3-材料磨损与耐磨材料(第2章课件)3

1第一篇材料磨损基础Chapter1:材料的磨损Chapter2:固体表面结构与接触特性Chapter3:材料的磨损机理2Chapter2:固体表面结构与接触特性§2.1固体表面的几何形貌§2.2固体表面的表征方法§2.3物体接触与实际接触面积§2.4固体表面结构3§2.1固体表面的几何形貌不仅是金属，凡是固体其表面形貌都很复杂。这是因为任何机器零件的表面都要留下其加工制造工艺过程所产生的痕迹。如铸件表面，金属在铸型中凝固时留下的粗糙的表面；锻压件表面留下金属成型过程中压力加工的表面；机械加工零件表面留下的机加工刀痕，切屑分离时的塑性变形等。4§2.1固体表面的几何形貌所有这些都造成零件的实际表面与理想的绝对光滑的、平整的表面存在有一定的几何形状的误差，如下图所示。这种形状误差可分为三类：固体表面几何形状误差1—形状误差；2—波纹；3—粗糙度5§2.1固体表面的几何形貌(1)宏观几何形状误差：即表面形状误差。对于平面，用不直度和不平度表示，对于圆柱面，用不圆度，椭圆度、不圆柱度等表示，如图所示，△表示形状误差。固体表面几何形状误差1—形状误差；2—波纹；3—粗糙度6§2.1固体表面的几何形貌固体表面几何形状误差1—形状误差；2—波纹；3—粗糙度(2)表面波纹度：零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。波纹度有两个重要参数，即波高和波距。波高Hb表示波峰和波谷间的高度差，波距Lb表示相邻两波形对应点的间距，如图所示。波纹度的变化会影响零件的实际支承表面的面积，从而影响磨损。7§2.1固体表面的几何形貌(3)表面粗糙度：是指比表面波纹度更微观尺度上的几何形状误差。通常是指毫米尺度以下范围内表面凹凸不平的情况，而波纹度的波距较长，一般在1-10毫米范围。表面粗糙度的评定指标一般采用轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点平均高度Rz及轮廓均方根偏差Rq.8Chapter2:固体表面结构与接触特性§2.1固体表面的几何形貌§2.2固体表面的表征方法§2.3物体接触与实际接触面积§2.4固体表面结构9§2.2固体表面的表征方法·§2.2.1轮廓算术平均偏差Ra如下图所示是在取样长度l内，被测轮廓上各点轮廓中心线m-m的距离(y1，y2，…，yn)绝对值总和的算术平均值。101()aRyxdxl11naiiRyn其数学表达式为：或10§2.2固体表面表征方法§2.2.2微观不平度十点平均高度Rz它是指在取样长度l内5个最大的轮廓峰高(绝对值）的平均值和5个最大轮廓谷深（绝对值）的平均值之和，如下图所示：55115iipviizyyR其数学表达式：11§2.2固体表面表征方法§2.2.3轮廓均方根偏差Rq它是指在取样长度l内轮廓偏距的均方根值。1201()zRyxdxl其数学表达式为：12§2.2固体表面表征方法NOTE!上述三种参数仅反映表面高度方向的粗糙度，但不能反映表面峰、谷轮廓的斜度和其出现频率的情况。为了克服这一点，可采用表面轮廓在水平方向的参数和二维参数来补充评定表面的形貌：1.轮廓微观不平度的平均间距Sm；2.轮廓单峰平均间距S13§2.2固体表面表征方法(1)轮廓微观不平度的平均间距Sm，它是指在取样长度l内轮廓在中线m-m上间距pmi的算术平均值，如图所示。pmi为含有一个轮廓蜂和相邻轮廓谷的一段中线长度。反映表面峰、谷轮廓的斜度。11nmmiiSpn14§2.2固体表面表征方法(2)轮廓单峰平均间距S，它是指在取样长度l内轮廓的单峰间距Pi的平均值，见下图所示。反映表面单峰出现的频率。11niiSpn15§2.2固体表面表征方法§2.2.4轮廓支承面曲线它表示表面轮廓上各微凸体沿高度分布的情况，也可以反映出摩擦表面磨损到某一定程度时，支承面积大小。表面上微凸体的高度分布—支承面曲线如图所示：其中：P为轮廓最高峰点至截线间的距离。