金属的磨损和接触疲劳
金属磨损和接触疲劳
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
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
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▪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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材料力学性能 第7章 金属磨损和接触疲劳
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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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金属材料磨损原理
金属材料磨损原理
金属材料磨损是指金属材料在摩擦、磨擦或磨料的作用下，表面发生剥离、破裂或破坏的现象。
磨损是金属材料使用中不可避免的现象，它会减少零部件的寿命，影响设备的可靠性和效率。
金属材料磨损的原理可以归纳为三个方面：机械磨损、化学磨损和疲劳磨损。
机械磨损是由于摩擦力和表面载荷导致金属表面的物质剥离或形变。
当金属材料表面与另一个材料接触并相对运动时，表面的原子会发生位移和形变。
在高载荷和高速度下，金属表面会发生塑性变形和微观裂纹，最终导致表面剥离或破坏。
化学磨损是由于金属材料与外界介质发生化学反应而引起的磨损。
金属材料表面容易受到露天环境中的氧气、水分、酸碱等物质的侵蚀和氧化。
这些化学作用会导致金属表面的腐蚀、锈蚀和表面层的剥落，加速材料的磨损。
疲劳磨损是由于金属材料受到重复应力加载而造成的磨损。
当金属材料长时间处于应力加载状态下，其晶粒会发生位移和聚集，导致表面的微小裂纹扩展。
随着裂纹的扩展和交叉，最终导致金属材料的破裂和剥离。
为了减少金属材料的磨损，可以采取以下措施：选择更耐磨损的金属材料，提高材料的硬度和强度；表面处理，如涂层、渗碳等，增加材料的耐磨性；改善润滑条件，减少摩擦力和磨损；
设计合理的接触面形状和尺寸，减少局部应力集中。
通过综合运用这些方法，可以有效延长金属材料的使用寿命，提高设备的可靠性和效率。
金属的磨损
金属的磨损一、磨擦与磨损1．磨擦：两相互接触的物体发生相对运动（或有相对运动趋势）时，在接触面间所产生切向运动阻力的现象，叫磨擦，该运动阻力叫摩擦力；产生的相对运动，分二类：滑动、滚动、混合（滑+滚）；因接触面之间有相对运动，接触面上会有一些小的物质颗粒与基体分离，成为磨屑，这种因接触面之间的相对运动导致其物质丢失的现象，称之为磨损；另外，也把工件因磨擦引起物质丢失导致尺寸不足所致失效的方式叫磨损。
2．磨损：分三个阶段①跑合阶段；②稳定磨损阶段；③剧烈磨损阶段。
开始磨损时，因接触表面刚接触间凹凸不平，接触面积较小，局部压应力较大，故磨损量较大；随磨损时间的增加，接触面之间相互啮合，接触面积增大，使磨损量（速率）降低，而进入稳定磨损阶段；稳定磨损阶段：该阶段磨损速率决定了材料的耐磨性能（为机件正常服役阶段)。
其它的如测量润滑性能，改进工艺求改善耐磨性的评估也要求在此阶段进行；随机件工作时间的增加，磨擦面间距也增加，磨擦表面的啮合性降低，磨擦表面质量下降，机件传动工作质量变坏，磨损速率大大增加，机件很快失效；机件如：工作环境恶劣、跑合不良或质量太差，在跑合阶段就发生强烈粘着。
此时只有激烈磨损阶段（无合阶段后期稳定磨损阶段)。
二、耐磨性：用磨损量来表示，只有相互比较意义：用相同材料作成摩擦副。
相对耐磨性ε标准试样磨损量被测试样磨损量一般用耐磨性提高几倍来描述三、磨损机理：分粘着磨损及磨粒磨损二种，常同时发生1．粘着磨损：（又称咬合磨损）特点：相对运动速度较小，摩擦面润滑缺乏，摩擦面间凸起部分因局部受力较大而咬合变形并紧密结合，并产生形变强化作用，其强度、硬度均较高，在随后的相对分离的运动时，因该咬合的部位因结合紧密而不能分开，引起其中某一摩擦面上的被咬合部分与其基体分离，咬合吸附于另一摩擦面上，导致该摩擦面有物质颗粒损失，损失的物质颗粒后有可能脱落成为磨屑（或连同另一摩擦面上的形变强化部分一起咬合剥落)。
材料力学性能-第五章-其它疲劳类型(2)
图5-61 深层剥落在过渡区产生
2022年1月14日 星期五
第五章 金属的疲劳
3.影响接触疲劳抗力的因素：从接触疲劳破坏 过程来看，接触疲劳裂纹的形成取决于滚动接 触机件中最大综合切应力与材料屈服强度的相 对关系：当机件表面切应力超过材料屈服强度、 继而又达到抗剪强度时，裂纹就自表面产生而 形成麻点剥落；如果在0.786b亚表层处最大综 合切应力超过材料屈服强度和抗剪强度，裂纹 就产生于亚表层，形成浅层剥落；
根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳 破坏分为三类。 麻点剥落（点蚀）：深度在0.1～0.2mm以下的小块 剥落，呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称的V型。 浅层剥落：深度一般为0.2～0.4mm，剥落块底部大 致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。 深层剥落（表面压碎）：与表面强化层深度相当， 裂纹走向与表面垂直。
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第五章 金属的疲劳
麻
深
点
层
剥
剥
落
落
图5-50 齿轮的接触疲劳损伤
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第五章 金属的疲劳
和一般疲劳一样，接触疲劳也有裂纹形成 和扩展两个阶段，只不过裂纹形成过程时间长， 而扩展只占总破坏的很小一部分。接触疲劳曲 线（最大接触压应力－循环周次曲线）也有两 种：一种有明显的接触疲劳极限；另一种对于 硬度较高的钢，最大接触压应力随循环周次增 加连续下降，无明显的接触疲劳极限。
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第五章 金属的疲劳
在过渡区产生塑性变形 硬化区
形成大块剥落
在过渡区产生裂纹
图5-60 深层剥落过程示意图
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第五章 金属的疲劳
深层剥落裂纹产生 的力学条件见图5-61。 若表面硬化机件心部强 度太低，硬化层深不合 理，梯度太陡或过渡区 存在不利的应力分布都 易造成深层剥落。
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.
