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第一章第一章摩擦学基础知识摩擦学基础知识 （磨损）（磨损）概述：概述：1.1定义定义：摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或产摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或产生残余变形的现象。表面物质运动主要包括机械运生残余变形的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。动、化学作用和热作用。(1)(1)机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表 面的物理变形。面的物理变形。(2)(2)化学作用使摩擦表面发生性状的改变。化学作用使摩擦表面发生性状的改变。(3)(3)热作用使摩擦的表面发生形状的改变。热作用使摩擦的表面发生形状的改变。(4)(4)其他作用造成各种作用的产生。其他作用造成各种作用的产生。1.21.2 磨损的危害：磨损的危害：(1)(1)影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。(2)(2)降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。磨损，导致功率不能充分发挥。(3)(3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。断齿、钢轨磨损。(4)(4)消耗材料消耗材料,造成机械材料的大面积报废。造成机械材料的大面积报废。1.31.3 研究内容：研究内容：(1)(1)磨损类型及发生条件、特征和变化规律。磨损类型及发生条件、特征和变化规律。(2)(2)影响磨损各种因素，包括材料、表面形影响磨损各种因素，包括材料、表面形 态、态、环境、滑动速度、载荷、温度等。环境、滑动速度、载荷、温度等。(3)(3)磨损的物理模型、计算及改善措施。磨损的物理模型、计算及改善措施。(4)(4)磨损的测试技术与实验分析方法。磨损的测试技术与实验分析方法。1.4 1.4 磨损过程的一般规律：磨损过程的一般规律：1.1.磨损过程曲线：典型磨损曲线通常由三种不同的磨损过程曲线：典型磨损曲线通常由三种不同的磨损变化阶段组成。磨损变化阶段组成。(1)(1)磨合阶段磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加磨损量随时间的增加而增加。出现出现在初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体在初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。接触面积小，接触应力大，磨损速度快。(2)(2)稳定磨损阶段：稳定磨损阶段：摩擦表面磨合后达到稳定状摩擦表面磨合后达到稳定状态，磨损率保持不变态，磨损率保持不变。标志磨损条件保持相对标志磨损条件保持相对稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。(3)(3)剧烈磨损阶段：剧烈磨损阶段：工作条件恶化，磨损量急剧工作条件恶化，磨损量急剧增大。增大。精度降低、间隙增大，温度升高，产生精度降低、间隙增大，温度升高，产生冲击、振动和噪声，最终导致零部件完全失效。冲击、振动和噪声，最终导致零部件完全失效。非典型磨非典型磨损曲线损曲线 2.2.磨损特性曲线磨损特性曲线-浴盆曲线浴盆曲线典型浴典型浴盆曲线盆曲线1.5 1.5 磨损、摩擦和润滑的关系磨损、摩擦和润滑的关系油膜膜油膜膜厚比厚比磨损类型磨损类型2.1磨损磨损类型类型2.2 2.2 表面破坏方式及特征表面破坏方式及特征破坏方式破坏方式 基基 本本 特特 征征微动磨损微动磨损磨磨损损表表面面有有粘粘着着痕痕迹迹，铁铁金金属属磨磨屑屑被被氧氧化化成成红红棕棕色色氧氧化化物物，通通常作为磨料加剧磨损。常作为磨料加剧磨损。剥剥 层层破破坏坏首首先先发发生生在在次次表表层层，位位错错塞塞积积，裂裂纹纹成成核核，并并向向表表面面扩扩展展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。胶胶 合合表表面面存存在在明明显显粘粘着着痕痕迹迹和和材材料料转转移移，有有较较大大粘粘着着坑坑块块，在在高高速速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。