金属的磨损与接触疲劳

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,/34,1,/34,摩擦：,是接触物体间的一种阻碍物体运动的现象，这种阻力为摩擦力。,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伤的现象。,磨屑的形成是一个,变形,和,断裂,的过程。,普通力学性能数据不一定能够反应材料耐磨性能的优劣,。,Why,？,第七章 金属磨损和接触疲劳,7.1,磨损的概念,2,/34,一、磨损的过程,跑合阶段,、,稳定磨损阶段,、,剧烈磨损阶段,。,图,7-1,磨损量与时间的关系示意图,(,磨损曲线,),3,/34,二、耐磨性,耐磨性,是材料抵抗磨损的性能。通常用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。,1,、磨损量,(1),线磨损：试样摩擦表面法线方向的尺寸减小。,(2),体积磨损：试样体积减小。,(3),质量磨损：试样的质量损失。,(4),比磨损量：磨损量,(,摩擦距离,压力,),。,2,、耐磨性：,1,磨损量。,4,/34,3,、相对耐磨性,4,、磨损系数：,1/,。,5,/34,按磨损机理分为：粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损,(,接触疲劳,),、腐蚀磨损和微动磨损。,一、粘着磨损,(,咬合磨损,),1,、定义：,相接触的两种材料由于表面某些接触点局部正压力超过该处的屈服强度以致发生粘合并拽开而产生的一种表面损伤磨损。,7.2,磨损的类型,6,/34,2,、产生机理,滑动摩擦条件下，摩擦副双方接触时，局部突起的表面在压载荷下因应力较高引起塑性变形，使表面氧化膜、润滑膜破裂暴露出新鲜、洁净表面，接触面间原子间距极小，产生原子间的键合作用，即冷焊,(,粘着,),。,继续滑动中，粘着点受剪切应力被剪断转移脱落形成磨屑；该过程反复进行粘着磨损。,7,/34,图,7-2,粘着磨损表面形貌,摩擦副一方金属表面常粘附一层很薄的转移膜，并伴有,化学成分变化,判断粘着磨损的主要特征,。,图,7-3,粘着磨损过程示意图,8,/34,(1),粘着点强度比一方金属强时磨损量大，表面较粗糙，甚至产生咬死。,(2),粘着点强度比双方金属都低时，磨损量小，摩擦面较平滑。,(3),粘着点比双方金属都高时，剪断可发生在摩擦金属的任何一方，较软金属的磨损量大。,9,/34,3,、磨损量的估算,粘着磨损量正比于法向载荷,F,，滑动距离,L,，,(,软材料压缩屈服强度或硬度,),。,4,、磨损表面特征：大小不等的结疤。,10,/34,5,、影响粘着磨损的因素,P142,材料特性、法向力、滑动速度及温度。,6,、改善粘着磨损耐磨性的措施,(1),选择合适的摩擦副材料,强、硬度高则不易粘着；,互溶性小的材料不易粘着：晶格类型不同、晶格间距相差大、电化学性质相差大的材料组成摩擦件，粘着倾向小。,11,/34,(2),避免或阻止摩擦副,(,原子,),间直接接触,使用润滑剂，改善表面润滑条件；,增强氧化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力；表面化学热处理。,(3),降低表面粗糙度；,但并非越光滑越好，需要考虑润滑剂储存。,(4),减小摩擦滑动速度，降低接触压应力。,12,/34,二、磨粒磨损,(,磨料磨损，研磨磨损,),1,、定义,当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或在接触面之间存在着硬粒子时所产生的一种磨损。前者称两体磨粒磨损，后者称三体磨粒磨损。微观断裂。,13,/34,图,7-4,两体和三体磨粒磨损,14,/34,2,、机理,由于一方的硬度比另一方大得多，或存在硬质粒子，对材料的创槽作用而损耗。,具体机制：切削作用；塑性变形；疲劳破坏；脆性断裂。,圆钝的磨粒或材料塑性较高时：首先形成犁沟但并不剥落,(,应力集中小，不易产生裂纹,),。经反复、多次塑性变形后形成裂纹，最终剥落。,尖锐的磨粒或材料脆性较高时，直接产生切削、剥落，留下犁沟。