摩擦学原理(第4章磨损理论)

第二篇磨损理论各种磨损形式有着不同的作用机理：磨粒磨损主要是犁沟和微观切削作用；粘着磨损过程与表面间分子作用力和摩擦热密切相关；接触疲劳磨损是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果；而氧化和腐蚀磨损则由环境介质的化学作用产生。接触面的塑性变形常常引起磨损，也就是说变形导致磨损，化学作用也常能引起磨损。此外，有很多种磨损机理必须利用机械学、热力学等学科的理论来分析。为了设计具有足够抗磨能力的机械零件和估算其磨损寿命，还必须建立适合于工程应用的磨损计算方法。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。第四章磨损机理4.1磨损概述4.1.1磨损的度量1．磨损量与磨损率衡量磨损的大小用磨损量来表示。磨损量一般用摩擦副表面被磨损的高度h、被磨损的体积V、被磨损的重量G或质量m来表示。由于磨损是一个过程，由此通常要判断材料磨损的快慢程度，常采用移动单位距离产生的磨损量来表示，称为磨损率。如果磨损过程中的移动距离为s，垂直表面的磨损高度为h，则平均单位位移的磨损厚度为，称为平均线磨损率。对于随时间变化的磨损过程，则磨损率用磨损高度对移动距离的导数来表示，即。线磨损率是一个无单位量。磨损强度（磨损率）单位行程的磨损量。磨损量h和摩擦行程L用同一单位来表示，则磨损率Ih是个无因次量比磨损率（Specificwearrate）单位载荷（N）及摩擦行程（m）的磨损体积（mm3/Nm）相对磨损率（relativewearrate）试验材料磨损率与在相同条件下的标准材料磨损率之比。为了对比不同材料的磨损特性，除了用磨损体积表示磨损的程度外，规定了以下度量单位：耐磨性:ε=1/V或相对磨损量在相同工作条件下与标准材料的磨损量相比得到的比值，或写成相对耐磨性(relativewearresistance)：εr=ε(试样)/ε(标样)磨损测量方法测量方法用零件或试件被磨去的绝对重量、体积或沿垂直于运动方向上绝对线性尺寸的缩减量作为磨损量都不便于比较。转换成磨损率，即每单位载荷乘以滑动距离的磨损质量、磨损体积或线性磨损尺寸，所用单位的种类及大小视试件的形状、尺寸、磨损的类型及所用测量方法而定磨损量测量方法：称重法测量表面轮廓尺寸的变化、压痕法、切槽法原子吸收光谱法放射同位素法测长法测量试件在试验前后法向尺寸的变化或者磨损表面与某基准面距离的变化。这种方法存在误差。直接法（称重法）：用精密分析天平称量试件在试验前后的重量变化来确定磨损量，测量精度为0.1mg（也有达0.01mg的电子天平），此法简单且精度较高，比较常用，适用于小试件且磨损过程中塑性变化不大的材料。称质量-----质量磨损小试样，10-5-10-6g体积磨损测量放射性同位素测量法在进行摩擦磨损试验前，试件需先经过放射性同位素使之带有放射性，测量磨粒的放射性计量或活化试件的放射性强度下降量，即可定量的换算出磨损量。表面活化小件活塞环------照射重量磨损磨屑大件嵌入活化小圆柱体-----测线磨损量低能量放射性同位素Co55、Co56、Co57、Fe59、Cr51磁塞法（magneticplug）在润滑系统上装有磁塞装置捕集发动机和齿轮传动单元的磨屑，监测其“健康”状况。所得的磨屑尺寸从约100μm到3－4mm。一般从润滑剂中捕集到的磨屑尺寸在1－100μm。铁谱分析磨粒磨损或犁沟作用-----磨屑具有螺旋状或卷曲状棒状磨屑来自加工刀纹上掉下来丝状磨屑灾难破坏混入了较硬的磨粒、切屑异常磨损磨粒切割磨粒磨损---表面有压坑、沟槽、条痕疲劳磨损---块状、球状、磨屑、表面裂纹、点坑、剥层（层状、粗厚磨屑）粘着磨损----划痕、回火色、锥刺、麻点、鳞尾、鳞状磨屑正常磨损的磨屑呈片状腐蚀磨损------薄膜或微粒反应生成物、磨屑呈球状光谱分析（油样分析）推断磨损部位吸收光谱、发射光谱可分析几十种元素只适用小磨屑2μm其他间接方法振动与噪声、温度、位移1磨损率1）线磨损率KldsdhshKL相对滑动距离磨损高度2）体磨损率KvdsdVsVKV相对滑动距离磨损体积3）重量线磨损率KGdsAdGsAGKaaG接触表面积相对滑动距离磨损材料重量4）质量线磨损率KmdsAdmsAmKaam接触表面积相对滑动距离磨损材料质量(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)有时为了判断材料的耐磨性大小，也可以采用耐磨性E来衡量。