摩擦学原理(第5章磨损规律)
合集下载
磨擦磨损及润滑课件.ppt
润滑脂的主要质量指标
1)锥(针)入度(或稠度)
指一个重1.5N的标准锥体，于25℃恒温下，由润滑脂表面经5s刺入的深度 (以 0.lmm计)。它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。锥入度愈小表明 润滑脂愈稠。
2)滴点
在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度叫 润滑脂的滴点。润滑脂的滴点决定了它的工作温度。润滑脂的工作温度至少应低 于滴点20℃。
性能指标：
1）粘度：油的流动阻力或指抵抗变形的能力。是润滑油最重要的性能之一.
2）油性：又叫润滑性，指润滑油中极性分子与金属表面形成物理吸附膜或化学 吸附膜的润滑性能。
3）凝点：又叫流动点，润滑油开始失去流动性的最高温度。是低温下工作的润 滑 油的重要指标。
4）闪点和燃点：指油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，遇火焰能发出闪光的最 低温度。是高温工作油的重要指标（通常应使工作温度比油的闪点低30～40℃。 ）.
(3)飞溅润滑
利用转动件(例如齿轮)或曲轴的曲柄等将润滑油溅成油星以润滑轴承。
(4)压力循环润滑
用油泵进行压力供油润滑,可保证供油充分,能带走摩擦热以冷却轴承。 这种润滑方法多用于高速、重载轴承或齿轮传动上。
2．脂润滑
脂润滑只能间歇供应。加脂方式有人工加脂、脂杯加脂和集中润滑系统 供脂，旋盖式油脂杯是应用得最广的脂润滑装置。
摩擦副接触面积示意图
(3)修正粘附理论
真空中的洁净金属发生摩擦时，其摩擦系数要比常规环境里的摩擦系数大得多。 鲍登等人于1964年又提出了一种更切合实际的修正粘附理论。接触区同时有压 应 力和切应力存在 ,在复合应力作用下，接触区出现了结点增长的现象。
当两金属界面被表面膜分隔开时,τBj为表面膜的剪切强度极限；当剪断发生 在较软金属基体内时,τBj 为较软金属基体的剪切强度极限τB；若表面膜局部破 裂并出现金属粘附结点时，τBj将介于较软金属的剪切强度极限和表面膜的剪切 强度极限之间。
摩擦与磨损全课件第5章 润滑2
2/53
1. 酯类油
酯类油是用量最大、应用最广的一类合成油。 酯是有机酸和醇的反应物，根据酸和醇的分子大 小或元数不同，可生成各种各样的酯。
2018/11/1
3/53
酯类油特点
① 具有良好的粘温性能，双酯的粘度指数一般在150 以上，有的甚至高达180；而一般矿物油的粘度指 数仅在80-100之间，极少数大于100。 ② 有极低的低温流动性，双酯的倾点一般在-60℃； 而一般矿物油的倾点在-10℃，最好的是-20℃，极 少数在0℃以上。 ③ 有良好的高温性，双酯的闪点多在240℃以上，即 使在240℃以下时，它比普通矿物油的蒸发损失小 得多。 ④ 耐磨性、化学溶解性、对添加剂的敏感性等较好， 无毒，不腐蚀金属，抗氧化稳定性好。
34) 尼龙
尼龙是热塑性聚酰胺树脂族的统称。应用较广的 有尼龙6、尼龙66和尼龙1010。
尼龙的分子结构模型
2018/11/1 33/53
尼龙特点
① 有优良的力学性能，价格低廉、易加工、易成形、耐磨性 好，特别在含泥砂的条件下，抗磨料磨损的性能突出。 ② 尼龙6在泥砂的质量分数为5%的泥浆中与不锈钢摩擦，比 青铜的性能好2 - 3倍；若尼龙中加0.3%的氧化钛，其性能 比青铜好10倍。 ③ 缺点是吸水性大，热传导系数小，零件尺寸稳定性差，膨 胀系数大。 ④ 尼龙与尼龙摩擦不好，粘滑现象严重，即使加润滑油也是 如此，因为油在尼龙表面不能形成致密的润滑油膜。 ⑤ 尼龙与钢摩擦时，在钢的表面有完整的润滑油膜，摩擦系 数可低至0.08-0.15。
2018/11/1
23/53
5.2.6 固体润滑剂
1、固体润滑剂的优点
2018/11/1
机械可靠性工程第5章磨损可靠性详解
tU
tL 2
t
tU
tL 6
2、寿命一定，磨损量分布规律
2、寿命一定，磨损量分布规律（方便）
uw
wU
2
wL
WU
w
wU
6
wL
WL
§5-2 磨损寿命可靠性计算
一、磨损量一定，寿命分布规律
R(t) fw(t)dt
t
Z t t t
R 1
例题：某摩擦片，当
ut 26.62h
W lim 250um
Z t t t
t Zt ut
t Z t ut
2.321.47 54.5 51.09h
ut 54.5h
t 1.47h
t 51.09h
结论：对于该摩擦片大约每隔50小时更换一次，以便保 持具有99％的可靠度。
二、寿命一定，磨损量分布规律
w
R(w) ft(w)dw
0
Z w w w
t h
求：t=25 h R(t)=? 解：
Z t t 25 26.62 2.219
t
0.73
0.0132
R(t) 98.67%
ut 26.62h
t h
例题：某摩擦片，当
W lim 500um
求：R(t)=99%条件下零件寿命
解： R(t) 99%
0.01
2.32
第二篇 机械零部件可靠性
第五章 机械磨损寿命可靠性计算 wearing life
机械失效：
§5-1 前言
一、磨损失效 ---- 三个阶段
二、 零件磨损量与磨损寿命分布 规律 u-磨损速度 w-磨损量
w ut w1
(摩擦面垂直方向测量,w1有时不出现.)
