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材料性能学课件第六章 材料的磨损性能

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第六章 高分子材料的磨损性能

第六章 高分子材料的磨损性能

CH3
CH3 CH2 C O + CH CH
高分子材料性能学
HC CH2 CH2 C O O
CH3
异构化
25
高分子材料性能学
摩擦力作用下，交联橡胶的中S-S交联键断裂， 并与氧作用
CH3 H
CH2 C CH C
S
+ O2
CH3 H
CH2 C CH C
SOO
表面层的氧化降解和热降解，降低了强度性能， 加速了磨损
19
高分子材料性能学
(2).载荷
正压力较低时摩擦系数随增压力增加而减小； 正压力较高时，摩擦系数变化不大
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(3).滑动速度与温度
PE
硅橡胶
PS PMMA
尼ห้องสมุดไป่ตู้66
高分子材料性能学
21
(4).摩擦环境的影响
高分子材料性能学
摩擦环境决定了摩擦形式和磨损程度
干摩擦是两个完全干净表面间的摩擦，摩擦系数很大
湿摩擦是两摩擦表面间存在水或润滑剂等液体的摩擦， 摩擦系数较低，磨损率也较低
摩擦过程中高分子材料与周围介质发生化学反应而产生 的表面损伤称为侵蚀磨损，包括氧化磨损和特殊介质磨损
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高分子材料性能学
（5） 填充的影响 在高分子材料中填充一些能降低摩擦系数的液态或固 态的润滑材料，可以有效的降低材料的摩擦系数。
耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示。 磨损量愈小，耐磨性愈高。 磨损量的测量有称重法和尺寸法两种：
称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化 确定磨损量。
尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。
17
高分子材料性能学
比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量
第六章 材料的磨损性能

第六章 材料的磨损性能


作业：
P122 1、 2、3、5、6题
粘着磨损的特征：在机件表面形成大小不等待结疤。
粘着磨损形成过程：三个阶段循环
a) 粘着：接触面凸起处接触,局部σ>σs,因塑性变形碾 平,界面双方原子强烈粘着(冷焊) ； b) 剪断：在摩擦滑动副较软一方远离界面发生断裂,从该 金属上脱落大碎屑,在转移到另一些金属面上； c) 脱落：粘在另一些金属上的碎屑在滑动过程中脱落(被 另一凸处剪脱)形成磨屑。
4）合理的表层硬度、深度和匹配的心部硬度： 15 20 齿轮一般渗碳最佳硬化层深度 t m （m:齿轮模 数）。心部硬度控制在35—40HRC 。 100 5）两摩擦副硬度匹配：两个接触滚体硬度匹配为：小齿 轮/大齿轮=1.4～1.7 6）合理选择表面硬化工艺：在表层一定深度范围内保存 残余压应力。 外部因素 1）表面粗糙度：减少表面冷热加工缺陷；通过精加工，降 低表面粗糙度。 2）提高接触机件的接触精度。 3）润滑：润滑油粘度高，麻点倾向小。
3.提高接触疲劳抗力的措施
内部（材质）： 1）非金属夹杂物：与基体接触 处的弹塑性变形不协调，引起应 力集中，往往成为裂纹源。 消除：采用电渣重熔，真空熔炼， 添加活性元素净化； 2）合理的成分：相同碳化物状 态下，碳含量0.4-0.5%时，寿命 最高。 3）热处理组织形态：承受接触应力的机件，常采用高碳钢 或渗碳钢淬火，以获最佳表面硬度。此时应减小马氏体中碳 化物粒度并使粒状或球状均匀分布;使马氏体、残余奥氏体 量、未溶碳化物量最佳匹配：

标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
二．磨损试验方法
• 方法：实物试验、实验室试验. • 试验时应按摩擦副运动方式（往复、旋转）及摩 擦方式（滚动或滑动）确定试验方法。试样形状 大小，试验条件（速度、试验力、温度等）尽可 能接近服役条件。 • 试样数量要充足：磨损试验结果分散
材料力学性能第6章-材料的磨损性能