咬咬 死死黏黏着着坑坑密密集集，材材料料转转移移严严重重，摩摩擦擦副副大大量量焊焊合合，磨磨损损急急剧剧增增加加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。摩擦副相对运动受到阻碍或停止。点点 蚀蚀材料以极细粒状脱落，出现许多材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。研研 磨磨 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划划 伤伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。凿凿 削削存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成2.3.2.3.表面破坏方式与机理对应关系表面破坏方式与机理对应关系粘着磨损粘着磨损1 1 定义定义:当摩擦副相对滑动时当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应所形成结由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨点发生剪切断裂，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，此类屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。磨损称为粘着磨损。2 2 粘着磨损粘着磨损机理：机理：在载荷的作用下，相互接触微凸体承受很在载荷的作用下，相互接触微凸体承受很高的压力，首先发生变形，部分地方发生焊高的压力，首先发生变形，部分地方发生焊接。当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸接。当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑过发生转移。如撕断处在焊接的部位，不发过发生转移。如撕断处在焊接的部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位，生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位，则发生物质的转移。则发生物质的转移。粘着粘着-剪断剪断-转移转移-再粘着再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。循环不断进行，构成粘着磨损过程。3 3五类典型粘着磨损五类典型粘着磨损 (1)(1)轻微磨损轻微磨损:粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切切强度都低，强度都低，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。轻微。(2)(2)涂抹涂抹:粘着结合强度大于较软金属抗剪粘着结合强度大于较软金属抗剪切切强度，小于较强度，小于较硬金属抗剪硬金属抗剪切切强度。剪切破坏发生在离粘着结合面强度。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不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面。(3)(3)擦伤：擦伤：粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表层内层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。(4)(4)划伤：划伤：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合强度。剪切破坏发生在摩擦切应力高于粘着结合强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。(5)(5)咬死咬死：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低于粘着度都高，粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。不能相对运动。4 4 简单粘着简单粘着磨损计算磨损计算(Archard模型模型)：1.1.磨损量与滑动距离成正比：磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件。适用于多种条件。2.2.磨损量与载荷成正比：磨损量与载荷成正比：适用于有限载荷范围。适用于有限载荷范围。