材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能.ppt

《材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能.ppt（48页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第六章 材料的磨损性能,.,1,第六章 材料的磨损性能.1,摩擦：相互接触的两个物体有相对运动或相对运动的趋势时，在接触界面上出现阻碍相对运动的现象。摩擦力的方向与引起相对运动的切方向相反。摩擦力与施加在摩擦面上的垂直载荷之比称为摩擦系数：F/N 磨损：物体表面相互摩擦时，材料自表面逐渐小时的过程称为磨损。 摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。机器运转时相对运动产生的摩擦而磨损，不仅直接影响零件的使用寿命，还增加能耗，产生噪声和振动。磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废重要原因；机件间摩擦磨损引起失效叫磨损失效； 磨损方式、磨损机理、磨损本质、影响因素；提高耐磨性途径；,引 言,.,2

2、,摩擦：相互接触的两个物体有相对运动或相对运动,This phenomenon is encountered whenever there is relative motion between contacting surfaces, and it always opposes the motion. As no mechanically prepared surfaces are perfectly smooth, when the surfaces are first brought into contact under light load, they touch only along

3、the asperities (real area of contact). The early theories attributed friction to the interlocking of asperities; however, it is now understood that the phenomenon is far more complicated.,Friction,.,3,This phenomenon is enc,This is the progressive loss of substance of one body because of rubbing by

4、another body. There are many different types of wear, including sliding wear, abrasive wear, corrosion, and surface fatigue.,Wear,.,4,This is the progressive lo,轨道磨损,风阻：550公里/小时,弓网：大电流下的摩擦磨损,.,5,轨道磨损风阻：550公里/小时弓网：大电流下的摩擦磨损.5,水中航行体的主要能源和动力被用来克服行进中的阻力，其中摩擦阻力占最大成分(水下80%)；对于诸如输油管道这类管道运输，其能量几乎全部被用来克服流固表面

5、的摩擦阻力。,.,6,水中航行体的主要能源和动力被用来克服行进中的阻力，其,卫星飞轮 轴承润滑油 耐磨轴承材料 稳定的微量供油技术航空发动机 叶片和摩擦阻尼器 振动故障占发动机总故障的60%以上，而叶片的故障要 占发动机振动故障的70%以上 压气机盘与涡轮盘,.,7,卫星飞轮.7,6.1 磨损的概念和类型,6.2 磨损过程,6.3 耐磨性指标及其测试,6.4 提高耐磨性的途径,目 录,6.5 补充：炭炭复合材料的磨损,.,8,6.1 磨损的概念和类型6.2 磨损过程6.3 耐磨性,1、摩擦： 接触物体间的一种阻碍运动的现象。2、磨损： 在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑(局部变形和

6、断裂)，从而不断损伤的现象。 3、磨损过程： 1) 跑合(磨合)阶段: 磨损速率下降。 2) 稳定磨损阶段: 磨损速率稳定。 3) 剧烈磨损阶段: 磨损速率增加。载荷大小方向随 时间变化；,6.1 磨损的概念和类型,一、摩擦与磨损的概念,图6-1 磨损量和时间曲线,.,9,6.1 磨损的概念和类型一、摩擦与磨损的概念图6-1 磨损,1、根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分四类： a 粘着磨损(Adhesive Wear)：材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拉开而产生的磨损； b 磨粒磨损(Abrasive Wear)：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触间存在硬质

7、粒子时产生的磨损；如锉削、磨金相、抛光等 c 腐蚀磨损(包括氧化、微动、浸蚀磨损)(Corrsion Wear)：在腐蚀应用环境中摩擦表面与周围介质发生反应，在表面形成腐蚀产物粘附不牢，摩擦中被剥落下来，新的表面又进一步发生反应，产生磨损。 d 接触疲劳磨损(Rolling Contact Wear)：两接触材料作滚动或者滚动滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳磨损，局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损；是齿轮、滚动轴承常见失效方式。,二、摩擦的基本类型,.,10,1、根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分四类：二、摩擦的基本,图6-2 磨损类型转化,2、各种磨损类型可