摩擦学原理第5章
第5章 润滑
第五章润滑理论与润滑设计
主讲：高诚辉
1
内容目录
第5章 润滑
一、润滑状态与流体性质 二、流体润滑理论基础 三、流体润滑计算的数值解法 四、典型机械零件的润滑设计 五、边界润滑
2
一、润滑状态与流体性质
1.润滑状态及其特征 2.润滑油的密度 3.流体的粘度 4.非牛顿流体 5.粘度的测量与换算
VI L U 100 LH (5 - 1 - 11)
其中L，H和U分别为0VI, 100VI标准油和待测油在100°F时的 运动粘度值。大多数工业用润滑油的VI值介于0～100之间。 粘度指数高的润滑油表示它的粘度随温度的变化小，因而粘 温性能好。粘度指数原用来评定矿物油的粘温特性，而应用 于合成油和多级油时，其VI值通常要超过100，要重新修订。
15
（ 2 ）粘度与温度的关系
第5章 润滑
按照分子学的观点，凡是流体都是由大量的处于无规则 运动状态的分子所组成，流体的粘度是分子间的引力作用和动 量的综合表现，分子间的引力随着分子间的距离增大而急剧减 小，而分子的动量取决于运动速度。 当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子 间的距离也增加。这样就使得分子的动量增加，而分子间的作 用力减小。因此，液体的粘度随温度的升高而急剧下降，从而 严重影响它们的润滑作用。为了确定摩擦副在实际工况条件下 的润滑性能，必须根据润滑剂在工作温度下的粘度进行分析。 这样，热分析和温度计算成为润滑理论的主要问题之一。而气 体的粘度随温度的升高而略有增加。 粘度随温度的变化是润滑剂的一个十分重要的特性。通 常润滑油的粘度越高，其对温度的变化就越敏感。
du dz
可知：剪应变率等于流动速度沿流体厚度方向的变化梯度。 这样，牛顿粘性定律可写成
第五章润滑理论与润滑设计
主讲：高诚辉
1
内容目录
第5章 润滑
一、润滑状态与流体性质 二、流体润滑理论基础 三、流体润滑计算的数值解法 四、典型机械零件的润滑设计 五、边界润滑
2
一、润滑状态与流体性质
1.润滑状态及其特征 2.润滑油的密度 3.流体的粘度 4.非牛顿流体 5.粘度的测量与换算
VI L U 100 LH (5 - 1 - 11)
其中L，H和U分别为0VI, 100VI标准油和待测油在100°F时的 运动粘度值。大多数工业用润滑油的VI值介于0～100之间。 粘度指数高的润滑油表示它的粘度随温度的变化小，因而粘 温性能好。粘度指数原用来评定矿物油的粘温特性，而应用 于合成油和多级油时，其VI值通常要超过100，要重新修订。
15
（ 2 ）粘度与温度的关系
第5章 润滑
按照分子学的观点，凡是流体都是由大量的处于无规则 运动状态的分子所组成，流体的粘度是分子间的引力作用和动 量的综合表现，分子间的引力随着分子间的距离增大而急剧减 小，而分子的动量取决于运动速度。 当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子 间的距离也增加。这样就使得分子的动量增加，而分子间的作 用力减小。因此，液体的粘度随温度的升高而急剧下降，从而 严重影响它们的润滑作用。为了确定摩擦副在实际工况条件下 的润滑性能，必须根据润滑剂在工作温度下的粘度进行分析。 这样，热分析和温度计算成为润滑理论的主要问题之一。而气 体的粘度随温度的升高而略有增加。 粘度随温度的变化是润滑剂的一个十分重要的特性。通 常润滑油的粘度越高，其对温度的变化就越敏感。
du dz
可知：剪应变率等于流动速度沿流体厚度方向的变化梯度。 这样，牛顿粘性定律可写成
摩擦与磨损5
§2 摩阻材料
一、对摩阻材料性能的要求
⑴应有足够而稳定的摩擦系数，静、动摩擦系数 之差要小，且摩擦系数基本不随外界条件变化而 变化。 ⑵应具有良好的导热性，较大的热容量，有一定 的高温机械强度。 ⑶应有良好的耐磨性，且不易被划伤摩擦配偶件 的表面以及与之严重粘着。磨合性好，在摩擦过 程中噪音、振动小。 ⑷原料来源应充足，工艺简单易行，造价低。
二、常用金属摩阻材料
分为： 金属型（铸铁、粉末冶金摩阻材料） 非金属型（石棉、橡胶）及半金属型。
对减摩材料性能的要求
⑷应具有一定的熔点，高的导热性和热 容量，热膨胀系数小，对油膜的吸附性 强，抗腐蚀性好。 ⑸应具有良好的工艺性能，且生产工艺 应简单易行，造价低。
按构成物质和制造方法，减摩材料分：
⑴轴承合金 ⑵粉末冶金 ⑶金属塑料 ⑷金属纤维 ⑸化学渗减摩层 ⑹非金属减摩材料
1.轴承合金
①巴氏合金： 锡基巴氏合金、铅基巴氏合金 ②铜基和铝基： 铜基轴承合金、铅基轴承合金
第五章、减摩材料和摩阻材料
按工况条件和使用要求 摩擦副材料分3大类： 耐磨材料、 减摩材料、 摩阻材料。
