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第六章材料的磨损性能一．本章的教学目的与要求本章通过对最常见的磨损方式及其机理的讨论，了解材料磨损的本质及其影响因素，以期从材料的角度研究与探索控制磨损的方法和提高材料耐磨性，以延长机件使用寿命。
二．教学重点与难点1.磨损的基本类型（难点）2.磨损过程（重点）3.耐磨性的测量方法（重点）4.提高耐磨性的途径（重点）三．主要外语词汇摩擦：friction 磨损：wear 粘着磨损：adhesive wear 磨粒磨损：abrasive wear 接触疲劳：contact fatigue 耐磨性：wear resistance四．参考文献1. 张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，20092.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，19953.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，19964.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，19945.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，19916. 张静.,纳米SiO2与玻璃纤维混杂增强聚酰胺6 复合材料[J].中国塑料，2010，24（7）：83-85的摩擦磨损性能研究五．授课内容第六章材料的磨损性能零件间的相对运动→摩擦→材料损耗破坏材料的磨损不仅直接影响零件的使用寿命，还会增加能耗，产生噪音和振动，造成环境污染，因此，研究材料的磨损过程及规律，提高材料的耐磨性，具有重要意义。
第一节磨损的基本概念及类型一、摩擦与磨损的概念1、摩擦摩擦是相互接触物体间的一种阻碍运动的现象摩擦力F = f·Nf—摩擦系数f静>f动N —接触法向压力2、磨损在摩擦的作用下，材料表面逐渐分离出磨屑而导致材料不断损伤的现象。
磨损的本质：材料表面局部变形和断裂，且这种变形与断裂是反复进行的，具有动态特征。
零件正常运行的磨损过程一般分三个阶段：A、跑合阶段（OA段）零件表面被逐渐磨平，实际接触面积不断增大。
材料表层产生应变硬化，磨损速率逐渐下降。
B、稳定磨损阶段（AB段）该段为一直线，斜率即磨损速率（常数），零件正常工作阶段，零件的寿命取决于该阶段。
C、剧烈磨损阶段（BC段）随着磨损量的增加，摩擦幅间隙增大，零件表面质量恶化（强化层磨穿），润滑膜被破坏，引起剧烈振动，磨损加剧，零件快速失效。
二、磨损的基本类型根据磨损面损伤和破坏的形式，将磨损分为：粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损麻点疲劳磨损磨损类型在一定条件下，可以相互转化如图，摩擦副相对滑动速度与磨损类型的关系：解决实际磨损问题时，要根据工作条件，确定磨损类型，才能采取有效措施，减少磨损。
第二节 磨损过程一、粘着磨损（咬合磨损） 1、产生原因材料表面某些接触点局部压应力超过屈服强度发生粘合，随后摩擦副相对运动时拽开（拉开）而产生的一种表面损伤磨损。
2、产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，以及接触应力大以及机械性能相差不大的摩擦副的滑动摩擦条件下。
3、磨损特征摩擦副表面产生大小不等的结疤，粘着点不断形成又不断破坏并脱落。
4、粘着磨损的两种形式a 、若粘着点结合强度低于两侧材料，则沿接触面剪断，磨损量较小，摩擦面较平滑，只有轻微擦伤（巴氏合金—钢的滑动摩擦）。
b 、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，结果，使软材料表面出现微小凹坑，硬材料表面形成微小凸起。
使得摩擦面变得粗糙，造成进一步 磨损（加剧磨损）。
这种软材料向硬材料表面逐渐转移积累，最终使不同材料之间的摩擦副滑动变成同种材料之间的滑动，加剧磨损，严重时产生咬死现象。
如，铅基合金轴瓦与钢轴之间会产生上述情况。
5、阿查得（J.F .Archard ）估算粘着磨损量的方法：设在法向力P 作用下，摩擦面上有n 个微凸体接触粘着。
接触面的真实面积为πd2/4，则n 个相同的接触点同时塑性接触时,法向力p单位滑动距离内出现的接触点数： N=n/d=4p/(3πσsc d 3)。
实际相对滑动中，软材料上被拉拽出半球的几率为K ，总拉拽出的磨损量W 可表示为：Hv 为软材料硬度，Hv ≈3σsc V’为接触点半球体积粘着磨损系数K 与接触压力的关系scdnp σπ342=6.影响粘着磨损的因素(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。
(2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨损也越严重。
反之，金属间互溶程度越小，晶体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较轻微。
滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。
在受力较小时，选用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。
滑动轴承就是这样的例子，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。
在受力较小时，选用金属与塑料配对都能减小粘着磨损。
(4)改善润滑条件(5)粘着磨损严重时表现为胶合7.粘着磨损失效举例二、磨粒磨损（磨料磨损、研磨磨损）1、定义是摩擦副的一方表面存在的细微凸起或接触面间存在硬质粒子时产生的磨损。
