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1、材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院吳志方吳志方E-mailE-mail：TelTel：63596309635963097 金屬磨損和接觸疲勞金屬磨損和接觸疲勞n n摩擦學(xué)：研究在相對運動中相互作用著的表面的科學(xué)與技術(shù)或理論與實踐。n n由摩擦、磨損與潤滑3部分組成。n n研究目的1、控制摩擦磨損；2、改善潤滑，達到節(jié)能降耗。輪胎壓痕(TEM 5000X)摩擦痕跡(350X)7.1 磨損概念磨損概念一、磨損n n摩擦(Friction)：兩個相互接觸的物體發(fā)生相對運動(或具有相對運動趨勢)時，在接觸面間產(chǎn)生切向運動阻力的現(xiàn)象，該阻力即為摩擦力。n n磨損

2、(Wear)：機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)致機件尺寸變化和質(zhì)量損失，造成表面損傷的現(xiàn)象。磨損磨損n n磨損的影響因素：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。n n按磨損機理分類：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、疲勞磨損(接觸疲勞)、腐蝕磨損和微動磨損。n n經(jīng)濟損失：磨粒磨損50%，粘著磨損15%；沖蝕磨損和微動磨損各8%；腐蝕磨損5%。磨損過程磨損過程1 1、跑合階段、跑合階段(磨合階段磨合階段)n n跑合的目的：磨掉不平高峰，增大接觸面積，提跑合的目的：磨掉不平高峰，增大接觸面積，提高承載能力。

3、磨合是逐漸加載、逐漸提速的過程。高承載能力。磨合是逐漸加載、逐漸提速的過程。2 2、穩(wěn)定磨損階段：磨損以平穩(wěn)而緩慢的速度進行，、穩(wěn)定磨損階段：磨損以平穩(wěn)而緩慢的速度進行，標志磨損條件保持相對穩(wěn)定。標志磨損條件保持相對穩(wěn)定。3 3、劇烈磨損階段：經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段，零件工作到、劇烈磨損階段：經(jīng)過穩(wěn)定磨損階段，零件工作到壽命期，磨損速度加快。壽命期，磨損速度加快。n n設(shè)計或使用機器，要力求縮短磨合期、延長穩(wěn)定設(shè)計或使用機器，要力求縮短磨合期、延長穩(wěn)定磨損期、推遲急劇磨損期的到來。磨損期、推遲急劇磨損期的到來。二、耐磨性二、耐磨性n n定義：材料抵抗磨損的性能。n n通常用磨損量表示，磨損量越小，耐

4、磨性越高。n n磨損量的測量：有稱重法和尺寸法兩種。n n相對耐磨性：7.2 磨損類型磨損類型一、粘著磨損1、磨損機理n n兩種材料表面某些接觸點局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強度發(fā)生粘合并拽開而產(chǎn)生的一種表面損傷磨損。n n特征：機件表面有大小不等的結(jié)疤。n n過程：粘著剪斷轉(zhuǎn)移再粘著。2、磨損量的估算、磨損量的估算n nArchard提出粘著磨損模型，得出其表達式 H即為軟材料的硬度；K為粘著磨損系數(shù)。3、影響因素、影響因素n n脆性材料的抗粘著能力比塑性材料高。n n金屬性質(zhì)越是相近，構(gòu)成摩擦副時磨損也越嚴重。n n通過表面化學(xué)熱處理起到減小粘著磨損的作用。n n改善潤滑條件。n n粘著磨損

5、嚴重時表現(xiàn)為膠合。4、改善粘著磨損耐磨性的措施、改善粘著磨損耐磨性的措施n n合理選擇摩擦副材料；n n避免或阻止兩摩擦副間直接接觸；n n為使磨屑多沿接觸面剝落，以降低磨損量，可采用表面滲硫、滲磷、滲氮等表面處理工藝等。二、磨粒磨損二、磨粒磨損1、磨損機理n n摩擦副的一方表面存在堅硬的細微凸起或在接觸面向存在硬質(zhì)粒子(從外界進入或從表面剝落)時產(chǎn)生的磨損。n n特征：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽。磨損機理磨損機理n n過程：可能是磨粒對摩擦表面產(chǎn)生的切削作用、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，而以某一損壞為主。n n機理：1)微觀切削磨損機理；2)

6、多次塑變導(dǎo)致斷裂的磨損機理；3)微觀斷裂磨損機理。2、磨損量估算、磨損量估算n n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：3、影響因素、影響因素n n材料自身的硬度及內(nèi)部組織。硬度越高，其抗磨粒磨損能力越好。馬氏體耐磨性最好，鐵素體最差。細化晶粒提高耐磨性。n n磨料的硬度、大小及形狀，磨粒的韌性、壓碎強度等。n n外界載荷大小、滑動距離及滑動速度。4、改善磨粒磨損耐磨性的措施、改善磨粒磨損耐磨性的措施n n對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應(yīng)增加材料硬度。n n根據(jù)機件服役條件，合理選擇耐磨材料。n n采用滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理。三、沖蝕磨損三、沖蝕磨損1 1、磨損機理、

7、磨損機理n n定義：流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度定義：流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。n n分類：氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕分類：氣固沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損和氣蝕磨損。磨損和氣蝕磨損。n n形成：一定速度的硬質(zhì)微粒反復(fù)作用，表面受法形成：一定速度的硬質(zhì)微粒反復(fù)作用，表面受法向力及切向力。如燃氣渦輪機葉片，水輪機葉片。向力及切向力。如燃氣渦輪機葉片，水輪機葉片。n n現(xiàn)象：表層金屬剝落，形成點蝕凹坑?，F(xiàn)象：表層金屬剝落，形成點蝕凹坑。2、影響因素、影響因素n n環(huán)境因素：如沖擊角、粒子