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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
材料的表面损伤
刷片三爪全部断裂
刷片整体形貌，左边部分有损伤特征
损伤区显示电弧烧蚀特征
盖板上具有熔融后结晶特征的磨屑
盖板上具有熔融后结晶特征的磨屑
磨损损伤面的微观特征 换向器表面损伤特征主要是机械磨损， 磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损，电弧烧
蚀集中在极片边缘。但即使在极片边缘，其磨
损部位表面的电弧烧蚀特征也常常被机械磨损 形貌掩盖，只是这些位置的磨屑有较为明显的 熔化后重新结晶的特征。
3.6 表面损伤的特征和判断
零件的表面形状和尺寸必须满足一定要求。
表面受到损伤，则会导致零件失去应有功能， 甚至进一步引起断裂等严重失效事件。
表面损伤有两大类： 磨损和腐蚀
一、材料的磨损
概念：
两种材料相互接触并相对运动而引起的材料 逐渐流失的现象称为磨损。
三层内涵：
1）两种相互接触的材料发生摩擦——摩擦副
成分(wt%) ： 15.65C-68.25Ag-16.10Au
成分(wt%) ： 15.12C-46.70Ag-38.18Au
成分(wt%) ： 5.33C-46.41Pd-48.26Ag
刷片复层为AgPd50，匹配的换向器为AuAg40/AgCuNi/TU1，刷片表面 粘附磨屑。
不同阶段的粘着磨损特征。最低层是刷片的复层，其成分为AgPd50， 次层是早期粘附物，Au、Ag含量比较接近，最上层为后期粘附物，Au含量 显著低于Ag。
沟槽内的磨屑显示熔化特征
AgPd50/C7701刷片与AuAg40/AgCuNi/TU1换 向器配对的磨损特征。可见材料的转移仍然主要 是从换向器到刷片，但是在极片间沟槽中，由于 电弧高温导致刷片表面熔化，所以有Pd转移到磨 屑中。 刷片表面有大块导电性很差的污染物经能谱 分析发现其成分为 100％C，说明存在有机污染。 一旦它们进入摩擦部位或极片沟槽，就可能将磨 屑粘附在一起，并使其聚集于沟槽中造成短路。 这些有机污染物的来源可能是刷片上粘结阻尼条 的胶，也可能是含油轴承中的油。
第七章金属磨损和接触疲劳
第七章金属磨损和接触疲劳机器运转时，相互接触的机器零件总要相互运动，产生滑动、滚动、滚动＋滑动，都会产生摩擦，引起磨损。
如:轴与轴承、活塞环与气缸、十字头与滑块、齿轮与齿轮之间经常因磨损和接触疲劳，造成尺寸变化，表层剥落，造成失效。
有摩擦必将产生磨损，磨损是摩擦的必然结果。
磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。
据不完全统计，摩擦磨损消耗能源的1/3～1/2，大约80％的机件失效是磨损引起的。
汽车传动件的磨损和接触疲劳是汽车报废的最主要原因，所以，耐磨成了汽车档次的一个重要指标。
因此，研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。
第一节磨损概念一、摩擦与磨损现象1、摩擦两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，接触表面之间就会出现一种阻碍运动或运动趋势的力，这种现象成为摩擦。
这种作用在物体上并与物体运动方向相反的阻力称为摩擦力。
最早根据干摩擦的试验，得到摩擦力F正比于两物体之间的正压力（法线方向）N的经典摩擦定律，即F=μN，式中μ称为摩擦系数。
后来发现这个定律只对低速度、低载荷的干摩擦情况是正确的，然而在许多场合下还是被广泛应用。
摩擦力来源于两个方面：①由于微观表面凸凹不平，实际接触面积极少(大致可在1/10000～1/10的范围内变化)，这部分的接触应力很大，造成塑性变形而引起表面膜（润滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使两种金属原子结合（冷焊）；②由于微观表面凸凹不平，导致一部分阻止另一部分运动。
要使物体继续移动，就必须克服这两部分阻力。
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。
疲劳磨损
的控制参量。 三、疲劳磨损影响因素： 1、材料性能的影响 钢材中的非金属夹杂物破坏了基体的连续性， 在循环应力作用下与基体材料脱离形成 空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。 通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力，但硬度过高，材料脆性增加，反而会降低 接触疲劳寿命。 2、表面粗糙度的影响 粗糙度值越大，疲劳寿命越短。 因为实际加工表面的微凸体接触，使椭圆分布的应力场变成了很多分散的微观应力 场，从而引发了很多微观点蚀。微观点蚀的出现往往构成了宏观点蚀裂纹的起源，因此，提 高表面光洁度有利于延长疲劳磨损寿命。 3、润滑与润滑剂的影响 实验表明： 增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。 下面是粘度影响疲劳磨损机理的不同 观点：
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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
•(3) 低应力划伤式的磨料磨损 • 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。如生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜 槽磨损情况。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
此外，从磨粒硬度与被磨材料硬度来看，若磨粒硬度高于被磨材 料的硬度，则属于硬磨粒磨损；反之，为软磨料磨损。
金属的磨损与接触疲劳
7.3 磨损试验方法
• 1）实物磨损试验——结果可靠性高，但时间长，难于掌握和分析 • 2）试样磨损试验——时间短、成本低、易掌握和控制，但可靠性不高,
磨损试验机（图），通常用秤量法或测长法确定磨损量
金属的磨损与接触疲劳
7.4 接触疲劳