§1 减摩材料对减摩材料性能的求⑴应具有低而稳定的摩擦系数； ⑵减摩材料本身耐磨性要好，且对与之摩擦部件 的磨损也要小。此外，要有良好的抗粘着性和良 好的磨合性。 ⑶摩擦副要承受一定负荷，所以要求减摩材料具 有一定的抗塑性变形能力、较高的疲劳强度和冲 击韧性。
第5章摩擦学设计
图3.2 润滑膜厚度与粗糙度高度
用膜厚比来判断摩擦状态处于哪种润滑状 态的公式是： hmin 2 2 （3.1） Ra1 Ra 2 式中，hmin为两滑动粗糙表面间的最小公称油 膜厚度；Ra1、Ra2为两表面轮廓算术平均偏 差。 （1）当膜厚比 1时，为边界摩擦（润滑） 状态； （2）当膜厚比=1~3，摩擦表面间处于混合润 滑状态； （3）当＞3时，为流体摩擦（润滑）状态。
Q sin / 2
又如图3.7中的非矩形螺纹，在轴向载荷Q作 用下的当量摩擦系数可按下式计算： f fv （3.6） cos 式中，为牙型角。
F f fv Q sin / 2
Q
f fv cos
N/2
N/2
图3.6 带传动当量 摩擦系数
图3.7 非矩形螺纹 当量摩擦系数
（3.3） 当物体发生运动后，摩擦系数会从最大静 摩擦系数降低到动摩擦系数。虽然动摩擦系数 一般也与工况条件有关，但为了简单起见通常 假设它是一个常数。 2．当量摩擦系数 摩擦系数是摩擦力与法向力的比值。有 时，作用在运动副上的力不一定是法向力。而 因为结构和分析需要等原因，会用摩擦力与这 些作用力的比值作为摩擦系数。
ds 2a 3 s
考虑到并非所有粘结点都形成半球形的磨 屑，引入粘着磨损常数ks，则粘着磨损公式为: （3.10） dV W ks ds 3 s （2）磨粒磨损 外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气 中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓 峰尖在较软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移 去的材料，一部分流动到沟纹的两旁，一部分 则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗 粒，这样的微切削过程就叫磨粒磨损。
4）微动磨损 这是一种由粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨 损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式。 它发生在宏观上相对静止，微观上存在微幅相 对滑动的两个紧密接触的表面上，如轴与孔的 过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺 纹的工作面、铆钉的工作面等。微动磨损不仅 要损坏配合表面的品质，而且要导致疲劳裂纹 的萌生，从而急剧地降低零件的疲劳强度。
摩擦学ppt
对于尺寸在毫米以下甚至毫微米级范围的微 型机械，如可清除血管内壁沉积物的微型机器人 等，此时表面效应非常明显，摩擦则是重要的因 素之一。 在通讯卫星中，天线需要精确的定位机构和 展开机构，要求轴承扭矩在7—10年内不变，经过 107 次循环使用后精度不变，此时必须研制新型 润滑剂以减少微观尺度的摩擦力和磨损的变化。
纳米摩擦学研究方法
（1）现代表面分析方法 纳米摩擦学的实验广泛应用表面力仪 (SFA)和扫描探针技术．包括扫描隧道显微 镜 (STM)，原子力显微镜(AFM)和激光检 测摩擦力显微镜(FFM)。它们用于测量原 子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行 为．在微磨损、微划痕、纳米磨损与超精 加工以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨 大的作用。
2．表面形态与混合润滑理论
摩擦学现象发生在极薄的表面层， 因此对于摩擦表面形态的形成、变化 和作用的分析，将深化摩擦学机理研 究，并就改善使用性能寻求合理的表 面形态和工艺方法提供依据。研究内 容包括：表面形貌的表征及其摩擦学 效应，表面物理化学状态在摩擦、磨 损过程中的行为与变化等。
分析表明，工程中大多数摩擦表面是 处于混合润滑状态，即部分润滑膜与表面 粗糙峰点相接触同时存在。磨损的发生是 混合润滑状态的特性。 目前有关混合润滑的设计尚停留在半 经验阶段，因此建立工程适用的混合润滑 设计理论是当前急迫的任务。这一领域的 研究集中在：部分膜润滑和微观弹流润滑 理论，各类润滑膜的失效准则和润滑状态 转化过程，粗糙表面的接触分析与载荷分 配，混合润滑的模型化和定量化研究等。
3．磨损形成机理及其控制
