由于表面之间的紧配
3、合和小振幅往复运动（约为几十微米），界面接触没有暴露的机会，因而磨粒很难逃逸出摩擦表面，后续的往复运动就会产生磨粒磨损和氧化. 往复运动通常来自外部振动，但多数情况是接触界面的某个表面承受周期应力（或疲劳）的结果，这将引发早起疲劳裂纹而产生更大的微动磨损，称为微动疲劳。,微动磨损的发生过程：,.,6,微动磨损的特征,具有引起微动的振动源（机械力、电磁场、冷热循环等），流体运动所诱发的振动； 磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形以及微裂纹； 磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。,.,7,微动磨损机理主要解释下列实验现象：,真空或惰性气氛中微动损伤较小； 微动产生的磨屑主要由氧化物组成
4、； 循环数一定时，低频微动比高频损伤大； 材料流失量随负荷和振幅而增加； 低于室温比高于室温的磨损严重； 空气环境比湿空气中损伤大。,.,8,微动的三体理论,微动的三体理论认为磨屑的产生可看成是两个连续和同时发生的过程：, 磨屑的形成过程 接触表面粘着和塑性变形，并伴随强烈的加工硬化； 加工硬化使材料脆化，白层同时形成，随着白层的破碎，颗粒剥落； 磨粒(三体磨粒)被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺寸、形状和机械参数（如振幅、频率、载荷等）。,.,9, 磨屑的氧化过程 起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量级（约1m）； 在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度在亚微米
5、量级（约0.1m）； 磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗粒（约10nm） ，,.,10,利用三体理论来解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的变化过程：,接触表面膜去除，摩擦系数较低；,二体接触，发生粘着，摩擦系数上升。并伴随材料组织结构变化；,.,11,磨屑剥落，二体接触逐渐变成三体接触，因第三体的保护作用，粘着受抑制，摩擦系数降低；,磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表面随时间改变，形成和排出的磨屑达到平衡，微动磨损进入稳定阶段。,.,12,1.在一定范围内磨损率随载荷增加而增加，超过某极大值后又逐渐下降； 2.温度升高则磨损加速； 3.抗粘着磨损好的材料抗微动磨损也好； 螺纹
6、联接加装聚四氟乙烯垫圈也可减小微动磨损。 若氧化物能牢固地粘附在金属表面，则可减轻磨损 4.零件金属氧化物的硬度与金属的硬度之比较大时，容易剥落成为磨粒，增加磨损；,影响微动磨损的因素,.,13,6.在大气中，振幅很小时（如0.012mm），钢的微动磨损 量基本与振动频率无关，但在较大振幅时，随振动频率 的增加，微动磨损量有减小的倾向。,5.一般湿度增大则磨损下降，在界面间加入非腐蚀性润 滑剂或对钢进行表面处理，可减小微动磨损； 如对钢铁而言，相对湿度大于50%时，表面生成Fe2O3H2O薄膜，他比通常的Fe2O3软，具有较低的磨损率。,.,14,2. 微动疲劳,（1）微动疲劳的特征与诊断 微
