第五章 磨损原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 磨损原理,一、磨损的定义,磨损是由于机械作用和,(,或,),化学反应,(,包括热化学、电化学和力化学等反应,),，在固体的摩擦表面上产生的一种材料逐渐损耗的现象，这种损耗主要表现为固体表面尺寸和,(,或,),形状的改变。,第一节 概述,磨损的三个主要特征：,1),磨损是发生在物体上的一种表面现象。材料内部裂纹引起的材料整体疲劳破坏和断裂不属于磨损的范畴；,2),磨损是发生在物体摩擦表面上的一种现象，其接触表面必须有相对运动。单纯的腐蚀和某些高分子材料表面的老化都是在静止表面上发生化学反应,(,包括氧化,),的结果，也不属于磨损的范畴；,3),磨损必然产生物质损耗,(,包括材料转移,),，而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。因此，不产生材料逐渐损耗的、单纯的塑性变形也不属于磨损的范畴。,二、磨损的基本特性,1,、磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象。,只要机器零件的磨损量或磨损率在规定使用期内不超过允许值，就可以认为是一种允许的正常磨损现象。,机器零件典型磨损过程的三个阶段,1),磨合,(,跑合,),阶段,(0,t1),2),正常磨损阶段,(t1-t2),3),事故磨损阶段,(t2-t3),线性磨损率,0-t,1,t1-t2,t2-t3,时间,2,、磨损不仅是材料本身固有特性的表现，更是摩擦学系统特性的反映。因此，磨损也具有条件性和相对性。,磨损的这种特性和摩擦很相似，因而也可用类似的表达式来表示，即：,同一种机器零件在不同机器中会产生不同类型或不同程度的磨损。,即使在同一台机器中，不同工况也会导致不同程度甚至不同类型的磨损。,因此，在分析和处理机器零件的磨损问题时，必须全面考虑到该零件所在 的摩擦学系统的特性，才能对其磨损现象作出准确的判断和正确的分析。,衡量磨损特性的主要参数是磨损率，通常可采用以下三种磨损率：,1,、线性磨损率：,2,、体积磨损率：,3,、重量磨损率：,式中，磨损厚度；磨损体积；磨损重量；滑动距离；,被磨损的材料的密度。,*,其它参数：,（,1,）,磨损因数,式中，,正压力；,法向载荷。,（,2,）磨损度,(,能量磨损率,),式中，,F,摩擦力；,f,摩擦系数。,（,3,）耐磨性系数,(,耐磨性,),（,4,）磨损系数,式中，,w,磨损量；,H,材料硬度；,v,速度；,t,时间；,N,正压力,。,磨损系数表示磨损量与工况之间的关系，当载荷与速度为已知，并可求出一定工况下的磨损系数时，就可估算磨损量，以预测摩擦学系统的寿命。也可根据磨损系数来确定磨损类型，因为不同的磨损类型具有不同的磨损系数。,（,5,）磨损速率,(,磨损强度,),（,6,）相对耐磨性,它是标准试样的磨损率与被测试样磨损率之比,(,),。,1,、粘着磨损或粘附磨损,(Adhesive wear),；,2,、磨料磨损或磨粒磨损,(Abrasive wear),；,3,、疲劳磨损或表面疲劳磨损,(Surface fatigue wear),；,4,、腐蚀磨损,(Corrosive wear),或摩擦化学磨损,(Tribo-chemical wear),。,5,、其他。包括侵蚀磨损或冲蚀磨损,(Erosive wear),和微动磨损,(Fretting wear),等。,三、磨损的分类,实际的磨损现象大都是多种类型磨损同时存在；或磨损状态随工况条件的变化而转化。,1),在摩擦副中，相对运动的摩擦表面之间，由于粘着现象产生材料转移而引起的磨损，称为,粘着磨损,。,这类磨损一般发生在相互滑动,(,或转动,),的干摩擦表面上，即在表面上的某些微突体产生固相焊合，严重时还会出现摩擦副完全,“,咬死,”,的现象。,如：在润滑状况恶化的条件下，柴油机烧轴瓦就是这种磨损的典型例子。,(2),有两种粘着（焊合）：,冷焊粘着；热局部焊合粘者。,第二节 粘着磨损,一、定义及其过程,1,、定义：,2,、过程：载荷、速度小；,载荷、速度较大,；变形、断裂及材,料转移；新粘着点产生。