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1、第三章 金属磨损,磨损：是指任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。磨损的危害：磨损将造成表层材料的损耗，零件尺寸的变化，直接影响零件的使用寿命和机器的性能。生产中总是力求提高零件的耐磨性。利用磨损为生产服务：例如利用磨损原理所进行的加工（如研磨、磨削、抛光等）。,3.1 磨损概述,磨损量：表示磨损的大小。磨损量的表示：被磨损的高度h 被磨损的体积V 被磨损的重量G 被磨损的质量m,3.1.1 磨损的度量,1.磨损量与磨损率,线磨损率KL 体磨损率KV 重量磨损率KG 质量磨损率Km,磨损率：,有时为了判断材料的耐磨性，也可以采用耐磨性E
2、衡量其大小。耐磨性为磨损率的倒数。,2.耐磨性,线磨损率KL 体磨损率KV 重量磨损率KG,在有些情况下，为了对比不同硬度材料的磨损量，可采用磨损常数判定磨损大小。磨损常数K定义为：,3.磨损常数,1磨粒磨损 磨粒磨损是最普遍的磨损形式之一。磨粒磨损是由外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在相对运动过程中划伤工作表面而引起表面材料脱落的现象。2.粘着磨损 由于表面微观不平，当摩擦表面相对滑动时，实际上是微凸体之间的接触。在相对滑动和载荷的作用下，粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，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，此类磨损统称为粘着磨损。粘着磨损的特点是粘着结点被
3、剪切破坏。,3.1.2 磨损的分类,3.疲劳磨损 两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面在周期性载荷的作用下，接触区产生很大的变形和应力，工作一段时间后，由于疲劳而形成裂纹和材料剥落而形成凹坑，称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。4.腐蚀磨损 摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表面损伤称为腐蚀磨损。常见的有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。需要区分腐蚀磨损和腐蚀的不同。腐蚀磨损是指一对具有相对滑动或滚动的摩擦副表面工作中产生的材料损失。腐蚀仅仅是单一部件的材料损失。,建筑机械、农业机械、矿山机械和经常在野外、沙漠等环境下工作的机械的主要磨损形式就是磨粒磨损。,3.2 磨粒磨损,例如颚式破
4、碎机的动颚、矿石和肘板间会存在明显的磨粒磨损。掘土机的铲齿、犁耙、球磨机的衬板与钢球等。水轮机叶片和船舶螺旋桨与含泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在引起的磨损。,二体磨粒磨损：一个磨粒相对一个固体表面运动而产生的磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。在一对摩擦副中，由于表面的粗糙对另一表面产生的磨粒磨损也是一种二体磨损，通常这类磨损的应力相对较低。,3.2.1 磨粒磨损的形式,1.二体磨粒磨损,三体磨损：大多数的多体磨损属于此类，如图所示。如果外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，则称为三体磨
5、粒磨损。球磨机衬板与钢球、轧碎机滚筒等零件的表面破坏都是这一类磨损。通常多体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，并超过磨粒的压溃强度。,2.多体磨粒磨损,1)微观切削 认为由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、犁皱和微量切削，产生槽状磨痕。2)挤压剥落 对于塑性较大的材料，磨料颗粒在载荷的作用下嵌入摩擦表面而产生压痕，从表面层上挤压出剥落物。3)疲劳破坏 由于磨料的颗粒作用，摩擦表面层在循环接触应力的作用下，表面材料因疲劳而剥落。磨粒磨损机理属于磨料的机械作用。,3.2.2 磨粒磨损机理,磨粒磨损计算方法：最简单的是根据微观切削机理得出的。设磨粒为形状
6、相同的圆锥体，则磨粒磨损的体积磨损率为：,ka为磨粒磨损常数 H为硬度,提高耐磨性：磨粒磨损主要与磨料的相对硬度、形状、大小以及磨料与被磨表面的力学性能有关，属于磨料的机械作用。应尽量减少微观切削作用。,提高耐磨性的方法：降低磨粒对表面的作用力并使载荷均匀分布；提高材料表面硬度；降低表面粗糙度；增加润滑膜厚度；采用防尘或过滤装置保证摩擦表面清洁等。,在实验室中研究磨粒磨损通常是将试件材料在磨料纸上相互摩擦。虽然由于略去了冲击、腐蚀和温度等因素的影响，使实验室中得到的数据与实际存在差别，但它反映了磨粒磨损的基本现象和规律，所得的结论仍十分有用。主要因素如下6点。,3.2.3 磨粒磨损的影响因素,
