磨损原理

许用载荷：尽量使单位面积上的载荷不超过许用值，防止由于
载荷过大而导致磨料磨损的迅速发展； 表面粗糙度：控制在 尽可能最佳状态 。
通过表面处理进行磨料磨损的控制 表面机械加工：表面机械加工的方法可以改变金属表面的组 织和结构，致使表面硬度提高，并且通常使表面层产生相当 大的残余压应力，因而使摩擦表面的耐磨料磨损性能提高。
微观疲劳磨损----发生于滑动接触的微观表面上 磨屑形状：点蚀—扇形（退火钢、调质钢）；剥落—片状（渗碳钢）
磨损过程：裂纹萌生、裂纹扩展
1）、润滑良好的滚动，2）、滚滑组合接触，3）、润滑不良有表面损 伤，4）、表面强化的表面
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疲劳磨损定律：
m σ rn N =常数
宏观疲劳磨损：
微观疲劳磨损：
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》 》 》
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等
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磨损现象十分复杂：至今仍不够理解其真正的 机理
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》 我国上世纪 80 年代不完全统计，在冶金矿山、农业机
械、煤炭、电力和建筑材料五个工业部门，每年仅用于磨 料磨损而需要补充的备件达 100 万吨钢材。约 40% 的农业 机具备件是由于磨料磨损造成的，约30%的锅炉钢管因腐 蚀磨损而失效。在摩擦学研究领域，
V W h P h P ⎛H ⎞1 =K ⇒ =K ⇒ = K ⇒ t =h⎜ ⎟ LAa HAa L H vt H pv ⎝K ⎠
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可以看出，摩擦副的寿命与pv成反比
影响粘着磨损的因素
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摩擦副材料的性质 粘着倾向越高，粘着磨损越大；相同金属—粘着 倾向大---粘着磨损 大；异性金属的粘着磨损小；脆性材料比塑性材 料要不容易发生黏着 磨损；多相金属也不容易发生黏着磨损；表面 处理可以减小黏着磨 损。 载荷 载荷增加—粘着磨损加剧，但有一临界载荷. 温度 表面温度升高—硬度下降---粘着上升 温度升高---润滑剂变质以至失效 压力、速度影响温度
6.冲蚀磨损
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定义：流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造 成的磨损 类型：固体颗粒冲蚀磨损，液滴冲蚀磨损，气蚀磨损。 形成机理： 固体颗粒：切削（冲击角度小，塑性材料；冲击角度大，变形机 理））；疲劳（冲击角度大）；断裂（脆性材料）； 液体颗粒：疲劳机理为主； 气蚀：疲劳机理为主
靶材特性：韧性、弹性模量 液体特性：腐蚀性、密度、粘度
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气蚀磨损：固体表面与液体接触并有相对运动时造成的表面损伤，常 发生于流体机械中 气蚀机理：当液体与固体表面接触处的局部压力低于蒸汽压力时，会 形成气泡，到达高压区气泡炸裂，瞬间形成对表面的冲击和高温，反 复作用形成疲劳，形成麻点，继续形成海绵状表面。 影响因素： 零件的外形：流线型可以避免局部出现涡流。减少气蚀； 液体中的气体含量：含量越少，气蚀越小，反之越小； 液体运动速度和压力：速度和压力越大，气蚀越大。反之越小； 液体温度：液体温度越高，气蚀磨损越大； 材料性质：强度和韧性高的材料耐气蚀磨损能力强，不锈钢>一般碳钢
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粘着磨损定律
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Archard J F推导了粘着磨损的公式
δ A =π a 2 =δW σ s
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δV = 2 π a 3
3
3
假设 δ L = 2a ⇒ δV = 2 π a = 1 π a 2 = 1 δ A = 1 δW δ L 3 2a 3 3 3 σS 设全部接触的微凸体有K1的比率成为磨屑，则单位滑动距离的总的 磨损体积为 Q = V = δV = 1K δ A = 1K A = 1 K W ∑ 1∑ 1 1 L δL 3 3 3 σS 代换后得到：
磨粒磨损 微动磨损定律： V =( K W 1/ 2 −K W ) N /( fH ) + K LWN / H
0 2 2
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影响微动磨损的因素： 载荷、循环次数、滑动振幅、频率、材料
特性、环境因素、润滑等。
控制微动磨损的措施：消除震动，增加接合 面上的正压力，增大接合面间的摩擦力，采 用良好的润滑，采用润滑脂，采用固体润滑 剂。
m与材料及应力状态有关
W (KF为发生疲劳破坏的循环次数的倒数） Q = =K F H L 疲劳磨损的三个规律依然存在
磨损的体积与滑动距离成正比； 磨损的体积与载荷成正比（当大到一定程度后不成立）； 磨损的体积与较软的材料的屈服极限（硬度）成反比。
V
• 口
影响疲劳磨损的因素 载荷的影响：载荷越大—接触应力越大—寿命下降；载荷越大—摩擦力 越大—寿命下降； 材料性质：硬度越高—寿命越长（但有临界值）；内部缺陷—寿命下 降；粗糙度升高—寿命下降；硬化层升高—寿命升高； 润滑剂及添加剂：极压添加剂降低疲劳寿命（一般来说） 水份：水分升高—寿命下降
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固体颗粒冲蚀的影响因素：颗粒硬度、颗粒密度、颗粒尺寸、颗粒形 状、冲击角度、靶材特性等。
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固体颗粒硬度：颗粒硬度越高—冲蚀磨损越高；冲蚀磨损量正比于流 体束中的颗粒数量； 颗粒尺寸：颗粒尺寸增加—冲蚀磨损增加，但有转折点 固体颗粒的尖角：有尖角的颗粒冲蚀磨损大 冲击角的影响与靶材性质有关 冲蚀磨损量与冲击颗粒的动能有关(n=2~2.5)
