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摩擦学原理 第4章.ppt

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摩擦 原理
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第四章 磨损理论及其控制,主讲:高诚辉,内容目录,一、概述二、磨损基本形式及其影响因素三、磨损的转化与复合四、磨损理论与磨损计算,一、概述,1.磨损研究的重要性2.磨损研究的进展3.磨损的定义4.磨损的分类5.磨损的评定6.磨损的动态过程,1.磨损研究的重要性,两个相互接触相对运动的表面发生摩擦,就有磨损发生。各种机器都是由许多零件组成的,在其相互活动接连的地方(如齿轮与齿轮、轴与轴承、活塞环与缸套之间)以及机器在工作环境中和外界介质接触时(如犁铧耕地、采煤机开采煤矿等),总不免要产生摩擦与磨损。 ? 据不完全统计,能源的1/3到1/2消耗于摩擦与磨损;约80%的机器零件失效是由于磨损引起的。所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查,联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上,其中直接由于磨损造成的损失占47%,停机修理所造成的损失与磨损直接造成的损失相当,如果再加上后续工序的影响,其经济损失还需加上10%一20%。,1.磨损研究的重要性,与摩擦相比,磨损要复杂得多。直到目前磨损的机理还不十分清楚,也没有一条简明的定量定律。对大多数机器来说,磨损比摩擦显得更为重要,实际上人们对磨损的理解远远不如摩擦。对机器磨损的预测能力也很差。对于大多数不同系统的材料,在空气中的摩擦系数大小相差不超过20倍,而磨损率之差却很大,如聚乙烯对钢的磨损和钢对钢的磨损之比可相差105倍。 ? 磨损似乎比摩擦具有更大的复杂性和敏感性。在具体的工作条件下,影响因素是十分复杂的,它包括工作条件、环境因素、介质因素和润滑条件以及零件材料的成分、组织和工作表面的物理、化学;机械性能等,了解影响因素有利于实现对磨损的控制。,2.磨损研究的进展,磨损的研究工作开展得较迟,本世纪50年代初期在工业发展国家开始研究“粘着磨损”理论,探讨磨损机理。1953年美国的J. F. Archard 提出了简单的磨损计算公式,1957年苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法,1973年美国的N.P.Suh提出了磨损剥层理论。,20世纪60年代后,由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量和综合的应用,使得磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像,了解磨损的动态过程;研究磨损的表面,次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化,以搞清磨损机理,分析和监测磨损过程,从而寻求提高机器寿命的可能途径。,3.磨损的定义,磨损是相互接触的物体在相对运动时,表层材料不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。,定义说明①磨损并不局限于机械作用,由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损;由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损;以及由于伴同热效应而造成的热磨损等现象都在磨损的范围之内;,定义说明,②定义强调磨损是相对运动中所产生的现象,因而,橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴;③磨损发生在物体工作表面材料上,其它非界面材料的损失或破坏,不包括在磨损范围之内;,④磨损是不断损失或破坏的现象,损失包括直接耗失材料和材料的转移(材料从一个表面转移到另一个表面上去),破坏包括产生残余变形,失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的,而不是偶然的几次。,4.磨损的分类,(1)按表面作用分类,苏联学者Хрушов (1953年)根据摩擦表面的作用将磨损分为以下三大类,认为磨粒磨损是最普遍的磨损形式:机械类:由摩擦表面的机械作用产生的磨损,包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等。分子—机械类:由于分子力作用形成表面粘着结点,再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损,即粘着磨损。