第七章金属磨损和接触疲劳详解
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金属磨损和接触疲劳
九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
20
11三.4、.3 腐腐蚀蚀磨磨损损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成 的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上， 可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。
各类金属零件中经常见到的是氧化磨损。摩擦状态下氧化反 应速反比未受变形时的速度快。
第7章 金属磨损和接触疲劳
材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
2
▪任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而 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，零件尺寸发生变化，直接影响了 零件的使用寿命。 本章主要内容： ▪摩擦磨损形式及磨损机理； ▪影响磨损速率的因素； ▪控制磨损的途径； ▪接触疲劳类型及破坏机理； ▪影响接触疲劳抗力的因素。
▪转移的碎屑脱落下来形成 磨屑。
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
12
▪ 2.磨损量的估算
V KFlt KFlt
9 sc
H
K 磨屑形成几率
F 作用于表面的法向力
lt 总滑动距离
系数
H 材料硬度（较软的一方的硬度）
▪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。
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
21
§7.3 磨损实验方法
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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11三.4、.3 腐腐蚀蚀磨磨损损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成 的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上， 可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。
各类金属零件中经常见到的是氧化磨损。摩擦状态下氧化反 应速反比未受变形时的速度快。
第7章 金属磨损和接触疲劳
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
2
▪任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而 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，零件尺寸发生变化，直接影响了 零件的使用寿命。 本章主要内容： ▪摩擦磨损形式及磨损机理； ▪影响磨损速率的因素； ▪控制磨损的途径； ▪接触疲劳类型及破坏机理； ▪影响接触疲劳抗力的因素。
▪转移的碎屑脱落下来形成 磨屑。
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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▪ 2.磨损量的估算
V KFlt KFlt
9 sc
H
K 磨屑形成几率
F 作用于表面的法向力
lt 总滑动距离
系数
H 材料硬度（较软的一方的硬度）
▪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。
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§7.3 磨损实验方法
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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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第07章金属磨损和接触疲劳-材料力学性能
14
2、耐磨性
⑴定义：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。
⑵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（ε）。
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
材料的耐磨性与摩擦系数并无直接关系，摩擦
系数低，并不意味着耐磨性高。
15
§7-2 磨损模型 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7-2所示。
26
二、磨粒磨损 1、磨损机理 ⑴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。前者为两体磨损，后者为三体磨损。如图所示 ⑵分类 按所受应力的大小不同，可分为： ◆低应力擦伤性磨粒磨损：它的特点是磨料作用于 零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面 被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板 输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。
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。
8
润滑 摩擦吸收了机器中的大量功，这部分功大多在 滑动表面上转化为热，它可以损伤甚至熔化轴承， 为使摩擦力最小，需使接触表面尽可能容易地滑动。 要做到这点，一种显而易见的办法是在接触部分涂 抹上一层物质，它即能承受轴承的表面压力，以防 止原子-原子间的接触，又应该容易切过自身，从 而减小摩擦阻力。
2、耐磨性
⑴定义：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。
⑵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（ε）。
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
材料的耐磨性与摩擦系数并无直接关系，摩擦
系数低，并不意味着耐磨性高。
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§7-2 磨损模型 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7-2所示。
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二、磨粒磨损 1、磨损机理 ⑴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。前者为两体磨损，后者为三体磨损。如图所示 ⑵分类 按所受应力的大小不同，可分为： ◆低应力擦伤性磨粒磨损：它的特点是磨料作用于 零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面 被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板 输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。
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。
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润滑 摩擦吸收了机器中的大量功，这部分功大多在 滑动表面上转化为热，它可以损伤甚至熔化轴承， 为使摩擦力最小，需使接触表面尽可能容易地滑动。 要做到这点，一种显而易见的办法是在接触部分涂 抹上一层物质，它即能承受轴承的表面压力，以防 止原子-原子间的接触，又应该容易切过自身，从 而减小摩擦阻力。
7 金属磨损和接触疲劳
7.3 磨损试验方法
实物磨损试验:以实物零件在机器实际工作条件 下进行试验,或者用实物零件在模拟机械使用条 件的试验台上进行试验.结果可靠性高,但时间 长,难于掌握和分析. 试样磨损试验:将欲试材料制成规定试样,在规 定的试验条件下在专门设计的试验机上进行试验. 时间短,成本低,易掌握和控制,但可靠性不高. 通常用秤量法或测长法确定磨损量.