研究目的在于了解磨损形成过程、变化及其影响因 素，从而寻求提高耐磨性和控制磨损的措施。工程中的 磨损现象多种多样，根据形成机理可归纳为：磨粒磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、化学腐蚀磨损等基本类型。实际 机械中的磨损大多是几种磨损类型同时发生，因此磨损 研究必须强调针对性，即密切结合各种典型零件的具体 工况条件进行分析研究，在累积数据的基础上，建立磨 损机理以及抗磨损设计方法与对策． 实际零件的磨损经历着复杂的过程，涉及因素很多， 包括工况参数、材料与表面形态、润滑与环境介质的作 用等的影响。因此，磨损研究还应强调运用多学科的综 合研究和系统工程分析的方法。
机械原理005第五章摩擦
第五章运动副中的摩擦和机械效率5.1 概述1. 摩擦的产生：摩擦存在于一切作相对运动或者具有相对运动趋势的两个直接接触的物体表面之间。
机构中的运动副是构件之间的活动联接，同时又是机构传递动力的媒介。
因此，运动副中将产生阻止其相对运动的摩擦力。
2. 摩擦的两重性：有益和有害。
3. 摩擦、效率、自锁的关系：摩擦大，效率低，低到一定程度,产生自锁。
5.2 移动副中的摩擦5.2.1. 水平面滑块的摩擦如图5-1(a)所示，滑块A 在驱动力F 的作用下，沿水平面B 向左作匀速运动。
设F 与接触面法线成α角，则F 的切向分力和法向分力分别为：sin ,cos x y F F F F αα==。
平面B 对滑块A 产后法向反力n R和磨擦反力，它们的合力R 称为总反力。
tan fn F f R ϕ==，其中为磨擦系数，称为摩擦角。
如图5-1(b)所示，以R 的作用线绕接触面法线而形成的一个以为锥顶角的圆锥称为摩擦锥。
cos ,cos tan sin ,sin cos tan sin tan tan n y f n x x x f f x R F F F fR F F F F F F F F F ααϕαααϕαϕα======∴==当力F 的作用线在该锥以内或正在该锥上时，即αϕ≤，则有x f F F ≤，所以不论F 有多大，滑块都不会运动，此时滑块发生自锁现象。
自锁条件为αϕ≤(1) 摩擦角ϕ的大小由摩擦系数f 的大小决定，与驱动力F 的大小及方向无关；(2) 总反力R 与滑块运动方向总是成90ϕ+ 角。
5.2.2 斜面平滑块的摩擦一、滑块等速上升如图5-2(a)所示，平滑块置于倾斜角为的斜面上，为作用在滑块上的铅垂载荷（包括滑块自重），为摩擦角。
滑块在水平驱动力作用下沿斜面等速上升，斜面对滑块的总反力为 ，根据平衡条件，可作如图5-2(b)所示的力三角形，从图可得，分析该式可知：等速上升的自锁条件为2πθϕ≥- 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
最优粗糙度的存在表明：磨 损过程是摩擦副表面之间机 械的和分子的联合作用。当 表面粗糙度小于最优粗糙度 时，磨损加剧是由表面分子 作用造成的。而当表面粗糙 度大于最优值时，磨损主要 是由表面机械作用产生的。 图5.10 粗糙度与磨损量
5.2.3 表面品质与磨损
• 摩擦副所处的工况条件不同，最优粗 糙度也不同。在繁重工况条件下，由 于摩擦副的磨损严重，因而最优粗糙
度也相应增大。如图5.11所示，工况
条件包含摩擦副的载荷、滑动速度的 大小、环境温度和润滑状况等。
HR0
图5.11 不同工况
HR 的值 0
5.2.3 表面品质与磨损
• 图5.12说明：不同粗糙度的表面在磨合过程中粗糙度的变化。在一定的 工况条件下，不论原有的粗糙度如何，经磨合后都会达到与工况相适应 的最优粗糙度。此后，表面粗糙度稳定在最优粗糙度下持续工作。
5.1.2 磨合磨损
1．表面形貌与性能的变化
• 生产实践中，主要有四种磨合方式，即干摩擦条件下的磨合、普通润滑 油中的磨合、添有磨料润滑油中的磨合和电火花磨合。在有润滑油的磨 合磨损中，除粘着磨损和磨粒磨损主要机理外，同时还存在化学磨损、 疲劳磨损、冲蚀磨损、气蚀磨损和电化磨损等多种复杂机理。在添有磨 料润滑油中的磨合中，采用的磨料有微米固体颗粒和纳米固体颗粒，研 究人员将微米和纳米固体粉末混合在一起作为磨料，取得了较好的磨合 效果。电火花磨合是利用放电原理使运转的摩擦副达到磨合的目的。 • 不同摩擦副结构和性质以及不同磨合工况，其磨合磨损机理的构成都不 一样。
1．表面形貌与性能的变化
Ra
磨合过程中粗糙度Ra 值的变化
1．表面形貌与性能的变化
图5.4表示较硬摩擦副 表面磨合前后表面形 貌变化。磨合使接触 面积显著地增加和峰 顶半径增大。
1．表面形貌与性能的变化
图5.5是塑性指数曲线。 随磨合时间的延续， 经过磨合磨损表面由 塑性接触过渡到弹塑 性接触，ห้องสมุดไป่ตู้至弹性接 触状态。
5.2.3 表面品质与磨损