一、接触破裂现象 接触疲劳——工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎 尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一 种表面疲劳破坏现象 接触应力：两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力 宏观形态：接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点 蚀或麻点磨损。有的凹坑很深，呈“贝壳”状，有疲劳裂纹发展线的 痕迹存在。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
• (2) 通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等 热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮 的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。 • (3) 控制摩擦滑动速度和接触压应力 • 此外改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体的结合能力，降低表 面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。
磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦表面产生的切削作用、塑性变 形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是他们综合作用的反映 ，而以某一损害为主。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
• 3、影响因素及改善措施 • 硬磨粒磨损：硬度 断裂韧度 晶粒组织 加工硬化 碳化物 • 软磨粒磨损：疲劳
金属的磨损与接触疲劳
金属的磨损与接触疲劳
7.4 接触疲劳
点蚀
金属的磨损与接触疲劳
7.4 接触疲劳
四、影响接触疲劳寿命的因素 接触疲劳寿命首先取决于加载条件，特别是载荷大小。此外，还与
许多其它因素有关，这里仅简叙其中若干有代表性的因素。 1、非金属夹杂物 2、马氏体含碳量 3、剩余碳化物颗粒大小和数量 4、硬度
金属的磨损与接触疲劳
7.4 接触疲劳
三、接触疲劳试验 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，
双面对滚式和止推式等几种。
金属的磨损与接触疲劳
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
磨损的分类：
磨损类 型
按磨损机理分
按磨损表面外观 可分为
磨粒磨损 粘附磨损 疲劳磨损 冲蚀磨损 腐蚀磨损 微动磨损 点蚀磨损 胶合磨损 擦伤磨损
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
一、粘着磨损 1、粘着磨损机理 粘着磨损在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生 的。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产生的一种磨损——可用摩 擦机理来解释
7.2 磨损模型ห้องสมุดไป่ตู้
改善措施： (1) 金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨损也越严重。 反之，金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别 较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就 较轻微。 滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配 对。 在受力较小时，选用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。
7.2 磨损模型
改善措施： (1)对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度 (2)根据机件服役条件，合理选择耐磨材料 (3)除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进行感应加
热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨性。 另外，经常注意机件防尘和清洗，防止大于1μm磨粒进入接触面
中国矿业大学徐海学院
Xuhai College , China University of Mining & Technology
第7章 金属的磨损
7.1 摩擦和磨损的基本概念
• 摩擦——两个相互接触的物体发生相对运动（或具有相对运动趋势） 时，在接触面间产生切向运动阻力的现象，该阻力即为摩擦力。
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
•(1)凿削式磨料磨损 • 其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大 颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的衬板。 •
金属的磨损与接触疲劳
7.2 磨损模型
• (2)高应力辗碎式的磨料磨损 • 其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。
金属的磨损与接触疲劳
7.4 接触疲劳
二、接触疲劳类型和损伤过程 接触疲劳破坏分为点蚀、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。
(1)点蚀 通常把深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落叫做点蚀。裂纹 一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。
(2)浅层剥落 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。 (3)深层剥落 这类剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一般发 生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。