第七章金属磨损和接触疲劳.

第七章金属磨损和接触疲劳

机器运转时，相互接触的机器零件总要相互运动，产生滑动、滚动、滚动+滑动，都会产生摩擦，引起磨损。如：轴与轴承、活塞环与气缸、十字头与滑块、齿轮与齿轮之间经常因磨损和接触疲劳，造成尺寸变化，表层剥落，造成失效。

有摩擦必将产生磨损，磨损是摩擦的必然结果。

磨损是降低机器和工具效率、.精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成金属材料损

耗和能源消耗的重要原因。据不完全统计，摩擦磨损消耗能源的1/3?1/2,大约80%的机件失效是磨损引起的。汽车传动件的磨损和接触疲劳是汽车报废的最主要原因，所以，耐磨成了汽车档次的一个重要指标。

因此，研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。

第一节磨损概念

、摩擦与磨损现象

1摩擦

两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，接触表面之间就会出现一种阻碍运动或运动趋势的力，这种现象成为摩擦。这种作用在物体上并与物体运动方向相反的阻力称为摩擦力0

最早根据干摩擦的试验，得到摩擦力F正比于两物体之间的正压力（法线方向）N的经典摩擦定律，即F=uN，式中卩称为摩擦系数。后来发现这个定律只对低速度、低载荷的干摩擦情况是正确的，然而在许多场合下还是被广泛应用。

摩擦力，来源一于两个方面：①由于微观表面凸凹不平，实际接触面积极少（大致可在1/10000?1/10的范围内变化），这部分的接触应力很大，造成塑性变形而引起表面膜（润滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使两种金属原子结合（冷焊）；②由于微观表面凸凹不平, 导致一部分阻止另一部分运动。要使物体继续移动，就必须克服这两部分阻力。

用来克服摩擦力所做的功一般都是无用功，在机械运动中常以热的形式散发出去，使机械效率降低。减小摩擦偶件的摩擦系数，可以降低摩擦力，即可以保证机械效率，又可以减少机件磨损。

而要求增加摩擦力的情况也很多，在某些情况下却要求尽可能增大摩擦力，如车辆的制动器、摩擦离合器等。

2、磨损

①定义：机件表面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（松散的尺寸与形状均不相同的碎屑），使表面材料逐渐损失（导致机件尺寸变化、重量损失）、造成表面损伤的

现象，称为磨损。

摩擦和磨损是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象，摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。

②过程：磨屑的形成是金属表面变形和断裂过程。金属磨损是发生在两相对运动的表面之间的一个非常复杂的过程。当两个相互接触的物体在压力作用下，金属表面发生弹性变形及塑性流动时，使表面膜破坏，暴露出未经任何氧化及被油污染的金属。这部分原子之间的活性特别强，很容易粘合（冷焊）在一起。在切向力的作用下会剪断，并粘附在其中一个表面上，而去磨另一表面。如果粘附现象发展的很严重，驱动力无法将其克服，就会发生咬合现象。当速度或载荷高时，摩擦表面温度会升得相当高，使表面层发生回火，甚至二次淬火。同时周围介质中的氧和氮以及润滑油中的碳会向金属内扩散，形成固溶体或化合物，并使其变脆而脱落，脱落的颗粒成为磨粒又可能去磨损摩擦表面，所以磨损的过程极为错综复杂。

摩擦与磨损是同时存在的，在摩擦过程中如果磨损率突然改变，此时摩擦系数亦有相

应改变，也就是说，如果摩擦系数突然上升，那就意味者可能开始发生粘着磨损或磨料落入表面，然而，材料的耐磨性与摩擦系数并无直接关系。摩擦系数低，并不意味着耐磨性咼。

、磨损过程

机件正常运行的磨损过程一般分为三个过程

广跑合阶段（磨合阶段）：

稳定磨损阶段: 剧烈磨损阶段:

三、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，磨损量越小，耐磨性越高。

磨损量的表示方法有：线磨损、体积磨损、质量磨损、比磨损量、相对耐磨性。

第二节磨损机理

磨损的分类：在磨损过程中，塑性变形与断裂过程是周而复始不断循环的，一旦形成磨损产物后，随之产生新的循环，磨损过程具有动态特征。机件表面的磨损不是简单的力学过程，而是物理的、力学的和化学过程极为复杂的综合。理论上还不成熟，因此，分类方法也不统一。

按磨损的破坏机理，磨损可分为：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损（接触疲劳）腐蚀磨损。

按机件表面磨损状态，磨损可分为：连续磨损、粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损、表面塑性流动。

一、粘着磨损

1磨损机理

粘着磨损又称咬合磨损，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。它是因缺乏润滑油，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，其表面形貌如图

形成粘着点后的分离部位，可能有二种情况：粘着点，粘着点两侧（取决于强度） 以粘着点结合强度比摩擦偶件的两基体金属都弱，则磨损极为轻微。若剪切应力低于粘着 点结合强度时，两摩擦偶件会产生 咬死而不能相对运动。如：不锈钢螺栓与不锈钢螺母在 拧紧过程中就经常发生这种现象。

若摩擦偶件只受法向载荷作用，且存在表面薄膜（如油膜、氧化膜等）

，则不易产生 粘着。

2、磨损量的估算

式中I t —总滑动距离

a —系数

H -材料硬度

上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离呈正比，与软方材料的压缩屈服 强度（或硬度）呈反比，而与表观接触面积无关。

