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材料性能学摩擦·磨损报告人:王文龙材料性能学前言任何机器运转时,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。材料性能学近二三十年国外把摩擦、润滑和磨损,构成了一门独立的边缘学科叫摩擦学。但从材料学科特别是从材料的工程应用来看,人们更重视研究材料的磨损。据不完全统计,世界能源的1/3~1/2消耗于摩擦,而机械零件80%失效原因是磨损。材料性能学摩擦学的发展历史世界上对摩擦学进行较早研究的当数LeonardodaVinci,他在1470年首先认识到摩擦力与载荷成正比而与名义接触面积无关。1785年Coulomb用机械啮合概念解释干摩擦,提出了摩擦理论。1886年Reynolds建立了流体动力润滑基本方程式。1939年,克拉盖尔斯基提出了摩擦的分子-机械学说。1956年Bowden和Tabor提出了粘着摩擦理论。摩擦、磨损与润滑过程都发生在表面与界面,进入本世纪60年代,随着现代工业的发展及表面科学的迅速崛起,推动了润滑及材料磨损的研究,尤其极大地促进了摩擦化学的发展。材料性能学80年代以来,摩擦学已从传统的机械学和力学转向新型润滑与防护材料、磨损及摩擦化学与物理的研究。美国机械工程学会的调查报告认为,材料摩擦学的研究是摩擦学中的常青树。摩擦、磨损和润滑的研究涉及材料、化学、机械、物理和力学等多个领域;这些研究对于提高机械设备的可靠性,提高工作效率和产品质量,发展高技术及国家安全领域用润滑防护材料和技术具有重要意义。材料性能学20世纪初期的铁路、公路交通工具的发展促进了轴承、齿轮、活塞环等技术的进步,尤其是汽车工业极大地促进了以Babbitt合金及Cu-Pb合金为主的滑动轴承的发展。在1930年前后Reynolds润滑理论、滚动轴承理论等趋于完善;同时汽车工业的发展促进了润滑剂及润滑添加剂技术的进步。在20世纪中叶,弹性流体润滑开始为人们所认识,并在60~80年代达到近乎完善的程度。材料性能学20世纪航空、航天、核工业的发展促进了固体润滑的研究,以MoS2、石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、聚合物、氧化物为代表的固体润滑材料获得了广泛的使用。同时基于对设备可靠性的考虑,摩擦磨损运行工况检测技术,如铁谱等日益受到人们的重视。60年代末开始,以人工关节为代表的生物摩擦学发展成为备受人们关注的摩擦学分支领域。80年代及90年代,摩擦化学、陶瓷摩擦学、摩擦学表面工程等领域获得了飞速发展;而计算机工业、微型机械的发展及纳米技术的出现推动了微观摩擦学(纳米摩擦学)的研究。材料性能学第一节磨损的基本概念和类型一、摩擦及磨损的概念1摩擦两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下,发生相对运动,或者具有相对运动的趋势时,在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。材料性能学摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向,跟物体相对运动方向相反,阻碍物体间的相对运动。摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称为摩擦系数,以μ表示μ=F/P。材料性能学按照两接触面运动方式的不同,可以将摩擦分为:①滑动摩擦:指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。②滚动摩擦:指的是物体在力矩作用下,沿接触表面滚动时的摩擦。摩擦的作用:增加材料损耗,提高了工作温度,降低机械效率生产中通常减少摩擦和磨损材料性能学金属摩擦副的滑动摩擦:干摩擦—最不利边界摩擦—最低要求流体摩擦混合摩擦塑性变形边界膜弹性变形液体塑性变形边界膜弹性变形液体塑性变形边界膜弹性变形液体塑性变形边界膜弹性变形液体材料性能学干摩擦:产生较大的摩擦功耗及严重的磨损,严禁出现。液体摩擦:被油膜(油膜厚度一般在1.5—2μm以上)隔开的摩擦。边界摩擦:两摩擦表面被吸附在表面的边界膜(油膜厚度小于1μm)隔开,使其处于干摩擦与液体摩擦之间的状态。材料性能学干摩擦摩擦理论:库仑公式nfFfF新理论:分子—机械理论、能量理论、粘着理论简单粘着理论:BsynBrfFAFsyBnfFFfbaFnAri材料性能学2磨损定义:摩擦作用下相对运动的物体表面逐渐分离出磨屑而造成损伤的过程磨损的特征:(1)磨屑形成是材料便面变形和断裂的结果,因此静强度理论和变形规律也可以适用(2)磨损是动态的过程,是材料表面反复变形和断裂的过程(材料的表层经过每次循环后回到初始的状态)材料性能学(3)常规力学性能试验不能反映磨损的性能(4)磨损过程中出现物理、化学变化(形变硬化和应力分布的改变、摩擦热导致的相变等)二、磨损及磨损的类型按环境和介质可分为:流体磨损;湿磨损;干磨损。按表面接触性质可分为:金属--流体磨损;金属--金属磨损;金属--磨料磨损。目前常用的分类方法则是基于磨损的失效机制进行分类:①粘着磨损;②磨料磨损;③腐蚀磨损;④微动磨损;⑤接触疲劳材料性能学磨损过程试样表面粗糙的峰接触,实际接触面积小,磨损较大,随着跑合的进行,实际接触面积增加磨损恒定,工件的服役阶段磨损间隙加大,磨耗严重,工件表面质量差,振动严重材料性能学材料性能学第二节磨损过程一粘着磨损概念1定义粘着磨损又称擦伤,咬合磨损。出现条件:相对滑动速度小,接触面氧化膜脆弱,润滑条件差,接触应力大。材料性能学2粘着磨损模型由于摩擦热使局部达到很高温度,并使某些位置焊合起来。这种焊接叫显微焊接或冷焊。材料性能学材料性能学辗轧平滑区特征微裂纹特征材料性能学粘着磨损的形式:(1)粘着点的结合强度两侧金属,分离发生在低强度材料上,使得硬材料表面粗活现微小凸起,软材料表面出现凹坑,摩擦表面粗糙,容易产生咬死(2)粘着点强度两侧金属,分离发生在的接触面上,磨损小,摩擦面较平,形成轻微擦伤。材料性能学3阿查德估算模型公式表明:粘着磨损所造成的体积磨损量和载荷及滑动距离成正比,与材料的硬度成反比。式中K称为粘着磨损系数,决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力不超过钢的硬度的1/3时,实验证明这一公式所表示的规律是正确的。材料性能学压力超过钢的屈服强度时,K值急剧增大,磨损也急剧增大,结果造成大面积的焊合和咬死。此时整个表面发生塑性变形,接触面积不再与载荷成正比。