第三章-磨损及磨损理论

第三章磨损及磨损理论一、概述1、磨损定义：相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。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。2、磨损研究的主要内容：(1)主要磨损类型的发生条件、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;(5)磨损研究的测试技术与实验分析方法。3、磨损过程零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段：Ⅰ：跑合（磨合）阶段；Ⅱ：稳定磨损阶段；Ⅲ：剧烈磨损阶段Ⅰ：跑合（磨合）阶段出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减慢，如图所示。Ⅱ稳定磨损阶段：出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图所示，磨损量随时间增大缓慢增大。Ⅲ剧烈磨损阶段：当材料磨损量达到一定数值时，摩擦条件发生较大的变化，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。**从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的使用寿命，应尽量延长“稳定磨损阶段”。二、磨损的分类1、粘着磨损(1)定义当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应所形成的结点发生剪切断裂，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损；法向力和切向力共同作用的结果。(2)粘着磨损机理在一定的法向载荷作用下，微凸体接触，发生塑性变形，产生粘着；在相对滑动过程中，剪切粘着点，材料就会从一个表面转移到另外一表面，形成磨损；**接触-塑性变形-粘着-剪断粘着点-材料转移-再粘着，循环不断进行，构成粘着磨损过程。一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒；再形成新的粘着点。(3)粘着磨损的分类根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有几种不同的形式，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剪切强度低；剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微；摩擦系数增大，但磨损量很小；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。b.涂抹粘着强度大于摩擦副中较软金属的剪切强度，小于较硬金属的剪切强度；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；摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。c.擦伤粘着强度比摩擦副的两基体金属的剪切强度都高；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，所以擦伤主要发生在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。d.咬合（胶合）粘着强度比两金属基体的剪切强度高得多；粘着点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方，发生严重磨损，剪切应力高于粘着结合力；剪切应力低于粘着结合力，摩擦副之间咬死不能滑动。高速重载下，微凸体塑性变形大，温度高，粘着点的强度和面积大，通常产生胶合磨损。***这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。(4)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的材料，摩擦副另一方为较软的材料；法向载荷W由n个半径为a的相同微凸体承受。则当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限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(即体积磨损率，通常用于判断材料磨损的快慢程度)为:(2)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：(3)(4)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③材料磨损量与较软材料的屈服极限σs(或硬度H)成反比由于对于弹性材料σs≈H/3，H为布氏硬度值，则式(4)可变为：式中K为粘着磨损系数由(1)和(2)式，可得：纵坐标为K/H，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。压力值小于H/3（σs），磨损率小而且保持不变(即K保持常数-磨损量与压力成正比)；压力值为H/3，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响；压力值超过H/3，磨损量急剧增大(K值急剧增大)，高的载荷作用下，整个表面变成塑性流动区，发生大面积的粘着焊连，出现剧烈的粘着磨损。式中的K代表微凸体中产生磨粒的概率，即粘着磨损系数。K值必须按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件求得。右表给出了不同工况和摩擦副配对时的磨损系数K值。(5)粘着磨损的影响因素①摩擦副材料性质的影响a.脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主，发生在表层深处，磨损颗粒大。脆性材料粘着点的破坏主要是剥落，发生在表层浅处，磨损颗粒小，呈磨屑状，磨屑容易脱落,不堆积在表面上。b.相同金属或冶金相溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。异种金属或冶金相溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异种金属摩擦副。应避免使用同种金属或冶金相溶性大的金属组成摩擦副。冶金的相(互)溶性：两种金属能在固态互相溶解的性能。摩擦的相(互)溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能。一般，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。