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摩擦学基础知识(磨损).ppt

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摩擦 基础知识 磨损
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摩擦学基础知识 (磨损),概述:1.1定义:摩擦副相对运动时,表面物质不断损失或产生残余变形的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。 (1) 机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表 面的物理变形。 (2) 化学作用使摩擦表面发生性状的改变。 (3) 热作用使摩擦的表面发生形状的改变。 (4) 其他作用造成各种作用的产生。,1.2 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,破坏了渐开线齿形,传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损,影响零件的加工精度。(2) 降低机器的效率,消耗能量。如柴油机缸套的磨损,导致功率不能充分发挥。 (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。,1.3 研究内容:(1) 磨损类型及发生条件、特征和变化规律。(2) 影响磨损各种因素,包括材料、表面形 态、 环境、滑动速度、载荷、温度等。(3) 磨损的物理模型、计算及改善措施。(4) 磨损的测试技术与实验分析方法。,1.4 磨损过程的一般规律:1.磨损过程曲线:典型磨损曲线通常由三种不同的磨损变化阶段组成。,,(1) 磨合阶段:磨损量随时间的增加而增加。出现在初始运动阶段,由于表面存在粗糙度,微凸体接触面积小,接触应力大,磨损速度快。,,(2)稳定磨损阶段:摩擦表面磨合后达到稳定状态,磨损率保持不变。标志磨损条件保持相对稳定,是零件整个寿命范围内的工作过程。,,(3) 剧烈磨损阶段:工作条件恶化,磨损量急剧增大。精度降低、间隙增大,温度升高,产生冲击、振动和噪声,最终导致零部件完全失效。,,非典型磨损曲线,2. 磨损特性曲线----浴盆曲线,,典型浴盆曲线,1.5 磨损、摩擦和润滑的关系,油膜膜厚比,磨损类型,2.1磨损类型,,2.2 表面破坏方式及特征,2.3. 表面破坏方式与机理对应关系,粘着磨损,1 定义: 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。,2 粘着磨损机理: 在载荷的作用下,相互接触微凸体承受很高的压力,首先发生变形,部分地方发生焊接。当微凸体相对运动时,相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑过发生转移。如撕断处在焊接的部位,不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位,则发生物质的转移。粘着-剪断-转移-再粘着循环不断进行,构成粘着磨损过程。,3五类典型粘着磨损,(1)轻微磨损: 粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低,剪切破坏发生在粘着结合面上,表面转移的材料较轻微。(2)涂抹: 粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度,小于较硬金属抗剪切强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内,软金属涂抹在硬金属表面。,(3)擦伤: 粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表层内,转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划痕,硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤: 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高,切应力高于粘着结合强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处,表面呈现宽而深的划痕。,(5) 咬死: 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高,粘着区域大,切应力低于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。