8、速度及濃度、沖擊時間、溫度及介質(zhì)。n n粒子性能：如粒度、形狀、硬度、密度、可碎性等。n n材料性能：如硬度、強度、韌性和物理性能。3、改善沖蝕磨損耐磨性的措施、改善沖蝕磨損耐磨性的措施n n設(shè)法減小入射粒子和介質(zhì)的速度。n n改變沖擊角以減輕沖蝕磨損。n n合理利用粒子濃度和粒度減輕沖蝕磨損。n n合理設(shè)計機件形狀。n n在保證良好設(shè)計條件時，應(yīng)盡可能選用沖蝕磨損抗力較高的材料及表面處理方法。四、腐蝕磨損四、腐蝕磨損n n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。n n腐蝕磨損因常與摩擦面之間的機械磨損(粘著磨損或磨粒磨

9、損)共存，故又稱腐蝕機械磨損。n n分類：氧化磨損，特殊介質(zhì)腐蝕磨損。氧化磨損氧化磨損n n過程：氧化膜形成又除去，機件表面逐漸被磨損。n n宏觀特征：在摩擦面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產(chǎn)物或為紅褐色的Fe2O3或為灰黑色Fe3O4。五、微動磨損五、微動磨損n n定義：接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往定義：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)生的磨損微動磨損。通常發(fā)生在一對復(fù)運動而產(chǎn)生的磨損微動磨損。通常發(fā)生在一對緊配合的零件。緊配合的零件。n n特征：摩擦副接觸區(qū)有大量紅色特征：摩擦副接觸區(qū)有大量紅色FeFe2 2OO3 3磨損粉末。磨損粉末。n n微動磨損量與材料性質(zhì)，滑

10、動振幅和施加載荷有微動磨損量與材料性質(zhì)，滑動振幅和施加載荷有關(guān)。關(guān)。n n滾壓，噴丸和表面熱處理都可因為表層產(chǎn)生壓應(yīng)滾壓，噴丸和表面熱處理都可因為表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，能有效地提高微動磨損與疲勞的抗力。力，能有效地提高微動磨損與疲勞的抗力。微動磨損的三個階段微動磨損的三個階段n nI：產(chǎn)生凸起塑性變形，由此形成表面裂紋和擴展，或去除表面污物形成粘著和粘著點斷裂；n nII：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；n nIII：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。7.3 磨損試驗方法磨損試驗方法n n實物磨損試驗：以實物零件在機器實際工作條件實物磨損

11、試驗：以實物零件在機器實際工作條件下進行試驗，或者用實物零件在模擬機械使用條下進行試驗，或者用實物零件在模擬機械使用條件的試驗臺上進行試驗。結(jié)果可靠性高，但時間件的試驗臺上進行試驗。結(jié)果可靠性高，但時間長，難于掌握和分析。長，難于掌握和分析。n n試樣磨損試驗：將欲試材料制成規(guī)定試樣，在規(guī)試樣磨損試驗：將欲試材料制成規(guī)定試樣，在規(guī)定的試驗條件下在專門設(shè)計的試驗機上進行試驗。定的試驗條件下在專門設(shè)計的試驗機上進行試驗。時間短、成本低、易掌握和控制，但可靠性不高。時間短、成本低、易掌握和控制，但可靠性不高。n n通常用秤量法或測長法確定磨損量。通常用秤量法或測長法確定磨損量。7.4 金屬接觸疲勞金

12、屬接觸疲勞一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力1、接觸疲勞現(xiàn)象n n接觸疲勞：工件(如齒輪、滾動軸承，鋼軌和輪箍，鑿巖機活塞和釬尾的打擊端部等)表面在接觸壓應(yīng)力的長期不斷反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象。n n宏觀形態(tài)：接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑)，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴展線的痕跡。2、接觸應(yīng)力、接觸應(yīng)力n n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。一般出現(xiàn)如下兩種情況：(1)兩接觸物體在加載前為線接觸(如圓柱與圓柱、圓柱與平面接觸)。(2)兩接觸物體在加載前為點接觸(如滾珠軸承)。二、接觸疲勞破壞機理二、接觸疲勞破壞機理n n接觸疲勞破壞分為點蝕、

13、淺層剝落、深層剝落三種主要類型。1、點蝕 通常把深度在0.10.2mm以下的小塊剝落叫做點蝕。裂紋一般起源于表面。剝落坑呈針狀或痘狀。2、淺層剝落 其剝落深度一般為0.20.4mm。3、深層剝落 這類剝落坑較深(0.4mm)、塊大。一般發(fā)生在表面強化的材料中，如滲碳鋼中。三、接觸疲勞試驗方法三、接觸疲勞試驗方法n n接觸疲勞試驗機上進行，試驗機目前國內(nèi)常用的主要有單面對滾式，雙面對滾式和止推式等幾種。四、影響接觸疲勞壽命的因素四、影響接觸疲勞壽命的因素n n接觸疲勞壽命首先取決于加載條件，特別是載荷大小。此外，還與許多其它因素有關(guān)，這里僅簡敘其中若干有代表性的因素。1、材料的冶金質(zhì)量2、熱處理和組織狀態(tài)：馬氏體含碳量；未溶碳化物的影響；硬度；殘余奧氏體的影響。