材料力學(xué)性能金屬磨損和接觸疲勞 材料力學(xué)性能 講義PPT課件

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1、4/20/20221 磨損是降低機(jī)器和工具效率、精確度甚至報廢的原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨損消耗能源的三分之一到二分之一，大約80%的機(jī)件失效是磨損引起的。 因此，研究磨損規(guī)律，提高機(jī)件的耐磨性，對節(jié)約能源、減少材料消耗、延長機(jī)件壽命具有重要意義。 本章重點討論機(jī)件中常見的磨損形式，介紹其機(jī)理和影響磨損速率的因素，并從材料學(xué)角度研究控制磨損的途徑。第1頁/共50頁4/20/20222第一節(jié) 磨損概念 一、磨損 定義：機(jī)件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失，導(dǎo)致機(jī)件尺寸變化和質(zhì)量損失，造成表面損傷的現(xiàn)象。 磨損的影響因素：

2、 摩擦副材料、潤滑條件、加載方式和大小、相對運動性（方式和速度）以及工作溫度。第2頁/共50頁4/20/20223 機(jī)件的正常磨損通常分為三個階段：第3頁/共50頁4/20/20224二、耐磨性 通常用磨損量表示材料的耐磨性 磨損量可用試樣摩擦表面法線方向的尺寸減小來表示，稱為線磨損 也可用試樣體積或質(zhì)量損失率來表示，稱為體積磨損或質(zhì)量磨損 如果測量單位摩擦距離、單位壓力下的磨損量等，稱為比磨損量 有時還可用磨損量的倒數(shù)來表征材料的耐磨性 相對磨損性：（標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量）/（被測試樣的磨損量，其倒數(shù)也稱為磨損系數(shù)第4頁/共50頁4/20/20225第二節(jié) 磨損模型 一、粘著磨損 二、磨粒磨損

3、三、腐蝕磨損第5頁/共50頁4/20/20226一、粘著磨損 磨損機(jī)理 粘著磨損定義：又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當(dāng)摩擦副相對滑動速度較小（鋼小于1m/s）時發(fā)生的。 這是由于缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應(yīng)力超過實際接觸點處屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的一種磨損。第6頁/共50頁4/20/20227 摩擦副表面上總存在局部凸起，當(dāng)摩擦副表面雙方相互接觸時，即使施加較小載荷，在真實接觸面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形。 如果接觸面上潔凈而未受到腐蝕，則接觸面的原子彼此十分接近而產(chǎn)生強(qiáng)烈粘著（冷焊）。 隨后在繼續(xù)滑動時，粘著點被剪切斷并轉(zhuǎn)移至一方金屬表面，然后脫落形成磨屑。

4、 一個粘著點斷了，又在新的地方產(chǎn)生粘著，隨后也被剪斷、轉(zhuǎn)移，就構(gòu)成了粘著磨損過程。第7頁/共50頁4/20/20228右圖是粘著點強(qiáng)度比摩擦副一方金屬強(qiáng)度高的情況，此時常在較軟一方體內(nèi)產(chǎn)生剪斷，其碎片轉(zhuǎn)移至較硬一方的表面上，軟方金屬在硬方表面逐步累積最終不同金屬的摩擦副滑動成為金屬間的滑動，所以磨損量較大，表面較粗糙，可能產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。第8頁/共50頁4/20/202292. 磨損量的計算n在摩擦副接觸處為三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，所以接觸壓縮強(qiáng)度近似為單向壓縮屈服強(qiáng)度sc的三倍。n如果接觸處因壓應(yīng)力很高，超過3sc產(chǎn)生塑性變形，隨后因加工硬化而使變形終止。n設(shè)接觸點真實面積為A，接觸壓縮屈服強(qiáng)度為3

5、sc，作用于表面上的法向力為F，則有：n假定磨屑為半球形，直徑為d，任一瞬時有n個粘著點，所有粘著點尺寸相同，直徑也是d，則n所以第9頁/共50頁4/20/202210 假設(shè)磨屑的形成機(jī)率為K，則單位滑動距離內(nèi)的磨損體積為： 所以： 積分上式，且強(qiáng)度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動距離內(nèi)的粘著磨損體積為：第10頁/共50頁4/20/2022113 影響因素 塑性材料比脆性材料易于粘著； 互溶性大的材料（相同金屬或晶格類型、點陣常數(shù)、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬）組成的摩擦副粘著傾向大； 單相金屬比多相金屬粘著傾向大； 化合物比固溶體粘著傾向??； 金屬與非金屬組成的摩擦副比金屬與金屬組成的摩擦副