,,4 简单粘着磨损计算(Archard模型):,,,1.磨损量与滑动距离成正比:适用于多种条件。2.磨损量与载荷成正比:适用于有限载荷范围。 3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比: ** 实际上,只有相同的金属材料组成摩擦副时,才 能按硬度估计粘着磨损,合金或不同材料的摩擦副, 硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬 死等情况。,三条粘着磨损规律:,5 粘着磨损的影响因素,(1)摩擦副材料: a:材料性能:脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。 **塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主,发生 在表层深处,磨损颗粒大。 **脆性材料粘着结点的破坏主要剥落,损伤深度较浅,磨损颗粒较小,容易脱落,不堆积于表面。 **根据强度理论:脆性材料的破坏由正应力引起,塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面,最大切应力离表面有一定深度,所以材料塑性越高,粘着磨损越严重。,b:材料的互溶性: ?相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。 ?异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。 ?金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦副 。,c: 材料的组织结构和表面处理: --多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应,同时表面膜限制了破坏深度,提高抗粘着磨损的能力。,d:材料的硬度: 硬度高的金属比硬度低的 金属抗粘着能力强,表面 接触应力大于较软金属硬 度的1/3时,很多金属将由 轻微磨损转变为严重的粘 着磨损。e: 表面粗糙度:一般情况下, 降低摩擦副的表面粗糙度能 提高抗粘着能力。,硬度的影响,(2) 外部环境条件: a:润滑条件:在润滑油或润滑脂中加入油性或极压添加剂;选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降低表面温度;改善表面形貌以减少接触 压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。 b:相对滑动速度:载荷一定的情况下,粘着磨损量随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增加,表面温度升高,表面生成的氧化膜阻止了金属间的直接接触,减少了粘着磨损。,c:载荷的影响: 当载荷增大到某一临界 值后,粘着磨损量会急 剧增加。右图是四球机 磨痕直径的变化,当载 荷达到一定值时,磨痕 直径迅速增大,此载荷 称为胶合载荷。,,d:表面温度: 温度主要导致摩擦表面: (1)表面性质发生变化:如硬化、相变或软化。 (2)表面膜变化:破坏表面膜,导致氧化膜或其它形式化合物膜形成。 (3)润滑剂的性质发生变化:油膜氧化或热降解,油膜离析,分子链位向消失。一般情况下,温度升高,材料硬度下降,在不考虑其它因素的作用时,摩擦表面容易产生粘着磨损。,磨粒磨损,1 定义: 摩擦过程中,硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。2 磨料磨损分类及其磨损特征:,3 磨粒磨损机理,(1) 微观切削:法向载荷将磨料压入摩擦表面,而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削,产生槽状磨痕。(2) 挤压剥落:磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕,将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状剥落碎屑。(3) 疲劳破坏:摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下,使表面材料因疲劳而剥落。,4 磨粒磨损简化模型计算: 简单的计算方法根据微观切削机理得出,即拉宾诺 维奇 (Rabinowicz)模型: 假定单颗磨粒形状为圆 锥体,半角为θ ,载荷为W,压入深度h,滑动距 离为S,屈服极限σs 。