材料的磨损原理课件

第四章材料的磨损原理第四章材料的磨损原理 学号：学号：2011208093姓名姓名:材料的磨损原理第四章材料的磨损原理 学号：2011208093材1第四章第四章 材料的磨损原理材料的磨损原理4.4 微动磨损（微动磨损（Fretting Corrosion）材料的磨损原理第四章 材料的磨损原理4.4 微动磨损（Fretti2一、概述一、概述 1.微动磨损定义微动磨损定义70年代欧洲合作与发展组织（年代欧洲合作与发展组织（OECD）的定义：）的定义：两个表面之间发生小振幅相对振动引起的磨损现两个表面之间发生小振幅相对振动引起的磨损现象。象。微动损伤中化学或电化学反应占重要地位的则称微动损伤中化学或电化学反应占重要地位的则称为微动腐蚀（为微动腐蚀（Fretting Corrosion）。）。微动磨损的部件，同时或在微动作用停止后，受微动磨损的部件，同时或在微动作用停止后，受到循环应力，出现疲劳强度降低或早期断裂的现到循环应力，出现疲劳强度降低或早期断裂的现象称为微动疲劳象称为微动疲劳（Fretting Fatigue）。材料的磨损原理一、概述材料的磨损原理32.微动磨损的发展历程微动磨损的发展历程1911年，年，Eden、Rose和和Cunningham首先观察到首先观察到微动与疲劳的联系；微动与疲劳的联系；1924年，年，Gillet和和Mack发表了机器紧固件因微动导发表了机器紧固件因微动导致疲劳寿命明显降低的报告；致疲劳寿命明显降低的报告；1927年，年，Tomlinson认为腐蚀是次要因素并提出了认为腐蚀是次要因素并提出了一种微动机理；一种微动机理；1941年，年，Warlow-Davies注意到微动可以加速疲劳注意到微动可以加速疲劳破坏；破坏；1949年，年，Mindlin提出在一定条件下，微动区存在提出在一定条件下，微动区存在滑移区和非滑移区，计算分析了接触表面的应力分滑移区和非滑移区，计算分析了接触表面的应力分布；布；材料的磨损原理2.微动磨损的发展历程材料的磨损原理41950年，第一届年，第一届ASTM Symposium On Fretting Corrosion在美国的在美国的Philadelphia召开，并宣读五篇论召开，并宣读五篇论文，会上由文，会上由IMing Feng和和Rightmire提出了一种微提出了一种微动理论；动理论；1951年，年，Uhlig在在JApplMech发表了题为发表了题为Mechanism Of Fretting Corrosion的论文；的论文；1969年，年，Nishioka、Nishimura和和Hirakawa提出了一提出了一种早期的微动疲劳模型；种早期的微动疲劳模型；1970年，年，Hurrick在在Wear发表发表The Mechanism Of Fretting的论文，认为微动分为三个过程；的论文，认为微动分为三个过程；材料的磨损原理1950年，第一届ASTM Symposium On Fre51972年，年，Waterhouse发表了首部编著发表了首部编著Fretting Corrosion，Hoeppner提出了微动疲劳极限的概念；提出了微动疲劳极限的概念；1974年，年，Specialists Meeting On Fretting in Aircraft在德国在德国Munich召开，发表论文召开，发表论文16篇；篇；1977年，年，Waterhouse将大位移滑动磨损的剥层将大位移滑动磨损的剥层（delamination）理论引入微动磨损的研究；）理论引入微动磨损的研究；1981年，年，Waterhouse编辑出版了由编辑出版了由10篇论文组成的篇论文组成的Fretting Fatigue论文集；论文集；材料的磨损原理1972年，Waterhouse发表了首部编著Frettin61982年，第二届年，第二届ASTM Symposium On Materials Evaluation under Fretting Conditions在美国在美国Philadelphia召开，宣读论文近召开，宣读论文近20篇；篇；1985年，年，Wear编辑出版了在英国编辑出版了在英国Nottingham召开的召开的Fretting Wear Seminar会议专辑，发表了会议专辑，发表了15篇论文；篇论文；1988年，年，Wear期刊在期刊在Waterhouse退休之际，编辑出退休之际，编辑出版了他的版了他的13篇论文专辑，在该专辑中，篇论文专辑，在该专辑中，Berthier、Vincent和和Godet提出提出Velocity Accommodation理论；理论；材料的磨损原理1982年，第二届ASTM Symposium On Mat71990年，年，Godet提出微动三体理论；提出微动三体理论；1990年，第三届年，第三届ASTM Symposium On