七章-金属磨损和接触疲劳课件.ppt

1、1/1/20231第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳1/1/20232n磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因，磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至报废的原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。摩擦磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约磨损消耗能源的三分之一到二分之一，大约80%的机的机件失效是磨损引起的。件失效是磨损引起的。n因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能因此，研究磨损规律，提高机件的耐磨性，对节约能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。n本章重点讨

2、论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和本章重点讨论机件中常见的磨损形式，介绍其机理和影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损影响磨损速率的因素，并从材料学角度研究控制磨损的途径。的途径。1/1/20233第一节第一节 磨损概念磨损概念n一、磨损一、磨损n定义：定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤失，导致机件尺寸变化和质量损失，造成表面损伤的现象。的现象。n磨损的影响因素：磨损的影响因素：n摩擦副材料、润滑条件、加载

3、方式和大小、相对运摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动性（方式和速度）以及工作温度。动性（方式和速度）以及工作温度。1/1/20234 机件的正常磨损通常分为三个阶段：机件的正常磨损通常分为三个阶段：二、耐磨性二、耐磨性1/1/20235第二节第二节 磨损模型磨损模型n一、粘着磨损一、粘着磨损n 二、磨粒磨损二、磨粒磨损n 三、腐蚀磨损三、腐蚀磨损1/1/20236一、粘着磨损一、粘着磨损n磨损机理磨损机理n粘着磨损定义：粘着磨损定义：又称咬合磨又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于（钢小于1m/s）时发生的

4、。）时发生的。n这是由于缺乏润滑油，摩擦副表这是由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。点处屈服强度而产生的一种磨损。1/1/20237n摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双摩擦副表面上总存在局部凸起，当摩擦副表面双方相互接触时，即使施加较小载荷，在真实接触方相互接触时，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。面上的局部应力就足以引起塑性变形。n如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原如果接触面上洁净而未受到腐蚀，则接触面的原子彼此十分接近

5、而产生强烈粘着（冷焊）。子彼此十分接近而产生强烈粘着（冷焊）。n随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一随后在继续滑动时，粘着点被剪切断并转移至一方金属表面，然后脱落形成磨屑。方金属表面，然后脱落形成磨屑。n一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后一个粘着点断了，又在新的地方产生粘着，随后也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。也被剪断、转移，就构成了粘着磨损过程。1/1/20238右图是粘着点强度比摩擦副一右图是粘着点强度比摩擦副一方金属强度高的情况，方金属强度高的情况，此时常在较软一方体内产生剪此时常在较软一方体内产生剪断，其碎片转移至较硬一方的断，其碎片转移至较硬一方的表面上，表面上，

6、软方金属在硬方表面逐步累积软方金属在硬方表面逐步累积最终不同金属的摩擦副滑动成最终不同金属的摩擦副滑动成为金属间的滑动，为金属间的滑动，所以磨损量较大，表面较粗糙，所以磨损量较大，表面较粗糙，可能产生咬死现象。可能产生咬死现象。1/1/202392.磨损量的计算磨损量的计算n在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩强度近似为单向压缩屈服强度为单向压缩屈服强度sc的三倍。的三倍。n如果接触处因压应力很高，超过如果接触处因压应力很高，超过3sc产生塑性变形，随后因加工产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。硬化而使变形终止。n设接触点真

7、实面积为设接触点真实面积为A，接触压缩屈服强度为，接触压缩屈服强度为3sc，作用于表面，作用于表面上的法向力为上的法向力为F，则有：，则有：n假定磨屑为半球形，直径为假定磨屑为半球形，直径为d，任一瞬时有，任一瞬时有n个粘着点，所有粘个粘着点，所有粘着点尺寸相同，直径也是着点尺寸相同，直径也是d，则，则n所以所以1/1/202310n假设磨屑的形成机率为假设磨屑的形成机率为K，则单位滑动距离内的磨损，则单位滑动距离内的磨损体积为：体积为：n所以：所以：n积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离内的粘着磨损体积为：距离内的粘着磨损体积为：1

8、/1/2023113 影响因素影响因素n塑性材料比脆性材料易于粘着；塑性材料比脆性材料易于粘着；n互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；n单相金属比多相金属粘着倾向大；单相金属比多相金属粘着倾向大；n化合物比固溶体粘着倾向小；化合物比固溶体粘着倾向小；n金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副不易粘金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属组成的摩擦副不易粘着。着。n在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验在摩擦速

