第三章__磨损及磨损机理

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第三章磨损及磨损机理第三章磨损及磨损机理概述物体摩擦表面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。在一般正常工作状态下，磨损可分三个阶段：a.跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。b.稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。c.剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动，摩擦温度迅速升高，说明零件即将失效。（如图3.1）磨损量跑合稳定磨损阶段剧烈图3.1磨损三个阶段的示意图摩擦行程（时间）机件磨损是无法避免的。但，如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧烈磨损的到来，是研究者致力的方向。影响磨损的因素很多，例如相互作用表面的相对运动方式(滑动、滚动、往复运动、冲击)，载荷与速度的大小，表面材料的种类、组织、机械性能和物理-化学性能等，各种表面处理工艺，表面几何性质(粗糙度，加工纹理和加工方法)，环境条件(温度、湿度、真空度、辐射强度、和介质性质等)和工况条件(连续或间歇工作)等。这些因素的相互影响对于磨损将产生或正或负的效果，从而使磨损过程更为复杂化。磨损过程涉及到许多不同的学科领域，由于具有跨学科的性质，至今还很难将它的规律解释清楚。已经有很多学者对磨损进行了大量的研究。3－38 第三章磨损及磨损机理如20世纪20年代，汤林森提出了分子磨损的概念，他认为两个粗糙表面在接触摩擦过程中相互接近，而一个表面上的原子被另一个表面俘获的现象就是磨损。霍尔姆在上述基础上作了进一步的发展，他指出摩擦材料的压缩屈服极限σb(即硬度)对耐磨性的影响很大。50年代初，奥贝尔(Oberle)从表层材料的机械破坏着眼，联系“切削”过程来解释磨损，他认为影响磨损的主要因素除硬度H外，还有材料的弹性模量E。处在弹性极限内的，变形越大，机械破坏越少，并提出用模数(m＝E/H×105)来反映材料的耐磨性，m值低则耐磨性好。冯(Feng)提出了机械性质相近的两表面上机械嵌锁作用导致界面上既粘连又犁削的观点。布洛克(Blok)认为软钢表面变得粗糙和发生塑性变形，是由于应力过高而引起的。拉宾诺维奇认为表面能与材料硬度之比，对于磨损是一个重要因素，它可能影响磨屑的大小。赫鲁晓夫提出了硬质微凸体在软表面上犁沟的模式图。有不少学者通过实验和观测发现，磨损是比原子量级大得多的数量级，大规模地发生着。拉宾诺维奇和阿查德(Archard)分别指出，磨损颗粒大约具有如实际接触斑点直径那样的数量级。拉宾诺维奇提出磨屑呈半球形，阿查德也认为磨屑具有一定的厚度。在滑动或滚动过程中，表面微凸体反复承载而发生疲劳脱落的现象，有人把它看作是一种磨损，克拉盖尔斯基(Крагельский)提出了形成磨屑的数学模式，木村好次(Kimura)等人的观点也属于这一类。苏(Suh)等人提出了由于应力重复作用和应变累积而引起材料转移的观点，他指出磨屑呈细片状而不是呈半球形，同时认为材料的整体性能(硬度)不是控制磨损的因素。关于磨损现象的解释，不同的论点都从某一角度描述了磨损某一方面的状况。还难以解释千变万化的磨损现象。随着表面微观分析仪器及电子计算技术的发展，人们对磨损的研究也由宏观进入亚微观，进而进入微观研究；由静态到动态，由定性到定量。但至今仍不能算很完善。本章主要讨论金属材料的磨损，关于非金属材料的磨损问题将稍加讲解。磨损的情况和程度，用磨损率来表示。磨损率是指单位时间，单位滑动距离,单位输出功，或每一转、每一次摆动中表面材料的磨损量。磨损量可用质量、体积或厚度来度量。3－38 第三章磨损及磨损机理3.1磨损类型关于磨损的分类也有各种观点。