Standarization Of Fretting Fatigue Tests Methods and Equipment在美国的在美国的Philadelphia召开，宣读论召开，宣读论文文20篇；篇；1992年，年，Waterhouse发表了发表了Fretting Wear综述论文；综述论文；1992年，年，Zhou和和Vincent提出二类微动图理论，成为提出二类微动图理论，成为揭示微动运行和损伤规律的重要理论；揭示微动运行和损伤规律的重要理论；材料的磨损原理1990年，Godet提出微动三体理论；材料的磨损原理81993年，在英国的年，在英国的Sheffield召开召开International Symposium On Fretting-Fatigue，宣读论文，宣读论文37篇；篇；1996年，在英国的年，在英国的Oxford召开召开Euromech 346 On Fretting Fatigue会议，宣读论文会议，宣读论文18篇；篇；1997年，在中国成都召开首届年，在中国成都召开首届International Symposium On Fretting，宣读论文，宣读论文32篇；篇；1998年，在美国年，在美国Salt Lake City召开召开2nd International Symposium On Fretting Fatigue，发表学术论文近，发表学术论文近40篇；篇；材料的磨损原理1993年，在英国的Sheffield召开Internati92001年，在日本召开年，在日本召开3rd International Symposium On Fretting Fatigue，并形成每，并形成每3年一次的微动疲劳系列年一次的微动疲劳系列国际会议。国际会议。3.一些统计数据一些统计数据（1）国家和地区的分布）国家和地区的分布 按照发表论文的数量，主要有英国、法国、美国、日按照发表论文的数量，主要有英国、法国、美国、日本、加拿大、瑞典、德国、中国、瑞士和比利时。这本、加拿大、瑞典、德国、中国、瑞士和比利时。这些国家发表的论文数占论文总数的些国家发表的论文数占论文总数的90以上。以上。材料的磨损原理2001年，在日本召开3rd International S10（2）研究机构及人员）研究机构及人员 约有约有300名研究人员作为第一作者或合作者在刊物和名研究人员作为第一作者或合作者在刊物和会议上发表微动摩擦学研究的论文，一半左右仅出现会议上发表微动摩擦学研究的论文，一半左右仅出现一次署名。发表微动摩擦学研究论文最多的有七个研一次署名。发表微动摩擦学研究论文最多的有七个研究单位，主要集中在法国、英国、美国。究单位，主要集中在法国、英国、美国。（3）研究领域分布）研究领域分布 微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近一半，微动磨损和微动疲劳方面发表的论文数各占近一半，而有关微动腐蚀的论文相对较少。而有关微动腐蚀的论文相对较少。材料的磨损原理（2）研究机构及人员材料的磨损原理11（4）研究内容）研究内容 基础研究基础研究 从简单的工业微动破坏现象的观察、单一实验参数的从简单的工业微动破坏现象的观察、单一实验参数的影响，走向破坏机理的实验分析、综合机械材料参数影响，走向破坏机理的实验分析、综合机械材料参数（如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、（如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构、力学性能等）的影响。力学性能等）的影响。从平移微动模式的研究，走向其他微动模式（如径向、从平移微动模式的研究，走向其他微动模式（如径向、滚动、扭动、冲击等模式）和复合微动模式等的研究。滚动、扭动、冲击等模式）和复合微动模式等的研究。材料的磨损原理（4）研究内容材料的磨损原理12 理论分析理论分析 理论分析不再局限于理论分析不再局限于Hertz弹性接触理论，而借助计弹性接触理论，而借助计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能量分析（包括热力学）等研究手段来模拟微动的运行和破坏（包括热力学）等研究手段来模拟微动的运行和破坏过程。过程。新材料新材料 过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合金，现在已有不少研究者开始致力于各种新材料的合金，现在已有不少研究者开始致力于各种新材料的微动损伤规律的研究。微动损伤规律的研究。材料的磨损原理 理论分析材料的磨损原理13 环境影响环境影响 微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之外，诸如流动空真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之外，诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也得到积极开展。