9、度一定时，粘着磨损量随法向力的增加而增加。试验表明接触应力超过材料硬度表明接触应力超过材料硬度H的三分之一，粘着磨损量急剧增加。的三分之一，粘着磨损量急剧增加。n在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但在法向应力一定时，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。达到某一极大值后又随滑动速度的增加而减小。n摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大摩擦副表面粗糙度、表面温度以及润滑状态对粘着磨损有较大影响。影响。1/1/202312n(1)摩擦副配对材料的选择摩擦副配对材料的选择n基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性基本

10、原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属小的材料配对，表面易形成化合物的材料、金属与非金属等配对。等配对。n(2)采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效采用表面化学热处理改变材料表面状态，可有效减轻粘着磨损。减轻粘着磨损。如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行如果沿接触面上产生粘着磨损，可进行渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。渗碳、磷化、氮碳共渗处理等。n(3)控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。大为减轻。改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属改善润滑条件，提高表面氧化膜与基体金属的结合

11、能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接的结合能力，以增强氧化膜的稳定性，阻止金属之间直接接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。接触，以及降低表面粗糙度等也都可以减轻粘着磨损。4 改善粘着磨损耐磨性的措施改善粘着磨损耐磨性的措施1/1/202313二、磨粒磨损二、磨粒磨损n1.磨粒磨损机理磨粒磨损机理n磨粒磨损是当摩擦副一方表磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。粒子时所产生的一种磨损。1/1/202314n主要特征是摩擦面上有明显犁皱主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽，

12、见右图。形成的沟槽，见右图。n在磨粒磨损时，对于韧性金属材在磨粒磨损时，对于韧性金属材料，每一磨粒从表面上切下的是料，每一磨粒从表面上切下的是一个连续屑；对于脆性金属材料，一个连续屑；对于脆性金属材料，一个磨粒切下的是许多新屑。一个磨粒切下的是许多新屑。n在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压碎前几乎没有滚动和切削的机会，碎前几乎没有滚动和切削的机会，所以磨粒对摩擦表面的作用是由所以磨粒对摩擦表面的作用是由于磨粒接触点处的集中压应力造于磨粒接触点处的集中压应力造成的，这种集中压应力可使韧性成的，这种集中压应力可使韧性材料表面产生塑性变形。材料表面产生塑性变形。n磨粒磨损过程可

13、能是磨粒对摩擦磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦表面的切削作用，塑性变形和疲表面的切削作用，塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映，还可能是它们综合作用的反映，而以某一种损害为主。而以某一种损害为主。1/1/2023152.磨损量的计算磨损量的计算n现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒现以两体磨粒磨损为例推导以切削作用为主要磨粒磨损量计算式：磨损量计算式：n根据此模型，在法向力根据此模型，在法向力F作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为作用下，硬材料的凸出部分或磨粒（假定为圆锥体）被压入软材料中。圆锥体）被压入软材料中。n当作用在一个凸

14、出部分上的力当作用在一个凸出部分上的力F除以凸出部分在水平面上投影接触面除以凸出部分在水平面上投影接触面积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停积等于软材料的压缩屈服强度时，则凸出部分或磨粒的压入就会停止下来：止下来：1/1/202316n凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积（图中阴影部分），也就是磨损量就是磨损量V：n所以所以n金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：金属材料的屈服强度与硬度成正比，所以上式又可写成：1/1/202317n(1)据实验，金属材料对磨粒据实验，金属材料对磨粒磨损的抗力与磨损的抗力与H

15、/E成比例，成比例，H为材料硬度。为材料硬度。n弹性模量对组织不敏感，所以弹性模量对组织不敏感，所以机件抵抗磨粒磨损的能力主要机件抵抗磨粒磨损的能力主要与材料硬度成正比。所以材料与材料硬度成正比。所以材料越高，其抗磨粒磨损的能力也越高，其抗磨粒磨损的能力也越好。越好。3.影响因素影响因素1/1/202318(2)断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性断裂韧度也影响金属磨粒磨损的耐磨性1/1/202319(4)加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不加工硬化对金属材料抗磨粒磨损的影响，因磨损类型不同而有不同同而有不同n在低应力擦伤性磨粒磨损时，加工硬化对材料的耐磨性没有在低应力擦伤性磨粒磨损

