材料力学性能第6章-材料的磨损性能

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磨粒磨损的主要特征 主要特征是摩擦面上有擦伤 擦伤或因明显犁皱形 主要特征 擦伤 犁皱形 成的沟槽.如图6-6示。 成的沟槽 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。 法向力 摩擦副表 面作用力 切向力 推动磨粒前进 只有磨粒形状与位向适当时，被推进的磨粒才似刀具切削 表面，切痕长而浅。 多数情况摩擦表面受剪切、犁皱或切削综合作用。
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磨 损 试 验 方 法
实验 室试 验
p=n
4
3σ sc
实际相对滑动中，软材料上被拉拽出半球的几率为K，则滑 动一段距离L后，总拉拽出磨损量W可表示为：
2π d 3 pL pL W = KNV L = K （ ）L = K =K 3 9σ SC 3H V 3πσ sc d 3 2
'
4p
式中：Hv为软材料硬度，HV≈3σsc；V’为接触点半球体积； N为接触点数 。 为接触点半球体积； 式中：Hv为软材料硬度， 为软材料硬度
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机件正常运行的磨损过程如图6 所示，一般分3个阶段， 机件正常运行的磨损过程如图6-1所示，一般分3个阶段，曲 线上的各点斜率即为磨损速率。 线上的各点斜率即为磨损速率。 (1)跑合(磨合) (1)跑合(磨合)阶段 跑合 OA段 （OA段） 随着表面被磨平， 随着表面被磨平， 实际接触面积不断增 表面应变硬化， 大，表面应变硬化， 磨损速度不断减少。 磨损速度不断减少。 汽车磨合期） （汽车磨合期） 表层形成牢固的氧 化膜，磨损速率降低。 化膜，磨损速率降低。
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第一节 磨损的基本概念及类型 一、摩擦与磨损的概念
1．摩 擦 两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对 运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍 作用称为摩擦 摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力 摩擦力。 摩擦 摩擦力 2．磨损 磨损概念 是在摩擦作用下物体相对运动时， 概念: 磨损概念: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。静强度理论基本适合于磨损过程分析。 屑从而不断损伤的现象。静强度理论基本适合于磨损过程分析。 磨损的动态特征有二： 磨损的动态特征有二： 动态特征有二 ①反复进行局部变形和断裂；②材料表层经过每次循环后总要 反复进行局部变形和断裂； 变到新的状态。 变到新的状态。 因而，常规力学性能研究方法不一定实用于材料耐磨损性。 因而，常规力学性能研究方法不一定实用于材料耐磨损性。
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阿查得(J． 阿查得(J．F．Archard)提出了估算粘着磨损量的方法， (J Archard)提出了估算粘着磨损量的方法， 提出了估算粘着磨损量的方法 其粘着磨损模型如图6 所示: 其粘着磨损模型如图6-4所示: 设在法向力P作用下，摩擦面上有 n个微凸体接触粘着，每个粘着点 均为直径d的球体，磨损只发生在 下半球的软材料上。 πd 2
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压痕
切削作用的磨粒磨损模型如图6-7示:
p = (3σ sc )π r 2 = H π r 2
被切削下来的软材料体 积(图6-7中阴影线部 分)，即为磨损量W，可 表示为W＝r2Ltanθ (6-5)。将式(6-4)代人 式(6-5)得：
pLtanθ pLtan θ W＝ ≈K H 3πσ sc
(6-6)
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三、接触疲劳 1．现象与特征
接触疲劳概念: 两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时， 接触疲劳概念: 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， 交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区 长期作用使材料表面疲劳损伤 域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象， 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 故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、 表面疲劳磨损或麻点磨损 工件常见的磨损失效形式。 工件常见的磨损失效形式。 接触疲劳的宏观形态特征是： 接触疲劳的宏观形态特征是： 痘状、 或不规则形状的凹坑 接触表面出现许多痘状 贝壳状或不规则形状的 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， 麻坑) 有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹， 疲劳裂纹扩展线的痕迹 如图6 11所示。 如图6-11所示。 所示
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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 磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损， 又称磨料磨损或研磨磨损 表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子 细微凸起或在接触面间存在 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。 (从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损。 前者称两体磨粒磨损，如锉削过程；后者称三体磨粒 前者称两体磨粒磨损，如锉削过程； 磨损， 磨损，如抛光过程。 依据磨粒受的应力大小分类: 凿削式 磨粒磨损 高应力碾碎式 低应力擦伤式
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第二节 磨损过程
粘着磨损
（1）概念：粘着磨损又称咬合磨损，是因两种材料表面 概念：粘着磨损又称咬合磨损， 概念 接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并 某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度 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。 拽开而产生的一种表面损伤磨损。 （2）发生的条件：①摩擦副相对滑动速度小；②接触面 发生的条件： 摩擦副相对滑动速度小； 氧化膜脆弱； 润滑条件差； 接触应力大的滑动摩擦。 氧化膜脆弱；③润滑条件差；④接触应力大的滑动摩擦。 磨损表面特征： （3）磨损表面特征：机件表面 大小不等的结疤，如图6 有大小不等的结疤，如图6-3所 示。 粘着磨损过程：是粘着点 （4）粘着磨损过程 是粘着点 粘着磨损过程 不断形成又不断被破坏并脱落的 过程。 粘着（低温冷焊， 过程。 粘着（低温冷焊，而高 温直接焊接） 剪切→脱落→ 温直接焊接）→剪切→脱落→再 粘着不断破坏并脱落的过程。 粘着不断破坏并脱落的过程。 材料科学与工程学院
