材料性能与测试课件-第4章材料的磨损性能 1

§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
典型的粘着磨损
b. 涂抹 粘着强度大于摩擦副中较软金属，小于较硬金属的强度。剪切破坏发 生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹(粘附)在硬金
属表面上。该模式下摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。
c. 擦伤 粘着强度比摩擦副两金属基体强度都高。剪切主要发生在软金属的亚 表层内，有时也发生在硬金属的亚表层内。转移到硬金属上的粘着物 又刮削软金属表面，使软金属表面出现划痕。即擦伤主要发生在软金
属表层，硬金属表面也偶有划伤。
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
典型的粘着磨损
d. 咬合 如果粘着强度比两金属基体的强度高很多，而且粘着面积较大时，剪切 破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方。
此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继
续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易 出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。
③ 材料磨损量与较软材料的屈服极限σs(或硬度H)成反比。
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
当接触压力值小于材料H/3时，磨损率小 而且保持不变(即K保持常数)；但当压力值 超过H/3时，磨损量急剧增大。 在压力值为H/3作用下，各个微凸体上的 塑性变形区开始发生相互影响。当压力值增
局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损。
§6.1 磨损的概念和类型
二、磨损的基本类型
2. 磨损类型在某些条件下可以实现转化
磨损类型转化
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
磨损条件：
摩擦副相对滑动速度小；接触面氧化膜脆弱；
润滑条件差及接触应力大的滑动摩擦条件。
磨损特点：
机件表面有大小不等的结疤。
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
1.2 摩擦的分类
按表面润滑状态分类：
• 干摩擦：两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦； • 边界摩擦：边界膜隔开Βιβλιοθήκη Baidu对运动表面时的摩擦；
• 流体摩擦：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦；
• 混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。
§6.1 磨损的概念和类型
第四章 材料的磨损性能
一、概 述
相互接触的物体发生相对运动，其表面间发生摩擦，致使表层材 料不断损失、转移或产生残余变形，物体表面发生磨损。
有些磨损是有益的，如“研磨”，可使零件表面粗糙度减小，
使刀刃变得锋利。 但是，据统计约有80%左右的机械零件是由于磨损而报废或 失效。磨损不仅消耗材料，浪费能源，并直接影响到机器的寿
二、磨损的基本类型
磨损是多种因素相互影响的复杂过程，其具体类型也有多种分类：
§6.1 磨损的概念和类型
二、磨损的基本类型
1、根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分四类：
a 粘着磨损(Adhesive Wear)：材料表面某些接触点局部压应力超过
该处材料屈服强度发生粘合并拉开而产生的磨损； b 磨粒磨损(Abrasive Wear)：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸
磨损量又减小。
如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着 磨损，磨损量又开始增加。
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素 ④ 表面温度的影响
表面温度升高可使润滑膜失效，材料硬度下降，摩擦表面容易产生
粘着磨损。
影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v，其中速度的影响更 大，因此限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。
起或在接触间存在硬质粒子时产生的磨损；
c 腐蚀磨损(Corrsion Wear)：在腐蚀应用环境中摩擦表面与周围介 质发生反应，表面形成腐蚀产物粘附不牢，摩擦中被剥落下来，新
表面又进一步发生反应，产生磨损。
d 接触疲劳磨损(Rolling Contact Wear)：两接触材料作滚动或者滚 动滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损，
a. 脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高； b. 相同金属或冶金相溶性大的材料(相同金属或晶格类型、电子密度、 电化学性能相似的金属)摩擦易发生粘着磨损。 冶金相溶性：两种金属能在固态互相溶解的性能；
摩擦相溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能。
冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属摩擦副，摩 擦互溶性最差。
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素
⑤
润滑油、润滑脂的影响
在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力 及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。 油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属
表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良
好润滑状态。 极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应， 生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩 擦条件下而引起的粘着现象。
磨损系数K与接触压力的关系
加到H/3以上时，整个表面变成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载
荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
不同工况、不同摩擦副配对时的 磨损系数K值。
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)

粘着磨损的影响因素
① 摩擦副材料性质的影响
式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑 到微凸体相互产生磨粒的概率数K和滑动距离L，则接触表面的粘着磨 损量表达式为： (4) (5)
对弹性材料σs≈HV /3，则式(4)可变为： 由(4)式可得粘着磨损的三个定律： ① 材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件；
② 材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围；
(5) 磨损研究的测试技术与实验分析方法。
§目 录
§6.1 磨损的概念和类型
§6.2 磨损过程
§6.3 耐磨性指标及其测试 §6.4 提高耐磨性的途径