耐磨性为磨损率的倒数。对线磨损率来说，线耐磨性表示为：dhdsE对体积磨损率来说，体耐磨性可表示为：dVdsE对重量磨损率来说，体耐磨性可表示为：dGdsAEa(4.5)(4.6)(4.7)2．耐磨性在有些情况下，为了对比不同硬度材料的磨损量，可采用磨损常数来判定磨损大小，磨损常数K的定义：NSVHK3滑行距离法向载荷硬度磨损量式中：N为法向载荷；H为材料的硬度。(4.8)3.磨损常数将磨损分类的主要目的是为了将实际存在的各种各样的磨损现象归纳为几个基本类型，从而更好地分析磨损规律。早期人们根据摩擦的作用将磨损分为以下三大类：1．机械类由摩擦过程中表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等，其中磨粒磨损是最普遍的机械磨损形式。2．分子-机械类由于分子力作用形成表面粘着结点，再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损，这类磨损的主要形式就是粘着磨损。3．腐蚀-机械类这类磨损是由介质的化学作用或电化学作用引起表面腐蚀，而摩擦中的机械作用加速腐蚀过程，它包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。4.1.2磨损分类磨粒磨损是最普遍的磨损形式之一。磨粒磨损是由外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在相对运动过程中划伤工作表面而引起表面材料脱落的现象。在生产中因磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右，因而研究磨粒磨损有着重要的意义。1．磨粒磨损由于表面微观不平，当摩擦表面相对滑动时，实际上是微凸体之间的接触。在相对滑动和载荷的作用下，粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损。粘着磨损的特点是粘结点被剪切破坏。2．粘着磨损两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在周期性载荷的作用下，接触区产生很大的变形和应力，工作一段时间后，由于疲劳而形成裂纹和材料剥落而形成凹坑，称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。3．疲劳磨损摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表面损伤称为腐蚀磨损。常见的有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、微动磨损和气蚀等具有共同特点是：表面与周围介质的化学反应起着重要作用。需要指出：在本节中，读者需要区分腐蚀磨损和腐蚀的不同。腐蚀磨损是指一对具有相对滑动或滚动的摩擦副表面工作中产生的材料损失。腐蚀仅仅是单一部件的材料损失。4．腐蚀磨损分类磨损机理磨损常数K（范围）主要由材料的机械行为引起的磨损1．粗糙峰变形或去除10-42．犁沟导致的磨损10-43．剥层磨损10-44．粘着磨损10-45．磨料磨损10-2~10-16．微动磨损10-6~10-47．固体颗粒冲击引起的磨损主要由材料的化学行为引起的磨损1．腐蚀磨损2．氧化磨损3．扩散磨损4．表面层溶解引起的磨损5、高温下的粘着磨损表4.1磨损类型1．能量磨损率在Fleisher分析过程中，引入了能量密度的概念。它表示材料单位体积内吸收或消耗的能量。假设Ee为表面摩擦一次时材料所吸收的能量密度，Ek为每次摩擦中转化为形成磨屑的能量密度，则ekEE这里系数用以考虑并非全部吸收的能量转化为形成磨屑。如果经n次摩擦才产生磨屑，那么在磨屑产生前的（n-l）次摩擦中转化为磨损的全部能量为：Ek(n-1)。