金属的磨损课件.ppt

1、第七单元 金属的磨损1本单元导读 各类机器在工作时，其各零件相对运动(滑动、滚动，或滚动+滑动)的接触部分都存在着摩擦，摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象，有摩擦就必有磨损，这是必然的结果。磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成金属材料损耗和能源消耗的重要原因。据不完全统计，摩擦磨损消耗能源的1/31/2，超过50的机件失效是磨损引起的。因此，研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。2模块一 金属磨损的概念3一、磨损的概念 金属摩擦表面相对运动，表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损（a

2、brasion）。磨损表现为表面不断有细小颗粒被分离出来而成为磨屑，以及在摩擦载荷作用下，金属表面性质（金相组织、物理化学性能、力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度）变化。虽然磨损过程是一个渐进的过程，但正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的。近二三十年国外把摩擦、润滑和磨损，构成了一门独立的边缘学科叫摩擦学，但从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视研究材料的磨损。4 金属磨损并非单一的力学过程。引起磨损的原因既有力学作用，也有物理和化学作用，因此，摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动特性(方式和速度)以及工作温度等诸多因素均影响磨损量的大小，所以，磨损是一个

3、复杂的系统过程。磨损通常是有害的，它损伤零件工作表面，影响机械设备性能，消耗材料和能源，并使设备使用寿命缩短。预先考虑如何避免或减轻磨损，是设计、使用、维护机器的一项重要内容。另一方面，磨损也并非全都是有害的，工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。5 2004 年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示，磨损损失了世界一次能源的三分之一，机电设备的70%损坏是由于各种形式的磨损而引起的。2007年我国的 GDP只占世界的6%，却消耗了世界的30%以上的钢材；我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在 1000 亿人民币以上，

4、仅磨料磨损每年就要消耗300 多万吨金属耐磨材料。可见减摩、抗磨工作具有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用，越来越受到国内外的重视。6二、磨损过程 在机械的正常运转中，磨损过程大致可分为三个阶段：7三、金属的耐磨性耐磨性（abrasion resistance）是材料抵抗磨损的性能，这是一个系统性质。迄今为止，还没有一个统的、意义明确的耐磨性指标，通常用以下三种方法表征金属的耐磨性。（1）磨损量 在规定条件的作用下,经过规定时间的磨损后,样品表面的损耗程度称为磨损量（W）。磨损量可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。若测量单位摩擦距离、

5、单位压力下的磨损量等，则称为比磨损量。磨损量越小，耐磨性越高。(2)耐磨性 磨损量的倒数称为耐磨性，即=1/W。值越大，材料的磨损抗力越大，与通常的概念相一致。(3)相对耐磨性 指在同样条件下，标准试样（Pb-Sn合金）的磨损量与被测试样磨损量的比值称为相对耐磨性。相对耐磨性的倒数称为磨损系数。8模块二 金属的磨损类型9 通常,按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分,磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损（接触疲劳）四种基本类型。但磨损过程十分复杂，有许多实际表现出来的磨损现象不能简单地归为某一种基本磨损类型，而往往是基本类型的复合或派生，如气蚀磨

6、损、冲蚀磨损和微动磨损等。10能力知识点能力知识点1 粘着磨损粘着磨损11一、粘着磨损机理 粘着磨损发生在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小时发生的。由于缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷很大，以致接触应力超过实际接触点处屈服强度产生的一种磨损可用摩擦机理来解释。12 其过程：粘着剪断转移再粘着13 零件是个轴瓦，与铸铁的轴摩擦抱死。材料是铝合金。怀疑是杂质进入到两个零件的结合面，引起表面破坏，从而导致抱死。个人怀疑是铝杂质进入，造成粘着磨损造成。1415 材料特性、法向力、滑动速度、温度 材料特性的影响：(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，