材料力学性能第6章-材料的磨损性能

材料科学与工程学院
5
二、磨损的基本类型
根据摩擦面损伤和破坏的形式，可分4 根据摩擦面损伤和破坏的形式，可分4类：粘着磨损、磨 摩擦面损伤和破坏的形式 粘着磨损、 料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳) 料磨损、腐蚀磨损及麻点疲劳磨损(接触疲劳)等。 • 磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同 磨损类型并非固定不变， 特性情况下，损伤机制会发生转化， 特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另 一种损伤机制。如图 一种损伤机制。如图6-2。 。
第六章 材料的磨损性能
了解磨损方式和材料磨损的本质及其影响因素， 了解磨损方式和材料磨损的本质及其影响因素，熟习磨损 机理，掌握控制磨损的方法和提高材料耐磨性的途径。 机理，掌握控制磨损的方法和提高材料耐磨性的途径。 主要内容: 磨损的基本概念及类型； 主要内容 磨损的基本概念及类型；磨 损 过 程；耐磨性及 其测量方法；提高材料耐磨性的途径。 其测量方法；提高材料耐磨性的途径。 重点：概念（摩擦、磨损、粘着磨损、磨粒磨损、接触 重点：概念（摩擦、磨损、粘着磨损、磨粒磨损、 疲劳、耐磨性) 疲劳、耐磨性)；提高材料耐磨损性的途径 难点：三种磨损产生的条件、磨损过程和表面损伤形貌； 难点：三种磨损产生的条件、磨损过程和表面损伤形貌； 金属接触疲劳的三种机理
当压力p不超过摩擦副材料硬度值 当压力p 1/3时 的1/3时，实验证实该式反映的规 律是正确的。 律是正确的。 但压力超过钢的屈服强度后， 但压力超过钢的屈服强度后，K值 ↑↑，磨损量也↑↑ ↑↑，磨损量也↑↑ ，造成大面 积的焊合和咬死， 积的焊合和咬死，整个接触表面发 生塑性变形， 生塑性变形，接触面积不再与载荷 成正比。钢的K 曲线见图6 成正比。钢的K-p曲线见图6-5。
材料性能学.ppt

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F=μp
• 摩擦的害处：磨损、消耗能量、降低机器性能。 • 摩擦的益处：行走、车辆制动等。
2020/2/1
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2、磨损
• 摩擦运动的结果是产生磨屑，即产生磨损。
• 磨屑的形成也是材料发生变形和断裂的过程。
• 材料的磨损过程除造成材料损失外，还将发生 一系列物理、化学状态的变化，如形变硬化（ 高锰钢履带）和摩擦热引起的相变（淬火钢中 的残余奥氏体转变为马氏体）等。这些变化将 影响材料的摩擦磨损性能。
• 切向摩擦力与压应力共同作用在接触区域上，使 应力分布相应改变，最大切应力的位置将向表面 移动。当摩擦系数>0.2时，最大切应力的位置将 移到材料接触表面，因此接触疲劳裂纹的产生地 也将移到零件表面。
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3、接触疲劳过程
接触疲劳
• 当最大切应力大于材料剪切疲劳强度时，在长期 循环作用，裂纹便在该处形成。根据最大切应力 位置的深浅，接触疲劳分3类：
渗碳淬火试样试验表明：
• 切应力/抗剪切强度的比值大于0.55时，在过 渡区产生疲劳裂纹，出现大块剥落。
• 比值在0.5~0.55时，出现表层剥落和麻点剥落 的混合情况。
• 比值小于0.5时，则出现麻点剥落。
影响材料接触疲劳的因素： •除了加载条件外， •主要是材料因素， 如材料成分和组织状态，表面硬度与心部硬度或摩擦 副硬度匹配、硬化层深度、表面状态
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3、磨损的3个阶段：
• 跑合阶段：表面逐步磨平， 实际接触面积不断增大磨损 速率不断减小。
• 稳定磨损阶段：磨损量呈线 性，磨损速率为一定值。工 件服役阶段，跑合越好，磨 损速率越低。
• 剧烈磨损阶段：摩擦接触面 间隙增大，机件的振动加剧 ，润滑膜或保护层被损坏， 机件表面被恶化，磨损速率 迅速加大。
第六章 材料的断裂与磨损

第六章 材料的断裂与磨损


（2） 疲劳扩展区：裂纹亚稳扩展所形成的。 特 征：比较光滑并分布有贝纹线（海滩花样）， 有时还有裂纹扩展台阶。 贝纹线：平行弧线，间距不同；在裂纹源附近， 线条细密、扩展较慢；在远离裂纹处，线条稀疏、 扩展较快。 （3）瞬时断裂区：裂纹失稳扩展形成的。 特征：表面粗糙；脆性材料为结晶状，塑性材料 为纤维区。
（2）沿晶断裂： 裂纹扩展过程中裂纹沿晶界扩展。 宏观断口一般呈冰糖状，如晶粒很细小，断口 一般呈晶粒状。
二、韧性断裂 1. 宏观特征：断裂前发生明显宏观塑性变 形，缓慢的撕裂过程，裂纹扩展过程中消耗 能量。 2. 断口形貌：平行于最大切应力并与主应力 呈45o。断口呈纤维状，灰暗色。
3. 韧性断裂的微观特征：
4. 防止应力腐蚀断裂的方法 合理选材、减少或消除构件中的残余拉应力 以及改变介质条件。例如： • 接触氨的构件避免使用铜合金； • 在高浓度氯化物介质中，选用铁素体不锈钢； • 采用退火等方法消除内应力； • 设备设计安装时，采用不易产生应力的结构； • 在腐蚀介质中添加缓蚀剂等。
三、氢脆 1.定义 环境中氢和应力的共同作用而导致 金属材料产生脆性断裂的现象。 2.金属氢脆机理 （1）氢蚀 （2）白点 （3）氢化物致脆 （4）氢致延滞断裂
二、材料的韧性 1. 含义： 表示断裂前单位体积材料所吸收的 变形和断裂能，其大小就是拉伸曲线中 从应变开始到断裂前的面积。 包括三部分能量：弹性变形能、塑 性变形能和断裂能。
三、脆性-韧性转变 1.应力状态
切应力：促进材料的塑性变形，对塑性和韧性有利。 拉应力：促进材料的断裂，对塑性和韧性不利。
3. 疲劳条带的形成
Laird疲劳裂纹扩展模型
疲劳条纹的形成过程，可以用Laird模型来说明： 图(a) 交变应力为零，循环开始时裂纹处于闭合的 状态。 图(b)拉应力增加到所示值时，裂纹张开，且顶端沿 最大切应力方向产生滑移。 图(c)当应力增至最大值时，裂纹张开最大，相应的 塑性变形范围也随之扩大。由于塑性变形，裂纹顶 端钝化，应力集中减少。 图(d)当应力反向时，滑移方向也改变，裂纹表面被 压拢，到压应力为最大值时，裂纹便完全闭合，并 恢复到这一周次的开始状态如图(e)，但裂纹却扩展 了一个相当裂纹扩展速率数值的增量，而且裂纹扩 展主要是在拉应力的半周内产生的。
材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能

