摩擦学第5章.ppt

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1、5.1基本概念基本概念摩擦学负荷摩擦学负荷：一个：一个固体固体的、的、液体液体的或的或气体气体的的对偶件对偶件通过接触和相对运动对另一物体施通过接触和相对运动对另一物体施加的负荷称为摩擦学负荷，以区别于引起物体（主要是机械零件）破坏和失效的加的负荷称为摩擦学负荷，以区别于引起物体（主要是机械零件）破坏和失效的其他类负荷。其他类负荷。磨损的表现磨损的表现：磨损表现为松脱的细小颗粒（：磨损表现为松脱的细小颗粒（磨屑）的出现磨屑）的出现，以及表现为受摩擦学负荷，以及表现为受摩擦学负荷表面上材料性质表面上材料性质（化学的、物理的、金相组织的、机械工艺的）和（化学的、物理的、金相组织的、机械工艺的）和形

2、状形状的（形貌的（形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度）和尺寸、粗糙度、表面层厚度）变化变化。磨损的作用磨损的作用：磨损通常是不希望出现的，即它是消极的、不利的。：磨损通常是不希望出现的，即它是消极的、不利的。但在某些例外情况下，例如在但在某些例外情况下，例如在磨合磨合过程中，磨损也可能是有益的；过程中，磨损也可能是有益的；加工过程加工过程可认为是创造价值的工艺过程，此时虽然在刀具和工件表面之可认为是创造价值的工艺过程，此时虽然在刀具和工件表面之间也发生与磨损过程同样的摩擦学过程，但对于被加工的工件来说，不能认为遭间也发生与磨损过程同样的摩擦学过程，但对于被加工的工件来说，不能认为遭到磨损。到磨损。

3、5.金属材料成形过程中的磨损金属材料成形过程中的磨损战斗机上钛合金磨损战斗机上钛合金磨损磨损磨损：磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，它是相互接触的物体在相对运动时，表磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，它是相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程，或者产生残余变形的现象层材料不断发生损耗的过程，或者产生残余变形的现象。机械零件的磨损过程机械零件的磨损过程：3 3个阶段：个阶段：（1）跑合（磨合）阶段：）跑合（磨合）阶段：oa表面磨平，实际接触面积增大，磨损速度先快后慢。表面磨平，实际接触面积增大，磨损速度先快后慢。（2 2）稳定磨损）稳定磨损阶段：阶段：ob表面加工硬化，微观几何形状改

4、变，表面加工硬化，微观几何形状改变，变为弹性接触变为弹性接触。磨损速度稳定，磨损量与磨损时间成正比。磨损速度稳定，磨损量与磨损时间成正比。（3）“急剧急剧”磨损阶段磨损阶段：bb 摩擦条件，如温度等发生变化，磨损速度急剧增大，出现了噪音和振动，零件完摩擦条件，如温度等发生变化，磨损速度急剧增大，出现了噪音和振动，零件完全失效。全失效。磨损特性曲线磨损特性曲线(浴盆曲线浴盆曲线)：第一个图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称第一个图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率磨损率。通常在磨合期内，磨损率比较大，。通常在磨合期内，磨损率比较大，并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持

5、不变。直至某一点，斜并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持不变。直至某一点，斜率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生。率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生。磨损特性曲线磨损特性曲线1231磨合阶段：磨损率降低、磨损量增加磨合阶段：磨损率降低、磨损量增加2稳定期：磨损率不变、磨损量呈线性微量增加稳定期：磨损率不变、磨损量呈线性微量增加3失效：磨损率迅速增大、磨损量增加失效：磨损率迅速增大、磨损量增加磨损危害磨损危害：大部分机械零件失效是由于磨损引起的，大部分机械零件失效是由于磨损引起的，7575的零件破坏是磨损引起的。的零件破坏是磨损引起的。金属材料成形过程中工具的

6、磨损金属材料成形过程中工具的磨损：由于由于加工工具经过预处理加工工具经过预处理，所以，所以不存在不存在3 3个阶段个阶段，只存在稳定磨损阶段只存在稳定磨损阶段。成形工具在。成形工具在稳定磨损时间过长，即使用时间久，工艺条件差，造成工具稳定磨损时间过长，即使用时间久，工艺条件差，造成工具表面粗糙、尺寸偏差表面粗糙、尺寸偏差等等而报废。而报废。5.2磨损的评价指标磨损的评价指标由磨损引起的材料损失的量称为磨损量由磨损引起的材料损失的量称为磨损量W，它的倒数称为，它的倒数称为耐磨性耐磨性=1/W。对于耐磨性，常常有人把它看作材料的固有性质对于耐磨性，常常有人把它看作材料的固有性质“耐磨强度耐磨强度”

7、，这是一种误解。，这是一种误解。一个作为材料固有性质的一个作为材料固有性质的“耐磨强度耐磨强度”是不存在的。磨损或耐磨性是与很多因素是不存在的。磨损或耐磨性是与很多因素有关的系统特性。有关的系统特性。为了对比不同材料的磨料磨损特性，规定度量单位：为了对比不同材料的磨料磨损特性，规定度量单位：相对耐磨性相对耐磨性:r=(试样试样)/(标样标样)磨损量磨损量线磨损线磨损以摩擦表面法向尺寸的磨损量来衡量磨损多少；以摩擦表面法向尺寸的磨损量来衡量磨损多少；体积磨损体积磨损以体积的减少量来衡量磨损多少；以体积的减少量来衡量磨损多少；以重量的损失量来衡量磨损的多少。以重量的损失量来衡量磨损的多少。磨损率磨