7、动疲劳是指因微动而萌生裂纹源，并在交变应力下裂纹扩展而导致疲劳断裂的破坏形式。,特征一：出现位置：微动接触区或其影响区内。,.,15,诊断： 只要断口具有疲劳破坏特征，裂纹源发生于微动磨痕，裂纹扩展呈现阶段性即可确认为微动疲劳破坏。,特征二：裂纹扩展的阶段性。,碳钢微动疲劳时表面损伤疲劳裂纹扩展 循环次数 104，400,将遭受微动疲劳的部件在断裂之前沿微动方向剖开，可看到受微动影响的亚表层产生的疲劳裂纹。裂纹在近表面处扩展受材料晶界或缺陷影响，较深处为穿晶裂纹。,.,16,（2）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）,评定材料微动疲劳性能的主要方法是在微动条件下测定其应力(s)循环数(N)曲
8、线，称为sN曲线。,低碳钢的平面弯曲疲劳曲线,这是微动疲劳的一般规律： (1)微动造成疲劳强度明显下降这里普通疲劳极限为233MNm2，微动 动疲劳极限下降577%。 (2)在高应力低循环数时，微动对疲劳强度的影响较小，而当应力较低，循环数增加时，疲劳强度降低的比例也增加； (3）尽管在高循环次数下，微动疲劳强度降至很低值.仍有一确定的疲劳极限，在该值上，循环数可达107次以上,即使进一步增加循环数疲劳强度不再降低,.,17,（3）微动摩擦力和疲劳应力的协同作用将导致裂纹的萌生和加速其扩展。,拐点是微动作用的终止点 疲劳裂纹扩展的起始点,一般来说，当微动疲劳裂纹深入到表面1mm后，其扩展和断裂
9、过程将完全按一般的疲劳规律进行。,.,18,（4）影响微动疲劳的因素,1. 法向压力,疲劳强度随着微动处承受的法向压力的增加而下降。当压力达到一定数值时，疲劳强度基本不变。,.,19,微动疲劳寿命随振幅的增大而减小。当达到一临界值时，微动疲劳寿命达到最低值，此后随振幅继续增大寿命反而延长。,2. 微动振幅,振幅的增加为表面创造更多的损伤和萌生裂纹的机会。 当振幅较大时，受影响的面积增大，表面切应力会下降，一些刚萌生的浅裂纹有可能被磨掉，故材料疲劳强度又提高了。,.,20,环境气氛主要包括湿度及氧化。,3. 环境气氛,氧化作用虽然可以减少微动面上的初期粘着，但对裂纹却有可能起加速扩展的作用。,湿
10、度因材料而异，湿度增大会加速裂纹的萌生与扩展。耐蚀材料，微动疲劳几乎不受环境影响，而不耐蚀材料则主要决定于介质的作用。,.,21,微动磨损的控制与预防,综上，引起微动损伤的因素: 一是接触条件，如接触压力、循环次数、相对滑动振幅、振动频率等; 二是物理条件，如温度、表面硬度; 三是环境条件，即周围空气清洁程度、噪音以及润滑条件等。 其中，最重要的因素是接触表面的摩擦因数、滑移振幅和接触压力。尽管要完全消除微动操作是不现实的，但通过采取适当的措施，将其控制在一定程度是完全可能的。,.,22,1.结构设计改进,尽量减少接触面 如用焊接代替铆接、螺栓联结和螺钉联结结构，消除了微动损伤。对于必须采取铆
11、接和螺栓联结的结构，可采取增加部件刚度、加强放松措施。 对于轴承外瓦和轴承座接触面相对静止又不经常拆卸的配合表面，在装配时用厌氧胶或其他黏接剂将其粘结在一起，拆卸时可用加热或溶解的方法将其拆开。 对于一些常见的联结结构形式，设计时应考虑减少微动振幅或交变应力值，可采用提高加工精度，减少配合件公差，保证同轴度等措施减轻微动损伤。,.,23,2.材料的选择,在选材时须首先考虑材料的抗粘着性能和表面疲劳性能，其次是材料的整体疲劳性能和腐蚀性能。 应尽量避免使用性质相同或相近的材料。 脆性材料比塑性材料抗粘着能力强。 提高金属材料的硬度能增加抗粘着和剪切能力。 高温和经预氧化处理可形成薄而牢固吸附于表