16、时，加工硬化对材料的耐磨性没有影响；影响；n在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。在高应力碾碎性磨粒磨损时，加工硬化能显著提高耐磨性。(3)细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所细化晶粒由于能提高屈服强度、硬度及静载塑性，所以也提高耐磨性以也提高耐磨性1/1/202320n在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损在磨粒硬度低于金属硬度的软磨粒磨损情况下，磨损机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。机理将会变化，所以耐磨性的影响因素也会发生变化。1/1/2023214.改善磨粒磨损耐磨性的措施改善磨粒磨损耐磨性的措施n(1)对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应

17、增加材料硬对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，这是提高耐磨性最有效的措施。度，这是提高耐磨性最有效的措施。n(2)根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应根据机件服役条件，合理选择耐磨材料，例如在高应力冲击载荷下，要选用高锰钢力冲击载荷下，要选用高锰钢Mn13，利用其高韧性和高，利用其高韧性和高的加工硬化能力，可提高耐磨性。的加工硬化能力，可提高耐磨性。n(3)采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效提高磨粒磨损耐磨性。也能有效提高磨粒磨损耐磨性。n(4)经常注意机件防尘和清洗，防止大于经常注意机件防尘和清洗，防止

18、大于1微米磨粒进入微米磨粒进入接触面，也是有效措施。接触面，也是有效措施。1/1/202322n在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成与脱落引起成与脱落引起腐蚀磨损腐蚀磨损。n腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着磨损或腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着磨损或磨粒磨损）共存，故又称磨粒磨损）共存，故又称腐蚀机械磨损腐蚀机械磨损。三、腐蚀磨损三、腐蚀磨损n1.氧化磨损氧化磨损n2.微动磨损微动磨损n3.冲蚀磨损（又称气蚀）冲蚀磨损（又称气蚀）

19、n4.特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损分类：分类：1/1/202323（一）氧化腐蚀机理（一）氧化腐蚀机理n大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作大气中的机件表面总有一层氧的吸附层，当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金力很大，导致产生塑性变形。塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成了氧化膜。属内部扩散，从而形成了氧化膜。n氧化腐蚀过程：氧化腐蚀过程：由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副由于形成的氧化膜强度低、在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥继续作相对运动时

20、，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随着又再被磨落，裸露出新表面，从而不发生氧化，随着又再被磨去。去。n如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损。n宏观特征：宏观特征：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。磨损产生为红褐色三氧化二铁或黑色四氧化三铁。1/1/202324氧化磨损的速率或磨损量的影响因素：氧化磨损的速率或磨损量的影响因素：n(1)摩擦副表面层对塑性变形的抗力；摩擦副表面层对塑性变形的抗力；n(2)氧在金属中的扩散速率；氧在金属中的

21、扩散速率；n(3)氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固氧化膜的性质和厚度以及氧化膜与基体结合的牢固程度；程度；n(4)摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、摩擦学参数，如接触压力、滑动速度、滑动距离、温度等。温度等。n氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于其它类氧化磨损不一定是有害的，如果氧化磨损先于其它类型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则氧化磨损是有型磨损（如粘着磨损）发生和发展，则氧化磨损是有利的。利的。1/1/202325（二）微动磨损机理（二）微动磨损机理n在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽在机器的嵌合部位和紧配合处，接触表面之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变

22、动载荷和振动然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和振动的影响下却能产生微小滑动。的影响下却能产生微小滑动。n这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。这种微小滑动是小振幅的切向振动，称为微动。n接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀。n特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的特征：接触区存在红色三氧化二铁粉末，铝件的磨损产物为黑色。磨损产物为黑色。1/1/202326n第一阶段：第一阶段：产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹产生凸起塑性变形，由此形成表面裂纹和扩展，或去除表面污物