8、以发生转化。,.,11,图6-2 磨损类型转化2、各种磨损类型可以发生转化。.11,一、粘着磨损特点和过程,1、特点：机件表面有大小不等的结疤，2、发生条件： 多发生在摩擦副相对滑动速度小;接触面氧化膜脆弱;润滑条件差; 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。3、磨损过程： 表面接触的少量微凸体产生很高的应力 发生塑性变形形成粘着点 被剪断、拉开转移到一方材料表面 脱落下来形成磨屑。 就是粘着点不断形成，又不断被破坏并脱落的过程。,6.2 磨损过程,图6-3 粘着磨损形貌和示意图,.,12,一、粘着磨损特点和过程1、特点：6.2 磨损过程图6-3,4、粘着磨损量的估算(Archard model),

9、Here W is the wear volume lost, K is the wear coefficient,粘着磨损系数，在10-12-10-15 量级；H is the hardness, F is the normal force,法向力; and L is the sliding diatance.,上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬度）成反比，与表观接触面积无关,.,13,4、粘着磨损量的估算(Archard model) H,1、特点： 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。2、形成过程： 磨粒对摩擦表面产生的微切削作用塑性变

10、形 疲劳破坏或脆性断裂 产生沟槽。,二、磨粒磨损特点和过程,图6-4 磨粒磨损形貌,.,14,1、特点：二、磨粒磨损特点和过程图6-4 磨粒磨损形貌.14,3、磨粒磨损量：,Here W is the wear volume lost, K is the wear coefficient,磨粒磨损系数；H is the hardness, p is the contact pressure force，接触压力； and L is the sliding distance.,.,15,3、磨粒磨损量： Here W is the wear,1、现象和特征： 出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹

11、坑(麻坑)。 有的凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。,图6-5 接触疲劳磨损的形貌,三、接触疲劳特点和过程,.,16,1、现象和特征：图6-5 接触疲劳磨损的形貌三、接触疲劳特点,分为麻点剥落(点蚀)、浅层剥落、 深层剥落(表面压碎)三类。 a 点蚀: 深度在0.10.2mm的小块剥落，形状为不对称V型针状或痘状凹坑。 b 浅层剥落: 深度在0.20.4mm的小块剥落剥块底部大致与表面平行，裂纹沿与表面成锐角或直角扩展。 c 深层剥落: 深度 0.4mm的小块剥落深度与表面强化层深相当，裂纹垂直于表面扩展。,2、接触疲劳分类,.,17,分为麻点剥落(点蚀)、浅层剥落、 深层剥落(表面压碎,

12、两物体相互接触时, 在局部表面产生的压应力。分为线接触(如圆柱与圆柱接触)与点接触(如滚珠与轴承圈)两类。,图6-6 两圆柱体线接触表面应力分布(a)； (b)沿接触深度的应力分布； (c) 点接触表面应力分布； (d) 综合切应力沿深度分布.,3、接触应力概念,(a),(b),(c),(d),.,18,两物体相互接触时, 在局部表面产生的压应力。分为线接,1)麻点剥落 最大综合切应力表层材料累积损伤萌生裂纹；润滑油挤入裂纹内形成油楔裂纹沿与滚动方向倾斜角小于45的方向扩展裂纹与表层材料间被折断形成0.10.2mm深的痘状凹坑形成麻点剥落。,4、接触疲劳过程,图6-7 麻点剥落形成过程示意图：