材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能

1、根据摩擦面损伤和破坏的形式，大致可分四类： a 粘着磨损(Adhesive Wear)：材料表面某些接触点局部压应力超 过该处材料屈服强度发生粘合并拉开而产生的磨损； b 磨粒磨损(Abrasive Wear)：摩擦副的一方表面存在坚硬的细微 凸起或在接触间存在硬质粒子时产生的磨损；如锉削、磨金相、 抛光等 c 腐蚀磨损(包括氧化、微动、浸蚀磨损)(Corrsion Wear)：在腐 蚀应用环境中摩擦表面与周围介质发生反应，在表面形成腐蚀 产物粘附不牢，摩擦中被剥落下来，新的表面又进一步发生反 应，产生磨损。 d 接触疲劳磨损(Rolling Contact Wear)：两接触材料作滚动或者 滚动滑动摩擦时，交变接触压应力长期作用使得材料表面疲劳 磨损，局部区域出现小片或者小块状材料剥落，而产生的磨损； 是齿轮、滚动轴承常见失效方式。
上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑 动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬 度）成反比，与表观接触面积无关
13
二、磨粒磨损特点和过程
1、特点： 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。 2
→疲劳破坏或脆性断裂 →产生沟槽。
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图6-4 磨粒磨损形貌
磨损方式、磨损机理、磨损本质、影响因素；提 高耐磨性途径；
2
Friction
This phenomenon is encountered whenever there is relative motion between contacting surfaces, and it always opposes the motion. As no mechanically prepared surfaces are perfectly smooth, when the surfaces are first brought into contact under light load, they touch only along the asperities (real area of contact). The early theories attributed friction to the interlocking of asperities; however, it is now understood that the phenomenon is far more complicated.
材料力学性能第6章-材料的磨损性能

材料力学性能第6章-材料的磨损性能

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。
还增加能耗，产生噪音、振动，造成环境污染。
材料科学与工程学院
2
第一节 磨损的基本概念及类型
一、摩擦与磨损的概念
1．摩 擦 两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对 运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍 作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。
深度在0.1～0.2mm的小块剥落称点 蚀，剥块形状为不对称V型针状或 痘状凹坑。
发生在兼有滚动和滑动
浅层剥落深度一般为0.2～0.4mm， 剥块底部大致与表面平行，裂纹沿 与表面成锐角或直角扩展。
纯滚动或摩擦很小
深层剥落深度与表面强化层深相当
(>0.4mm)，剥落时裂纹垂直于表面
扩展。
表面强化层深度不够
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7
根据粘着点与两侧材料强度的差异，粘着剪断可出现以 下两种形式： ①粘着点结合强度低于两侧材料
沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面显得较平滑，只有轻 微擦伤。锡基合金与钢的滑动属此类型。
②粘着点结合强剪断的材料将转移 到强度较高的材料上。
W＝ pLtan K pLtan
3 sc
H
(6-6)
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13
三、接触疲劳
1．现象与特征
接触疲劳概念: 两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，
交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤，局部区
域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的现象，
故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴承等
3）组织2:在基体为马氏体的组织中，减小碳化物粒度并使之 呈球状均匀分布，使基体中马氏体、残余奥氏体和未溶碳化 物量之间有最佳匹配，可最大限度地提高接触疲劳抗力。
第六章 高分子材料的磨损性能

