第八章 材料的摩擦与磨损性能
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摩擦磨损3.1概论3.2摩擦的基本理论3.3磨损的定义与类型3.4磨料磨损3.5粘着磨损3.6疲劳磨损3.7腐蚀磨损3.8微动磨损摩擦学的定义是研究作相对运动的相互作用表面及有关理论和实践的科学技术。
摩擦学包括摩擦、磨损和润滑三个分支,本章主要介绍摩擦和磨损。
摩擦与磨损是材料失效的三种主要形式(磨损、腐蚀和断裂)之一。
由于摩擦磨损是在相互接触和相对运动的固体表面进行的,因此接触体表面及其性能对摩擦磨损性能十分重要。
大量研究结果表面,摩擦副材料表面采用某种表面技术处理后,可使材料的摩擦磨损性能有显著的改善,可见表面工程与摩擦磨损之间的密切关系。
3.2.1 摩擦的定义和分类:当两个相互接触的物体在外力作用下产生相对运动或具有相对运动的趋势时,在接触面间产生的切向运动阻力称为摩擦力,这个阻力与运动方向相平行,这种现象称之为摩擦。
1按摩擦副的运动状态分类:静摩擦—物体沿另一物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称为静摩擦。
动摩擦—物体沿另一物体表面相对运动时产生的摩擦称为动摩擦。
2 按摩擦副的运动形式分类滑动摩擦—物体接触表面相对滑动时产生的摩擦称为滑动摩擦。
滚动摩擦—在力矩作用下,物体沿接触表面滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦。
3 按摩擦副表面的润滑状况分类纯净摩擦—摩擦表面没有任何吸附膜或化合物时产生的摩擦称为纯净摩擦干摩擦(无润滑摩擦)—在大气条件下,摩擦表面间名义上没有润滑剂存在时产生的摩擦称为干摩擦,或无润滑摩擦。
流体摩擦—相对运动的两物体表面完全被流体隔开时产生的摩擦称为流体摩擦。
当流体为液体时称为液体摩擦,流体为气体时称为气体摩擦。
流体摩擦时摩擦发生在流体内部。
边界摩擦—介于干摩擦和流体(润滑)摩擦之间的一种摩擦形式,摩擦表面间存在着一层极薄的润滑膜,这层润滑膜的存在使得边界摩擦较之干摩擦状态有很大改善。
但还不足以将两摩擦表面完全分隔开。
3.2.2 古典摩擦定律摩擦第一定律,摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关。
材料的磨损与摩擦性能评价磨损和摩擦性能评价是材料工程领域中非常重要的研究方向之一。
磨损是指材料表面因摩擦或其他力的作用而逐渐减少或丧失的现象,而摩擦性能则是指材料在与其他物体接触时,所表现出的摩擦特性。
本文将探讨材料磨损和摩擦性能评价的方法和意义。
一、磨损评价方法材料的磨损评价方法多种多样,下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 质量损失法质量损失法是一种直接测量材料质量变化的方法。
在实验中,首先测量材料的初始质量,然后通过与其他材料或固体表面进行摩擦,再次测量质量,并计算质量损失。
这种方法的优势在于直接、简便,能够准确反映材料的磨损程度。
2. 磨损剖面观察法磨损剖面观察法是通过对材料磨损表面进行显微镜等观察,来评价磨损程度的方法。
这种方法能够直观地观察到材料的磨损特征,如磨痕的长度、宽度和深度等,从而对磨损机制进行分析和评价。
3. 磨损体积法磨损体积法是通过测量磨损表面的体积来评价磨损程度的方法。
实验中,将磨损前后的材料表面进行三维扫描,并分析扫描数据,计算磨损体积。
与质量损失法相比,磨损体积法更能准确地描述磨损的形状,为磨损机理的研究提供更多数据。
二、摩擦性能评价方法材料的摩擦性能评价方法多种多样,下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 摩擦系数法摩擦系数法是一种通过测量材料在与其他材料或固体表面接触时的摩擦系数来评价摩擦性能的方法。
实验中,通过施加一定的力,使被试材料与摩擦体进行接触,并测量摩擦力和正压力,从而计算摩擦系数。
这种方法能够客观地反映材料在摩擦过程中的性能。
2. 表面形貌观察法表面形貌观察法是通过对材料表面形貌进行观察和分析,来评价摩擦性能的方法。
这种方法可以使用扫描电子显微镜等设备对材料表面进行观察,并分析表面的粗糙度、摩擦痕迹等特征,以评估材料的摩擦性能。
3. 摩擦磨损试验法摩擦磨损试验法是通过在实验条件下模拟材料的实际工作环境,测量和评价材料的摩擦性能。
这种方法可以模拟不同的工作条件,如不同的载荷、速度和温度等,从而更真实地反映材料的摩擦特性和磨损机制。
《材料性能学》课程教学大纲课程名称(英文):材料性能学(Properties of Materials)课程类型:学科基础课总学时: 72 理论学时: 60 实验(或上机)学时: 12学分:4.5适用对象:金属材料工程一、课程的性质、目的和任务本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课,内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。