6、不易粘著。 在摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力的增加而增加。試驗表明接觸應(yīng)力超過材料硬度H的三分之一，粘著磨損量急劇增加。 在法向應(yīng)力一定時，粘著磨損量隨滑動速度的增加而增加，但達(dá)到某一極大值后又隨滑動速度的增加而減小。 摩擦副表面粗糙度、表面溫度以及潤滑狀態(tài)對粘著磨損有較大影響。第11頁/共50頁4/20/202212 (1) 摩擦副配對材料的選擇 基本原則是配對材料的粘著傾向應(yīng)比較小，如選用互溶性小的材料配對，表面易形成化合物的材料、金屬與非金屬等配對。 (2) 采用表面化學(xué)熱處理改變材料表面狀態(tài)，可有效減輕粘著磨損。如果沿接觸面上產(chǎn)生粘著磨損，可進(jìn)行滲碳、磷化、氮碳共滲處理等。 (3)

7、 控制摩擦滑動速度和接觸壓應(yīng)力，可使粘著磨損大為減輕。改善潤滑條件，提高表面氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，以增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，阻止金屬之間直接接觸，以及降低表面粗糙度等也都可以減輕粘著磨損。4 改善粘著磨損耐磨性的措施第12頁/共50頁4/20/202213二、磨粒磨損 1. 磨粒磨損機(jī)理 磨粒磨損是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。第13頁/共50頁4/20/202214 根據(jù)磨粒所受應(yīng)力大小不同，磨粒磨損分為： 鑿削式磨粒磨損 高應(yīng)力碾碎磨粒磨損 低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損 從磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系看，若磨粒硬度高于被磨材料的硬度，則屬

8、于硬磨粒磨損，反之，則為軟磨粒磨損。第14頁/共50頁4/20/202215 主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽，見右圖。 在磨粒磨損時，對于韌性金屬材料，每一磨粒從表面上切下的是一個連續(xù)屑；對于脆性金屬材料，一個磨粒切下的是許多新屑。 在碾碎性磨粒磨損時，磨粒被壓碎前幾乎沒有滾動和切削的機(jī)會，所以磨粒對摩擦表面的作用是由于磨粒接觸點處的集中壓應(yīng)力造成的，這種集中壓應(yīng)力可使韌性材料表面產(chǎn)生塑性變形。 磨粒磨損過程可能是磨粒對摩擦表面的切削作用，塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果，還可能是它們綜合作用的反映，而以某一種損害為主。第15頁/共50頁4/20/2022162. 磨損量的計算

9、現(xiàn)以兩體磨粒磨損為例推導(dǎo)以切削作用為主要磨粒磨損量計算式：n根據(jù)此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定為圓錐體）被壓入軟材料中。n當(dāng)作用在一個凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接觸面積等于軟材料的壓縮屈服強(qiáng)度時，則凸出部分或磨粒的壓入就會停止下來：第16頁/共50頁4/20/202217n凸出部分或磨粒切削下來的軟材料體積（圖中陰影部分），也就是磨損量V：n所以n金屬材料的屈服強(qiáng)度與硬度成正比，所以上式又可寫成：第17頁/共50頁4/20/202218 (1) 據(jù)實驗，金屬材料對磨粒磨損的抗力與H/E成比例，H為材料硬度。 彈性模量對組織不敏感，所以機(jī)件抵抗磨粒磨損的能

10、力主要與材料硬度成正比。所以材料硬度越高，其抗磨粒磨損的能力也越好。3. 影響因素第18頁/共50頁4/20/202219(2) 斷裂韌度也影響金屬磨粒磨損的耐磨性第19頁/共50頁4/20/202220(4) 加工硬化對金屬材料抗磨粒磨損的影響，因磨損類型不同而有不同n在低應(yīng)力擦傷性磨粒磨損時，加工硬化對材料的耐磨性沒有影響；n在高應(yīng)力碾碎性磨粒磨損時，加工硬化能顯著提高耐磨性。(3) 細(xì)化晶粒由于能提高屈服強(qiáng)度、硬度及靜載塑性，所以也提高耐磨性第20頁/共50頁4/20/202221 在磨粒硬度低于金屬硬度的軟磨粒磨損情況下，磨損機(jī)理將會變化，所以耐磨性的影響因素也會發(fā)生變化。第21頁/共