,Bowden,根据剪断位置并以轴承合金为例进行分类,、一类：粘着强度小,、二类：粘着强度中,三类：粘着强度大,、四类：同一材料组合，加工硬化材料，剪断发生在内部，磨损大；,相反，加工软化，粘着部变软，有很好的耐磨性,按照磨损程度的不同，粘着磨损可以分为以下五类：,1),轻微磨损,粘着点的剪切强度比形成该粘着点的任何一方的基体金属的剪切强度都小,(,如锡与铁对磨,),，磨损发生在粘着点的界面上，材料转移十分轻微，甚至不产生材料转移。磨合属于这种磨损。,一,、主要类型,2),涂抹,粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间（如铅与钢对磨），剪切破坏发生在较软金属的浅表层内，并使该表层的材料转移到较硬金属表面上，使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。,例如，重载蜗轮表面的铜涂抹到蜗杆表面上即属此类。,3),刮伤,沿滑动方向形成严重的划痕。剪切破坏发生在较软金属的表层。,4),胶合,表面局部温度相当高，粘着点的面积较大，由于粘着点的剪切强度比形成粘着的任何一方基体金属的剪切强度都要高（如铜与钢对磨），故在摩擦副的一方或双方的基体金属上产生较深层的破坏，因而，既有较多的软金属转移到硬金属表面上，同时也有部分硬金属转移到软金属表面上。,5),咬死,由于粘着点的面积较大，其剪切强度也相当高，致使摩擦表面因局部熔焊而停止相对运动,。,基本类型,粘着磨损是在固,/,固界面上产生严重滑动摩擦的结果。,粘着磨损的基本物理过程是：粘着剪切再粘着再剪切的循环过程，或是粘着点的生成消失再生成再消失过程。,在此过程中，磨损主要是以材料转移的形式表现出来，有时还会出现少量磨屑。,二,、磨损机理,(1),面积,-,(2),载荷,-,(3),滑动距离为 ，磨损体积为,1,、阿恰德模型理论,P,F,r,单位滑动距离总的磨损体积为：,;,若,n,个微突体,总载荷为,P,故有,:,考虑磨损概率,K,实际磨损,:,滑动距离,L,总的磨损为,:,则,:,*,粘着磨损的磨损率：,体积磨损率的理论计算式：,式中，软材料的屈服强度；,粘着磨损的磨损系数。它表示一个微突体在全部载荷接触下滑动，产生一粒磨屑的概率，或产生磨屑的载荷接触的微突体在全部载荷接触的微突体中所占的百分比。越大，材料磨损越严重Holm,认为，互相接触的两个表面上，如果不同物体表面上的原子间的距离,m,小于物体本身原子间的距离,d,时，（图所示），则不同原子间将作用有很强的分子力，会产生严重粘着，粘着的两个表面被拉开时，将要损失一定数量的原子，产生磨损。,2,、,Holm,理论,真实接触理论。,磨损,(,过程,),量计算：,(1),物体上原子,a1,在运动过程中分别与,物体上,b1,、,b2,逐次接触，每滑动距离,d,就与一个新的原子接触，当滑动,L,距离时，,a1,遇到的原子数,L/d;,(2),每两个物体接触面积为,Ar,，,Ar,面积上的原子数等于,Ar/d,2,;,因之两接触面滑动,L,距离时，原子总的接触次数,Na,等于；,(4),设每次接触损失,z,个原子，原子体积为 ，则总的磨损体积,V,等于：,得,:,(3),已知,则,3,、,Archard,理论,结块清除理论,Holm,是从原子尺度来研究磨损的，研究真实接触面积上磨损粒子的产生机理。为了便于分析，,Archard,发表了新的理论，称为结块清除理论，意思是：,由于两个表面上的凸峰相遇，导致块状粒子的损失。,Archard,理论的模型,认为真实的接触面积,Ar,是由,n,个（图所示）的接触点构成。即,:,接触面滑动，接触面积大小发生变化，达到图,c,所示（即滑过,2a,距离）接触点完全分开。,由式知,接触着的某一点，滑过距离时与对偶面上微凸体接触次数为,L/2a,；则接触面整体滑过,L,距离总的接触次数,Np,为：,假定磨屑半径 ，产生磨屑的概率 ，则滑动 距离磨损体积：,粘着磨损的体积磨损率与法向载荷,N(,或正压力,p),成正比，而与软金属材料的屈服强度,(,或布氏硬度,HB,值,),成反比。,当正压力 时，会使磨损加剧，产生胶合或咬死。因此，在设计时应保证正压力不超过材料的布氏硬度的三分之一。,体积磨损率随着粘着磨损的磨损系数的增大而增大，而后者主要取决于摩擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地粘着的趋向。,此外，磨损率与滑动速度无关。