力学性能以金属材料为主,系统介绍材料的静载拉伸力学性能;其它载荷下的力学性能,包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等;断裂韧性;变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能;摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。
物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质,各种影响因素,测试方法及应用。
通过本课程的学习,使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义,了解影响材料性能的主要因素,了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备,基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径,初步具备合理的选材和设计,开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前,学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求根据课程的性质与任务,对本课程提出下列基本要求:1.要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系,并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2.能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发,了解不同失效现象的微观机理,掌握工程材料(金属材料为主)各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法,明确它们之间的相互关系,并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3.掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素,熟悉其测试方法及其分析方法,初步具备有合理选择物性分析方法,设计其实验方案的能力。
三、课程内容及学时分配总学时72,课堂教学60学时,实验12学时。
热处理工艺对金属陶瓷材料的摩擦磨损性能和抗磨损性的调控热处理工艺对金属陶瓷材料的摩擦磨损性能和抗磨损性的调控摩擦和磨损是金属陶瓷材料在实际应用中不可避免的问题。
为了提高金属陶瓷材料的摩擦磨损性能和抗磨损性,热处理工艺是一种有效的手段。
通过热处理,可以改变材料的组织结构和性质,从而对其摩擦磨损性能和抗磨损性进行调控。
热处理工艺主要包括退火、淬火和回火等步骤。
退火是通过将金属陶瓷材料加热到一定温度,保温一段时间后缓慢冷却,使其组织结构发生变化,从而改善其摩擦磨损性能和抗磨损性。
通过退火处理,材料的晶粒尺寸得以增大,晶界和晶内的析出相也得到经过改善,从而提高材料的硬度、强度和韧性,使其具有更好的耐磨性。
淬火是将金属陶瓷材料加热到一定温度,然后迅速冷却,使其组织结构发生相变,从而提高材料的摩擦磨损性能和抗磨损性。
通过淬火处理,材料的组织结构由粗大的晶粒转变为细小而均匀的马氏体,增加了材料的硬度和强度。
此外,淬火还能通过消除材料内部的应力和变质组织等缺陷,提高材料的耐磨性和抗磨损性。
回火是在淬火后,将金属陶瓷材料再次加热到一定温度,保温一段时间后进行冷却,以调控其摩擦磨损性能和抗磨损性。
回火可以减轻淬火带来的脆性和应力集中现象,并使材料恢复原有的韧性和延展性。
通过合理的回火工艺,可以使金属陶瓷材料达到最佳的摩擦磨损性能和抗磨损性。
需要注意的是,热处理工艺对金属陶瓷材料的调控需要综合考虑材料的组成、制备工艺和使用环境等因素。
不同的金属陶瓷材料具有不同的组织结构和性质,对热处理工艺的响应也有差异。
因此,在进行热处理之前,需要对材料进行详细的分析和测试,制定相应的热处理工艺。
总之,热处理工艺是调控金属陶瓷材料摩擦磨损性能和抗磨损性的重要手段。
通过退火、淬火、回火等工艺的组合应用,可以调整金属陶瓷材料的组织结构和性质,从而实现对其摩擦磨损性能和抗磨损性的精确调控。
在实际应用中,需要根据具体情况选择合适的热处理工艺,以获得最佳的摩擦磨损性能和抗磨损性。
材料的耐磨和摩擦学材料的耐磨性和摩擦学是研究物质表面和界面的摩擦、磨损和润滑行为的重要科学领域。
在工程和科学领域中,我们经常面对材料在摩擦和磨损环境下的性能要求。
因此,了解材料的耐磨性及其与摩擦学之间的关系对于开发新材料、改进工程设计以及提高设备和产品的寿命至关重要。
一、耐磨性的定义和测试方法耐磨性是指材料在受到摩擦和磨损作用时能够维持其功能性能的能力。
不同材料因其组成和结构的不同,其耐磨性也会有显著差异。
衡量耐磨性主要通过磨损测试来进行,常用的测试方法包括滑动磨损试验、磨料磨损试验以及交互磨损试验等。
这些试验方法能够模拟不同工况下的摩擦和磨损行为,以评估材料的耐磨性能。
二、摩擦学的基本原理摩擦学是研究物体之间相对运动时所产生的摩擦力和摩擦现象的学问。
