7-材料磨损与耐磨材料(第3章粘着磨损)4详解

1第一篇材料磨损基础Chapter1:材料的磨损Chapter2:固体表面结构与接触特性Chapter3:材料的磨损机理2Chapter3:材料的磨损机理图(a)属粘着磨损，主要特征是磨损表面有细的划痕，严重时有材料转移现象．磨损产物多为片状或小颗粒，一般发生在蜗轮与蜗杆以及缸套与活塞环之间的磨损。磨损按不同机理和条件，主要分为四大基本类型，如下图所示：3Chapter3:材料的磨损机理图(b)为磨粒磨损，主要特征是磨损表面有明显的划痕或犁沟，磨损物为条状或切屑状，常见于农用犁铧、斗齿等。4Chapter3:材料的磨损机理图(c)是接触疲劳磨损，主要特征为磨损表面有裂纹、小坑等，磨损产物为块状或饼状，通常在滚动轴承、齿轮的表面发生较普遍。5Chapter3:材料的磨损机理图(d)为腐蚀磨损。它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点，但麻点比较光滑。磨损物为簿的碎片或粉末，典型工件如船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。6Chapter3:材料的磨损机理§3.1粘着磨损§3.2磨粒磨损§3.3腐蚀磨损§3.4疲劳磨损§3.5冲蚀磨损§3.6微动磨损7§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素8§3.1.1粘着磨损的概念粘着磨损的过程描述：两相对滑动的表面在摩擦力作用下→表层发生塑变→表面的污染膜、氧化膜破裂→新鲜金属表面裸露→分子力使两表面焊合。①若外力克服不了焊合点及其附近的结合力咬合现象9§3.1.1粘着磨损的概念②若外力大于这种结合力，外力使结合处发生剪切断裂：a)剪切发生在原接触面：不发生磨损，即“零磨损”；b)剪切发生在强度较低的金属一方：强度较高的材料表面将粘附对摩件金属，发生“金属转移”，即发生”物质转移”。在以后的摩擦过程中，附着物碾转于对磨件的表面之间，有些粘附物在反复的摩擦中可能由金属表面脱落下来→磨屑。10§3.1.1粘着磨损的概念粘着磨损也称咬合(胶合)磨损。磨损产物通常呈小颗粒状，从一物体表面粘附到另一个物体表面上，然后在继续的摩擦过程中，表面层发生断裂，有时还发生反粘附．即被粘附到另一个表面上的材料又回到原来的表面上，这种粘附反粘附往往使材料以自由磨屑状脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成。粘着以后的断裂分离，并不一定在最初的接触表面产生。11§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素12§3.1.2粘着磨损一般规律粘着磨损过程一般分为三个阶段：(1)跑合阶段亦称磨合阶段(磨合磨损阶段)；(2)稳定磨损阶段；(3)急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段。如下图所示：13§3.1.2粘着磨损一般规律(1)跑合阶段亦称磨合阶段(磨合磨损)：由于物体实际表面在微观上都是粗糙不平的，所以两固体表面的接触实际只是表面上微凸体的相互接触。当接触表面开始相对滑动时，接触与焊合的那些高微凸体将首先由于剪切而导致破坏。随着磨损过程的进行．摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积增大，相应的磨损量Q，开始时增加很快，然后逐渐变慢，见图oa段。随时间T的增加或行程的增长，磨损率下降。14§3.1.2粘着磨损一般规律(2)稳定磨损阶段经过跑合，表面微观几何形状改变，接触面积增大，同时，摩擦表面加工硬化，从而建立了弹性接触条件，这时磨损已趋于稳定，磨损量Q与时间T成正比(见图ab段)，磨损率基本保持不变。15§3.1.2粘着磨损一般规律(3)急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段见图b点以后，由于温度急剧升高或表面金属组织发生变化等原因，磨损速度急剧增加，磨损量Q剧增，工作条件恶化，机械效率降低，精度降低，出现异常的噪音与振动，最后导致零件完全失效。