第七章金属磨损和接触疲劳

材料的磨损不是简单的力学过程，而是物理、力 学和化学 过程的复杂综合。 目前，比较常见的磨损分类方法是： （1）粘着磨损（Adhesive Wear）：接触表面相互运动 时， 由于固相焊合作用使材料从一个表面脱落或转移 到另一 表面而形成的磨损。 （2）磨粒磨损(Abrasive Wear) ：由于摩擦表面间硬颗 粒或 硬突起，使材料产生脱落而形成的磨损。 （3）冲蚀磨损(Erosion 或Erosive Wear)：含有固体颗 粒的 流体介质冲刷固体表面，使表面造成材料损失 的磨损， 又称为湿磨粒磨损。 （4）疲劳磨损(Fatigue Wear)：由于摩擦表面间循环交 变应 力引起表面疲劳，导致摩擦表面材料脱落而形 成的磨损。 （5）腐蚀磨损(Corrosive Wear)：在摩擦过程中，由于 固体 界面上的材料与周围介质发生化学反应导致材 料损耗而 形成的磨损。 （6）微动磨损(Fretting Wear)：在两物体接触面间由 于振 幅很小(1mm以下)的相对振动引起的磨损。
三、冲蚀磨损
1.磨损机理
冲蚀磨损是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度 和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。
在冲蚀磨损过程中，表面材料流失主要是机械力引起的。 在高速粒子不断冲击下，塑性材料表面逐渐出现短程 沟槽和鱼鳞状小凹坑(冲蚀坑)，且变形层有微小裂纹。
4.改善粘着磨损耐磨性的措施
（a）首先要注意摩擦副配对材料的选择 其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；选用表面易形 成化合物的材料配对；金属与非金属配对，如金属与高分子材料 配对，以及选用淬硬钢或淬硬钢与灰铸铁配对等都有明显效果。 （b）采用表面化学热处理工艺（氮化、渗碳等），可提高摩 擦表面 的抗粘着能力，有效地阻止材料的粘着。 （c）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.改善磨粒磨损耐磨性的措施
a) 对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增 加材 料的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损， 应提高 材料的韧性。 b) 根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的 低应 力)，合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳 调质钢)。 c) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面 硬 度，也能有效地改善材料的磨粒磨损性能。 另外，经常注意机件防尘和清洗，防止大于1um 磨粒进入接触面，也是有效的措施。
第七章
金属磨损和接触疲劳
第一节 第二节 第三节 第四节
磨损概念 磨损模型 磨损试验方法 金属接触疲劳
第一节 一、磨擦和磨损
磨损概念
摩擦（Friction）是两个相互接触的物体在外力 作用下， 发生相对运动(或有相对运动趋势)时产生切 向运动阻 力的物理现象，而磨损（Wear）是摩擦的 结果。 凡相互作用、相对运动的两表面之间，都有摩擦与磨 损存在。 磨损概念：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(松散的尺寸与形状 均不相同的碎屑)，使表面材料逐渐流失(导致机件尺寸 和质量损失)、造成表面损伤的现象。 所谓摩擦副是指摩擦材料与其对偶组成的整体 ,例如 制动盘和刹车块就是典型的摩擦副
第二节 磨损模型
一、粘着磨损(Adhesive Wear)
1.磨损机理 粘着磨损又称为咬合磨损，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。
摩擦机理：摩擦副实际表面上总存在局部凸起，当摩擦副 双方接触时，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。倘若接触面上洁净而未受 到腐蚀，则局部塑性变形会使两个接触面上的原子彼此 十分接近而产生强烈粘着(冷焊)。所谓粘着，实际上就 是原子间的键合作用。随后在继续滑动时，粘着点被剪 开并转移到一方金属表面，然后脱落下来便形成磨屑。 一个粘着点剪断了，又在新的地方产生粘着，随后也被 剪断、转移，如此粘着—剪断—转移—再粘着循环不已， 就构成粘着磨损过程。粘着磨损过程如图示。 因为粘着磨损过程中有材料转移，所以摩擦副一方金属表 面常粘附一层很薄的转移膜，并伴有化学成分变化。这 是判断粘着磨损的重要特征。
A n(
d 2
4
)
可推出：每一粘着点滑过距离也为d，则单位滑动距离形成的粘着点 数N为
N n 4F d 3 SC d 3
磨屑形成有个几率问题，设此几率为K，则单位滑动距离内的磨损 体积为 V d
l KN
3
12
由上式可知， l 9 对上式进行积分，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 V KFl KFl
在磨损过程中，磨屑的形成也是一个变形和断裂的过程。 磨损发生在机件表面。在整体加载时，塑性变形集中 在材料一定体积内，在这些部位产生应力集中并导致 裂纹形成；而在表面加载时，塑性变形和断裂发生在 表面，由于接触区应力分布比较复杂，沿接触表面上 任何一点都有可能参加塑性变形和断裂，反使应力集 中降低。在磨损过程中，塑性变形和断裂是反复进行 的，一旦磨屑形成后又开始下一循环，所以过程具有 动态特征。这种动态特征标志着表层组织变化也具有 动态特征，即每次循环，材料总要转变到新的状态， 加上磨损本身的一些特点，所以普通力学性能试验所 得到的材料力学性能数据不一定能反映材料耐磨性的 优劣。
2.磨损量估算