摩擦力是指两个物体相对运动时产生的抵抗运动的力,其大小受到材料表面性质、载荷、速度等多种因素的影响。
摩擦学的基本原理可以通过考虑材料之间的接触、摩擦和变形来解释。
表面粗糙度、润滑、界面接触的方式以及材料的硬度等因素都会对摩擦行为产生影响。
三、影响耐磨性的因素耐磨性能的好坏受到很多因素的影响,包括材料的硬度、表面粗糙度、润滑状况、载荷、温度等。
硬度是衡量材料耐磨性的重要参数,材料的硬度越高,其抗磨损性能通常也越好。
表面粗糙度对于摩擦行为和磨损的影响也非常显著,较光滑的表面能够减少材料之间的物理接触,从而减少摩擦力和磨损。
此外,润滑剂的使用和界面的润滑状态也会对材料的耐磨性能产生显著影响。
四、改善耐磨性的方法针对不同材料和工况,我们可以采取一些措施来改善材料的耐磨性能。
首先,可以通过选择合适的材料来满足特定的摩擦和磨损要求。
例如,在需要高耐磨性的装备部件中,常使用硬度高、耐磨性好的材料如陶瓷、金属基复合材料等。
其次,可以通过调整材料的表面粗糙度、润滑剂的选择以及改变载荷和温度等来改善材料的耐磨性能。
此外,利用表面涂层和热处理等方法也可以提高材料的耐磨性能。
纳米涂层材料的摩擦磨损性能研究摩擦磨损是各种工程装置以及机械设备在运行过程中难以避免的现象。
为了保证机械设备的长期运行和降低维护成本,研究人员一直致力于开发新型涂层材料,以提高材料的摩擦磨损性能。
而纳米涂层材料由于其独特的性能和结构,成为当前研究的热点之一。
纳米涂层材料是指厚度在纳米量级的涂层材料,其粒子的粒径通常小于100纳米。
相比传统的涂层材料,纳米涂层材料具有更高的硬度和更好的耐磨性,这使得它们在摩擦磨损场合中表现出色。
首先,纳米涂层材料具有很强的硬度和刚性。
纳米颗粒的小尺寸和高比表面积使得纳米涂层材料具有优异的力学性能。
在摩擦磨损过程中,纳米涂层的硬度可以对抗外界应力,阻止材料表面的微观塑性变形,从而减少摩擦磨损。
此外,由于纳米涂层具有较高的刚性,其表面形貌变化较小,摩擦系数也相对较低。
其次,纳米涂层材料具有优异的润滑性能。
纳米颗粒的细小尺寸使得纳米涂层在其表面形成了较为光滑的纳米结构。
这种微观结构可以存储大量的润滑油,形成有效的润滑膜,减少表面间的直接接触,从而降低了摩擦磨损。
另外,纳米涂层具有较高的分散性,能够在喷涂或者电化学沉积过程中均匀地分布在基材表面,提高涂层的光滑度和润滑性。
第三,纳米涂层材料具有优异的耐磨性。
纳米涂层的微观结构可以有效地阻碍摩擦磨损粒子的运动,并且降低表面的摩擦热量和机械破坏。
此外,纳米涂层的高硬度和刚性也能够抵抗外界物理和化学侵蚀,提高涂层的使用寿命和稳定性。
纳米涂层材料的研究和应用涵盖了广泛的领域,如汽车工业、航空航天、电子设备等。
以汽车工业为例,纳米涂层材料可以应用在发动机缸套、活塞环以及传动装置等关键部件上,提高汽车发动机的效能和寿命,降低能源消耗和环境污染。
在航空航天领域,纳米涂层材料能够提高飞机发动机的涡轮叶片耐腐蚀性和耐磨性,延长其使用寿命,同时减少维护和更换的频率。
然而,纳米涂层材料的研究和应用还面临一些挑战。
首先,纳米涂层的制备工艺和涂层厚度的控制较为复杂,因此需要在制备过程中精确控制实验条件,以获得具有高质量和充分性能的纳米涂层。
第一章一、解:1.滞弹性:在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹性应变的现象, 称为滞弹性。
2. 塑性:在给定载荷下,材料产生永久变形的特性。
3•解理台阶:解理裂纹与螺型位错相交形成解理台阶。
4. 河流状花样:解理裂纹与螺型位错相遇后,沿裂纹前端滑动二相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶足够大时,便成为河流状花样。
5. 强度:材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
二、解:1.E :弹性模量。
2. d 0.2 :屈服强度3. b b :抗拉强度4. £ :条件应变或条件伸长率。
三、解:由d m= ( E Y s/ao)?得:丫s= d m2 • ao/E ①将代入d c= (2E • 丫s/ JI a)?=d m- ( 2*ao/刃*a)=504MPA.四、解:由题中所给式子知:⑴:材料的成分增多,会引起滑移系减少、孪生、位错钉插等,材料越容易断裂;⑵:杂质:聚集在晶界上的杂质越多,材料越容易断裂;⑶:温度:温度降低,位错摩擦阻力越大,所以材料越容易断裂;⑷、晶粒大小:晶粒越小,位错堆积越少,晶界面积越大,材料韧性越好,所以不容易断裂;⑸、应力状态:减小切应力与正应力比值的应力状态都会使材料越容易断裂;⑹、加载速率:加载速率越大,材料越容易断裂五、解:两者相比较,前者为短比例式样,后者为长比例式样,而对于韧性金属材料,比例试样尺寸越短,其断后伸长率越大,所以 d 5大于d 10.第二章作业题1应力状态软性系数:按“最大切应力理论”计算的最大切应力与按“相当最大正应力理论”计算的最大正应力的比值。
2缺口效应:截面的急剧变化产生缺口,在静载荷作用下,缺口截面上的应力状态将发生变化,产生缺口效应,影响金属材料的力学性能。
