第一章 摩擦学基础知识(磨损)

第一章摩擦学基础知识（磨损）概述：1.1定义：摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或产生残余变形的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。(1)机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面的物理变形。(2)化学作用使摩擦表面发生性状的改变。(3)热作用使摩擦的表面发生形状的改变。(4)其他作用造成各种作用的产生。1.2磨损的危害：(1)影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。(2)降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。(3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。(4)消耗材料,造成机械材料的大面积报废。1.3研究内容：(1)磨损类型及发生条件、特征和变化规律。(2)影响磨损各种因素，包括材料、表面形态、环境、滑动速度、载荷、温度等。(3)磨损的物理模型、计算及改善措施。(4)磨损的测试技术与实验分析方法。1.4磨损过程的一般规律：1.磨损过程曲线：典型磨损曲线通常由三种不同的磨损变化阶段组成。(1)磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加。出现在初始运动阶段，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。(2)稳定磨损阶段：摩擦表面磨合后达到稳定状态，磨损率保持不变。标志磨损条件保持相对稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。(3)剧烈磨损阶段：工作条件恶化，磨损量急剧增大。精度降低、间隙增大，温度升高，产生冲击、振动和噪声，最终导致零部件完全失效。非典型磨损曲线2.磨损特性曲线----浴盆曲线典型浴盆曲线1.5磨损、摩擦和润滑的关系油膜膜厚比磨损类型2.1磨损类型2.2表面破坏方式及特征破坏方式基本特征微动磨损磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常作为磨料加剧磨损。剥层破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。胶合表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。咬死黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。点蚀材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。研磨宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。凿削存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成2.3.表面破坏方式与机理对应关系粘着磨损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，此类磨损称为粘着磨损。2粘着磨损机理：在载荷的作用下，相互接触微凸体承受很高的压力，首先发生变形，部分地方发生焊接。当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑过发生转移。如撕断处在焊接的部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位，则发生物质的转移。粘着-剪断-转移-再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。3五类典型粘着磨损(1)轻微磨损:粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。(2)涂抹:粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面。(3)擦伤：粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。(5)咬死：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。4简单粘着磨损计算(Archard模型)：1.磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件。2.磨损量与载荷成正比：适用于有限载荷范围。3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比：**实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬死等情况。三条粘着磨损规律：5粘着磨损的影响因素(1)摩擦副材料：a:材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。**塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生在表层深处，磨损颗粒大。**脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。**根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。b:材料的互溶性：？相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。？异种金属或互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体金属摩擦副。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。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:材料的硬度：硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，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。e:表面粗糙度：一般情况下，降低摩擦副的表面粗糙度能提高抗粘着能力。硬度的影响(2)外部环境条件：a:润滑条件：在润滑油或润滑脂中加入油性或极压添加剂；选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降低表面温度；改善表面形貌以减少接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。