• 摩擦表面的加工痕迹方向影响磨合时间和磨合磨损量，而磨合以后的痕 迹方向总是顺着摩擦方向，此后的磨损率与原来的痕迹方向无关。图 5.14和图5.15是表面加工痕迹方向对磨损的影响。图中轻微工况是指摩 擦表面压力p=14.2MPa和润滑良好的工作状况；繁重工况为p=66MPa 和润滑不良的工作状况。
dQ dT
a tg
2．磨合规范
三种磨合规范的磨合曲线
2．磨合规范
，良好的磨合还能够有效地改善 摩擦副其它性能。如图5.8所示， 滑动轴承经磨合后可以改善表面 形貌，使轴承临界特性数降低， 更利于建立流体动压润滑膜。又 如发动机的合理磨合提高了缸套 活塞环的表面品质，减少擦伤痕 迹，提高密合性，可使发动机的 耗油量较一般情况下降达50%。
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
图5.1 齿轮失效方式 failure mode of gear
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
• 近年来通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了 一些磨损理论，它们是磨损计算的基础。 • 磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征。而这些特征与通常的强 度破坏很不相同。例如摩擦副的实际接触点是离散的和变化的，因而摩 擦副承载材料的体积很小并在磨损过程中不断变化。 • 由此可知：考虑表层材料在磨损过程中的动态特性和破坏特点，以及材 料与周围介质的作用等等，对于建立磨损理论及其计算方法具有十分重 要的意义，而这一任务的复杂性使得磨损计算至今还不能满足应用的要 求。
5.2.1 材料的减摩耐磨机理
• 2．软相承载机理 • 有人认为材料的减摩耐磨机理在于软相承受载荷。在这类材料中， 各种组织的热膨胀系数不同，软相的膨胀系数大于硬相。在摩擦过程中， 由于摩擦热引起的热膨胀使软相突起几个油分子的高度而承受载荷。由 于软相的塑性高，因而减摩性能良好。 • 3．多孔性存油机理 • 粉末冶金材料的孔隙约占10~35%。将它放在热油中浸渍数小时后，孔 隙中即充满润滑油。当摩擦副相对滑动时，摩擦热使金属颗粒膨胀，孔 隙容积减小。而润滑油也膨胀，其膨胀系数比金属大，因而润滑油被溢 出表面起润滑作用。
3．提高磨合性能的措施
• 良好的磨合性能表现为磨合时间短，磨合磨损量小，以及磨合后的表面 耐磨性高。为提高磨合性能一般可采取以下措施： • 选用合理的磨合规范 • 选择适当的润滑油和添加剂 • 采用合适的材料配对 • 控制制造精度和表面粗糙度
5.2 影响磨损因素
5.2.1 材料的减摩耐磨机理
• 1．软基体中硬相承载机理 • 通常认为减摩耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗 粒的异质结构。例如，锡基巴氏合金的组织是以含锑与锡固溶体为塑性 基体，在该软基体上面分布着许多硬的Sn-Sb立方晶体和Cu-Sn针状晶 体。在正常载荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬相直接承受载荷， 而软相起着支持硬相的作用。由于是硬相发生接触和相对滑动，所以摩 擦系数和磨损都很小。又由于硬相被支持在软基体之上，易于变形而不 致于擦伤相互摩擦的表面。同时，软基体还可以使硬相上压力分布均匀。 当载荷增加时，承受压力增大的硬相颗粒陷入软基体中，将使更多的硬 颗粒承载而达到载荷均匀分布。
5.2.3 表面品质与磨损
• 摩擦表面经过加工成形工艺以后具有不同的几何品质即表面形貌，如粗 糙度、波纹度、宏观几何偏差和加工痕迹方向等，以及不同的物理品质， 如冷作硬化、微硬度和残余应力等。这些都对磨损有重要的影响。 • 1．几何品质的影响 • 加工表面的特征是外形轮廓的起伏变化，表面几何品质可以用表面形貌 参数来描述。设峰高为H，两峰之间距离为L，根据L/H的大小可分为粗 糙度、波纹度和宏观偏差，如图5.9所示。
图5.12
磨合中的HR变化与最优粗糙度
5.2.3 表面品质与磨损
• 表面波纹度对于磨损的影响与粗糙度相类似。此外，波纹度大的表面将 使相配合表面的磨合磨损量增加，而磨合后的稳定磨损率却趋于一致。 图5.13为巴氏合金试件与不同波纹度钢表面磨合时的磨损曲线。
1：HW=15m，L=3mm；2：HW=10m，L=3mm；3：HW=8.5m，L=2.5mm 图5.13 巴氏合金与钢对磨损的磨合曲线
1．表面形貌与性能的变化