13、a) 初始裂纹形成；b)初始裂纹扩展； c) 二次裂纹形成；(d) 二次裂纹扩展；e) 形成磨屑；f) 锯齿形表面,.,19,1)麻点剥落4、接触疲劳过程图6-7 麻点剥落形成过程示意,2)浅层剥落 纯滚动情况。 最大综合切应力次表层材料累积损伤 萌生裂纹裂纹沿非金属夹杂物平行于表面扩展而后垂直扩展直至表面形成盆状剥落凹坑形成浅层剥落。,图6-8 剥层磨损裂纹形成示意图,.,20,2)浅层剥落图6-8 剥层磨损裂纹形成示意图.20,3)深层剥落 裂纹源多位于硬化层与心部的交界处(过渡区) 优先萌生 造成沿硬化层的大块材料剥落。 综上所述，接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于材料接触疲劳

14、强度的结果。,图6-9 深层剥落裂纹示意图,.,21,3)深层剥落图6-9 深层剥落裂纹示意图.21,四、腐蚀磨损特点和过程,1)氧化磨损： 滑动时，空气或润滑剂中的氧扩散到变形层内形成氧化膜，遇到突起剥落，新漏出的表面又被氧化，磨掉 氧化磨损； 特征：磨损产物为氧化物，如红褐色的Fe2O3，灰褐色的Fe3O4；磨损速率取决于氧化膜的脆性程度、膜基结合力。 氧化磨损时一种广泛的磨损形态，材料在干燥大气中的氧化磨损值在0.1-0.5m/h；若空气中含有少量的水汽，化学反应产物是氢氧化物，加快腐蚀；空气中有二氧化硫或二氧化碳，腐蚀更快。,.,22,四、腐蚀磨损特点和过程 1)氧化磨损：.22,2)

15、电化学磨损： 在化工设备中工作的摩擦副，由于金属表面与导电电介质溶液如酸碱盐等介质作用而形成的腐蚀磨损；其腐蚀磨损机理与氧化磨损类似，但腐蚀速率较大，摩擦表面遍布点状或丝状腐蚀痕迹，一般比氧化磨损痕迹深，磨损产物是酸、碱、盐的金属化合物。 Ni、Cr、Ti等金属在特殊介质作用下，易形成结合力强、结构致密的钝化膜；W、Mo是高温耐腐蚀磨损的金属，Ni、Cr是抗腐蚀磨损的金属。,.,23,2)电化学磨损：.23,一、耐磨指标,1、磨损量： 1) 线性磨损量(m/面次): 定义：试样表面法向尺寸每次实验前后的变化量； 2) 质量磨损量(mg/次)： 定义：精密分析天平称量试样每次实验前后的质量变化确

16、定的磨损量 ；2、摩擦系数： 静摩擦力是两接触表面在相对移动开始时的最大阻力，其与法向力之比就是静摩擦系数；动摩擦力是两接触表面以一定速度相对移动时的阻力，其与法向力之比就是动摩擦系数。摩擦系数是针对一组摩擦副来讲的，单纯说某种材料的摩擦系数是没有意义的，同时必须指明组成摩擦副的材料的种类，并说明测试条件（环境温湿度、载荷、速度等）以及滑动材料。,6.3 耐磨性能指标和测试,.,24,一、耐磨指标1、磨损量： 6.3 耐磨性能指标和测试.24,.,25,Materials and Material Combina,续表一,.,26,GlassGlass0.40.1 - 0.6GlassMet,

17、.,27,DiamondDiamond0.10.05 - 0.1Dia,1、分为实物试验与实验室试验两类。测试标准，金属为例：GB/T 12444-2006, GBT 12444.1-902、实验室试验分类见有图：测出-t、m-p、m-t曲线。 用铁谱仪将磨屑与污染物颗粒从润滑剂中分离出来，将磨屑按尺寸大小铺在透明衬底上，用光学显微镜或电子显微镜对磨屑进行研究。,图6-10 磨损试验机示意图(a) 销盘式；(b) 环块式；(c) 往复运动式；(d) 对滚型；(e) 砂纸磨损试验；(f) 快速磨损实验,二、磨损实验方法,.,28,1、分为实物试验与实验室试验两类。测试标准，金属为例：GB/,3、

