材料磨损与耐磨材料(第3章粘着磨损)4详解ppt课件.ppt
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1、1第一篇第一篇 材料磨损基础材料磨损基础Chapter 1: 材料的磨损材料的磨损Chapter 2: 固体表面结构与接触特性固体表面结构与接触特性Chapter 3: 材料的磨损机理材料的磨损机理2Chapter 3: 材料的磨损机理材料的磨损机理 图图(a)属粘着磨损,主要特征是磨损表面有细的属粘着磨损,主要特征是磨损表面有细的划痕,严重时有材料转移现象磨损产物多为片状划痕,严重时有材料转移现象磨损产物多为片状或小颗粒,一般发生在蜗轮与蜗杆以及缸套与活塞或小颗粒,一般发生在蜗轮与蜗杆以及缸套与活塞环之间的磨损。环之间的磨损。 磨损按不同机理和条件,主要分为四大基本类型,如磨损按不同机理和条
2、件,主要分为四大基本类型,如 下图所示:下图所示:3Chapter 3: 材料的磨损机理材料的磨损机理4Chapter 3: 材料的磨损机理材料的磨损机理 图图(c)是接触疲劳磨损,主要特征为磨损表面是接触疲劳磨损,主要特征为磨损表面有裂纹、小坑等,磨损产物为块状或饼状,通常在有裂纹、小坑等,磨损产物为块状或饼状,通常在滚动轴承、齿轮的表面发生较普遍。滚动轴承、齿轮的表面发生较普遍。5Chapter 3: 材料的磨损机理材料的磨损机理 图图(d)为腐蚀磨损。它的主要特征是磨损表面有为腐蚀磨损。它的主要特征是磨损表面有化学反应膜或小麻点,但麻点比较光滑。磨损物为化学反应膜或小麻点,但麻点比较光滑
3、。磨损物为簿的碎片或粉末,典型工件如船舶外壳、水力发电簿的碎片或粉末,典型工件如船舶外壳、水力发电的水轮机叶片等。的水轮机叶片等。6Chapter 3: 材料的磨损机理材料的磨损机理 3.1 粘着磨损粘着磨损 3.2 磨粒磨损磨粒磨损 3.3 腐蚀磨损腐蚀磨损 3.4 疲劳磨损疲劳磨损 3.5 冲蚀磨损冲蚀磨损 3.6 微动磨损微动磨损73.1 粘着磨损粘着磨损 3.1.1 粘着磨损的概念粘着磨损的概念 3.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 3.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类 3.1.4 粘着磨损表达式与定律粘着磨损表达式与定律 3.1.5 影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素83.
4、1.1 粘着磨损的概念粘着磨损的概念 粘着磨损的过程描述:粘着磨损的过程描述:u两相对滑动的表面在摩擦力作用下两相对滑动的表面在摩擦力作用下表层表层发生塑变发生塑变表面的污染膜、氧化膜破裂表面的污染膜、氧化膜破裂新鲜金属表面裸露新鲜金属表面裸露分子力使两表面分子力使两表面焊合焊合。 若若外力克服不了焊合点及其附近的结合外力克服不了焊合点及其附近的结合力力 咬合现象咬合现象 93.1.1 粘着磨损的概念粘着磨损的概念若外力大于这种结合力,外力使结合处发生剪切断若外力大于这种结合力,外力使结合处发生剪切断裂:裂:a) 剪切发生在原接触面:不发生磨损,即剪切发生在原接触面:不发生磨损,即“零磨零磨损
5、损”;b) 剪切发生在强度较低的金属一方:强度较高的剪切发生在强度较低的金属一方:强度较高的材料表面将粘附对摩件金属,发生材料表面将粘附对摩件金属,发生“金属转金属转移移”,即发生,即发生”物质转移物质转移”。 在以后的摩擦过程中,附着物碾转于对磨在以后的摩擦过程中,附着物碾转于对磨件的表面之间,有些粘附物在反复的摩擦中可件的表面之间,有些粘附物在反复的摩擦中可能由金属表面脱落下来能由金属表面脱落下来磨屑磨屑。103.1.1 粘着磨损的概念粘着磨损的概念 粘着磨损也称咬合粘着磨损也称咬合(胶合胶合)磨损。磨损产物通常呈磨损。磨损产物通常呈小颗粒状,从一物体表面粘附到另一个物体表面上,小颗粒状,