,分析,润滑状况,金属,/,金属,金属,/,非金属,相同,相容,部分相容和部分不相容不相容,无润滑,15X10,-4,5X10,-4,1X10,-4,0.15X10,-4,1.7X10,-6,润滑不良,30X10,-5,10X10,-5,2X10,-5,0.5X10,-5,1.7X10,-6,润滑良好,30X10,-6,10X10,-6,2X10,-6,0.3X10,-6,1.7X10,-6,润滑极好,10X10,-7,3X10,-7,1X10,-7,0.3X10,-7,3.3X10,-7,金属的粘着磨损的磨损系数,1,）载荷,载荷引起表面塑性变形必然导致温度升高，引起粘着。载荷达到一临界值可发生胶合的值称为临界载荷。,2,）温度,温度升高可引起粘着，使表面膜破坏引起粘着发生的温度称为临界失效温度。,影响温度特性的主要因素是表面压力,p,和滑动速度,v,，其中速度影响较大，因此有时把,pv,值作为控制粘着磨损和防止胶合发生的一个参数。,影响因素：,3,）摩擦材料,同种材料,相溶性好的材料,材料塑性越高，粘着磨损越严重,脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高,脆性材料,：正应力引起，最大正应力在表面，损伤浅，磨屑也易脱落，不堆积在表面。,塑性材料,：剪应力引起，最大剪应力离表面某一深度，损伤深。,1,、,合理选择摩擦副材料 为了避免和减轻粘着磨损，摩擦副宜选用互溶性小的金属，即不要选用同种或晶格类型相近的金属。,Pb,在,Ni,、,Cr,、,Fe,中的溶解度很低，是很好的摩擦副材料，但其强度低，所以应选用其合金（如铅青铜），或作为表面涂层来使用。在抗粘着能力方面，多相金属优于单相金属，脆性材料优于塑性材料，其粘着破坏的深度较浅。此外，非金属材料（如高分子材料、陶瓷等）不易与金属产生粘着磨损。,三、防止和减轻粘着磨损的措施,2,、进行表面处理 采用表面氮化、渗硫、电镀或采用非金属涂层，均可提高摩擦表面抗粘着的能力，可有效地阻止金属的粘着。,3,、,减小摩擦热 控制,pv,值，或加强摩擦表面的冷却,(,如对钻机刹车副摩擦表面进行水冷,),，以消除产生粘着磨损的各种条件。,4,、在润滑剂中加油性添加剂或极压添加剂 油性添加剂可提高润滑油在金属表面的吸附能力，保持良好的边界润滑状态。极压添加剂可分解出硫、磷、氯等活性元素，与金属表面起化学反应而形成化学反应膜，从而有效地防止或减轻金属表面的粘着。,磨粒磨损,是指在摩擦过程中，由于摩擦表面上硬的微突体或摩擦界面上的硬颗粒而引起物体表面材料损耗的一种磨损。这是最常见的一种磨损现象。据统计，因磨粒磨损而造成的损失约占各类磨损所造成的全部损失的一半。油田设备中许多零件的磨损都属于磨粒磨损。,第三节 磨粒磨损,一、主要类型,由于物体表面硬的微突体使对偶表面产生的磨粒磨损称为,两体磨粒磨损,(Two-body abrasive wear);,由于摩擦表面上存在自由硬颗粒而产生的磨粒磨损称为,三体磨粒磨损,(Threebody abrasive wear),。,根据磨损程度的不同，磨粒磨损又可分为以下三种类型：,1,、,擦伤,磨粒作用在表面上的应力较低，使摩擦表面沿滑动方向形成微细的擦痕。被尘土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出现这种磨损。,2,、,刮伤,磨粒作用在表面上的应力较高，使脆性材料表面碎裂；而对韧性材料，则往往表现为摩擦表面产生塑性变形或疲劳破坏。,3,、,犁沟,在磨粒作用下，较软金属表面因塑性变形而出现较深的沟槽。,由于材料类型不同，有以下两种磨损机理：,1,、,塑性变形机理,对于一般塑性材料,(,含金属,),，其磨粒磨损的主要物理过程可分为以下两种：,1),犁沟,软材料在硬微突体或硬颗粒的挤压下产生塑性变形，向两边隆起，此时，不发生材料脱落。但在发生多次变形后，表层材料脱落而形成二次切屑。,二、磨损机理,2),微观切削,如同金属加工的刨削过程一样，在硬微突体或硬颗粒的切削作用下，材料脱落而形成一次切屑。,正角,副角,*,体积磨损率方程：,按照微切削作用在磨粒磨损的过程中起主导作用的观点，并将硬材料表面的微突体转化为一个圆锥体。,图中：,H,为磨粒压入材料的深度；,L,为磨粒滑动的距离；,为（磨粒）侧锥角；,a,为锥体压入深度处的半径。