等特殊环境下的微动破坏机理的研究也得到积极开展。防护措施防护措施 研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破研究领域已从微动破坏机理研究走向机理与抗微动破坏研究并重的阶段，各种减缓技术如表面处理、润滑坏研究并重的阶段，各种减缓技术如表面处理、润滑和结构设计改进等有很大的进展。和结构设计改进等有很大的进展。材料的磨损原理 环境影响材料的磨损原理14 工业应用工业应用 航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、航空部门、核电站、高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入器官、电接触等工业领域的微动损伤已日益人工植入器官、电接触等工业领域的微动损伤已日益成为研究热点。成为研究热点。4.微动磨损的特征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；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磨痕具有方向一致的划痕、硬结斑和塑性变形以及微裂纹；裂纹；磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。磨屑易于聚团、含有大量类似锈蚀产物的氧化物。材料的磨损原理 工业应用材料的磨损原理15二、微动磨损理论二、微动磨损理论 一个较为完满的微动磨损理论应该能对下列实验现象一个较为完满的微动磨损理论应该能对下列实验现象作出合理的解释：作出合理的解释：真空或惰性气氛中微动损伤较小；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；微动产生的磨屑主要由氧化物组成；循环数一定时，低频微动比高频损伤大；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；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；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。空气环境比湿空气中损伤大。材料的磨损原理二、微动磨损理论材料的磨损原理161.Uhlig模型模型室温下铁的氧化为：室温下铁的氧化为：每一循环造成氧化层的重量损失为：每一循环造成氧化层的重量损失为：每一循环金属的磨损量为：每一循环金属的磨损量为：材料的磨损原理Uhlig模型材料的磨损原理17总的微动磨损量：总的微动磨损量：材料的磨损原理总的微动磨损量：材料的磨损原理18uhlig根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：Uhlig的模型不足：的模型不足：忽略了忽略了氧化膜氧化膜起到防止材料粘着的有利作用起到防止材料粘着的有利作用忽略了微动过程中忽略了微动过程中磨屑磨屑参与磨损的作用参与磨损的作用 因此它不能解释实验中出现的许多现象，至少对微动磨因此它不能解释实验中出现的许多现象，至少对微动磨损随损随循环次数循环次数的变化规律不能给予完满的说明。的变化规律不能给予完满的说明。材料的磨损原理uhlig根据钢的微动磨损实验得到经验公式为：材料的磨损原理192.Feng和和Rightmire模型模型Feng和和Rightmire在总结在总结微动循环次数与材料失重微动循环次数与材料失重关系后提出来的。关系后提出来的。可以将曲线分为四个阶段：可以将曲线分为四个阶段：OA段：由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升；段：由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升；AB段：从剪切到磨粒参与磨损使曲线第二次向上弯曲；段：从剪切到磨粒参与磨损使曲线第二次向上弯曲；BC段：磨粒作用下降，从而减缓材料损失；段：磨粒作用下降，从而减缓材料损失；CD段：最后达到稳定磨损率。段：最后达到稳定磨损率。材料的磨损原理2.Feng和Rightmire模型材料的磨损原理20 接触首先发生在微凸体接触首先发生在微凸体 上，少量磨屑落入谷内；上，少量磨屑落入谷内；磨屑填满谷，使磨损变磨屑填满谷，使磨损变成磨粒磨损。许多微凸成磨粒磨损。