8、损率是指磨损量对产生磨损的行程或者时间的比值。是指磨损量对产生磨损的行程或者时间的比值。滑动单位距离的材料磨损量；滑动单位距离的材料磨损量；单位时间的材料磨损量；单位时间的材料磨损量；每转或每一往复行程材料的磨损量。每转或每一往复行程材料的磨损量。5.3磨损的类型磨损的类型粘着磨损粘着磨损:两个表面产生黏着焊合时，如果黏着点受到剪切破坏，表面材料由一个表面转两个表面产生黏着焊合时，如果黏着点受到剪切破坏，表面材料由一个表面转移到另外一个表面的现象，称为黏着磨损。移到另外一个表面的现象，称为黏着磨损。磨料磨损磨料磨损:摩擦过程中，接触表面间存在摩擦过程中，接触表面间存在硬质颗粒或凸出物硬质颗粒或

9、凸出物，造成材料的脱落损失，称为，造成材料的脱落损失，称为磨料磨损。磨料磨损。疲劳磨损疲劳磨损:由于材料表面承受由于材料表面承受周期性载荷周期性载荷，造成表面产生应力和应变，造成表面产生应力和应变，周期性接触应力周期性接触应力使使表面发生疲劳破坏，材料表面出现裂纹和微片，或者颗粒的损失，称为疲劳磨损。表面发生疲劳破坏，材料表面出现裂纹和微片，或者颗粒的损失，称为疲劳磨损。腐蚀磨损腐蚀磨损:摩擦过程中，金属表面同周围介质发生摩擦过程中，金属表面同周围介质发生化学反应化学反应或者或者电化学反应电化学反应，产生材料损，产生材料损失，称为腐蚀磨损，又称为失，称为腐蚀磨损，又称为化学磨损化学磨损，可分为

10、，可分为氧化磨损氧化磨损和和特殊介质特殊介质化学磨损。化学磨损。微动磨损微动磨损:两个接触表面发生相对低幅振动而引起的材料的磨损，称为微动磨损。两个接触表面发生相对低幅振动而引起的材料的磨损，称为微动磨损。冲蚀磨损冲蚀磨损:固体颗粒、流体、气体、电火花等流束冲击固体表面而造成的磨损，称为冲蚀固体颗粒、流体、气体、电火花等流束冲击固体表面而造成的磨损，称为冲蚀磨损。磨损。热磨损热磨损:由于温度升高，造成金属表面出现颗粒脱落、材料转移等现象，称为热磨损。由于温度升高，造成金属表面出现颗粒脱落、材料转移等现象，称为热磨损。几类常见磨损外观表现形式几类常见磨损外观表现形式5.4磨损机理磨损机理黏着磨损

11、机理黏着磨损机理按照摩擦表面损伤程度可划分为五类粘着磨损按照摩擦表面损伤程度可划分为五类粘着磨损按照摩擦表面损伤程度可划分为五类粘着磨损ts粘粘t1，t2t1ts粘粘t2ts粘粘t1，t2tts粘粘ts粘粘t1，t2ts粘粘t1，t2tts粘粘黏着磨损机理黏着磨损机理二表面凸体接触时，接触应力很高，导致软物体接触部二表面凸体接触时，接触应力很高，导致软物体接触部位产生塑性变形温度升高，形成粘着点，粘着点在切应位产生塑性变形温度升高，形成粘着点，粘着点在切应力下产生变形，软物体粘附在硬物体凸体部位。力下产生变形，软物体粘附在硬物体凸体部位。设设摩摩擦擦面面上上有有n个个微微凸凸体体相相接接触触，

12、其其中中一一个个微微凸凸体体的的屈屈服服极极限限为为s。若若微微凸凸体体是是圆圆锥锥形形，其其接接触触面面的的平平均均直径为直径为d，则全载荷，则全载荷P为：为：P=n（d2/4）s在在滑滑动动L距距离离上上，直直径径d的的半半球球状状(体体积积d312)微微粒粒由由于于粘粘着着磨磨损损，便便脱脱落落掉掉，这时滑动距离这时滑动距离L之间的总磨损量如下：之间的总磨损量如下：W=(d3/12）（nL/d）每个体积每个体积总个数总个数联合上两式，消去联合上两式，消去d，则有：，则有：W1/3PL/s上上式式表表明明总总的的磨磨损损量量与与载载荷荷P及及滑滑动动距距离离L成成正正比比，而而与与屈屈服服

13、应应力力s成成反反比比(或或者者说说与材料的硬度成反比与材料的硬度成反比)。显显然然，上上述述公公式式只只作作为为研研究究滑滑动动摩摩擦擦时时定定性性分分析析磨磨损损的的参参考考，因因为为还还有有许许多多重重要要因素没有包括在内。因素没有包括在内。n个个L简化的粘着磨损计算公式：简化的粘着磨损计算公式：式中：Wv粘着磨损的体积磨损量；H摩擦副中较软一方的材料硬度；FN法向载荷；s滑动行程；K磨损系数，按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件试验测得。磨损系数磨损系数K急剧增加的急剧增加的名义压力临界值名义压力临界值由公式得到以下由公式得到以下三条定律：三条定律：1.材料磨损量与行程成正比；材料磨损