18、接触疲劳实验： 有纯滚动和滚动加滑动两类。用max-N曲线表示： max为最大接触压应力，N为断裂周次,图6-11 接触疲劳试验机示意图(a) 双面对滚式；(b) 单面对滚式；(c) 止推式；,.,29,3、接触疲劳实验：图6-11 接触疲劳试验机示意图.29,图6-12 UTM-3微摩擦试验机,可在大气、油、腐蚀液体等环境进行动静, 四球球盘(柱)块等摩擦磨损试验，载荷范围: 1mN(0.1g)1000N(100kg)；转速: 0.001rpm5000rpm；最大往返行程: 24.5mm，频率:0.150HZ。,.,30,图6-12 UTM-3微摩擦试验机 可在大气、油、腐蚀,GB/T790

19、9-1999湿式烧结金属摩擦材料摩擦性能试验台试验方法,MM-1000,磨损率、摩擦系数、制动力矩、单位能载、能量密度、摩擦力矩稳定系数、摩擦性能失效以实际工况为模拟基础，完成热刹车试验，实现了实验室条件下惯性模拟制动实验功能，以不同的制动初速度、压力、制动时间，配置惯量，模拟出飞机、火车、轮船、汽车、轨道列车等在不同的制动条件下摩擦材料所具备的摩擦磨损特性,230mm以下整片1：1模拟测试！,.,31,GB/T7909-1999MM-1000磨损率、摩擦系数、制,MST大型磨损试验机,主轴转速： 1503000r/min，无级可调；轴向压力： 2MPa，可任意设置 ；最大转矩： 3000Nm

20、 ；主轴惯量： 0.41289kgm2；结合时间： 0.11.0s，可任意设置；结合频率： 1次/min；结合次数： 1002000次，可设置,300mm500mm整片1：1模拟测试！,.,32,MST大型磨损试验机主轴转速： 1503000r/min，,6.4 提高耐磨性的途径,因素较多，磨损主要是表面材料的变形和剥落，可从摩擦副表面的强度和韧性两方面来提高整体的耐磨性：,一、减轻粘着磨损的措施,1、合理选择摩擦副材料：选择互溶性少，粘着倾向小的材料配对；铁与镍、铝相溶，则不能配对成摩擦副；铅、锡、银、铟与铁不相溶，所以常用这几种金属的合金作轴瓦，金属与非金属（如石墨、塑料等）组成的摩擦副比

21、金属摩擦副的抗粘着磨损性能好。2、减少两摩擦副直接接触，降低表面粗糙度，改善表面润滑条件，选择合适的润滑剂；3、表面处理：电镀、喷涂、渗碳、渗氮、三元共渗等；,.,33,6.4 提高耐磨性的途径 因素较多，磨损主要是表面材,二、减轻磨粒磨损的措施,1、选用高硬度韧性好的材料。如农用耕机中刮刀、耙片、犁铧等选用等温淬火获得贝氏体组织；机加工刀具选用高硬的碳化物硬质合金、金刚石；单相组织高锰钢，加工硬化能力高，抗凿削磨损好(风钻杆)；2、表面硬化的材料，使用一段时间后对润滑油防尘、过滤处理，去除磨粒；,.,34,二、减轻磨粒磨损的措施1、选用高硬度韧性好的材料。如农用耕机,三、提高接触疲劳的措施,

22、1、合理选择材料，选用组织状态对接触疲劳有益的结构；马氏体的碳含量0.4-0.5%,减小碳化物粒度；2、表面硬度匹配：小齿轮硬度高于大齿轮；渗碳层厚度适宜；3、减小表面缺陷：表面处理,.,35,三、提高接触疲劳的措施1、合理选择材料，选用组织状态对接触疲,10m,炭纤维,性能特点,热解炭,树脂炭,C/C复合材料是由增强体炭纤维和基体炭 (热解炭或树脂炭、沥青炭)组成的先进材料，具有显著的性能特点,低密度(约1.8 g/cm3) 高比强/比模耐高温(3000)摩擦磨损性能优异,国民经济和国防现代化中不可替代,6.5 C/C复合材料的磨损,一、C/C复合材料概念和应用,.,36,10m炭纤维性能特