6、从一物体表面粘附到另一个物体表面上,然后在继续的摩擦过程中,表面层发生断裂,有时还然后在继续的摩擦过程中,表面层发生断裂,有时还发生反粘附即被粘附到另一个表面上的材料又回到发生反粘附即被粘附到另一个表面上的材料又回到原来的表面上,这种粘附反粘附往往使材料以自由磨原来的表面上,这种粘附反粘附往往使材料以自由磨屑状脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形屑状脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成。粘着以后的断裂分离,并不一定在最初的接触表成。粘着以后的断裂分离,并不一定在最初的接触表面产生。面产生。113.1 粘着磨损粘着磨损 3.1.1 粘着磨损的概念粘着磨损的概念 3.1.2 粘着磨损
7、一般规律粘着磨损一般规律 3.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类 3.1.4 粘着磨损表达式与定律粘着磨损表达式与定律 3.1.5 影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素123.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 粘着磨损过程一般分为三个阶段:粘着磨损过程一般分为三个阶段: (1)跑合阶段亦称跑合阶段亦称磨合阶段磨合阶段(磨合磨损阶段磨合磨损阶段); (2)稳定磨损阶段;稳定磨损阶段; (3)急急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段。剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段。如下图所示:如下图所示:133.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 (1)跑合阶段亦称磨合阶段跑合阶段亦称磨合阶段(磨合磨损磨合磨损):
8、由于物体:由于物体实际表面在微观上都是粗糙不平的,所以两固体表实际表面在微观上都是粗糙不平的,所以两固体表面的接触实际只是表面上微凸体的相互接触。当接面的接触实际只是表面上微凸体的相互接触。当接触表面开始相对滑动时,接触与焊合的那些高微凸触表面开始相对滑动时,接触与焊合的那些高微凸体将首先由于剪切而导致破坏。随着磨损过程的进体将首先由于剪切而导致破坏。随着磨损过程的进行摩擦表面逐渐磨平,实际接触面积增大,相应行摩擦表面逐渐磨平,实际接触面积增大,相应的磨损量的磨损量Q,开始时增加很快,然后逐渐变慢,见图,开始时增加很快,然后逐渐变慢,见图oa段。随时间段。随时间T的增加或行程的增长,磨损率下降
9、。的增加或行程的增长,磨损率下降。143.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 (2)稳定磨损阶段稳定磨损阶段 经过跑合,表面微观几何形状改变,接触面积经过跑合,表面微观几何形状改变,接触面积增大,同时,摩擦表面加工硬化,从而建立了弹性增大,同时,摩擦表面加工硬化,从而建立了弹性接触条件,这时磨损已趋于稳定,磨损量接触条件,这时磨损已趋于稳定,磨损量Q与时间与时间T成正比成正比(见图见图ab段段),磨损率基本保持不变。,磨损率基本保持不变。153.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 (3)急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段急剧磨损阶段亦称破坏磨损阶段 见图见图b点以后,由于温度急剧升高或表
10、面金属组点以后,由于温度急剧升高或表面金属组织发生变化等原因,磨损速度急剧增加,磨损量织发生变化等原因,磨损速度急剧增加,磨损量Q剧剧增,工作条件恶化,机械效率降低,精度降低,出增,工作条件恶化,机械效率降低,精度降低,出现异常的噪音与振动,最后导致零件完全失效。现异常的噪音与振动,最后导致零件完全失效。163.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 从磨屑脱落的角度分析,下图表示粘着磨损的发展过从磨屑脱落的角度分析,下图表示粘着磨损的发展过程:图程:图(a)为被磨表面的原始状态,表面粗糙不平,存为被磨表面的原始状态,表面粗糙不平,存在由于加工形成的各种缺陷。在由于加工形成的各种缺陷。173
