耐磨耐蚀材料
题目：耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究
学院：材料科学与工程学院
专业：材料加工工程
指导老师：路阳杨效田
学生姓名：王鹏春
学号： 132080503043
2104年5月1日
耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究
摘要：综述了耐磨及减摩材料的基本性能要求，简单阐述了常见的耐磨及减摩材料的成分、组织与性能等和目前耐磨及减摩材料的新进展及方向。最后，论述了耐磨及减摩材料在表面工程技术中的应用形式，及耐磨涂层的发展方向。
关键词: 耐磨材料；减摩材料；耐磨涂层
0前言
众所周知，摩擦磨损特性的探究对国民经济来说，有着非凡的意义。据统计，全世界大约有2/1-3/1的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损是机械设备零件失效的三大原因之一，大约有80%的损坏零件是由于各种磨损形式引起的[1]。为了节约能源和材料，解决因磨损带来的损失显得至关重要，随着技术水平的发展，而其解决措施也变得各种各样，而本文主要从最基础的材料的选择上入手，来综述耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性的探究现状及发展方向。
1 耐磨材料
材料的耐磨性通常是指在一定的工作环境下，摩擦副材料在，摩擦过程中抵抗磨损的能力。材料的耐磨性不是材料固有的本性，而是材料性质在一定的摩擦规范、表面状态、环境介质、工件结构、材料配对等某种条件下的体现。因此材料的耐磨性是相对的、有条件的。耐磨材料的一般性要求有以下几点[2]：
1.机械性能方面要有高的抗拉、抗压、抗拉、抗剪切强度；有高的硬度和韧性；有较高的相对延伸率；在摩擦的高温、高压下，机械性能应该稳定。
2.物理、化学性能方面要有良好的导热性，低的热膨胀系数，且各相的线膨胀系数差别要小；合金元素在其内的溶解度要高，分布要均匀；各相间微观电势要小，抗腐蚀性好；各相成分要在较宽的温度、压力范围内保持稳定。
3.金相结构方面金属晶体的滑移系要少；固溶体与强化相要恰当配合；强化相要有高的弥散性，分布要均匀；各相的位向要互相接近。
4.工艺性能方面要有良好的淬透性和机加工性，以及其他必要工艺性能，如铸件的铸造性。
1.1 常见的几种传统金属耐磨材料
1.高锰钢[3]
高锰钢是一种历史悠久，世界各国广泛使用的一种耐磨钢。其含碳量约0.9%--1.3%，含锰量约11%--14%，加热到1000--1100℃可得到单相奥氏体组织，然后在水里迅速冷却仍保持奥氏体状态。这种钢的硬度不高（HB约200），但韧性很好，在受到高的冲击载荷或高的压力时，其表层产生加工硬化，硬度大大提高（HB高达450--550）。高锰钢由于表面加工硬化而具有高的硬度，心部奥氏体组织具有高的韧性和一定的强度，所以主要用于制作承受剧烈冲击或挤压零件。
2.其他合金钢[4]
作为抗磨粒磨损的合金钢，应具有足够高的含碳量，以提高淬透性和增强马氏体的硬度。低合金铸钢有仅次于高锰钢的高韧性，如果合理的选择成分和热处理工艺，将获得比高锰钢还要高的强度和比较深的表面硬化层。在磨粒磨损中实使用的合金钢有中碳铬锰硅钢和高碳碳铬锰硅钢，化学成分为Cr1%--3%，Mn1%，Si1%--3%。此外还有铬--钼系，锰--铬系，镍--铬--钼系铸钢。这些合金元素都能提高淬透性、或作为弥散硬化处理以提高耐磨性。这些低碳合金钢可以通过热处理获得一定的韧性和表面硬化层，所以适用范围比较广泛。
3.石墨钢
石墨钢综合了钢和铸铁的优点，既有良好的耐磨性，也有较高的机械性能和较好的铸造性能，其化学成分一般为C1.25--1.45%，Si1%--1.25%，Mn0.3--0.5%。为了改善其综合性能可以进行孕育处理工艺，在石墨中加入Fe--Si ,Si--Ga等孕育剂，或加入促进石墨化的元素，以改变石墨的形态和分布。在低的磨粒磨损下，石墨钢比高锰钢耐磨性好，而且成本低。但是，石墨钢导热性差，在高的热应力下可能发生热裂。
4.耐磨铸铁[5]
铸铁具有良好的耐磨性以为人们共知，虽然他的机械性能比钢差，但在相同条件下，成本低，经某些工艺处理后，也能满足不同的要求，故还是广泛的应用于摩擦副的耐磨材料使用，尤其是在当摩擦副有高的耐磨性，又要好的减摩性时，往往采用铸铁比钢更有利。主要有，普通白口铸铁和合金白口铸铁：（1）普通白口铸铁具有较高的硬度和屈服强度，生产工艺简单，成本低，
是传统的抗磨材料之一。适用于干摩擦和冲击载荷不大的磨料磨损场合。因为其脆性差、韧性大，应用范围有限。
（2）镍硬合金铸铁镍含量 3.3%--5%,其铸态组织：马氏体和少量的奥氏体，碳化物的结构式(Fe,Ni)
C型，形态为连续网状渗碳体，因此具有高的韧性
3
和高的耐磨性，但淬透性不高，铸造性能差。
（3）高铬合金白口铸铁若摩擦条件是要承受高应力的磨料磨损，又要求好的抗腐蚀磨损时，可得到满意的效果。它的铬含量较高（15%--30%），且碳化物的结构和形态还随着铬的含量的增加而改变，热处理后，在基体马氏体上分布着较均匀的块状碳化物，强度、韧性都较高，甚至比镍硬合金白口铸铁还高，故耐磨性比它好。
（4）金属基复合耐磨材料依靠第二相硬质颗粒弥散强化基体得到的耐磨复合材料。
1.2 非金属耐磨材料
常见的非金属耐磨材料主要有高分子材料，陶瓷材料，复合材料。高分子材料的抗拉强度为98~107MP，弯曲强度152~176MP，体积密度1.16~1.18g/cm3，摩擦系数0.4~0.6 。高分子材料质量轻、易加工，并具有一定的强度、韧性，可以承受外部压力，并能适应环境温度的变化。同时，高分子材料硬度低，主要利用自身滑动摩擦系数低、自润滑性能强来减少摩擦阻力，以抵抗磨损。但高分子耐磨材料受温度限制，所以应用范围受限。陶瓷材料具有耐磨、耐蚀、耐高温特性，所以是一种较好的耐磨材料。而复合材料，更是发挥其特有性能，也进入了耐磨材料的选材范围。
1.3 新型金属耐磨材料
由于技术的发展和需求的复杂化程度提高，传统的几种耐磨材料已不能满足发展的需要，因此经过研究者的不断努力和突破，在原来的基础上，得到了许多性能更优越的新型金属耐磨材料。
文献[6]中提到，虽然耐磨钢具有好的耐磨性，但是有其使用条件，比如在冲击力大、应力高、磨料硬等情况下。同时由于高锰钢的屈服强度低，初次使用易
于变形，而造成较大磨损。因此如果能解决这些问题，其耐磨性能够得到更广泛的应用。
高锰钢合金化及变质处理是改善此传统材料耐磨性的有效手段之一。在高锰钢传统成分中加入Cr、Mo、V、Ti、Re等合金元素来进行合金变质化处理，从而在其奥氏体上获得弥散分布的第二相碳化物颗粒以有效提高其耐磨性。同时，通过合金元素对奥氏体基体的强化进而增强其形变硬化能力，同样可以有效改善合金化高锰钢的耐磨性手段之一[7-8]。何力、卢锦德等[9]人关于合金化对高锰奥氏体基体强度及耐磨性影响的研究表明:经过合金化处理后的高锰钢除了获得弥散的碳化物颗粒外,奥氏体基体点阵亦发生了较大畸变,磨损后的磨痕形态较传统高锰钢发生了明显变化,磨料颗粒划过的犁沟两侧材料的流变形态反映出,合金化增强了奥氏体基体形变硬化的水平及变形-硬化的响应速率。