• 磨合阶段的磨损形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。特别是在表面粗糙度 较高，两表面硬度相差较大时，表面微凸体的机械相互作用，硬的微凸 体对较软表面的犁削作用，更是磨合初期的主要磨损形式。随着磨合磨 损过程的进行，表面粗糙度将发生变化，正常的情况是粗糙度下降，磨 粒磨损或微凸体机械作用的磨损逐渐减少，直至进入磨损的持续阶段。 • 通过磨合磨损不仅使摩擦副在几何上相互贴服，同时还使表面层的组织 结构发生变化，获得适应工况条件的稳定的表面品质。
2．磨合规范
• 采用不同的磨合规范可以使磨合时间、磨合磨损量以及磨合后的磨损率 有很大的不同。实践证明：良好的磨合能够使摩擦副的正常工作寿命提 高1~2倍。 • 在图5.6中，若以下标0表示的是磨合磨损的物理量；而以下标a表示的 为稳定磨损的物理量。令磨损率为单位时间的磨损量，则有：
• （5.1） • 总磨损量Q=Q0+Qa，而稳定磨损量Qa=aTa。因此，正常磨损寿命为： 1 • （5.2） Ta (Q Q0 ) a • 由此可知：正常磨损寿命Ta随着 Q0和a的减小而增加。
5.2.3 表面品质与磨损
图5.9
加工表面外形轮廓
5.2.3 表面品质与磨损
• 原苏联科学院机械研究所ИМАШ的学者对表面品质对磨损的影响进行 了系统的研究，下面介绍他们得出并得到普遍认可的主要结论。实验研 究得出：对于不同的磨损工况条件，表面粗糙度都具有一个最优值HR0， 此时磨损量最小，如图5.10所示。这一结论已为许多实验所证实。
5.2.1 材料的减摩耐磨机理
• 4．塑性涂层机理 • 近年来，多层材料日益广泛地应用于轴瓦和其它摩擦副。在硬基体 材料表面覆盖一层或多层软金属涂层。常用的涂层材料有铅、锡、铟和 镉等。由于表面涂层很薄，并具有良好塑性，因而容易磨合和降低摩擦 系数。
5.2.2 摩擦副材料性能
• 根据使用要求不同，摩擦学中的材料可分为：摩阻材料和摩擦副材料两 类。摩阻材料用于各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中。 对材料主要要求具有较高和热稳定的摩擦系数。而摩擦副材料又分为减 摩材料和耐磨材料。一般情况下，材料的减摩性与耐磨性是统一的，即 摩擦系数低的材料通常也具有耐磨损性能。 • 摩擦副材料的选择依据主要是摩擦表面的压力、滑动速度和工作温度。 通常对于摩擦副材料的主要技术要求有： • 1．机械性能:由于摩擦表面的载荷作用和运动中的冲击，材料应具有 足够的强度和韧性，特别是抗压能力。此外，疲劳强度也很重要，例如 滑动轴承的轴瓦约有60%是由于表面疲劳剥落而失效。金属材料硬度越 高，其耐磨性越好。而良好的塑性使摩擦表面能迅速地磨合，塑性低的 耐磨材料在受到冲击载荷时容易脆裂。
5.1.2 磨合磨损
• 加工装配后的摩擦副表面具有微观和宏观几何缺陷，使配合面在开始摩 擦时的实际接触峰点压力很高，因而磨损剧烈。在磨合过程中，通过接 触峰点磨损和塑性变形，使摩擦副接触表面的形态逐渐改善，而表面压 力、摩擦系数和磨损率也随之降低，从而达到稳定的磨损率进入正常磨 损阶段。按照欧洲经济合作和发展组织（OECD）的工程材料磨损小组 的定义，磨合是机械零件在使用初期，改善其适应性、表面形貌和摩擦 相容性的过程。可认为是形成表面氧化膜等的化学过程和形变硬化等的 冶金过程。
5.2.2 摩擦副材料性能
• 2．减摩耐磨性能:良好的耐磨材料应具有较低的摩擦系数，它不但本身 耐磨，同时也不应使配对表面的磨损过大。所以减摩耐磨性能实质上是 相互配对材料的组合性能。良好的磨合性能表现为：在较短的时间内以 较小的磨损量获得品质优良的磨合表面。 • 3．热学性能:为了保持稳定的润滑条件，特别是在边界润滑状态下摩擦 副材料应具有良好的热传导性能，以降低摩擦表面的工作温度。同时， 材料的热膨胀系数不宜过大，否则会使间隙变化而导致润滑性能改变。 • 4．润滑性能:摩擦副材料与所使用的润滑油应具有良好的油性，即能够 形成连接牢固的吸附膜。此外，摩擦副材料与润滑油的润湿性能要好， 从而润滑油容易覆盖摩擦表面。
5.2.3 表面品质与磨损
• 摩擦副所处的工况条件不同，最优粗 糙度也不同。在繁重工况条件下，由 于摩擦副的磨损严重，因而最优粗糙
度也相应增大。如图5.11所示，工况
条件包含摩擦副的载荷、滑动速度的 大小、环境温度和润滑状况等。
HR0
图5.11 不同工况
HR 的值 0
5.2.3 表面品质与磨损
• 图5.12说明：不同粗糙度的表面在磨合过程中粗糙度的变化。在一定的 工况条件下，不论原有的粗糙度如何，经磨合后都会达到与工况相适应 的最优粗糙度。此后，表面粗糙度稳定在最优粗糙度下持续工作。
5.1.2 磨合磨损
1．表面形貌与性能的变化