许多微凸体合并成一个小平台；体合并成一个小平台；磨屑进一步增加，并磨屑进一步增加，并开始从接触区溢出进入邻开始从接触区溢出进入邻近的洼谷区；近的洼谷区；材料的磨损原理 接触首先发生在微凸体 材料的磨损原理21 接触区压力再分布，中接触区压力再分布，中心压力增高，边缘压力降心压力增高，边缘压力降低，使中心的磨粒磨损加低，使中心的磨粒磨损加重，凹坑迅速加深。重，凹坑迅速加深。模型很快为科学家们所接受：模型很快为科学家们所接受：形象地说明微动磨损中表面变粗糙的现象形象地说明微动磨损中表面变粗糙的现象 确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征确立了磨粒磨损是稳态阶段的特征不足：至今尚未达到令人满意的定量描述。不足：至今尚未达到令人满意的定量描述。材料的磨损原理 接触区压力再分布，中材料的磨损原理223.微动的三体理论微动的三体理论 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：和同时发生的过程：磨屑的形成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；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；碎，颗粒剥落；颗粒被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的尺颗粒被碾碎，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）。寸、形状和机械参数（如振幅、频率、载荷等）。材料的磨损原理3.微动的三体理论材料的磨损原理23 磨屑的演化过程磨屑的演化过程起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量起初磨屑呈轻度氧化，仍为金属本色，粒度为微米量级（约级（约1m）；）；在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，在碾碎和迁移过程中进一步氧化，颜色变成灰褐色，粒度在亚微米量级（约粒度在亚微米量级（约0.1m）；）；磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗磨屑深度氧化，呈红褐色，粒度进一步减小为纳米颗粒（约粒（约10nm），射线衍射分析表明磨屑含，射线衍射分析表明磨屑含-Fe、-Fe2O3（呈红色）和低百分比的（呈红色）和低百分比的Fe3O4。材料的磨损原理 磨屑的演化过程材料的磨损原理24 利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次的变化过程：循环周次的变化过程：接触表面膜去除，摩擦系数较低；接触表面膜去除，摩擦系数较低；第一、二体之间相互作用增加，发生粘着，摩擦系数第一、二体之间相互作用增加，发生粘着，摩擦系数上升，并伴随材料组织结构变化；上升，并伴随材料组织结构变化；材料的磨损原理 利用三体理论可很好地解释钢铁材料微动摩擦系数随循环周次25磨屑剥落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接磨屑剥落，第三体床形成，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，摩擦系数降触，因第三体的保护作用，粘着受抑制，摩擦系数降低；低；磨屑连续不断地形成和排除，其成分和接触表面随时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。稳定阶段。材料的磨损原理磨屑剥落，第三体床形成，二体接触逐渐变成三体接触，因第三体263.微动磨损的发展过程微动磨损的发展过程（1）粘着机制在微动磨损中的作用）粘着机制在微动磨损中的作用 普通滑动磨损中，金属表面的微凸体接触后形成冷焊普通滑动磨损中，金属表面的微凸体接触后形成冷焊点，受切向力作用发生断裂，同时出现材料转移。这点，受切向力作用发生断裂，同时出现材料转移。这是单方向上一次作用下实现的。是单方向上一次作用下实现的。微动磨损中：微动磨损中：金属表面微凸体接触后形成冷焊点，微动往复式多次金属表面微凸体接触后形成冷焊点，微动往复式多次反复运动，使某些冷焊点发生断裂，同时出现材料转反复运动，使某些冷焊点发生断裂，同时出现材料转移，因此，磨损率低。移，因此，磨损率低。材料的磨损原理3.微动磨损的发展过程材料的磨损原理27微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾向迅速微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾向迅速增大增大。发生断裂并形成松散磨粒后，粘着倾向会逐渐。发生断裂并形成松散磨粒后，粘着倾向会逐渐减小减小，最后过渡到，最后过渡到平稳平稳阶段。