3.3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比：磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比：*实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才 能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬 死等情况。死等情况。三条粘着磨损规律：三条粘着磨损规律：5 粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素(1)(1)摩擦副材料：摩擦副材料：a:a:材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。*塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生 在表层深处，磨损颗粒大。在表层深处，磨损颗粒大。*脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。*根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。b:b:材料的互溶性：材料的互溶性：？相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。粘着磨损。？异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。磨损能力较高。？金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦副异体金属摩擦副 。c:c:材料的组织结构和表面处理：材料的组织结构和表面处理：-多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。通过表面处理技术在金属表面生成硫高。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。高抗粘着磨损的能力。d:d:材料的硬度：材料的硬度：硬度高的金属比硬度低的硬度高的金属比硬度低的 金属抗粘着能力强，表面金属抗粘着能力强，表面 接触应力大于较软金属硬接触应力大于较软金属硬 度的度的1/31/3时，很多金属将由时，很多金属将由 轻微磨损转变为严重的粘轻微磨损转变为严重的粘 着磨损。着磨损。e:e:表面粗糙度：表面粗糙度：一般情况下，一般情况下，降低摩擦副的表面粗糙度能降低摩擦副的表面粗糙度能 提高抗粘着能力。提高抗粘着能力。硬度的影响硬度的影响(2)(2)外部环境条件：外部环境条件：a:a:润滑条件：润滑条件：在润滑油或润滑脂中加入油性或极压在润滑油或润滑脂中加入油性或极压添加剂；选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降添加剂；选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降低表面温度；改善表面形貌以减少接触低表面温度；改善表面形貌以减少接触 压力等都压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。可以提高抗粘着磨损的能力。b:b:相对滑动速度：相对滑动速度：载荷一定的情况下，粘着磨损量载荷一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加，表面温度升高，表面生成的氧化膜阻止了金属加，表面温度升高，表面生成的氧化膜阻止了金属间的直接接触，减少了粘着磨损。间的直接接触，减少了粘着磨损。c:c:载荷的影响：载荷的影响：当载荷增大到某一临界当载荷增大到某一临界 值后，粘着磨损量会急值后，粘着磨损量会急 剧增加。右图是四球机剧增加。右图是四球机 磨痕直径的变化，当载磨痕直径的变化，当载 荷达到一定值时，磨痕荷达到一定值时，磨痕 直径迅速增大，此载荷直径迅速增大，此载荷 称为胶合载荷。称为胶合载荷。d:d:表面温度：表面温度：温度主要导致摩擦表面：温度主要导致摩擦表面：(1)(1)表面性质发生变化：表面性质发生变化：如硬化、相变或软化。如硬化、相变或软化。(2)(2)表面膜变化：表面膜变化：破坏表面膜，导致氧化膜或其它破坏表面膜，导致氧化膜或其它形式化合物膜形成。形式化合物膜形成。(3)(3)润滑剂的性质发生变化润滑剂的性质发生变化：油膜氧化或热降解，：油膜氧化或热降解，油膜离析，分子链位向消失。一般情况下，温度升油膜离析，分子链位向消失。一般情况下，温度升高，材料硬度下降，在不考虑其它因素的作用时，高，材料硬度下降，在不考虑其它因素的作用时，摩擦表面容易产生粘着磨损。