氧化磨损
过程:氧化膜形成又除去,机件表面逐渐 被磨损. 宏观特征:在摩擦面上沿滑动方向呈匀细 磨痕,其磨损产物或为红褐色的Fe 磨痕,其磨损产物或为红褐色的Fe2O3或为 灰黑色Fe 灰黑色Fe3O4.
五,微动磨损
定义:接触表面之间因存在小振幅相对振动或往 复运动而产生的磨损微动磨损.通常发生在一对 紧配合的零件. 特征:摩擦副接触区有大量红色Fe 特征:摩擦副接触区有大量红色Fe2O3磨损粉末. 微动磨损量与材料性质,滑动振幅和施加载荷有 关. 滚压,喷丸和表面热处理都可因为表层产生压应 力,能有效地提高微动磨损与疲劳的抗力.
�
4,改善粘着磨损耐磨性的措施
合理选择摩擦副材料; 避免或阻止两摩擦副间直接接触; 为使磨屑多沿接触面剥落,以降低磨损量, 可采用表面渗硫,渗磷,渗氮等表面处理 工艺等.
二,磨粒磨损
1,磨损机理 摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或 在接触面向存在硬质粒子( 在接触面向存在硬质粒子(从外界进入或从 表面剥落) 表面剥落)时产生的磨损. 特征:摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成 的沟槽.
一般发生在表面强化的材料中如渗碳钢接触疲劳试验机上进行试验机目前国内接触疲劳试验机上进行试验机目前国内常用的主要有单面对滚式双面对滚式和常用的主要有单面对滚式双面对滚式和接触疲劳寿命首先取决于加载条件特别接触疲劳寿命首先取决于加载条件特别是载荷大小
金属液态成型第七章 金属磨损和接触疲劳
接触疲劳试验是在接触疲劳试验机上进行的。 试验机有纯滚动和滚动带滑动两类。 图7－23是 应用较广的JP M－1型滚子式 试验机原理图。 该种试验机可以 做纯滚动或滚动 带滑动的试验。
四、影响接触疲劳寿命的因素
（一）内部因素
1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力
3. 表面硬度与心部硬度 在一定硬度范围内，接触疲劳抗力随硬度 升高而增大，但 并不保持正比关 系。轴承钢表面 硬度为62HRC时， 其平均使用寿命 最高（图7-25）。
4. 表面硬化层深度 为防止表层产生早期麻点或深层剥落， 渗碳的齿轮需要有一定硬化层深度。最佳硬 化层深度 t 推荐值为：
t = m(15~20 ) ；或 t≥3.15b （7－16） 100
断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐 磨性。图 7-8 为耐磨性与硬度及断裂韧度 关系的示意图。
图7-9为磨损体积和磨粒硬度Ha况与金属材料硬 度H比的关系曲线。曲线分三个区域： Ⅰ区 Ha <H，软磨粒磨损区，磨损量最小； Ⅱ区Ha ≈H，过渡 区，金属材料的磨损体 积与硬度比（Ha/H）成 直线关系； Ⅲ区Ha >H，硬磨 粒磨损区，磨损量较大。 图中两个转折点A 与B所对应的Ha/H分别 为0.7～1.1和1.3～1.7。
2. 硬度匹配
两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，直接影 响接触疲劳寿命。实践表明，2Q－400型减速器小 齿轮与大齿轮的硬度比保持1.4～1.7的匹配关系， 可使承载能力提高30%～50%。
思考题与习题
1. 解释下列名词： ⑴ 磨损；⑵ 粘着；⑶ 磨屑；⑷ 跑合； ⑸ 咬死；⑹ 犁皱；⑺ 耐磨性；⑻ 接触疲劳。 2. 试比较三类磨粒磨损的异同，并讨论 加工硬化对它们的影响。 3.试述粘着磨损产生的条件、机理及其 防止措施。
四、影响接触疲劳寿命的因素
（一）内部因素
1. 非金属夹杂物 2. 热处理组织状态 3. 表面硬度与心部硬度 4. 表面硬化层深度 5. 残余内应力
3. 表面硬度与心部硬度 在一定硬度范围内，接触疲劳抗力随硬度 升高而增大，但 并不保持正比关 系。轴承钢表面 硬度为62HRC时， 其平均使用寿命 最高（图7-25）。
4. 表面硬化层深度 为防止表层产生早期麻点或深层剥落， 渗碳的齿轮需要有一定硬化层深度。最佳硬 化层深度 t 推荐值为：
t = m(15~20 ) ；或 t≥3.15b （7－16） 100
断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐 磨性。图 7-8 为耐磨性与硬度及断裂韧度 关系的示意图。
图7-9为磨损体积和磨粒硬度Ha况与金属材料硬 度H比的关系曲线。曲线分三个区域： Ⅰ区 Ha <H，软磨粒磨损区，磨损量最小； Ⅱ区Ha ≈H，过渡 区，金属材料的磨损体 积与硬度比（Ha/H）成 直线关系； Ⅲ区Ha >H，硬磨 粒磨损区，磨损量较大。 图中两个转折点A 与B所对应的Ha/H分别 为0.7～1.1和1.3～1.7。
2. 硬度匹配
两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，直接影 响接触疲劳寿命。实践表明，2Q－400型减速器小 齿轮与大齿轮的硬度比保持1.4～1.7的匹配关系， 可使承载能力提高30%～50%。
思考题与习题
1. 解释下列名词： ⑴ 磨损；⑵ 粘着；⑶ 磨屑；⑷ 跑合； ⑸ 咬死；⑹ 犁皱；⑺ 耐磨性；⑻ 接触疲劳。 2. 试比较三类磨粒磨损的异同，并讨论 加工硬化对它们的影响。 3.试述粘着磨损产生的条件、机理及其 防止措施。
第七章 金属的磨损
1.麻点剥落
粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、 腐蚀磨损、微动磨损
与材料整体变形与断裂的区别 整体加载时变形和断裂集中在一定的体积 内，并在这些部位产生应力集中形成裂纹。
表面加载变形和断裂发生在表面，变形和 断裂反复进行，具有动态特征。
普通力学性能试验得到的数据不一定能反映 材料的耐磨性。
3.磨损过程
细化晶粒提高耐磨性 软性基体中的碳化物提高耐磨性，硬基体中碳 化物降低耐磨性 加工硬化对低应力擦伤性磨损无影响，但可提 高高应力碾碎性磨损的耐磨性。 4、提高耐磨性的措施 （1）增加材料的硬度 （2）根据服役环境合理选择耐磨材料 （3）采用化学热处理提高表面硬度
三、冲蚀磨损 1.磨损机理 概念： 指流体或固体以松散的小颗粒按一定的 角度和速度对材料表面进行冲击所造成的磨损。 分类：气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀 磨损、气蚀磨损。
转移硬材料上的粘着物又使软材料表面出现划痕所以擦伤主要发生在软材料表面当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时剪切发生在界面上此时虽然摩擦系数增大但磨损却很小材料转移也不显著
第七章 金属的磨损和接触疲劳 第一节 磨损概念