23、形成粘着和粘着点断裂；和扩展，或去除表面污物形成粘着和粘着点断裂；n第二阶段：第二阶段：通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，通过疲劳破坏或粘着点断裂形成磨屑，磨屑形成后随即氧化；磨屑形成后随即氧化；n第三阶段：第三阶段：磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速磨粒磨损阶段，磨粒磨损又反过来加速第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。第一阶段，如此循环不已则构成了微动磨损。微动磨损过程有三个阶段：微动磨损过程有三个阶段：1/1/202327第三节第三节 磨损试验方法磨损试验方法n（1）实物试验）实物试验n（2）实验室试验）实验室试验n右图是销盘型试验机：右图是销盘型试验机：将试样加上试将试样加上试验力紧

24、压在旋转圆盘上，试样可在半验力紧压在旋转圆盘上，试样可在半径方向往复运动，径方向往复运动，n这类试验机可用来评定各种摩擦副及这类试验机可用来评定各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性润滑材料的低温与高温摩擦和磨损性能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。能，可做磨粒磨损和粘着磨损试验。1/1/202328n高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复高温高速销盘摩擦磨损试验机主要用于评定金属、非金属及复合材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、合材料等材料在各种条件下的摩擦磨损性能，可在改变温度、速度、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙速度、负荷、摩擦配偶材料、表面粗糙 度、硬度

25、等参数的各种度、硬度等参数的各种情况下进行试验，可测量材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机情况下进行试验，可测量材料摩擦温升、摩擦系数等值。该机适用于科学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、适用于科学研究、教学实验、质量监督、航空航天、钢铁冶金、塑料、陶瓷、建塑料、陶瓷、建 工建材、军工等领域。该机的标准为工建材、军工等领域。该机的标准为Q/01J042-2003MMS-1G高温高速销盘摩擦磨损试验机高温高速销盘摩擦磨损试验机。销盘式摩擦磨损试验机销盘式摩擦磨损试验机(MPX-2000型型)主轴转速范围主轴转速范围 60r/min 12000r/min主轴转速示值准确度主轴转速示值准确度

26、 在在 1000r/min 以下，示值误差不超过以下，示值误差不超过 2r/min，示，示值重复性误差不大于值重复性误差不大于 2r/min。在。在 1000r/min 以上，以上，示值相对误差不超过示值相对误差不超过 0.2%，示值重复性相对误，示值重复性相对误差不大于差不大于 0.2%。高温炉温度范围高温炉温度范围 室温室温 800；高温炉密封性能高温炉密封性能 在连续充入氮气（纯度在连续充入氮气（纯度 99.9%以上）的条件下，炉以上）的条件下，炉内氧气含量应能达到内氧气含量应能达到1%以下。以下。试验力范围试验力范围 75N450N1/1/202329n右图是环块型磨损试验机右图是环块

27、型磨损试验机n这种试验机可测定金属及非金属这种试验机可测定金属及非金属材料（如尼龙、塑料）在滑动状材料（如尼龙、塑料）在滑动状态下的耐磨性能：环形试样安装态下的耐磨性能：环形试样安装在主轴上，顺时针转动，块形试在主轴上，顺时针转动，块形试样安装在夹具上。样安装在夹具上。n通常试验后测量环形试样的失重通常试验后测量环形试样的失重和块状试样的磨痕宽度，分别计和块状试样的磨痕宽度，分别计算体积磨损以评定试验材料的耐算体积磨损以评定试验材料的耐磨性。磨性。1/1/202330MHK-500型环块磨损试验机型环块磨损试验机 应用领域：材料摩擦磨损性能测应用领域：材料摩擦磨损性能测试、对比、评定，测试结果

28、为摩试、对比、评定，测试结果为摩擦系数及磨损量数值。擦系数及磨损量数值。技术指标：技术指标：1.接触形式：线接触接触形式：线接触2.磨损方式：纯滑动磨损磨损方式：纯滑动磨损3.加载方式：砝码、杠杆加载加载方式：砝码、杠杆加载（杠杆比（杠杆比1:10）4.载荷范围：载荷范围：10Kg-500Kg5.主轴转速：主轴转速：100-1440转转/分，无分，无级调速级调速1/1/202331n右图为往复运动型试验机，右图为往复运动型试验机，n试样在静止平面上作往复运动，试样在静止平面上作往复运动，可评定往复运动的机件，如导可评定往复运动的机件，如导轨、缸套与活塞环等摩擦副的轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨

29、性。耐磨性。1/1/202332n本机试验拉链横向及纵向张本机试验拉链横向及纵向张力作用下，能否承受规定次力作用下，能否承受规定次数之往数之往 复拉动操作。复拉动操作。n试验时本机以等速带动拉链试验时本机以等速带动拉链之拉头，作每分钟之拉头，作每分钟30 次之往次之往复运动，至规定之次数为止。复运动，至规定之次数为止。n往复行程：往复行程：75mm n横向夹紧装置宽度：横向夹紧装置宽度：25mm n纵向夹紧装置总重：纵向夹紧装置总重：0.280.34kg HK-5022拉链往复试验机拉链往复试验机 1/1/202333n右图是滚子型磨损试验机：右图是滚子型磨损试验机：n主要用来测定金属材料在滑

30、主要用来测定金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动滑动摩擦、滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦及间隙摩擦情况动复合摩擦及间隙摩擦情况下的磨损量，下的磨损量，n用来比较各种材料的耐磨性用来比较各种材料的耐磨性能。能。1/1/202334n1、最大负荷：、最大负荷：2000Nn2、负荷测量范围：、负荷测量范围：0300N，3002000N n3、下试样轴转速：、下试样轴转速：400，200 转分转分n4、上试样轴转速：、上试样轴转速：360，180 转分转分n5、负荷刻度尺之分度值；、负荷刻度尺之分度值；0300N，10N格，格，3002000N，50 N格格 n6、摩擦力矩测量范围、摩擦力矩测量范围 015

31、牛顿牛顿.米米n7、上试样的轴向最大移动距离土、上试样的轴向最大移动距离土4毫毫米米 n8、双速电动机：、双速电动机：YD90S-4/2（1）三）三相，相，380V，50周秒周秒 n（2）转速）转速2880、1440 转分转分 n（3）功率）功率0.85、1.1 千瓦千瓦 n9、试验机外形尺寸：约长、试验机外形尺寸：约长970宽宽660高高ll00 毫米毫米 M-2000型型 摩擦磨损试验机摩擦磨损试验机 1/1/202335第四节第四节 金属接触疲劳金属接触疲劳n（一）接触疲劳现象与接触应力（一）接触疲劳现象与接触应力n接触疲劳定义：接触疲劳定义：n是机件两接触面作滚动或滚动加滑动是机件两接

32、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使区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象，又称物质损失的现象，又称表面疲劳磨损表面疲劳磨损或疲劳磨损或疲劳磨损。1/1/202336根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破根据剥落裂纹起始位置及形态不同，接触疲劳破坏分为：坏分为：n(1)麻点剥落（点蚀）麻点剥落（点蚀）n (2)浅层剥落浅层剥落n (3)深层剥落（表面压碎）深层剥落（表面压碎）1/1/202337二、接触应力二、接触应力n两物体相互接触时，

33、在表面上产生的局部压入应力称两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力称为接触应力，也称为赫兹应力。为接触应力，也称为赫兹应力。n按接触面初始几何条件不同，可分为按接触面初始几何条件不同，可分为线接触与点接触线接触与点接触。1/1/202338n线接触：线接触：n假设两圆柱体的半径分别为假设两圆柱体的半径分别为R1、R2，长，长l，未变形前两，未变形前两者为线接触，施加法向力后，者为线接触，施加法向力后，因弹性变形变为面接触，接因弹性变形变为面接触，接触面积触面积2bl。n据弹性力学分析，接触压应据弹性力学分析，接触压应力沿力沿y轴按半椭圆柱规律分轴按半椭圆柱规律分布，见右图，在接触中间布，

34、见右图，在接触中间（y=0）处，接触压应力达）处，接触压应力达到最大值，所以：到最大值，所以：1/1/202339n由上图可知，接触面有三向主应力，由上图可知，接触面有三向主应力，沿接触深度方向的分布如右图。沿接触深度方向的分布如右图。1/1/202340点接触：点接触：n施加法向应力后，视两接触物体施加法向应力后，视两接触物体形状不同，接触面可能是椭圆或形状不同，接触面可能是椭圆或圆，滚珠与轴承套圈接触，接触圆，滚珠与轴承套圈接触，接触面为椭圆，球与球或球与平面接面为椭圆，球与球或球与平面接触，接触面为圆。触，接触面为圆。n接触面为椭圆时，见右图，接触接触面为椭圆时，见右图，接触应力按半椭圆