粘着阶段持续的时间与阶段。粘着阶段持续的时间与材料及环境有关。材料及环境有关。同种金属同种金属在一起微动时易发生粘着，而且两表面的损在一起微动时易发生粘着，而且两表面的损伤程度相同。伤程度相同。异种金属异种金属微动时，损伤主要出现在较软的金属表面上。微动时，损伤主要出现在较软的金属表面上。材料的磨损原理微动的早期，金属表面氧化膜破裂后，粘着倾向迅速增大。发生断裂28 经过时效处理或加工硬化的材料与未经处理的材料，经过时效处理或加工硬化的材料与未经处理的材料，振幅振幅对粘着系数的影响有相同的结果。（氮气氛中）对粘着系数的影响有相同的结果。（氮气氛中）材料的磨损原理 经过时效处理或加工硬化的材料与未经处理的材料，振幅对29 微动振幅微动振幅对粘着系数影响的趋势大体相似，但是，随合对粘着系数影响的趋势大体相似，但是，随合金化程度的增加，粘着的机会明显减小。金化程度的增加，粘着的机会明显减小。合金化合金化不仅增加了材料的强度，更重要的是改变了金属不仅增加了材料的强度，更重要的是改变了金属表面氧化膜的性质。表面氧化膜的性质。合金化对铜的影响图合金化对铜的影响图材料的磨损原理 微动振幅对粘着系数影响的趋势大体相似，但是，随合金化程30（2）氧化作用）氧化作用金属表面的氧化膜对金属表面的氧化膜对防止冷焊防止冷焊十分有效，有利于防止粘十分有效，有利于防止粘着。着。能在金属表面生成附着牢固，且在微动下能出现一层能在金属表面生成附着牢固，且在微动下能出现一层釉釉质氧化物层质氧化物层的材料，其磨损量和摩擦系数将随微动而的材料，其磨损量和摩擦系数将随微动而明显下降。明显下降。空气及氮气中体碳钢空气及氮气中体碳钢粘着系数和振幅关系粘着系数和振幅关系材料的磨损原理（2）氧化作用材料的磨损原理31氧化对微动磨损的影响氧化对微动磨损的影响：贵金属或惰性气氛环境贵金属或惰性气氛环境中合金间的微动磨损，氧不参中合金间的微动磨损，氧不参与作用，以粘着及塑性变形机制为主；与作用，以粘着及塑性变形机制为主；薄而薄而附着不牢的氧化膜附着不牢的氧化膜，在不到一次微动循环便被破，在不到一次微动循环便被破坏，这时氧化与机械两种机制均对微动磨损有贡献；坏，这时氧化与机械两种机制均对微动磨损有贡献；氧化较严重氧化较严重而且氧化膜易碎裂成片，氧化与机械两种而且氧化膜易碎裂成片，氧化与机械两种机制的协同作用加速表面破坏；机制的协同作用加速表面破坏；氧化层致密氧化层致密能起减摩作用，如钛合金、镍铬铝合金在能起减摩作用，如钛合金、镍铬铝合金在高温下的微动磨损，氧化作用缓解了机械摩擦导致的高温下的微动磨损，氧化作用缓解了机械摩擦导致的损伤。损伤。材料的磨损原理氧化对微动磨损的影响：材料的磨损原理32（3）微动磨损的稳态阶段）微动磨损的稳态阶段 稳态阶段是微动磨损的主要阶段，用它来评价材料的耐稳态阶段是微动磨损的主要阶段，用它来评价材料的耐磨性是合理的。磨性是合理的。稳态阶段哪种磨损机制占主导地位呢？稳态阶段哪种磨损机制占主导地位呢？1973年年N.P.Suh提出磨损剥层理论后，才统一了认识：提出磨损剥层理论后，才统一了认识：微动是相对运动速度较低的滑动，它符合剥层理论中微动是相对运动速度较低的滑动，它符合剥层理论中提到的假设：磨屑呈片状离开母体材料表面，屑片的提到的假设：磨屑呈片状离开母体材料表面，屑片的厚度为厚度为110m，长度为，长度为2050m；材料的磨损原理（3）微动磨损的稳态阶段材料的磨损原理33微动磨损观察到磨痕为平底浅坑；微动磨损观察到磨痕为平底浅坑；N.P.Suh认为在交变应力较低时，形成亚表面裂纹所需认为在交变应力较低时，形成亚表面裂纹所需要的循环次数多，直到裂纹萌生并扩展至一定长度后要的循环次数多，直到裂纹萌生并扩展至一定长度后才会产生磨屑；才会产生磨屑；在考虑粘着、磨粒磨损机制的同时应该注意剥层理论在考虑粘着、磨粒磨损机制的同时应该注意剥层理论的作用。的作用。但是，但是，N.P.Suh的剥层理论未能说明裂纹是否首先在亚的剥层理论未能说明裂纹是否首先在亚表层形成。表层形成。材料的磨损原理微动磨损观察到磨痕为平底浅坑；材料的磨损原理344.微动疲劳微动疲劳（1）微动疲劳的特征与诊断）微动疲劳的特征与诊断 微动疲劳是指因微动而萌生裂纹源，并在交变应力下微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。裂纹扩展而导致疲劳断裂的破坏形式。特征一：特征一：疲劳断裂源必然出现在微动接触区或其影响区疲劳断裂源必然出现在微动接触区或其影响区内。内。特征二：特征二：裂纹扩展的阶段性。裂纹扩展的阶段性。诊断：诊断：只要断口具有疲劳破坏特征，裂纹源发生于微动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。磨痕，裂纹扩展呈现阶段性即可确认为微动疲劳破坏。材料的磨损原理4.