11、50頁4/20/2022224. 改善磨粒磨損耐磨性的措施 (1) 對于以切削作用為主要機(jī)理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度，這是提高耐磨性最有效的措施。 (2) 根據(jù)機(jī)件服役條件，合理選擇耐磨材料，例如在高應(yīng)力沖擊載荷下，要選用高錳鋼Mn13，利用其高韌性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。 (3) 采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨損耐磨性。 (4) 經(jīng)常注意機(jī)件防塵和清洗，防止大于1微米磨粒進(jìn)入接觸面，也是有效措施。第22頁/共50頁4/20/202223 在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成與脫落引起腐蝕磨損

12、。 腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機(jī)械磨損（粘著磨損或磨粒磨損）共存，故又稱腐蝕機(jī)械磨損。三、腐蝕磨損n1. 氧化磨損n2. 微動磨損n3. 沖蝕磨損（又稱氣蝕）n4. 特殊介質(zhì)腐蝕磨損分類：第23頁/共50頁4/20/202224（一）氧化腐蝕機(jī)理 大氣中的機(jī)件表面總有一層氧的吸附層，當(dāng)摩擦副作相對運動時，由于表面凹凸不平，在凸起部位單位壓力很大，導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形。塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，從而形成了氧化膜。 氧化腐蝕過程：由于形成的氧化膜強(qiáng)度低、在摩擦副繼續(xù)作相對運動時，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剝落，裸露出新表面，從而又發(fā)生氧化，隨著又再被磨去。 如此，氧化膜形成又除去，機(jī)件表面逐漸被

13、磨損。n宏觀特征：在摩擦表面上沿滑動方向呈勻細(xì)磨痕，其磨損產(chǎn)生為紅褐色三氧化二鐵或黑色四氧化三鐵。第24頁/共50頁4/20/202225氧化磨損的速率或磨損量的影響因素： (1) 摩擦副表面層對塑性變形的抗力； (2) 氧在金屬中的擴(kuò)散速率； (3) 氧化膜的性質(zhì)和厚度以及氧化膜與基體結(jié)合的牢固程度； (4) 摩擦學(xué)參數(shù)，如接觸壓力、滑動速度、滑動距離、溫度等。 氧化磨損不一定是有害的，如果氧化磨損先于其它類型磨損（如粘著磨損）發(fā)生和發(fā)展，則氧化磨損是有利的。第25頁/共50頁4/20/202226（二）微動磨損機(jī)理 在機(jī)器的嵌合部位和緊配合處，接觸表面之間雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動

14、載荷和振動的影響下卻能產(chǎn)生微小滑動。 這種微小滑動是小振幅的切向振動，稱為微動。 接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復(fù)運動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕。 特征：接觸區(qū)存在紅色三氧化二鐵粉末，鋁件的磨損產(chǎn)物為黑色。第26頁/共50頁4/20/202227 第一階段：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂紋和擴(kuò)展，或去除表面污物形成粘著和粘著點斷裂； 第二階段：通過疲勞破壞或粘著點斷裂形成磨屑，磨屑形成后隨即氧化； 第三階段：磨粒磨損階段，磨粒磨損又反過來加速第一階段，如此循環(huán)不已則構(gòu)成了微動磨損。微動磨損過程有三個階段：第27頁/共50頁4/20/202228第三節(jié) 磨損試驗方法 （1）實物試

15、驗 （2）實驗室試驗n右圖是銷盤型試驗機(jī)：將試樣加上試驗力緊壓在旋轉(zhuǎn)圓盤上，試樣可在半徑方向往復(fù)運動，n這類試驗機(jī)可用來評定各種摩擦副及潤滑材料的低溫與高溫摩擦和磨損性能，可做磨粒磨損和粘著磨損試驗。第28頁/共50頁4/20/202229 高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機(jī)主要用于評定金屬、非金屬及復(fù)合材料等材料在各種條件下的摩擦磨損性能，可在改變溫度、速度、負(fù)荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度等參數(shù)的各種情況下進(jìn)行試驗，可測量材料摩擦溫升、摩擦系數(shù)等值。該機(jī)適用于科學(xué)研究、教學(xué)實驗、質(zhì)量監(jiān)督、航空航天、鋼鐵冶金、塑料、陶瓷、建 工建材、軍工等領(lǐng)域。該機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)為Q/01J042-2003MMS-1