7、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。二、影响粘着磨损的因素及改善措施16(3)通过表面化学热处理，如渗硫、硫氮共渗、磷化、软氮化等热处理工艺，使表面生成一化合物薄膜，或为硫化物，磷化物，含氮的化合物，使摩擦系数减小，起到减磨作用也减小粘着磨损。(4)改善润滑条件，如在润滑油中添加极压剂。(5)粘着磨损严重时表现为胶合。17三、粘着磨损失效举例 内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦

8、副，如不考虑燃气介质的腐蚀性，主要表现为粘着磨损。正常情况下轴在滑动轴承中运转，是一流体润滑情况，轴颈和轴承间被一楔形油膜隔开，这时其摩擦和磨损是很小的。但当机器启动或停车，换向以及载荷运转不稳定时，或者润滑条件不好，几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时，轴和轴承之间就不可避免发生局部的直接接触，处于边界摩擦或干摩擦的工作状态，这时轴承就要考虑粘着磨损。18能力知识点能力知识点2 磨料磨损磨料磨损19一、磨料磨损的概念 由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接触，或者在两个摩擦面之间存在硬的颗粒，或者这些颗粒嵌入两个摩擦面中的一个面里，在发生相对运动后，引起表面材料损失的现象称为磨料磨损(

9、abrasive wear)。磨料磨损是最常见的，同时也是危害最为严重的磨损形式，在各类磨损形式中，磨料磨损大约占总消耗的50%。磨料磨损有多种分类方法，根据磨料与材料表面承受应力是否超过磨料的破坏强度，磨料磨损又可分为低应力擦伤式、高应力碾碎式磨损和凿削式磨料磨损三类。20 低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨料作用于零件表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。如生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况。高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。如生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损。凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有

10、大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。二、磨粒磨损分类21222324 也有以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两体磨损的情况是，磨料与一个零件表面接触，磨料为一物体，零件表面为另一物体，如犁铧。三体磨损，其磨损料介于两个滑动零件表面，或者介于两个滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落入磨料。25 两体和三体磨料磨损 a)两体磨损 b)三体磨损26二、磨料磨损的机理磨料磨损可能是磨粒对摩擦表面产生的切削作用、塑性变形和疲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，并以某一损坏方式为主。磨粒磨损的主要特征是摩

11、擦面上有明显犁皱形成的沟槽或磨屑。磨粒磨损表面的犁沟和磨屑(SEM)2728 材料自身的硬度及内部组织。磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、压碎强度等。外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进行感应加热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨性。四、影响因素及改善措施29模块三 金属的磨损试验30能力知识点能力知识点1 磨损试验种类磨损试验种类31一、磨损试验 测定材料抵抗磨损能力的试验称为磨损试验。磨损试验就是指试样与对磨材料之间加上中间介质，在施加一定的压力下，按一定的速度作相对运动。经过一定时间（或磨擦距离)后测量其磨损量，根据磨损量大小来判

12、断材料的耐磨性能。若在相同的时间(或距离)内磨损量愈大，表明材料的耐磨性能愈差。反之，则表明耐磨性愈好。32一、磨损试验 磨损试验比常规的材料试验要复杂。首先需要考虑零部件的具体工作条件并确定磨损形式，然后选定合适的试验方法，以便使试验结果与实际结果较为吻合。33二、磨损试验的类型 磨损试验分为现场磨损试验和实验室磨损试验。现场磨损试验是将做成零件的试样装在机器上，在实际运转条件下进行试验。而实验室磨损试验是在实验室中的磨损试验机上进行，它又分为试样磨损试验和台架磨损试验。34二、磨损试验的类型 试样磨损试验：用加工成一定形状和尺寸的试样进行试验。台架磨损试验：用零件或近似零件的试样在模拟实际