14、量与行程成正比；2.材料磨损量与载荷成正比（材料磨损量与载荷成正比（名义压力在临界值内名义压力在临界值内）；）；3.材料磨损量与较软材料的硬度成反比；材料磨损量与较软材料的硬度成反比；名义压力不超过引起磨损系数名义压力不超过引起磨损系数名义压力不超过引起磨损系数名义压力不超过引起磨损系数K K急剧增大的临界值时，某些工作条件下的急剧增大的临界值时，某些工作条件下的急剧增大的临界值时，某些工作条件下的急剧增大的临界值时，某些工作条件下的K K值值值值由上述公式得到以下由上述公式得到以下三条定律：三条定律：1.材料磨损量与行程成正比；材料磨损量与行程成正比；2.材料磨损量与载荷成正比；材料磨损量与

15、载荷成正比；3.材料磨损量与较软材料的硬度成反比；材料磨损量与较软材料的硬度成反比；使用范围：使用范围：第第1定律可适用于多种条件。定律可适用于多种条件。第第2定律只适用于有限的载荷范围定律只适用于有限的载荷范围。实验证明，当压力。实验证明，当压力不超过大约不超过大约HB/3（HB钢钢的布氏硬度）时，钢的布氏硬度）时，钢-钢摩擦副的钢摩擦副的K值接近常量，因而磨损率与载荷成正比；而超过值接近常量，因而磨损率与载荷成正比；而超过此压力后此压力后K值急剧增大，因而磨损率也急剧增大。结论是，值急剧增大，因而磨损率也急剧增大。结论是，在超过在超过HB/3的临界载荷时的临界载荷时就会发生大面积的严重粘着

16、。就会发生大面积的严重粘着。对于其他金属，对于其他金属，K值开始增大时的平均压力往往低于值开始增大时的平均压力往往低于HB/3，也获得了同样的结果。实际上，在法向载荷下，也获得了同样的结果。实际上，在法向载荷下，临界载荷临界载荷HB/3是个别微凸体是个别微凸体下面的塑性区开始相互作用的压力，而当压力超过下面的塑性区开始相互作用的压力，而当压力超过HB/3时将使表面微凸体之间呈现时将使表面微凸体之间呈现塑性接触塑性接触，因而真实接触面积不再与载荷成正比。当有切向力（摩擦力）存在时，法，因而真实接触面积不再与载荷成正比。当有切向力（摩擦力）存在时，法向压力低于向压力低于HB/3也会发生这种情况。也

17、会发生这种情况。设计中选择许用应力必须低于材料硬度的设计中选择许用应力必须低于材料硬度的设计中选择许用应力必须低于材料硬度的设计中选择许用应力必须低于材料硬度的1/31/3，才有可能减轻，才有可能减轻，才有可能减轻，才有可能减轻或不发生粘着磨损。或不发生粘着磨损。或不发生粘着磨损。或不发生粘着磨损。影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素（1）表面载荷）表面载荷当表面压力达到一定的临界值，并经过一段时间后才会发生胶合，这个载荷称为胶合当表面压力达到一定的临界值，并经过一段时间后才会发生胶合，这个载荷称为胶合载荷。载荷。（2）表面温度）表面温度摩擦过程中产生的热量使表面温度升高，在表面接触点附近形成

18、半球形的等温面，在摩擦过程中产生的热量使表面温度升高，在表面接触点附近形成半球形的等温面，在表层内一定深度处各接触点的等温面将汇合成共同的等温面。最外层是变形区，产生热表层内一定深度处各接触点的等温面将汇合成共同的等温面。最外层是变形区，产生热量，因此便面温度最高；又因热传导作用造成变形区非常大的温度梯度。变形区以内为量，因此便面温度最高；又因热传导作用造成变形区非常大的温度梯度。变形区以内为基体温度，变化平缓。基体温度，变化平缓。表面温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度可使润滑膜失效，表面温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度可使润滑膜失效，而温度梯度引起材

19、料性质和破坏形式沿深度法向变化。而温度梯度引起材料性质和破坏形式沿深度法向变化。（3）摩擦副材料）摩擦副材料脆性材料的抗粘着磨损的能力比塑性材料高。脆性材料的抗粘着磨损的能力比塑性材料高。相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。磨料磨损机理磨料磨损机理磨料磨损特点是磨料作用于材料的表面。磨料磨损特点是磨料作用于材料的表面。磨料磨损不局限发生在某些材料中，这磨料磨损不局限发生在某些材料中，这主要取决于配对件或中间磨粒的硬度主要取决于配对件或中间磨粒的硬度，金属、，金属、陶瓷或聚合物材料都有可能出现

20、剧烈的磨料磨损。陶瓷或聚合物材料都有可能出现剧烈的磨料磨损。实际中，磨料磨损主要发生在采矿、物料运输、农机或工程机械作业和原材料加工处实际中，磨料磨损主要发生在采矿、物料运输、农机或工程机械作业和原材料加工处理过程中。若沙粒或尘粒进入零件副的滑动面或滚动面上，则同样会发生严重的磨料理过程中。若沙粒或尘粒进入零件副的滑动面或滚动面上，则同样会发生严重的磨料磨损，如开式齿轮传动等。若磨屑不能从它形成的地方被润滑油带走并过滤掉，也会磨损，如开式齿轮传动等。若磨屑不能从它形成的地方被润滑油带走并过滤掉，也会导致磨料磨损。导致磨料磨损。a.粗糙硬表面或表面镶嵌的磨粒在软表面上的滑动；粗糙硬表面或表面镶嵌