微动疲劳材料的磨损原理35（2）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）只有达到一定的微动循环次数时才能导致疲劳强度的只有达到一定的微动循环次数时才能导致疲劳强度的降低。低于此值时，微动的影响不明显。降低。低于此值时，微动的影响不明显。而微动造成疲劳强度明显下降，并降低于一确定值后而微动造成疲劳强度明显下降，并降低于一确定值后即使微动过程继续进行，疲劳强度也不再进即使微动过程继续进行，疲劳强度也不再进步下降。步下降。材料的磨损原理（2）微动疲劳曲线（交变应力与循环周次曲线）材料的磨损原理36（3）微动疲劳裂纹的萌生与扩展）微动疲劳裂纹的萌生与扩展微动疲劳裂纹萌生和扩展大致经过几个阶段：微动疲劳裂纹萌生和扩展大致经过几个阶段：出现裂纹源；出现裂纹源；微裂纹萌生；微裂纹萌生；微裂纹生长；微裂纹生长；宏观裂纹出现；宏观裂纹出现；宏观裂纹扩展。宏观裂纹扩展。从微观应力场分布可以看出：微动时，在接触中心部分从微观应力场分布可以看出：微动时，在接触中心部分因过高的法向压力导致摩擦力大于切向力因过高的法向压力导致摩擦力大于切向力（fpq）而而处于处于静止静止状态；边缘地区由于状态；边缘地区由于 fpq而产生局部而产生局部滑动滑动，疲劳裂纹就在该处萌生。疲劳裂纹就在该处萌生。材料的磨损原理（3）微动疲劳裂纹的萌生与扩展材料的磨损原理37 微动摩擦力和疲劳应力的协同作用将导致裂纹的萌生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。和加速其扩展。拐点是微动作用的终止点拐点是微动作用的终止点疲劳裂纹扩展的起始点疲劳裂纹扩展的起始点材料的磨损原理 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38 随后的疲劳裂纹只受交变应力的支配而扩展，其扩展随后的疲劳裂纹只受交变应力的支配而扩展，其扩展速度降低。一般来说，当微动疲劳裂纹深入到表面速度降低。一般来说，当微动疲劳裂纹深入到表面1mm后，其扩展和断裂过程将完全按一般的疲劳规律后，其扩展和断裂过程将完全按一般的疲劳规律进行。进行。材料的磨损原理 随后的疲劳裂纹只受交变应力的支配而扩展，其扩展速度降39三、影响微动磨损的因素三、影响微动磨损的因素1.材料性能材料性能2.微滑动距离微滑动距离3.载荷载荷4.相对湿度相对湿度5.振动频率与振幅振动频率与振幅6.温度温度材料的磨损原理三、影响微动磨损的因素材料的磨损原理40四、影响微动疲劳的因素四、影响微动疲劳的因素 1.法向压力法向压力 2.微动振幅微动振幅 3.环境气氛环境气氛材料的磨损原理四、影响微动疲劳的因素材料的磨损原理41第四章第四章 材料的磨损原理材料的磨损原理4.5 疲劳磨损（Fatigue Wear）材料的磨损原理第四章 材料的磨损原理4.5 疲劳磨损（Fatigue42一、概述一、概述1.定义定义 零件受交变应力的反零件受交变应力的反复作用，在零件工作表复作用，在零件工作表面或表面下一定深度处面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，造纹的扩展与相互连接，造成颗粒从零件工作表面成颗粒从零件工作表面上脱落，形成疲劳坑上脱落，形成疲劳坑的现象。的现象。材料的磨损原理一、概述材料的磨损原理43 疲劳磨损也称为接触疲劳，他经历裂纹的萌生、扩疲劳磨损也称为接触疲劳，他经历裂纹的萌生、扩展、断裂三个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特展、断裂三个过程，可以说是材料疲劳断裂的一种特殊形式。殊形式。早期的磨损分类，没有把这种接触疲劳划入磨损的范早期的磨损分类，没有把这种接触疲劳划入磨损的范畴。后来的研究发现，不仅在滚动接触，而且在滑动畴。后来的研究发现，不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其它磨损形式中，也都发现了表面接触疲劳过接触及其它磨损形式中，也都发现了表面接触疲劳过程，因此，接触疲劳完全可以被认为是一种独立的，程，因此，接触疲劳完全可以被认为是一种独立的，而且是相当普遍的磨损形式。而且是相当普遍的磨损形式。材料的磨损原理 疲劳磨损也称为接触疲劳，他经历裂纹的萌生、扩展442.疲劳磨损与整体疲劳之间的区别疲劳磨损与整体疲劳之间的区别（1）裂纹源和裂纹扩展途径不同）裂纹源和裂纹扩展途径不同材料的磨损原理2.疲劳磨损与整体疲劳之间的区别材料的磨损原理45疲劳磨损材料的磨损原理疲劳磨损材料的磨损原理46（2）疲劳极限的差别）疲劳极限的差别整体疲劳存在明显的疲劳极限；整体疲劳存在明显的疲劳极限；疲劳磨损尚未发现疲劳极限，疲劳磨损尚未发现疲劳极限，（3）作用过程的差别）作用过程的差别整体疲劳一般只受循环应力的作用；整体疲劳一般只受循环应力的作用；疲劳磨损除循环应力作用外，摩擦过程可以引起表面疲劳磨损除循环应力作用外，摩擦过程可以引起表面层一系列的物理化学变化。