11、.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律u图图(b)表示两个摩擦表面相对滑动时,由于摩擦力的表示两个摩擦表面相对滑动时,由于摩擦力的作用,在表层产生塑性流动作用,在表层产生塑性流动(实线表示实线表示),表层的缺陷,表层的缺陷不断扩展。表面接触部位发生金属间的粘着。不断扩展。表面接触部位发生金属间的粘着。183.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律u图图(c)表示表面层内的裂缝扩展到表面,金属从表面表示表面层内的裂缝扩展到表面,金属从表面撕裂下来,形成磨粒。一些金属粘着在另一个金属撕裂下来,形成磨粒。一些金属粘着在另一个金属表面。表面。图图(d)是磨损后形成的新表面。是磨损后形成的新表面。
12、193.1 粘着磨损粘着磨损 3.1.1 粘着磨损的概念粘着磨损的概念 3.1.2 粘着磨损一般规律粘着磨损一般规律 3.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类 3.1.4 粘着磨损表达式与定律粘着磨损表达式与定律 3.1.5 影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素203.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类1.按按工作温度工作温度可分为可分为低温粘着磨损低温粘着磨损和和高温粘着磨损高温粘着磨损两类:两类:(1) 低温粘着磨损低温粘着磨损 按发生在摩擦面间的相对滑动速度不大按发生在摩擦面间的相对滑动速度不大 (0.5m/s0.6m/s),表面温度不高,表面温度不高(100150),表面间压强很,表面间压强
13、很高时,相互接触的微峰之间发生冷焊的粘结点。粘高时,相互接触的微峰之间发生冷焊的粘结点。粘着点由于塑性流动产生明显的硬化,因而粘着点的着点由于塑性流动产生明显的硬化,因而粘着点的强度大于摩擦副中较软金属的强度。在相对滑动时,强度大于摩擦副中较软金属的强度。在相对滑动时,软的金属可能从基体上脱落下来。这种粘着磨损,软的金属可能从基体上脱落下来。这种粘着磨损,表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化学成分的变化,见图学成分的变化,见图1.3-4(a),图,图1.3-5(d),(e)所示。所示。213.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类223.1.3 粘
14、着磨损分类粘着磨损分类 (2)高温粘着磨损)高温粘着磨损 高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大,表面压高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大,表面压力很高的条件下,这时微峰接触点上的瞬时温度很力很高的条件下,这时微峰接触点上的瞬时温度很高。仅仅在表面的很薄一层金属发生软化,被软化高。仅仅在表面的很薄一层金属发生软化,被软化的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上,的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上,沿着滑动方向形成交替的裂口、凹穴。表层的金相沿着滑动方向形成交替的裂口、凹穴。表层的金相组织和化学成分均有明显变化。高温粘着磨损的磨组织和化学成分均有明显变化。高温粘着磨损的磨屑呈薄带形其厚度小
15、于低温磨损的磨屑。见图屑呈薄带形其厚度小于低温磨损的磨屑。见图1.3-4(b),图,图1.3-5(a),(b),(c) 233.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类243.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类2. 粘着磨损使摩擦副表面形貌发生变化,从光学显微粘着磨损使摩擦副表面形貌发生变化,从光学显微镜下可看到表面擦伤、材料转移、咬死焊点和疲劳镜下可看到表面擦伤、材料转移、咬死焊点和疲劳点蚀等磨损形态。根据表面点蚀等磨损形态。根据表面磨损程度磨损程度可划分为可划分为5类粘类粘着磨损:着磨损:(1)轻微磨损轻微磨损 :剪切破坏发生在粘着结合面上表面转移:剪切破坏发生在粘着结合面上表面转移的材料较轻微。的