第六章 高分子材料的磨损性能


高分子材料性能学
磨粒磨损示意 (金属与橡胶间）
13
p (3 sc )r 2 Hr 2
W r 2L tan
W PL tan PL tan
3 sc
H
高分子材料性能学
14
(3)疲劳磨损
在交变应力作用下，橡胶与 金属表面微凸接触点处受到周期 性变化的应力作用，在相对运动 中，刚性微凸使橡胶材料表面发 生多次压缩、拉伸、剪切变形， 当应力循环次数达到一定时产生 疲劳裂纹，进而 扩展形成磨屑。
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
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高分子材料性能学
6.4 影响高分子材料磨损的因素
(1).微观、细观结构
影响高分子材料次价力作用和粘弹损耗的因素 （组成、极性、柔顺性、结晶度、滞后损失和模量） 塑料摩擦系数低于橡胶 交联密度低，粘弹损耗大，摩擦系数和磨损增大 分子链柔性下降，磨损量下降 纤维增强复合材料，沿垂直纤维取向方向摩擦，磨 损率低；沿纤维取向摩擦，磨损率高
高分子材料性能学
疲劳磨损示意 (金属与橡胶间）
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(4)起卷磨损
橡胶与较光滑的表面摩擦时， 若表面具有较高的摩擦系数， 发生起卷模塑
是低模量、大变形的橡胶材料 特有的磨损形式 必要条件：摩擦界面--高摩擦系数
橡胶--低撕裂强度
高分子材料性能学
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高分子材料性能学
6.3 耐磨性及其测量方法
一、材料的耐磨性
高分子材料性能学
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耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示。 磨损量愈小，耐磨性愈高。 磨损量的测量有称重法和尺寸法两种：
称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化 确定磨损量。
尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。
材料性能与测试课件-第六章材料的磨损性能

材料性能与测试课件-第六章材料的磨损性能


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风阻：550公里/小时 轨道磨损
弓网：大电流下的摩擦磨损
5
水中航行体的主要能源和动力 被用来克服行进中的阻力，其中 摩擦阻力占最大成分(水下80%)； 对于诸如输油管道这类管道运输， 其能量几乎全部被用来克服流固 表面的摩擦阻力。
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卫星飞轮 轴承润滑油 耐磨轴承材料 稳定的微量供油技术 航空发动机 叶片和摩擦阻尼器
振动故障占发动机总故障的60%以上，而叶片的故障要 占发动机振动故障的70%以上
压气机盘与涡轮盘
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§目 录
§6.1 磨损的概念和类型 §6.2 磨损过程
§6.3 耐磨性指标及其测试 §6.4 提高耐磨性的途径 §6.5 补充：炭炭复合材料的磨损 补充：
8
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
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2、各种磨损类型可以发生转化。 、各种磨损类型可以发生转化。
图6-2 磨损类型转化
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§6.2 磨损过程
一、粘着磨损特点和过程
1、特点： 、特点： 机件表面有大小不等的结疤， 机件表面有大小不等的结疤， 2、发生条件： 、发生条件： 多发生在摩擦副相对滑动速度小;接触面 多发生在摩擦副相对滑动速度小 接触面 氧化膜脆弱;润滑条件差 润滑条件差; 氧化膜脆弱 润滑条件差 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 3、磨损过程： 、磨损过程： 表面接触的少量微凸体→产生很高的应 表面接触的少量微凸体 产生很高的应 图6-3 粘着磨损形貌和示意图 力 →发生塑性变形 形成粘着点 发生塑性变形→形成粘着点 发生塑性变形 →被剪断、拉开 转移到一方材料表面 被剪断、 被剪断 拉开→转移到一方材料表面 →脱落下来 形成磨屑。 脱落下来→形成磨屑。 脱落下来 形成磨屑 就是粘着点不断形成， 就是粘着点不断形成，又不断被破坏并脱 落的过程。 落的过程。
6-7第六和七讲 材料的其它力学性能-摩擦、磨损与蠕变

6-7第六和七讲 材料的其它力学性能-摩擦、磨损与蠕变


5.2 磨粒磨损-磨料磨损
根据磨粒所受应力大小分为： (1)低应力划伤式的磨料磨损-应力不超过磨 料压溃强度，材料表面被轻微划伤。 (2)高应力辗碎式的磨料磨损-磨料压溃。 (3)凿削式磨料磨损-磨料有冲击力，从表面 凿下较大颗料磨屑，如挖掘机斗齿。
金属表面 发生局部 塑性变形
磨粒嵌入金 属表面，切 割金属表面
功耗磨损温度局部烧毁磨损机理粘着磨损磨粒磨损腐蚀磨损微动磨损疲劳局部应力局部塑变碾平51粘着磨损咬合磨损转移脱落典型粘着磨损形貌举例内燃机中活塞环和缸套衬启动或停车换向及载荷运转不稳定或润滑条件不好几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时环和套之间易发生局部直接接触处于边界摩擦或干摩擦的工作状态易粘着磨损
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3. ４种滑动摩擦状态
干摩擦：表面无任何润滑剂或保护膜的纯接触摩擦。 →功耗↑ 磨损↑ 温度↑→局部烧毁
不允许出现干摩擦！
4. 磨损过程
5. 磨损机理
►粘着磨损 ►磨粒磨损 ►腐蚀磨损 ►微动磨损（疲劳）
5.1 粘着磨损-咬合磨损
局部应力
局部塑变， 碾平
转移，脱落
典型粘着磨损形貌
举例-内燃机中活塞环和缸套衬
1. 材料的摩擦与磨损
世界使用能源约1/31/2消耗于摩擦。减少无 用摩擦消耗，可大量节省能源。 易损零件，由于磨损超过限度而报废和更 换，控制和减少磨损既减少设备维修次数和费 用，又节省制造零件及其所需材料费用。
摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。
2. 摩擦的分类
内摩擦：物质内部发生的阻碍分子间相对运动现象。 外摩擦：相对运动物体表面间发生的相互阻碍作用。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间运动形式是相对滑动，常用。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动，高速、 高精度、重载。
材料的磨损性能

