第六章 材料的磨损性能

第六章材料的磨损性能

一．本章的教学目的与要求

本章通过对最常见的磨损方式及其机理的讨论，了解材料磨损的本质及其影响因素，以期从材料的角度研究与探索控制磨损的方法和提高材料耐磨性，以延长机件使用寿命。

二．教学重点与难点

1.磨损的基本类型（难点）

2.磨损过程（重点）

3.耐磨性的测量方法（重点）

4.提高耐磨性的途径（重点）

三．主要外语词汇

摩擦：friction 磨损：wear 粘着磨损：adhesive wear 磨粒磨损：abrasive wear 接触疲劳：contact fatigue 耐磨性：wear resistance

四．参考文献

1. 张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009

2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995

3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996

4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994

5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991

6. 张静.,纳米SiO2与玻璃纤维混杂增强聚酰胺6 复合材料[J].中国塑料，2010，24（7）：83-85

的摩擦磨损性能研究

五．授课内容

第六章材料的磨损性能

零件间的相对运动→摩擦→材料损耗破坏

材料的磨损不仅直接影响零件的使用寿命，还会增加能耗，产生噪音和振动，造成环境污染，因此，研究材料的磨损过程及规律，提高材料的耐磨性，具有重要意义。

第一节磨损的基本概念及类型

一、摩擦与磨损的概念

1、摩擦

摩擦是相互接触物体间的一种阻碍运动的现象

摩擦力

F = f·N

f—摩擦系数

f静>f动

N —接触法向压力

2、磨损

在摩擦的作用下，材料表面逐渐分离出磨屑而导致材料不断损伤的现象。磨损的本质：材料表面局部变形和断裂，且这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。

零件正常运行的磨损过程一般分三个阶段：

A、跑合阶段（OA段）

零件表面被逐渐磨平，实际接触面积不断增大。

材料表层产生应变硬化，磨损速率逐渐下降。

B、稳定磨损阶段（AB段）

该段为一直线，斜率即磨损速率（常数），零件正常工作阶段，零件的寿命取决于该阶段。

C、剧烈磨损阶段（BC段）

随着磨损量的增加，摩擦幅间隙增大，零件表面质量恶化（强化层磨穿），润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损加剧，零件快速失效。