摩擦表面容易产生粘着磨损。磨粒磨损磨粒磨损1 1 定义定义:摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。2 2 磨料磨损分类及其磨损特征：磨料磨损分类及其磨损特征：分类分类 类型类型 特特 征征实例实例 磨料磨料 固定固定 形态形态 自由自由 磨损磨损磨粒自由松散，可以在表面磨粒自由松散，可以在表面滑动或滚动，磨粒之间也有滑动或滚动，磨粒之间也有相对运动。相对运动。刮板、输刮板、输送机溜槽送机溜槽 固定固定 磨损磨损磨料固定，在磨损表面作相磨料固定，在磨损表面作相对滑动，磨料可以是小颗粒，对滑动，磨料可以是小颗粒，也可以是很大的整体颗粒。也可以是很大的整体颗粒。采煤机截采煤机截齿、挖掘齿、挖掘机斗齿机斗齿接接触触表表面面两体两体磨损磨损硬磨料或硬表面微凸体与一硬磨料或硬表面微凸体与一个摩擦表面对磨的磨损个摩擦表面对磨的磨损犁铧、水犁铧、水轮机轮叶轮机轮叶三体三体磨损磨损磨粒介于两摩擦表面之间，磨粒介于两摩擦表面之间，并在两表面间滑动并在两表面间滑动齿轮、滑齿轮、滑动轴承间动轴承间力力的的作作用用特特点点划伤划伤磨损磨损磨料的作用应力低于其压溃磨料的作用应力低于其压溃强度，材料表面被轻微划伤强度，材料表面被轻微划伤犁铧、输犁铧、输送机溜槽送机溜槽碾压碾压磨损磨损磨料与表面接触最大压应力磨料与表面接触最大压应力大于磨料的压溃强度大于磨料的压溃强度破碎滚筒破碎滚筒球蘑机球球蘑机球凿削凿削磨损磨损磨料对表面有高应力冲击运磨料对表面有高应力冲击运动，材料表面被凿削动，材料表面被凿削颚式破碎颚式破碎机齿板机齿板相相对对硬硬度度硬料磨损硬料磨损磨料硬度大于材料硬度磨料硬度大于材料硬度石英石英-钢材钢材软料磨损软料磨损磨料硬度低于材料硬度磨料硬度低于材料硬度 矿石矿石-钢钢磨磨料料特特性性 干磨损干磨损磨料是干燥的磨料是干燥的球磨机干磨球磨机干磨湿料磨损湿料磨损磨料含水分，加速磨损磨料含水分，加速磨损球磨机湿磨球磨机湿磨流体磨损流体磨损气或液体带磨料冲刷表面气或液体带磨料冲刷表面泥浆泵等泥浆泵等工工作作环环境境一般磨损一般磨损正常条件下的磨料磨损正常条件下的磨料磨损各类机械各类机械腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀介质中的磨料磨损腐蚀介质中的磨料磨损化工机械等化工机械等热料磨损热料磨损高温工作下的磨料磨损高温工作下的磨料磨损沸腾炉等沸腾炉等3 磨粒磨损机理磨粒磨损机理(1)(1)微观切削微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面，：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、犁皱和切削，产生槽状磨痕。剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。(2)(2)挤压剥落挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状剥落碎屑。鳞片状剥落碎屑。(3)(3)疲劳破坏疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触：摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。4 4 磨粒磨损简化模型计算：磨粒磨损简化模型计算：简单的计算方法根据简单的计算方法根据微观切削机理微观切削机理得出，即拉宾诺得出，即拉宾诺 维奇维奇(Rabinowicz)(Rabinowicz)模型模型:假定单颗磨粒形状为圆假定单颗磨粒形状为圆 锥体，半角为锥体，半角为 ，载荷为，载荷为W W，压入深度，压入深度h h，滑动距滑动距 离为离为S S，屈服极限屈服极限s s。5 影响磨粒磨损的因素：影响磨粒磨损的因素：(1)(1)硬度因素：硬度因素：磨料硬度磨料硬度H0与试件硬度与试件硬度H比比值值:当磨料硬度低于试件硬当磨料硬度低于试件硬度度,即即H0 (0.71)H不产生不产生磨料磨损或产生轻微磨损。磨料磨损或产生轻微磨损。当磨料硬度超过试件硬度后，当磨料硬度超过试件硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。磨损量随磨料硬度而增加。若磨料硬度很高将产生严重若磨料硬度很高将产生严重磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当 H 1.3 H0 时时只发生轻微的只发生轻微的 磨料磨损。磨料磨损。