材料的磨损性能


粘着剪断的两种形式
1、若粘着点结合强度低于两侧材料,则沿接触面剪断,磨损 若粘着点结合强度低于两侧材料,则沿接触面剪断, 量较小,摩擦面显得较平滑,只有轻微擦伤。锡基合金与钢的 量较小,摩擦面显得较平滑,只有轻微擦伤。 滑动属此类型。 滑动属此类型。 若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时, 2、 若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时,分 离 面便发生在强度较弱的材料上, 面便发生在强度较弱的材料上,被剪断的材料将转移到强度 较高的材料上。使软材料表面出现微小的凹坑, 较高的材料上。使软材料表面出现微小的凹坑,硬材料表面 形成微小凸起,使摩擦面变得粗糙,造成进一步磨损。 形成微小凸起,使摩擦面变得粗糙,造成进一步磨损。如 铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。 铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。
4P 2 d PL PL K ⋅ ⋅ ⋅ L = K ⋅ = K⋅ 3 9σsc 3Hv 3πσscd 3 2
上式表明,粘着磨损量与接触压力 、滑动距离L成正比 成正比, 上式表明,粘着磨损量与接触压力P、滑动距离 成正比 与材料硬度值成反比。式中K值称为粘着磨损系数 值称为粘着磨损系数,反映配对 与材料硬度值成反比。式中 值称为粘着磨损系数 反映配对 材料粘着力大小,决定于摩擦条件和摩擦副材料 当压力P不 决定于摩擦条件和摩擦副材料。 材料粘着力大小 决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力 不 超过摩擦付材料硬度值的1/3时 实验证实该式反映的规律是 超过摩擦付材料硬度值的 时,实验证实该式反映的规律是 正确的。 正确的。
切削作用的磨粒磨损模型
磨粒磨损的估算
P=(3σsc) πr2=H⋅π r2
被切削下来的软材料体积，即为磨损量W 可表示为: 被切削下来的软材料体积，即为磨损量W，可表示为:

材料力学性能教学课件材料的摩擦与磨损性能


材料性质： 硬度、韧 性、耐磨 性等
载荷条件： 载荷大小、 载荷类型、 载荷频率 等
环境条件： 温度、湿 度、腐蚀 性等
润滑条件： 润滑剂类 型、润滑 剂用量、 润滑剂温 度等
材料表面 状态：粗 糙度、表 面缺陷等
材料加工 工艺：热 处理、表 面处理等
磨损性能的测试方法
磨损量测量：通过测量磨损 前后的尺寸变化来评估磨损 性能
测量方法：摩擦试验机、摩擦磨 损试验机等
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
影响因素：材料性质、表面粗糙 度、温度、湿度等
应用：机械设计、润滑剂选择、 磨损预测等
影响摩擦性能的因素
摩擦性能的测试方法
摩擦系数测试：测量材料表面的摩擦系数，了解其滑动和滚动性能 磨损测试：通过模拟实际使用环境，测量材料的磨损程度和寿命 润滑性能测试：测量材料在润滑条件下的摩擦性能，了解其润滑效果 温度影响测试：测量材料在不同温度下的摩擦性能，了解其温度适应性
疲劳磨损：材料表面在循环载 荷作用下产生的磨损
材料磨损的机理
磨粒磨损：磨粒与材料表面接触，产生摩擦和磨损
疲劳磨损：材料在循环载荷作用下，产生疲劳裂纹，导致磨损
腐蚀磨损：材料表面与腐蚀性介质接触，产生化学反应，导致磨损 微动磨损：材料表面在微动状态下，产生微小的塑性变形，导致磨 损
影响磨损性能的因素
06
提高材料摩擦与磨损性能的途径
表面涂层技术
涂层方法：采用喷涂、电镀、 化学沉积等方法
涂层材料：选择耐磨、耐腐 蚀、耐高温的涂层材料
涂层厚度：控制涂层厚度， 保证涂层的耐磨性和耐腐蚀
性
涂层性能：提高涂层的硬度、 耐磨性、耐腐蚀性等性能
表面处理技术

1-材料性能学(6-1,2,3,4)(精)