而最后一次摩擦中所吸收的能量Ee全部消耗于磨屑脱离表面。所以磨屑形成所需的全部能量密度Eb’为：]1)1(['nEEeb(4.9)4.1.3能量磨损理论式4.9给出的能量密度是根据每次摩擦吸收相同能量的条件得出的，因而是平均的能量密度。实际上各次摩擦中所吸收的能量并不相同。根据Tross的研究，磨屑的实际断裂能量密度为平均能量密度的ke倍，且ke1。于是实际的形成摩屑的能量为Eb=KE’b，所以1)1(nkEEebe如果令ER为磨损的能量密度，即磨损单位体积所消耗的能量，则hsEyR＝磨损体积摩擦功从而得RyEshdsdh(4.10)(4.11)式中：y为单位面积上的摩擦力；s为滑动距离；h为磨损厚度；dh/ds为线磨损度。由于ER是磨损单位体积所需要的能量，而Ee是摩擦一次材料单位体积所吸收的能量，需经过n次才形成磨屑，于是eRnEE考虑到接触峰点处产生变形的体积即储存能量的体积Vd比被磨掉的体积Vw大，若令,因而可得dwVVeRnEE(4.12)将式(4.10)代入式(4.12)，则得]1)1([nknEEebR由于形成磨屑需要很多次摩擦，即n1，上式可改写为：]1[nknEEebR(4.13)式(4.13)建立了摩擦次数n和磨损所需的能量密度ER与形成磨屑的能量密度Eb之间的关系。为了计算线磨损度可将式(4-12)代入式(4-11)。这样RynEdsdh(4.14)或将式(4.13)代入式(4.14)，得beynEnkdsdh]1[(4.15)以上各系数K、和都与摩擦材料的物理性质和组织结构有关，临界摩擦次数受载荷大小和材料吸收与储存能量能力的影响。此外，摩擦中能量积累能力还取决于储存体积，后者又与接触峰点的微观几何有关。Rabinowicz（1965年）从能量的观点来分析粘着磨损中磨屑的形成。他指出：磨屑的形成条件应是分离前所储存的变形能必须大于分离后新生表面的表面能。据此，Rabinowicz分析了Achard模型中半球形磨屑在塑性变形和形成粘着结点所储存的能量，得出单位体积的储存能量e为2．磨屑分离条件Epes22(4.16)式中：ps为材料产生塑性变形时的表面压应力；E为弹性模数。如果磨屑沿接触圆半径a的平面分离，分离后单位面积的表面能为，则磨屑形成条件为2232232aEpas(4.17)由弹性接触理论可知：对于金属材料而言，，其中H为硬度，所以得Hps31254HEa或2HkEa(4.18)系数K应根据磨屑的形状来确定。事实上，在摩擦过程中表面还存在其它形式的能量，因而磨屑的尺寸在未达到式(4.18)之前就已经与表面分离。所以，式(4.18)中的a值应当作为磨屑的最大尺寸，即2HkE(4.19)4.2.1磨粒磨损的形式磨粒磨损有二体和多体磨粒磨损两种形式：1．二体磨粒磨损一个磨粒相对一个固体表面运动而产生的磨损称为二体磨粒磨损（如图4.3a所示）。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，常称为冲击磨损。此时，磨粒与表面产生高应力碰撞或冲击，在表面上磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落。冲击磨损量与冲击能量有关。图4.3(a)二体磨损4.2磨粒磨损大多数的多体磨损主要是三体磨损（如图4-3b所示）。如外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，称为三体磨粒磨损。通常多体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，并往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳，而脆性金属表面则发生碎裂或剥落。图4.3(b)三体磨损对磨粒磨损机理解释主要有下面几种观点：1．微观切削认为由法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和微量切削，产生槽状磨痕。2．挤压剥落对于塑性较大的材料来说，磨料颗粒在载荷的作用下，嵌入摩擦表面而产生压痕，从表面层上挤压出剥落物。3．疲劳破坏由于磨料的颗粒作用，摩擦表面层在循环接触应力的作用下