表面强化技术是通过一定方式手段在工件表面形成一种残余压应力，显著提高其抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能。目前，爆炸硬化也是一种比较好的强化技术，李兴霞、赵干[10]等人对高锰钢爆炸硬化机理做了深入仔细研究表明：(1) 由于爆炸硬化的作用时间极短且爆炸会使奥氏体趋于稳定因此爆炸硬化处理后高锰钢组织仍为单一奥氏体未发生马氏体相变。（2) 在炸药爆炸产生的巨大爆轰压力作用下爆后高锰钢晶体内部各晶面的晶格常数大幅增大其中[044]晶带轴的晶格常数的影响最大其晶格常数增加了50.4% 晶格常数的增加加剧了晶格畸变在高锰钢内部形成大量位错和层错位错密度和层错密度随着离爆炸表面距离的增加逐渐降低。(3) 高锰钢爆炸硬化的微观机理为：位错和层错阻碍位错运动使高锰钢硬化。
2 减摩材料
减摩材料是指在摩擦过程中，所选摩擦副摩擦系数较小，而且具有一定的耐磨性的材料。不同的工况条件，对减摩材料的要求也各有差异，一般性对减摩材料具有以下性能要求：
1.应该具有低而稳定的摩擦系数，尤其是当处于边界摩擦和局部干摩擦时，摩擦系数应保持较低值，且在摩擦过程中变化不大，这是减摩材料最重要的性能。
2.减摩材料本身的耐磨性要好，且与之的对磨件磨损也要小。此外，还应具
有较好的抗粘着性能和好的磨合性。
3.摩擦副一般是要承受一定的载荷作用，所以要求其具有一定的抗塑性变形能力，抗疲劳强度和冲击韧性。
4.应具有一定的熔点，高的导热系数和热容量，低的热膨胀系数，好的油膜吸附能力，耐蚀性好。
5.应具有良好的工艺性能，且生产工艺简单，经济可行。
2.1 常用的减摩材料
1. 巴氏合金
这是最早应用于滑动轴承上的减摩材料，它是一种以锡或铅为基体的软合金，因最初由E．Babb：tt(1839年：发明而称为巴氏合金，其成分含有82-34%锡，5—6％铜和11—1%锑。后来将所有锡、铅基合金均称为巴氏合金。又因为它主要用于轴瓦，故又称为轴承合金。巴氏合金具有较好的减摩性能。这是因为在机器最初的运转阶段,旋转着的轴磨去轴承内极薄的一层软相基体以后,未被磨损的硬相质点仍起着支承轴的作用。继续运转时轴与轴承之间形成连通的微缝隙。微缝隙将作为润滑油的通道，使轴和轴承保持良好润滑状态并产生减摩作用。
2.铝基轴承合金
新型减磨材料具有密度小，导热性好、疲劳抗拉强度高、耐蚀性好等优点。并原料丰富，价低，但膨胀系数大，运转易咬合。目前采用铝基有铝锑镁合金和高锡铝基合金两种，其中以高锡铝基的应用最广。高锡铝基轴承合金的成分为20%的锡和l％的铜，其余为铝，该合金的显微组织以铝为硬基体，均匀公布着软的锡质点，添加的铜洽于铝中使基休强化。这种合金由于含锡最高，可以提高抗粘着性能，其制品也可用08钢为衬背．轧制成双合金带，可用来代替锡基轴承合金和铜合金，用于载荷达28N／mm2，滑动速度在13m／s以下的滑动轴承。
3. 铜基轴承合金
常用代号为 ZQpb30 的铅青铜（一种硬基体软质点型的轴承合），含铅量为27-33% ，余量为含铜量。优点：与巴氏合金比承载能力大、抗拉强度高，能在较高的温度 300C 下工作，价低。用于高温高压下工作的轴承，如航空发动机、变速柴油机和轴承等。缺点：铅加入后使抗拉强度下降，再铜和铅密度相差大，
易偏析抗蚀能力下降，耗铜量上升。
铝青铜是一种成分为含铝约在8-11%之间铜基合金。优点：铝青铜比锡青铜机械性能高，耐磨性、耐腐蚀性好，它是铜合金中强度较高的一种减摩材料。缺点：顺应性差，嵌藏性差用途：主要用于制造蜗轮、轴套等。王智平[11]等人利用RFT-Ⅲ往复摩擦磨损试验机研究了新型铸造高铝青铜Cu14AlX的摩擦磨损特性。试验结果表明:适当提高铝青铜中Al含量,可显著改善铝青铜的组织结构,使合金强硬化,从而提高其耐磨性。微合金化后铝青铜中硬质点相明显增多,晶粒细化,合金硬度升高,摩擦系数明显减小而且稳定，与钢件对磨滑动性好,磨损明显减小。
4. 粉末冶金减摩材料
粉末冶金减摩材料是用金属粉末与具有减摩性能的非金属固体粉末，按一定比例，经混合后压制成型，再经烧结和整形得到的一种具有多孔性组织的材料。一般孔隙度在15—20％范围。如用浸渍方法使孔隙中充满润滑油，便成为一种具有自润滑性能的减摩材料，含油轴承即为这种材料的一种制品。当轴颈转动时，由于轴颈在接触区有泵吸作用，迫使孔隙中的润滑油经毛细管作用被吸至轴承接触表面，同时由于摩擦热的作用，油的体积膨胀大于金层而被挤至摩擦表面，从而起着润滑作用。当停止转动后，强度下降，由于毛细管作用又将油吸回到孔隙中。因而这是一种具有自润滑、减摩及耐磨并有吸振作用的减摩材料。目前除铜基和铁基外，在特殊的工作条件下还可用铅基、锌基、锡基、银基和镍基粉末冶金减摩材料。所用的固体润滑剂除石墨外还可添加硫、硫化物、铜、钒及其他金属硒化物、氮化物、碲、卤化物等。为了提高耐磨性和强度，可添加锰、铬、镍和铜等合金元素以及各种碳化物，使制品获得可改善减摩性能的多相组织[4]。
3 耐磨及减摩材料在表面工程技术中的新应用
表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。近年来将表面工程技术和耐磨及减摩材料结合在一起所制得的各种类型耐磨涂层，在提高零件的耐磨性能方面，发挥着越来越重要的作用。目前国内外常用的增强材料表面耐磨性的技术主要有堆焊，喷
焊，超音速等离子喷涂，激光熔覆，激光重熔，感应熔覆，感应重熔，热喷涂等。这种通过表面工程技术，在基体工件表面制得的耐磨涂层的优势[12]：
1. 满足社会生产、生活需要。
2. 大幅度的提高了工件的质量和使用寿命，缓解了磨损带来的巨大损失。
3. 节约了贵重材料。
4. 实现了材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题。
5. 促进了新型工业的发展
6. 拓宽了表面工程技术的选材范围，使更多的材料获得表面耐磨性能。3.1 耐磨涂层的发展新方向
伴随着各种涂层制备技术不断地复合发展与耐磨及减摩材料的不断创新，将不断地衍生出性能更加优异的耐磨涂层，其发展方向：
按照涂层材料：
1.耐磨材料涂层创新
2.减摩材料涂层创新
3.耐磨材料基体减摩涂层创新
4.减摩材料基体耐磨涂层创新
5.纳米复合材料涂层创新
按照复合的方法：
1.不同耐磨材料混合复合涂层
2.不同耐磨材料分层复合涂层
3.不同减摩材料混合复合涂层
4.不同减摩材料分层复合涂层
5.耐磨及减摩材料共混复合涂层
6.耐磨及减摩材料分层复合涂层
以及以其它形式的发展方向等。
参考文献
[1]温诗铸，黄平.摩擦学原理[M]. 北京：清华大学出版社，2008.
