表面工程(修订稿20113).ppt

第三章 表面强度：表面摩擦与磨损 3.1基本概念 3.2表面抗磨强度 3.2表面抗磨损强度 摩擦： 两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面之间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。 摩擦一般按摩擦副表面的润滑状况分类： 纯净摩擦：没有任何吸附物或化合物存在 干摩擦：名义上没有润滑剂存在 边界润滑摩擦：一层极薄(0.01μm或更薄)的润滑膜存在 流体润滑摩擦：完全被流体(气体或液体)隔开 固体润滑摩擦：固体润滑剂存在。 早期的摩擦理论： 第一定律—摩擦力与接触体之间的表观接触面积无关。 第二定律—摩擦力F与两接触体之间的法向载荷 P成正比． 即：F＝P。 第三定律—两个相对运动物体表面的界面滑动摩擦阻力与滑动速度无关。 这三条定律对目前解决一般机械工程中的实际问题仍大致适合。但随着科学技术的发展，许多摩擦现象用它们难以说明。例如: 摩擦系数实际上是变化的，其大小不仅随摩擦材料的配对不同而不同，还明显受环境因素的影响，而且如果相对滑动速度高，摩擦系数会下降。因此以上定律必须加以修正。 摩擦大小一般用摩擦系数μ来表征，其值等于摩擦力F与法向载荷N的比值。 影响摩擦的因素： 材料性能：摩擦副的金属种类和表面粗糙程度、弹性模量、晶粒大小等。 摩擦环境：载荷、滑动速度等。 磨损的定义 物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形的现象称为磨损。 磨损的分类 目前比较通用的分类方法是以J．T Burwell 和C.D.Strang 提出的按照磨损机理的分类方法为基础，将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀磨损和气蚀磨损。其中最主要的是前面5种。 实际上，两个接触表面很难达到理想光滑程度。如果出现粗糙度，实际接触仅限于微凸体之间，这将会发生所谓应力调幅现象。一个较大范围的应力场，变成很多分散的微观应力场，每一个应力峰对应一个微凸体的接触点。 由于实际接触面积远小于名义接触面积，每一个微凸体上将承受更大载荷，故其实际应力分布将大大高于理想表面接触的情况。 因此，表面粗糙度对磨损有重要影响。 假定粗糙表面之间是多点接触，或进入接触的微凸体都会发生塑性变形，可以推导出接触面积与载荷之间近似为线性关系。 在两个实际的粗糙表面上，微凸体高度的分布是随机性的，在不同的微凸体上产生的变形程度也是极不均匀的。在最高的微凸体上将发生大量的塑性变形；较低的微凸体上可能只发生弹性变形；而最低的微凸体可能未发生接触。只要微凸体高度分布符合高斯规律或指数函数关系，仍能得到接触面积与载荷之间的线性关系。 影响固体材料耐磨性的因素 （1）硬度 通常认为材料的耐磨性由材料的硬度来衡量，但在有些情况下，例如冲蚀磨损，硬度的高低与耐磨性未必一致。 （2）晶体结构和晶体的互溶性 晶体结构为密排六方材料，如钴等即使在摩擦面非常干净的情况下，其摩擦系数也不高，磨损率也低。研究还表明．冶金上互溶性差的一对金属摩擦副可以获得低摩擦系数和低磨损率。 （3）温度 温度对磨损的影响是间接的。例如：温度升高，硬度下降，互溶性增加，磨损即加剧；温度上升，氧化速率增加也可影响磨损性能。 （4）环境 在真空条件下大多数金属的磨损是极其严重的。除了金以外，在大气条件下，许多金属在经过切削或磨削后，洁净的表面在5分钟内就产生一层5～50个分子层的氧化膜，氧化膜在防止粘着方面有重大作用。 在摩擦面之间加润滑剂是减少磨损的有效方法： 流体膜润滑即流体膜把两金属隔开，把磨损减到最低限度； 固体润滑即在固体表面采取固体润滑剂或使用的添加剂能与金属的表面发生反应生成厚为40～400nm的氧化物或硫化物，避免金属与金属之间的直接接触。 粘着磨损(Adhesive Wear) 磨料磨损(Abrasive Wear) 由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨料磨损，也称磨粒磨损。 其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。 磨损的理论 ⑴表层的粘着开裂机制 摩擦副的两个零件相互接触摩擦，某些部位会发生粘着，由于摩擦界面强烈的粘着超过了较软金属的临界剪切应力，产生了局部划移带，反复运动的结果使划移带处产生开裂，进而发生 翘起，翘起部位经过多次反复摩擦，最后被剪断，于是产生了磨粒，导致磨损。 ⑵磨损的分层理论 在磨损的试验中观察到片状磨粒，产生片状磨粒是由于次表面和表面的变形在次表面形成裂纹并扩展的结果。 分层理