23、点热解炭树脂炭C/C复合材料是由增强体炭,没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防,高超声速飞行器部件,C/C材料具有十分优异的高温性能，是高超声速飞行器 燃烧室、前缘、舱体等关键部件急需的热结构材料 C/C材料具有良好的耐烧蚀性能，是载人航天与探月工 程大型运载器火箭发动机喷管等关键部件的首选材料,2000时的高温力学性能优于室温2000以上抗热震性能最佳的结构材料,.,37,没有高性能C/C复合材料，就没有现代化的国防高超声速飞行器部,C919大飞机,C/C材料密度低、摩擦磨损性能优良，是大型飞机等 现代交通工具的最佳制动材料C/C材料具有抗强辐射、耐等离子体冲刷、高导热等 优异综合性

24、能，是超高温气冷堆和聚变实验装置的先 进结构材料,超高温气冷堆,.,38,C919大飞机C/C材料密度低、摩擦磨损性能优良，是大型飞,光伏产业单晶硅炉,坩锅,热场,大型化工,耐蚀耐热,雾化管,管,片,喷嘴,支架,蝶架,圆衬管,叶轮,反应塔,换热器,C/C材料耐热、耐腐蚀、化学和物理稳定性好，广泛应用于新能源、化工、热加工等领域,燃料电池,发热体,.,39,光伏产业单晶硅炉坩锅热场大型化工耐蚀耐热雾化管管片喷嘴支架蝶,二、C/C复合材料的金相结构,Cf+光滑层热解炭,Cf+粗糙层热解炭,.,40,二、C/C复合材料的金相结构Cf+光滑层热解炭Cf+粗糙层热,Cf+各向同性热解炭,.,41,Cf+

25、各向同性热解炭.41,粗锥状结构热解炭,Cf+粗糙层热解炭,.,42,粗锥状结构热解炭Cf+粗糙层热解炭.42,三、C/C复合材料的磨损,.,43,三、C/C复合材料的磨损.43,.,44,.44,.,45,.45,摩擦系数最小且质量磨损率最大的是美国ALS公司的模压成型炭刹车盘。该材料的炭基体是树脂炭，以乱层结构为主，微晶尺寸小，在制动过程中，产生硬相的粉末状磨屑，这些磨屑在剪应力的作用下难以形成连续的磨屑层，易从摩擦面间滑落，加大了磨损率。以热解炭基体为主的炭刹车盘，微观结构为光学粗糙层结构，摩擦系数波动0.30-0.37范围内，均属较高水平。其磨损率随石墨化度的提高呈降低趋势。因为石墨化

26、度越高，石墨晶体更趋完善，化学稳定性越高，微晶尺寸较大。在制动过程中粗糙层热解炭易形成光滑、完整、连续的磨屑层，有自润滑作用，使摩擦系数稳定在较高水平，降低了磨损率。,.,46,摩擦系数最小且质量磨损率最大的是美国ALS公司的模压,.,47,.47,补充： 超流性Superfluidity,30年代，实验发现，当液氦（指4He）的温度降到2.17K 时，液氦从原来的正常流体突然转变为具有系列极不寻常的性质的“超流体”，这就是超流现象。液氦能沿极细的（管径约0.1微米）流体而几乎不呈现任何粘滞性(零阻力或零黏度),能沿着容器壁往上流动，热传导为铜的800倍。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到。 液氦临界温度：-267.8C 液氮临界温度：-195.6C,.,48,补充： 超流性Superfluidity 30年代，,