13、运转条件的台架上进行试验。35二、磨损试验的类型 现场实物试验具有与实际情况一致或接近一致的特点，因此，试验结果的可靠性大，但这种试验所需时间长，且外界的影响难于掌握和分析。实验室试验虽然具有试验时间短，成本低，易于控制各种因素的影响等优点，但试验结果常不能直接表明实际情况。因此，研究重要机件的耐磨性时往往兼用这两种方法。36能力知识点能力知识点2 常用的磨损试验常用的磨损试验37 磨损试验机可从下列几个方面进行分类。按运动方式可分为滑动和滚动两类。按介质不同可分为干摩擦、有润滑、有磨料三类。按试样接触形式可分为五类:平面与平面；平面与圆柱；圆柱与圆柱；平面与球；球与球等。3839 实验室常用

14、磨损试验:40能力知识点能力知识点3 磨损量测量磨损量测量41 磨损量可用试验前后的试样长度、体积、重量等的变化来表示。磨损量测量的方法有测长法、秤重法、人工基准法（刻痕法、压痕法、磨痕法）、化学分析法和放射性同位素法等。测长法用测微尺测量摩擦表面法线方向的尺寸变化，用于磨损量较大难以实现的情况。秤重法使用分析天平测定试样磨损前后的重量变化，秤重法操作简单，是常用的一种方法，下面主要介绍之。42一、秤重法的定义和表示方法 秤重法是以试样在磨损试验前后的重量差来表示磨损量，通常以克为计算单位。用符号m表示。m m0-m1 式中 m0试样磨损前原始重量；m1试样磨损后的重量。43一、秤重法的定义和

15、表示方法 因为磨损试验结果受很多因素影响，试验数据分散性很大，所以试验试样数量要足够，一般试验需要有45对摩擦副，数据分散分散程度大时应酌情增加。处理试验结果时，一般情况下取试验数据的平均值，分散度大时需用均方根值来处理。秤重法应用广泛，无论哪种磨损试验机，也无论哪种磨损试样均可用秤重法测定其磨损量。44二、秤重法的测量方法及要求 试样重量测定应在万分之一的分析天平上进行。但有两点必须注意：试样的原始重量m0(除长条状试样外)应取经过跑合试验(加上50100N压力，经过0.51h于摩擦运行)之后的重量。试样在秤重前(无论磨损前或磨损后)，都必须用酒精或丙酮清洗并吹干，否则将影响到试验数据的准确

16、性。45模块三 金属的接触疲劳46一、接触疲劳现象 接触疲劳又称表面疲劳磨损或疲劳磨损，是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象。接触压应力：两物体相互接触时，在表面上产生的局部压入应力。47 齿轮、轴承、钢轨与轮箍的表面经常出现接触疲劳破坏。在刚出现少数麻点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，例如齿轮，此时啮合情况恶化，磨损加剧，发生较大的附加冲击力，噪声增大，甚至引起齿根折断。由此可见，研究金属的接触疲劳问题对提高这些机件的使用寿命有着重大的意义。48 滚动轴承的接触

17、疲劳失效49 根据裂纹剥落的不同形状，接触疲劳破坏可分为麻点剥落（点蚀）、浅层剥落和深层剥落（表面压碎）三类。（1）麻点剥落，深度0.10.2mm。呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称V形。（2）浅层剥落，深度0.20.4mm。剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面呈锐角和直角。（3）深层剥落，裂纹起源在硬化层。深层剥落深度和表面强化层的深度相当，裂纹走向与表面垂直。50二、宏观形态二、宏观形态 接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或麻点磨损。有的凹坑很深，呈“贝壳”状，有疲劳裂纹发展线的痕迹存在。51二、宏观形态 接触疲劳与一般疲劳一样，也分为裂纹形成和扩展两个阶段，但通常认为裂纹形成过程时间长，而扩展阶段只占总破坏时间很小一部分。接触疲劳曲线(最大接触压应力破坏循环周次曲线)也有两种：一种是有明显的接触疲劳极限；另一种是对于硬度较高的钢，最大接触压应力随循环周次增加连续下降，无明显接触疲劳极限。52 接触疲劳试验机上进行，试验机目前国内常用的主要有单面对滚式，双面对滚式和止推式等几种。三、接触疲劳试验53 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 4硬度四、影响接触疲劳寿命的因素54