7、硬度是表征材料抗磨粒磨损性能的主要参数。对于纯金属和各种未经热处理的钢材，耐磨性与材料硬度成正比关系。,1.材料的硬度,磨料硬度H0与试件材料硬度H之间的相对值。为了防止磨粒磨损，材料硬度应高于磨料硬度。,2.相对硬度,外载荷对各种材料的磨粒磨损有显著影响。线磨损率与表面压力成正比。当压力达到转折值pc时，线磨损率随压力的增加变得平缓，这是由于磨粒磨损形式转变的结果。各种材料的转折压力值是不同的。,3.载荷,图示为重复摩擦次数与线磨损率的关系。在磨损刚发生时，由于磨合作用使线磨损率随摩擦次数的增加而下降，同时表面粗糙度得到改善，随后磨损趋于平缓。,4.重复摩擦次数,磨损量与材料的颗粒大小成正比
8、，但颗粒大到一定值以后，磨粒磨损量不再与颗粒大小有关。磨粒的形状和尖锐程度对磨损也有明显影响。,5.磨粒尺寸,如果滑动速度不大，不至于使金属发生退火回火效应时，线磨损率将与滑动速度无关。,6.滑动速度,当两零件表面接触时，由于表面不平，发生的是点接触。通常摩擦表面的实际接触面积只有表观面积的0.01%0.1%。对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达5 000 MPa，并产生1 000以上的瞬时温度。而由于摩擦副体积远大于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几毫秒。润滑油膜、吸附膜或其他表面膜将发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动中粘着结点破坏。这种粘
9、着、破坏、再粘着的交替过程就构成粘着磨损。,3.3 粘着磨损,1.轻微粘着磨损 当粘着结点的强度低于摩擦副金属的强度时，剪切发生在结合面上。此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。如：缸套-活塞环摩擦副的正常磨损。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生此种粘着磨损。2.一般粘着磨损 当粘着结点的强度高于摩擦副中较软金属的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远处较软金属表层内，因而软金属粘附在硬金属表面上。如：重载蜗轮副蜗杆的磨损。这种磨损的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。,3.3.1 粘着磨损的种类,3.擦伤磨损 当粘结强度高于两金属材料强度时，剪切破坏主要发
10、生在软金属表层内，有时也发生在硬金属表层内。迁移到硬金属上的粘着物又使软表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软金属表面。如：内燃机铝活塞壁与缸体摩擦产生的拉伤。4.胶合磨损 若粘着结点强度比两金属的剪切强度高得多，而且粘着结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方。如：在主轴轴瓦摩擦副表面的磨损。此时，两表面都出现严重磨损，甚至使摩擦副咬死而不能相对滑动。,高速重载摩擦副中，由于接触峰点的塑性变形大和表面温度高，使粘着结点的强度和面积增大，通常产生胶合磨损。相同金属材料组成的摩擦副中，因为粘着结点附近的材料塑性变形和冷作硬化程度相同，剪切破坏发生在很深的表层，胶合磨损更为剧烈。,粘
11、着磨损模型：如下图所示。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为。如果表面处于塑性接触状态，则粘着结点承受的载荷为,3.3.2 粘着磨损机理,粘着磨损的计算公式设粘着结点沿剪切平面被破坏，因为在峰部受压时已经变形，所以迁移的磨屑可近似认为是个半球，半径为b。当滑动位移为2a时的磨损体积为。引入粘着磨损常数ks。体积磨损率,磨损常数ks用销盘磨损机测定的几种材料在干摩擦条件下的ks值。表中粘着磨损常数ks值远小于1，这说明在所有粘着结点中只有极少数发生磨损，而大部分粘着结点不产生磨屑。,一定速度下，当表面压力达到一定临界值，并经过一段时间的运行后，才会发生胶合。通
12、过观察不同材料的试件在四球机实验中磨痕直径的变化，可以反映出胶合磨损的情况。胶合载荷：在一定速度下，当载荷达到一定值时，磨痕的直径骤然增大时的载荷。临界载荷值随滑动速度的增加而降低。,3.3.3 影响粘着磨损的因素,1.载荷与速度,1钢-钢；2钢-铸铁；3钢-青铜。,仅载荷或者速度本身并不是直接导致粘着磨损的唯一原因，它们两者的影响是相关的。实验表明：当速度与载荷的乘积(即pv值)达到一定值时，就会产生粘着磨损，如果它们的乘积很大则会发生严重的粘着磨损胶合。载荷与速度的乘积与摩擦副间传递的功率成正比，因此可以认为，材料一定的摩擦副传递的功率是有限的。工程中常常要限制摩擦副的pv值。,载荷与速度