21、的磨粒在软表面上的滑动；b.自由磨粒在表面中的捕捉状态自由磨粒在表面中的捕捉状态两种磨料磨损的作用形式：两种磨料磨损的作用形式：a与切削、磨削加工类似的磨粒磨损；与切削、磨削加工类似的磨粒磨损；b具有高强度、硬度的颗粒进入两个接触表面间犁出沟槽。具有高强度、硬度的颗粒进入两个接触表面间犁出沟槽。磨料受力分解和作用磨料受力分解和作用：磨料在外力作用下以一定的角度与材料表面相接触，这时作用：磨料在外力作用下以一定的角度与材料表面相接触，这时作用在磨粒上的力可分解为垂直和水平分力，在磨粒上的力可分解为垂直和水平分力，垂直分力垂直分力可使磨粒压入材料表面，可使磨粒压入材料表面，水平分力水平分力则使磨粒

22、作切向运动，在材料表面产生擦伤，或切削，结果在材料表面留下磨痕。则使磨粒作切向运动，在材料表面产生擦伤，或切削，结果在材料表面留下磨痕。当被磨材料具有一定塑性时，压入的磨粒可分两类当被磨材料具有一定塑性时，压入的磨粒可分两类：（1）磨磨粒粒运运动动方方向向和和棱棱角角有有利利于于切切削削时时，它它对对金金属属表表面面产产生生擦擦伤伤，或或者者显显微微切切削削。（2）压压入入深深度度较较浅浅的的圆圆滑滑的的磨磨粒粒，倾倾向向于于只只在在材材料料造造成成塑塑性性变变形形产产生生擦擦伤伤或或犁犁沟沟作作用用，即即在在磨磨粒粒作作用用处处材材料料被被挤挤压压推推移移到到磨磨粒粒运运动动路路径径的的两两

23、侧侧，中中间间形形成成犁犁沟沟，两两侧侧形形成成堆堆积积隆隆起起，堆堆积积隆隆起起的的材材料料已已受受到到严严重重的的塑塑性性损损伤伤，很很容容易易在在其其它它磨磨粒粒作作用用下下被被磨磨掉。掉。冲蚀磨损冲蚀磨损冲蚀磨损有时也归类于磨料磨损。磨粒速度、冲击角度和磨粒尺寸决定了撞击粒子冲蚀磨损有时也归类于磨料磨损。磨粒速度、冲击角度和磨粒尺寸决定了撞击粒子的动能，它与速度的平方成正比。经过颗粒的反复撞击就可能产生冲蚀磨损的磨屑。的动能，它与速度的平方成正比。经过颗粒的反复撞击就可能产生冲蚀磨损的磨屑。类似于磨粒磨损的情况，冲蚀磨损的起因也是塑性变形或脆性断裂，具体的磨损机理取类似于磨粒磨损的情况

24、，冲蚀磨损的起因也是塑性变形或脆性断裂，具体的磨损机理取决于比冲蚀材料和工况参数。对于延展性材料和脆性材料，冲击角度对磨损率的影响有决于比冲蚀材料和工况参数。对于延展性材料和脆性材料，冲击角度对磨损率的影响有所不同。延展性材料的磨损是塑性变形过程所致，冲蚀粒子剥离材料依靠位移或切削作所不同。延展性材料的磨损是塑性变形过程所致，冲蚀粒子剥离材料依靠位移或切削作用。冲蚀粒子在脆性材料的冲击点上产生辐射状的交错裂纹，它是导致脆性材料剥离的用。冲蚀粒子在脆性材料的冲击点上产生辐射状的交错裂纹，它是导致脆性材料剥离的原因。原因。很多机械设备中都会遇到固体颗粒的冲蚀磨损。在汽轮机叶片、直升机和飞机推进器、

25、飞很多机械设备中都会遇到固体颗粒的冲蚀磨损。在汽轮机叶片、直升机和飞机推进器、飞机风窗玻璃、喷砂机的喷嘴、燃煤式涡轮机、煤浆管道运输的水压涡轮和离心泵等设备中机风窗玻璃、喷砂机的喷嘴、燃煤式涡轮机、煤浆管道运输的水压涡轮和离心泵等设备中都有吸入沙粒的冲蚀磨损。另一方面，冲蚀磨损在喷沙处理、剔除毛刺、硬质材料冲蚀钻都有吸入沙粒的冲蚀磨损。另一方面，冲蚀磨损在喷沙处理、剔除毛刺、硬质材料冲蚀钻孔等方面是一项非常有用的技术。孔等方面是一项非常有用的技术。影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素（1）载荷）载荷根据磨粒磨损的简单模型可知，磨损量与载荷成正比。但这种线性关系一般都以临界值，根据磨粒磨损的简单