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根据剥落裂纹起始位置及形态的差异将接触疲劳分为： 麻点剥落 (点蚀) 深度在0.1～0.2mm的小块剥落称点 蚀，剥块形状为不对称V型针状或 痘状凹坑。 发生在兼有滚动和滑动 浅层剥落深度一般为0.2～0.4mm， 剥块底部大致与表面平行，裂纹沿 与表面成锐角或直角扩展。 纯滚动或摩擦很小 深层剥落深度与表面强化层深相当 (>0.4mm)，剥落时裂纹垂直于表面 扩展。 表面强化层深度不够
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上式表明，粘着磨损量与接触压力p、滑动距离L成正比，与材料硬度 上式表明，粘着磨损量与接触压力p 滑动距离L成正比， 值成反比。 值成反比。 式中K值称为粘着磨损系数，反映配对材料粘着力大小，决定于摩擦 式中K值称为粘着磨损系数，反映配对材料粘着力大小， 粘着磨损系数 条件和摩擦副材料。 条件和摩擦副材料。
当压力p不超过摩擦副材料硬度值 当压力p 1/3时 的1/3时，实验证实该式反映的规 律是正确的。 律是正确的。 但压力超过钢的屈服强度后， 但压力超过钢的屈服强度后，K值 ↑↑，磨损量也↑↑ ↑↑，磨损量也↑↑ ，造成大面 积的焊合和咬死， 积的焊合和咬死，整个接触表面发 生塑性变形， 生塑性变形，接触面积不再与载荷 成正比。钢的K 曲线见图6 成正比。钢的K-p曲线见图6-5。
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前言
任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对 任何机器运转时， 运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。 运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。 由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生 由于磨损，将造成表层材料的损耗， 变化，直接影响了零件的使用寿命。 变化，直接影响了零件的使用寿命。 还增加能耗，产生噪音、振动，造成环境污染。 还增加能耗，产生噪音、振动，造成环境污染。
第六章 材料的磨损性能
了解磨损方式和材料磨损的本质及其影响因素， 了解磨损方式和材料磨损的本质及其影响因素，熟习磨损 机理，掌握控制磨损的方法和提高材料耐磨性的途径。 机理，掌握控制磨损的方法和提高材料耐磨性的途径。 主要内容: 磨损的基本概念及类型； 主要内容 磨损的基本概念及类型；磨 损 过 程；耐磨性及 其测量方法；提高材料耐磨性的途径。 其测量方法；提高材料耐磨性的途径。 重点：概念（摩擦、磨损、粘着磨损、磨粒磨损、接触 重点：概念（摩擦、磨损、粘着磨损、磨粒磨损、 疲劳、耐磨性) 疲劳、耐磨性)；提高材料耐磨损性的途径 难点：三种磨损产生的条件、磨损过程和表面损伤形貌； 难点：三种磨损产生的条件、磨损过程和表面损伤形貌； 金属接触疲劳的三种机理
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二、磨损的基本类型
根据摩擦面损伤和破坏的形式，可分4 根据摩擦面损伤和破坏的形式，可分4类：粘着磨损、磨 摩擦面损伤和破坏的形式 粘着磨损、 料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳) 料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳)等。 • 磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同 磨损类型并非固定不变， 特性情况下，损伤机制会发生转化， 特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另 一种损伤机制。如图 一种损伤机制。如图6-2。 。
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接触 疲劳 破坏
浅层剥落
深层剥落 (表面压碎)
第三节 耐磨性及其测量方法
一、材料的耐磨性
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 耐磨性 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 尺寸法 称重法和尺寸法 称重法 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 称重法 磨损量。 尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。 尺寸法 有时还测量比磨损量 比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量 比磨损量
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常用磨损量的倒数或用相对耐磨性(ε)表征材料的耐磨性 表征材料的耐磨性 常用 亦称磨损系数。 亦称磨损系数。
标准试样的耐磨性 ε＝ 被百度文库试样的耐磨性
二、磨损试验方法 实物 试验 条件与实际情况一致或接近。结果可靠性 高，但实验周期长，单因素的影响难以掌 握。 周期短、成本低、易于控制各种影响因素 等优点，但结果常不能直接反映实际情况， 多用于研究性试验，研究单个因素的影响 规律及探讨磨损机制。
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根据粘着点与两侧材料强度的差异 粘着点与两侧材料强度的差异，粘着剪断可出现以 粘着点与两侧材料强度的差异 下两种形式： ①粘着点结合强度低于两侧材料 沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面显得较平滑，只有轻 微擦伤。锡基合金与钢的滑动属此类型。 ②粘着点结合强度高于两侧材料 分离面便发生在强度较弱的材料上，被剪断的材料将转移 到强度较高的材料上。 软材料→硬 变成同 材料表面 种材料 硬材料表面 微小凸起 and 积累 如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。 软材料表面 微小凹坑
磨损曲线） 6.1 磨损量与时间的关系示意图 (磨损曲线）
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剧烈磨损阶段（BC段 (3) 剧烈磨损阶段（BC段） 磨损↗ 磨耗↗ 磨损↗，磨耗↗ ，摩擦 副接触表面间隙↗ 副接触表面间隙↗ ，机械 表面质量恶化，润滑膜破坏， 表面质量恶化，润滑膜破坏， 磨损更新加剧， 磨损更新加剧，机件快速失 效。 (2) 稳定磨损阶段 （AB段） AB段 斜率为磨损速率，为一稳定值。 斜率为磨损速率，为一稳定值。 实验室的磨损实验就是根据该段经历的时间t的磨损速率或磨损量来评价 实验室的磨损实验就是根据该段经历的时间t 磨损速率或磨损量来评价 材料的耐磨性能。 材料的耐磨性能。 大多数工件在此阶段运转，如磨合得好，该段磨损速度就越低。 大多数工件在此阶段运转，如磨合得好，该段磨损速度就越低。