[2]籍国宝. 摩擦磨损原理[M]. 北京:农业出版社,1992.
[3]卲荷生,曲敬信，许小棣等.摩擦与磨损[M].北京：煤炭工业出版社，1992.
[4]全永昕，施高义.摩擦磨损原理[M].杭州：浙江大学出版社，1988.
[5]戴雄杰.摩擦学基础[M].上海：上海科学技术出版社，1984.
[6]杨芳，丁志敏.耐磨高锰钢发展现状[J].机车车辆工艺,2006(6):6-9.
[7]Dastur YN, LeslieWC. Mechanismofwork hardening inHadfieldman-ganese steel[J]. Metall.
Trans. A , 1981,12A: 749
[8] Shun Tao tsung, Wan C M , Byrne J G. A study of work hardening in austenitic Fe-Mn-C and
Fe-Mn-Al-Calloys[J]. A cta. M etall. Mater.1992, 40 (12) : 3407
[9] 何力,卢锦德,熊玉竹,金志浩.合金化对高锰钢奥氏体基体强度及耐磨性的影响[J].贵
州工业大学学报(自然科学版),2009,29(2):45-49.
[10] 李兴霞,赵干, 张观军.高锰钢爆炸硬化机理分析[J].热加工工艺,2013,42(6):94-96.
[11] 王智平，金玉花，路阳，李文生，徐建林.高铝青铜Cu14AlX摩擦磨损特性的研究[J].
铸造，2003,52（3）:185-189.
[12]曾晓雁，吴懿平.表面工程学[M].北京：机械工业出版社，2001.
摩擦磨损过程和磨损形式 钱洪新 [摘要]在机器的运转过程中,作相对运动的零件之间总是伴随着摩擦而产生磨损。磨损通常是不希望出现的，它是消极的、不利的。本文阐述了摩擦磨损过程；分析了摩擦的种类和摩擦 磨损的四种基本形式；揭示了摩擦磨损的规律。 [关键词]摩擦磨损摩擦分类磨损形式磨损规律 机器的运转都是由运动副零件的配合表面相对运动来实现的，而配合表面的相对运动必然伴随着摩擦而产生磨损。在摩擦过程中，摩擦表面发生了尺寸、形状和表面质量的变化称为磨损。摩擦磨损是发动机零件最常见的一种损伤形式，是机器缩短使用寿命、丧失工作能力、影响安全可靠工作的主要因素之一。 一、摩擦磨损过程 摩擦磨损与摩擦表面形貌有关。由于表面粗糙度的存在，两摩擦表面仅仅是在少数孤立点上发生接触，这时，法向载荷便由这些点上发生接触。接触面积越小，法向应力越大。当法向应力超过材料的屈服极限时，接触点就产生塑性变形。在塑性变形的同时，接触点处金属表面上的氧化膜也被压碎或剪切掉。这时，接触点金属分子间相互吸引力增大，有可能相互扩散而熔合在一起。我们把熔合在一起的现象称为冷焊。当相对运动继续进行时，由于剪切而使冷焊点破裂。以后又在接触点发生塑性变形、冷焊和破裂，直到真实接触面积增大到足以支承法向载荷时为止。这时，表面硬度增加了，表面粗糙度也有所提高了。 摩擦磨损过程是一个复杂的过程。当金属产生塑性变形时，要释放热量，因此，在摩擦表面上的温度要比基体金属的温度高得多。当温度高于再结晶温度时，因变形而引起的表面强化现象将消失；当温度继续升高时，金属被软化，摩擦表面金属分子相互粘结；当温度升高到相变温度，摩擦表面金属就会产生相变，强度和硬度也大大降低。在摩擦磨损过程中，摩擦表面还要与周围介质起作用。例如当氧化膜被压碎或前切后，裸露的金属表面迅速与氧气起化学反应，形成新的氧化膜。氧化膜和基体金属的结合力较弱，容易被压碎或剪切。另外，空气中的水分和润滑油中的硫分均能与摩擦表面起化学反应，产生化合物，加剧摩擦表面的磨损。因此，摩擦磨损过程就是由于机械和化学的
表面摩擦与磨损 摘要：简要介绍了摩擦与磨损的定义，摩擦的分类及评价方法；磨损的分类及评价方法；磨损的评价方法；抗摩擦磨损表面强化技术。 关键词：摩擦；磨损；表面 1 引言 摩擦与磨损是自然界存在的普遍现象, 摩擦对人类的生活和生产活动有利有弊, 而磨损却是有百害而无一利。摩擦与磨损对能源及材料的消耗是相当可观的, 据粗略估计, 有 1/3 ～ 1/2的能源消耗于磨损, 而磨损又常常是机器零部件失效的主要原因。 摩擦与磨损是发生在相互接触并相对运动的两个固体表面之间, 因此接触表面的特性, 诸如表面粗糙度及硬度等与摩擦、磨损关系密切。有些表面特性是由材料的本性决定的, 此外, 还可以采用各种方法对材料表面进行改性, 其中表面处理技术中的电镀及复合镀等则是常用的手段。在制备减摩及耐磨镀层时需进行检测, 因此, 有必要对摩擦及磨损的定义、产生原因和测试方法等有一定程度的了解[1]。 2 摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的 30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性[2]。 3 摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以前三种方式介绍分类[3]。 3.1 按摩擦副的运动状态分类
摩擦衬片（衬块）的磨损特性计算 摩擦衬片（衬块）的磨损与摩擦副的材质、表面加工情况、温度、压力以及相对滑磨速度等多种因素有关，因此在理论上要精确计算磨损性能是困难的。但试验表明，摩擦表面的温度、压力、摩擦系数和表面状态等是影响磨损的重要因素。 汽车的制动过程，是将其机械能（动能、势能）的一部分转变为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了耗散汽车全部动力的任务。此时由于在短时间内制动摩擦产生的热量来不及逸散到大气中，致使制动器温度升高。此即所谓制动器的能量负荷。能量负荷愈大，则摩擦衬片（衬块）的磨损亦愈严重。 制动器的能量负荷常以其比能量耗散率作为评价指标。比能量耗散率又称为单位功负荷或能量负荷，它表示单位摩擦面积在单位时间内耗散的能量，其单位为W/mm2 双轴汽车的单个前轮制动器和单个后轮制动器的比能量耗散率分别为 式中：δ——汽车回转质量换算系数； ma——汽车总质量 v1 v2——汽车制动初速度与终速度，m/s；计算时轿车取v1= 100km/h（27.8m／s）；总质量 3.5吨以下的货车取vl=80km／h
（22.2m/s）；总质量3．5 t以上的货车取v1=65 km／h（18m／s）； t一制动时间，s;按下式计算 j一制动减速度，m/ s2计算时取j=0．6g； A1，A2一前、后制动器材特（衬块）的摩擦面积； β一制动力分配系数，见式（3-12） 在紧急制动到v2=0时，并可近似地认为δ=1，则有 鼓式制动器的比能量耗散率以不大于1.8 W/mm2为宜，但当制动初速度油vl低于式(4-25)下面所规定的v1时，则允许略大于 1.8 W/mm2。轿车盘式制动器的比能量D 耗散率应不大于6．0 W/mm2发比能量耗散率过高，不仅会加快制动摩擦衬片（衬块）的磨损，而且可能引起制动鼓或盘的龟裂。 磨损特性指标也可用衬片（衬块）的比摩擦力即单位摩擦面积的摩擦力来衡量。单个车轮制动器的比摩擦力为 式（4－27）Tf中：Tf一单个制动器的制动力矩； R一制动鼓半径（或制动盘有效半径）