26、模型可知，磨损量与载荷成正比。但这种线性关系一般都以临界值，达到此极限载荷，线性关系开始破坏。达到此极限载荷，线性关系开始破坏。（2）滑动距离）滑动距离若磨粒在滑动过程中条件不变，如磨粒不变圆钝或碎裂，则磨损量与滑动距离一般称正若磨粒在滑动过程中条件不变，如磨粒不变圆钝或碎裂，则磨损量与滑动距离一般称正比，否则磨损量将有改变。比，否则磨损量将有改变。（3）磨料和材料表面的相对速度）磨料和材料表面的相对速度磨损条件和环境的改变会使滑动速度对磨损的影响产生不同的结果了党速度较小时，磨损条件和环境的改变会使滑动速度对磨损的影响产生不同的结果了党速度较小时，磨损率随速度的增高而有下降的趋势，以后又逐渐

27、升高，达到一定速度后趋于常数。磨损率随速度的增高而有下降的趋势，以后又逐渐升高，达到一定速度后趋于常数。（4）热和温度）热和温度摩擦时，载荷和速度对磨损的影响，实际上是由于热和温度的影响所致。特别在高温摩擦时，载荷和速度对磨损的影响，实际上是由于热和温度的影响所致。特别在高温时，热能引起材料表面的氧化、软化、硬化甚至熔化，这样就使得表面的磨损变得复杂时，热能引起材料表面的氧化、软化、硬化甚至熔化，这样就使得表面的磨损变得复杂了。了。（5）腐蚀环境和水蒸汽）腐蚀环境和水蒸汽水汽的存在也足以使磨损加速，三体磨粒磨损时，在大于通常湿度下，特别是绝对湿度水汽的存在也足以使磨损加速，三体磨粒磨损时，在大

28、于通常湿度下，特别是绝对湿度大于大于10%以上时，磨损率随湿度的增长而增长甚速。在小于以上时，磨损率随湿度的增长而增长甚速。在小于10%时则影响不大。时则影响不大。（6）材料的内部因素）材料的内部因素材料内部因素主要包括材料的成分、微观组织特征及机械性能等。材料内部因素主要包括材料的成分、微观组织特征及机械性能等。磨损模型和磨损量的计算磨损模型和磨损量的计算磨料磨损是磨粒对金属表面进行磨料磨损是磨粒对金属表面进行微量切削微量切削的过程；也的过程；也有人认为由于磨粒的作用，使金属表面层受交变接触应有人认为由于磨粒的作用，使金属表面层受交变接触应力和变形，使材料表面发生力和变形，使材料表面发生疲劳

29、破坏疲劳破坏。右图为磨料磨损。右图为磨料磨损简化模型。其中一个表面是由一系列具有简化模型。其中一个表面是由一系列具有半角为半角为r的的硬硬圆圆锥形锥形粗糙微凸体所组成，而另一表面是由较软而平坦的粗糙微凸体所组成，而另一表面是由较软而平坦的材料构成。材料构成。设一粗糙微凸体在软材料表面上划一条痕迹，在移动设一粗糙微凸体在软材料表面上划一条痕迹，在移动一个单位距离一个单位距离时，其移动体积时，其移动体积为为rd,而而d=rcot,那么那么单位移动距离内转移的材料体积为单位移动距离内转移的材料体积为：r2cot若材料在法向载荷作用下屈服，则若材料在法向载荷作用下屈服，则每个微凸体支承的载荷每个微凸体

30、支承的载荷为：为：r2s/2如果单位距离内有如果单位距离内有n个微凸体进行接触，则个微凸体进行接触，则总的法向载荷总的法向载荷为：为：P(r2s/2)n单位移动距离内材料的单位移动距离内材料的总转移体积总转移体积为：为：Wnr2Cot将上绿色两式联合，有：将上绿色两式联合，有：W2PCot/s上式是根据极简单模型推导出来的，对于微凸体的高度和形状的分布都简化了。上式是根据极简单模型推导出来的，对于微凸体的高度和形状的分布都简化了。如果以如果以H代替代替s，以，以Ka=（2/）cot代入，则：代入，则：WKaP/H式中：式中：Ka磨粒磨损系数；磨粒磨损系数；H材料硬度。材料硬度。磨料磨损与粘着磨

31、损有一些相似之处，即磨损率磨料磨损与粘着磨损有一些相似之处，即磨损率Wv与载荷成正比，与与载荷成正比，与软软材料屈服材料屈服压力或硬度成反比。压力或硬度成反比。疲劳磨损机理疲劳磨损机理 疲劳磨损的特点是疲劳磨损的特点是表面或次表面受到接触应力的反复作用表面或次表面受到接触应力的反复作用而产生疲劳破坏。接触而产生疲劳破坏。接触表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，由于周期性载荷的作用，使表面产生应力与变表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，由于周期性载荷的作用，使表面产生应力与变形，从而导致材料形，从而导致材料表面内部出现裂纹和分离出微片或者颗粒的磨损表面内部出现裂纹和分离出微片或者颗粒的磨损，微裂纹在随后

32、的微裂纹在随后的加载、卸载过程中加载、卸载过程中扩大扩大。当微裂纹达到一定临界尺寸时，它将改变方向而露出表面，。当微裂纹达到一定临界尺寸时，它将改变方向而露出表面，结果造成板状颗粒从表面结果造成板状颗粒从表面脱离脱离，当脱离的颗粒较大时则称之为剥落或形成，当脱离的颗粒较大时则称之为剥落或形成微坑微坑。用扫。用扫描电子显微镜有时还可以观察到复员线，说明裂纹呈描电子显微镜有时还可以观察到复员线，说明裂纹呈间断式生长间断式生长。即为疲劳磨损。即为疲劳磨损。疲劳裂纹一般是在固体有缺陷的地方最先出现，这些缺陷可能是机械加工时的擦疲劳裂纹一般是在固体有缺陷的地方最先出现，这些缺陷可能是机械加工时的擦伤或材