35、球规律分布，且应力按半椭圆球规律分布，且n对于半径为对于半径为R的圆球和平面的点接的圆球和平面的点接触，按弹性力学计算，接触圆半触，按弹性力学计算，接触圆半径：径：1/1/202341三、接触疲劳破坏机理三、接触疲劳破坏机理n（一）麻点剥落（一）麻点剥落n表面接触应力较小、摩擦力较表面接触应力较小、摩擦力较大或表面质量较差（如表面有大或表面质量较差（如表面有脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂脱碳、烧伤、淬火不足、夹杂物等）地，易产生麻点剥落。物等）地，易产生麻点剥落。n前者因为表面最大综合切应力前者因为表面最大综合切应力较高，后者则是材料抗剪强度较高，后者则是材料抗剪强度较低引起的。较低引起的。1/1

36、/202342n（二）浅层剥落（二）浅层剥落n在接触应力反复作用下，塑性变形反在接触应力反复作用下，塑性变形反复进行，使材料局部弱化，遂在该处复进行，使材料局部弱化，遂在该处形成裂纹。形成裂纹。n裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所裂纹常出现在非金属夹杂物附近，所以裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表以裂纹开始沿非金属夹杂物平行于表面扩展，而后在滚动及摩擦力作用下面扩展，而后在滚动及摩擦力作用下又产生与表面成一倾角的二次裂纹。又产生与表面成一倾角的二次裂纹。n二次裂纹扩展至表面，另一端则形成二次裂纹扩展至表面，另一端则形成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而悬臂梁，因反复弯曲发生弯断，从而形成浅层剥落。形成

37、浅层剥落。1/1/202343（三）深层剥落（压碎性剥落）（三）深层剥落（压碎性剥落）n深层剥落的初始裂纹经常深层剥落的初始裂纹经常在表面硬化机件的过渡区在表面硬化机件的过渡区内产生，该处切应力虽不内产生，该处切应力虽不是最大，但因过渡区是弱是最大，但因过渡区是弱区，切应力可能高于材料区，切应力可能高于材料材料强度而在该处产生裂材料强度而在该处产生裂纹。纹。n裂纹形成后先平行于表面裂纹形成后先平行于表面扩展，即沿过渡区扩展，扩展，即沿过渡区扩展，而后再垂直于表面扩展，而后再垂直于表面扩展，最后形成较深的剥落坑。最后形成较深的剥落坑。1/1/202344三三 接触疲劳试验方法接触疲劳试验方法n不

38、同材料或同一材料不同材料或同一材料经不同热处理后，其经不同热处理后，其接触疲劳强度用接触接触疲劳强度用接触疲劳曲线（与高周疲疲劳曲线（与高周疲劳的劳的S-N曲线类似）来曲线类似）来描述。描述。n 是按赫兹公式计算是按赫兹公式计算出来的最大压应力，出来的最大压应力，N为破坏循环周次。为破坏循环周次。1/1/202345n测定接触疲劳极限时，循环基数测定接触疲劳极限时，循环基数N0一般取一般取107次，并次，并规定：规定：n当试样上深层剥落面积大于或等于当试样上深层剥落面积大于或等于3mm2或当试样上或当试样上麻点剥落（集中区）在麻点剥落（集中区）在10mm2面积内出现麻点率达面积内出现麻点率达15%的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。的损伤时，均判定为接触疲劳破坏。n试验在疲劳试验机上进行，试验机有试验在疲劳试验机上进行，试验机有纯滚动和滚动带纯滚动和滚动带滑动滑动两类。两类。1/1/202346四、影响接触疲劳寿命的因素四、影响接触疲劳寿命的因素n（一）内部因素（一）内部因素n1.非金属夹杂物非金属夹杂物n 2.热处理组织状态热处理组织状态n 3.表面硬度与心形硬度表面硬度与心形硬度n 4.表面硬化层深度表面硬化层深度n 5.残余内应力残余内应力n（二）外部因素（二）外部因素n1.表面粗糙度与接触精度表面粗糙度与接触精度n 2.硬度匹配硬度匹配