几种耐磨材料的研究与进展 摘要：为了了解国内耐磨材料的研究与进展情况，本文对近年来耐磨自润滑发展进行了研究。研究表明：(1)在耐磨材料研究和发展中，应充分分析典型磨损工况，了解各种磨损机理所占比重，从而确定对耐磨材料的要求，以进行合理的合金和组织设计。(2)耐磨钢的发展方向在于通过合金化强化基体,提高其起始硬度和屈服强度，以改善低冲击、低应力磨损条件下的耐磨性,扩大其应用范围,并防止变形[1]。(3)低、中合金耐磨钢通过合金设计和适当热处理，获得具有较高硬度，足够韧性，良好耐磨性的组织，可在较大冲击、较高应力的磨料磨损工况条件下使用。 关键词：耐磨材料自润滑摩擦磨损 引言 材料的破坏有3种形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不象另外两种形式那样，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。据早期统计，由磨损造成的经济损失,美国约150亿美元/年，西德约100亿马克/年，前苏联约120亿卢布/年。在各类磨损中,磨料磨损又占有重要的地位，在金属磨损总量中占50%，在冶金矿山、建材、电力、农机、煤炭等行业磨料磨损尤为严重因此，研究和发展用于磨料磨损条件下的耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济有重要的意义[2]。 根据各类磨损机理与材料性能的关系，可提出对耐磨材料的常规要求：a、较高硬度、一定塑性；b、足够韧性和脆断抗力；c、高的应变疲劳和剥层疲劳抗力；d、高的淬透性和获得足够深的淬透层；e、良好的工艺性和生产工艺方便易行[3]。 1Fe-20Ni-3.5C自润滑材料 镍基合金具有优良的热稳定性和抗腐蚀性能,在高温发动机和高温结构材料中具有极其重要的应用,近年来的研究表明,含石墨的镍基合金具有良好的自润滑性能,但由于镍的资源较短缺,价格居高不下,限制了材料的应用。用熔炼法制备了Fe含量为20%~60%(质量分数)的镍-铁-石墨-硅合金,该合金具有良好的自润滑性能并显著降低了材料成本,其实验结果表明随着铁含量的增加,合金的自润滑性能逐渐提高, 其中铁含量为60%时,合金干摩擦因数相对较低。进一步增加Fe的含量可以使材料价格进一步降低,但对合金的摩擦磨损性能和机械性能的影响需要进行研究.研究采用熔炼法制备了Fe-20Ni-3.5C合金.随着 铁含量的增加,合金析出碳化物的可能性变大,有可能减少固体润滑剂石墨的含量.硅是一种石墨化元素,可以抑制碳化物的生成,促使碳原子结晶成为石墨,提高合金中固体润滑组元的含量,而且可以固溶于奥 氏体中提高材料的强度,改善材料的摩擦磨损性能.但硅含量的增加会使合金变脆,机械性能降低.因此必须以Fe-20Ni-3.5C合金为基础,研究添加不同含量的硅对合金的凝固组织、力学性能和摩擦磨损性能的影响及其规律： 1)采用熔炼法制备出不同硅含量的Fe-20Ni-3.5C固体自润滑材料,合金组织致密,石墨分布均匀,随着硅含量的增加,结晶的石墨形态由细片状逐渐变为粗片状石墨,当硅含量增至3.5%时,石墨的生长形态趋于等轴球状； 2)随着添加硅量的增加,固溶于合金基体中的硅原子含量增加而碳含量降低,合金的硬度和抗拉强度先提高后降低,冲击韧性则随着合金硬度的降低而升高.当加入Si量达到3.5%时,由于合金基体硬度的降低及石墨的球状化,冲击韧性大幅度提高； 3)合金的磨损率随合金硬度值的提高而降低.硬度的提高,减轻了粘着磨损,降低了磨损率,其中 Fe-20%Ni-3.5%-2.5%Si具有较小的摩擦因数和较低的磨损率,其摩擦因数稳定在0.23左右,磨损形式主要以疲劳磨损为主[4]。 2稀土低合金耐磨钢焊条 在对高锰钢的研究中已经发现：在高应力状态下（如强烈冲击或挤压载荷），高锰钢产生加工硬化，
表面摩擦与磨损 一、摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。 二、摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2－1所示。 图2-1 摩擦状态
1、干摩擦 当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦（见图2-1a），工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。 2 、边界摩擦 当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦（见图2-1b）。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。 在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度。 3 、流体摩擦 当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦（见图2－1c）。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。 4 、混合摩擦 当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态（见图2－1d）。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多。 三、磨损的分类及评价方法 摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降
典型黑色金属磨损性能测试实验 史秋月 一、实验目的 1.了解M-2000型摩擦磨损试验机的结构，及材料进行耐磨性测试的意义； 2.掌握滑动摩擦、滚动摩擦及其在不同条件下（干式、湿式、磨粒等）的 实验方法； 3.掌握摩擦磨损性能指标的评估方法； 4.了解典型黑色金属灰铁和球铁在滑动摩擦条件下（干式）的耐磨情况。 二、实验设备 M-2000型摩擦磨损试验机，如图2-1 图2-1 三、实验材料 1.灰铁滑动摩擦试样一对，试样尺寸如附图（a） 2.球铁滑动摩擦试样一对，试样尺寸如附图（a） 四.实验原理与方法 将试样分别装在上下试样轴上，接通电源，双速电动机○1通过三角皮带○3齿12使下试样轴以200转/分（或400转/分）的速度转动；通过轮○4带动下试样轴○ 48的传递。使上试样轴○14以180转/分（或360转/ 47和齿轮○ 蜗杆轴○ 44，滑动齿轮○ 47分）的速度转动。当做滑动摩擦试验时，为使上试样轴不转动，应将滑动齿轮○ 46上。试验时，两试样间的压移至中间位置，齿轮○48必须用销子○22固定在摇摆头○ 19的作用下获得（弹簧中间是一重力传感器），负荷的增大或减少力负荷在弹簧○ 21上即可读出。也可将复合传感器接入25进行调整；负荷的数值从标尺○ 可用螺帽○ 电脑，从显示屏上读出，本实验载荷直接从显示屏上读出。试验的终止条件可由时间或总转速控制。试验结束之后根据不同的方法评估材料的耐磨情况。
五、实验内容 将加工好的滑动摩擦试样装在实验机上，在给定的条件下（干式、滑动摩擦、压力：200N、时间60min）进行试验，试验结束后将试样取下，评估耐磨性能。 根据所选取磨损试验方法的不同以及材料本质的差异，可以选择不同的耐磨性能评定方法，以期获得精确的试验数据，现简单例举下述几种方法以供参考。 1、称重法：采用试样在试验前后重量之差，本表示耐磨性能的方法，由于两试 样之间的摩擦所引起的磨损量，可以采用精度达万分之一的分析天平称量出试样试验前后重量之差非凡获得。试样在磨损前后必须严格进行去油污，烘干后再进行称量否则因残余的没污会影响试验数据的准确性。 计算可按下式进行： W=W0－W1 式中：W—试样的磨损量。 W0—试样在试验前的重量。 W1—试样在试验后的重量。 2、测量直径法：采用试样在试验前后直径的变化大小来表示耐磨性能的方法。 （1）用测微计（或其它测量仪器）测量试样试验前后的直径变化而获得。 （2）本试验机所带小滚轮○6可用来精确测量试样直径试验前后的变化。 测量方法：使用时首先将装有小滚轮○6的支架拆下来装在下试样轴轴承座的小轴（附图）上，在试验前后把试验机各开一分钟或下试样试验前后运转同样转数可得小滚轮转数N1和N2，由此通过下列计算可得到磨损量“S” 如果：D1—试样试验前的直径。 D2—试样试验后的直径。 D0小滚轮○6的直径。 N1—磨损前一分钟内小滚轮○6的转数。