33、料在冶金过程中造成的伤或材料在冶金过程中造成的缺陷缺陷(如气孔、夹杂物等如气孔、夹杂物等)。疲劳裂纹还可能在。疲劳裂纹还可能在金属相间金属相间和和晶界晶界处形成。处形成。通常齿轮、滚动轴承、轧辊、模具等比较容易出现表面疲劳磨损。通常齿轮、滚动轴承、轧辊、模具等比较容易出现表面疲劳磨损。疲劳磨损分类：疲劳磨损分类：(1)非扩展性的表面疲劳磨损非扩展性的表面疲劳磨损接触点少，单位面积上的压力大，可能产生小麻点。随着接触点少，单位面积上的压力大，可能产生小麻点。随着接触面的扩大接触面的扩大，单位面积的，单位面积的实际压力降低，实际压力降低，小麻点停止扩展小麻点停止扩展。特别是塑性较好的金属表面，因加

34、工硬化提高了表面。特别是塑性较好的金属表面，因加工硬化提高了表面强度，使小麻点不能继续扩展，机器可继续正常工作。强度，使小麻点不能继续扩展，机器可继续正常工作。(2)扩展性的表面疲劳磨损扩展性的表面疲劳磨损若作用在两接触面上的交变压应力较大时，以及由于材料选择和润滑不当若作用在两接触面上的交变压应力较大时，以及由于材料选择和润滑不当,在跑合阶段在跑合阶段就产生小麻点。在长时间或短时间内，小麻点发展成斑状凹坑导致零件迅速失效。就产生小麻点。在长时间或短时间内，小麻点发展成斑状凹坑导致零件迅速失效。影响应力分布和疲劳磨损的附加因素影响应力分布和疲劳磨损的附加因素表面疲劳磨损的形成表面疲劳磨损的形成

35、静弹性接触的赫兹理论表明：静弹性接触的赫兹理论表明：最大压最大压应力发生在表面应力发生在表面，最大单向剪应力最大单向剪应力发生在发生在表面以下某一距离表面以下某一距离y处处。在在1973年年N.Psuh提出提出剥层理论剥层理论，以位错理论及靠近表面金属的断裂和塑性变形为基，以位错理论及靠近表面金属的断裂和塑性变形为基础的。这个理论根据片状磨粒的形成过程，解释了片状磨粒的形成的原因。础的。这个理论根据片状磨粒的形成过程，解释了片状磨粒的形成的原因。N.Psuh的剥层理论的剥层理论四个连续过程：四个连续过程：（1）表面层在法向和切向作用下发生周期性塑性变形和位错行为；表面层在法向和切向作用下发生周

36、期性塑性变形和位错行为；（2）在位错堆积应力作用下，裂纹、空穴在变形层中形成，在夹杂物或第二相微粒中在位错堆积应力作用下，裂纹、空穴在变形层中形成，在夹杂物或第二相微粒中聚集；聚集；（3）在塑性剪切变形时裂纹和空穴相互结合，裂纹并在表面接近平行方向扩展；）在塑性剪切变形时裂纹和空穴相互结合，裂纹并在表面接近平行方向扩展；（4）裂纹扩展到表面时，形成薄而长的磨损层，最后分离成磨损碎片。裂纹扩展到表面时，形成薄而长的磨损层，最后分离成磨损碎片。交变应力交变应力应力集中应力集中形成空穴形成空穴空穴汇合空穴汇合裂纹形成裂纹形成裂纹增长裂纹增长裂纹交织裂纹交织片状磨粒片状磨粒脱落脱落零件有效寿命零件有效

37、寿命：从零件正常开始工作到零件磨屑开始分离的时间。：从零件正常开始工作到零件磨屑开始分离的时间。影响疲劳极限的因素影响疲劳极限的因素：（1）工作条件）工作条件温度温度温度升高，疲劳极限下降；温度升高，疲劳极限下降；介质环境为腐蚀介质，疲劳极限下降。介质环境为腐蚀介质，疲劳极限下降。（2）表面状态）表面状态表面加工质量、表面粗糙度、表面缺陷。表面加工质量、表面粗糙度、表面缺陷。（3）材质）材质材料的成分、组织、缺陷。材料的成分、组织、缺陷。（4）残余应力）残余应力残余压应力可使疲劳极限升高，拉应力下降。残余压应力可使疲劳极限升高，拉应力下降。腐蚀磨损机理腐蚀磨损机理腐腐蚀蚀磨磨损损又又称称摩摩擦

38、擦化化学学磨磨损损。可可以以认认为为：腐腐蚀蚀磨磨损损时时材材料料的的摩摩擦擦表表面面破破坏坏是是由由于于同时发生了两个过程：即腐蚀和机械磨损。同时发生了两个过程：即腐蚀和机械磨损。机机械械磨磨损损可可能能是是由由于于两两个个相相配配合合表表面面的的滑滑动动摩摩擦擦引引起起的的，也也可可能能是是在在气气蚀蚀和和非非气气蚀条件下蚀条件下,固有硬颗粒介质流的作用。固有硬颗粒介质流的作用。而而腐腐蚀蚀是是由由于于材材料料与与介介质质发发生生化化学学或或电电化化学学的的相相互互作作用用过过程程引引起起的的。在在金金属属与与气气体体(特特别别在在高高温温时时)和和非非导导电电液液体体介介质质的的接接触触