,15,/34,3,、磨损量的估算,图,7-5,磨粒磨损示意图,16,/34,4,、磨粒磨损表面特征：犁沟、擦伤。,图,7-3,磨粒磨损表面形貌,17,/34,5,、降低磨粒磨损的措施,(1),影响因素,材料硬度高，磨损量小，耐磨性高；,但过高反而不利,韧度低,还与材料的韧性有关。,耐磨性与硬度、断裂韧度之间的关系,(,教材图,7-8,和,7-9),(2),改善磨粒磨损的措施,(P147),18,/34,图,7-4,耐磨性、硬度与断裂韧性关系,图,7-5,磨损体积与硬度比,(,磨粒硬度与材料硬度之比,),的关系,19,/34,实物试验,与,实验室试验,两类。,(1),磨损试验结果分散度很大，一般试验要有,45,对摩擦副，数据分散度大时还应增加。,(2),一般取试验数据的平均值。分散度大时需要用均方根值。,(3),同一材料采用不同的磨损试验方法，结果往往不同，甚至是颠倒的。,7.3,磨损试验方法,20,/34,(4),采用称量法或测长法确定磨损量。,称量法,采用分析天平测定试样磨损前后的质量变化；,测长法,采用测微尺测量摩擦表面法线方向的尺寸变化。,称量法用于磨损量在,10,-2,g,以上时才有较好结果。,测长法用于磨损量较大、称量法难于实现的情况。,21,/34,一、概念,1,、定义,接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，工件表面在交变接触压应力长期作用后所引起的一种局部区域发生小片,(,块,),状剥落的表面疲劳损伤现象，称,接触疲劳,(,表面疲劳磨损、疲劳磨损,),接触形式：线接触和点接触。,7.4,金属的接触疲劳,22,/34,2,、接触疲劳宏观特征,小痘状、贝壳状或其它不规则状凹坑。,图,7-6,接触疲劳表面形貌,23,/34,3,、接触疲劳破坏的分类,接触疲劳包括裂纹形成和扩展两个阶段，并且裂纹形成占据的时间长，而裂纹扩展所占据的时间很短。,麻点剥落,(,点蚀,),、浅层剥落、深层剥落,(,表面压碎,),。,24,/34,4,、接触疲劳损伤过程,金属局部反复塑性变形裂纹的形成裂纹的扩展金属表面的剥落，麻点。接触疲劳疲劳磨损,接触应力：两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力。,25,/34,二、接触疲劳破坏机理,金属局部反复塑性变形裂纹的形成裂纹的扩展金属表面的剥落。,从综合切应力的分布和大小，材料的强度相互比较，决定了裂纹产生的部位和接触疲劳类型。,26,/34,1,、麻点剥落：裂纹起源于表面的接触疲劳损伤。,(1),滑动加滚动条件下：切向摩擦力较大，使最大综合切应力转移至表面。,(2),表面存在质量缺陷：软点、硬点、夹杂物等，造成抗剪强度不足。,深度：,0.1,0.2mm,的小块剥落。,形态：麻点是些针状或痘状的凹坑。,27,/34,麻点剥落形成过程示意图,28,/34,提高麻点剥落抗力措施：,(1),提高机件表面的塑性变形抗力；,(2),提高零件表面光洁度，使,F,降低，表面折叠几率降低；,(3),提高润滑油的粘度，降低油楔作用。,29,/34,2,、浅层剥落：裂纹起源于次表层的接触疲劳损伤。,深度：,0.2,0.4mm,。,浅层剥落在次表层,(,最大切应力处,),：,0.786b,处或,0.5b,处；实际多在,0.5,0.7b,处。,30,/34,浅层剥落过程示意图,31,/34,过程：在,0.5,0.7b,处，首先滑移变形一定循环,N,产生疲劳裂纹沿应力，夹杂物走向发展形成二次裂纹扩展到表面另一端形成悬臂梁压断，浅层剥落。,提高浅层剥落抗力措施：,提高材料的塑性变形抗力，进行整体或表面强化，使,0.5,0.786b,处的切变强度。,提高材料纯净程度，夹杂物数量。,32,/34,3,、深层剥落,(,压碎性剥落,),裂纹起源于表面硬化层下过渡区。,原因：过渡区强度不足。,深层剥落过程示意图,33,/34,提高深层剥落抗力的措施：提高机件心部强度；增大硬化层深度；控制渗层金相组织，碳化物级别，马氏体级别，残余奥氏体级别等。,34,/34,四、影响接触疲劳抗力的因素,(,一,),内部因素,从非金属夹杂，热处理组织状态，表面硬度和心部硬度，表面硬化层深度，残余内应力来考虑。,(,二,),外部因素,从表面粗糙度与接触精度，硬度匹配，装配质量，润滑情况来考虑。,