一、磨损 1.概念 机件表面接触并做相对运动，表面有微小颗 粒分离出来形成磨屑，是材料表面逐渐流失， 造成表面损伤的现象。 2.分类
当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时， 剪切发生在界面上，此时虽然摩擦系数增大， 但磨损却很小，材料转移也不显著。通常在 金属表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发 生这种粘着磨损． 二.磨损量的估算 粘着磨损体积与法向力、滑动距离成正比， 与软方材料压缩屈服成反比，与接触面积无 关。 V=αKFLt/H 或 V=KFLt/9 scδ
1）跑和阶段 2）稳定磨损阶段 3）剧烈磨损阶段 二.耐磨性 通常用磨损量来表示。可以用摩擦试样表面法线 方向尺寸的减小，也可以用试样的质量或体积 的减少表示。
粘着磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、 腐蚀磨损、微动磨损
与材料整体变形与断裂的区别 整体加载时变形和断裂集中在一定的体积 内，并在这些部位产生应力集中形成裂纹。
表面加载变形和断裂发生在表面，变形和 断裂反复进行，具有动态特征。
普通力学性能试验得到的数据不一定能反映 材料的耐磨性。
3.磨损过程
细化晶粒提高耐磨性 软性基体中的碳化物提高耐磨性，硬基体中碳 化物降低耐磨性 加工硬化对低应力擦伤性磨损无影响，但可提 高高应力碾碎性磨损的耐磨性。 4、提高耐磨性的措施 （1）增加材料的硬度 （2）根据服役环境合理选择耐磨材料 （3）采用化学热处理提高表面硬度
三、冲蚀磨损 1.磨损机理 概念： 指流体或固体以松散的小颗粒按一定的 角度和速度对材料表面进行冲击所造成的磨损。 分类：气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀 磨损、气蚀磨损。
转移硬材料上的粘着物又使软材料表面出现划痕所以擦伤主要发生在软材料表面当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时剪切发生在界面上此时虽然摩擦系数增大但磨损却很小材料转移也不显著
第七章 金属的磨损和接触疲劳 第一节 磨损概念
一、磨损 1.概念 机件表面接触并做相对运动，表面有微小颗 粒分离出来形成磨屑，是材料表面逐渐流失， 造成表面损伤的现象。 2.分类
当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时， 剪切发生在界面上，此时虽然摩擦系数增大， 但磨损却很小，材料转移也不显著。通常在 金属表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发 生这种粘着磨损． 二.磨损量的估算 粘着磨损体积与法向力、滑动距离成正比， 与软方材料压缩屈服成反比，与接触面积无 关。 V=αKFLt/H 或 V=KFLt/9 scδ
1）跑和阶段 2）稳定磨损阶段 3）剧烈磨损阶段 二.耐磨性 通常用磨损量来表示。可以用摩擦试样表面法线 方向尺寸的减小，也可以用试样的质量或体积 的减少表示。
金属的磨损和接触疲劳
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
二、磨粒磨损 1、磨粒磨损机理 磨粒磨损是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：摩擦面上有明显犁沟
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
•2、磨粒磨损分类 以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两
• 磨损——由于机件之间相对摩擦的结果，引起摩擦表面逐渐有微小颗 粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失。磨 损是一个复杂的过程
金属的磨损与接触疲劳
7.1 摩擦和磨损的基本概念
•机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶段（如图）： •1、跑合阶段（磨合阶段） •2、稳定磨损阶段 •3、剧烈磨损阶段 •耐磨性——材料抵抗磨损的性能
体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为 另一物体，如犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者 介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落 人磨料。这两种分类法最常用。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
2、磨粒磨损分类 以力的作用特点来分： (1)凿削式磨料磨损 (2)高应力辗碎式的磨料磨损 (3)低应力划伤式的磨料磨损
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
• 其过程：粘着→剪断→转移→再粘着
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
2、影响粘着磨损的因素及改善措施 材料特性、法向力、滑动速度、温度
(1) 脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 (2) 速度 (3) 粗糙度 (4) 温度 (5) 法向力
金属的磨损与接触疲劳
如生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
二、磨粒磨损 1、磨粒磨损机理 磨粒磨损是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：摩擦面上有明显犁沟
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
•2、磨粒磨损分类 以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两
• 磨损——由于机件之间相对摩擦的结果，引起摩擦表面逐渐有微小颗 粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失。磨 损是一个复杂的过程
金属的磨损与接触疲劳
7.1 摩擦和磨损的基本概念
•机件正常运行的磨损过程一般分为三个阶段（如图）： •1、跑合阶段（磨合阶段） •2、稳定磨损阶段 •3、剧烈磨损阶段 •耐磨性——材料抵抗磨损的性能