二、磨损的基本类型

根据磨损面损伤和破坏的形式，将磨损分为：

粘着磨损

磨料磨损

腐蚀磨损

麻点疲劳磨损

磨损类型在一定条件下，可以相互转化如图，摩擦副相对滑动速度与磨损类型的关系：

解决实际磨损问题时，要根据工作条件，确定磨损类型，才能采取有效措施，减少磨损。

第二节磨损过程

一、粘着磨损（咬合磨损）

1、产生原因

材料表面某些接触点局部压应力超过屈服强度发生粘合，随后摩擦副相对运动时拽开（拉开）而产生的一种表面损伤磨损。

2、产生条件

摩擦副相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，以及接触应

力大以及机械性能相差不大的摩擦副的滑动摩擦条件下。

3、磨损特征

摩擦副表面产生大小不等的结疤，粘着点不断形成又不断破坏并脱落。

4、粘着磨损的两种形式

a、若粘着点结合强度低于两侧材料，则沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦

面较平滑，只有轻微擦伤（巴氏合金—钢的滑动摩擦）。

b、若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时，分离面发生在强度

较弱的材料上，被剪断的材料将转移到强度较高的材料上，结果，使软材料

表面出现微小凹坑，硬材料表面形成微小凸起。使得摩擦面变得粗糙，造成

进一步磨损（加剧磨损）。

这种软材料向硬材料表面逐渐转移积累，最终使不同材料之间的摩擦副

滑动变成同种材料之间的滑动，加剧磨损，严重时产生咬死现象。如，铅基

合金轴瓦与钢轴之间会产生上述情况。

5、阿查得（J.F.Archard）估算粘着磨损量的方法：

设在法向力P 作用下，摩擦面上有n个微凸体接触粘着。

接触面的真实面积为πd2/4，则n个相同的接触点同时塑性接触时,法向

力p

单位滑动距离内出现的接触点数：

N=n/d=4p/(3πσsc d3)。

实际相对滑动中，软材料上被拉拽出半球的几率为K，总拉拽出的磨损量W

可表示为：

Hv为软材料硬度，Hv≈3σsc

V’为接触点半球体积

粘着磨损系数K与接触压力的关系

6.影响粘着磨损的因素

(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。

(2)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。

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。

(4)改善润滑条件

(5)粘着磨损严重时表现为胶合

7.粘着磨损失效举例

二、磨粒磨损（磨料磨损、研磨磨损）

1、定义

是摩擦副的一方表面存在的细微凸起或接触面间存在硬质粒子时产生的磨损。

前者—两体磨粒磨损，如锉削过程。

后者—三体磨粒磨损，如抛光过程。

2、分类

按磨粒受的应力大小：

凿削式

高应力碾碎式

低应力擦伤式

3、特征

摩擦面上有擦伤或沟槽（犁沟）。

磨粒对摩擦副表面作用的力分法向力和切向力。

法向力在表面形成压痕；切向力推动磨料前进，产生浅长滑痕（切痕）。

4.磨料磨损的机制

（1）微观切削

（2）微观犁沟

（3）微观断裂（剥落）

5、磨粒切削磨损模型

压力P将硬材料的凸出部分或磨粒（圆锥体）压入较软材料中

p/πr2=3σsc

p=3σscπr2=H vπr2

被切削下来的软材料体积，即为磨损量W，可表示为W=r2Ltgθp=3σscπr2=Hπr2

6.影响磨粒磨损的因素

(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。

(2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。

(3)材料自身的硬度及内部组织

三、接触疲劳（滚动轴承、齿轮）

1、定义

接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用，使材料表面疲劳损伤，局部出现片状或块状剥落的现象→表面疲劳磨损或麻点磨损。

2、特征

接触表面出现许多痘状，贝壳状或不规则形状的麻坑（点）

麻点剥落（0.1～0.2mm）

浅层剥落(0.2～0.4mm)

深层剥落(>0.4mm)

接触疲劳与一般疲劳相似，只是裂纹形成过程长，而扩展阶段仅占总过程的很短时间。

接触疲劳的表面形貌

3、接触应力的概念

两物体相互接触时，在局部表面产生的压应力称为接触应力。

接触：

点接触：滚珠轴承

线接触：齿轮

a、圆柱体的线接触应力

设有两圆柱体，半径分别为R 1，R 2，长度为L ；未变形前两者是线接触，施加法向力P 后，因弹性变形成为面接触，接触面积为 2bL ，根据弹性力学，接触压应力σz 沿2b （宽度）呈半椭圆规律分布。在接触面中心，压应力达到最大值:

E 为综合弹性模量：

2

12

12E E E E E +=

???

?

??+=???

? ??+=-=2121max 21212

2

max

418.052

.11R R R R L pE R R R R EL p b b y z z z σσσ

E 1，E 2—两圆柱的弹性模数

实际接触应力是三向压应力σz 、 σx 、 σy ， b 、球体的点接触应力

滚珠与轴承套圈之间的接触）

2

2

3

max 2

2

max

388

.01R pE a

x z z Z =-=σσσ

最大切应力τyz45omax 发生在Z=0.786b 深处 τyz45omax =0.3 σmax

以上为纯滚动时的值，若两接触物体既作滚动又有滑动，则应附加切向摩擦力，最大切应力分布

如图:

当摩擦系数f>0.2时，最大切应力位置移到材料表面，此时接触疲劳裂纹源也移到表面。

4、接触疲劳过程

当最大切应力超过材料屈服强度时，便在此处引起塑性变形，经过多次循环作用后，裂纹便在此处产生（萌生）。

a、麻点剥落

多发生在滚动+滑动场合，最大切应力位置移至表层,f>0.2，使表层材料累积损伤，结果在表层萌生裂纹。

在此后的循环中，润滑油反复挤入裂纹内形成油楔，使裂纹沿与滚动方向倾斜角小于45o方向扩展（滚动+滑动叠加）；滑动摩擦力越大，倾角越小，当裂纹扩展到一定深度后，裂纹与表层材料间犹如受弯曲的悬]臂梁被折断→形成0.1～

0.2mm的痘状凹坑，即麻点剥落。

b 、浅层剥落

纯滚动或摩擦力很小,f <0.2时，由于次表层（0.5b ～0.7b 深）承受着最大切应力，故此处萌生疲劳裂纹，并沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后垂直扩展至表面，形成盆状剥落凹坑（深0.2～0.4mm ）。 c 、深层剥落