（2 2）磨粒尺寸：）磨粒尺寸：一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大约为临界尺寸大约为80m80m。磨粒尺寸影磨粒尺寸影响响（3 3）载荷的影响：）载荷的影响：磨损率与压力成正比，但有一转折点，磨损率与压力成正比，但有一转折点，当压力达到或超过临界压力时，磨损率随压力的增加当压力达到或超过临界压力时，磨损率随压力的增加变的平缓。变的平缓。载荷载荷冲蚀磨损冲蚀磨损1.1.定义：定义：流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。料表面进行冲击造成的磨损。2.2.冲蚀磨损理论：冲蚀磨损理论：（1 1）塑性材料切削理论）塑性材料切削理论:芬尼于芬尼于19581958年首次提出年首次提出塑性塑性材料切削理论。认为磨粒如同一把微型刀具，当材料切削理论。认为磨粒如同一把微型刀具，当划过材料表面时，把材料表面切除而产生的磨损。划过材料表面时，把材料表面切除而产生的磨损。理论分析材料的磨损体积为：理论分析材料的磨损体积为：V=KmvV=Kmv2 2f()/Pf()/P 其中其中 V V 材料的磨损体积，材料的磨损体积，m m冲蚀磨粒的质量冲蚀磨粒的质量 v v磨粒的冲蚀速度磨粒的冲蚀速度 磨粒的冲击角磨粒的冲击角 P P 材料的流动应力材料的流动应力 K K 常数常数 *可以看到，材料的磨损体积与磨粒的质量和速可以看到，材料的磨损体积与磨粒的质量和速度成正比，与材料的流动应力成反比，并与冲击度成正比，与材料的流动应力成反比，并与冲击角有一定的关系。研究结果表明，对于塑性材料、角有一定的关系。研究结果表明，对于塑性材料、多角形磨粒、小冲击角的多角形磨粒、小冲击角的冲蚀磨损，该模型非常冲蚀磨损，该模型非常适用。否则，则存在偏差。适用。否则，则存在偏差。（2 2）脆性材料的断裂理论：）脆性材料的断裂理论：脆性材料在脆性材料在磨粒冲蚀磨粒冲蚀 下不产生变形，主要下不产生变形，主要 以断裂破坏的形式产以断裂破坏的形式产 生磨损。当磨粒尺寸生磨损。当磨粒尺寸 较大时，磨损量随冲较大时，磨损量随冲 击角的增大而增加，击角的增大而增加，冲击角为冲击角为9090度时，磨度时，磨 损量最大。损量最大。（3 3）变形磨损理论：变形磨损理论：比特比特19631963年提出：该理论把冲蚀磨损分为变年提出：该理论把冲蚀磨损分为变形磨损和切削磨损。认为形磨损和切削磨损。认为9090度冲角下的冲蚀度冲角下的冲蚀磨损与粒子冲击靶材的变形有关，磨损与粒子冲击靶材的变形有关，19721972年，年，谢尔登和凯希尔利用单颗粒冲蚀磨损实验证谢尔登和凯希尔利用单颗粒冲蚀磨损实验证实。实。（4 4）薄片剥落理论：）薄片剥落理论：莱维等人提出：莱维等人提出：认为冲蚀磨损时，形成薄认为冲蚀磨损时，形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该表片的大应变出现在很薄的表面层中，该表面由于绝热剪切变形而被加热到金属的退面由于绝热剪切变形而被加热到金属的退火温度，于是形成了一个软的表面层，其火温度，于是形成了一个软的表面层，其下面有一个由于材料塑性变形而产生的加下面有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区，该区的形成对表面层薄片的形工硬化区，该区的形成对表面层薄片的形成有促进作用，在反复的冲击和挤压变形成有促进作用，在反复的冲击和挤压变形作用下，材料表面形成薄片而剥落。作用下，材料表面形成薄片而剥落。3.3.影响冲蚀磨损的主要因素影响冲蚀磨损的主要因素（1 1）冲击粒子的特性：）冲击粒子的特性：硬度：硬度：磨损量是硬度的函数。磨损量是硬度的函数。形状：形状：同样条件下，尖角磨粒比球形磨粒产生更同样条件下，尖角磨粒比球形磨粒产生更 大的冲蚀磨损。大的冲蚀磨损。尺寸：尺寸：尺寸小，影响不大，随尺寸增加，磨损增尺寸小，影响不大，随尺寸增加，磨损增 大，尺寸到一定值时，磨损几乎不再增大。大，尺寸到一定值时，磨损几乎不再增大。（2）冲蚀速度：冲蚀速度：速度对磨损的影响很大，因为冲蚀磨速度对磨损的影响很大，因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接关系。研究表明，损与磨粒的动能有直接关系。研究表明，磨损量与磨粒速度有下列关系：磨损量与磨粒速度有下列关系：W=K n n 速度指数，一般为速度指数，一般为23，塑性材料波动小，塑性材料波动小，取取2.32.4，脆性材料波动较大，取，脆性材料波动较大，取2.26.5。（3 3）冲击角：）冲击角：主要与靶材料有关。主要与靶材料有关。塑性材料塑性材料的磨损开始随冲击角的增加而的磨损开始随冲击角的增加而增加，当冲击角为增加，当冲击角为20302030度时，磨损量最度时，磨损量最大，然后随冲击角继续增大而减小。