• 生产实践中，主要有四种磨合方式，即干摩擦条件下的磨合、普通润滑 油中的磨合、添有磨料润滑油中的磨合和电火花磨合。在有润滑油的磨 合磨损中，除粘着磨损和磨粒磨损主要机理外，同时还存在化学磨损、 疲劳磨损、冲蚀磨损、气蚀磨损和电化磨损等多种复杂机理。在添有磨 料润滑油中的磨合中，采用的磨料有微米固体颗粒和纳米固体颗粒，研 究人员将微米和纳米固体粉末混合在一起作为磨料，取得了较好的磨合 效果。电火花磨合是利用放电原理使运转的摩擦副达到磨合的目的。 • 不同摩擦副结构和性质以及不同磨合工况，其磨合磨损机理的构成都不 一样。
1．表面形貌与性能的变化
Ra
磨合过程中粗糙度Ra 值的变化
1．表面形貌与性能的变化
图5.4表示较硬摩擦副 表面磨合前后表面形 貌变化。磨合使接触 面积显著地增加和峰 顶半径增大。
1．表面形貌与性能的变化
图5.5是塑性指数曲线。 随磨合时间的延续， 经过磨合磨损表面由 塑性接触过渡到弹塑 性接触，ห้องสมุดไป่ตู้至弹性接 触状态。
5.2.3 表面品质与磨损
• 摩擦表面的加工痕迹方向影响磨合时间和磨合磨损量，而磨合以后的痕 迹方向总是顺着摩擦方向，此后的磨损率与原来的痕迹方向无关。图 5.14和图5.15是表面加工痕迹方向对磨损的影响。图中轻微工况是指摩 擦表面压力p=14.2MPa和润滑良好的工作状况；繁重工况为p=66MPa 和润滑不良的工作状况。
dQ dT
a tg
2．磨合规范
三种磨合规范的磨合曲线
2．磨合规范
，良好的磨合还能够有效地改善 摩擦副其它性能。如图5.8所示， 滑动轴承经磨合后可以改善表面 形貌，使轴承临界特性数降低， 更利于建立流体动压润滑膜。又 如发动机的合理磨合提高了缸套 活塞环的表面品质，减少擦伤痕 迹，提高密合性，可使发动机的 耗油量较一般情况下降达50%。
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
图5.1 齿轮失效方式 failure mode of gear
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
• 近年来通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了 一些磨损理论，它们是磨损计算的基础。 • 磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征。而这些特征与通常的强 度破坏很不相同。例如摩擦副的实际接触点是离散的和变化的，因而摩 擦副承载材料的体积很小并在磨损过程中不断变化。 • 由此可知：考虑表层材料在磨损过程中的动态特性和破坏特点，以及材 料与周围介质的作用等等，对于建立磨损理论及其计算方法具有十分重 要的意义，而这一任务的复杂性使得磨损计算至今还不能满足应用的要 求。
5.2.1 材料的减摩耐磨机理
• 2．软相承载机理 • 有人认为材料的减摩耐磨机理在于软相承受载荷。在这类材料中， 各种组织的热膨胀系数不同，软相的膨胀系数大于硬相。在摩擦过程中， 由于摩擦热引起的热膨胀使软相突起几个油分子的高度而承受载荷。由 于软相的塑性高，因而减摩性能良好。 • 3．多孔性存油机理 • 粉末冶金材料的孔隙约占10~35%。将它放在热油中浸渍数小时后，孔 隙中即充满润滑油。当摩擦副相对滑动时，摩擦热使金属颗粒膨胀，孔 隙容积减小。而润滑油也膨胀，其膨胀系数比金属大，因而润滑油被溢 出表面起润滑作用。
3．提高磨合性能的措施
• 良好的磨合性能表现为磨合时间短，磨合磨损量小，以及磨合后的表面 耐磨性高。为提高磨合性能一般可采取以下措施： • 选用合理的磨合规范 • 选择适当的润滑油和添加剂 • 采用合适的材料配对 • 控制制造精度和表面粗糙度
5.2 影响磨损因素
5.2.1 材料的减摩耐磨机理
• 1．软基体中硬相承载机理 • 通常认为减摩耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗 粒的异质结构。例如，锡基巴氏合金的组织是以含锑与锡固溶体为塑性 基体，在该软基体上面分布着许多硬的Sn-Sb立方晶体和Cu-Sn针状晶 体。在正常载荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬相直接承受载荷， 而软相起着支持硬相的作用。由于是硬相发生接触和相对滑动，所以摩 擦系数和磨损都很小。又由于硬相被支持在软基体之上，易于变形而不 致于擦伤相互摩擦的表面。同时，软基体还可以使硬相上压力分布均匀。 当载荷增加时，承受压力增大的硬相颗粒陷入软基体中，将使更多的硬 颗粒承载而达到载荷均匀分布。
5.2.3 表面品质与磨损
• 摩擦表面经过加工成形工艺以后具有不同的几何品质即表面形貌，如粗 糙度、波纹度、宏观几何偏差和加工痕迹方向等，以及不同的物理品质， 如冷作硬化、微硬度和残余应力等。这些都对磨损有重要的影响。 • 1．几何品质的影响 • 加工表面的特征是外形轮廓的起伏变化，表面几何品质可以用表面形貌 参数来描述。设峰高为H，两峰之间距离为L，根据L/H的大小可分为粗 糙度、波纹度和宏观偏差，如图5.9所示。