16、G高溫高速銷盤摩擦磨損試驗機(jī)。銷盤式摩擦磨損試驗機(jī)(MPX-2000型)主軸轉(zhuǎn)速范圍 60r/min 12000r/min主軸轉(zhuǎn)速示值準(zhǔn)確度 在 1000r/min 以下，示值誤差不超過 2r/min ，示值重復(fù)性誤差不大于 2r/min 。在 1000r/min 以上，示值相對誤差不超過 0.2% ，示值重復(fù)性相對誤差不大于 0.2% 。 高溫爐溫度范圍 室溫 800； 高溫爐密封性能 在連續(xù)充入氮氣（純度 99.9%以上）的條件下，爐內(nèi)氧氣含量應(yīng)能達(dá)到1%以下。 試驗力范圍 75N450N第29頁/共50頁4/20/202230 右圖是環(huán)塊型磨損試驗機(jī) 這種試驗機(jī)可測定金屬及非金屬材料（如

17、尼龍、塑料）在滑動狀態(tài)下的耐磨性能：環(huán)形試樣安裝在主軸上，順時針轉(zhuǎn)動，塊形試樣安裝在夾具上。 通常試驗后測量環(huán)形試樣的失重和塊狀試樣的磨痕寬度，分別計算體積磨損以評定試驗材料的耐磨性。第30頁/共50頁4/20/202231MHK-500型環(huán)塊磨損試驗機(jī) 應(yīng)用領(lǐng)域：材料摩擦磨損性能測試、對比、評定，測試結(jié)果為摩擦系數(shù)及磨損量數(shù)值。技術(shù)指標(biāo)：1.接觸形式：線接觸2.磨損方式：純滑動磨損3.加載方式：砝碼、杠桿加載（杠桿比1:10）4.載荷范圍：10Kg-500Kg5.主軸轉(zhuǎn)速：100-1440轉(zhuǎn)/分，無級調(diào)速第31頁/共50頁4/20/202232 右圖為往復(fù)運動型試驗機(jī)， 試樣在靜止平面上作往

18、復(fù)運動，可評定往復(fù)運動的機(jī)件，如導(dǎo)軌、缸套與活塞環(huán)等摩擦副的耐磨性。第32頁/共50頁4/20/202233 本機(jī)試驗拉鏈橫向及縱向張力作用下，能否承受規(guī)定次數(shù)之往 復(fù)拉動操作。 試驗時本機(jī)以等速帶動拉鏈之拉頭，作每分鐘30 次之往復(fù)運動，至規(guī)定之次數(shù)為止。 往復(fù)行程：75mm 橫向夾緊裝置寬度：25mm 縱向夾緊裝置總重：0.280.34kg HK-5022拉鏈往復(fù)試驗機(jī) 第33頁/共50頁4/20/202234 右圖是滾子型磨損試驗機(jī)： 主要用來測定金屬材料在滑動摩擦、滾動摩擦、滾動滑動復(fù)合摩擦及間隙摩擦情況下的磨損量， 用來比較各種材料的耐磨性能。第34頁/共50頁4/20/202235

19、 1、最大負(fù)荷：2000N 2、負(fù)荷測量范圍：0300N，3002000N 3、下試樣軸轉(zhuǎn)速：400，200 轉(zhuǎn)分 4、上試樣軸轉(zhuǎn)速：360，180 轉(zhuǎn)分 5、負(fù)荷刻度尺之分度值； 0300N，10N格，3002000N，50 N格 6、摩擦力矩測量范圍 015牛頓.米 7、上試樣的軸向最大移動距離土4毫米 8、雙速電動機(jī)：YD90S-4/2 （1）三相， 380V， 50周秒 （2）轉(zhuǎn)速2880、1440 轉(zhuǎn)分 （3）功率0.85、1.1 千瓦 9、試驗機(jī)外形尺寸：約長970寬660高ll00 毫米 M-2000型 摩擦磨損試驗機(jī) 第35頁/共50頁4/20/202236第四節(jié) 金屬接觸疲勞

20、 （一）接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力 接觸疲勞定義： 是機(jī)件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使物質(zhì)損失的現(xiàn)象，又稱表面疲勞磨損或疲勞磨損。第36頁/共50頁4/20/202237根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同，接觸疲勞破壞分為： (1) 麻點剝落（點蝕） (2) 淺層剝落 (3) 深層剝落（表面壓碎）第37頁/共50頁4/20/202238二、接觸應(yīng)力 兩物體相互接觸時，在表面上產(chǎn)生的局部壓入應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力，也稱為赫茲應(yīng)力。 按接觸面初始幾何條件不同，可分為線接觸與點接觸。第38頁/共50頁4/20/20223