这里采用伯韦尔(Burwell)的观点根据磨损机理的不同，把粘着磨损，磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损列为磨损的主要类型，而把表面侵蚀，冲蚀等列为次要类型。这些不同类型的磨损，可以单独发生，相继发生或同时发生（为复合的磨损形式）。3.1.1粘着磨损摩擦副相对运动时，由于接触点上的固相焊合，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损。①粘着磨损机理由摩擦的粘着理论可知，金属表面微凸体在法向载荷的作用下，当顶端压力达到屈服强度时，就会发生塑性变形而使接触面扩大，直到实际接触面积大到足以支承外载荷时。相对滑动时，界面膜破裂，就会在接触处形成“冷焊”接点。继续滑动又会将接点剪断，随后再形成新的接点。在不断的剪断和形成新的接点的过程中，发生了金属磨损。磨损量的大小取决于节点处被剪断的位置。如剪切发生在界面上，则磨损轻微；如发生在界面以下，则会使金属从一个表面转移到另一个表面。继续摩擦时，这部分转移物就可能成为磨屑。如表面有污染膜，吸附膜等表面膜存在时，磨损轻微。由于表面膜的抗剪强度较低，接触点处的表面膜很容易遭到破坏，使新鲜的金属表面得以暴露，加上摩擦热的影响，金属间形成了很强的粘着，运动时必须剪断这些金属粘着点，造成表面损伤，严重时甚至可以咬死。综上所述，可以将粘着磨损的过程作如下的描述：接触——塑性变形——表面膜（包括油膜）破裂——粘着（冷焊）——剪断接点——再粘着的循环过程。②粘着磨损的分级根据剪断位置的不同，表面损伤程度的不同，又可将粘着磨损分为以下几个等级（如表3.1所列）：3－38 第三章磨损及磨损机理表3.1粘着磨损的分类级别破坏现象损坏原因轻微磨损剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微粘着结合处强度比摩擦副的两基体金属都弱涂抹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粘着结合处强度大于较软金属的剪切强度擦伤剪切破坏主要发生在较软金属的亚表层内；有时硬金属亚表面也有划痕粘着结合处强度比两金属基体都高，转移到硬面上的粘着物质又拉削软金属表面撕脱（深掘）剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处粘着结合处强度大于任一基体的剪切强度，剪切应力高于粘着结合强度咬死摩擦副之间咬死，不能相对运动粘着结合处强度比任一基体金属的剪切强度都高，而且粘着区域大，剪切应力低于粘着结合强度③粘着磨损规律a.阿查德（Archard）的磨损量计算式他假设在一系列等高度，大小相仿的半球状微凸体上形成磨屑（见图3.2）。设单个微凸体的接触面积的半径为r，面积为πr2，则所支承的载荷Ni=σb·πr2。如滑动距离为一个直径长2r时，则剪断的半球状微凸体的体积（半个球的体积）。在此2r距离中的磨损率为设n为接触表面间的接触点数，则滑动了L这么长距离后的总磨损量为：图3.2阿查德的微凸体相遇模式所受的载荷为N，将代入上式，则得：以上是假定每个接触的微凸体都被剪断而形成磨屑（磨损量）。而实际上尚有一个概率，用系数k来表示：如滑动距离L设为1个单位长度，将单位长度的磨损量定义为磨损率3－38 第三章磨损及磨损机理式中：Q总磨损量；N法向载荷；L滑动距离；σb材料的压缩屈服极限（硬度）。根据以上结果，可以得出以下结论：⑴磨损量与滑动距离成正比；⑵磨损量与法向载荷成正比，而与表观面积无关；⑶磨损量与较软材料的压缩屈服极限（硬度）成反比；⑷滑动速度大体上对磨损量没有影响。但是实验证明，磨损量与法向载荷成正比只适用于法向载荷较小的情况下，当载荷大到接触面上平均压应力超过3σb时，磨损会急剧增大。另外很多实验也表明，速度对于各种材料的不同磨损类型都存在着一定的影响。