13、,pv值与摩擦副传递的功率成正比，也就是与摩擦损耗的功率成正比，摩擦过程中这些能量产生的热使表面温度升高。产生的热量在接触表面间不是均匀分布的，大部分的热量产生在表面接触点附近，形成了半球形的等温面。摩擦热产生于最外层的变形区，因此表面温度最高，表面温度可使润滑膜失效，而温度梯度引起材料性质和破坏形式沿深度方向变化。,2.表面温度,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，限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。从下图中可以看出：当表面温度达到临界值(约为80)时，磨损量和摩擦系数都将急剧增加。,塑性材料形成的粘着结点的破坏以塑性流动为主，它发生在离表面一定
14、的深度处，磨屑较大，有时长达3 mm，深达0.2 mm。脆性材料粘着结点的破坏主要是剥落，损伤深度较浅，同时磨屑容易脱落，不会堆积在表面上。根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，而塑性材料的破坏决定于剪切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大剪切应力却出现在离表面一定深度处，所以材料的塑性越高，粘着磨损越严重。,3.摩擦副材料,相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。异性金属或者互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损的能力较高。金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异性金属组成的摩擦副。多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。表面处理，金属表面上生
15、成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜将减少粘着效应，同时表面膜也限制了破坏深度，从而提高了抗粘着磨损能力。,胶合是最严重的磨损形式，出现在高速重载和润滑不良的场合，如齿轮蜗杆传动、滚动轴承和滑动轴承等摩擦副。被磨损表面凹凸不平，有时磨痕深达0.2 mm，表面材料堆积，使摩擦系数很高而且不稳定，并出现摩擦副“抱死”、“咬死”等现象。胶合磨损一旦发生就很严重，往往在几十亳秒内就导致摩擦副完全失效，所以应尽量避免。,3.3.4 胶合准则,pv准则形式简单，常用在非流体润滑的滑动轴承等零件的设计中，作为选择抗胶合材料的依据。但是其数据离散范围较大，有时达到50%，因此准确性较差。式中，p为Hertz最大应力
16、；v为相对滑动速度。根据工况条件pv在3.21031.5105 MPams之间变化。,pv准则,裂纹起源：疲劳微裂纹一般在有固有缺陷的地方最先出现。这些缺陷可能由机械加工造成(如切削痕、碰伤痕等)或由材料在冶炼过程中造成(如气孔、夹杂物等)。裂纹还可以在金属相和晶界之间形成。通常齿轮副、滚动轴承、凸轮副等零件比较容易出现表面疲劳磨损。非扩展性磨损：摩擦表面粗糙峰周围应力场变化所引起的微观疲劳现象属于非扩展性磨损。例如在磨合阶段的磨损属非扩展性磨损。扩展性磨损：若作用在两接触面上的交变接触压应力较大，而材料选择和润滑不合理时，将会产生扩展性的表面疲劳磨损，导致零部件迅速失效。,3.4 疲劳磨损,
17、按照磨屑和疲劳坑的形状，通常将表面疲劳磨损分为两种：点蚀：磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深的麻点。点蚀疲劳裂纹都起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形的疲劳坑。鳞剥：磨屑呈片状，凹坑浅而面积大；鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断裂，形成沿整个试件宽度上的浅坑。,3.4.1 表面疲劳磨损的种类,剥层磨损理论是以位错理论以及靠近表面金属的断裂和塑性变形为基础解释片状磨屑的形成机理。应力在疲劳磨损的初期阶段只形成微裂纹，无论有无润滑油存在，循环应力起主要作用；粘度裂纹萌生在表层，但很快扩展到表面，此后，润滑油的粘度对于裂纹扩展有重要影响。润滑油的粘度影响油
18、膜厚度。油压机理。,3.4.2 疲劳磨损机理(剥层理论),载荷大小决定了摩擦副的宏观应力场，直接影响疲劳裂纹的萌生和扩展，通常认为是决定疲劳磨损寿命的基本因素。应力循环速度越大，表面积聚的热量越多，温度就越高，使金属软化而降低力学性能，因此加速表面疲劳磨损。钢材中的脆性夹杂物，在循环应力作用下其与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。表面硬化钢的硬化层厚度太薄时，疲劳裂纹将出现在硬化层与基体的连接处，容易形成表层剥落。增加润滑剂粘度可以提高疲劳寿命是由于弹流油膜增厚，从而减轻粗糙峰互相作用的结果。摩擦表面的粗糙度与疲劳寿命密切相关。,3.4.3 影响疲劳磨损的因素,