1966年Rabinowicz以两体磨粒磨损为例，估算出以切削作用为主 的磨粒磨损量。按照这一模型，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。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πr2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，于是可 以得到 F= (3 σSC) πr2 设θ为凸出部分的圆锥面与软材料表面间的夹角，当摩擦副相对滑 动了l长的距离时，凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积，即磨损 量V为 V=0.5*2r*r*tan θl=r2ltanθ
二、耐磨性
耐磨性是材料抵抗磨损的性能，这是一个系统性质。 通常是用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小， 耐磨性越高。 线磨损：用试样摩擦表面法向方向的尺寸减小来表示。 体积磨损或质量磨损：用试样体积或质量损失来表示。 比磨损量：若测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损 量等等。 相对耐磨性ε 标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
2.磨损量的估算
Archard 提出的粘着磨损量估算方法如下： 在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，故接触压缩屈服强度近似为 单向压缩屈服强度σSC的三倍。若接触处因压应力很高超过σSC 产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。此时，外加载荷 事实上作用在接触点真实面积上。设真实接触面积为A，接触压 缩屈服强度为3 σSC ，作用于表面上的法向力为F，则 F=A (3 σSC) 假定磨屑呈半球形，直径为d。任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点 尺寸相同，直径也为d，则
由上两式可得
V
Fl tan 3 SC
因为金属材料的屈服强度与硬度成正比，所 以上式又可写为
V K Fl tan H
K为系数。可见，磨粒磨损量与法向力、摩擦 距离成正比，与材料硬度成反比，同时还 与硬材料凸出部分或磨粒的形状有关。
3.影响因素
(a) 材料性能 * 硬 度：一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨 损能力也越高。 （1）对纯金属和各种成分未经热处理的钢，耐磨性与 材料的硬度成 正比。 （2）对经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关 系，但直线的 斜率比纯金属为小。 （3）通过塑性变形虽能使钢材加工硬化、提高钢的硬 度，但不能改 善其抗磨粒磨损的能力。
* 断裂韧性 断裂韧性也会影响材料的磨粒磨损性能。
* 显微组织 马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨 性最差。 * 钢中碳化物： 在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨 性也提 高；但在硬基体(即基体硬度与碳化物硬度相 近)中， 碳化物反而损害材料的耐磨性。
(b) 磨粒性能 * 磨粒硬度 磨损体积与硬度比Ha /H（磨粒硬度Ha与材料硬度 H之比） 的关系。
二、磨粒磨损
1.磨损机理 分类：a）按接触条件或磨损表面数量分：
（1）两体磨粒磨损：磨料直接作用于被磨材料的 表面，磨粒、材料 表面各为一物体。 （2）三体磨粒磨损：磨粒介于两材料表面之间。 磨粒为一物体，两 材料为两物体，磨粒可以在两表面 间滑动，也可以滚动。 b）按力的作用特点分为： （1）凿削式磨粒磨损：磨粒对材料表面有高应力冲 击式的运动，从 材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如 挖掘机斗齿、破碎机锤头等。 （2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨粒与材料表面接触 处的最大压应力 大于磨料的压碎强度，磨粒不断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球等。 （3）低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应 力不超过磨料的 压碎强度，材料表面为轻微划伤。
SC
V
KF
9 SC
t
t
H
上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软 方材料的压缩屈服强度(或硬度)成反比，而与表观接触面积无关。
3.影响因素
综上所述，材料特性、法向力、滑动速度以及温度等均对粘着磨损 有明显影响。 1)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的摩擦 副不易粘着。 2)在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增大。 3)在法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而增加，但达到某一 极大值后又随滑动速度增加而减小。 4）摩擦副表面粗糙度、摩擦表面温度以及润滑状态等也都对粘着磨 损有较大影响。降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力；但 粗 糙度过低，因润滑剂难于储存在摩擦面内而促进 粘着。 5）提高温度促进磨损产生。 6)良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。