b:相对滑动速度：载荷一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加，表面温度升高，表面生成的氧化膜阻止了金属间的直接接触，减少了粘着磨损。c:载荷的影响：当载荷增大到某一临界值后，粘着磨损量会急剧增加。右图是四球机磨痕直径的变化，当载荷达到一定值时，磨痕直径迅速增大，此载荷称为胶合载荷。d:表面温度：温度主要导致摩擦表面：(1)表面性质发生变化：如硬化、相变或软化。(2)表面膜变化：破坏表面膜，导致氧化膜或其它形式化合物膜形成。(3)润滑剂的性质发生变化：油膜氧化或热降解，油膜离析，分子链位向消失。一般情况下，温度升高，材料硬度下降，在不考虑其它因素的作用时，摩擦表面容易产生粘着磨损。磨粒磨损1定义:摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。2磨料磨损分类及其磨损特征：分类类型特征实例磨料固定形态自由磨损磨粒自由松散，可以在表面滑动或滚动，磨粒之间也有相对运动。刮板、输送机溜槽固定磨损磨料固定，在磨损表面作相对滑动，磨料可以是小颗粒，也可以是很大的整体颗粒。采煤机截齿、挖掘机斗齿接触表面两体磨损硬磨料或硬表面微凸体与一个摩擦表面对磨的磨损犁铧、水轮机轮叶三体磨损磨粒介于两摩擦表面之间，并在两表面间滑动齿轮、滑动轴承间力的作用特点划伤磨损磨料的作用应力低于其压溃强度，材料表面被轻微划伤犁铧、输送机溜槽碾压磨损磨料与表面接触最大压应力大于磨料的压溃强度破碎滚筒球蘑机球凿削磨损磨料对表面有高应力冲击运动，材料表面被凿削颚式破碎机齿板相对硬度硬料磨损磨料硬度大于材料硬度石英-钢材软料磨损磨料硬度低于材料硬度矿石-钢磨料特性干磨损磨料是干燥的球磨机干磨湿料磨损磨料含水分，加速磨损球磨机湿磨流体磨损气或液体带磨料冲刷表面泥浆泵等工作环境一般磨损正常条件下的磨料磨损各类机械腐蚀磨损腐蚀介质中的磨料磨损化工机械等热料磨损高温工作下的磨料磨损沸腾炉等3磨粒磨损机理(1)微观切削：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、犁皱和切削，产生槽状磨痕。(2)挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状剥落碎屑。(3)疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。4磨粒磨损简化模型计算：简单的计算方法根据微观切削机理得出，即拉宾诺维奇(Rabinowicz)模型:假定单颗磨粒形状为圆锥体，半角为θ，载荷为W，压入深度h，滑动距离为S，屈服极限σs。5影响磨粒磨损的因素：(1)硬度因素：磨料硬度H0与试件硬度H比值:当磨料硬度低于试件硬度,即H0＜(0.7~1)H不产生磨料磨损或产生轻微磨损。当磨料硬度超过试件硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。若磨料硬度很高将产生严重磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当H＞1.3H0时只发生轻微的磨料磨损。（2）磨粒尺寸：一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大约为80μm。磨粒尺寸影响（3）载荷的影响：磨损率与压力成正比，但有一转折点，当压力达到或超过临界压力时，磨损率随压力的增加变的平缓。载荷冲蚀磨损1.定义：流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。2.冲蚀磨损理论：（1）塑性材料切削理论:芬尼于1958年首次提出塑性材料切削理论。认为磨粒如同一把微型刀具，当划过材料表面时，把材料表面切除而产生的磨损。理论分析材料的磨损体积为：V=Kmv2f(α)/P其中V—材料的磨损体积，m—冲蚀磨粒的质量v—磨粒的冲蚀速度α—磨粒的冲击角P—材料的流动应力K—常数**可以看到，材料的磨损体积与磨粒的质量和速度成正比，与材料的流动应力成反比，并与冲击角有一定的关系。研究结果表明，对于塑性材料、多角形磨粒、小冲击角的冲蚀磨损，该模型非常适用。否则，则存在偏差。（2）脆性材料的断裂理论：脆性材料在磨粒冲蚀下不产生变形，主要以断裂破坏的形式产生磨损。当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲击角的增大而增加，冲击角为90度时，磨损量最大。（3）变形磨损理论：比特1963年提出：该理论把冲蚀磨损分为变形磨损和切削磨损。认为90度冲角下的冲蚀磨损与粒子冲击靶材的变形有关，1972年，谢尔登和凯希尔利用单颗粒冲蚀磨损实验证实。（4）薄片剥落理论：莱维等人提出：认为冲蚀磨损时，形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该表面由于绝热剪切变形而被加热到金属的退火温度，于是形成了一个软的表面层，其下面有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区，该区的形成对表面层薄片的形成有促进作用，在反复的冲击和挤压变形作用下，材料表面形成薄片而剥落。3.影响冲蚀磨损的主要因素（1）冲击粒子的特性：硬度：磨损量是硬度的函数。形状：同样条件下，尖角磨粒比球形磨粒产生更大的冲蚀磨损。尺寸：尺寸小，影响不大，随尺寸增加，磨损增大，尺寸到一定值时，磨损几乎不再增大。（2）冲蚀速度：速度对磨损的影响很大，因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接关系。研究表明，磨损量与磨粒速度有下列关系：W=K•νnn速度指数，一般为2~3，塑性材料波动小，取2.3~2.4，脆性材料波动较大，取2.2~6.5。（3）冲击角：主要与靶材料有关。塑性材料的磨损开始随冲击角的增加而增加，当冲击角为20~30度时，磨损量最大，然后随冲击角继续增大而减小。脆性材料随冲击角的增大，磨损量不断增大，当冲击角为90度时，磨损率最大。（4）靶材料的影响：材料硬度：越高越好材料加工硬化：加工硬化能提高材料低角度冲蚀磨损的耐磨性能，但降低大角度冲蚀磨损的耐磨性能。材料的组织特征：该方面研究很缺乏，相互存在矛盾的结果。疲劳磨损1.定义：摩擦接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。有两种基本类型，即宏观和微观疲劳磨损。2.宏观疲劳磨损：两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，材料疲劳而发生脱落的现象。**如齿轮、滚动轴承。(1)破坏形式：表面出现深浅不同的斑状凹坑。凹坑小而深的，磨屑呈扇形颗粒，称点蚀(Pitting)。凹坑大而浅的，磨屑呈片状，为剥落(Spalling)。(2)产生原因：由