16§3.1.2粘着磨损一般规律从磨屑脱落的角度分析，下图表示粘着磨损的发展过程：图(a)为被磨表面的原始状态，表面粗糙不平，存在由于加工形成的各种缺陷。17§3.1.2粘着磨损一般规律图(b)表示两个摩擦表面相对滑动时，由于摩擦力的作用，在表层产生塑性流动(实线表示)，表层的缺陷不断扩展。表面接触部位发生金属间的粘着。18§3.1.2粘着磨损一般规律图(c)表示表面层内的裂缝扩展到表面，金属从表面撕裂下来，形成磨粒。一些金属粘着在另一个金属表面。图(d)是磨损后形成的新表面。19§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素20§3.1.3粘着磨损分类1.按工作温度可分为低温粘着磨损和高温粘着磨损两类：（1）低温粘着磨损．按发生在摩擦面间的相对滑动速度不大(0.5m/s～0.6m/s)，表面温度不高(100—150℃)，表面间压强很高时，相互接触的微峰之间发生冷焊的粘结点。粘着点由于塑性流动产生明显的硬化，因而粘着点的强度大于摩擦副中较软金属的强度。在相对滑动时，软的金属可能从基体上脱落下来。这种粘着磨损，表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化学成分的变化，见图1.3-4(a)，图1.3-5(d)，(e)所示。21§3.1.3粘着磨损分类22§3.1.3粘着磨损分类（2）高温粘着磨损高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大，表面压力很高的条件下，这时微峰接触点上的瞬时温度很高。仅仅在表面的很薄一层金属发生软化，被软化的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上，沿着滑动方向形成交替的裂口、凹穴。表层的金相组织和化学成分均有明显变化。高温粘着磨损的磨屑呈薄带形．其厚度小于低温磨损的磨屑。见图1.3-4(b)，图1.3-5(a)，(b)，(c)23§3.1.3粘着磨损分类24§3.1.3粘着磨损分类2.粘着磨损使摩擦副表面形貌发生变化，从光学显微镜下可看到表面擦伤、材料转移、咬死焊点和疲劳点蚀等磨损形态。根据表面磨损程度可划分为5类粘着磨损：(1)轻微磨损：剪切破坏发生在粘着结合面上表面转移的材料较轻微。原因：粘着结合强度比摩擦副的两基本金属抗剪强度都弱。25§3.1.3粘着磨损分类(2)涂抹(smear)剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内，软金属涂抹在硬金属表面上形成轻微磨损。如铅基合金涂抹在钢的表面上。原因：粘着结合强度大于较软金属的抗剪强度，但小于较硬金属的抗剪强度。正压力磨损（3）擦伤(scratch/scotching)剪切发生在软金属的亚表层内，有时硬金属表面也有划伤。如铝对钢的摩擦。擦伤时接触表面的剪切强度既大于软金属，也大于硬金属。转移到金属表面的粘着物对软金属有“犁削”作用。26§3.1.3粘着磨损分类（4）咬卡（咬死,seizure）当外力不能克服界面结合强度时，摩擦副的相对运动被迫停止。这种现象叫做咬卡或咬死。粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高，而且粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。（5）粘焊（也称胶合,scuffing/scoring）——实质是固相的焊合；塑性变形为主要起因的分子吸引造成的粘焊，这种冷焊称第一类胶合。由于摩擦热，接触表面温度升高为主要原因引起的粘焊，这种热焊称为热粘着或第二类胶合。27§3.1.3粘着磨损分类第一类胶合的相关因素：材料性能（表面物性、表面化性、表面力性）；e.g.强度、塑性、韧性、氧化性等相对运动速度和运动方式；载荷大小和加载方式；周围环境条件（介质、温度等）。例如：用30CrMnSiA钢制成飞机起落架的轴颈和轴承，热处理后表面硬度HRC34-39。