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磨粒磨损
• 磨粒磨损量的数学表达式为：
W= KpL/3πσsc ≈ KpLtanθ/Hv
式中：p为接触压力；L为滑动距离；θ为磨粒与摩 擦面的夹角，与磨粒形状有关；Hv为材料硬度； K为系数(与磨粒形状、取向等因素有关)。
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磨粒磨损 • 磨粒磨损的影响因素十 分复杂：基体材料的力 学性能（硬度与韧性） 、基体显微组织和磨粒 硬度等。 • 对金属材料来说，一般 材料硬度越高，抗磨粒 磨损性能就越好。
做对的事情比把事情做对更重要。
第六章 材料的磨损性能
河海大学机电工程学院
• 摩擦磨损是工程材料失效的主要因素之一 • 因机件的相对运动产生摩擦，导致磨损 • 摩擦→→磨损→→降低使用寿命、增加能耗、产 生噪音和振动、影响环境。
2018/9/19
2
本章主要内容
• 介绍材料摩擦磨损机理、摩擦磨损试验测试方 法以及提高材料摩擦磨损性能的主要途径。 • 重点要掌握材料摩擦磨损的机理和提高材料摩 擦磨损性能的主要途径。
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第一节
磨损的基本概念及类型
1、摩擦 • 机械零件的表面在显微镜下观察是高低不平的。 • 高低不平的两个接触面相对运动时，就产生阻力
• 接触物产生阻碍运动的现象就叫摩擦，阻碍运动 的力称为摩擦力。它与接触法向压力（p）和摩 擦系数（μ）的关系为： F=μp
• 摩擦的害处：磨损、消耗能量、降低机器性能。 • 摩擦的益处：行走、车辆制动等。
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第二节
磨损的基本过程
一、粘着磨损 • 凹凸不平的表面，少数微凸体的尖顶产生很高的 应力，超过屈服点而发生塑性变形。 • 若接触面上的油膜、氧化膜等保护膜被破坏，裸 露的凸体直接与对磨面接触，摩擦热使凸体与接 触的对磨材料直接熔合。 • 相对运动，使熔合点被拉开、脱落，形成磨屑。 • 新的凸体将成为新的粘着点，如此反复，使工件 不断磨损。 • 易发生条件：摩擦副相对滑动速度小，接触面氧 化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大…

第6章-金属材料的表面摩擦与磨损ppt课件


6.1 摩擦
4.2 边界摩擦 Boundary Friction 物理吸附膜 ✓ 矿物润滑油中常含有一些极性物质，其分子的一端是带有强电荷 的极性团，与金属表面亲和力强，在金属表面形成单层分子或多 层分子的吸附膜。 ✓ 因此, 摩擦发生在金属表面的极性分子的非极性端, 从而有效地 防止摩擦表面的直接接触, 减少了摩擦。
0-t1
t1-t2
t2-t3
时间
6.2 磨损
1. 磨损 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：
wf(x,s)
✓ 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
6.2 磨损
2. 粘着磨损 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。 ✓ 有两种粘着(焊合)：①冷焊粘着；②热局部焊合粘者 粘着磨损过程 ⑴ 载荷、速度小 ⑵ 载荷、速度较大 ⑶ 变形、断裂及材料转移 ⑷ 新粘着点产生
磨损指标: 磨损量指标：磨损量、磨损率
几何形状指标：平面度、圆度、圆柱度
✓ 平面度: 公差带是距离为公差值t 的两个平行平面之间的区域。 ✓ 圆度: 半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域。 轴颈的圆度误差
可以采用外径千分尺测量指定平面两个相互垂直的直径, 其半径差 就是圆度误差。

材料性能学(4)