大，然后随冲击角继续增大而减小。脆性材料脆性材料随冲击角的增大，磨损量不断随冲击角的增大，磨损量不断增大，当冲击角为增大，当冲击角为9090度时，磨损率最大。度时，磨损率最大。（4 4）靶材料的影响：）靶材料的影响：材料硬度：材料硬度：越高越好越高越好 材料加工硬化：材料加工硬化：加工硬化能提高材料低角加工硬化能提高材料低角度冲蚀磨损的耐磨性能，但降低大角度冲蚀度冲蚀磨损的耐磨性能，但降低大角度冲蚀磨损的耐磨性能。磨损的耐磨性能。材料的组织特征：材料的组织特征：该方面研究很缺乏，相该方面研究很缺乏，相互存在矛盾的结果。互存在矛盾的结果。疲劳磨损疲劳磨损1.1.定义：定义：摩擦接触表面在交变接触压应力的作用下，摩擦接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。有材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。有两种基本类型，即宏观和微观疲劳磨损。两种基本类型，即宏观和微观疲劳磨损。2.2.宏观疲劳磨损：宏观疲劳磨损：两个相互滚动或滚动兼滑动的两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，材料摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，材料疲劳而发生脱落的现象。疲劳而发生脱落的现象。*如齿轮、滚动轴承。如齿轮、滚动轴承。(1)破坏形式：破坏形式：表面出现深浅不同的斑状凹坑。凹表面出现深浅不同的斑状凹坑。凹坑小而深的，磨屑呈扇形颗粒，称点蚀坑小而深的，磨屑呈扇形颗粒，称点蚀(Pitting)。凹坑大而浅的，磨屑呈片状，为剥落凹坑大而浅的，磨屑呈片状，为剥落(Spalling)。(2)产生原因：产生原因：由于表面受循环的接触应力作用，由于表面受循环的接触应力作用，最大剪应力发生在表面下一定深度处。当该处强最大剪应力发生在表面下一定深度处。当该处强度不足或存在缺陷，则首先发生塑性变形，经应度不足或存在缺陷，则首先发生塑性变形，经应力循环后，产生疲劳裂纹，并沿最大剪应力方向力循环后，产生疲劳裂纹，并沿最大剪应力方向扩展到表面，最终导致表面材料脱落。扩展到表面，最终导致表面材料脱落。(a)纯滚动接触表面：纯滚动接触表面：裂纹的萌生多发生在次表层最大剪应裂纹的萌生多发生在次表层最大剪应力处，扩展也比较缓慢，比裂纹萌生阶段长，损伤断口有光力处，扩展也比较缓慢，比裂纹萌生阶段长，损伤断口有光泽。泽。(b)滚动兼滑动摩擦表面：滚动兼滑动摩擦表面：同时存在接触压应力和剪切应力，同时存在接触压应力和剪切应力，摩擦表面容易产生塑性变形而形成微观裂纹，裂纹起源于表摩擦表面容易产生塑性变形而形成微观裂纹，裂纹起源于表面，萌生阶段大于扩展阶段，断口比较暗淡。面，萌生阶段大于扩展阶段，断口比较暗淡。(c)表面强化处理后：表面强化处理后：裂纹往往起源于表面硬化层和基体裂纹往往起源于表面硬化层和基体的交界处，裂纹扩展先平行于表面，的交界处，裂纹扩展先平行于表面，再垂直或倾斜于表面向外扩展。再垂直或倾斜于表面向外扩展。损伤形式先为麻点，之后为大块剥损伤形式先为麻点，之后为大块剥落，类似表层压碎的现象。落，类似表层压碎的现象。3.微观疲劳磨损：微观疲劳磨损：特征：特征：滑动接触表面由于微凸体相互接触使材料滑动接触表面由于微凸体相互接触使材料发生疲劳而引起的机械磨损现象。发生疲劳而引起的机械磨损现象。原因：原因：表面材料脱落由载荷脉冲对微凸体的多次作表面材料脱落由载荷脉冲对微凸体的多次作用造成的。用造成的。*当固体表面相互接触时，实际接触点是不连续的，当固体表面相互接触时，实际接触点是不连续的，两表面的微凸体相互碰撞，产生冲击力，使微凸体两表面的微凸体相互碰撞，产生冲击力，使微凸体受到重复的冲击和变形，致使材料发生疲劳磨损。受到重复的冲击和变形，致使材料发生疲劳磨损。4.疲劳磨损的破坏机理：疲劳磨损的破坏机理：(1)(1)麻点剥落：麻点剥落：当表面接触应力较小，摩擦力较当表面接触应力较小，摩擦力较大、或表面质量较差，如表面存在脱碳、烧伤、大、或表面质量较差，如表面存在脱碳、烧伤、淬火不足、存在夹杂物等缺陷时，容易产生麻淬火不足、存在夹杂物等缺陷时，容易产生麻点剥落。前者原因在于表面最大综合切应力较点剥落。前者原因在于表面最大综合切应力较高；后者原因高；后者原因 是材料抗剪切强度低。是材料抗剪切强度低。1.1.在最大综合切应力作用下产生塑性变形，在最大综合切应力作用下产生塑性变形，形成裂纹。形成裂纹。2.2.润滑油挤入，在较高的压力作用下，裂纹润滑油挤入，在较高的压力作用下，裂纹扩展，与滚动方向小于扩展，与滚动方向小于4545度倾角。度倾角。3.3.