材料性能学4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。材料性能学(3)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。(4)改善润滑条件,如在润滑油中添加极压剂。(5)粘着磨损严重时表现为胶合。材料性能学举例(1)内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦副,如不考虑燃气介质的腐蚀性,主要表现为粘着磨损。(2)正常情况下轴在滑动轴承中运转,是一流体润滑情况,轴颈和轴承间被一楔形油膜隔开,这时其摩擦和磨损是很小的。但当机器启动或停车,换向以及载荷运转不稳定时,或者润滑条件不好,几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时,处于边界摩擦或干摩擦的工作状态,这时轴承就要考虑粘着磨损。材料性能学磨料磨损是指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中,使材料表面发生磨耗的现象。这种磨粒或凸出物一般指石英,砂土,矿石等非金属磨料,也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦面而形成的磨粒。磨粒磨损类型:两体磨损,三体磨损凿削式磨损,高应力碾碎式,低应力擦伤式。二、磨料磨损材料性能学(a)锐利棱角磨粒的犁削(b)材料表面切削形貌材料性能学(c)棱角不锐利磨粒的切削(d)磨屑表面形貌材料性能学(1)低应力划伤式的磨料磨损特点:磨料对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。生产中的犁铧,及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。(2)高应力辗碎式的磨料磨损特点: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。生产中球磨机衬板与磨球,破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。材料性能学(3)凿削式磨料磨损特点: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齿板。(4)以磨损接触物体的表面分类两体磨损: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。材料性能学三体磨损: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。材料性能学磨粒磨损机理(1)微观切削磨损机理(2)多次塑变导致断裂的磨损机理(3)微观断裂磨损机理材料性能学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材料性能学三、接触疲劳接触疲劳也称表面疲劳磨损,是指滚动轴承、齿轮等类零件,在表面接触压应力长期反复作用下所引起的一种表面疲劳现象。1接触疲劳现象和特征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。材料性能学分类:点蚀,浅层剥落渗层剥落接触疲劳过程:疲劳裂纹的形成;疲劳裂纹的扩展材料性能学2接触应力的概念相互接触的物体在局部便面产生的压应力成为接触应力,又成为赫兹应力,分为线接触和点接触类型。(1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触)材料性能学材料性能学(2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承)u0.2,综合切应力移至表面,裂纹在表面形成点接触的应力分布材料性能学(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。接触疲劳破坏分为点蚀、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。3接触疲劳类型和损伤过程材料性能学(2)浅层剥落其剥落深度一般为0.2-0.4mm。材料性能学(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。材料性能学接触疲劳裂纹的形成式接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。(接触综合切应力与载荷,接触表面,表面缺陷,内部缺陷等因素有关)切应力/剪切强度0.55,深层剥落切应力/剪切强度0.50-0.55,浅层+点蚀切应力/剪切强度0.55,点蚀材料性能学马氏体含碳量未溶碳化物的影响硬度残余奥氏体的影响4影响接触疲劳抗力的因素(1)材料的冶金质量(2)热处理和组织状态材料性能学四微动磨损1现象微动磨损通常发生在一对紧配合的零件,如压配合的轴颈,汽轮机及压气机叶片配合处,销钉或螺栓联接零件等。这些原来是配合紧密的零件,但在载荷和一定的振动频率作用下,较长时间后会产生松动,这种松动只是微米级的相对滑动,而微小的相对滑动导致了接触金属间的粘着,随后是粘着点的剪切,粘着物脱落。材料性能学在大气环境下这些脱落物被氧化成氧化物磨屑。由于两摩擦表面的紧密配合,磨屑不易排出,这些磨屑起着磨料的作用,加速了微动磨损的过程。微动磨损的主要特征是表面形成凹坑或麻点,并在摩擦表面上伴随着带棕褐色或黑色的斑点,这些是集结的氧化物,常布满在表面的凹坑或麻点中。材料性能学从以上产生微动磨损的原因分析中可以看出,微动磨损不是一单独的磨损型式,而是粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损,甚至还包含着腐蚀作用引起的磨损和交变载荷作用的疲劳磨损。微动磨损是几种磨损型式的复合。主要磨损形式为主,要视具体情况而定。微动磨损量与材料性质、滑动振幅和施加载荷有关材料性能学材料性能学措施:(1)表层产生压应力,能有效地提高微动磨损与疲劳的抗力。如滚压、喷丸和表面化学热处理。(2)材料:选择抗粘着磨损能力大的,其抗微动磨损的能力也较强;(3)硬度高的材料具有良好的抗微动磨损性能,但微动疲劳性能就较差。材料性能学(4)设计上可采用垫衬改变接触面的性质,减少微动磨损和微动疲劳。如蒸汽锤锤杆和锤头配合处插入软铜片作垫衬,收到良好的效果;对压
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