,为材料的屈服强度，为单个微突体的法向载荷,考虑磨粒运动过程中，只有前部承受压力,磨粒锥体压入材料的深度为,单个磨粒滑动,L,距离产生的磨损体积量体积磨损率方程,二、磨损的计算,为了对磨料磨损作出定量的描述。可以从磨粒入手。把磨粒看做一个锥体。在载荷,Fn,作用下插入较软物体，假定滑动距离为 ，则磨损体积 为：,由图知 ；又由于锥体向前运动，外载荷,只由锥体前半锥体承,受，根据力的平衡知：,把上述关系式代入可得：,根据上式可得出锥体移动单位距离的磨损量为：,式中,-,磨料磨损常数,刻槽时取则上式可写成,式中,-,软物体硬度,磨粒磨损的磨损系数,K,a,不仅和磨粒的几何形状有关，形成磨屑的概率等许多因素有关。,典型的磨粒磨损的磨损系数值。表中的数值是按尖锐的新生磨粒表面得出，经磨损和粘附后，表中数值一般要下降一个数量级。,磨粒磨损的磨损系数,表面状态,锉刀,新砂纸,游离磨粒,粗抛光,干表面,润滑表面,5X10,-2,1X10,-1,1X10,-2,2X10,-2,1X10,-3,2X10,-3,1X10,-4,2X10,-4,磨粒磨损的磨损系数,Ka,不仅和磨粒的几何形状有关，形成磨屑的概率等许多因素有关。,2,、断裂机理,对于一般,脆性材料,，如陶瓷、碳化物和玻璃等，,当载荷较大而磨粒较尖锐以及材料的断裂韧性与硬度之比较低时，材料会出现压痕断裂,。显然，如果材料的断裂韧性很好，磨损将减轻。一般断裂机理比塑性变形机理产生的磨损大得多。,注意：材料发生磨粒磨损往往是上述两种机理综合作用的结果，只是由于材料特性和工况条件的不同，其中一种机理起主导作用，因此，随着条件的变化，两种机理会相互转化。,其它：磨粒磨损是在摩擦过程中，与磨粒接触的金属表面在循环交变接触压应力的作用下产生表面疲劳破坏的结果。,影响磨粒磨损的因素除了摩擦副的工况条件和磨粒磨损的类型,(,两体磨损和三体磨损,),之外，还有金属材料的硬度以及磨粒的硬度与尺寸。,三、影响磨粒磨损的因素,1,、金属材料的硬度,在一般情况下，金属材料的硬度或金属的含碳量越高，其耐磨性也越高。尤其是长期在低应力下工作的零件，宜选用硬度较高的钢。而在高应力或冲击作用下工作的零件，则应选用韧性好、冷作硬化的钢。,零件工作表面的磨损性能往往比原设计的硬度还要高。例如，当工作应力高到足以在表面形成冷硬层时，锰钢的耐磨性反而比工作应力低时为更高。所以，应当考虑到零件磨损时产生的实际最大硬度，而不仅是零件工作表面原有的硬度。,2,、磨粒的硬度,磨粒硬度,Ha,金属的磨损体积,根据磨粒硬度和金属本体硬度之间的关系，可将磨粒硬度对磨损的影响分为三个区间,I,低磨损区,当 ，不产生磨粒磨损。,II,磨损转化区,磨损随磨粒硬度的增高而加剧。,III,高磨损区,磨损量不再受磨粒硬度的影响。,研究表明，要改善材料抗磨粒磨损的性能，必须满足下列条件：,当 ，,抗磨粒磨损的性能将不会得到更进一步的改善，可作为低磨粒磨损率的判据。,磨粒平均直径,磨损量,3,、磨粒尺寸,通常，金属的磨粒磨损会随磨粒尺寸的增大而加剧。这可能是由于磨粒的微切削作用深度增大所致。但磨粒尺寸达到一个临界值以后，磨损量即保持不变。可以认为，此时磨粒尺寸增大使接触应力下降（当法向载荷保持不变时），因而微切削深度不再增加。,磨粒尺寸的临界值随金属材料而异，对于,A3,和,45,号钢，此值约为,90,100m,。,第四节 表面疲劳磨损,(,疲劳磨损,),两接触表面作纯滚动或滚动与滑动复合摩擦时，在高接触压应力的作用下，经过多次应力循环后，在其相互作用表面的局部地区产生小块材料剥落，形成麻点或凹坑，这种磨损称为,表面疲劳磨损或简称疲劳磨损,。,一、基本类型,1,、点蚀,(pitting),特征：初始裂纹出现在零件表面表面疲劳破坏逐渐产生，破坏深度浅，材料以小片脱落，最后在零件表面形成麻点状小坑。,一般，当表面接触压应力较小（小于材料剪切强度的,55%,），而摩擦系数较大时，表面疲劳磨损主要表现为点蚀。零件表面质量较差时（如脱碳、淬火不足、有夹杂物等），尤其如此。,2,、剥落,(spalling),当表面接触压应力较大（大于材料剪切强度的,60%,），而摩擦系数较小时，其初始裂纹往往在表面以下萌生并扩展，疲劳破坏大都突然发生，材料呈片状脱落，破坏区较大，这种表面疲劳磨损的形式称为剥落。