,,5 影响磨粒磨损的因素:,(1)硬度因素:磨料硬度H0与试件硬度H比值: 当磨料硬度低于试件硬度, 即H0 < (0.7~1)H不产生磨料磨损或产生轻微磨损。当磨料硬度超过试件硬度后,磨损量随磨料硬度而增加。若磨料硬度很高将产生严重磨损,此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损,材料硬度应高于磨料硬度,一般当 H >1.3 H0 时只发生轻微的 磨料磨损。,(2)磨粒尺寸:一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大,当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后,磨损率不再增大,临界尺寸大约为80μm。,磨粒尺寸影响,(3)载荷的影响:磨损率与压力成正比,但有一转折点,当压力达到或超过临界压力时,磨损率随压力的增加变的平缓。,载荷,冲蚀磨损,1. 定义:流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。2. 冲蚀磨损理论:(1)塑性材料切削理论:芬尼于1958年首次提出塑性材料切削理论。认为磨粒如同一把微型刀具,当划过材料表面时,把材料表面切除而产生的磨损。理论分析材料的磨损体积为: V = Kmv2f(α)/P,其中 V — 材料的磨损体积, m—冲蚀磨粒的质量 v—磨粒的冲蚀速度 α—磨粒的冲击角 P— 材料的流动应力 K— 常数 **可以看到,材料的磨损体积与磨粒的质量和速度成正比,与材料的流动应力成反比,并与冲击角有一定的关系。研究结果表明,对于塑性材料、多角形磨粒、小冲击角的冲蚀磨损,该模型非常适用。否则,则存在偏差。,(2)脆性材料的断裂理论: 脆性材料在磨粒冲蚀 下不产生变形,主要 以断裂破坏的形式产 生磨损。当磨粒尺寸 较大时,磨损量随冲 击角的增大而增加, 冲击角为90度时,磨 损量最大。,(3)变形磨损理论: 比特1963年提出:该理论把冲蚀磨损分为变形磨损和切削磨损。认为90度冲角下的冲蚀磨损与粒子冲击靶材的变形有关,1972年,谢尔登和凯希尔利用单颗粒冲蚀磨损实验证实。,(4)薄片剥落理论: 莱维等人提出:认为冲蚀磨损时,形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中,该表面由于绝热剪切变形而被加热到金属的退火温度,于是形成了一个软的表面层,其下面有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区,该区的形成对表面层薄片的形成有促进作用,在反复的冲击和挤压变形作用下,材料表面形成薄片而剥落。,3.影响冲蚀磨损的主要因素(1)冲击粒子的特性: 硬度:磨损量是硬度的函数。,,形状:同样条件下,尖角磨粒比球形磨粒产生更 大的冲蚀磨损。尺寸:尺寸小,影响不大,随尺寸增加,磨损增 大,尺寸到一定值时,磨损几乎不再增大。,,(2)冲蚀速度: 速度对磨损的影响很大,因为冲蚀磨损与磨粒的动能有直接关系。研究表明,磨损量与磨粒速度有下列关系: W = K ? νn n 速度指数,一般为2~3,塑性材料波动小,取2.3~2.4,脆性材料波动较大,取2.2~6.5。,(3)冲击角: 主要与靶材料有关。 塑性材料的磨损开始随冲击角的增加而增加,当冲击角为20~30度时,磨损量最大,然后随冲击角继续增大而减小。 脆性材料随冲击角的增大,磨损量不断增大,当冲击角为90度时,磨损率最大。,(4)靶材料的影响: 材料硬度:越高越好 材料加工硬化:加工硬化能提高材料低角度冲蚀磨损的耐磨性能,但降低大角度冲蚀磨损的耐磨性能。 材料的组织特征:该方面研究很缺乏,相互存在矛盾的结果。,疲劳磨损,1.定义:摩擦接触表面在交变接触压应力的作用下,材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。有两种基本类型,即宏观和微观疲劳磨损。2. 宏观疲劳磨损:两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面,在循环变化的接触应力作用下,材料疲劳而发生脱落的现象。 ** 如齿轮、滚动轴承。,(1) 破坏形式:表面出现深浅不同的斑状凹坑。凹坑小而深的,磨屑呈扇形颗粒,称点蚀(Pitting)。凹坑大而浅的,磨屑呈片状,为剥落(Spalling)。 (2) 产生原因:由于表面受循环的接触应力作用,最大剪应力发生在表面下一定深度处。当该处强度不足或存在缺陷,则首先发生塑性变形,经应力循环后,产生疲劳裂纹,并沿最大剪应力方向扩展到表面,最终导致表面材料脱落。,(a)纯滚动接触表面:裂纹的萌生多发生在次表层最大剪应力处,扩展也比较缓慢,比裂纹萌生阶段长,损伤断口有光泽。 (b)滚动兼滑动摩擦表面:同时存在接触压应力和剪切应力,摩擦表面容易产生塑性变形而形成微观裂纹,裂纹起源于表面,萌生阶段大于扩展阶段,断口比较暗淡。,(c)表面强化处理后: 裂纹往往起源于表面硬化层和基体的交界处,裂纹扩展先平行于表面,再垂直或倾斜于表面向外扩展。 损伤形式先为麻点,之后为大块剥落,类似表层压碎的现象。,3. 微观疲劳磨损: 特征:滑动接触表面由于微凸体相互接触使材料发生疲劳而引起的机械磨损现象。 原因:表面材料脱落由载荷脉冲对微凸体的多次作用造成的。 **当固体表面相互接触时,实际接触点是不连续的,两表面的微凸体相互碰撞,产生冲击力,使微凸体受到重复的冲击和变形,致使材料发生疲劳磨损。,4. 疲劳磨损的破坏机理: (1)麻点剥落:当表面接触应力较小,摩擦力较大、或表面质量较差,如表面存在脱碳、烧伤、淬火不足、存在夹杂物等缺陷时,容易产生麻点剥落。前者原因在于表面最大综合切应力较高;后者原因 是材料抗剪切强度低。,1.在最大综合切应力作用下产生塑性变形,形成裂纹。2.润滑油挤入,在较高的压力作用下,裂纹扩展,与滚动方向小于45度倾角。3.在尖端应力集中处产生二次裂纹,垂直于初始裂纹。4.二次裂纹向表面扩展,到达表面时,剥落一块金属形成一凹坑。,(2)浅层剥落: 多出现在零件表面粗糙度低,相对滑动小,即摩擦力小的情况下。 (a)裂纹产生于亚表层,该处切应力最大,塑性变形最剧烈。 (b)在接触应力的反复作用下,塑性变形反复进行,使材料局部弱化。,(c)在非金属夹杂物附近形成裂纹,沿非金属夹杂物平行于表面扩展。(d)在滚动及摩擦力的作用下又产生与表面成一定倾角的二次裂纹,二次裂纹扩展到表面,另一端则形成悬臂梁。(e)反复弯曲发生断裂,形成浅层剥落。,(3)深层剥落: 对于表面硬化处理的部件,心部强度低、硬化层深度不合理或硬度梯度太大等都易造成深层剥落。 ** 初始裂纹常出现在过渡区,该区切应力不大,但力学性能较弱,切应力高于材料强度而产生裂纹。裂纹形成后先平行于表面扩展,即沿过度区扩展,而后再垂直表面扩展,最后形成较深的剥落坑。,7.5.疲劳磨损的影响因素1. 在干摩擦或润滑条件下的宏观应力场2. 摩擦副材料的机械性质和强度3. 材料内部缺陷的几何形状和分布密度4. 润滑剂或介质与摩擦副材料的相互作用,主要影响因素:(1)非金属夹杂:脆性夹杂易造成裂纹,降低接触疲劳寿命。塑性硫化物夹杂易随基体一起变形,能够把氧化物夹杂包住形成共生夹杂,降低氧化物夹杂的不良作用。(2)表面硬度和心部硬度:表层硬度梯度不应过大。一定范围内,接触疲劳抗力随硬度随硬度升高而增大。,(3)表面特征:减少表面冷、热加工缺陷,降低表面粗糙度、提高接触精度,可以有效增加接触疲劳寿命。(4)摩擦副硬度匹配:一般要求小齿轮硬度大于大齿轮硬度,可以有效提高齿轮的寿命。,化学磨损,1 定义: 化学磨损是在摩擦促进作用下,摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学作用,造成表面材料损失的过程。分为氧化磨损与特殊介质腐蚀磨损两类。,2 氧化磨损: (1)氧化磨损过程: 机件的表面总存在一层氧的吸附层,当摩擦副作相对运动时,由于表面凹凸不平,凸起部位比压很大,导致产生塑性变形。加速了氧向金属内部的扩散,从而形成氧化膜。氧化膜强度低,易被剥落,裸露出新表面,进而又发生氧化,随后又被磨掉,如此氧化膜的形成又除去,造成机件表面被磨损。,(2)氧化磨损的宏观特征: 摩擦表面沿滑动方向呈均细磨痕,磨损产物为红褐色氧化铁或灰黑色四氧化三铁。 (3)影响氧化磨损的因素: (1)氧化膜的性质、厚度及其与基体的结合 强度。 (2)摩擦副表面对塑性变形的抵抗能力。 (3)金属材料中氧的扩散速率。 (4)摩擦学参数,包括压力、速度、时间、温度。,3 微动磨损(1)定义:接触表面之间小幅度的相对切向振动称为微动。 ** 在相互紧压的表面之间,由于微动使局部产生的磨损为微动磨损。在多数机械构件中都可能存在小幅度的相对滑动表面,如连接件的结合面、静配合的轴与孔表面等,均可能出现微动磨损。其表面可见因接触疲劳破坏形成的麻点或蚀坑。,(2)机理: 一种复合磨损,包括粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。沃特豪斯(Waterhouse)理论分三个阶段:(1)表面产生凸起塑性变形,形成表面裂纹并扩展。或去除表面污物,形成粘着和黏着点断裂。(2)通过疲劳破坏和黏着点断裂形成磨屑,随后被氧化,成为继续作用的磨料。,(3)磨粒磨损阶段,加速第一阶段的磨损,表面不断被氧化、磨去,如此循环就构成了微动磨损。(3)影响磨损量因素:(a)振动次数:增大而增大(b)振动频率:振动次数相同时,频率增大而减小。(c)法向载荷:增大而增大,但增加速率不断减小。