16、材料较轻微。 原因:粘着结合强度比摩擦副的两基本金属抗剪原因:粘着结合强度比摩擦副的两基本金属抗剪强度都弱。强度都弱。253.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类 (2)涂抹涂抹(smear) 剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内,软金属涂抹在硬金属表面上形成轻微磨损。如层内,软金属涂抹在硬金属表面上形成轻微磨损。如铅基合金涂抹在钢的表面上。铅基合金涂抹在钢的表面上。原因:粘着结合强度大于较软金属的抗剪强度,但原因:粘着结合强度大于较软金属的抗剪强度,但小于较硬金属的抗剪强度小于较硬金属的抗剪强度 。正压力。正压力 磨损磨损(3)擦伤)擦伤(sc
17、ratch/scotching) 剪切发生在软金属的亚表层内,有时硬金属表面剪切发生在软金属的亚表层内,有时硬金属表面也有划伤。如铝对钢的摩擦。也有划伤。如铝对钢的摩擦。擦伤时接触表面的剪切强度既大于软金属,也大于擦伤时接触表面的剪切强度既大于软金属,也大于硬金属。硬金属。转移到金属表面的粘着物对软金属有转移到金属表面的粘着物对软金属有“犁削犁削”作用。作用。263.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类 (4)咬卡(咬死)咬卡(咬死, seizure) 当外力不能克服界面结合强度时,摩擦副的相对当外力不能克服界面结合强度时,摩擦副的相对运动被迫停止。这种现象叫做咬卡或咬死。运动被迫停止。这种现象叫
18、做咬卡或咬死。粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高,而且粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高,而且粘着区域大,切应力低于粘着结合强度。粘着区域大,切应力低于粘着结合强度。 (5)粘焊(也称胶合)粘焊(也称胶合, scuffing/scoring)实质实质是固相的焊合;是固相的焊合;l塑性变形为主要起因的分子吸引造成的粘焊,这种塑性变形为主要起因的分子吸引造成的粘焊,这种冷焊称冷焊称第一类胶合第一类胶合。l由于摩擦热,接触表面温度升高为主要原因引起的由于摩擦热,接触表面温度升高为主要原因引起的粘焊,这种热焊称为热粘着或粘焊,这种热焊称为热粘着或第二类胶合第二类胶合。273.1.3 粘着磨损分
19、类粘着磨损分类 第一类胶合第一类胶合的相关因素:的相关因素:l材料性能(表面物性、表面化性、表面力性);材料性能(表面物性、表面化性、表面力性);e.g.强度、塑性、韧性、氧化性等强度、塑性、韧性、氧化性等l相对运动速度和运动方式;相对运动速度和运动方式;l载荷大小和加载方式;载荷大小和加载方式;l周围环境条件(介质、温度等)。周围环境条件(介质、温度等)。 例如:用例如:用30CrMnSiA钢制成飞机起落架的轴钢制成飞机起落架的轴颈和轴承,热处理后表面硬度颈和轴承,热处理后表面硬度HRC34-39。相对滑。相对滑动速度动速度0.04-0.08m/s,最大载荷,最大载荷12N。轴颈和轴承。轴颈
20、和轴承表面发生胶合,由于塑性变形,表层形成一定深度表面发生胶合,由于塑性变形,表层形成一定深度形变硬化层。摩擦副双方都发生撕裂现象,并产生形变硬化层。摩擦副双方都发生撕裂现象,并产生金属磨屑,可能粘附在表面,受反复碾压。有的颗金属磨屑,可能粘附在表面,受反复碾压。有的颗粒保留在摩擦副之间,有的在摩擦过程中剥落。粒保留在摩擦副之间,有的在摩擦过程中剥落。283.1.3 粘着磨损分类粘着磨损分类 在金属表层的一定深度发生明显塑性流变。流线沿在金属表层的一定深度发生明显塑性流变。流线沿摩擦方向排列,形成一定程度的织构。用摩擦方向排列,形成一定程度的织构。用X射线方法对射线方法对胶合表层金属的应力进行
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