如果压缩屈服强度（或硬度）较高，则因其难于塑性变形不易粘着转移而使磨损减小。

如果压缩屈服强度（或硬度）一定，材料塑性较好，则在相同法向力条件下可以产生 较大塑性变形，使真实接触面积增加，因降低了单位面积上的法向力也可减小磨损量，此 即意味着材料的磨损量与塑性呈反比。上式又可改写成:

V 空

9 sc

式中S —材料的断后伸长率。

esc 与S 的乘积为材料的韧性。可见，粘着磨损的体积磨损量随较软一方材料的压缩屈

7-2所示。

V 如

9 sc KFI t H (7-7)

(7-8)

服强度和韧性增加而减小。其实，从粘着磨损机理来看，增加硬度固然能减少磨损，但在材料韧性增加时，由于延缓断裂过程，所以也能使磨损量减少。

3、影响因素

①材料: 塑性材料比脆性材料易于粘着。

互溶性大的材料组成的摩擦副粘着倾向大。

单相合金比多相合金粘着倾向大。

固溶体比化合物粘着倾向大。

金属与金属组成的摩擦副比金属与非金属组成的摩擦粘着倾向大。

②外力：摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加。试验结果表明，当接触压应力超过材料硬度H的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时会产生咬死现象。因此,

设计时选择的许用应力必须低于材料硬度值的1/3,以免产生严重的粘着磨损。

③滑动速度：粘着磨损量随摩擦速度增大而增加，但达到某一极限值后又随滑动速度增加而减小。

④其它::表面粗糙度：降低表面粗糙度将增加抗粘着磨损能力，过低将导致润滑油难

于储存在摩擦面内而促进粘着。

I表面温度：其影响与滑动速度一致。

润滑状态：好的润滑状态将显著降低粘着磨损量。

4、改善粘着磨损耐磨性的措施

磨损是造成材料损耗的主要原因，也是机件三种主要失效形式（磨损、腐蚀、断裂）之一。

金属材料的磨损主要是发生在表面的变形和断裂过程，所以，提高摩擦副表面的强度

（或硬度）和韧性，可以提高耐磨性。

对粘着磨损而言:

①注意摩擦副配对材料的选择。

②采用表面化学热处理改变材料表面状态。渗硫、渗磷、渗氮等方法，使表面形成一层化合物或非金属层，避免摩擦副直接接触，既降低原子之间的结合力，又减小摩擦系数, 可防止粘着。

③控制摩擦滑动速度和接触压应力。

④改善润滑条件，提高氧化膜与基体的结合力，可以阻止金属之间直接接触、增强氧化膜的稳定性。从而提高耐磨性。

二、磨粒磨损

1、磨损机理

①定义：当摩擦副一方表面坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着坚硬粒子时所产生的一种磨损。

②分类

按所受应力的大小不同，可分为：凿削式、高应力碾碎性和低应力擦伤性三类。

③特征：摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。见图7-5。

④磨损机理与特点:

磨粒与摩擦表面之间的相互作用，与机械加工中切削刀具与工件的相互作用类似。

r r

对于韧性材料：在锐刃的硬粒子作用下，每一磨粒从表面切下的是一个连续的屑。

在光滑刃或圆刃的硬粒子作用下，只能被犁皱，形成沟槽。

对于脆性材料: 广

在锐刃的硬粒子作用下，一个磨粒切下的是许多断屑。

在光滑刃或圆刃的硬粒子作用下，沟槽是由裂纹扩展和表面材料呈碎片脱落而引起的。

2磨损量估算

(7-12)

可见，磨粒磨损量与法向力、摩擦距离呈正比，与材料硬度呈反比，同时还与硬材料 凸出部分或磨粒的形状有关。

同时，因磨粒的棱面相对摩擦表面的取向不同， 只有一部分磨粒才能切削表面产生磨 屑；大部分磨粒嵌入软材料中，使之产生塑性变形，造成擦伤或形成沟槽。堆积在沟槽两 侧的材料，只有在随后的运动过程中有一部分能形成磨屑。

3、影响因素

材料硬度：硬度越高，抵抗磨粒磨损的能力越好。

相同硬度时，钢中含碳量越高，碳化物形成元素越多，则耐磨性越好。

显维组织：M>F ;相同硬度时，B 下>M 回；细晶粒；碳化物

磨粒磨损也有有利的一面，如：抛光、挫削、砂轮磨削、砂轮切割等。

4、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。这是提高耐磨性的最有效

塑性变形后疲劳破坏（低周疲劳）、脆性断裂，则提高材料韧性对改善耐磨性有益。此时 用等温淬火获得下贝氏体（良好的硬度和韧性），消除基体初生碳化物，并使二次碳化物 均匀弥散分布以及含有适量残余奥氏体等都能改善抗磨粒磨损能力。 ②根据机件服役条件，合理选择耐磨材料。

『在高应力冲击载荷下（颚式破碎机齿板粉碎难破碎矿石时），要选用高锰钢，利用高韧

性和高的硬化能力，可得到高耐磨性。

在滑动接触式连续性重载下（挖掘机刀头） ，则应选用硬质合金、高铬白口铸铁，或经

过二次硬化处理的基体钢。

在冲击载荷不大的低应力磨损场合（水泥球磨机衬板拖拉机履带板等）用中碳低合金

钢并经淬火回火处理，可得到适中的耐磨粒磨损性能。

V d

3 sc

(7-11)

的措施。例如选用含碳较高的钢并获得马氏体组织; 如果磨粒磨损机理是塑性变形，或