层一系列的物理化学变化。（4）应力计算上的差别）应力计算上的差别疲劳磨损的应力计算受材料的均匀性、表面特征、载疲劳磨损的应力计算受材料的均匀性、表面特征、载荷分布、油膜情况、切向力大小等的影响。荷分布、油膜情况、切向力大小等的影响。材料的磨损原理（2）疲劳极限的差别材料的磨损原理473.疲劳磨损的种类疲劳磨损的种类（1）表层萌生与表面萌生疲劳磨损）表层萌生与表面萌生疲劳磨损材料的磨损原理3.疲劳磨损的种类材料的磨损原理48（2）鳞剥（）鳞剥（spalling）与点蚀（）与点蚀（pitting）磨损）磨损 点蚀疲劳裂纹都起源于表面，再顺滚动方向向表点蚀疲劳裂纹都起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形疲劳坑；层内扩展，并形成扇形疲劳坑；鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断裂。向两端扩展，最后在两端断裂。材料的磨损原理（2）鳞剥（spalling）与点蚀（pitting）磨损材49表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形成鳞剥表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形成鳞剥磨损是否有根据？磨损是否有根据？有人曾对冷激铸铁挺杆上有人曾对冷激铸铁挺杆上106条点蚀裂纹进行了统计条点蚀裂纹进行了统计分析，结果表明，大约分析，结果表明，大约80%的裂纹是从表面起源的，的裂纹是从表面起源的，从亚表层内部萌生的只占从亚表层内部萌生的只占20%。大量的研究证明，点蚀裂纹的萌生，不仅决定于应力大量的研究证明，点蚀裂纹的萌生，不仅决定于应力状态，而且与材料的组织结构、性能、表面粗糙度、状态，而且与材料的组织结构、性能、表面粗糙度、表面完整性，以及润滑状态与润滑剂等一系列因素有表面完整性，以及润滑状态与润滑剂等一系列因素有密切关系。密切关系。材料的磨损原理表面萌生裂纹形成点蚀磨损，表层萌生裂纹形成鳞剥磨损是否有根据50二、疲劳磨损的机理二、疲劳磨损的机理1.疲劳裂纹诱发点蚀理论疲劳裂纹诱发点蚀理论由由SWay于于1935年提出：年提出：发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑；发生点蚀的必要条件是摩擦副之间有油润滑；润滑油粘度高于某一定值，点蚀将不会发生；润滑油粘度高于某一定值，点蚀将不会发生；光滑的接触表面不易发生点蚀；光滑的接触表面不易发生点蚀；热处理条件对于点蚀有显著的影响。热处理条件对于点蚀有显著的影响。根据裂纹的扩展方向分为两种情况：根据裂纹的扩展方向分为两种情况：材料的磨损原理二、疲劳磨损的机理材料的磨损原理51（1）裂纹开口迎）裂纹开口迎 向接触点向接触点（2）裂纹开口背）裂纹开口背 离接触点离接触点材料的磨损原理（1）裂纹开口迎材料的磨损原理52点蚀材料的磨损原理点蚀材料的磨损原理53点蚀材料的磨损原理点蚀材料的磨损原理54点蚀材料的磨损原理点蚀材料的磨损原理55点蚀材料的磨损原理点蚀材料的磨损原理562.摩擦温度诱发点蚀理论摩擦温度诱发点蚀理论材料的磨损原理2.摩擦温度诱发点蚀理论材料的磨损原理57点蚀材料的磨损原理点蚀材料的磨损原理583.最大剪应力理论最大剪应力理论材料的磨损原理3.最大剪应力理论材料的磨损原理59（2）位错理论）位错理论 剪应力方向和大小反复发生变化，在亚表层内将产生剪应力方向和大小反复发生变化，在亚表层内将产生位错运动，位错的互相切割产生空穴，空穴的集中形位错运动，位错的互相切割产生空穴，空穴的集中形成空洞，最后发展成裂纹。成空洞，最后发展成裂纹。材料的磨损原理（2）位错理论材料的磨损原理60三、影响疲劳磨损的因素三、影响疲劳磨损的因素1.载荷性质的影响载荷性质的影响（1 1）苏联科学家的试验）苏联科学家的试验材料的磨损原理三、影响疲劳磨损的因素材料的磨损原理61（2）温诗铸教授的试验）温诗铸教授的试验材料的磨损原理（2）温诗铸教授的试验材料的磨损原理62 少量的滑动将显著地降低接触疲劳磨损寿命，少量的滑动将显著地降低接触疲劳磨损寿命，因为，摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加因为，摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加了裂纹萌生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉应力了裂纹萌生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉应力促使裂纹扩展加速。