3布氏硬度:用一定直径的硬质合金球做压头,施以一定的试验力,将其压入试样表面,经规定保持时间后卸除,试样表面残留压痕。
HBW通过压痕平均直径求得。
材料的磨损性能及试验知识详解磨损是由于机械作用、化学反应(包括热化学、电化学和力化学等反应),材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。
磨损是发生在物体上的一种表面现象,其接触表面必须有相对运动。
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。
一、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、机床主轴轴承磨损等;2、降低机器的效率,消耗能量,如柴油机缸套的磨损等;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。
磨损曲线跑合阶段: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;稳定磨损阶段: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;剧烈磨损阶段: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。
二、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。
磨损量分为长度磨损量W l、体积磨损量W v、重量磨损量W w。
耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。
耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数。
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=W A/W B磨损比用于度量冲蚀磨损过程中的磨损。
(磨损比=材料的冲蚀磨损量/造成该磨损量所用的磨料量)三、磨损的类型磨损按磨损机理可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、微动磨损,按环境介质可分为干磨损、湿磨损、流体磨损。
1、粘着磨损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。
磨损过程:粘着→剪断→转移→再粘着。
第七章1、磨损:机件表面相接处并作相对运动时,表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑,使表面材料逐渐流失、造成表面损伤的现象。
2、粘着:摩擦副实际表面上总存在局部凸起,当摩擦副双方接触时,即使施加较小载荷,在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。
倘若接触面上洁净而未受到腐蚀,则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。
(实际上就是原子间的键合作用)3、磨屑:松散的尺寸与形状均不相同的碎屑????4、跑合:摩擦表面逐渐被磨平,实际接触面积增大,磨损速率迅速减小。
5、咬死:当接触压应力超过材料硬度H的1/3时,粘着磨损量急剧增加,增加到一定程度就出现咬死现象。
6、犁皱:指表面材料沿硬粒子运动方向被横推而形成沟槽。
7、耐磨性:材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力8、冲蚀:流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击。
9、接触疲劳:机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时,在交变接触压应力长期作用下,材料表面因疲劳损伤,导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而是材料流失的现象。
10、是比较三类磨粒磨损的异同,并讨论加工硬化对它们的影响?⑴凿削式磨粒磨损:从表面上凿削下大颗粒金属,摩擦面有较深沟槽。
韧性材料——连续屑,脆性材料——断屑。
⑵高应力碾碎性磨粒磨损:磨粒与摩擦面接触处的最大压应力超过磨粒的破坏强度,磨粒不断被碾碎,使材料被拉伤,韧性金属产生塑性变形或疲劳,脆性金属则形成碎裂式剥落。
⑶低应力擦伤性磨粒磨损:作用于磨粒上的应力不超过其破坏强度,摩擦表面仅产生轻微擦伤。
11、试述粘着磨损产生的条件、机理及其防止措施?条件:在滑动摩擦条件下,当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。
机理:摩擦副实际表面上总存在局部凸起,当摩擦副双方接触时,即使施加较小载荷,在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形。
倘若接触面上洁净而未受到腐蚀,则局部塑性变形会使两个接触面的原子彼此十分接近而产生强烈粘着。