39、条条件件下下，则则发发生生化化学学腐腐蚀蚀。这这时时金金属属与与介介质质直直接接相相互互作作用用而而不不伴伴随随产产生生电电流流。在在金金属属与与电电解解质质(酸酸盐盐水水溶溶液液等等)相相接接触触时时，则发生电化学腐蚀。则发生电化学腐蚀。腐蚀磨损分类腐蚀磨损分类根据腐蚀磨损出现的状态的不同，腐蚀磨损可区分为三类：根据腐蚀磨损出现的状态的不同，腐蚀磨损可区分为三类：(1)氧化磨损氧化磨损大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损型式。大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损型式。(2)特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损当摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而形当摩擦副与酸、碱、盐等

40、特殊介质发生化学腐蚀作用而形成的磨损称特殊介质腐蚀磨损。成的磨损称特殊介质腐蚀磨损。(3)气蚀磨损气蚀磨损气体与零件及液体接触并有相对运动时气体与零件及液体接触并有相对运动时,在液相中形成气泡，气泡在在液相中形成气泡，气泡在高压区破裂，产生的冲击力，反复进行，使材料产生疲劳而逐渐脱落。高压区破裂，产生的冲击力，反复进行，使材料产生疲劳而逐渐脱落。p阻碍反应的外边界层被阻碍反应的外边界层被“磨磨”去；去；p参与反应物质的输送得到加速；参与反应物质的输送得到加速；p易起反应的表面积扩大；易起反应的表面积扩大；p摩擦热使温度升高；摩擦热使温度升高；p塑性变形过程引起晶格结构破坏，出现有自由键的的表面

41、原子。塑性变形过程引起晶格结构破坏，出现有自由键的的表面原子。摩擦化学磨损的过程与某些添加剂通过生成化学反应膜以防止磨损的过程基本摩擦化学磨损的过程与某些添加剂通过生成化学反应膜以防止磨损的过程基本相同。二者的差别在于，化学生成物质是保护表面防止磨损，还是促使表面脱相同。二者的差别在于，化学生成物质是保护表面防止磨损，还是促使表面脱落。化学生成物质的形成速度与被磨掉速度之间存在平衡问题，两者相对大小落。化学生成物质的形成速度与被磨掉速度之间存在平衡问题，两者相对大小的不同，将产生不同的效果。应根据使用条件合理选择润滑添加剂化学活性。的不同，将产生不同的效果。应根据使用条件合理选择润滑添加剂化学

42、活性。在最佳活性条件下，既有效的防止了粘着，避免发生突然失效，又不至于产生在最佳活性条件下，既有效的防止了粘着，避免发生突然失效，又不至于产生过度的摩擦化学磨损，使总的磨损最小。过度的摩擦化学磨损，使总的磨损最小。摩擦化学磨损是微动磨损的一个局部过程，但它并不是这种损坏的唯一原因。摩擦化学磨损是微动磨损的一个局部过程，但它并不是这种损坏的唯一原因。摩擦化学磨损主要发生在金属材料表面。即使是耐磨蚀的钢，如果其防锈的钝摩擦化学磨损主要发生在金属材料表面。即使是耐磨蚀的钢，如果其防锈的钝化膜在摩擦作用下被磨掉，也避免不了要发生磨蚀磨损。陶瓷和聚合物材料，化膜在摩擦作用下被磨掉，也避免不了要发生磨蚀磨

43、损。陶瓷和聚合物材料，发生摩擦化学磨损的可能性很小。发生摩擦化学磨损的可能性很小。引起化学反应过程加快的原因是引起化学反应过程加快的原因是：微动磨损机理微动磨损机理微动磨损是一种典型的复合式磨损，它是在两个表面微动磨损是一种典型的复合式磨损，它是在两个表面之间由于振幅很小之间由于振幅很小(l毫米以下毫米以下)的相对振动而产生的磨损的相对振动而产生的磨损,如果如果在微动磨损过程中在微动磨损过程中,两个表面之间的化学反应起主要作用时两个表面之间的化学反应起主要作用时,可称为微动腐蚀磨损。可称为微动腐蚀磨损。微动磨损过程微动磨损过程接触压力接触压力表面塑性变形与粘着表面塑性变形与粘着小振动粘着点剪切

44、脱落小振动粘着点剪切脱落新金属露出。新金属露出。脱落的颗粒与新表面又氧化，这些氧化物不易排出，故在摩擦面起着磨料磨损的脱落的颗粒与新表面又氧化，这些氧化物不易排出，故在摩擦面起着磨料磨损的作用。如此循环不止。若振动应力很大时，微动磨损处能形成表面应力源，由疲劳作用。如此循环不止。若振动应力很大时，微动磨损处能形成表面应力源，由疲劳裂纹发展引起完全的破坏。裂纹发展引起完全的破坏。微动磨损微动磨损的主要影响因素的主要影响因素1)相对滑动振幅的影响相对滑动振幅的影响接触表面的相对滑动是产生微动磨损的必要条件。很小的滑动振幅接触表面的相对滑动是产生微动磨损的必要条件。很小的滑动振幅(8x10-7mm)