在尖端应力集中处产生二次裂纹，垂直于在尖端应力集中处产生二次裂纹，垂直于初始裂纹。初始裂纹。4.4.二次裂纹向表面扩展，到达表面时，剥落二次裂纹向表面扩展，到达表面时，剥落一块金属形成一凹坑。一块金属形成一凹坑。（2）浅层剥落浅层剥落：多出现在零件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩多出现在零件表面粗糙度低，相对滑动小，即摩擦力小的情况下。擦力小的情况下。（a）裂纹产生于亚表层，该处切应力最大，塑性变形裂纹产生于亚表层，该处切应力最大，塑性变形最剧烈。最剧烈。（b）在接触应力的反复作用下，塑性变形反复进行，在接触应力的反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化。使材料局部弱化。(c)在非金属夹杂物附近形成裂纹，沿非金属夹杂物平行在非金属夹杂物附近形成裂纹，沿非金属夹杂物平行于表面扩展。于表面扩展。(d)在滚动及摩擦力的作用下又产生与表面成一定倾角的在滚动及摩擦力的作用下又产生与表面成一定倾角的二次裂纹，二次裂纹扩展到表面，另一端则形成悬臂二次裂纹，二次裂纹扩展到表面，另一端则形成悬臂梁。梁。(e)反复弯曲发生断裂，形成浅层剥落。反复弯曲发生断裂，形成浅层剥落。（3）深层剥落深层剥落：对于表面硬化处理的部件，心部强度低、硬化层深对于表面硬化处理的部件，心部强度低、硬化层深度不合理或硬度梯度太大等都易造成深层剥落。度不合理或硬度梯度太大等都易造成深层剥落。*初始裂纹常出现在过渡区，该区切应力不大，初始裂纹常出现在过渡区，该区切应力不大，但力学性能较弱，切应力高于材料强度而产生裂但力学性能较弱，切应力高于材料强度而产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过度区纹。裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过度区扩展，而后再垂直表面扩展，最后形成较深的剥扩展，而后再垂直表面扩展，最后形成较深的剥落坑。落坑。7.5.7.5.疲劳磨损的影响因素疲劳磨损的影响因素1.1.在干摩擦或润滑条件下的宏观应力场在干摩擦或润滑条件下的宏观应力场2.2.摩擦副材料的机械性质和强度摩擦副材料的机械性质和强度3.3.材料内部缺陷的几何形状和分布密度材料内部缺陷的几何形状和分布密度4.4.润滑剂或介质与摩擦副材料的相互作用润滑剂或介质与摩擦副材料的相互作用 主要影响因素：主要影响因素：（1 1）非金属夹杂：）非金属夹杂：脆性夹杂易造成裂纹，降低接脆性夹杂易造成裂纹，降低接触疲劳寿命。塑性硫化物夹杂易随基体一起变触疲劳寿命。塑性硫化物夹杂易随基体一起变形，能够把氧化物夹杂包住形成共生夹杂，降形，能够把氧化物夹杂包住形成共生夹杂，降低氧化物夹杂的不良作用。低氧化物夹杂的不良作用。（2 2）表面硬度和心部硬度：）表面硬度和心部硬度：表层硬度梯度表层硬度梯度不应过大。一定范围内，接触疲劳抗力不应过大。一定范围内，接触疲劳抗力随硬度随硬度升高而增大。随硬度随硬度升高而增大。（3 3）表面特征：）表面特征：减少表面冷、热加工缺陷，减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度、提高接触精度，可以降低表面粗糙度、提高接触精度，可以有效增加接触疲劳寿命。有效增加接触疲劳寿命。（4 4）摩擦副硬度匹配：）摩擦副硬度匹配：一般要求小齿轮硬一般要求小齿轮硬度大于大齿轮硬度，可以有效提高齿轮度大于大齿轮硬度，可以有效提高齿轮的寿命。的寿命。化学磨损化学磨损1 1 定义：定义：化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学作用，造成表面材料损分发生化学或电化学作用，造成表面材料损失的过程。分为氧化磨损与特殊介质腐蚀磨失的过程。分为氧化磨损与特殊介质腐蚀磨损两类。损两类。2 2 氧化磨损：氧化磨损：（1 1）氧化磨损过程：）氧化磨损过程：机件的表面总存在一层氧的吸附层，当机件的表面总存在一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，凸起部位比压很大，导致产生塑性平，凸起部位比压很大，导致产生塑性变形。加速了氧向金属内部的扩散，从变形。加速了氧向金属内部的扩散，从而形成氧化膜。氧化膜强度低，易被剥而形成氧化膜。氧化膜强度低，易被剥落，裸露出新表面，进而又发生氧化，落，裸露出新表面，进而又发生氧化，随后又被磨掉，如此氧化膜的形成又除随后又被磨掉，如此氧化膜的形成又除去，造成机件表面被磨损。去，造成机件表面被磨损。（2）氧化磨损的宏观特征：）氧化磨损的宏观特征：摩擦表面沿滑动方向呈均细磨痕，磨损摩擦表面沿滑动方向呈均细磨痕，磨损产物为红褐色氧化铁或灰黑色四氧化三铁。