材料力学性能金属磨损和接触疲劳 材料力学性能 讲义PPT课件

4/20/20221 磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机件失效是磨损引起的。 因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。 本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。第1页/共50页4/20/20222第一节 磨损概念 一、磨损 定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的现象。 磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工作温度。第2页/共50页4/20/20223 机件的正常磨损通常分为三个阶段：第3页/共50页4/20/20224二、耐磨性 通常用磨损量表示材料的耐磨性 磨损量可用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示，称为线磨损 也可用试样体积或质量损失率来表示，称为体积磨损或质量磨损 如果测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等，称为比磨损量 有时还可用磨损量的倒数来表征材料的耐磨性 相对磨损性：（标准试样的磨损量）/（被测试样的磨损量，其倒数也称为磨损系数第4页/共50页4/20/20225第二节 磨损模型 一、粘着磨损 二、磨粒磨损 三、腐蚀磨损第5页/共50页4/20/20226一、粘着磨损 磨损机理 粘着磨损定义：又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。 这是由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。第6页/共50页4/20/20227 摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。 如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。 随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一方金属表面，然后脱落形成磨屑。 一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。第7页/共50页4/20/20228右图是粘着点强度比摩擦副一方金属强度高的情况，此时常在较软一方体内产生剪断，其碎片转移至较硬一方的表面上，软方金属在硬方表面逐步累积最终不同金属的摩擦副滑动成为金属间的滑动，所以磨损量较大，表面较粗糙，可能产生咬死现象。第8页/共50页4/20/202292. 磨损量的计算n在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度sc的三倍。n如果接触处因压应力很高，超过3sc产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。n设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3sc，作用于表面上的法向力为F，则有：n假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点尺寸相同，直径也是d，则n所以第9页/共50页4/20/202210 假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损体积为： 所以： 积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离内的粘着磨损体积为：第10页/共50页4/20/2022113 影响因素 塑性材料比脆性材料易于粘着； 互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大； 单相金属比多相金属粘着倾向大； 化合物比固溶体粘着倾向小； 金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副不易粘着。 在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。 在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。 摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大影响。第11页/共50页4/20/202212 (1) 摩擦副配对材料的选择 基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属等配对。 (2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。 (3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。4 改善粘着磨损耐磨性的措施第12页/共50页4/20/202213二、磨粒磨损 1. 磨粒磨损机理 磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。第13页/共50页4/20/202214 根据磨粒所受应力大小不同，磨粒磨损分为： 凿削式磨粒磨损 高应力碾碎磨粒磨损 低应力擦伤性磨粒磨损 从磨粒硬度与被磨材料硬度相对关系看，若磨粒硬度高于被磨材料的硬度，则属于硬磨粒磨损，反之，则为软磨粒磨损。第14页/共50页4/20/202215 主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽，见右图。 在磨粒磨损时，对于韧性金属材料，每一磨粒从表面上切下的是一个连续屑；对于脆性金属材料，一个磨粒切下的是许多新屑。 在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压碎前几乎没有滚动和切削的机会，所以磨粒对摩擦表面的作用是由于磨粒接触点处的集中压应力造成的，这种集中压应力可使韧性材料表面产生塑性变形。 磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦表面的切削作用，塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映，而以某一种损害为主。第15页/共50页4/20/2022162. 磨损量的计算 现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒磨损量计算式：n根据此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为圆锥体）被压入软材料中。n当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接触面积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停止下来：第16页/共50页4/20/202217n凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也就是磨损量V：n所以n金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：第17页/共50页4/20/202218 (1) 据实验，金属材料对磨粒磨损的抗力与H/E成比例，H为材料硬度。 弹性模量对组织不敏感，所以机件抵抗磨粒磨损的能力主要与材料硬度成正比。所以材料硬度越高，其抗磨粒磨损的能力也越好。3. 影响因素第18页/共50页4/20/202219(2) 断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性第19页/共50页4/20/202220(4) 加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不同而有不同n在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响；n在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。(3) 细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性第20页/共50页4/20/202221 在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。第21页/共50页4/20/2022224. 改善磨粒磨损耐磨性的措施 (1) 对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。 (2) 根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。 (3) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。 (4) 经常注意机件防尘和清洗，防止大于1微米磨粒进入接触面，也是有效措施。第22页/共50页4/20/202223 在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成与脱落引起腐蚀磨损。 腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着磨损或磨粒磨损）共存，故又称腐蚀机械磨损。三、腐蚀磨损n1. 氧化磨损n2. 微动磨损n3. 冲蚀磨损（又称气蚀）n4. 特殊介质腐蚀磨损分类：第23页/共50页4/20/202224（一）氧化腐蚀机理 大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。 氧化腐蚀过程：由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化，随着又再被磨去。 