45、已足够产生明显的破坏源。随着滑动振幅的增加，其磨损量也增加。一般说来，已足够产生明显的破坏源。随着滑动振幅的增加，其磨损量也增加。一般说来，在微动磨损量与滑动振幅大小直接成正比。在微动磨损量与滑动振幅大小直接成正比。2)接触压力的影响接触压力的影响磨损量与法向载荷的关系有多种形式，可能是直线或抛物线变化，这与试验条磨损量与法向载荷的关系有多种形式，可能是直线或抛物线变化，这与试验条件，材料性质，滑动振幅和载荷范围有关。件，材料性质，滑动振幅和载荷范围有关。3)外界介质的影响外界介质的影响主要是气体和湿度，在空气中比真空、氮气中磨损大；氧气中比空气中大。湿主要是气体和湿度，在空气中比真空、氮气中

46、磨损大；氧气中比空气中大。湿度对磨损的影响有两种说法：度对磨损的影响有两种说法：减少磨损；减少磨损；磨损增大到一定值后下降。磨损增大到一定值后下降。4)润滑剂的影响润滑剂的影响可减少磨损。可减少磨损。5)材料的影响材料的影响不同的材质磨损的情况不同。不同的材质磨损的情况不同。内燃机磨损特点内燃机磨损特点经经“磨合磨合”期后，磨损的两个主要原因是磨粒磨损和腐蚀。隔绝外界的粒子和有期后，磨损的两个主要原因是磨粒磨损和腐蚀。隔绝外界的粒子和有效的滤油，可使磨粒磨损达到最小。腐蚀被认为是汽车发动机中气缸与活塞环的主要效的滤油，可使磨粒磨损达到最小。腐蚀被认为是汽车发动机中气缸与活塞环的主要磨损机理，虽

47、然油的配制方法已经大大减少了腐蚀性。石油中含硫和添加剂也是造成磨损机理，虽然油的配制方法已经大大减少了腐蚀性。石油中含硫和添加剂也是造成腐蚀的一个原因，但是腐蚀的主要原因是由燃烧物腐蚀的一个原因，但是腐蚀的主要原因是由燃烧物CO2和水分合成的碳酸。和水分合成的碳酸。上述的情况说明如下：上述的情况说明如下：早晨将汽车冷车启动，然后开车上班，汽车在那里停放，冷下来时温度可能降到早晨将汽车冷车启动，然后开车上班，汽车在那里停放，冷下来时温度可能降到零下，晚上又重复这一过程。因此，即使总的行驶距离很短，每天也要重复从冷到热零下，晚上又重复这一过程。因此，即使总的行驶距离很短，每天也要重复从冷到热再到冷

48、这样两个循环。发送机每冷却一次，碳酸就冷凝在气缸套上，产生磨蚀物（如再到冷这样两个循环。发送机每冷却一次，碳酸就冷凝在气缸套上，产生磨蚀物（如Fe2O3）。下一次启动就磨去这些磨蚀物，另外产生一些磨粒磨损。这种机理已有对）。下一次启动就磨去这些磨蚀物，另外产生一些磨粒磨损。这种机理已有对比磨损试验所证实，在实验中，两台发动机在同样的条件下做同样时间的运转，而一比磨损试验所证实，在实验中，两台发动机在同样的条件下做同样时间的运转，而一台作连续运转，另一台作间歇运转而让它在每次运转时高许多倍。发动机中油的分析台作连续运转，另一台作间歇运转而让它在每次运转时高许多倍。发动机中油的分析结果也证实了腐蚀

49、机理在间隙运转时的重要性。结果也证实了腐蚀机理在间隙运转时的重要性。在上面所举的内燃机中活塞与活塞环界面的例子说明，一台最常用的机械的磨损在上面所举的内燃机中活塞与活塞环界面的例子说明，一台最常用的机械的磨损可能是由于各种不同磨损形式作不同程度的组合所致。界面上的材料发生粘着、磨粒、可能是由于各种不同磨损形式作不同程度的组合所致。界面上的材料发生粘着、磨粒、腐蚀和疲劳等磨损。此外，由于环境、速度、载荷、温度和润滑效果的不同，这些磨腐蚀和疲劳等磨损。此外，由于环境、速度、载荷、温度和润滑效果的不同，这些磨损机理的相对重要性随气缸上位置的不同而不同。该例子也说明了磨损过程确实是一损机理的相对重要性

50、随气缸上位置的不同而不同。该例子也说明了磨损过程确实是一非常复杂的过程。非常复杂的过程。1）轧制时的磨损）轧制时的磨损冷轧：冷轧：主要是黏着磨损，有润滑时还存在腐蚀磨损等。主要是黏着磨损，有润滑时还存在腐蚀磨损等。纯铝冷轧主要是微粒间的黏着磨损；较硬材料的冷轧可发生直接黏着磨损；当表纯铝冷轧主要是微粒间的黏着磨损；较硬材料的冷轧可发生直接黏着磨损；当表面氧化物很硬，并且有坚实的基体材料支撑时发生磨料磨损；有润滑时还发生腐蚀磨损。面氧化物很硬，并且有坚实的基体材料支撑时发生磨料磨损；有润滑时还发生腐蚀磨损。轧辊报废的主要原因是疲劳效应引起的剥落，剥落是冷轧轧辊报废的主要原因。轧辊报废的主要原因是