19、接触疲劳现象具有很强的随机性，在相同条件下同一批试件的疲劳寿命之间相差很大。为了保证数据的可靠性，相同条件下的实验批量通常应大于10，并须按照统计学方法处理数据。式中，S为不损坏概率；L为实际寿命，通常以应力循环次数N表示；A为常数；称为Weibull斜率，对于钢材=1.11.5，纯净钢取高值。,3.4.4 接触疲劳寿命计算,轴承寿命试验机,采用专用的Weibull坐标纸，即纵坐标为双对数和横坐标为单对数。,对滚动轴承的寿命可写成,现象与机理：当金属摩擦副受到空气中的氧气或润滑剂中所含氧气的作用时，表面形成很薄的氧化膜。表面所生成的氧化膜被磨掉以后，又很快地形成新的氧化膜，所以氧化磨损是化学氧
20、化和机械磨损两种作用相继进行的过程。磨损表面特征：因为大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损形式，其损坏特征是在金属的摩擦表面沿滑动方向呈匀细磨痕。脆性氧化膜与基体连接的抗剪切强度较差，或者氧化膜的生成速度低于磨损速度时，它们的磨损量较大。当氧化膜韧性高，与基体连接处的抗剪切强度较高，或者氧化速度大于磨损率时，氧化膜能起减摩耐磨作用，所以氧化磨损量较小。,3.5 腐蚀磨损,3.5.1 氧化磨损,轻载荷下氧化磨损磨屑的主要成分是Fe和FeO，而重载条件下磨屑主要是Fe2O3和Fe3O4。载荷增大超过某一临界值时，磨损量随载荷的增大而急剧增加，磨损类型可能由氧化磨损转化为粘着磨损。干摩擦状态
21、下容易产生氧化磨损。加入润滑油可以减小表面氧化作用，使氧化层变薄，因而提高抗氧化磨损能力。,化工设备中工作的摩擦副在摩擦过程中，由于金属表面与酸碱、盐等介质发生化学反应或电化学反应而形成腐蚀磨损，例如化工设备中零件表面的磨损。腐蚀磨损的机理与氧化磨损类似，但腐蚀磨损的痕迹较深，磨损速度较快，磨屑呈颗粒状和丝状，它们是表面金属与周围介质的化合物。润滑油中含有腐蚀性化学成分，因此滑动轴承材料也会发生腐蚀磨损，首先在轴承表面上生成黑点，再逐渐扩展成海绵状空洞，并在摩擦过程中呈小块剥落。钨、钼两金属在温度超过 500时表面将形成保护膜，使摩擦系数减小，故钨、钼是抗高温腐蚀磨损的重要金属材料。其他由碳化
22、钨、碳化钛等组成的硬质合金都有较好的抗腐蚀磨损能力。,3.5.2 特殊介质腐蚀磨损,微动磨损是粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损等多种磨损形式的组合。典型的复合式磨损，在两个表面之间，由振幅很小（小于1mm）的相对振动而产生的磨损。在载荷的作用下，相互配合表面的接触峰点可能形成粘着结点。当接触表面受到外界微小振动时，虽然相对滑移量很小，通常在0.050.25 mm之间，但粘着结点将被剪切，随后剪切面逐渐被氧化并发生氧化磨损，产生红褐色Fe2O3的磨屑堆积在表面之间。,3.5.3 微动磨损,实验表明：不同配对材料的微动磨损率差异较大。对钢、铜配对摩擦副，在微小振幅下磨损系数随振幅增加。当振幅超过一定值
23、后振幅的影响减弱，磨损系数基本不变。,气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤，通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨、柴油机的缸套外壁等表面。当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸发压力时，将在固体表面附近形成气泡。溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡。当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时，气泡便破灭，在破灭瞬时产生极大的冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复作用，零件表面的材料发生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。,3.5.4 气蚀,减少气蚀的有效措施是防止气泡的产生。应使在液体中运动的表面具有流线形，避免在局部地方出现涡流，因为涡流区压力低，容易产生气
24、泡。适当减少液体中的含气量和液体流动中的扰动，会减少气泡的形成。选择适当的材料能够提高抗气蚀能力。通常强度高和韧性好的金属材料具有较好的抗气蚀性能(如金属材料中的不锈钢及非金属材料中的橡胶、尼龙等)。通过表面处理等措施提高材料的抗腐蚀性将减少气蚀破坏。,(1)由载荷所引起的摩擦副的磨损体积是变化的，它随压力的大小，表面粗糙度以及表面膜的性质而改变。(2)两固体的真实接触表面是不连续的，接触状态是间断的，并且局部体积产生塑性变形。(3)摩擦副材料的性质在摩擦过程中发生变化，往往与原材料的性能不同，因而材料的破坏条件也不断改变。(4)摩擦过程的摩擦条件是变化的，磨损形式也随着摩擦条件的变化而变化。,3.5.5 磨损计算的特点,磨损计算是一种特殊的方法，它计算的前提是要掌握磨损规律，要求研究指定的某种摩擦条件及指定的某种摩擦副。,