体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为 另一物体，如犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者 介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落 人磨料。这两种分类法最常用。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
2、磨粒磨损分类 以力的作用特点来分： (1)凿削式磨料磨损 (2)高应力辗碎式的磨料磨损 (3)低应力划伤式的磨料磨损
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
• 其过程：粘着→剪断→转移→再粘着
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
2、影响粘着磨损的因素及改善措施 材料特性、法向力、滑动速度、温度
(1) 脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 (2) 速度 (3) 粗糙度 (4) 温度 (5) 法向力
金属的磨损与接触疲劳
如生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损。
金属的磨损与接触疲劳
Chapter7金属的摩擦与接触疲劳详解
粘着磨损过程示意图
3 磨损量的估算
粘着磨损量正比于法向载荷 F ，滑动
距离 L ，反比于软材料压缩屈服强度或硬
度
KFlt KFlt V 9 sc H KFlt V 9 sc
4 磨损表面特征 大小不等的结疤。
5 降低粘着磨损的措施： 磨损局部的变形 － 粘着 - 断裂过程 故：降低变形，减少粘着 (1) 选择合适的摩擦副材料 a、强、硬度高则不易粘着； b 、互溶性小的材料不易粘着：晶格类型不 同、晶格间距相差大、电化学性质相差大的材 料组成摩擦件，粘着倾向小； 例：金属－非金属摩擦副；化合物；多相金 属
尖锐的磨粒或材料脆性较高时损示意图
3、磨损量的估算 可证明，磨损量可以用下式表示：
F tg F tg V =K 3 sc H
可见： 正比于法向载荷，摩擦距离(硬度)-1。 同时与硬材料凸出部分尖端或磨粒的 形状有关。
4、磨损表面特征 犁沟、擦伤。
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
提高抗力措施：
(1) 提高机件表面的塑性变形抗力；
(2) 提高零件表面光洁度，使 F 降低，表面
折叠几率降低；
(3) 提高润滑油的粘度，降低油楔作用。
2、浅层剥落 ——裂纹起源于次表层的接触疲劳损伤 深度：0.2－0.4mm。 浅层剥落在次表层（最大切应力处）： 0.786b处； 0.5b处； 实际多在0.5－0.7b处）。
5、降低磨粒磨损的措施
（1）影响因素
材料硬度高，磨损量小，耐磨性高；
但过高反而不利——韧度低
还与材料的韧性有关。
（2）降低磨粒磨损的措施 P145－147
金属的磨损PPT课件
▪ 正常情况下轴在滑动轴承中运转，是一流体润滑情况，轴 颈和轴承间被一楔形油膜隔开，这时其摩擦和磨损是很小 的。但当机器启动或停车，换向以及载荷运转不稳定时， 或者润滑条件不好，几何结构参数不恰当而不能建立起可 靠的油膜时，轴和轴承之间就不可避免发生局部的直接接 触，处于边界摩擦或干摩擦的工作状态，这时轴承就要考 虑粘着磨损。
▪ 磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备 性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿命缩短。预先考 虑如▪ 另一方面，磨损也并非全都是有害的，工程上常利用磨损 的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、 跑合等。
5
2004 年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织 的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了 世界一次能源的三分之一，机电设备的70 %损坏是由于各 种形式的磨损而引起的。2007年我国的 GDP只占世界的6 %，却消耗了世界的30 %以上的钢材；我国每年因摩擦磨 损造成的经济损失在 1000 亿人民币以上，仅磨料磨损每年 就要消耗300 多万吨金属耐磨材料。可见减摩、抗磨工作具 有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用，越来越 受到国内外的重视。
2
模块一 金属磨损的概念
3
一、磨损的概念
▪ 金属摩擦表面相对运动，表面不断发生损耗或产生塑性变 形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损 （abrasion）。
▪ 磨损表现为表面不断有细小颗粒被分离出来而成为磨屑， 以及在摩擦载荷作用下，金属表面性质（金相组织、物理 化学性能、力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、 表面层厚度）变化。
6
二、磨损过程
▪ 在机械的正常运转中，磨损过程大致可分为三个阶段：
7
三、金属的耐磨性
▪ 磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备 性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿命缩短。预先考 虑如▪ 另一方面，磨损也并非全都是有害的，工程上常利用磨损 的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、 跑合等。
5
2004 年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织 的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了 世界一次能源的三分之一，机电设备的70 %损坏是由于各 种形式的磨损而引起的。2007年我国的 GDP只占世界的6 %，却消耗了世界的30 %以上的钢材；我国每年因摩擦磨 损造成的经济损失在 1000 亿人民币以上，仅磨料磨损每年 就要消耗300 多万吨金属耐磨材料。可见减摩、抗磨工作具 有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用，越来越 受到国内外的重视。
2
模块一 金属磨损的概念
3
一、磨损的概念