前者—两体磨粒磨损，如锉削过程。
后者—三体磨粒磨损，如抛光过程。
2、分类按磨粒受的应力大小：凿削式高应力碾碎式低应力擦伤式3、特征摩擦面上有擦伤或沟槽（犁沟）。
磨粒对摩擦副表面作用的力分法向力和切向力。
法向力在表面形成压痕；切向力推动磨料前进，产生浅长滑痕（切痕）。
4.磨料磨损的机制（1）微观切削（2）微观犁沟（3）微观断裂（剥落）5、磨粒切削磨损模型压力P将硬材料的凸出部分或磨粒（圆锥体）压入较软材料中p/πr 2=3σscp=3σsc πr 2=H v πr 2被切削下来的软材料体积，即为磨损量W ，可表示为W=r 2Ltgθ p=3σsc πr 2=Hπr 26.影响磨粒磨损的因素(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。
(2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。
H PL K PL W sc θπσθtan 3tan ≈=(3)材料自身的硬度及内部组织三、接触疲劳（滚动轴承、齿轮）1、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，局部出现片状或块状剥落的现象→表面疲劳磨损或麻点磨损。
2、特征接触表面出现许多痘状，贝壳状或不规则形状的麻坑（点）麻点剥落（0.1～0.2mm）浅层剥落(0.2～0.4mm)深层剥落(>0.4mm)接触疲劳与一般疲劳相似，只是裂纹形成过程长，而扩展阶段仅占总过程的很短时间。
接触疲劳的表面形貌3、接触应力的概念两物体相互接触时，在局部表面产生的压应力称为接触应力。
接触：点接触：滚珠轴承线接触：齿轮a、圆柱体的线接触应力设有两圆柱体，半径分别为R 1，R 2，长度为L ；未变形前两者是线接触，施加法向力P 后，因弹性变形成为面接触，接触面积为 2bL ，根据弹性力学，接触压应力σz 沿2b （宽度）呈半椭圆规律分布。
在接触面中心，压应力达到最大值:E 为综合弹性模量：21212E E E E E +=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-=2121max 212122max418.052.11R R R R L pE R R R R EL p b b y z z z σσσE 1，E 2—两圆柱的弹性模数实际接触应力是三向压应力σz 、 σx 、 σy ， b 、球体的点接触应力滚珠与轴承套圈之间的接触）223max 22max388.01R pE ax z z Z =-=σσσ最大切应力τyz45ºmax 发生在Z=0.786b 深处 τyz45ºmax =0.3 σmax以上为纯滚动时的值，若两接触物体既作滚动又有滑动，则应附加切向摩擦力，最大切应力分布如图:当摩擦系数f>0.2时，最大切应力位置移到材料表面，此时接触疲劳裂纹源也移到表面。
4、接触疲劳过程当最大切应力超过材料屈服强度时，便在此处引起塑性变形，经过多次循环作用后，裂纹便在此处产生（萌生）。
a、麻点剥落多发生在滚动+滑动场合，最大切应力位置移至表层,f>0.2，使表层材料累积损伤，结果在表层萌生裂纹。
在此后的循环中，润滑油反复挤入裂纹内形成油楔，使裂纹沿与滚动方向倾斜角小于45º方向扩展（滚动+滑动叠加）；滑动摩擦力越大，倾角越小，当裂纹扩展到一定深度后，裂纹与表层材料间犹如受弯曲的悬]臂梁被折断→形成0.1～0.2mm的痘状凹坑，即麻点剥落。
b、浅层剥落纯滚动或摩擦力很小,f<0.2时，由于次表层（0.5b～0.7b 深）承受着最大切应力，故此处萌生疲劳裂纹，并沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后垂直扩展至表面，形成盆状剥落凹坑（深0.2～0.4mm）。
c、深层剥落经表面强化的材料，若强化层深度不足，裂纹则起源于硬化层与非硬化层的过渡处（界面），造成沿硬化层的大块剥落。
因此，接触疲劳裂纹的形成与扩展是接触综合切应力高于材料接触疲劳强度的结果。
循环切应力的大小及分布是决定接触疲劳破坏形成的主要因素。
表面渗碳淬火试样实验表明：a 、当切应力/抗切强度>0.55时产生深层剥落（大块剥落）b、当切应力/抗切强度=0.5～0.55时，产生表层剥落和麻点剥落混合区。
c、当切应力/抗切强度<0.5时产生麻点剥落影响接触疲劳寿命的若干因素：接触疲劳寿命首先取决于加载条件，特别是载荷大小。
此外，还与许多其它因素有关，这里仅简叙其中若干有代表性的因素：1．非金属夹杂物2．马氏体含碳量3．剩余碳化物颗粒大小和数量第三节耐磨性及其测量方法一、材料的耐磨性1、耐磨性：是指材料抵抗磨损的能力。
2、耐磨性的表征方法：通常用磨损量表示，磨损量↓→耐磨性↑3、磨损量：用质量法或尺寸法衡量质量法：磨损前后的质量变化量（精密分析天平）尺寸法：磨损前后的表面法向尺寸变化比磨损量：单位摩擦距离，单位压力下的磨损量5、相对耐磨性：ε=标准试样的磨损量/被测样的磨损量6、磨损系数：1/ε二、磨损试验方法1、磨损试验实物试验：与实际情况相同（似），结果可靠，但周期长，单因素的影响，难以分析。
实验室试验：1）试样试验2）台架试验周期短，成本低，易于控制各影响因素，但结果不能直接反映实际情况。
2、实验室常用摩擦磨损试验机销盘式环块式往复运动式对滚式砂纸磨损式快速磨损试验机3、选择磨损试验方法的依据a、摩擦副运动方式：往复、旋转b、摩擦方式：滚动、滑动、复合c、试样形状：尺寸、载荷、速度、温度尽可能接近实际情况。
注意问题：磨损试验结果分散性大，应做多次（4～5次）试验，取平均值。
4.接触疲劳试验常用接触疲劳实验机止推式通过实验，测出σmax—N曲线（接触疲劳曲线），即最大接触压应力与断裂周次曲线。