经表面强化的材料，若强化层深度不足，裂纹则起源于硬化层与非硬化层的过渡处（界面），造成沿硬化层的大块剥落。

因此，接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。循环切应力的大小及分布是决定接触疲劳破坏形成的主要因素。 表面渗碳淬火试样实验表明：

a 、当切应力/抗切强度>0.55时产生深层剥落（大块剥落）

b 、 当切应力/抗切强度=0.5～0.55时，产生表层剥落和麻点剥落混合区。

c 、当切应力/抗切强度<0.5时产生麻点剥落

影响接触疲劳寿命的若干因素：

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

第三节耐磨性及其测量方法

一、材料的耐磨性

1、耐磨性：是指材料抵抗磨损的能力。

2、耐磨性的表征方法：通常用磨损量表示，磨损量↓→耐磨性↑

3、磨损量：用质量法或尺寸法衡量

质量法：磨损前后的质量变化量（精密分析天平）

尺寸法：磨损前后的表面法向尺寸变化

比磨损量：单位摩擦距离，单位压力下的磨损量

5、相对耐磨性：

ε=标准试样的磨损量/被测样的磨损量

6、磨损系数：1/ε

二、磨损试验方法

1、磨损试验

实物试验：与实际情况相同（似），结果可靠，但周期长，单因素的影响，难以分析。

实验室试验：

1）试样试验

2）台架试验

周期短，成本低，易于控制各影响因素，但结果不能直接反映实际情况。

2、实验室常用摩擦磨损试验机

销盘式

环块式

往复运动式

对滚式

砂纸磨损式

快速磨损试验机

3、选择磨损试验方法的依据

a、摩擦副运动方式：往复、旋转

b、摩擦方式：滚动、滑动、复合

c、试样形状：尺寸、载荷、速度、温度

尽可能接近实际情况。

注意问题：

磨损试验结果分散性大，应做多次（4～5次）试验，取平均值。

4.接触疲劳试验

常用接触疲劳实验机

止推式

通过实验，测出σmax—N 曲线（接触疲劳曲线），即最大接触压应力与断裂周次曲线。

图中，水平线对应的应力为接触疲劳强度，斜线为过载持久值。

接触疲劳极限的循环基数N0，以不产生大量扩展性麻点为依据：

低碳钢N0=2～4?106周次

淬火+回火钢N0=10～20?106周次

铸铁N0=（2～6）?106周次

铜合金N0=（3～10）?106周次

当应力低于接触疲劳强度时，经过相当数量的循环后，虽可能产生一些麻点，但均是非扩展性的当应力大于接触疲劳强度时，麻点不断长大，数量急剧增多。测出完整的接触疲劳曲线非常困难，一般只作过载区的接触疲劳寿命。

第四节提高材料耐磨性的途径

一、减轻粘着磨损的主要措施

1、合理选择摩擦副材料

①互溶性少

②粘着倾向小

③强度高不易塑变

④保护价值高的一方

2、避免两摩擦副间直接接触

①增大氧化膜的稳定性，提高氧化膜的附着力

②降低表面粗糙度，提高实际接触面积

③改善润滑条件

3、表面改性处理

采用渗硫、渗磷、渗氮、复合MoS2、PTFE复合等工艺，在接触面形成一层化合物或非金属层（或复合涂层），既防止粘着又降低摩擦系数。

4.工作条件的影响

1）摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的增大而增加，而在接触一定的情况下，粘着磨损量也随滑动摩擦速度的增加而增加，但达到某一极大值后，又随滑动摩擦速度增加而减小2）提高光洁度，将增加抗粘着磨损能力，但光洁度过高，反而润滑剂不能储存于摩擦面内而促进粘着，在摩擦面内维持良好的润滑状态能显著降低粘着磨损量。