,一般滚动轴承常发生这种形式的表面疲劳磨损，其破坏部位大多在轴承内外圈的滚道和滚动体表面。,类 型,点 蚀,剥 落,特征：裂纹萌生的部位,剥落过程,磨屑的尺寸和形状,表面,逐渐发生,小、半球状或扇形,次表面,突然发生,大、片状,产生的基本条件：,表面接触压应力,摩擦系数,0.11,0.60,小,产生该类磨损的典型零件,齿轮,球轴承或滚动轴承,产生表面疲劳磨损的基本条件是：,产生滚动摩擦或滑动摩擦或二者兼有的摩擦副，承受了较高的重复接触应力（压应力或剪应力）。,表面疲劳磨损与一般材料疲劳破坏的主要区别是：,(1),磨损的产生与摩擦力有关；,(2),磨损往往发生在材料的表层或次表层；,(3),材料不存在疲劳极限。,在相同工作条件下，同一种零件也有可能会同时出现以上两种磨损形式。,1,、点蚀的物理过程可分为以下三个阶段：,(1),微观裂纹的萌生,在滚动摩擦或滚动与滑动摩擦同时出现时，由于表面接触剪应力的作用非常接近表层，在表层产生塑性流变（流变层厚度约,0.1,0.3mm,），形成各向异性的纤维组织。因沿纤维组织方向（即塑性流向）的金属移动的阻力最小，当表面剪应力足够大时，在表面就会产生晶界微裂纹。,二、磨损机理,(2),裂纹扩展,表面形成微裂纹后，润滑油进入其中。而在零件作相对运动的过程中，润滑油会被反复压入裂纹并被封闭，封闭腔中的油压增大，迫使裂纹扩展。,裂纹扩展的尺寸越大，裂纹形成封闭腔内的储油越多，作用于裂纹内壁的油压也越大。在多次重复作用下，裂纹扩大到使表层材料在其危险截面处折断并脱落，从而使零件表面形成麻点剥落。,在没有润滑油的情况下，由于摩擦表面的摩擦力更大，温度更高，使表面材料产生畸变，局部应力增大，从而使接触表面在高的压应力、摩擦力和热应力等作用下，也会产生点蚀。,(3),表层疲劳剥落,2,、剥落的形成过程,(,和点蚀相似,),，分为三个阶段：,(1),裂纹萌生,当表面接触应力较大而摩擦力,较小,时，根据弹性理论中的赫芝方程可知，表层最薄弱处是在表面以下、距表面,0.786b,的地方，即最大剪应力的作用点。,由于最大剪应力的反复作用，微裂纹首先在该点产生，裂纹的方向与零件相对运动的表面平行。,0.786b,2b,(2),裂纹扩展,随着循环作用次数的增加，微裂纹逐渐扩展，并产生与表面垂直或倾斜的分枝裂纹。,(3),表层脆断剥落,随着分枝裂纹的进一步扩展并互相交织在一起，在裂纹包围的地区引起脆断而剥落。,对于渗碳淬火的滚动接触零件，当渗碳层的深度不够大时，其初始裂纹往往发生在硬化层与心部交界的过渡区。,*,表面疲劳磨损的磨损率方程：,是表面疲劳磨损的磨损系数，它与材料发生疲劳破坏的应力循环次数 成反比，。,三、影响表面疲劳磨损的因素,1,、轴承钢的性能与质量,钢中非金属的脆性夹杂物（氧化物、氮化物和硅酸盐等）在交变应力作用下，易与基体材料分离而形成空穴。当空穴棱边尖角处产生的应力集中超过材料的弹性极限后，会产生较大的塑性变形，导致材料硬化，从而产生裂纹。为此，必须改善钢锭的冶炼方法，进行净化处理,这是降低钢中夹杂物含量的根本措施。,此外，轴承钢中碳化物含量太多、粒度太大、形状不规则和分布不匀也会引起材料组织和性能的不均匀和应力集中，从而降低材料抵抗表面疲劳磨损的能力。因此，适当降低轴承钢中的含碳量，充分的锻造，采用合理的球化退火工艺，以减少钢中碳化物的含量，并使片状及网状碳化物变成球状，以降低硬度，改善组织，减少淬火缺陷，这也是提高零件寿命的重要措施之一。,渗碳层一般具有较高的强度和耐磨性，其深度直接影响滚动接触零件内部剪应力的分布，以及剪应力与材料剪切强度二者比值的变化。合理选择渗碳层深度，将使最大剪应力落在高强度的渗碳层内，从而可大大提高零件的寿命。,2,、渗碳钢的性能与质量,式中，,渗碳层深度，,mm,；,接触部位的相对曲率半径，,mm,；,最大接触应力，,MPa,。,渗碳层的维氏硬度。,*,通常，可用下式确定渗碳层的合理深度：,材料心部的剪切强度也不可太低，否则，会增大剪应力与材料剪切强度之比值，易在渗碳层与心部的过渡区产生疲劳裂纹，以至早期出现深层疲劳剥落。尤其是在热处理不当时,(,如零件尺寸过大、加热保温时间过短、材料淬透性差和冷却剂不良等,),，会在心部形成强度过低的索氏体或铁素体组织，从而使零件的寿命降低。因此，只有合理增大零件的心部硬度，才能充分发挥材料强度的潜力，以有效地提高零件表面的抗疲劳磨损的能力。