§6.5 补充：炭炭复合材料的磨损
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
1.1 摩擦
相互接触的两个物体在外力作用下
有相对运动或相对运动的趋势，接 触界面上出现阻碍相对运动的阻力， 该阻力称为摩擦力，其方向与引发相 对运动切线方向相反，可用接触面
叶片的故障要占发动机振动故障的70%以上
压气机盘与涡轮盘
2、磨损研究的主要内容：
(1) 主要磨损类型发生条件、特征和变化规律; (2) 磨损的影响因素, 包括摩擦副材料、表面形态、润滑状况、环 境条件, 以及滑动速度、载荷、工作温度等工况参数;
(3) 磨损的模型与磨损计算;
(4) 提高材料耐磨性的措施;
材料的屈服极限σs之间的关系：
(1)
当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形, 其体积为 (2/3)πa3，则单位滑动距离的总磨损量(即磨损率，通常用于
判断材料磨损的快慢程度)为:
(2)
由(1)和(2)式，可得：
(3)
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
简单粘着磨损计算(Archard模型)
随着加载载荷的变化，材料磨损类型由一种形式转变为另一种形式。
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素
③
速度的影响
在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一 极大值后，又随着滑动速度的增加而减少。
材料磨损随摩擦速度、接触压力的变化
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素 ③ 速度的影响
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
简单粘着磨损计算(Archard模型)
上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较硬材料，摩擦副另一方
为较软材料；法向载荷W；由n个半径为a的相同微凸体承受。
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
简单粘着磨损计算(Archard模型)
当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软
§6.2 磨损过程
二、磨粒磨损
1、特点：
对磨表面上的微突起或硬质颗粒在摩擦过程中引起表面材料脱落的现 象，又称为磨料磨损或研磨磨损。
磨粒磨损形貌
§6.2 磨损过程
二、磨粒磨损
2. 磨粒磨损分类及其磨损特征
磨料磨损根据表面磨损的破坏形式，大体可以分为下列几种类型：
① 按摩擦表面的数目分为: 两体磨料磨损和三体磨料磨损。 a. 两体磨粒磨损
一、摩擦与磨损的概念
1.2 摩擦的分类
Stribeck曲线：
不同摩擦状态下，材料表现出的摩擦系数不同。
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
2、磨损：
物体表面相互摩擦，材料表面逐渐分离出磨屑，致使材料损伤的现象。
磨屑的形成也是一个变形和断裂的过程。
磨损过程：
1) 跑合(磨合)阶段: 磨损速率下降；
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素
① 摩擦副材料性质的影响
e. 材料的硬度 硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强。
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素
② 载荷的影响 粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加。当载荷值 超过材料硬度值的1/3时，磨损急剧增加，严重时咬死。因此，设计中 选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。
摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。机件间摩擦磨损引起失
效叫磨损失效。
轨道磨损
弓网：大电流下的摩擦磨损
水中航行体的主要能源和动力被用来 克服行进中的阻力，其中摩擦阻力占最大 成分(水下80%)；对于诸如输油管道这类 管道运输，其能量几乎全部被用来克服流 固表面的摩擦阻力。
卫星飞轮 轴承润滑油 耐磨轴承材料 稳定的微量供油技术 航空发动机 叶片和摩擦阻尼器
法向方向压力与摩擦系数的乘积表示：
F＝μN
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
1.2 摩擦的分类
摩擦按摩擦副运动状态可分为：
• 静摩擦：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但尚未产生相对运动
时的摩擦；
• 动摩擦：两相对运动表面之间的摩擦。
按相对运动的位移特征分类：
• 滑动摩擦：两接触物体接触点具有不同速度和(或)方向时的摩擦； • 滚动摩擦：两接触物体接触点的速度大小和方向相同时的摩擦； • 自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋转时的摩擦。
随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种形式。 如图(a)所示，摩擦速度很低时，主要是氧化磨损，出现Fe2O3的磨屑， 磨损量很小；随速度的增大，氧化膜破裂，金属直接接触，转化为粘 着磨损，磨损量显著增大；滑动速度 再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜 形成，又转为氧化磨损，磨屑为Fe3O4，
§6.2 磨损过程
粘着磨损的影响因素
① 摩擦副材料性质的影响 c. 材料组织结构和表面处理 多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高；金属中化合物相比单相固 溶体的粘着倾向小。 d. 固溶元素的影响 元素周期表中的B族元素，如锗、银、镉、锡、锑、铅与铁的冶金相容
性差，抗粘着磨损性能好；铁与A族元素组成的摩擦副粘着倾向大。
粘着磨损形貌
磨损过程：
表面接触的少量微凸体→产生很高的应力
→发生塑性变形→形成粘着点 →被剪断、拉开→转移到一方材料表面
→脱落下来→形成磨屑。
粘着点不断形成，又不断被破坏并脱落的过程。 粘着磨损过程示意图
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损(咬合磨损)
典型的粘着磨损
根据粘着点强度和破坏位臵不同，粘着磨损从轻微磨损到破坏性严重 的胶合磨损。它们的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同 的特征是：出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。 a. 轻微磨损 粘着强度比摩擦副两金属基体强度低时，剪切发生在粘着结合面上， 表面转移的材料较轻微。 此时虽然摩擦系数增大，但磨损却很小，材料迁移也不显著。通常 在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。
命和可靠性。固此，对磨损的研究引起了人们的极大关注。
一、概 述
摩擦：相互接触的两个物体有相对运动或相对运动的趋势，在其 接触界面上出现阻碍相对运动的现象，该阻力称为摩擦力。其方 向与引起相对运动的切线方向相反，可用接触面法向方向压力与 摩擦系数的乘积表示：
μ= F/N
磨损：物体表面相互摩擦，材料表面逐渐分离出磨屑，致使材料 损伤的现象。
2) 稳定磨损阶段: 磨损速率稳定；
3) 剧烈磨损阶段: 磨损速率急剧增加。
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
耐磨性
耐磨性是材料抵抗磨损的能力。 通常用试样摩擦表面法相方向尺寸的减小（线磨损）、试样体积或质 量的损失来表示（体积磨损或质量磨损）。 比磨损量
§6.1 磨损的概念和类型