材料力学性能 第七章 金属磨损和接触疲劳 材料力学性能 讲义 课件

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1、材料力学性能7/3/20211安徽工业大学材料科学与工程学院第七章金属磨损和接触疲劳7/3/20212安徽工业大学材料科学与工程学院磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机件失效是磨损引起的。因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。7/3/20213安徽工业大学材料科学与工程学院

2、第一节磨损概念一、磨损定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的现象。磨损的影响因素：摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工作温度。7/3/20214安徽工业大学材料科学与工程学院机件的正常磨损通常分为三个阶段：7/3/20215安徽工业大学材料科学与工程学院二、耐磨性通常用磨损量表示材料的耐磨性磨损量可用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示，称为线磨损也可用试样体积或质量损失率来表示，称为体积磨损或质量磨

3、损如果测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等，称为比磨损量有时还可用磨损量的倒数来表征材料的耐磨性相对磨损性：（标准试样的磨损量）/（被测试样的磨损量，其倒数也称为磨损系数7/3/20216安徽工业大学材料科学与工程学院第二节磨损模型一、粘着磨损二、磨粒磨损三、腐蚀磨损7/3/20217安徽工业大学材料科学与工程学院一、粘着磨损磨损机理粘着磨损定义：又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。这是由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强

4、度而产生的一种磨损。7/3/20218安徽工业大学材料科学与工程学院摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一方金属表面，然后脱落形成磨屑。一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。7/3/20219安徽工业大学材料科学与工程学院右图是粘着点强度比摩擦副一方金属强度高的情况，此时常在较软一方体

5、内产生剪断，其碎片转移至较硬一方的表面上，软方金属在硬方表面逐步累积最终不同金属的摩擦副滑动成为金属间的滑动，所以磨损量较大，表面较粗糙，可能产生咬死现象。7/3/202110安徽工业大学材料科学与工程学院2.磨损量的计算在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度σsc的三倍。如果接触处因压应力很高，超过3σsc产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为3σsc，作用于表面上的法向力为F，则有：假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点

6、尺寸相同，直径也是d，则所以7/3/202111安徽工业大学材料科学与工程学院假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损体积为：所以：积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离内的粘着磨损体积为：7/3/202112安徽工业大学材料科学与工程学院3影响因素塑性材料比脆性材料易于粘着；互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；单相金属比多相金属粘着倾向大；化合物比固溶体粘着倾向小；金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副不易粘着。在摩擦速度一定时，粘

7、着磨损量随法向力的增加而增加。试验表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大影响。7/3/202113安徽工业大学材料科学与工程学院(1)摩擦副配对材料的选择基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属等配对。(2)采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行渗碳

8、、磷化、氮碳共渗处理等。(3)控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。4改善粘着磨损耐磨性的措施7/3/202114安徽工业大学