c.材料的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。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。d.元素周期表中的B族元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、铋与铁的冶金相容性差，抗粘着磨损性能好。而铁与A族元素组成的摩擦副粘着倾向大。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，因为表面接触应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。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。设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。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，当摩擦速度很低时，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，金属的直接接触，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，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。③速度的影响图(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。载荷小产生氧化磨损,磨屑主要是Fe2O3；当载荷达到W0后,磨屑是FeO、Fe2O3和Fe3O4的混合物。载荷超过临界载荷Wc以后,便转入危害性的粘着磨损。④表面温度的影响表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达到临界值(约80℃)时,磨损量和摩擦系数都急剧增加。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。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。2、磨粒(磨粒)磨损(1)定义外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象,称为磨粒磨损。例如：掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板、机床导轨面等的磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损。(2)磨粒磨损分类及其磨损特征①按摩擦表面的数目分为:两体磨粒磨损和三体磨粒磨损a.二体磨粒磨损：磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损。磨粒运动方向与固体表面接近平行,磨粒与表面接触处的应力较低,表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，磨粒与表面产生高应力碰撞,在表面上磨出较深的沟槽,并有大颗粒材料从表面脱落。b.三体磨粒磨损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。通常三体磨损的磨粒与表面产生极高的接触应力,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脆裂或剥落。a.凿削式磨粒磨损特征：冲击力大-磨粒以很大的冲击力切入金属表面，工件受到很高的应力，造成表面宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下金属大颗粒，在被磨损表面有较深的沟槽和压痕。②按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分:凿削式磨粒磨损、高应力碾碎式磨粒磨损和低应力擦伤式磨粒磨损。b.高应力碾碎式磨粒磨损特点：应力高-当磨粒夹在两摩擦表面之间，局部产生很高的接触应力。磨粒所受的应力超过磨粒的压碎强度，磨粒不断被碾碎，被碾碎的磨粒颗粒呈多角形，擦伤金属，在摩擦表面留下沟槽和凹坑。c.低应力擦伤式磨粒磨损特征：应力低-磨粒作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。磨粒仅擦伤表面，表面有微小的切削痕迹。(3)磨粒磨损机理①微观切削假说：磨粒对表面产生切削作用。②压痕破坏假说(擦痕假说)：磨粒压入表面产生压痕，滑动时使表面产生严重的塑性变形，压痕两侧材料受到损伤。③疲劳破坏假说：磨粒在表面产生交变应力。(4)磨粒磨损模型：简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出，下图为磨粒磨损模型。可以将磨粒看做是具有锥形的硬质颗粒在软材料上滑动，犁出一条沟。假设磨粒为形状相同的圆锥体，半角为θ，锥底直径为2r(即犁出的沟槽宽度)，载荷为W，压入深度h，滑动距离为L，屈服极限σs。垂直方向的投影面积为πr2，滑动时只有半个锥面承受载荷，共有n个微凸体，则所受的法向载荷为：犁去的体积作为磨损量，单位滑动距离的磨损量(磨损率)为Q0=nhr,因为r=htanθ，因此：(1)如果考虑到微凸体相互作用产生磨粒的概率数K和滑动距离L，并且代人材料的硬度H=3σs，则接触表面的磨损量表达式为：式中Ks为磨粒磨损系数，是几何因素2/tanθ和概率常数K的乘积，Ks与磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量等因素有关。***应当指出，上述分析忽略了许多实际因素，例如磨粒的分布情况、材料弹性变形和滑动前方材料堆积产生的接触面积变化等等。式(2)近似地适用于二体磨粒磨损。在三体磨损中，一部分磨粒的运动是沿表面滚动，它们不产生切削作用，因此Ks值明显减小。由公式(2)可看出:粘着磨损定律也同样适用于磨粒磨损。(2)相对耐磨度ε：标准试样磨损量和被评价试验试样磨损量之比，其值越大，材料耐磨性越好。①材料硬度的影响：(5)影响磨粒磨损的因素：如图(a)所示，磨粒磨损时，对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比。•图(b)是正常淬火后，不同温度回火的几种钢的磨粒磨损试验结果。淬火回火钢的耐磨性随着硬度的增加而增大，但是与退火钢相比，耐磨性的增大速度缓慢些，即用淬火回火方法提高耐磨性效果不明显。相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越强。冷