,润滑油的粘度愈低，愈易渗入裂缝，加速裂纹的扩展。根据弹性流体动压润滑理论，润滑油的粘度越高，接触压力的分布就越均匀，零件抗疲劳磨损的能力也就越高。因此，必须严格控制润滑油的含水量。而适当地在润滑油中加入固体润滑剂,(,如,MoS,2,),，也可改善零件表面抗疲劳磨损的性能。,3,、润滑油的粘度,4,、零件的表面粗糙度,零件的表面粗糙度越小，其寿命越长。,以滚动轴承为例，表面粗糙度参数，即轮廓算术平均偏差值,Ra,等于（,0.16,0.32,）,m,的轴承寿命比,Ra,等于（,0.32,0.63,）,m,的轴承的寿命高,2,3,倍；而,Ra,等于（,0.08,0.16,）,m,的轴承寿命又比,Ra,等于（,0.160.32,）,m,的轴承的寿命长一倍。但是，轴承的,Ra,超过（,0.04,0.08,）,m,后，对其寿命影响甚微。,腐蚀磨损,是金属表面在摩擦过程中与周围介质发生化学反应或电化学反应而产生的一种磨损。,由此可见，产生腐蚀磨损的必要和充分条件是具有在腐蚀性介质的环境下的摩擦表面。实际上，这是腐蚀与磨损综合作用的一种非常复杂的磨损形式。,第五节 腐蚀磨损,(,摩擦化学磨损,),一、腐蚀磨损的类型,按周围介质的不同，腐蚀磨损可分为以下两种类型：,1,、氧化磨损,当摩擦副受到空气中或润滑剂中氧的作用时，会在金属表面形成氧化膜，这种氧化物被磨掉的现象就是氧化磨损。,通常，在轻载低速的条件下，氧化膜主要由,Fe,2,O,3,组成；在重载高速情况下，氧化膜主要是,Fe,3,O,4,。,因氧化膜的生成速度随时间按指数规律下降，因此，如磨损速度小于氧化速度，则氧化膜对零件表面起保护作用（如铝合金表面的韧性氧化铝膜）；反之，则表面磨损加剧。在高温和潮湿环境中以外，氧化磨损一般都比较缓慢。,因此，氧化磨损的磨损机理就是氧化膜的形成、破坏、再生与再破坏的周而复始的过程。,当摩擦副受到酸、碱或海水等腐蚀介质的作用时，或在高温条件下润滑剂中的硫、磷、氯等元素与金属表面发生化学反应时，会在零件表面生成化学反应膜，这种表面膜在摩擦过程中不断被除去的现象，即为化学腐蚀磨损。,其磨损机理则是化学反应膜的不断产生、破坏、再生与再破坏的过程。,2,、化学腐蚀磨损,含镉、铅等元素的滑动轴承易被润滑油中的酸性物质腐蚀，在表面上生成小黑点，并在摩擦过程中形成小块剥落。含铜的轴承材料与润滑油中的硫生成硫化铜膜，在高温时易在摩擦过程中破裂、剥落。,化学腐蚀磨损的磨损速度一般都比氧化磨损快。,二、腐蚀磨损的一般物理过程,1,、,第一阶段,固体,(1),和固体,(2),与环境中的腐蚀介质发生化学或电化学反应，形成反应膜。如果环境温度升高，将使反应加剧。,固体,(1),和,(,或,),硬颗粒,固体,(2),环境,(3),B,A,A,2,、第二阶段,固体,(1),和固体,(2),发生相对运动，在机械力的作用下，使反应膜破裂并产生磨屑，而在反应膜破裂的瞬间，所露出的新鲜表面又将进入上述第一阶段。,实际上，在整个磨损过程中还会发生腐蚀与磨损的交互作用，而且在上述第二阶段往往伴随有磨粒磨损或粘着磨损。,腐蚀磨损,的磨损率方程也可写成下列形式：,式中，为腐蚀磨损的磨损系数，它与反应膜的临界厚度以及接触状态等因素有关。,一般在 的范围之内。,1,、腐蚀介质,一般酸性介质的腐蚀性较强，而碱性介质的腐蚀性较弱。,如,45,号钢在含有酸性介质,H,2,SO,4,和,HCl,的砂浆中，其腐蚀磨损量是在碱性介质,NaOH,中的,14,16,倍，即使在腐蚀性较弱的,NaCl,中，其腐蚀磨损量也是在,NaOH,中的,1.6,3.6,倍介质浓度对腐蚀磨损的影响十分复杂，往往因材料而异。,三、影响腐蚀磨损的因素,2,、缓蚀剂,由于在腐蚀磨损中，机械作用主要是通过影响电极反应的阳极过程，增加阳极溶解速度，促使材料腐蚀。而在腐蚀介质中添加缓蚀剂，可在阳极上形成钝态的保护膜，以抑制阳极过程。,3,、温度,温度升高对金属腐蚀磨损会产生两种相互矛盾的效应：,1),提高化学反应速度，从而增加腐蚀速度；,2),降低氧溶解度，从而降低腐蚀速度。,因此，在静态腐蚀条件下，腐蚀速度随温度的升高会出现一个极大值。而如果消除氧的影响，腐蚀速度随温度增加而增加，并呈线性关系。,温度,腐蚀深度,当相互接触的两个固体表面以小振幅,(,一般小于,100)振动而相互作用时，就会产生这种磨损现象。,微动磨损主要是上述四种基本磨损机理综合作用而形成的一种磨损形式。