08 材料的磨损与接触疲劳

（2）聚合物
➢聚合物对磨粒具有良好适应性； ➢聚合物与金属配对的摩擦副优于金 属和金属配对； ➢大多数液体对聚合物具有润滑减摩 作用。
本章重点内容
1、磨损曲线三个阶段 2、各种磨损的定义（特征）
3、接触疲劳及其接触疲劳的类型
摩擦
静摩擦
动摩擦
滑动摩擦 滚动摩擦
根据润滑状态分：液体摩擦、半液体摩擦、境界摩擦、干摩擦
二、磨损及类型
➢磨损：当两个物体沿接触表面作相对运动时发 生摩擦，引起物体表面层的物理、化学、机械性 能的变化，并因此出现几何形状、尺寸及物体质 量的变化过程。
➢摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。
➢磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相
第八章 材料的磨损和接触疲劳
➢8.1 摩擦与磨损的基本概念 ➢8.2 磨损机制及提高磨损抗力的因素 ➢8.4 接触疲劳 ➢8.5 非金属材料的磨损性能
前言
➢相互接触的机械部件之间在相对运动的过程中必然 出现摩擦，产生发热和磨损。这不仅降低电力的利 用效率，长期的磨损还将导致机械部件的精度下降 ，甚至报废。大约80%的机件失效是磨损引起的。
8.4 接触疲劳
➢一、定义：对于轴承 和齿轮机件，在表面交 变接触压应力长期作用 下，接触表面局部区域 产生小片或小块状金属 剥落，导致机件疲劳损 伤的现象。又称疲劳磨 损、麻点、点蚀。
➢接触疲劳的宏观形态特征：接触面出现许多深浅
不均匀的针状或点状凹坑或较大面积的表面压碎。
二、接触疲劳的类型
➢接触疲劳过程：裂纹的成核（所占时间 长）＋裂纹扩展 ➢接触疲劳裂纹的形成由反复塑性变形所 致，裂纹的不断扩展，导致材料的表层剥 落。 ➢根据剥落坑外形特征，接触疲劳失效可 分为：麻点剥落、浅层剥落和硬化层剥落。
(3)硬化层（深层）剥落
➢剥落坑深度大于0.4mm，剥块大。 ➢初始裂纹一般发生在机件表面硬化层的 过渡区，裂纹形成后先沿平行于表面扩展， 然后沿过渡区扩展，而后垂直于表面扩展， 最终造成大块剥落。
三、影响接触疲劳抗力的因素
1、内部因素 （1）冶金质量
非金属夹杂物如氧化物、硅酸盐降低接触疲劳寿命。采 用电渣重溶、真空冶炼等可以降低非金属夹杂物。 （2）热处理和组织结构
热处理主要提高强度和硬度，材料的抗拉强度越高，其 变形与断裂抗力越大，所以接触疲劳寿命大。 （3）表面硬度和心部硬度
在一定硬度范围内，接触疲劳强度随硬度升高而增大， 但是如果表面硬度太大，在表面层下的硬度梯度过大，则 容易在过渡区产生深层剥落。 （4）残余应力
在渗碳层中的一定范围内存在残余压应力，可以提高接 触疲劳寿命。
➢其过程：
粘着→剪断→转移→再粘着
➢咬合磨损的速率较大。
减轻咬合磨损的主要措施：
(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) 降低表面粗糙度，增加真实接触面积，减少 凸起接触点处所受压力。
(3) 设计时摩擦副一方承受的压强不超过所选材 料硬度的1/3。
➢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。
8.1 摩擦与磨损
一、摩擦及类型：
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。
2、外部因素
（1）表面粗糙度和接触精度 降低表面缺陷和粗糙度，提高接触精度，可
以有效提高接触疲劳寿命。
（2）硬度匹配 如减速器中小齿轮与大齿轮的硬度比保持在
1.4~1.7 的匹配关系，可提高接触疲劳寿命。
（3）润滑 良好的润滑和装配质量等可以提高接触疲劳寿
命。
8.5 非金属材料的磨损性能
（1） 陶瓷材料 ➢陶瓷材料的耐磨性远高于金属，而且在高温、 腐蚀环境下更显示出其独特的优越性。 ➢陶瓷的摩擦磨损行为对表面状态极为敏感； ➢陶瓷材料的抗冲蚀性能不仅与组分纯度有关， 而且与制备工艺有关。抗冲蚀磨损下选择高密 度、高纯度陶瓷。