长安大学2008－2009 学年第 2 学期试题（ A ）卷 课程名称磨损与耐磨材料考试日期2009年6月 12日共 2 题 学生姓名学院材料学院班级25020601 学号 一、填空（每题1分，共题28分） 1.固体表面的几何特性通常用（）和（）来描述。 2. 固体表面由于加工过程中的变形及局部加热，表现出不同于基体的物理机械性能，主要表现在（）、（）、（）、（）和（）等。 3. 影响滑动摩擦的主要因素有（）、（）、（）、（）和（）。 4. 摩擦后表面的白层组织是由于（）、（）和（）三种效应所致。 5.按照磨损机理磨损一般分为（）、（）、（）、（）、（）、（）、（）。 6.常见的钢铁减磨材料包括（）、（）。 7.摩阻材料按结构不同可分为（）、（）、（）、（）。 二、简答题（共72分） 1.解释磨损的实质及磨损与摩擦的关系。（5） 2. 材料磨损量包括那些？解释相对耐磨性的含义；固体表面的接触面积分为哪几种？An、Ap、Ar各表示什么。（8） 3.说明粘着磨损的含义及其分类。（5） 4.说明磨料磨损的概念、分类及其磨损机理；分析影响磨料磨损的主要因素。（11） 5. 简述腐蚀磨损，疲劳磨损，微动磨损的基本特点。（6） 6. 说明影响冲蚀磨损的主要因素。（6） 7. 常见的耐磨铸铁包括哪些？说明KmTBC15rMo2Cu(15-2-1)材料的主要化学成分及各自的作用。（6） 8. 镍硬铸铁分为几类？其中镍硬4和其它的化学成分主要区别在那里？简要说明镍硬铸铁的热处理工艺。（5） 9.说明水韧处理的意义。简述高锰钢的化学成分特点及热处理规范。（5） 10. 常见的润滑原理（方式）有哪些？说出三种以上常见的固体润滑材料。（5） 11.说明减摩材料的失效方式。摩阻材料的主要功能有哪些？（5） 12. 简述陶瓷材料的基本特点。影响聚合物材料摩擦学性能的基本因素有哪些？（5）
耐磨耐蚀材料 题目：耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究 学院：材料科学与工程学院 专业：材料加工工程 指导老师：路阳杨效田 学生姓名：王鹏春 学号： 132080503043 2104年5月1日
耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究 摘要：综述了耐磨及减摩材料的基本性能要求，简单阐述了常见的耐磨及减摩材料的成分、组织与性能等和目前耐磨及减摩材料的新进展及方向。最后，论述了耐磨及减摩材料在表面工程技术中的应用形式，及耐磨涂层的发展方向。 关键词: 耐磨材料；减摩材料；耐磨涂层 0前言 众所周知，摩擦磨损特性的探究对国民经济来说，有着非凡的意义。据统计，全世界大约有2/1-3/1的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损是机械设备零件失效的三大原因之一，大约有80%的损坏零件是由于各种磨损形式引起的[1]。为了节约能源和材料，解决因磨损带来的损失显得至关重要，随着技术水平的发展，而其解决措施也变得各种各样，而本文主要从最基础的材料的选择上入手，来综述耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性的探究现状及发展方向。 1 耐磨材料 材料的耐磨性通常是指在一定的工作环境下，摩擦副材料在，摩擦过程中抵抗磨损的能力。材料的耐磨性不是材料固有的本性，而是材料性质在一定的摩擦规范、表面状态、环境介质、工件结构、材料配对等某种条件下的体现。因此材料的耐磨性是相对的、有条件的。耐磨材料的一般性要求有以下几点[2]： 1.机械性能方面要有高的抗拉、抗压、抗拉、抗剪切强度；有高的硬度和韧性；有较高的相对延伸率；在摩擦的高温、高压下，机械性能应该稳定。 2.物理、化学性能方面要有良好的导热性，低的热膨胀系数，且各相的线膨胀系数差别要小；合金元素在其内的溶解度要高，分布要均匀；各相间微观电势要小，抗腐蚀性好；各相成分要在较宽的温度、压力范围内保持稳定。 3.金相结构方面金属晶体的滑移系要少；固溶体与强化相要恰当配合；强化相要有高的弥散性，分布要均匀；各相的位向要互相接近。 4.工艺性能方面要有良好的淬透性和机加工性，以及其他必要工艺性能，如铸件的铸造性。
磨损及耐磨材料复习题参考答案 1.固体表面的几何特性通常用（表面波纹度或宏观粗糙度）和（表面粗糙度或微观粗糙度） 来描述。 2.固体表面由于加工过程中的变形及局部加热，表现出不同于基体的物理机械性能，主要 表现在（硬度）、（残余应力）、（组织转变）、（塑性变形）和（微观缺陷）等。 3.固体表面的吸附分为（物理吸附）和（化学吸附）吸附。说明两种吸附的意义（物理吸附 是非常快的可逆过程。被吸附分子保持自己的特性。其与表面的结合属典型的范·德·瓦尔斯力。）（在化学吸附作用下，吸附原子与表面原子（分子）间发生电子交换，相互发生化学作用，从而使吸附表层的结构和化学性质发生变化，形成化合物。）。 4.影响滑动摩擦的主要因素有（金属性质）、（粗糙度）、（温度）、（速度）和（环境气氛与压 力）。 5.摩擦引起的表面效应有（温度效应）、（次表面应力的改变）、（扩散过程的发生）。 6.摩擦后表面的白层组织是由于（塑性流动）、（急冷急热）和（表面反应）三种效应所致。 7.滚动摩擦的机理与模型主要有（微观滑动）、（弹性滞后）、（塑性变形）和（粘着效应）。 8.常见的磨损形式包括（粘着磨损）、（磨料）、（疲劳）、（微动）、（腐蚀）和（冲蚀）。 9.减摩材料主要包括（钢铁）、（非铁合金）和（其他）减摩材料。 10.摩阻材料的主要失效形式为（磨损失效）和（热疲劳开裂）。 11.常见的润滑原理（方式）有那些？说出三种以上常见的固体润滑材料。流体润滑、边界润 滑和固体润滑。石墨、MoS 2、六方氮化硼（h-BN）、原硼酸（H 3 BO 3 ）。 12.说明边界润滑的意义及和流体润滑的差异。所谓边界摩擦（又称边界润滑），是指相对运动的两 表面被极薄的润滑膜(厚度在0.1μm以下)隔开情况下的摩擦。它不同于流体摩擦，因为此时两表面间的摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑剂特性。因而能大幅度提高承载能力，扩大使用范围。。而相对于干摩擦来说，边界摩擦具有较低的摩擦系数和磨损量。 13.解释磨损的实质及磨损与摩擦的关系，简要说明磨损的分类。要点：由于机械作用、间 或伴有化学和电的作用，表面相对运动，使材料发生损耗的现象（4）；摩擦是根源（起因），磨损是结果。有摩擦就有磨损（3）；分类：黏着磨损，磨料磨损，疲劳磨损，微动磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损（3）。 14.材料磨损量包括那些？解释相对耐磨性的含义；固体表面的接触面积分为哪3种？An、 Ap、Ar各表示什么。要点：W l ，W v 和W w ；ε=w A ∕w B ;(3) An＝a*b, Ap,轮廓接触面积， Ar，实际接触面积(3)； 15.简要说明金属固体表面结构。固体表面的接触具有什么特点？要点：外表层，氧化膜和吸 附膜或污染膜，内表层，加工硬化层，母材(3)。不连续性和不均匀性。 16.古典摩擦定律的基本内容包括哪些？与近代研究主要有哪些差异？摩擦力与作用于摩擦表 面的法向载荷成正比；摩擦力的大小与名义接触面积无关；静摩擦力大于动摩擦力；摩擦力的大小与滑动速度无关；摩擦力的方向总是与接触表面间的相对运动速度的方向相反。近代研究表明，上述定律与实际情况由许多不符之处。例如：摩擦系数实际上是与材料和环境有关的一个综合特性指数；而且，对于某些极硬或软材料摩擦力与法向载荷不呈线性比例关系。对于弹性材料（如橡胶）或粘弹性材料（如某些聚合物），摩擦力与名义接触面积的大小则存在着某种关系；对于很洁净、光滑的表面，或承受载荷很大时，接触表面间出现强烈的分子吸引力，故摩擦力与名义接触面积成正比。粘弹性材