促使裂纹扩展加速。材料的磨损原理 少量的滑动将显著地降低接触疲劳磨损寿命，因为632.材料性能的影响材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，在循环钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性，在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。材料的磨损原理2.材料性能的影响材料的磨损原理643.表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响材料的磨损原理3.表面粗糙度的影响材料的磨损原理654.润滑与润滑剂的影响润滑与润滑剂的影响材料的磨损原理4.润滑与润滑剂的影响材料的磨损原理66在相同温度和相同粘度下，使用在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触疲劳寿合成油的接触疲劳寿命高于使用天然油命高于使用天然油的，因为合成油的粘压系数值较大，的，因为合成油的粘压系数值较大，因而油膜厚度较大。说明油膜厚度对阻止裂纹形成具因而油膜厚度较大。说明油膜厚度对阻止裂纹形成具有一定的影响。有一定的影响。接触疲劳磨损机理可以归纳如下：接触疲劳磨损机理可以归纳如下：在疲劳磨损的初期阶段是微裂纹的形成阶段，无论在疲劳磨损的初期阶段是微裂纹的形成阶段，无论有无润滑油存在，有无润滑油存在，循环应力循环应力起着主要作用。裂纹萌生起着主要作用。裂纹萌生在表面或表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的在表面或表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度粘度对于裂纹扩展起重要影响。对于裂纹扩展起重要影响。材料的磨损原理在相同温度和相同粘度下，使用合成油的接触疲劳寿命高于使用天然67第四章第四章 材料的磨损原理材料的磨损原理4.6 减少磨损的途径减少磨损的途径材料的磨损原理第四章 材料的磨损原理4.6 减少磨损的途径材料的磨68减少磨损的途径1.合理润滑尽量保证液体润滑，采用合适的润滑材料和正确的润滑方法，采用润滑添加剂，注意密封。2.正确选择材料这是提高耐磨性的关键。例如对于抗疲劳磨损，则要求钢材质量好，控制钢中有害杂质。采用抗疲劳的合金材料，如采用铜铬钥合金铸铁做气门挺杆，采用球磨铸铁做凸轮等，可使其寿命大大延长。材料的磨损原理减少磨损的途径材料的磨损原理69 3.表面处理 为了改善零件表面的耐磨性可采用多种表面处理方法.如采用滚压加工表面强化处理，各种化学表面处理，塑性涂层、耐磨涂层，喷铝、镀铬、等离子喷涂等。4.合理的结构设计 正确合理的结构设计是减少磨损和提高耐磨性的有效途径。结构要有利于摩擦副间表面保护膜的形成和恢复、压力的均匀分布、摩擦热的散逸、磨屑的排出、以及防止外界磨粒、灰尘的进入等。在结构设计中，可以应用置换原理，即允许系统中一个零件磨损以保护另一个重要的零件；也可以使用转移原理，即允许摩擦副中另一个零件快速磨损而保护较贵重的零件。材料的磨损原理 3.表面处理材料的磨损原理70 5.改善工作条件 尽量避免过大的载荷、过高的运动速度和工作温度，创造良好的环境条件。6.提高修复质量 提高机械加工质量、修复质量、装配质量以及提高安装质量是防止和减少磨损的有效措施。7.正确地使用和维护 要加强科学管理和人员培训，严格执行遵守操作规程和其他有关规章制度。机械设备使用初期要正确地进行磨合。要尽量的采用先进的监控和测试技术。材料的磨损原理 5.改善工作条件材料的磨损原理71磨损类型 防止或减少磨损的方法与途径 粘着磨损 1.正确选择摩擦副材料，如适当选用脆性材料、互溶性小的材料、多相金属等2.合理选用润滑剂，保证摩擦副面间形成流体润滑状态3.采用合理的表面处理工艺 磨粒磨损 1.选用硬度较高的材料；2.控制磨粒的尺寸和硬度3.根据工作条件，采用相应的表面处理工艺4.合理选用并供给洁净的润滑剂 疲劳磨损1.合理选用摩擦副材料；2.减小表面粗糙度，削除残余内应力3.合理选用润滑剂的粘度和添加剂（腐蚀磨损）氧化磨损 特殊介质腐蚀磨损 1.当接触载荷一定时，应控制其滑动速度，反之则应控制接触载荷2.合理匹配氧化膜硬度和氧本金属硬度、保证氧化膜不受破坏3.合理选用润滑油粘度，并适量加入中性极压添加剂 1.利用某些特殊元素与特殊介质作用，形成化学结合力较高、结构致密的钝化膜；2.合理选用润滑剂；3.正确选择摩擦副材料 对于几种基本的磨损类型，防止或减少磨损的方法与途径见下表材料的磨损原理磨损类型 防止或减少磨损的方法与途径 1.正确选择摩擦副材料72