对运动性（方式和速度）以及工作温度。
➢磨损的类型(按照磨损的破坏机制来分）：
氧化磨损；黏着磨损(咬合磨损、热磨损）； 磨粒磨损；微动磨损；表面疲劳磨损(接触疲 劳)。
➢磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件 和材料具有不同特性情况下，损伤机制会由 一种损伤机制变成另一种损伤机制。
磨损形式随滑动速度和载荷的变化
(1)麻点剥落（点蚀）
➢剥落深度在0.2mm 以下的小块剥落称为点蚀， 点蚀外观为针状或点状凹坑，截面呈不对称V形。
麻点剥落形成过程示意图 (a) 初始裂纹形成；(b) 初始裂纹扩展；(c) 二次裂纹形成；
(d) 二次裂纹扩展；(e) 形成磨屑；(f) 锯齿形表面
(2)浅层剥落
➢剥落深度为0.2-0.4mm，剥块底部大致和表面平行， 而且侧面的一侧与表面成锐角，另一侧与表面垂直。 ➢浅层剥落裂纹产生于亚表层，在纯滚动或摩擦力很小 的情况下，亚表层承受更大的切应力，产生塑性变形， 出现位错和空位，并逐步发展形成裂纹。裂纹沿与表 面平行的方向扩展，在应力集中处（夹杂物）产生二 次裂纹，沿与表面成锐角的方向扩展至表面，在另一 端形成悬臂梁，在反复弯曲作用下发生弯断，从而形 成浅层剥落。
➢ 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，发生氧化，随后又再被磨 去。
➢ 如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。
➢ 氧化磨损具有最小的磨损速率，生产上可以允许该 磨损的存在。
二、咬合磨损（黏着磨损、粘着磨损）
➢定义：只发生在滑动摩擦条件下，零件表面缺乏润 滑和无氧化膜，摩擦副相对滑动速度较小（钢小于 1m/s），而单位法向载荷很大，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。
三、耐磨性
耐磨性是材料抵抗磨损的力 学性能指标，用磨损量来表 示。
磨损曲线（磨损量－时间曲线）：
(1) 跑合阶段 ：磨损速率不断减小。
(2) 稳定磨损阶段：材料的耐磨 性能由该段经历的时间、磨损速 率或磨损量来评定。大多数工件 均在此阶段服役，磨合得越好， 该段磨损速率就越低。
(3) 剧烈磨损阶段 ：磨损重新加 剧，机件快速失效。
➢磨损量可以有几种表示方法：
（1）线磨损量 即机件摩擦表面的法线方向的尺寸减少量。 （2）体积磨损或质量磨损 即机件体积或质量的损失量。 ➢耐磨性也可由磨损量倒数来表示；
➢也可由相对耐磨性ε表示：
8.2 磨损机制及提高磨损抗力的因素
一、氧化磨损
➢ 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。
(4) 表面化学热处理改变材料表面状态，如进行 渗碳损，是指滑动摩擦时，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。
主要特征：
摩擦面上有明显梨沟
减轻磨粒磨损的主要措施：
(1) 若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面硬 度； (2) 若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则基 体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝氏体； (3) 就合金钢而言，控制和改变碳化物数量、分 布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影响； (4) 对于经渗碳、碳氮共渗等提高表面硬度的机 件，应经常对机件、润滑油进行防尘、过滤； (5) 确定材料硬度时，应以Hm＝1.3 Ha(Hm为摩 擦副材料硬度，Ha为磨粒硬度)为依据。