第3章表面摩擦与磨损要点解析.ppt

经磨粒磨损后磨损掉的材料体积，即被迁移的沟槽体积(阴影部分)为： 式中，V磨损体积；r为磨粒圆锥体半径；x为颗粒压入材料的深度；L为滑动距离；θ为磨粒圆锥体夹角 磨粒磨损的简化模型 若材料的硬度H等于载荷与压痕投影面积之比，即 则有： 式中，W法向载荷；H金属材料的硬度。表明在一定磨粒条件下，磨损体积与所加的载荷成正比，而与材料的硬度成反比。 (b) 磨料磨损机理 （1）微观切削磨损机理：在法向力下，磨粒压入表面；而切向力使磨粒向前推进；磨粒如同刀具一 样，在表面进行切削而形成切屑。 （2）多次塑变磨损机理：犁沟--犁皱--反复塑性变形，最后因材料产生加工硬化或其它强化作用最终 剥落而成为磨屑。 （3）微观断裂(剥落)磨损机理：磨粒与脆性材料表面接触时，材料表面因受到磨粒的压入而形成裂 纹，当裂纹互相交叉或扩展到表面上时就发生剥落 形成磨屑；断裂机制造成的材料损失率最大。 （4）疲劳磨损机理：摩擦表面在磨粒产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。 在实际磨粒磨损过程中，往往有几种机制同时存在，但以某一种机制为主。当工作条件发生变化 时，磨损机制也随之变化。 3 磨粒磨损的影响因素 (a) 材料性能 * 硬度：一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨损能力也越高。 （1）对纯金属和各种成分未经热处理的钢，耐磨性与材料的硬度成正比。 （2）对经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关系，但直线的斜率比纯金属为小。 （3）通过塑性变形虽能使钢材加工硬化、提高钢的硬度，但不能改善其抗磨粒磨损的能力。 磨粒磨损中的相对耐磨性与材料硬度的关系 * 断裂韧性 断裂韧性也会影响材料的磨粒磨损性能。 耐磨性、硬度和断裂韧性的关系示意图 * 显微组织 马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨性最差。 * 钢中碳化物： 在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；但在硬基体(即基体硬度与碳化物硬度相近)中，碳化物反而损害材料的耐磨性。 (b) 磨粒性能 磨粒硬度 磨损体积与硬度比H0 /H（磨粒硬度H0与材料硬度H之比）的关系，如图所示。两个转折点为0.7~1.1和1.3~1.7。 * 磨粒尺寸 在磨料磨损过程中，磨粒大小对耐磨性的影响， 存在一个临界尺寸。如图 * 磨粒形状 尖锐磨粒造成的磨损量高于同样条件下的多角型和圆型磨粒产生的磨损量。 (c) 工作条件： 磨损量常与载荷和滑动距离成线性关系。 4 改善抗磨粒磨损能力的措施 a) 对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增加材料的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损，应提高 材料的韧性。 b) 根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的低应力)，合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳调质钢)。 c) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效地改善材料的磨粒磨损性能。 3.2.5 表面疲劳磨损 1 定义及分类 * 定义：由于交变应力使表面材料疲劳而产生物质的转移称为疲劳磨损，有时也称为接触点疲劳或点蚀。 * 分类： 按剥落裂纹的起始位置及形态分为： 麻点剥落(点蚀)：深度在0.2mm以下的小块剥落， 常呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称V形。 b) 浅层剥落: 深度一般为0.2~0.4mm，剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。 c) 深层剥落(表面压碎): 深度和表面强化层深度相当， 裂纹走向与表面垂直。 2 疲劳磨损机理 a) 麻点剥落(点蚀) 裂纹起源于表面，剥落层深度在0.1~0.2mm，从表面看麻点是针状和豆状凹坑，截面是不对称的V型。 在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应力反复作用在表层局部区域，若材料的抗剪屈服强度 较低，则将在该处产生塑性变形，同时还伴有形变 强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切应 力超过材料的抗剪强度时，就在表层形成裂纹。 在纯滚动条件下，裂纹扩展方向与τmax 方向(45倾角)一致； 麻点剥落形成过程示意图 (a) 初始裂纹形成；(b) 初始裂纹扩展；(c) 二次裂纹形成；(d) 二次裂纹扩展；(e) 形成磨屑；(f) 锯齿形表面 b）浅层剥落 裂纹起源于亚表面，剥落层深度一般约0.2~0.4 mm，它和最大剪应力τmax 所在深度0.786b相当，其底部大致和表面平行，而其侧面的一侧与表面约成 450，另一侧垂直于表面。 这种剥落常发生在机件表面粗糙度低、相对摩擦力小的场合。 浅层剥落过程示意图 (a) 在0.786b处形成交变塑性区；(b) 形成裂纹；(c) 裂纹扩展剥落 c）深层剥落(硬化层剥落或压碎性剥落) 经表面强化处理的零件，其疲劳磨损裂纹往往起源于硬化层与心部的交界处。裂纹形成后，先平行表 面扩展，即沿过渡区扩展，而后垂直于