同时，阿查德的公式中没有说明表面膜对粘着磨损的影响，计算式中没有反应出表面几何性质、表面加工状况、磨合等因素的影响。图3.3吉本-筑添的表面接触模型Nb.吉本（Yoshimoto）与筑添（Tsukizoe）的计算式考虑到几何因素的影响，他们假定微凸体呈锥状。锥底直径为2r，高度不等，都具有相同的锥底角θ。与理想平滑的表面摩擦（见图3.3）。他们的推导思路和方法与阿查德相同。唯每个微凸体的形状为锥体：总磨损量此式中考虑了几何性质的因素——tgθ，从式中可以看出，当表面越光滑(θ越大)，tgθ越小，磨损量就越小。经过试验证明，基本上与计算值相符。c.罗厄（Rowe）对阿查德方程的修正罗厄考虑了表面膜的影响，有表面膜存在时金属直接接触的面积只是真实接触面积的一部分。即式中：β称为表面膜分隔缺陷系数；3－38 第三章磨损及磨损机理Am金属直接接触的面积；Ar真实接触面积（包括有表面膜分隔的面积）。表面膜（包括油膜）缺损多时，β趋向于1。表示几乎全是金属直接接触。阿查德的磨损量计算公式为：罗厄的修正公式为：根据修正的粘着摩擦理论，真实接触面积则式中：km为概率系数，但与阿查德的k数值不同，主要是考虑了表面几何因素等；μ为摩擦系数；α由剪切力引起的接触面积增大系数，它满足以下关系：σ2+ατf2=σb2σ压应力；τf表面膜的剪切强度；σb压缩屈服极限。将上式写成：式中：k’被定义为磨损系数。与接触产生的概率、摩擦副的材料、几何性质、表面膜的破损程度等因素有关。图3.4粘着磨损的特征从罗厄和阿查德的公式中都有说明磨损量与法向载荷成正比，与较软材料的硬度成反比。这正好与粘着摩擦理论相一致。在罗厄的修正公式中，包含了剪切力的影响和表面膜的影响。如表面膜损伤系数很小，则磨损量就会大大降低。d.威尔士（Welsh）的研究考虑了温度的影响。威尔士认为，随着载荷与滑动速度的改变，会引起摩擦表面温度的升降，从而造成粘着磨损特征的明显变化（图3.4）。⑴温度在T1以下时，磨屑基本上是氧化物，属于轻磨损；3－38 第三章磨损及磨损机理⑵温度超过T1，进入严重磨损，特征是磨屑由金属之间焊合后再剪断而产生的，表明此时表面上在轻载时建立的氧化膜破裂，磨损由亚表层的塑性变形造成。T1是从轻微磨损到严重磨损的转变点。⑶当温度到达T2后，由于表面温度相当高，约有90％的塑性变形能转为热能。如果这些热保留在摩擦副中，则会出现高达1000℃的瞬现温升（约在10-3s内）。这样的温度足够引起表面层的相变（如出现“白层”结构）它将阻碍塑性变形的发展，并能帮助建立氧化膜。这时的磨损率又显著下降。⑷温度再升高到T3，此时可使表面层迅速变成硬化状态。在表面上形成氧化层为主要反应，而不发生金属转移。所以磨损率又下降。但他并没有解释为何到更高温度时磨损率又向上。e.查尔德（Child）的研究他研究了载荷与速度对软钢-软钢无润滑条件下的磨损状态（见图3.5），表明磨损随工作条件的改变而发生转化。图3.5磨损的转化⑴在低速低载荷范围（A区），金属表面发生硬化，并降低了粗糙度。在氧化膜的保护下，磨损基本上属于氧化膜的机械磨损。⑵速度和载荷稍高（B区），氧化膜有可能破裂而产生严重的金属转移及磨损。⑶在更高的速度下（C区），由于摩擦热引起氧化及相变硬化，又恢复了氧化膜的保护作用。⑷当速度再提高（D区），由于温度升高，严重的表面软化现象又可以引起严重磨损。⑸速度再高（E区），则又出现氧化膜起主导作用的现象。这两个试验表明了温度对磨损的重要作用。由于金属材料在不同的温度下会产生不同的相转变（组织变化），从而改变了表面的硬度，使磨损不符合前面所说的规律。不过，摩擦副在使用过程中，不允许温升过高，也不应该进入严重磨损区。前面所述的磨损规律还是具有实际应用价值的。3.1.2磨料磨损硬质颗粒或表面上硬的凸体在摩擦过程中引起的材料脱落称为磨料磨损。3－38 第三章磨损及磨损机理磨料磨损包括三种情况：①在磨料中工作的零件，磨料对零件表面的作用。如与泥沙接触的犁，推土机的刀片，石油钻探机的钻头（二体磨损）；②外来的坚硬颗粒夹在两个摩擦面之间滑动所造成的（三体磨损）。