12、面的氧化膜，明显提高材料的抗微动磨损性能。,.,24,3.表面强化工艺措施,(1)表面机械强化。包括喷丸、滚花、压丸、碾压等，目的是使表面产生压应力，提高表面硬度增加表面粗糙度来提高抗微动磨损性能; (2)表面化学强化。包括渗硫、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒等。通过化学强化工艺增加金属表面间化合物浓度，提高表面硬度，使表面产生压应力和改变表面化学成分，从而提高抗粘着性能和表面疲劳强度; (3)电镀和化学镀表面强化。包括镀银、铜、铝、锡、锌和镍等; (4)离子溅射、离子镀、离子注入。离子溅射可获得极薄而均匀的涂层，不仅获得良好的抗微动磨损性能，而且不影响原部件的配合公差;,.,25,(5)热喷涂表面强
13、化。包括离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂。热喷涂工艺虽然降低材料的普通疲劳强度，但能提高材料的微动疲劳强度; (6)冷挤压强化工艺。通过以位错和冷挤压强化工艺来提高微动疲劳寿命，或利用激光淬火提高其抗微动磨损能力。,综述： 完全消除微动磨损是不可能的，因此在实际工作中，要加强对典型机械零件结构中的微动损伤的研究，把微动损伤降低到最低程度。,.,26,1.磨损的控制因素： 材料选择 润滑剂的选择 表面粗糙度 机械结构和尺寸设计、安装调试等方面控制磨损 表面温升和冷却,七.磨损的控制和预防,.,27,材料的选择,各种磨损类型对材料性能的要求,.,28,润滑的主要作用之一是降低磨损，所以要针对可能存在的
14、磨损状况选择合适的润滑剂。应当提醒注意的是：有的润滑剂可能对抗粘着磨损有利，但却会引起更严重的氧化磨损。如含极压添加剂的润滑剂。因此选用时需权衡利弊。,润滑剂的选择,表面粗糙度,根据润滑状态（如流体润滑、边界润滑、固体润滑）的不同，选择合适的粗糙度。 表面纹理化,机械结构和尺寸设计、安装调试等方面控制磨损,如设计尽量用大面积接触，减小接触应力、减少磨损。 例外：如材料为超高分子量聚乙烯，应减小接触面积,.,29,材料的温升是导致摩擦副失效的重要原因，因此改善冷却条件，尽快降低摩擦面的温度是十分重要的。 如选用导热性能良好的材料，有条件情况下加大润滑剂流量，增大强制散热面积和增添散热装置等。,表
15、面温升和冷却,2.防磨措施,润滑 选用耐磨材料 进行表面改性,.,30,主要是改善润滑技术，包括正确运用润滑原理，合理设计润滑方式和润滑系统，研制开发新型有效的润滑材料等等。 某种润滑手段只对某种工况起最大作用,润滑,选用耐磨材料,根据不同的磨损类型来选择耐磨材料和摩擦副配对。,进行表面改性,使用整体耐磨材料通常比较昂贵，另外，有些性能能满足耐磨，但不能满足摩擦元件对强度、刚度、韧性等要求。采用表面改性的方法，可以充分发挥材料表面和芯部不同的作用。,改性后得到耐磨的硬表面。常用的有：机械强化处理，表面化学处理，常规的金属热处理，化学热处理，热喷涂和等离子喷涂膜等。,.,31,（1）机械强化处理
16、： 主要有喷砂、喷丸，起 冷作硬化作用。 目的与性能：达到一定的粗糙度，有利于机械啮合或储存润滑剂的作用；提高表面硬度，暴露新鲜表面，提高表面活性。,常见的表面改性技术,（2）表面化学处理： 是通过在表面上进行化学反应，使金属形成一个表面层。 如活性表面层FeS，易于润滑膜或边界膜的形成。或改变惰性材料表面的钝化性， 防腐蚀、耐磨等。,.,32,常用的表面化学处理方法有： 钢铁：磷化、硫化、氧化等。可提高其表面上润滑膜的防腐性及耐磨性。 不锈钢：氧化、草酸盐化。可增强不锈钢表面的活性。 铝：阳极氧化、氯化。可提高铝的耐磨性。 铜：氧化。,（3）常规金属热处理,淬火、表面淬火： （4）化学热处理 将一些元素及化合物,通过气相、液相或固相将其扩散到金属表层内的处理方法。,.,33,（5）物理强化表面改性,a、激光技术 表面形成冶金性结合的合金层； 粉末注入法； 照射改性； 相变硬化； 冲击硬化。,b、等离子技术 等离子轰击 等离子化学处理 等离子条件下进行镀层 等离子聚合反应 等离子喷涂,c、离子注入 将元素离子化，并