一、摩擦与磨损的概念
1。摩擦 Ø 定义：摩擦是接触物体间的一种阻碍运
动的现象。 Ø 摩擦力： F ＝μ·p Ø 影响：降低工件的机械效率，加重材料
磨耗，力图减少摩擦。
2。磨损
Ø 定义：磨损是在摩擦作用下物体相对运动时， 表面逐渐分离出磨屑，使接触表面不断发生尺 寸变化与重量损失的现象。
Ø 引起磨损的原因：既有力学作用，又有物理和 化学作用。(a、表面材料的塑性变形引起的形 变硬化，且应力分布的改变；b、摩擦热引起 相变淬火、回火及回复再结晶；3）外部介质 产生的吸附和腐蚀作用)
Ø 定义：耐磨性是指材料抵抗磨损的性能。 Ø 磨损量的测量方法：称重法和尺寸法。 Ø常用磨损量的倒数或用相对耐磨性表征材料的耐磨性。
二、磨损试验方法
实物试验：结果可靠，周期长； 实验室试验：周期短，成本低，不能直接反映实际情况。
第四节 提高材料耐磨性的途径
一、减轻粘着磨损的主要措施
（1）合理选择摩擦副材料：互溶性少、粘着倾向小的材料配对。 （2）避免或阻止两摩擦副间直接接触：氧化膜稳定性好、且与基体结合牢
第六章 材料的磨损性能
— 材料性能学（四）
绪论
1。摩擦与磨损：任何一部机器在运转时，各机 件之间总要发生相对运动。当两个相互接触的机 件表面作相对运动（滑动，滚动，滚动＋滑动） 时就产生摩擦，有摩擦就必有磨损。
2。摩擦磨损的影响：① 浪费能源； ② 降低效率及精确度。
第一节 磨损的基本概念及类型
基体显微组织，磨粒硬度等。
三、接触疲劳
1。现象与特征 Ø 定义：接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动摩
擦时，交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤， 局部区域出现小片或小块状材料剥落，而使材料磨损的 现象。又称表面疲劳磨损，麻点磨损 Ø齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。
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生变形和断裂的结果，所以静强度的基本理论也 基本适用于磨损过程分析。所不同的是，磨损是 发生在材料表面的局部变形与断裂，这种变形与 断裂是反复进行的，具有动态特征。
力学因素之外，发生一系列物理、化学状态的变化。
该阶段随着表面被磨平，实际
接触面积不断增大，表层应变
随着磨损过程的增长，硬磨化耗，增磨损速率不断减小，表 加，摩擦副接触表面间面隙形增成大牢，固的氧化膜，也降低 机件表面质量恶化，润了滑该膜段破的磨损速率。 坏，引起剧烈振动，磨损重新
在磨损试验中，利用铁谱技术可以将金属 磨屑从润滑剂中分离出来，并按尺寸大小依次 沉积在透明的显微镜底片上，通过分析磨屑的 大小、数量和形貌，研究磨损过程。
6-21 接 触 疲 劳 试验机原理 （a）双面对滚式（b）单面对滚式 （c）止推式
接触疲劳极限的循环基数N0（转折点位置） 以不产生大量扩展性麻点为依据。
合作用的结果
图6-6 磨粒磨损表面形貌
磨粒磨损模型
PL tan PL tan
W
K
3 sc
H
此模型可得出：磨粒磨损量与接触压力、滑动 距离成正比，与材料硬度成反比，与硬材料凸 出部分或磨粒形状θ有关。
磨粒磨损影响因素
基体材料力学性能、 基体显微组织、 磨粒硬度
图6-8钢与铁的各种基体组织的耐磨粒磨损性
⑴若是低应力磨粒磨损，则应设法提高表面 硬度。选用含碳量较高，并经热处理获得马 氏体组织的材料。
⑵若遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，则 基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的贝 氏体。
⑶就合金钢面言，控制和改变碳化物数量、分 布、形态对提高抗磨粒磨损能力起着决定性影 响。如铬钢，消除基体中初生碳化物，并使其 均匀弥散分布，提高钢中碳化物体积分数，均 能显著提高材料的耐磨性。钢中适量残余奥氏 体组织能增加基体韧性，给碳化物以支承。受 摩擦时还能部分转变为马氏体组织，提高材料 硬度，从而提高其抗磨粒磨损能力。
粘着磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 接触疲劳（麻点疲劳磨损)
磨损类型的转化
磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材 料特性下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机 制变成另一种损伤机制。
图6-2 磨损量与滑动速度和载荷的关系
影响磨损的条件
外部条件比如：滑动速度、温度、润滑剂 类型等。
材料特性比如：材料与氧的化学亲和力以 及形成的氧化膜性质、材料的力学性能、 材料的耐热性等。
摩擦的分类：
按照两接触面运动方式的不同，可以将摩 擦分为：
①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物 体上滑动时产生的摩擦。
②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下， 沿接触表面滚动时的摩擦。
2. 磨损 磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面
逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。 在磨损过程中，由于磨屑的形成也是材料发
p
n
d 2
4
3
sc
图6-4 粘着磨损模型示意图
磨损量
W KNV ' L
K值称为粘着磨损系 数，反映配对材料粘 着力大小，决定于摩 擦条件和摩擦副材料。
4p K
3 sc d 3
• 2
3
•
d
3
•
L
K
•
pL
2
9 sc
pL K•
3HV
当压力p不超过摩擦 副材料硬度值的1/3时， K值基本上为不变。但 压力超过钢的屈服强度 后，K值急剧增大，磨 损量也急剧增加，造成 大面积的焊合和咬死。
副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间
存在硬质粒子（从外界进入或从表面剥落）时产
生的磨损。
依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为凿