外来的磨料可以是磨损脱落的磨屑，也可以是环境中的灰砂尘土；③粗糙而坚硬的表面在较软表面上滑动所造成的。①磨料磨损的分类（见表3.2）表3.2磨料磨损的分类类型产生条件破坏形式实例凿削式磨料磨损磨料对材料表面产生高应力碰撞（见图3.6）从材料表面上凿削下大颗粒的金属。被磨表面有较深的沟槽挖掘机斗齿，破碎机锤头等零件的表面破坏高应力碾碎式磨料磨损磨料与金属表面接触处的最大压应力，大于磨料的压溃强度（见图3.7）一般金属材料被拉伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳，脆性材料发生碎裂或剥落球磨机衬板与钢球，轧碎机滚筒等零件的表面破坏低应力擦伤磨料磨损磨料作用于表面的应力不超过磨料的压溃强度（见图3.8）材料表面产生擦伤（或微小切削痕）。犁铧，运输槽板及机械零件被砂尘污染的摩擦表面图3.6凿削式磨料磨损3－38 第三章磨损及磨损机理图3.7高应力碾碎式磨料磨损图3.8低应力擦伤磨料磨损②磨料磨损的机理a.三种假说⑴微量切削（表面分子作用）假说：磨损是由于磨料颗粒在金属表面发生的微量切削。磨粒压入的深度在表面膜厚度的范围内，表面上几乎看不到磨损。⑵疲劳破坏假说：磨料在金属表面上产生交变的接触应力，使材料处于疲劳状态而从表面断裂。断裂是磨损速率的控制因素。⑶压痕假说：磨损是由于硬质磨料对塑性材料表面引起压痕，从表面上挤出的剥落物。塑性变形是磨损速率的控制因素。图3.9锥状微凸体在软表面上犁沟b.磨料磨损的模型可以将磨料看作是具有锥形的硬质颗粒在软材料上滑动，犁出一条沟，一部分金属被挤到沟的两边，另一部分则磨成磨屑。图3.9所示为锥状微凸体在软表面上犁沟的简图。压入深度为h，锥底直径为2r（即犁出的沟槽宽度）。在垂直方向的投影面积为πr2（圆面积），软材料的压缩屈服极限σb，法向载荷N。滑动时只有半个锥面（前进方向的锥面）承受载荷。共有n个微凸体。则所受的法向载荷N为：将犁去的体积作为磨损量，如滑动距离为L，则单位滑动距离的磨损量（体积磨损量为Q）w（磨损率）为：水平方向的投影面积为一个三角形。磨损量：Q＝nhrL,3－38 第三章磨损及磨损机理则ka不仅包含了微凸体的形状因素，还包含磨损类型的区别。一般二体磨损（零件在磨料中工作）数值较大；三体磨损（磨粒夹在摩擦面之间）则数值较小。此式与粘着磨损有同样的形式：磨损率与法向载荷成正比，与软材料的硬度呈反比。c.磨屑形成机理磨料磨损的过程实质上是材料表面在磨料的作用下局部区域发生变形、断裂的过程。在此过程中，磨料对金属接触表面的作用力，可分解为垂直于表面和平行于表面的两个分力。垂直分力的作用是使磨料压入表面；平行分力的作用是使磨料在金属表面上作切向运动，引起表面切向变形和断裂。形成磨屑。由于条件不同，磨屑形成的机理也不同。有三种形式列于表3.3中。表3.3磨料磨损的磨屑磨屑形式形成条件形成机理塑性磨屑尖锐有棱角的磨料在塑性材料上连续切削。以凿削性磨损为主被削表面塑性变形后留有沟槽，作用力大沟槽深，磨屑呈连续状疲劳磨屑1.磨料硬而棱角不尖锐，压入金属表面，直接形成断屑。凿削性磨损中也有这类磨屑金属被磨料犁皱而不成犁沟。被移动的金属反复疲劳变形形成磨屑2.高应力碾碎性磨损中磨料被金属碾碎，刺入金属表面磨料以很大的压应力刺入表面，使金属发生变形并前后移动，形成疲劳磨屑3.硬质冲击磨料作用下，金属表面形成凹凸不平的圆坑反复冲击后，圆坑之间的金属多次变形，形成疲劳磨屑脆性磨屑磨料作用在脆性材料上，应力超过材料强度极限脆性材料不发生塑性变形而直接产生裂纹，随后裂纹扩展，形成碎片状磨屑③影响磨料磨损的因素a.金属材料硬度的影响一般来说，材料的硬度越高越好；前苏联的研究工作者赫鲁晓夫（М.М.Хрущов3－38 第三章磨损及磨损机理）认为材料硬度是磨料磨损最重要的参数。图3.10表示了体积磨损Q与材料硬度Hm和磨粒硬度Ha之间的关系。图3.10磨料和材料硬度对磨料磨损的影响QHm≥1.3Ha为Ⅰ区,低磨损状态；0.8Ha