磨损特性 机械零件的磨损过程通常经历不同的磨损阶段，直至失效。如图给出典型的磨损特性曲线(浴盆曲线)： 图磨损特性曲线 图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率。通常在磨合期内，磨损率比较大，并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持不变。直至某一点，斜率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生。对于一些磨损过程，例如滚动轴承或齿轮中发生的表面疲劳磨损，开始时磨损率可能为零，当工作时间达到一定数值后，点蚀开始出现并迅速扩展，磨损率迅速上升，很快发展为大面积剥落和完全失效。 磨损阶段的描述： 1．磨合阶段(I阶段) 又称跑合阶段。新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度。在载荷作用下，由于实际接触面积较小，故接触应力很大。因此，在运行初期，表面的塑性变形与磨损的速度较快。随着磨合的进行，摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，表面应力减小，磨损减缓。 一个崭新的，即加工后未经摩擦的固体表面总具有一定的表面粗糙度和比较尖锐的微凸体尖峰，实际上两个表面之间通过微凸体进入真实接触的面积是很小的。在这些接触着的微凸体之间会产生很大单位面积接触压力，乃至超过材料的
屈服强度，并造成微凸体材料的迁移，以及接触面之间的变形在局部微区产生很高的温度，致使接触面发生熔焊，随即又由于表面之间的相对运动而被撕裂。同时微凸体在相对运动过程中也很容易发生碰撞、折断、划伤。因此在磨合阶段，摩擦副表面的磨损量迅速增加，并达到较高的磨损率。 另一方面由于加工和装配等工况原因，使接触表面之间的间隙不均匀，从而难以形成稳定的油膜，这时的润滑状态处于一种从边界润滑到混合润滑的过度；随着磨合阶段的结束，微凸体不断被磨平，促使它们之间的接触面积不断增大，而单位面积的接触压力随之减小，同时通过一定的磨损之后，摩擦副的间隙趋于均匀，油膜得以建立，即进一步向完全流体动力润滑过度；于是磨损率也随之减小，并向稳定磨损阶段过度。 磨合阶段的轻微磨损为正常运行、稳定运转创造条件。通过选择合理的磨合规程、采用适当的摩擦副材料及合理的加工工艺、正确地装配与调整，使用含有活性添加剂的润滑油等措施能够缩短磨合期。上述磨合阶段最好受到监控，以免造成过度的磨损或磨合不够的情况产生。 2．稳定磨损阶段（II阶段） 经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。它的特点是磨损量与时间成正比增加，间隙缓慢增大。 稳定磨损阶段此时磨损量趋于平缓地增加，而磨损率则由高过度到低，并维持在一个比较稳定的水平上，表明零件摩擦副表面之间已形成较为稳定的油膜，在润滑油充裕的工况下处于一种流体动力润滑状态。流体动力油膜的存在不仅在很大程度上避免了微凸体尖峰受力为大部分表面处于一种比较均匀的受力状态。这对于减小磨损是极为有利的。特别是当油膜厚度大大超过两个接触表面的粗糙度时，摩擦副处于完全流体动力润滑状态；这时微凸体之间几乎不接触，摩擦表面依靠油膜传递压力，故磨损量保持在一个非常低的水平上。稳定磨损阶段是机器设备的正常工作阶段，稳定磨损阶段的长短与机器的工况有关，也与磨合阶段的磨合质量有关。这是因为机器在启动或停止的过程中，也就是摩擦副流体动力油膜建立或消除的过程，其润滑状态也就从边界—混合—完全流体的
耐磨金属材料的最新研究现状 关键词：耐磨材料；锰钢；抗磨白口铸铁；技术进展 摘要：耐磨金属材料被广泛地应用于工业生产的各个领域, 而随着科学技术和现代工业的高速发展，由于金属磨损而引起的能源和金属材料消耗增加等所造成的经济损失相当惊人。近年来，对金属磨损和耐磨材料的研究，越来越引起国内外人们的广泛重视。本文概述了国内外耐磨金属材料领域研究开发的现状及取得的一系列新进展。 0 引言 随着科学技术和现代工业的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备(特别是高速运转的自动生产线)生产效率的重要因素。尽管材料磨损很少引起金属工件灾难性的危害，但其所造成的能源和材料消耗是十分惊人的。据统计，世界工业化发达的国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的。如在美国,每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1000亿美元，占国民经济总收入的4%。而我国仅在冶金、矿山、电力、煤炭和农机部门，据不完全统计，每年由于工件磨损而造成的经济损失约400亿元人民币[1]。因此，研究和发展耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济的发展有着重要的意义。 1国外耐磨金属材料的发展 国外耐磨材料的生产和应用经过了多年研究与发展的高峰期，现已趋于稳定，并有自己的系列产品和国家标准、企业标准。经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段，目前已发展为耐磨钢和耐磨铸铁两大类。 耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢、中锰钢以外，根据其含量的不同可分为中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；根据合金元素的含量又可分为低合金、中合金及高合金耐磨钢；根据组织的不同还可分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢。而耐磨铸铁主要包括低合金白口铸铁和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸铁，而且这两种材料目前在耐磨铸铁中占有主导地位。马氏体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地，中铬铸铁则应用较少。从整体上看，合金白口铸铁的耐磨性优于耐磨铸钢，但后者韧性好，在诸如衬板、耐磨管道等方面有着广泛的应用[2]。 2 我国耐磨金属材料的发展 据统计,国内每年消耗金属耐磨材料约达300万吨以上，应用摩擦磨损理论防止和减轻摩擦磨损,每年可节约150亿美元。近年来,针对设备磨损的具体工况和资源情况,研制出多种新型耐磨材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢
博士入学考试 名词解释 粗糙度：评定加工过的材料表面由峰、谷和间距等构成的微观几何形状误差的物理量。 固体润滑：利用固体所具有的减摩作用的润滑方法。 固体润滑材料：为了防止相对运动中的表面损伤，并降低摩擦与磨损而使用的薄膜或粉状固体。 滑动磨损：两个相对滑动物体公共接触面积上产生的切向阻力和材料流失的现象。 自由磨料磨损和固定磨料磨损：两者皆为磨料磨损，自由磨料磨损磨料保持自由状态，而固定磨料磨损磨料保持固定状态。 耐磨性和相对耐磨性：材料的耐磨性是指一定条件下材料耐磨性的特性；相对耐磨性是指两种材料在相同的外部条件下磨损量的比值。 微切削和微犁沟：微切削是磨料(磨粒或硬突起)从被磨损表面切削下微切屑的磨料磨损过程；在相对滑动中，硬颗粒或两表面中硬微突体使较软表面塑性变形而形成犁痕式的破坏。 问答题 1.简述摩擦的概念和分类。 摩擦：两个相互接触的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，就会发生摩擦。 摩擦学：摩擦学是研究相对运动互作用表面的科学与技术，它包括材料的摩擦、磨损和润滑三个部分。 分类： (1)按摩擦副表面的润滑情况分： 干摩擦：物件间或试样间不加任何润滑剂时的摩擦。 边界摩擦：两接触表面间存在一层极薄的润滑膜，其摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑特性。 流体摩擦：由流体的黏滞阻力或流变阻力引起的内摩擦。 半干摩擦：部分干摩擦，部分边界摩擦。半流体摩擦：部分边界摩擦，部分流体摩擦。 (2)按摩擦副的运动形式分： 滑动摩擦：当接触表面相对滑动或具有相对滑动趋势时的摩擦。 滚动摩擦：当物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦。
.2 电磨损试验装置的研制 2.1 试验装置研制背景 电刷是电机中极为重要的部件, 它在电机的固定部件与旋转部件之间传导电流, 在直流电机或交流整流子电机中还起换向作用。现代工业要求电机朝高速、小型化方向发展, 这就要求电刷工作电流大、磨损速率小、摩擦系数小、具有高的比强度、比模量和良好的润滑耐磨性, 一定的导电、导热性, 而在各类耐磨、减磨材料中得到应用。但目前国内外有关金属基复合材料摩擦磨损性能的研究, 大都在机械磨损条件下进行的,施加的摩擦压力很大，对通电状态下的电磨损, 特别是电流强度变化对电刷耐磨性的影响和小压力工作条件下磨损的研究报道较少。考虑到电刷的实际工作状况,本文将制得的银一石墨复合材料电刷, 在模拟电机实际工作条件下, 研究复合电刷材料在不通电的纯机械磨损和通人不同电流强度的电磨损条件下的磨损性能, 并对其电磨损机理进行了初步探讨。 2.2 试验装置整体构造和原理 2.2.1 试验装置结构特点 2 4 7 8 6 5 3 1 1.对磨环 2.对磨环螺母 3.电刷支架 4.刷握 5.电刷 6.施压弹簧 7.支架螺母 8.导线 图1 磨损实验装置结构原理示意图
9 9.底座 图2 磨损试验装置结构结构示意图 电磨损实验装置主要由动力系统、磨损测试系统、电刷支架固定及加载系统组成，其结构原理示意图如图1，2所示。 如图采用的电磨损实验装置系统主要包括以下几大部分： (1) 动力系统 采用三项异步电动机作为动力装置，型号为JW-5024,功率为60W,标准工作电压380V,额定工作电流0.33A，频率50Hz，绝缘等级为E级，转速为1400转/分。 (2) 电刷支架固定系统及加载系统 如图2所示，u行铁片与电机底座用螺丝固定，电机底座采用球墨铸铁，目的就是为了减少电机的震动，增加工作稳定性和可靠性，降低工作噪音。 (3) 磨损测试系统 主要由电刷和对磨环构成，电刷与对磨环相接触（如图1所示），利用对磨环的转动，小弹簧对电刷施加压力，使电刷稳定磨损。
磨损特性曲线2 机械零件的磨损过程通常经历不同的磨损阶段，直至失效。如图给出典型的磨损特性曲线(浴盆曲线)： 图磨损特性曲线 图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率。通常在磨合期内，磨损率比较大，并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持不变。直至某一点，斜率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生。对于一些磨损过程，例如滚动轴承或齿轮中发生的表面疲劳磨损，开始时磨损率可能为零，当工作时间达到一定数值后，点蚀开始出现并迅速扩展，磨损率迅速上升，很快发展为大面积剥落和完全失效。 磨损阶段的描述： 1．磨合阶段(I阶段) 又称跑合阶段。新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度。在载荷作用下，由于实际接触面积较小，故接触应力很大。因此，在运行初期，表面的塑性变形与磨损的速度较快。随着磨合的进行，摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，表面应力减小，磨损减缓。 一个崭新的，即加工后未经摩擦的固体表面总具有一定的表面粗糙度和比较尖锐的微凸体尖峰，实际上两个表面之间通过微凸体进入真实接触的面积是很小的。在这些接触着的微凸体之间会产生很大单位面积接触压力，乃至超过材料的屈服强度，并造成微凸体材料的迁移，以及接触面之间的变形在局部微区产生很
高的温度，致使接触面发生熔焊，随即又由于表面之间的相对运动而被撕裂。同时微凸体在相对运动过程中也很容易发生碰撞、折断、划伤。因此在磨合阶段，摩擦副表面的磨损量迅速增加，并达到较高的磨损率。 另一方面由于加工和装配等工况原因，使接触表面之间的间隙不均匀，从而难以形成稳定的油膜，这时的润滑状态处于一种从边界润滑到混合润滑的过度；随着磨合阶段的结束，微凸体不断被磨平，促使它们之间的接触面积不断增大，而单位面积的接触压力随之减小，同时通过一定的磨损之后，摩擦副的间隙趋于均匀，油膜得以建立，即进一步向完全流体动力润滑过度；于是磨损率也随之减小，并向稳定磨损阶段过度。 磨合阶段的轻微磨损为正常运行、稳定运转创造条件。通过选择合理的磨合规程、采用适当的摩擦副材料及合理的加工工艺、正确地装配与调整，使用含有活性添加剂的润滑油等措施能够缩短磨合期。上述磨合阶段最好受到监控，以免造成过度的磨损或磨合不够的情况产生。 2．稳定磨损阶段（II阶段） 经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。它的特点是磨损量与时间成正比增加，间隙缓慢增大。 稳定磨损阶段此时磨损量趋于平缓地增加，而磨损率则由高过度到低，并维持在一个比较稳定的水平上，表明零件摩擦副表面之间已形成较为稳定的油膜，在润滑油充裕的工况下处于一种流体动力润滑状态。流体动力油膜的存在不仅在很大程度上避免了微凸体尖峰受力为大部分表面处于一种比较均匀的受力状态。这对于减小磨损是极为有利的。特别是当油膜厚度大大超过两个接触表面的粗糙度时，摩擦副处于完全流体动力润滑状态；这时微凸体之间几乎不接触，摩擦表面依靠油膜传递压力，故磨损量保持在一个非常低的水平上。稳定磨损阶段是机器设备的正常工作阶段，稳定磨损阶段的长短与机器的工况有关，也与磨合阶段的磨合质量有关。这是因为机器在启动或停止的过程中，也就是摩擦副流体动力油膜建立或消除的过程，其润滑状态也就从边界—混合—完全流体的