21、9 線接觸： 假設(shè)兩圓柱體的半徑分別為R1、R2，長l，未變形前兩者為線接觸，施加法向力后，因彈性變形變?yōu)槊娼佑|，接觸面積2bl。 據(jù)彈性力學(xué)分析，接觸壓應(yīng)力沿y軸按半橢圓柱規(guī)律分布，見右圖，在接觸中間（y=0）處，接觸壓應(yīng)力達(dá)到最大值，所以：第39頁/共50頁4/20/202240 由上圖可知，接觸面有三向主應(yīng)力，沿接觸深度方向的分布如右圖。第40頁/共50頁4/20/202241點接觸： 施加法向應(yīng)力后，視兩接觸物體形狀不同，接觸面可能是橢圓或圓，滾珠與軸承套圈接觸，接觸面為橢圓，球與球或球與平面接觸，接觸面為圓。 接觸面為橢圓時，見右圖，接觸應(yīng)力按半橢圓球規(guī)律分布，且 對于半徑為R的圓球

22、和平面的點接觸，按彈性力學(xué)計算，接觸圓半徑：第41頁/共50頁4/20/202242三、接觸疲勞破壞機(jī)理 （一）麻點剝落 表面接觸應(yīng)力較小、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（如表面有脫碳、燒傷、淬火不足、夾雜物等）地，易產(chǎn)生麻點剝落。 前者因為表面最大綜合切應(yīng)力較高，后者則是材料抗剪強(qiáng)度較低引起的。第42頁/共50頁4/20/202243 （二）淺層剝落 在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，塑性變形反復(fù)進(jìn)行，使材料局部弱化，遂在該處形成裂紋。 裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，所以裂紋開始沿非金屬夾雜物平行于表面擴(kuò)展，而后在滾動及摩擦力作用下又產(chǎn)生與表面成一傾角的二次裂紋。 二次裂紋擴(kuò)展至表面，另一端則形成懸臂梁，因反

23、復(fù)彎曲發(fā)生彎斷，從而形成淺層剝落。第43頁/共50頁4/20/202244（三）深層剝落（壓碎性剝落） 深層剝落的初始裂紋經(jīng)常在表面硬化機(jī)件的過渡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，該處切應(yīng)力雖不是最大，但因過渡區(qū)是弱區(qū)，切應(yīng)力可能高于材料材料強(qiáng)度而在該處產(chǎn)生裂紋。 裂紋形成后先平行于表面擴(kuò)展，即沿過渡區(qū)擴(kuò)展，而后再垂直于表面擴(kuò)展，最后形成較深的剝落坑。第44頁/共50頁4/20/202245三 接觸疲勞試驗方法 不同材料或同一材料經(jīng)不同熱處理后，其接觸疲勞強(qiáng)度用接觸疲勞曲線（與高周疲勞的S-N曲線類似）來描述。 是按赫茲公式計算出來的最大壓應(yīng)力，N為破壞循環(huán)周次。第45頁/共50頁4/20/202246 測定接觸疲勞

24、極限時，循環(huán)基數(shù)N0一般取107次，并規(guī)定： 當(dāng)試樣上深層剝落面積大于或等于3mm2或當(dāng)試樣上麻點剝落（集中區(qū)）在10mm2面積內(nèi)出現(xiàn)麻點率達(dá)15%的損傷時，均判定為接觸疲勞破壞。 試驗在疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗機(jī)有純滾動和滾動帶滑動兩類。第46頁/共50頁4/20/202247四、影響接觸疲勞壽命的因素 （一）內(nèi)部因素 1. 非金屬夾雜物 2. 熱處理組織狀態(tài) 3. 表面硬度與心形硬度 4. 表面硬化層深度 5. 殘余內(nèi)應(yīng)力 （二）外部因素 1. 表面粗糙度與接觸精度 2. 硬度匹配第47頁/共50頁4/20/202248作業(yè) P181 1、(1)-(3)、(7)-(8) 3 4第48頁/共50頁4/20/202249第49頁/共50頁4/20/2022安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院50感謝您的觀看。第50頁/共50頁