▪ 金属摩擦表面相对运动，表面不断发生损耗或产生塑性变 形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损 （abrasion）。
▪ 磨损表现为表面不断有细小颗粒被分离出来而成为磨屑， 以及在摩擦载荷作用下，金属表面性质（金相组织、物理 化学性能、力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、 表面层厚度）变化。
6
二、磨损过程
▪ 在机械的正常运转中，磨损过程大致可分为三个阶段：
7
三、金属的耐磨性
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随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一 方金属表面，然后脱落形成磨屑。
一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后 也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。
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右图是粘着点强度比摩擦副一 方金属强度高的情况，
此时常在较软一方体内产生剪 断，其碎片转移至较硬一方的 表面上，
软方金属在硬方表面逐步累积 最终不同金属的摩擦副滑动成 为金属间的滑动，
在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压 碎前几乎没有滚动和切削的机会， 所以磨粒对摩擦表面的作用是由 于磨粒接触பைடு நூலகம்处的集中压应力造 成的，这种集中压应力可使韧性 材料表面产生塑性变形。
磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦 表面的切削作用，塑性变形和疲 劳破坏作用或脆性断裂的结果， 还可能是它们综合作用的反映， 而以某一种损害为主。
在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但 达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。
摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大 影响。
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4 改善粘着磨损耐磨性的措施
(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。
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二、磨粒磨损
1. 磨粒磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表 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。
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主要特征是摩擦面上有明显犁皱 形成的沟槽，见右图。
在磨粒磨损时，对于韧性金属材 料，每一磨粒从表面上切下的是 一个连续屑；对于脆性金属材料， 一个磨粒切下的是许多新屑。
所以磨损量较大，表面较粗糙， 可能产生咬死现象。
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2. 磨损量的计算
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似 为单向压缩屈服强度σsc的三倍。
如果接触处因压应力很高，超过3σsc产生塑性变形，随后因加工 硬化而使变形终止。
设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3σsc，作用于表面 上的法向力为F，则有：
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组成的摩擦副不易粘 着。
在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验 表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。
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。
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第一节 磨损概念
一、磨损
定义：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，使表面材料逐渐损 失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤 的现象。
止下来：
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凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也 就是磨损量V：
所以
金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：
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3. 影响因素
(1) 据实验，金属材料对磨粒 磨损的抗力与H/E成比例，H 为材料硬度。
弹性模量对组织不敏感，所以 机件抵抗磨粒磨损的能力主要 与材料硬度成正比。所以材料 越高，其抗磨粒磨损的能力也 越好。
假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘 着点尺寸相同，直径也是d，则
所以
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假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损 体积为：
所以：
积分上式，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：
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3 影响因素
塑性材料比脆性材料易于粘着；
磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运