,它一般发生在轴颈、螺栓联接、键槽和花键等配合较紧的零件上，以及金属密封和离合器中。这种磨损会在零件的工作表面产生疲劳裂纹和微小的半球状麻点。,第六节 微动磨损,一、磨损机理,微动磨损的磨损过程一般可分为三个阶段：,1,、周期性微幅振动产生的接触变形，一方面导致零件工作表面上氧化膜的生成破坏再生再破坏的磨损过程（,氧化磨损,）；另一方面，在固体表面之间同时产生粘着剪切再粘着再剪切的磨损过程,(,粘着磨损,),。,2,、上述两种磨损过程所产生的磨屑,(,以,Fe,2,O,3,为主,),，在零件不断发生微幅振动的条件下，产生冷作硬化，它们不仅会对零件表面产生微切削和研磨作用（,磨粒磨损,），而且还使零件表面在循环交变接触压应力的作用下产生裂纹，最后导致疲劳剥落或脆性破坏,(,表面疲劳磨损,),。,3,、上述磨损过程所产生的微动磨屑又进一步促使第一阶段磨损的发展。,*,微动磨损的体积磨损率可用下式表示：,式中，微动磨损的磨损系数。,其数值主要取决于界面的润滑状况。对于无润滑的表面，；,对于润滑不良和润滑良好的表面，的数值可分别采用相应的粘着磨损的磨损系数的数值。,二、影响因数,1,、作用力影响,循环次数的影响：磨粒体积随之增加,磨损率随着时间减少。,（,A,、,C,软材料,B,、,D,振幅较大,振幅较小）,振幅的影响：随滑动振幅增加而增加。,法向载荷的影响：载荷增加磨损量增加，,达到一定时候反会减少。（接触面振动）,D,A,B,C,循环数,磨料体积,磨料体积,振幅,调质钢,淬火钢,载荷,磨料体积,2,、环境影响,外部介质的影响：真空中磨损量低，,因粘着点来回迁移不脱落。磨损量随表面湿度增加而降低。,温度的影响：随温度增加降低，温度较高时,（,150,0,c,）,氧化加剧，磨损急速降低。,材料副的影响,:,不同材料副微动磨损不同,磨料体积,磨料体积,相对湿度,温度,1,、应区分由,“,力控制,”,(,部分滑移,),和由,“,位移控制,”,(,滑移发生在整个接触界面上，滑移幅值为常量,),这两种微动磨损，对于前者应增大摩擦系数或增大法向载荷以减小滑移幅值；对于后者，则应减小摩擦系数和法向载荷，以减小磨损。,三、预防微动磨损的一般性原则,2,、改进设计，消除引发微动的相对运动；减少应力集中等。,3,、采用喷丸处理和合适的表面涂层等表面处理技术。,4,、在两接触面间插入垫片，如用软金属片或低弹性模量的聚合物薄片将两表面隔离，靠垫片的塑性或弹性变形来吸收微动。,5,、在接触界面上加无腐蚀性的润滑剂。,第七节 冲蚀磨损,冲蚀或浸蚀,(,侵蚀,),磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击表面时出现破坏的一类磨损现象,一、类型,微粒流冲蚀、流体冲蚀、气蚀和点火花冲蚀等磨损,由冲角：,1,、冲击侵蚀,2,、磨粒侵蚀,由介质：,1,、喷沙冲蚀；,2,、雨滴、水滴冲蚀；,3,、泥浆冲蚀；,4,、气蚀,二、冲蚀原理,微切削，塑性变形，疲劳破坏；脆性断裂,1,、脆性冲蚀,-,脆性材料,2,、延性冲蚀,（,1,）切削理论（,2,）变形理论,（,3,）局部熔化理论,（,4,）巴哈第尔现象学理论,二、影响因数,1,、冲击颗粒硬度,2,、冲击颗粒尺度,3,、冲击颗粒形状,4,、冲击速度,5,、冲角影响,6,、被冲击材料硬度,一、研究磨损理论的重要性,以上各节都是把某一种磨损现象作为单一的、独立的磨损形式进行介绍，这是为了便于深入认识和分析该类磨损的特征、特性及其产生与发展的规律性。然而，这也反映了摩擦学的研究工作基本上还只是孤立地对各类特定的磨损机理进行分析与研究的现状。为了更好地控制及预防各种磨损，这些研究工作都是十分必要的，并且也取得了不少进展。但是，必须充分认识到磨损是一种十分复杂的现象，其复杂性主要表现在以下两个方面：,*,第八节 磨损理论简介,1),磨损现象的综合性。,这包括两层意思，其一是在实际的摩擦副中，往往是多种形态的磨损同时发生，并且相互影响；其二是即使是某一种形态的磨损现象，也往往是机械的、化学的、电化学的、热化学的以及力化学的多种效应综合作用的结果。,2),磨损现象的不稳定性。,这不仅表现在它的时变特征和渐进的动态过程，而且还表现在对它所在的摩擦学系统中，各种因素作用的响应。