相对滑动速度0.04-0.08m/s，最大载荷12N。轴颈和轴承表面发生胶合，由于塑性变形，表层形成一定深度形变硬化层。摩擦副双方都发生撕裂现象，并产生金属磨屑，可能粘附在表面，受反复碾压。有的颗粒保留在摩擦副之间，有的在摩擦过程中剥落。28§3.1.3粘着磨损分类在金属表层的一定深度发生明显塑性流变。流线沿摩擦方向排列，形成一定程度的织构。用X射线方法对胶合表层金属的应力进行分析：摩擦副双方的内应力均显著增加，但没有发生任何相变。用光谱法分析轴颈表面成分：没有明显的成分变化。例如：航空发动机的调速轴（12CrNi3A钢，HRC55）和它的壳体（铸铝合金，HB76）承受第一类胶合磨损。轴在壳体内平稳转动时，铝合金表面发生磨损，表面变得粗糙，发生明显失重。磨屑粘附在强度较大的钢轴表面，钢轴表面发生塑性变形和加工硬化。29§3.1.3粘着磨损分类第一类胶合磨损特征：破坏主要发生在软金属一方；摩擦副双方都发生撕裂现象，并产生金属磨屑磨损表面粗糙金属表层有明显塑性流变第一类胶合特点：相对滑动速度不高（～0.5m/s）；表层温度较低（～100℃）存在金属转移；磨损表面有未氧化的金属颗粒；无相变和成分变化；严重塑变，表层应力状态变化大，有时有织构；润滑有明显影响。30§3.1.3粘着磨损分类在某些条件下，发生胶合的表面也伴随氧化磨损发生。氧化磨损(即氧化膜形成)可阻止胶合的发展。但是如载荷等加重，则胶合磨损将加剧。表面层硬度增高，可防止第一类胶合发生与发展，只有在很大载荷下才能产生胶合现象。润滑状态对第一类胶合有明显影响。润滑膜的存在对胶合的发生和发展是强有力的阻碍因素。表面的液体润滑膜、固体润滑膜（氧化膜、硫化膜）等都可减轻或避免胶合发生。在宇航条件下高真空环境和地球表面不同，没有空气、氧气、二氧化碳和水汽，因此摩擦副表面不能形成具有润滑作用的氧化膜。31§3.1.3粘着磨损分类第二类胶合特点：与摩擦温升有重要关系。摩擦热取决于：外部条件：e.g.接触压力、滑动速度等材料性质：e.g.热容、导热性等服役和试验条件：如散热条件、润滑情况等只有当表面摩擦温度超过相变临界点时。才产生第二类胶合。明显标志是相变引起的白亮层。试验证明白（亮）层是摩擦热引起的重结晶产物，其中含有一定数量的“摩擦奥氏体”和“摩擦马氏体”，而这些组织在试验前的材料中可能完全没有。32§3.1.3粘着磨损分类由于摩擦表面温度很高，软化作用可能很明显。但动态分析该问题可能出现不同结果。例如，摩擦表面温升高，持续时间长，钢表面温度超过临界点，奥氏体化较为充分，在高速滑动条件下表面出现大量残余奥氏体，表面软化效果可能保持，试验后表层材料硬度就较低。但如奥氏体稳定性不大，发生γ→α相变，由于冷却速度很快，很容易得到马氏体。表面硬度没有软化反而变硬。因此摩擦磨损的动态特性研究十分重要。33§3.1.3粘着磨损分类例如：12Cr2Ni4A渗碳齿轮与铅锡青铜轴套构成摩擦副。相对滑动速度高达4.6m／s，局部压力500MPa。在恶劣服役条件下，表层金属因胶合被加热，齿轮表面金属熔化，并粘附在对磨件表面。由于表面温度高，齿轮表面发生明显相变，由原来α相变成γ相。因此，金属材料发生第二类胶合，耐磨性与试验前的组织与性能关系不大。由于摩擦表面温度超过临界点，原来组织已发生变化。（用试验前材料的硬度、强度等性能作为耐磨性判据不合适）。与第一类胶合不同，润滑状态(尤其是有机润滑剂．容易分解和挥发的润滑剂)对第二类胶合作用不大。34§3.1粘着磨损§3.1.1粘着磨损的概念§3.1.2粘着磨损一般规律§3.1.3粘着磨损分类§3.1.4粘着磨损表达式与定律§3.1.5影响粘着磨损的因素35§3.1.4粘着磨损表达式与定律粘着磨损的基本原理：固体表面的作用力：短程力：金属键、共价键、离子键2块纯金接触:金属键纯净金刚石接触:近似共价键2块岩盐接触:离子键长程力：范德华力橡胶等高分子材料表面（1）长程力的产生：两物体的分子或原子中电荷分布的涨落引起。电荷涨落形成瞬时的偶极子（磨损过程中因相对运动，偶极子时隐时现，在相邻的原子或分子中诱发出偶极子）36§3.1.4粘着磨损表达式与定律两表面间的范德华力：F：粘着力h＝k/2π（h是普郎克常数）c：光速Z0：表面间距两表