产物为红褐色氧化铁或灰黑色四氧化三铁。（3）影响氧化磨损的因素：）影响氧化磨损的因素：（1）氧化膜的性质、厚度及其与基体的结合）氧化膜的性质、厚度及其与基体的结合 强度。强度。（2）摩擦副表面对塑性变形的抵抗能力。）摩擦副表面对塑性变形的抵抗能力。（3）金属材料中氧的扩散速率。）金属材料中氧的扩散速率。（4）摩擦学参数，包括压力、速度、时间、温度摩擦学参数，包括压力、速度、时间、温度。3 微动磨损微动磨损（1 1）定义：定义：接触表面之间小幅度的相对切向振动称接触表面之间小幅度的相对切向振动称为微动。为微动。*在相互紧压的表面之间，由于微动使局部产在相互紧压的表面之间，由于微动使局部产生的磨损为微动磨损。在多数机械构件中都可能生的磨损为微动磨损。在多数机械构件中都可能存在小幅度的相对滑动表面，如连接件的结合面、存在小幅度的相对滑动表面，如连接件的结合面、静配合的轴与孔表面等，均可能出现微动磨损。静配合的轴与孔表面等，均可能出现微动磨损。其表面可见因接触疲劳破坏形成的麻点或蚀坑。其表面可见因接触疲劳破坏形成的麻点或蚀坑。（2 2）机理：）机理：一种复合磨损，包括粘着磨损、磨粒磨一种复合磨损，包括粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。沃特豪斯损和腐蚀磨损。沃特豪斯(Waterhouse)理论分三个阶段：理论分三个阶段：（1 1）表面产生凸起塑性变形，形成表面裂纹并）表面产生凸起塑性变形，形成表面裂纹并扩展。或去除表面污物，形成粘着和黏着点断扩展。或去除表面污物，形成粘着和黏着点断裂。裂。（2 2）通过疲劳破坏和黏着点断裂形成磨屑，随）通过疲劳破坏和黏着点断裂形成磨屑，随后被氧化，成为继续作用的磨料。后被氧化，成为继续作用的磨料。（3）磨粒磨损阶段，加速第一阶段的磨损，表面不）磨粒磨损阶段，加速第一阶段的磨损，表面不断被氧化、磨去，如此循环就构成了微动磨损。断被氧化、磨去，如此循环就构成了微动磨损。（3）影响磨损量因素：影响磨损量因素：（a a）振动次数：）振动次数：增大而增大增大而增大（b b）振动频率：）振动频率：振动次数相同时，频率增大而减小。振动次数相同时，频率增大而减小。（c c）法向载荷：）法向载荷：增大而增大，但增加速率不断减小。增大而增大，但增加速率不断减小。（d d）环境介质：）环境介质：真空或不活泼气氛中小，空气湿度真空或不活泼气氛中小，空气湿度 增大时，磨损量也随之增大。增大时，磨损量也随之增大。磨损的检测与评定磨损的检测与评定检测参数：检测参数：1.耐磨性：耐磨性：材料抵抗磨损的能力，属于系统性质。材料抵抗磨损的能力，属于系统性质。2.磨损量：磨损量：长度磨损量长度磨损量Wl：磨损表面法线方向尺寸的改变量，磨损表面法线方向尺寸的改变量，在实际设备的磨损检测中经常用。在实际设备的磨损检测中经常用。体积体积Wv和重量磨损量和重量磨损量Ww：磨损试样的体积或重量的改变量。磨损试样的体积或重量的改变量。3.相对耐磨性相对耐磨性：=标准试样的磨损量标准试样的磨损量/被测试试样的磨损量被测试试样的磨损量 4.4.磨损率：磨损率：磨损量对产生磨损的行程或时间之比。接触力磨损量对产生磨损的行程或时间之比。接触力不大情况下，聚合物和金属或陶瓷的磨损体积：不大情况下，聚合物和金属或陶瓷的磨损体积：V=k PX V磨损体积，磨损体积，P 接触载荷，接触载荷，X滑行距离，滑行距离，k磨损磨损因子。因子。k与材料的种类和表面特性有关，通常与材料的种类和表面特性有关，通常作为磨损率定量化指标。作为磨损率定量化指标。磨损的控制和防磨措施磨损的控制和防磨措施1、磨损的控制因素：、磨损的控制因素：材料选择材料选择润滑剂的选择润滑剂的选择表面粗糙度表面粗糙度机械结构和尺寸设计、安装调试等方面机械结构和尺寸设计、安装调试等方面控制磨损控制磨损 表面温升和冷却表面温升和冷却材料的选择材料的选择各种磨损类型对材料性能的要求各种磨损类型对材料性能的要求磨损磨损类型类型配对材料的性能要求配对材料的性能要求粘着粘着磨损磨损不溶焊、不互溶、低表面能、低延展性、高硬度、不溶焊、不互溶、低表面能、低延展性、高硬度、六方结晶结构等易形成防粘着表面层六方结晶结构等易形成防粘着表面层磨料磨料磨损磨损高硬度、高含碳量、晶粒尺寸小、弹性模量低的细高硬度、高含碳量、晶粒尺寸小、弹性模量低的细晶组织、纤维状（断口）结构、易于发生加工硬化晶组织、纤维状（断口）结构、易于发生加工硬化疲劳疲劳磨损磨损耐疲劳、耐腐蚀、表层含杂质较少耐疲劳、耐腐蚀、表层含杂质较少腐蚀腐蚀磨损磨损更高的耐腐蚀能力，不易与所用的润滑材料起腐蚀更高的耐腐蚀能力，不易与所用的润滑材料起腐蚀性反应，表面进行耐腐蚀处理性反应，表面进行