图5.12
磨合中的HR变化与最优粗糙度
5.2.3 表面品质与磨损
• 表面波纹度对于磨损的影响与粗糙度相类似。此外，波纹度大的表面将 使相配合表面的磨合磨损量增加，而磨合后的稳定磨损率却趋于一致。 图5.13为巴氏合金试件与不同波纹度钢表面磨合时的磨损曲线。
1：HW=15m，L=3mm；2：HW=10m，L=3mm；3：HW=8.5m，L=2.5mm 图5.13 巴氏合金与钢对磨损的磨合曲线
1．表面形貌与性能的变化
• 磨合阶段的磨损形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。特别是在表面粗糙度 较高，两表面硬度相差较大时，表面微凸体的机械相互作用，硬的微凸 体对较软表面的犁削作用，更是磨合初期的主要磨损形式。随着磨合磨 损过程的进行，表面粗糙度将发生变化，正常的情况是粗糙度下降，磨 粒磨损或微凸体机械作用的磨损逐渐减少，直至进入磨损的持续阶段。 • 通过磨合磨损不仅使摩擦副在几何上相互贴服，同时还使表面层的组织 结构发生变化，获得适应工况条件的稳定的表面品质。
2．磨合规范
• 采用不同的磨合规范可以使磨合时间、磨合磨损量以及磨合后的磨损率 有很大的不同。实践证明：良好的磨合能够使摩擦副的正常工作寿命提 高1~2倍。 • 在图5.6中，若以下标0表示的是磨合磨损的物理量；而以下标a表示的 为稳定磨损的物理量。令磨损率为单位时间的磨损量，则有：
• （5.1） • 总磨损量Q=Q0+Qa，而稳定磨损量Qa=aTa。因此，正常磨损寿命为： 1 • （5.2） Ta (Q Q0 ) a • 由此可知：正常磨损寿命Ta随着 Q0和a的减小而增加。
5.2.3 表面品质与磨损
图5.9
加工表面外形轮廓
5.2.3 表面品质与磨损
• 原苏联科学院机械研究所ИМАШ的学者对表面品质对磨损的影响进行 了系统的研究，下面介绍他们得出并得到普遍认可的主要结论。实验研 究得出：对于不同的磨损工况条件，表面粗糙度都具有一个最优值HR0， 此时磨损量最小，如图5.10所示。这一结论已为许多实验所证实。
5.2.1 材料的减摩耐磨机理
• 4．塑性涂层机理 • 近年来，多层材料日益广泛地应用于轴瓦和其它摩擦副。在硬基体 材料表面覆盖一层或多层软金属涂层。常用的涂层材料有铅、锡、铟和 镉等。由于表面涂层很薄，并具有良好塑性，因而容易磨合和降低摩擦 系数。
5.2.2 摩擦副材料性能
• 根据使用要求不同，摩擦学中的材料可分为：摩阻材料和摩擦副材料两 类。摩阻材料用于各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中。 对材料主要要求具有较高和热稳定的摩擦系数。而摩擦副材料又分为减 摩材料和耐磨材料。一般情况下，材料的减摩性与耐磨性是统一的，即 摩擦系数低的材料通常也具有耐磨损性能。 • 摩擦副材料的选择依据主要是摩擦表面的压力、滑动速度和工作温度。 通常对于摩擦副材料的主要技术要求有： • 1．机械性能:由于摩擦表面的载荷作用和运动中的冲击，材料应具有 足够的强度和韧性，特别是抗压能力。此外，疲劳强度也很重要，例如 滑动轴承的轴瓦约有60%是由于表面疲劳剥落而失效。金属材料硬度越 高，其耐磨性越好。而良好的塑性使摩擦表面能迅速地磨合，塑性低的 耐磨材料在受到冲击载荷时容易脆裂。
5.1.2 磨合磨损
• 加工装配后的摩擦副表面具有微观和宏观几何缺陷，使配合面在开始摩 擦时的实际接触峰点压力很高，因而磨损剧烈。在磨合过程中，通过接 触峰点磨损和塑性变形，使摩擦副接触表面的形态逐渐改善，而表面压 力、摩擦系数和磨损率也随之降低，从而达到稳定的磨损率进入正常磨 损阶段。按照欧洲经济合作和发展组织（OECD）的工程材料磨损小组 的定义，磨合是机械零件在使用初期，改善其适应性、表面形貌和摩擦 相容性的过程。可认为是形成表面氧化膜等的化学过程和形变硬化等的 冶金过程。
5.2.2 摩擦副材料性能
• 2．减摩耐磨性能:良好的耐磨材料应具有较低的摩擦系数，它不但本身 耐磨，同时也不应使配对表面的磨损过大。所以减摩耐磨性能实质上是 相互配对材料的组合性能。良好的磨合性能表现为：在较短的时间内以 较小的磨损量获得品质优良的磨合表面。 • 3．热学性能:为了保持稳定的润滑条件，特别是在边界润滑状态下摩擦 副材料应具有良好的热传导性能，以降低摩擦表面的工作温度。同时， 材料的热膨胀系数不宜过大，否则会使间隙变化而导致润滑性能改变。 • 4．润滑性能:摩擦副材料与所使用的润滑油应具有良好的油性，即能够 形成连接牢固的吸附膜。此外，摩擦副材料与润滑油的润湿性能要好， 从而润滑油容易覆盖摩擦表面。