MM1000系列型摩擦磨损性能试验设备 由西安顺通机电应用技术研究所研制成功的我国最新型全自动化控制的惯性系列摩擦磨损性能试验机，己在国内的摩擦材料领域得到了普及应用和配置。 全自动控制的系列摩擦磨损性能试验机应用现代工业控制技术和计算机应用技术从主机的结构、动力源、采集值、测试技术、应用瞬间值的采集技术即提取同一瞬间的压力值和扭矩值计算出该瞬间的摩擦系数等相关的测试值，提高了测试数据的精度等级及准确性，实现了测试数据的可靠性和重复性。它集机、电、气技术和传感器技术、变频调速技术、现代工业控制技术、计算机应用技术为一体，成功的实现了摩擦材料性能测试自动化，涉入全部摩擦材料领域。在实现全自动控制的工艺过程时全部按照国标、行标、（企标）的工艺路线和模拟实际工况试验条件设置进行，制作出符合企业生产、科研院所、大专院校进行摩擦材料生产、研究、配方工艺、质量控制和新材料研制、开发的专业检测设备。应用现代先进的科学技术,提供科学的试验方法和准确的测试数据使该试验机具备了小样试验机和整片1：1台架试验功能。它保持了与产品工况的一致性，又保持了与台架试验的一致性。保持与路试、航试有稳定的对应关系，应用小样试验的跟踪工艺性强，满足了快速变化的试验步骤，为企业赢得了时间，节约了资金。 全自动控制的系列摩擦磨损性能试验机应用了小样缩比模拟制动惯性试验原理，建立了模拟制动的试验方法，应用了全自动控制技术，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能。应用了多元相似原理模拟实际工况完成了（惯性制动）热冲击刹车试验的功能. 该检测设备不但具备了髙速、髙压、低速、低压、变速、变压、变温等技术条件下的测试功能，完成了摸拟飞机、坦克、火车、汽车、轨道列车等重载大惯量等制动工况进行的摩擦材料的摩擦、磨损、热负荷、及可靠性的试验研究要求，以材料可承载的最大负荷完成各种试验项目和极限试验功能；对于全部试验参数的采集频率高、采集精度高、采集速度快、采集数量大都较之所有试验机、试验台无以比拟的，实现采控一体采集信号，能与计算机通讯完成数据的转存和试验机的监测系统。全系统在全自动控制实验过程中有安全警示、有过载保护能力，以专用控制程序完成全系统控制指令，试验参数任意设置，测试数据随机采集，测试软件参数完全放开可设置，试验曲线坐标随试验条件变化，在整亇制动曲线中反映出实验全过程绘制的七条曲线并记录其任一瞬间的压力、转速、扭矩、温度值，即可计算出这一状态下的.动、静摩擦力矩；动、静摩擦系数、；摩擦功、；
第18卷第5期高分子材料科学与工程V o l.18,No.5 2002年9月POLYM ER M ATERIALS SCIENCE AN D EN GIN EERING Sept.2002橡胶摩擦磨损特性的研究进展 吕仁国,李同生,刘旭军 (中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000) 摘要:综述了近年来橡胶材料摩擦学的研究进展,论述了橡胶摩擦磨损的特点,讨论了影响橡胶摩擦学性能的各种因素,诸如物理力学性能、温度、溶胀、改性等。并针对橡胶摩擦磨损的研究现状及其发展前景,提出了今后值得重视的研究发展方向。 关键词:橡胶;摩擦磨损;影响因素 中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2002)05-0012-04 橡胶是非常重要且用量很大的工业材料之一,据不完全统计,2000年我国橡胶总消耗量将达220万吨,摩擦学性能是橡胶制品的一项非常重要的指标,例如橡胶轮胎的耐磨性能、刹车性能和行车效率、密封件的耐磨性等[1]。提高橡胶制品的耐磨性和使用寿命,可以在节约能源、材料、润滑剂等方面带来相当可观的经济效益和社会效益。因此,许多学者对此产生兴趣[2],橡胶摩擦磨损研究成为当今材料摩擦学研究的热点之一。 本文概括了近年来国内外橡胶摩擦磨损的研究进展,重点对橡胶摩擦磨损的特点和影响因素进行论述,并提出今后值得重视的研究发展方向。 1 橡胶摩擦的特点 橡胶是一种弹性模量很低、粘弹性很高的材料,因此橡胶的摩擦具有不同于金属和一般聚合物的特征。橡胶与刚性表面在滑动接触界面上的相互作用力包括粘着和滞后两项,而其摩擦力也正是由这两部分组成[3]: F=F a+F h(1)式中,F a——粘着摩擦力;F h——滞后摩擦力。 粘着摩擦起因于橡胶与对偶面之间粘着的不断形成和破坏[4],滞后摩擦则是由表面微凸体使滑动橡胶块产生周期性变形过程中能量的耗散引起的[5]。 当橡胶在坚硬光滑的表面上滑动时,摩擦力主要表现为粘着摩擦,根据弹性体摩擦的粘着理论,可以得出粘着摩擦力F a为[6]: F a=K1S(E′/p V)ta n W (V<1)(2)式中,K1——常数;S——滑动界面的有效剪切强度;p——正压力;E′——储能模量;tan W——损耗角正切(粘弹性参数)。显然,橡胶的粘着摩擦与材料的损耗角正切ta n W成正比。 润滑剂的存在可以阻止橡胶与对偶间的直接接触,使粘着摩擦成分大大降低,滞后摩擦起主要作用。根据弹性体滞后摩擦的松弛理论,可得出滞后摩擦力为[6]: F h=K2(p/E′)n tan W (n≥1)(3)式中,K2为与几何形状因子有关的常数。滞后摩擦力也与ta n W成正比,所不同的是,滞后摩擦力与变形程度因子(p/E′)n成正比。由此,橡胶的摩擦力可表示为: F=[K1S(E′/p V)+K2(p/E′)n]tan W(4) 2 橡胶磨损的特点 金属和塑料磨损表面的特征是磨痕与摩擦方向平行,而橡胶磨损表面的磨痕却垂直于摩擦方向,并且,磨痕在橡胶表面形成山脊状突 收稿日期:2000-10-18;修订日期:2001-02-20 作者简介:吕仁国,男,24岁,硕士生.
摩擦磨损与耐磨材料 姓名：李英杰 班级：材控13-2 学号：201301021048
Cr—Mn-N奥氏体一铁素体不锈钢的空蚀 1、概述： （1）空蚀原理：抛光表面在空蚀气泡溃灭作用下产生空蚀凹坑，随后叠加并扩展，表面出现塑性变形，产生加工硬化和应力，但表面易发生塑性流变，对高应变速率不敏感，所以空蚀孕育期长，空蚀扩展较慢，抗空蚀性能较好。空蚀发生时材料表面会产生疲劳裂纹并向内部扩展，引发疲劳断裂和脱落，之后裂纹继续向材料内部扩展，导致进一步破坏。空蚀发生后表面粗糙度明显变大【1】。 （2）研究历程：为了减轻水轮机过流部件的空蚀损伤，过去的几十年里在材料科学与工程领域，人们一直致力于开发具有抗空蚀损伤高性能的新材料，其中从60 年代发展起来的 Cr-Ni—MO系不锈钢就具有比传统材料更好的抗空蚀性[l] 由于这些 Cr-Ni-Mo 系不锈钢含有较多稀缺的金属镍,成本很高，而且抗含沙河流中泥沙磨损的性能也不理想，故开发价格低廉 (无镍或低镍) 且性能优异的水轮机过流部件用不锈钢具有极其重要的实际意义．早在 2O 世纪 3O 年代初期一些国家就开始了Cr—Mn-N不锈钢代镍的探索性研究，并列入国家标准[2]．Cr-M n-N系列不锈钢在化工、石油以及制药等工业中如今已经部分代替Ni-Cr 不锈钢．为了降低现有水轮机用 Cr-Ni-Mo系不锈钢的成本和提高抗多相流损伤的性能，我国及国外的一些研究者也将目光转向了 Cr-Mn—N系列不锈钢，并开展了该类不锈钢的抗空蚀和冲刷腐蚀等多相流损伤的研究工作，已取得了一定的成果，展示了其作为水轮机用金属材料的良好前景[2,4-7]。 2、实验研究： 0Cr13Ni5M o不锈钢热处理工艺为 1000 ℃正火，500 ℃回火，组织为回火马氏体 Cr—Mn—N 奥氏体一铁素体不锈钢为锻后固溶态．根据两种钢材的化学成分和硬度． Cr—Mn—N奥氏体一铁素体不锈钢组织中铁素体体积含量为19％．实验设备为美国 M isonix 公司生产的 X12020 型超声振荡空蚀实验机，该设备的振动频率为20 kH z峰一峰振幅为60 m，试样的前端即受到空蚀破坏的表面直径为 19．1 m m ，试样的后端加工成螺纹，用来将试样固定在设备的变幅杆上．为了减轻腐蚀因素的影响，选择蒸馏水为实验介质．实验介质放在冷