二、减轻磨粒磨损的主要措施

1、低应力磨粒磨损

2、高应力、冲击载荷下的磨粒磨损

3、改善第二相的数量、形态、分布情况，提高耐磨粒磨损能力。

碳化物-脆性相-弥散分布-耐磨性

残余奥氏体-韧性相-基体韧性

4、机件、润滑油防尘，经常过滤润滑油，除去磨粒

5、摩擦副硬度合理

H m = 1.3H a摩擦副硬度磨粒硬度

6、耐磨钢

高锰钢Mn13

单相奥氏体

ε-碳化物沿滑移面产生

表层硬度急剧提高，心部仍保持良好的韧性。

7.断裂韧度也影响金属材料磨粒磨损耐磨性

1.磨损受断裂过程控制，

耐磨性随K IC提高而提高

2.当硬度跟断裂韧度配合最佳时，耐磨性最高

3.耐磨性随硬度降低而下降，可见磨粒磨损抗力不唯一决定于硬度，还与材料的韧性有关

三、提高接触疲劳抗力的措施

1、采用脆性氧化物含量低的钢材，或在钢中形成适量塑性硫化物夹杂，能将脆性氧化物夹杂包住形成共生夹杂物，降低氧化物的破坏作用

2、调整马氏体含碳量

3、改善碳化物形态及分布

4、合理控制材料表层、心部硬度及摩擦副的硬度匹配。

5、合理选择表面硬化工艺，在一定复合深度范围内保存残余压应力，对提高接触疲劳抗力十分有利。

6、改善摩擦副的表面状态，降低表面粗糙度，降低摩擦系数，也是提高接触疲劳抗力的有效措施。

四、非金属材料的磨损特征

1、陶瓷材料

陶瓷材料在接触应力作用下，局部应力集中区（表层）发生塑性变形并开裂产生磨屑。

磨损性能具有各向异性

2、高分子聚合物

高聚物虽然硬度很低，但具有较大的柔性，显示出较好的抗划伤性。

四、非金属材料的磨损特征

1、陶瓷材料

陶瓷材料在接触应力作用下，局部应力集中区（表层）发生塑性变形并开裂产生磨屑。

磨损性能具有各向异性。

2、高分子聚合物

高聚物虽然硬度很低，但具有较大的柔性，显示出较好的抗划伤性。

⑴高聚物（组成、结构与金属相差较大）与金属组成摩擦副：粘着倾向很小，对磨粒磨损具有良好的适应性、包容性、埋嵌性。

⑵塑料—塑料摩擦副塑料—塑料摩擦副摩擦系数一般比金属—金属要低。

⑶复合材料:在高聚物、陶瓷中添加其它物质颗粒→复合材料，可改善高聚物、陶瓷的热学、力学性能，提高耐磨性。

例如：PA6 是一种用途很广的工程塑料，与其他工程塑料相比, PA6 具有力学强度高、韧性好、电气性能良好、耐磨等优异性能，但其制品尺寸稳定性差, 吸湿性大，在一定程度上限制了它的应用范围。近年来的相关研究表明，纳米粒子对聚合物材料的摩擦磨损性能有较好的改善作用。纳米SiO2具有韧性高、耐高温、耐腐蚀、耐磨性好等特点，是目前世界上大规模工业化生产产量最高的一种纳米粉体材料，利用其优异性能对工程塑料进行改性，可以综合各组分的长处, 实现优势互补，使通用工程塑料功能化，从而拓宽了工程塑料的应用领域。在PA6 中填充20 % 玻璃纤维和纳米SiO2，对复合材料的摩擦磨损性能有很大的影响。填充5 % 纳米SiO2时，PA6/ 玻璃纤维复合材料的耐磨性最好，当纳米SiO2含量为5 % 时，PA6/ 玻璃纤维复合材料的摩擦因数最小；当载荷较低时, 复合材料的磨损机制主要表现为不同程度的磨粒磨损，但当载荷较高时，复合材料的磨损机制主要表现为不同程度的疲劳磨损。

作业：

1.磨损有几种类型？举例说明他们产生的条件、磨损过程及表面损伤形貌。

2.哪些因素影响材料的粘着磨损？可采取哪些措施提高材料抗粘着磨损能力？

3.滑动速度和接触压力是如何影响材料磨损类型及磨损量的？

4.请从金属解除疲劳的3中破坏机理、特征及产生的力学条件比较其与普通机械疲劳的异同。

5.“材料愈硬，耐磨性愈高”的说法对吗？为什么？

6.试从提高材料疲劳强度、接触疲劳强度、耐磨性的观点出发，分析化学热处理时应注意的事项。