削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式3类。
磨粒磨损的主要特征是摩擦面上 有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽
沟槽可能是因磨粒对 摩擦表面产生的微切 削作用、塑性变形、 疲劳破坏或脆性断裂 产生的，或是它们综
一、减轻粘着磨损的主要措施
⑴合理选择摩擦副材料。尽量选择互溶性 少， 粘着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、 电子密度、电化学性质相差甚远的多相或化合 物材料；强度高不易塑变的材料。
⑵ 避免或阻止两摩擦副间直接接触。增强氧 化膜的稳定性，提高氧化膜与基体的结合力； 降低接触表面粗糙度，改善表面润滑条件等。
PCCB 碳陶瓷复合刹车系统
1μm
超精细MT-TiCN，Al2O3和表面光滑的TiN涂层结构与良好韧性 的表面梯度合金基体结合，在具有良好抗磨损性能的同时，韧性 大大提高，适合于不稳定状态下钢、合金钢的半精到轻微粗加工。
细晶粒的硬质合金基体与纳米结构的TiAlN涂层结合， 耐热性好，适用于通用材料的加工，主推低合金钢。
图6-9 磨粒磨损相对耐磨性与材料硬度的关系
三、接触疲劳
1．现象与特征
(1)两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时， 交变接触压应力长期作用，使材料表面疲
劳损伤，局部区域出现小片或小块状材料剥 落，而使材料磨损的的现象。
故又称表面疲劳磨损或麻点磨损，是齿轮、滚动轴 承等工件常见的磨损失效形式。
(2)表面特征： 出现许多痘状、 贝壳状或不规则 形状的凹坑(麻坑)。 有的凹坑较深， 底部有疲劳裂纹 扩展线的痕迹。
→磨损机理；
→材料磨损的本质及其影响因素； →研究与探索控制磨损的方法和提高材料耐磨性的途径。
第一节 磨损的基本概念及类型
一、摩擦与磨损的概念 1. 摩擦
摩擦是接触物体间的一种阻碍运动的现象， 这种阻力为摩擦力。它同接触法向压力（p） 及摩擦系数μ成正比。
F= μ · p μ有动静之分，μ静>μ动。
接触应力的概念(赫兹应力)： 两物体相互接触时,在局部表面产生的压应力。
❖ 线接触应力：两接触物体在加载前为线接触 （如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触）。
❖ 点接触应力：两接触物体在加载前为点接触 （如滚珠轴承）。
线接触应力 z zmax 1 y2 / b2
且 b 1.52 pE ( R1R2 )
零件的磨损让我们付出了很多时间和金钱。
衣物的磨损
F1赛车的磨损现象
轮胎压痕(SEM 5000X)
摩擦痕迹(350X)
外壳有没有磨损的情况？ 你是怎么防护的啊？
防护
、摩擦的防护与运用
汽车制动器
＊减小零件使用时的磨损是我们学习材料磨损性能的最终目的。
1、机件间相对运动 →摩擦 →磨损。
2、研究对象： 最常见的磨损方式
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。
摩擦磨损
因机件间摩擦磨损要多消耗总能源的 1/3-1/2，并引起不少机件失效。磨 损每年给人类带来上千亿美元的巨额 浪费。
影响材料接触疲劳的因素除了加载条件 外，主要是材料因素，如材料成分和组织状 态，表面硬度与心部硬度或摩擦副硬度匹配、 硬化层深度、表面状态等。
第三节 耐磨性及其测量方法
一、材料的耐磨性 指材料抵抗磨损的性能，用磨损量表示。
磨损量的测量： 1、称重法：用精密分析天平称试样试验前后质量。 2、尺寸法：据表面法向尺寸在试验前后的变化。
⑶为使磨屑多沿接触面剥落，以降低磨损量。 可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺， 在材料表面形成一层化合物层或非金属层，既 降低接触层原子间结合力，减少摩擦系数，又 避免直接接触。为使磨损发生在较软方材料表 层，可采用渗碳、渗氮共渗、碳氮硼三元共渗 等工艺以提高另一方的硬度。
二、减轻磨粒磨损的主要措施
第二节 磨损过程
一、粘着磨损 粘着磨损又称咬合
粘合
磨损。是因两种材料表
面某些接触点局部压应
力超过该处材料屈服强
度发生粘合并拽开而产
生的一种表面损伤磨损。
碎块
其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤 图6-3 Al-Sn合金轴瓦的粘着磨损
❖ 粘着磨损多发生在摩擦副相对滑动速度小、 接触面氧化膜脆弱、润滑较差、接触应力大 的滑动摩擦条件下.
由于磨损试验结果很分散，所以试样数量要 充足，一般需有4～5对摩擦副，按试验数据的平 均值处理，分散度大时按均方根值处理数据。
Wear (mg h-1)
16
14
12
10864源自204060
80 100 120 140 160 180 200
Load (N)
Variations in wear vs. the load for PTFE composite coating (400 rpm)
有时还测量单位摩擦距离、单位压力下的 磨损量则称为比磨损量，常用磨损量的倒数或
用相对耐磨性（ε）表征材料的耐磨性。
标准试样的磨损量
被测样的磨损量
相对耐磨性的倒数亦称磨损系数。
磨损试验方法分为实物试验与实验室试验两 类。
实物试验的条件与实际情况一致或接近。因 而结果可靠性高，但试验周期长，又因结果是摩 擦副结构材料及其工艺等诸多因素的综合反映， 单因素的影响难以掌握与分析。
图6-5 粘着磨损系数K与接触压力的关系
影响粘着磨损的因素
脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高
金属性质越是相近,构成摩擦副时磨损 也越严重 摩擦速度一定时粘着磨损量随法相力 增大而增大 法相力一定时粘着磨损量随摩擦速度 的增加先增后减 表面粗糙度影响
三体磨粒磨损
二、磨粒磨损
两体磨粒磨损
磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损，是摩擦
加剧，机件快速失效。 该段的斜率就是磨损速率，为一稳 定值。实验室的磨损试验就是根据 该段经历的时间、磨损速率或磨损
图6-1 磨量损来量评与定时材间料的耐关磨系性示能意的图（。磨大损多曲数线） 工件均在此阶段服役，磨合得越好。 该段磨损速率就越低。
二、磨损的基本类型