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1、1,第六章 材料的磨损性能,2, 6-1磨损的基本概念与类型,1.摩擦 摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象，这种阻力为摩擦力。它同接触法向压力（p）和摩擦系数成正比。,一、摩擦与磨损的概念,有动静区分，静动。,3, 6-1磨损的基本概念与类型,1.摩擦,一、磨擦与磨损的概念,摩擦不仅会使材料磨耗，而且还会发热，导致接触表面瞬时温度升高，降低工件的机械效率，加重材料磨耗，故生产中总是力图减少摩擦，降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩擦力，如车辆制动器、摩擦离合器等。,4, 6-1磨损的基本概念与类型,2.磨损,一、磨擦与磨损的概念,磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损
2、伤的现象。 磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。这种动态特征的另一标志是材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。所以由常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣。,5, 6-1磨损的基本概念与类型,2.磨损,一、磨擦与磨损的概念,材料的磨损除主要由力学因素引起外，在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。 如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布的改变，因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结晶，因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。,6, 6-1磨损的基本
3、概念与类型,2.磨损,一、磨擦与磨损的概念,机件正常运行的磨损过程如图所示，一般分为3个阶段，曲线上各点斜率即为磨损速率。,7, 6-1磨损的基本概念与类型,2.磨损,一、磨擦与磨损的概念,(1)跑合(磨合)阶段。该阶段随着表面被磨乎，实际接触面积不断增大，表层应变硬化，磨损速率不断减小。表面形成牢固的氧化膜，也降低了该段的磨损速率。 (2)稳定磨损阶段。该段的斜率就是磨损速率，为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役，磨合得越好，该段磨损速率就越低。,8, 6-1磨损的基本概念与类型,2.磨损,一、磨擦与磨损的概念,(
4、3)剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长，磨耗增加，摩擦副接触表面间隙增大，机件表面质量恶化，润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损重新加剧，机件快速失效。,9, 6-1磨损的基本概念与类型,二、磨擦的基本类型,磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分4类： 粘着磨损 磨料磨损 腐蚀磨损 麻点疲劳磨损(接触疲劳),10, 6-2磨损过程,一、粘着磨损,粘着磨损又称咬合磨损，是因两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 其磨损表面特征是
5、机件表面有大小不等的结疤。,11,粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。,12, 6-2磨损过程,二、磨粒磨损,磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损，是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。 依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式3类。,13, 6-2磨损过程,二、磨粒磨损,磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽，如图所示。沟槽可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合作用的结果。,14, 6-2磨损过程,三、接触疲劳,接触疲
6、劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。,15,接触疲劳的宏观形态特征是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑)，有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹，如图所示。,16, 6-3耐磨性及其测量方法,耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一个明确的统一指标，通常用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。 磨损量的测量有称重法和尺寸法两种。称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据表面
7、法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。,17, 6-3耐磨性及其测量方法,常用磨损量的倒数或用相对耐磨性()表征材料的耐磨性。即,相对耐磨性的倒数亦称磨损系数。,18, 6-4提高材料耐磨性的途径,一、减轻粘着磨损的主要措施,(1)合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对，如非同种或品格类型、电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合物材料；强度高不易塑变的材料。 (2)避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。,19, 6-4提高材料耐磨性的途径,一、减轻粘着磨损的主要措施,(3)为使磨屑多沿接触面剥落，
8、以降低磨损量，可采用表面渗疏、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又避免直接接触。 为使磨损发生在较软方材料表层，可采用渗碳、掺氮共渗、碳氮硼三元共渗等工艺以提高另一方的硬度。,20, 6-4提高材料耐磨性的途径,二、减轻磨粒磨损的主要措施,(1)若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬度。选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料。 (2)若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体。 (3)就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响。 (4)对于经渗
9、碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤，以减轻磨粒磨损量。,21, 6-4提高材料耐磨性的途径,二、减轻磨粒磨损的主要措施,(5)确定材料硬度时，应以Hm1.3Ha(Hm为摩擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。硬度相同时，钢中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨损能力。 (6)值得提及的是具有单相组织的高锰钢w(C)1.0-1.3，w(Mn)11-14因其有很高的加工硬化能力，是公认的理想抗凿削磨损材料。,22, 6-4提高材料耐磨性的途径,三、提高接触疲劳抗力的措施,(1)采用真空电弧冶炼和电渣重熔等工艺提供优质纯净的材料；或钢中含有适量塑性硫化
10、物夹杂，能将脆性氧化物夹杂包住形成共生夹杂物，降低氧化物的破坏作用，于提高材料接触疲劳抗力有益。 (2)对轴承钢接触疲劳性能的研究表明，末溶碳化物状态相同的条件下，马氏体含碳量在0.4-0.5左右时，接触疲劳抗力、寿命最高。,23, 6-4提高材料耐磨性的途径,三、提高接触疲劳抗力的措施,(3)在基体为马氏体的组织中，减小碳化物粒度并使之呈球状均匀分布，使基体中马氏体、残余奥氏体和末溶碳化物量之间有最佳匹配，可最大限度地提高接触疲劳抗力。 (4)材料表面硬度可部分地反映材料抗塑变能力及剪切强度的高低，因此对材料表面硬度应有最佳要求，同时还要考虑心部硬度和足够的硬化层深度，使表层材料硬度变化不要
11、太陡。,24, 6-4提高材料耐磨性的途径,三、提高接触疲劳抗力的措施,(5)合理选择表面硬化工艺，在一定深度范围内保存残余压应力，于提高接触疲劳抗力极有利。 (6)改善接触配对副的表面状态，减少冷热加工缺陷，降低表面租糙度，降低摩擦系数，也是很有效的措施。,25, 6-4提高材料耐磨性的途径,四、非金属材料的磨损特性,工程陶瓷材料受接触应力后，在局部的应力集中区表层发生塑性变形，或在水、空气、介质、气氛的影响下形成易塑性变形的表层，进而开裂产生磨屑。因此，陶瓷的摩擦磨损行为对表面状态极为敏感。 陶瓷材料抗冲蚀性能不仅与组分纯度有关，还与其制备工艺密切相关。,26, 6-4提高材料耐磨性的途径
12、,四、非金属材料的磨损特性,聚合物的硬度虽远低于工程陶瓷和金属，但其具有较大柔性，故在不少场合应用下显示出较高的抗划伤能力。聚合物的化学组成、结构与金属相差较大，两者的粘着倾向很小，磨粒磨损时，聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。其特有的高弹性又可在接触表面产生变形面不发生切削犁沟式损伤，如同用纫挫刀挫削一块橡皮一样，表现出较好的抗磨损性能。,27, 6-4提高材料耐磨性的途径,四、非金属材料的磨损特性,在摩擦条件下，金属材料在高分子材料表面滑动时，仍是粘着性接合，但表面的塑性变形使高分子链趋向平行滑动表面排列，在随后的滑动过程中，这种取向的分子链易沿该方向被剪断，使摩擦系数仅有0.05-0.2因此，就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副。,