动性（方式和速度）以及工作温度。
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机件的正常磨损通常分为三个阶段：
二、耐磨性
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第二节 磨损模型
一、粘着磨损
二、磨粒磨损
三、腐蚀磨损
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一、粘着磨损
磨损机理
粘着磨损定义：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。
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2. 磨损量的计算
现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒 磨损量计算式：
根据此模型，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
这是由于缺乏润滑油，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。
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摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双 方相互接触时，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。
如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原 子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。
(2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效 减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行
渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。
(3) 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。
第七章 金属磨损和接触疲劳
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磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因， 也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦 磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机 件失效是磨损引起的。
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。
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(2) 断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性
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(3) 细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所 以也提高耐磨性
(4) 加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不 同而有不同
一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后 也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。
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右图是粘着点强度比摩擦副一 方金属强度高的情况，
此时常在较软一方体内产生剪 断，其碎片转移至较硬一方的 表面上，
软方金属在硬方表面逐步累积 最终不同金属的摩擦副滑动成 为金属间的滑动，
在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压 碎前几乎没有滚动和切削的机会， 所以磨粒对摩擦表面的作用是由 于磨粒接触பைடு நூலகம்处的集中压应力造 成的，这种集中压应力可使韧性 材料表面产生塑性变形。
磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦 表面的切削作用，塑性变形和疲 劳破坏作用或脆性断裂的结果， 还可能是它们综合作用的反映， 而以某一种损害为主。
在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但 达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。
摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大 影响。
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4 改善粘着磨损耐磨性的措施
(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。
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二、磨粒磨损
1. 磨粒磨损机理
磨粒磨损是当摩擦副一方表 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。
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主要特征是摩擦面上有明显犁皱 形成的沟槽，见右图。
在磨粒磨损时，对于韧性金属材 料，每一磨粒从表面上切下的是 一个连续屑；对于脆性金属材料， 一个磨粒切下的是许多新屑。
所以磨损量较大，表面较粗糙， 可能产生咬死现象。
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2. 磨损量的计算
在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似 为单向压缩屈服强度σsc的三倍。
