磨损及磨损理论

摩擦学基础知识—磨损及磨损理论第一节概述任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1／3～1／2消耗于摩擦，而机械零件80％失效原因是磨损。轮胎压痕(SEM5000X)摩擦痕迹(350X)所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查，联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失还需加上10%一20%。1.1磨损研究的重要性与摩擦相比，磨损要复杂得多。直到目前磨损的机理还不十分清楚，也没有一条简明的定量定律。对大多数机器来说，磨损比摩擦显得更为重要，实际上人们对磨损的理解远远不如摩擦。对机器磨损的预测能力也很差。对于大多数不同系统的材料，在空气中的摩擦系数大小相差不超过20倍，而磨损率之差却很大，如聚乙烯对钢的磨损和钢对钢的磨损之比可相差105倍。磨损似乎比摩擦具有更大的复杂性和敏感性。在具体的工作条件下，影响因素是十分复杂的，它包括工作条件、环境因素、介质因素和润滑条件以及零件材料的成分、组织和工作表面的物理、化学、机械性能等，了解影响因素有利于实现对磨损的控制。1.2磨损研究的进展磨损的研究工作开展得较迟，本世纪50年代初期在工业发展国家开始研究“粘着磨损”理论，探讨磨损机理。1953年美国的J.F.Archard提出了简单的磨损计算公式，1957年苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法，1973年美国的N.P.Suh提出了磨损剥层理论。20世纪60年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量的综合的应用，使得磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像，了解磨损的动态过程；研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化，以搞清磨损机理，分析和监测磨损过程，从而寻求提高机器寿命的可能途径。1.3磨损定义：磨损是摩擦副相对运动时，在摩擦的作用下，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。(1)机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。(2)化学作用使摩擦表面发生性状的改变。(3)热作用使摩擦的表面发生形状的改变。(4)造成各种磨损的产生其他作用。定义说明①磨损并不局限于机械作用，由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损；由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损；以及由于伴同热效应而造成的热磨损等现象都在磨损的范围之内；②定义强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而，橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴；定义说明③磨损发生在物体工作表面材料上，其它非界面材料的损失或破坏，不包括在磨损范围之内；④磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移(材料从一个表面转移到另一个表面上去)，破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。1.4磨损的危害：(1)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，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。(2)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。(3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。(4)消耗材料,造成机械材料的大面积报废。1.5研究内容：(1)磨损类型及发生条件、特征和变化规律。(2)影响磨损各种因素，包括材料、表面形态、环境、滑动速度、载荷、温度等。(3)磨损的物理模型、计算及改善措施。(4)磨损的测试技术与实验分析方法。表面被磨平，实际接触面积不断增大，表面应变硬化，形成氧化膜，磨损速率减小。斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役；磨损性能是根据机件在此阶段的表现来评价。随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙增大，表面质量恶化，机件快速失效。1.6磨损过程的一般规律：1、磨损过程分为三个阶段:非典型磨损曲线2.磨损特性曲线典型浴盆曲线典型浴盆曲线1.7磨损类型1、磨损类型其他磨损类型破坏方式基本特征微动磨损磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常作为磨料加剧磨损。剥层破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。胶合表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。咬死黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。点蚀材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。研磨宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。凿削存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成2、表面破坏方式及特征磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常作为磨料加剧磨损。表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成3.表面破坏方式与机理对应关系1.8磨损的评定磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法：磨损量、耐磨性和磨损比。（1）磨损量评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和重量磨损量Ww。长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的磨损监测中经常使用。体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变量。在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此，用磨损率Wt'来表示时间的特性。其它指标还有磨损强度W'(单位摩擦距离的磨损量，有人也把它称为磨损率)，和磨损速度WT'(是指机器完成一单位工作量的磨损量)。（2）耐磨性材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对耐磨性ε是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料之一的A是标准(或参考)试样。εA＝WA/WB磨损量WA和WB一般用体积磨损量，特殊情况下可使用其它磨损量。耐磨性通常也用绝对指标W-1或W´-1表示，即用磨损量或磨损率的倒数表示。W-1=1/W,W´-1=1/W´耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数，也可用体积磨损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。绝对耐磨性和相对耐磨性的关系是εA＝WA×W－1（3）磨损比冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度量磨损。它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段中所测量的磨损比将有较大的差别。不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或工况下的数据是不可比较的。）料量（造成该磨损量所用的磨）或μ材料的冲蚀磨损量（＝磨损比gmg3第二节粘着磨损1定义:当摩擦副相对滑动时,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。2粘着磨损机理：当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷作用下，微凸体的局部压力就可能超过材料的屈服压力而发生塑性变形，继而使两摩擦表面产生粘着（焊接）。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，或发生转移。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，则发生物质的转移。粘着-剪断-转移-再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。粘着磨损(1)轻微磨损:粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。(2)涂抹:粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。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。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大。根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损一下五种不同的形式（五类典型粘着磨损）：(3)擦伤：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层内，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。(4)划伤：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副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。(5)咬死：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。Archard(1953年)提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为πa2．假设摩擦副的一方为较硬材料，摩擦副另一方为较软材料；法向载荷W由n个半径为a的相同微凸体承受。3.简单粘着磨损计算(艾查德Archard模型)：当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限σy之间的关系：当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。其体积为(2/3)πa3，则单位滑动距离的总磨损量为:（1）(2)式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑到微凸体中产生磨粒的概率数K和滑动距离L，则接触表面的粘着磨损量表达式为：(4)由(4)式可得粘着磨损的三个定律：①材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件②材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围③材料磨损量与较软材料的屈服极限σy(或硬度H)成反比对于弹性材料，σy≈H/3，H为布氏硬度值，则式(4)可变为：式中K为粘着磨损系数由(1)和(2)式，可得：(3)右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑动摩擦时的结果。图中示出钢的磨损系数随表观压力的变化曲线。纵坐标为K/H，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。当压力值小于片H/3时，磨损率小而且保持不变(即K保持常数)；但当压力值超过H/3时，磨损量急剧增大(K值急剧增大)，这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。对其他金属也有类似的情况，只是K开始增加时的平均压力值通常比H/3稍低而已。在压力值为H/3作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响。当压力值增加到H/3以上时，整个表面变成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。由于式中的K代表微凸体中产生磨粒的概率，即粘着磨损系数．因此，K值必须按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件求得。右表给出了不同工况和摩擦副配对时的磨损系数K值。(1)摩擦副材料：a: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，发生在表层深处，磨损颗粒