腐蚀—机械类:这类磨损是由介质的化学作用引起表面腐蚀,而摩擦中的机械作用加速腐蚀过程,它包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。,(2)按过程分类,克拉盖里斯基(1962年)提出的磨损分类方法将磨损划分为三个过程,根据每一过程的分类来说明相互关系,如图所示。①表面的相互作用 ?两个摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的,两类,机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应,它可以是由两个表面的粗糙峰直接啮合引起的,也可以是三体摩擦中夹在两表面间的外界磨粒造成的;表面分子作用包括相互吸引和粘着效应两种,前者作用力小而后者的作用力较大。,②表面层的变化,表面层的塑性变形使金属冷作硬化而变脆;如果表面经受反复的弹性变形,则将产生疲劳破坏。摩擦热引起的表面接触高温可以使表层金属退火软化,接触以后的急剧冷却将导致再结晶或固溶体分解。外界环境的影响主要是介质在表层中的扩散,包括氧化和其它化学腐蚀作用,因而改变了金属表面层的组织结构。,在摩擦表面的相互作用下,表面层将发生机械的、组织结构的、物理的和化学的变化,这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响所造成的。,③表面层的破坏形式,擦伤:由于犁沟作用在摩擦表面产生沿摩擦方向的沟痕和屑粒; 点蚀:在接触应力反复作用下,使金属疲劳破坏而形成的表面凹坑;,剥落:金属表面由于变形强化而变脆,在载荷作用下产生微裂纹随后剥落; 胶合:由粘着效应形成的表面粘结点具有较高的连接强度,使剪切破坏发生在表层内一定深度,因而导致严重磨损; 微观磨损:以上各种表层破坏的微观形式。,(3)按磨损机理分类,根据近年来的研究,人们普遍认为按照不同的磨损机理来分类是比较恰当的,通常将磨损划分为四个基本类型:磨粒磨损粘着磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损,虽然这种分类还不十分完善,但它概括了各种常见的磨损形式。例如:侵蚀磨损是表面和含有固体颗粒的液体相摩擦而形成的磨损,它可以归入磨粒磨损。微动磨损的主要原因是接触表面的氧化作用,可以将它归纳在腐蚀磨损之内。,(3)按磨损机理分类,还应当指出:在实际的磨损现象中,通常是几种形式的磨损同时存在,而且一种磨损发生后住住诱发其它形式的磨损。 ? 例如疲劳磨损的磨屑会导致磨粒磨损,而磨粒磨损所形成的新净表面又将引起腐蚀或粘着磨损微动磨损就是一种典型的复合磨损。在微动磨损过程中,可能出现粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式.随着工况条件的变化,不同形式磨损的主次不同.,5.磨损的评定,磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法:磨损量、耐磨性和磨损比。,(1)磨损量 ? ?评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和重量磨损量Ww。长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量,这在实际设备的磨损监测中经常使用。体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变量。在所有的情况下,磨损都是时间的函数,因此,用磨损率Wt'来表示时间的特性。其它指标还有磨损强度W'(单位摩擦距离的磨损量,有人也把它称为磨损率),和磨损速度WT'(是指机器完成一单位工作量的磨损量)。,(2)耐磨性,材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对耐磨性ε是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值,其中材料之一的A是标准(或参考)试样。εA=WA/WB,磨损量WA和WB一般用体积磨损量,特殊情况下可使用其它磨损量。耐磨性通常也用绝对指标W-1或W′-1表示,即用磨损量或磨损率的倒数表示。W-1=1/W, ? ? ? ? ? W′-1=1/W′耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数,也可用体积磨损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。 绝对耐磨性和相对耐磨性的关系是εA=WA×W-1,(3)磨损比,冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度量磨损。,它必须在稳态磨损过程中测量,在其它磨损阶段中所测量的磨损比将有较大的差别。 ? 不论是磨损量、耐磨性和磨损比,它们都是在一定实验条件或工况下的相对指标,不同实验条件或工况下的数据是不可比较的。