P0为最高峰点至最深谷的距离16§2.2固体表面表征方法轮廓支撑面曲线可用作图法求得，它是在取样长度l内，作任一平行于中线m-m的线与轮廓相截后得到的各段截线长度之和与取样长度l之比。即：···pabcdtl其中：P为轮廓最高峰点至截线间的距离。P0为最高峰点至最深谷的距离17§2.2固体表面表征方法轮廓支承面曲线表示表面轮廓上各微凸体沿高度分布的情况，反映出摩擦表面磨损到某一定程度时，支承面积大小。该参数对研究摩擦表面的接触状态和表面耐磨性有重要作用。其中：P为轮廓最高峰点至截线间的距离。P0为最高峰点至最深谷的距离18课内题：请画出轮廓支承面曲线，并说明摩擦表面特征19§2.2固体表面表征方法NOTE：上述表征固体表面形貌的参数只能反映被测表面某一截面上的形貌。为了反映固体表面上某一区域的全部形貌，近年来开始研究表面的三维形貌，即在x、y表面上描绘出形貌轮廓后，再使被侧表面相对于轮廓仪测头在z轴方向移动一个微小的距离，然后再测出一条表面轮廓线，这样就可以得到由一组间隔很密的轮廓线组成的三维形貌图，如下图所示：20§2.2固体表面表征方法激光共焦扫描显微镜21Chapter2:固体表面结构与接触特性§2.1固体表面的几何形貌§2.2固体表面的表征方法§2.3物体接触与实际接触面积§2.4固体表面结构22§2.3物体接触与实际接触面积§2.3.1物体摩擦表面接触特点对于所有固体的真实表面都是凹凸不平的，当两个凹凸不平的固体表面相接触时，并不是整个表面都接触，只是凸起的微峰之间形成接触点，当两者的距离足够近，会产生原子的作用力。接触点以外区域表面间的原子不存在作用力，因为两表面是被完全隔开。这种接触具有不连续性和不均匀性。见下图所示：23§2.3物体接触与实际接触面积接触面积可分三种：名义接触面积：由物体表面接触的外部尺寸决定，以An表示，An＝axb24§2.3物体接触与实际接触面积轮廓接触面积:物体接触表面凸峰被压扁的部分构成的面积，如上图中虚线所包围的面积，以Ap表示；实际接触面积：物体真实接触的面积，如上图中虚线包围的各小黑点面积的总和，以Af表示。25§2.3物体接触与实际接触面积因此：两物体表面接触时，实际接触面积只是名义接触面积的千分之几甚至万分之几。这样即使作用在整个接触面积上的载荷F很小，但接触点上的应力却很大，随着F的增加，接触点上的应力逐步达到材料的屈服极限σs，便产生塑性流动，因而增大接触面积和接触点数，此时应力并不增加。当Ar和σs乘积等于载荷F时，接触点上的塑性流动停止。rsFA由此鲍登和泰博提出以下公式：26§2.3物体接触与实际接触面积当时他们认为表面微峰顶部的曲率半径r很小,所以接触应力很容易达到σs而产生塑性变形。但后来许多实验证明：实际接触面积和表面粗糙度有关，即和微峰顶部曲率半径和微峰高度分布状况有关，表面间的接触变形不完全是塑性变形而有弹性变形部分。当载荷F增加时，表面接触变形y经历了弹性变形、弹-塑性变形和完全塑性变形三个阶段，如下图所示。27§2.3物体接触与实际接触面积28§2.3物体接触与实际接触面积在实际中，对摩擦面施加的载荷是重复加载的。微峰顶的曲率半径r经过摩擦和磨损后会显著地增大，如图所示：29§2.3物体接触与实际接触面积而且表面的微峰硬度会随着加载的进行不断增加：表面的微峰硬度在第一次加载后约提高5％-15％，多次重复加载后可提高20%-80%。因此，即使在初次加载时出现了塑性变形，但在重复加载(载荷大小不超过初始值)时塑性变形将逐步蜕变为弹性变形。30§2.3物体接触与实际接触面积§2.3.2两固体表面的实际接触面积在实际接触面积的大量实验中，总结出形成过程的一些特点：(1)由于表面祖糙度具有离散性，所以它们的接触也具有离散性；(2)实际的接触点不仅由塑性变形而且也有弹性变形所产生；(3)实际接触面积随载荷的增加而增大，接触斑点的平均面积几乎保持不变，而是接触斑点数量增加，所以实际接触面积的增加主要是由于接触斑点的增加。