因此，外部或内部条件的任何一种变化（甚至是微小的变化），既会引起量的变化（磨损增加或减少），也会引起质的变化，包括某一种形态的磨损在多种磨损形态共存中各自所占的比重，以及各种形态的磨损之间的相互作用与相互转化。,磨损现象的这种复杂性往往是使室内试验的结果难于应用于工程实际的主要原因之一，为此，必须从本质上深入研究磨损机理，以建立能综合阐明磨损发生与发展规律性的统一的磨损理论，否则，就不可能期望在磨损的预防与控制上取得根本性的突破。,二、磨损理论的研究进展,严格地说，到目前为止，还没有一种完善的磨损理论能阐明各种形态的磨损现象的共同本质及其发生与发展的普遍规律。下面仅简要介绍这方面的研究进展情况。,这是最早提出的一种磨损理论。这种理论认为磨损是摩擦副中界面上一侧的微凸体推压并切掉另一侧微凸体的现象，即把磨损看作是一种切削现象。,这种理论的最大的缺点是把磨损现象仅仅归结为机械作用的结果，而丝毫没有考虑摩擦表面上的各种非机械作用,(,如化学作用等,),。,1,、,“,犁沟,”,理论。,这种理论最早是在,1946,年由霍姆,(R.Holm),建立的。他认为在平面接触的情况下，互相接近的两个表面，由于摩擦作用，一侧的原子被对方原子捕捉的现象就是磨损。并导出了霍姆磨损方程。但后来的观察表明，磨损不是原子捕捉而是更大规模的原子脱落的结果。对此，拉宾诺维奇和阿查德等人做了修正，提出了脱落的磨屑的计算模型和磨损方程。然而，这种理论无法解释在滑动摩擦条件下，游离的磨屑的形成，以及在该对摩擦表面中硬材料表面也会发生磨损的现象。,2,、,“,粘着,”,理论。,克拉盖尔斯基于,1957,年发表了他在引入疲劳破坏的概念的基础上，所创立的磨损的疲劳理论，从而使磨损理论的研究进入了一个新的发展阶段。此理论的基本要点是：摩擦表面上的磨损是由于多次重复的摩擦作用的结果，即由于摩擦力的重复作用，材料受到累积损伤而最终导致疲劳破坏，这种破坏首先发生于微观接触区,(,微凸体,),。根据应力状态，其作用次数可以定量表示。这种理论不仅可用于解释表面疲劳磨损现象，也可用于分析粘着磨损和磨粒磨损的磨损过程。,3,、疲劳理论。,朱可夫（,C.H.,）把固体的破坏看作热活化过程，建立了寿命与破坏应力及破坏过程的活化能之间的关系。这种理论主要用于分析高分子材料的磨损。,4,、热活化理论。,从磨损的物理本质上看，任何磨损都是能量的转换和分配的过程。为此，弗莱舍尔于,1973,年发表了他所提出的能量理论。此理论的基本要点是：摩擦表面的各个局部体积由于摩擦力作功,(,摩擦功,),而变形，摩擦功的大部分以热的形式消散，而小部分,(,约占全部摩擦功的,9,16,),以内能的形式储存在该体积中，即变形能。当该局部体积的内能积累到足以使表面破坏的某个临界值时，材料脱落，形成磨屑，即产生磨损。他提出的这一理论，只能定性地解释磨损的物理过程，而不能对磨损现象作定量描述。近年来，张嗣伟等提出了可对橡胶线接触磨粒磨损进行定量分析的橡胶磨损的能量理论。,5,、能量理论。,N.P.,经过多年的研究，认为金属的滑动磨损是通过摩擦表面的裂纹生长，使其表层材料沿平行表面的方向逐层剥落而形成的。,1973,年，他发表了磨损的剥层理论。这种理论对于软、硬物体的磨损现象都能作出较满意的解释。,6,、剥层理论。,磨损失效分析的对象和方法,有三个对象,（,1,）磨损表面或亚表面分析,确定：从表面磨掉的材料数量,磨损损伤的类型,表面膜的存在及其类型,表面组分的变化,表面磨损粒子的状态（嵌入、运动方向）,表面微观性能及组织结构的变化,方法：微观和宏观相结合,采用金相显微镜、透射电镜、扫描电子显微镜；,化学分析仪器：俄歇、,X,射线能谱、,X,射线光电子能谱，,X,射线衍射等,（,2,）环境状态分析,确定环境影响因素及指标介质的成分（油、水、气）（,S,、,Cl,、,SO4-2,、,CO3-2,）,方法：各种化学分析技术,（,3,）磨损碎片和磨损粒子,磨屑。,因磨屑和磨损之间有一定的对应关系、和磨损阶段也有一定的对应关系，能提供有关磨损机理的重要线索；,方法：磨屑可在表面发现或悬浮于润滑剂中，表面分析可通过各种表面分析仪器；悬浮于润滑剂中的磨屑可通过铁谱仪进行回收和分析。,5,、磨损失效原因的确定,通常可归结为以下四个原因,结构设计方面,选材的原因,工艺的原因,使用与维护的原因,4,、常见的磨损失效分析仪器,形貌分析,成份分析,结构分析,性能分析,物理分析，无损检测技术,