,6.磨损的动态过程,在摩擦磨损过程中,摩擦表面及表层的形貌、结构与性能发生变化,反过来也使摩擦副的接触特性、摩擦和磨损特性发生变化。金属的摩擦磨损是一动态过程,随时间或磨程而变化。,大多数金属的磨损量与运转时间(磨程)的典型关系如图所示。这里磨损量以零件的体积或重量损失,也可按沿摩擦面垂直方向的尺寸减少量(线磨损)来衡量。零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段。各阶段长短、磨损率dW/dt或dW/dl的大小将随零件或试样摩擦副表面的粗糙度,环境气氛与温度,载荷大小及摩擦速度等因素的不同而不同。,(1)跑合(磨合)阶段,在载荷作用下,摩擦表面上的微凸体的形状发生变化,真实接触面积逐渐加大,直至相对稳定。此时,摩擦表层发生塑性变形和加工硬化。磨损率初始很大随后逐渐减小至进入稳定。,跑合对于许多机器的摩擦副是非常重要的,通过跑合改变原机械零件加工表面的形态,进入稳定的工作运转状态。跑合过程的特点是摩擦表面有较大的磨损并发热,表面的几何形貌及表面和表层的物理、力学性能发生变化。有时还会形成某种表面膜(氧化膜、粘着转移膜等)。,(1)跑合(磨合)阶段,各种滑动摩擦副经跑合后,会得到一相应于给定摩擦状态下稳定的表面粗糙度,其与初始表面粗糙度无关。跑合是摩擦副的自适应过程,在很多情况下可认为是一种有益的磨损过程。为了达到有益的效果,对磨合过程的工作参数也应进行合理的选择。否则在某些情况下也会出现摩擦副的早期严重磨损至使零件报废。,提高磨合性能的措施 ? ?良好的磨合性能表现为磨合时间短,磨合磨损量小,以及磨合后的表面耐磨性高。为提高磨合性能一般可采取以下措施:,选用合理的磨合规范,新机器开始工作时载荷不可过大,否则将严量损伤表面,造成早期磨损失效。合理的磨合规范应当是逐步地增加载荷和摩擦速度,使表面品质得到相应改善,而磨合最后阶段的工作条件要接近使用工况。机器磨合以后,应将带有磨屑的润滑油更换方可投入正式使用。,采用合适的材料配对 ? ?摩擦副的磨合性能应是配对材料的组合性质。磨合性能良好的材料不仅是本身易于磨合,而且又能够对互配件的磨合起促进作用。,采用合适的材料配对,以滑动轴承材料为例。通常轴颈材料为钢,轴承材料采用巴氏合金时,磨合性能较好,因为巴氏合金塑性好本身易于磨合,而组织中又合有SnSb硬颗粒对轴颈表面起磨合作用。铅青铜整个组织质地较软,本身容易磨合,但对轴颈的磨合作用不大,故磨合时间较长。而铁铝青铜中含有FeAl3颗粒,硬度很高,因而本身难以磨合又容易伤轴,与它相配的轴颈表面必须淬火硬化。,为了改善材料本身的磨合性能,可以在表面镀一薄层塑性金属,例如铸铁活塞环表面镀锡。如果要加速配对表面的磨合过程,有时在摩擦表面间加入适当的磨料,但是应当选择恰当。,选择适当的润滑油和添加剂,粘度较低的润滑油对于提高磨合性能有很大作用。磨合后的耐磨性取决于表面品质,而润滑油性质对磨合表面有显着影响。观察采用不同润滑油时磨合前后摩擦表面的形貌发现:随着润滑油粘度增加,磨合过程中粘着磨损所形成的擦痕也较深和较宽,使表面耐磨性降低。而低粘度的润滑油导热性好,容易维持表面吸附膜,磨合过程中粘着磨损较轻,使表面品质得到改善。,如果在磨合用润滑油中加入适当的油性添加剂,一方面可以加速磨合过程,另一方面由于加强了吸附膜可以避免严重的粘着磨损痕迹,因而提高了表面品质。,控制制造精度和表面粗糙度,显然,提高摩擦副表面的制造和装配精度将显着地减少磨合阶段的磨损量。而表面粗糙度的选择应根据磨损工况条件来确定。Хрушов(1946年)研究轴颈与轴承表面的磨合指出,不同加工方法的表面磨合后的粗糙度相同,但磨合时间不同。,许多实验结果都证明:磨合结束后形成的表面粗糙度与机械加工后所得到的原始粗糙度大小无关,而取决于磨损工况条件,如摩擦副材料、载荷、滑动速度、温度和润滑条件等。磨合后粗糙度是给定工况条件下的最佳粗糙度,它保证磨损率最低。如果磨合前的粗糙度接近最佳粗糙度,可以使磨合磨损量成倍地降低。,(2)稳定(持续)磨损阶段,摩擦副经过跑合后,进入稳定磨损阶段。这时,在摩擦条件不变的情况下,摩擦的实际接触面积保持不变(动态平衡),即一些摩擦结点因磨损而破坏,又生成一些新的摩擦结点,单位面积上的实际接触压力保持一定(动态平衡),磨损率趋于稳定。这一阶段相应于大多数机械设备摩擦副的正常工作阶段,它的长短相应于摩擦副的工作寿命。,(3) “急剧” 磨损阶段,随着磨损过程的进行,摩擦副零件几何尺寸发生较明显的变化,产生大量的磨屑,零件摩擦表面及表层发生严重的变形,零件的尺寸精度严重下降,摩擦条件发生很大变化,出现振动,严重发热等现象,使磨损速率升高,零件被急剧磨损,直至报废。 。,二、磨损基本形式及其影响因素,磨损有几种性质不同而又互不相关的机理,Burwell归纳为四种机理:粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损,是磨损的基本形式。 ? ?当然,除了上述四种基本类型之外,还有一些其它的磨损类型,例如冲蚀磨损、热磨损等等。