31Chapter2:固体表面结构与接触特性§2.1固体表面的几何形貌§2.2固体表面的表征方法§2.3物体接触与实际接触面积§2.4固体表面结构32§2.4固体表面结构§2.4.1固体表面概念及认识§2.4.2固体表面的基本特征§2.4.3晶体的表面结构33§2.4.1固体表面概念及认识固体表面是指固气界面或固液界面。它实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（0.5—10nm）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡.任何表面系统都有自发降低其表面能的趋势。问题1：液体以什么样的方式降低表面能？问题2：固体以什么样的方式降低表面能？34在表面张力的作用下，液体是以形成球形表面来降低表面能，而固体由于质点不能自由流动，只能借助于离子重排、变形、极化并引起晶格畸变来降低表面能。35§2.4.1固体表面概念及认识材料的摩擦与磨损和它的表面结构有关。一般材料表面层的性质与整体性质之间可能有很大的差异，如金属材料如下图所示，36§2.4.1固体表面概念及认识金属的最表层约有30Å厚的污染层，还有厚度约为3Å的气体吸附层和100Å左右的金属氧化层。金属表层在加工过程中由于晶格歪曲变形以及最外层分子在熔化后骤然冷却而形成的微细结晶结构层，比金属基体要硬，这层结构称为硬化层。37§2.4固体表面结构§2.4.1固体表面概念及认识§2.4.2固体表面的基本特征§2.4.3晶体的表面结构38§2.4.2固体表面的基本特征1.固体表面的基本特征---不均一性绝大多数晶体是各向异性的，这一性质也体现在不同方位的表面上。同种固体的表面性质会发生与制备或加工过程密切相关的变化。39§2.4.2固体表面的基本特征晶体中晶格缺陷如空位或位错等也会在表面存在并引起表面性质的变化。固体暴露在空气中，其表面被外来物质所污染，被吸附的外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列。从原子尺度上，实际固体表面并非光滑，是凹凸不平的。40请问这些分别影响材料哪些层？晶体是各向异性的。制备或加工过程。晶体中晶格缺陷如空位或位错。固体暴露在空气中，其表面被外来物质所污染。从原子尺度上，实际固体表面并非光滑，是凹凸不平的。41§2.4.2固体表面的基本特征2.固体表面的基本特征—表面力场晶体中每个质点周围都存在一个力场。在晶体内部这个力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期性被中断，使处于表面上的质点力场对称性破坏，产生有指向的剩余力场，这种剩余力场表现出固体表面对其他物质有吸引作用（如吸附、润湿等），这种作用力称为固体表面力。42§2.4.2固体表面的基本特征2.1化学力化学力本质是静电力。主要来自表面质点的不饱和键，当固体表面质点和被吸附物间发生电子转移时，形成化学键，产生化学力。表面力主要可分为化学力和分子引力（分别对应化学吸附和物理吸附）43§2.4.2固体表面的基本特征当固体吸附剂利用表面质点的不饱和价键将吸附物吸附到表面之后，吸附剂可能把它的电子完全给予吸附物，使吸附物变成负离子（如吸附于大多数金属表面上的氧气）；或，吸附物把其电子完全给予吸附剂，而变成吸附在固体表面上的正离子（如吸附在钨上的钠蒸气）。多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体吸附剂和吸附物之间共有电子，并且经常是不对称的。44§2.4.2固体表面的基本特征2.2分子引力范德华力又称分子引力，主要来源于三种力：①定向作用力(静电力)：主要发生在极性物质之间，相邻两个极化电矩因极性不同而发生作用的力。②诱导作用力：发生在极性物质与非极性物质之间，诱导是指在极性物质作用下，非极性物质被极化诱导出暂态的极化电矩，随后与极性物质产生定向作用。45§2.4.2固体表面的基本特征③分散作用力(色散力)：主要发生在非极性物质之间，非极性物质是指其核外电子云呈球形对称而不显示永久的偶极矩。但就电子在绕核运动的某一瞬间，在空间各个位置上，电子分布并非严格对称，这样就将呈现出瞬间的极化电