如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。n宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。第24页/共50页4/20/202225氧化磨损的速率或磨损量的影响因素： (1) 摩擦副表面层对塑性变形的抗力； (2) 氧在金属中的扩散速率； (3) 氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固程度； (4) 摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、温度等。 氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于其它类型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则氧化磨损是有利的。第25页/共50页4/20/202226（二）微动磨损机理 在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。 这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。 接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。 特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的磨损产物为黑色。第26页/共50页4/20/202227 第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂； 第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即氧化； 第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。微动磨损过程有三个阶段：第27页/共50页4/20/202228第三节 磨损试验方法 （1）实物试验 （2）实验室试验n右图是销盘型试验机：将试样加上试验力紧压在旋转圆盘上，试样可在半径方向往复运动，n这类试验机可用来评定各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。第28页/共50页4/20/202229 高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复合材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、速度、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等参数的各种情况下进行试验，可测量材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机适用于科学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、塑料、陶瓷、建 工建材、军工等领域。该机的标准为Q/01J042-2003MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机。销盘式摩擦磨损试验机(MPX-2000型)主轴转速范围 60r/min 12000r/min主轴转速示值准确度 在 1000r/min 以下，示值误差不超过 2r/min ，示值重复性误差不大于 2r/min 。在 1000r/min 以上，示值相对误差不超过 0.2% ，示值重复性相对误差不大于 0.2% 。 高温炉温度范围 室温 800； 高温炉密封性能 在连续充入氮气（纯度 99.9%以上）的条件下，炉内氧气含量应能达到1%以下。 试验力范围 75N450N第29页/共50页4/20/202230 右图是环块型磨损试验机 这种试验机可测定金属及非金属材料（如尼龙、塑料）在滑动状态下的耐磨性能：环形试样安装在主轴上，顺时针转动，块形试样安装在夹具上。 通常试验后测量环形试样的失重和块状试样的磨痕宽度，分别计算体积磨损以评定试验材料的耐磨性。第30页/共50页4/20/202231MHK-500型环块磨损试验机 应用领域：材料摩擦磨损性能测试、对比、评定，测试结果为摩擦系数及磨损量数值。技术指标：1.接触形式：线接触2.磨损方式：纯滑动磨损3.加载方式：砝码、杠杆加载（杠杆比1:10）4.载荷范围：10Kg-500Kg5.主轴转速：100-1440转/分，无级调速第31页/共50页4/20/202232 右图为往复运动型试验机， 试样在静止平面上作往复运动，可评定往复运动的机件，如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性。第32页/共50页4/20/202233 本机试验拉链横向及纵向张力作用下，能否承受规定次数之往 复拉动操作。 试验时本机以等速带动拉链之拉头，作每分钟30 次之往复运动，至规定之次数为止。 往复行程：75mm 横向夹紧装置宽度：25mm 纵向夹紧装置总重：0.280.34kg HK-5022拉链往复试验机 第33页/共50页4/20/202234 右图是滚子型磨损试验机： 主要用来测定金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量， 用来比较各种材料的耐磨性能。第34页/共50页4/20/202235 1、最大负荷：2000N 2、负荷测量范围：0300N，3002000N 3、下试样轴转速：400，200 转分 4、上试样轴转速：360，180 转分 5、负荷刻度尺之分度值； 0300N，10N格，3002000N，50 N格 6、摩擦力矩测量范围 015牛顿.米 7、上试样的轴向最大移动距离土4毫米 8、双速电动机：YD90S-4/2 （1）三相， 380V， 50周秒 （2）转速2880、1440 转分 （3）功率0.85、1.1 千瓦 9、试验机外形尺寸：约长970宽660高ll00 毫米 M-2000型 摩擦磨损试验机 第35页/共50页4/20/202236第四节 金属接触疲劳 （一）接触疲劳现象与接触应力 接触疲劳定义： 是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称表面疲劳磨损或疲劳磨损。第36页/共50页4/20/202237根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为： (1) 麻点剥落（点蚀） (2) 浅层剥落 (3) 深层剥落（表面压碎）第37页/共50页4/20/202238二、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称为接触应力，也称为赫兹应力。 按接触面初始几何条件不同，可分为线接触与点接触。第38页/共50页4/20/202239 线接触： 假设两圆柱体的半径分别为R1、R2，长l，未变形前两者为线接触，施加法向力后，因弹性变形变为面接触，接触面积2bl。 据弹性力学分析，接触压应力沿y轴按半椭圆柱规律分布，见右图，在接触中间（y=0）处，接触压应力达到最大值，所以：第39页/共50页4/20/202240 由上图可知，接触面有三向主应力，沿接触深度方向的分布如右图。第40页/共50页4/20/202241点接触： 施加法向应力后，视两接触物体形状不同，接触面可能是椭圆或圆，滚珠与轴承套圈接触，接触面为椭圆，球与球或球与平面接触，接触面为圆。 接触面为椭圆时，见右图，接触应力按半椭圆球规律分布，且 对于半径为R的圆球和平面的点接触，按弹性力学计算，接触圆半径：第41页/共50页4/20/202242三、接触疲劳破坏机理 （一）麻点剥落 表面接触应力较小、摩擦力较大或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）地，易产生麻点剥落。 前者因为表面最大综合切应力较高，后者则是材料抗剪强度较低引起的。第42页/共50页4/20/202243 （二）浅层剥落 在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。 裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一倾角的二次裂纹。 二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。第43页/共50页4/20/202244（三）深层剥落（压碎性剥落） 深层剥落的初始裂纹经常在表面硬化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂纹。 裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。第44页/共50页4/20/202245三 接触疲劳试验方法 不同材料或同一材料经不同热处理后，其接触疲劳强度用接触疲劳曲线（与高周疲劳的S-N曲线类似）来描述。 是按赫兹公式计算出来的最大压应力，N为破坏循环周次。第45页/共50页4/20/202246 测定接触疲劳极限时，循环基数N0一般取107次，并规定： 当试样上深层剥落面积大于或等于3mm2或当试样上麻点剥落（集中区）在10mm2面积内出现麻点率达15%的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。 试验在疲劳试验机上进行，试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。第46页/共50页4/20/202247四、影响接触疲劳寿命的因素 （一）内部因素 1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心形硬度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力 （二）外部因素 1. 表面粗糙度与接触精度 2. 硬度匹配第47页/共50页4/20/202248作业 P181 1、(1)-(3)、(7)-(8) 3 4第48页/共50页4/20/202249第49页/共50页4/20/2022安徽工业大学 材料科学与工程学院50感谢您的观看。第50页/共50页