(d)环境介质:真空或不活泼气氛中小,空气湿度 增大时,磨损量也随之增大。,磨损的检测与评定,检测参数:1.耐磨性:材料抵抗磨损的能力,属于系统性质。2.磨损量: 长度磨损量Wl:磨损表面法线方向尺寸的改变量, 在实际设备的磨损检测中经常用。 体积Wv和重量磨损量Ww: 磨损试样的体积或重量的改变量。3. 相对耐磨性ε: ε = 标准试样的磨损量 / 被测试试样的磨损量,4.磨损率: 磨损量对产生磨损的行程或时间之比。接触力不大情况下,聚合物和金属或陶瓷的磨损体积: V = k PX V磨损体积,P 接触载荷,X滑行距离,k磨损因子。k与材料的种类和表面特性有关,通常作为磨损率定量化指标。,磨损的控制和防磨措施,1、磨损的控制因素:材料选择润滑剂的选择表面粗糙度机械结构和尺寸设计、安装调试等方面控制磨损 表面温升和冷却,材料的选择,各种磨损类型对材料性能的要求,润滑剂的选择,润滑的主要作用之一是降低磨损,所以要针对可能存在的磨损状况选择合适的润滑剂。应当提醒注意的是:有的润滑剂可能对抗粘着磨损有利,但却会引起更严重的氧化磨损。如含极压添加剂的润滑剂。因此选用时一定要权衡利弊。,表面粗糙度,根据润滑状态(如流体润滑、边界润滑、固体润滑)的不同,选择合适的粗糙度。表面纹理化,机械结构和尺寸设计、安装调试等方面控制磨损,如设计尽量用大面积接触,减小接触应力、减少磨损。有例外,如超高分子量聚乙烯。,表面温升和冷却,材料的温升是导致摩擦副失效的重要原因,因此改善冷却条件,尽快降低摩擦面的温度是十分重要的。如选用导热性能良好的材料,加大润滑剂流量,增大强制散热面积和增添散热装置等。,2、防磨措施,润滑选用耐磨材料进行表面改性,润滑,润滑是防磨的有效手段。改善润滑技术,包括正确运用润滑原理,合理设计润滑方式和润滑系统,研制开发新型有效的润滑材料等等。但必须注意的是:某种手段对某工况下适用、有效,并不等于它对任何工况都适用。,选用耐磨材料,根据不同的磨损类型来选择耐磨材料和摩擦副配对。,进行表面改性,使用整体耐磨材料通常比较昂贵,另外,有些性能能满足耐磨,但不能满足摩擦元件对强度、刚度、韧性等要求。采用表面改性的方法,可以充分发挥材料表面和芯部不同的作用。,表面改性的目的:1、降低摩擦力: 改善负荷分布及接触状态。改性后的表面应具有低剪切强度和润滑作用。通常用(施加)与原表面不同的各种涂(镀)层,如: 粘结固体润滑膜;物理气相沉积镀层;化学气相沉积涂层;固体润滑剂擦涂膜;电化学沉积膜(包括共析电镀、电泳、化学镀等;原位化学转化膜;摩擦聚合膜;LB膜。,2、防止表面损伤: 改性后得到耐磨的硬表面。常用的有:机械强化处理,表面化学处理,常规的金属热处理,化学热处理,热喷涂和等离子喷涂膜等。以及近代的物理表面强化技术(包括物理气相沉积、化学气相沉积、激光技术、等离子技术、离子注入和离子束技术等方法)。,常见的表面改性技术,(1)机械强化处理: 主要有喷砂(干喷和湿喷),喷丸,起 冷作硬化作用。 目的与性能:达到一定的粗糙度,有利于机械啮合或储存润滑剂的作用;提高表面硬度,暴露新鲜表面,提高表面活性。,(2)表面化学处理: 是通过在表面上进行化学反应,使金属形成一个表面层。表面层具有以下不同类型: 多孔型表面层,便于储存润滑剂,如ZnPO3。活性表面层,易于与其上的润滑膜或边界膜相结合,如FeS。或改变惰性材料表面的钝化性, 防腐蚀、耐磨、改变表面能等。,,常用的表面化学处理方法有:钢铁:磷化、硫化、氧化等。可提高其表面上润滑膜的防腐性及耐磨性。不锈钢:氧化、草酸盐化。可增强不锈钢表面的活性。铝:阳极氧化、氯化。可提高铝的耐磨性。铜:氧化。聚合物:改变聚合物的表面能。如PTFE用四氢呋喃和精萘处理后,磨损率降低到原来的1/200。,(3)常规金属热处理,淬火、表面淬火:(4)化学热处理 将一些元素及化合物,通过气相、液相或固相将其扩散到金属表层内的处理方法。,(5)物理强化表面改性,a、激光技术表面形成冶金性结合的合金层;粉末注入法;玻璃化法;照射改性;相变硬化;冲击硬化。,,b、等离子技术等离子轰击等离子化学处理等离子条件下进行镀层 等离子聚合反应 等离子喷涂,,c、离子注入 将元素离子化,并在101~102keV的静电高能下加速注入材料表层。比热扩散的效果好,不仅可提高表面硬度,还能改善材料表层的微结构。降低材料摩擦系数和改善耐磨性。,,d、离子束技术 在摩擦学领域中应用离子束技术是将离子束的离子或与蒸发源的电子共同作用于表面,以达到表面改性的目的。能量低于离子注入,可在100nm厚度范围内起作用。离子束混合涂层;离子束增强或离子束辅助沉积; 离子束反冲注入(反冲混合)或离子束轰击扩散镀层。,
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