如果接触处因压应力很高，超过3σsc产生塑性变形，随后因加工 硬化而使变形终止。
设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3σsc，作用于表面 上的法向力为F，则有：
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组成的摩擦副不易粘 着。
在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验 表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。
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。
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第一节 磨损概念
一、磨损
定义：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，使表面材料逐渐损 失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤 的现象。
止下来：
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凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也 就是磨损量V：
所以
金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：
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3. 影响因素
(1) 据实验，金属材料对磨粒 磨损的抗力与H/E成比例，H 为材料硬度。
弹性模量对组织不敏感，所以 机件抵抗磨粒磨损的能力主要 与材料硬度成正比。所以材料 越高，其抗磨粒磨损的能力也 越好。
假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘 着点尺寸相同，直径也是d，则
所以
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假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损 体积为：
所以：
积分上式，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：
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3 影响因素
塑性材料比脆性材料易于粘着；
磨损的影响因素： 摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运
动性（方式和速度）以及工作温度。
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机件的正常磨损通常分为三个阶段：
二、耐磨性
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第二节 磨损模型
一、粘着磨损
二、磨粒磨损
三、腐蚀磨损
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一、粘着磨损
磨损机理
粘着磨损定义：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。
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2. 磨损量的计算
现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒 磨损量计算式：
根据此模型，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
这是由于缺乏润滑油，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。
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摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双 方相互接触时，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。
如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原 子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。
(2) 采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效 减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行
渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。
(3) 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。
第七章 金属磨损和接触疲劳
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磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因， 也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦 磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机 件失效是磨损引起的。
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。
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(2) 断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性
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(3) 细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所 以也提高耐磨性
(4) 加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不 同而有不同