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润滑剂 存在边界膜—粘着磨损下降； 边界膜：纯矿物油—吸附膜强度低—在 一定温度下解吸；含油性添加 剂及极压添加剂的膜—强度高---可以在 很高的温度下工作—对表面有 一定的腐蚀作用 提高抗粘着能力：提高硬度，采用互溶性小的金属，耐磨镀层，加油 性和极压添加剂，等。
2. 磨粒磨损
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定义：摩擦过程中，由于硬的颗粒或表面硬的凸起引起材料从其表面 分离出来的现象。 分类： 按磨粒和表面的相互位置分：二体磨损
M B)
粘着和转移，腐蚀，切削，塑性变形，表面断裂，表面反应，撕裂，疲 劳，溶化，电解化
•苏（Suh
NＰ） 滑动磨损，微动磨损，磨粒磨损，侵蚀磨损，表面断
裂，溶解磨损，扩 散磨损，氧化磨损，腐蚀磨损，化学或热磨损
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巴威尔（Burwell J T)
粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，化学磨损，微动磨损，冲蚀磨损
W H
4-4 耐磨损设计
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定义：根据现有摩擦学知识，分析影响磨损的多种因 素
，并在设计时采用相应对策，减轻或消除不利因素，发
挥有利因素，从而达到设计要求的目标；
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方法：合理选材，表面强化，选择加工方法，控制表面
几何形状，合理润滑，过滤及密封技术应用，合理冷却，
装配与对中，控制相对运动等。
磨料磨损的控制
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Q=
δV V W =∑ =K L H δL
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K为磨损系数，大约为K=10-2~10-7，空气中的金属： K=10-3~10-4，略 有润滑： K=10-4~10-5，润滑良好： K=10-6~10-7，
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三条基本定律：
磨损的体积与滑动距离成正比； 磨损的体积与载荷成正比（当大到一定程度后不成立）； 磨损的体积与较软的材料的屈服极限（硬度）成反比。 将上式继续化简，引入h=V/Aa,平均压强P=W/Aa
类型： 氧化磨损—表面氧化膜不断的出现，又不
断的被磨掉 腐蚀磨损—表面与周围的介质发生化学反应或电化学反应形成反应 膜，又不断的被磨掉； W V Q = = K F 化学磨损定律 H L
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影响化学磨损 的因素 氧化磨损：氧化膜与基体的连接强度、氧化速度、氧化膜的硬度与基体
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》
》
的硬度比、表面润滑状态、滑动速度、载荷和周围介质的含氧量等； 脆性氧化膜—磨损率大；韧性氧化膜—磨损率小； 氧化膜的生成速度>磨损速度—磨损量小；氧化膜的生成速度<磨损 率—磨损量大；氧化膜的生成速度=磨损速度—磨损量最大； 氧化膜的硬度>>基体硬度—磨损率大；氧化膜的硬度与基体硬度接 近—磨损率小；当氧化膜与基体的硬度都很高时—磨损量小； 良好的润滑：不仅可以减少摩擦，还可以隔绝与空气的接触，降低腐 蚀磨损； 滑动速度：当速度较低时，随速度增加，磨损量加大；在速度较高 时 ，随速度的增加，磨损量下降；速度很高时，转化成粘着磨损，磨 损 量急剧增大； 载荷：载荷越大—磨损量越大； 周围介质含氧量：
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• 》 》 》 》 》
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、
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昏 欲
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磨损形式的综合作用
实际应用中：各种磨损形式很少单独出现，相反，它们可能同时 起作用或交替发生作用
4-3 磨损的计算方法
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磨损计算方法十分重要，但至今尚无有效的方法
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阿查德磨损计算方法Q =V = K A
L
适用于粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损，关键是如何确定K 一般要通过实验测定
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、三体磨损
按磨损表面所受的应力和冲击力大小：凿削式、碾碎式、擦伤式
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形成磨屑的机理有三种：微观切削，疲劳破坏，脆性剥落
磨粒磨损的定律
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1 2 1 2 2 W = π r σ = π h tg θσ S 按照微观切削机理 i S 2 2 通过距离δ L后，切削的材料为
δV δ Lh 2tgθ 2Wi ctgθ = = δL δL πσ S
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Q = Kv n
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液 滴 冲 蚀 磨 损 ：液滴以高速冲击固体表面，使表面材料损
影响液滴冲蚀磨损的因素 冲击速度：冲击速度越小，冲蚀磨损越小，反之会越大； 冲击角度：冲击角度越小，冲蚀磨损越小，反之会越大；
失的现 象；
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液滴尺寸：液滴尺寸越大，冲蚀磨损越大，但有转折点；
提高耐磨粒磨损的能力：提高摩擦副的表面硬度，降低 硬表面的粗糙度，使用前进行磨合，采用有效地密封和
过滤措施，防止外界磨粒浸入，定期更换润滑油
3.疲劳磨损