冲蚀磨损是指流体束冲击固体表面而造成的磨损,它包括颗粒流束冲蚀、流体冲蚀、气蚀和电火花冲蚀(如电机上的电刷的冲蚀等)。热磨损是指在滑动摩擦时,由于摩擦区温度升高使金属组织软化而使表面“涂抹”、转移和摩擦表面微粒的脱落。而微动磨损实际上是一种复合磨损。下面讨论和分析各种磨损机理及其影响因素。,1.粘着磨损,当摩擦副表面相对滑动时,由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂,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,此类磨损统称为粘着磨损。,根据粘结点的强度和破坏位置不同,粘着磨损有几种不同的形式,从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损.它们的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同,但共同的特征是出现材料迁移,以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。,(1)粘着磨损的种类;(2)粘着磨损机理;(3)粘着磨屑形成机理;(4)粘附与选择性转移;(5)胶合;(6)影响粘着磨损的因素。,(1)粘着磨损的种类,轻微粘着磨损: ? ?当粘结点的强度低于摩擦副两金属的强度时,剪切发生在结合面上,此时虽然摩擦系数增大,但是磨损却很小,材料迁移也不显着.通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发生此种粘着磨损。,一般粘着磨损: ? ?粘结点的强度高于摩擦副中较软金属的剪切强度时,破坏将发生在离结合面不远的软金属表层内,因而软金属粘附在硬金属表面上。通常也将这种现象称为涂抹。这种磨损的摩擦系数与轻微磨损差不多,但磨损程度加剧。,(1)粘着磨损的种类,胶合磨损:如果粘结点强度比两金属的剪切强度高得多,而且粘结点面积较大时,剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方。此时,两表面出现严重磨损,甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。擦伤磨损:当粘结强度高于两金属材料强度时,剪切破坏主要发生在软金属的表层内,有时也发生在硬金属表层内。迁移到硬金属上的粘着物又使软表面出现划痕,所以擦伤主要发生在软金属表面。,高速重载摩擦副中,由于接触峰点的塑性变形大和表面温度高,使粘着结点的强度和面积增大,通常产生胶合磨损。相同金属材料组成的摩擦副中,因为粘着结点附近的材料塑性变形和冷作硬化程度相同,剪切破坏发生在很深的表层,胶合磨损更为剧烈。,(2)粘着磨损机理,粘着磨损的形成 ? 通常摩擦表面的实际接触面积只有表观面积的0.1%~0.01%。对于重载高速摩擦副,接触峰点的表面压力有时可达5000MPa,并产生1000℃以上的瞬现温度。而由于摩擦副体积远小于接触峰点,一旦脱离接触,峰点温度便迅速下降,一般局部高温持续时间只有几个毫秒。,摩擦表面处于这种状态下,润滑油膜、吸附膜或其它表面膜发生破裂,使接触峰点产生粘着,随后在滑动中粘着结点破坏。这种粘着、破坏、再粘着的交替过程就构成粘着磨损。有关粘着形成的原因提出了不同的观点。虽然有关粘着机理目前还没有比较统一的观点,但是粘着现象必须在一定的压力和温度条件下才会发生这一认识是相当一致的。,粘着磨损的形成原因,Bowdon等人认为粘着是接触峰点的塑性变形和瞬现高温使材料熔化或软化而产生的焊合。也有人提出:温度升高后,由于物质离解所产生的类似焊接的作用而形成粘结点。然而非金属材料也发生粘着现象,用高温熔焊的观点不能解释非金属粘结点的形成。 Хрушов 等人认为粘着是冷焊作用,不必达到熔化温度即可形成粘结点。,粘着磨损的形成原因,有人提出粘着是由于摩擦副表面分子作用。也有人试图用金属价电子的运动或者同类金属原子在彼此结晶格架之间的运动和互相填充来解释粘着现象。,但是这些观点尚未取得充足的实验数据。粘着结点的破坏位置决定了粘着磨损的严重程度,而破坏力的大小表现为摩擦力,所以磨损量与摩擦力之间没有确定的关系。粘着结点的破坏情况十分复杂,它与摩擦副和粘结点的相对强度以及粘结点的分布有关。,Archard 模型,Archard(1953年)提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a为半径的圆,每一个粘着结点的接触面积为πa2.如果表面处于塑性接触状态,则每个粘结点支承的载荷为 ? ? ? ? ? ? ?W= πa2σs,式中σs为软材料的受压屈服极限。假设粘结点沿球面破坏,即迁移的磨屑为半球形。于是,当滑动位移为2a时的磨损体积为手2πa3/3。因此体积磨损度可写为,Archard模型,整个接触面上,所有的接触结点滑动单位距离所磨损的体积为V/s,考虑到并非所有的粘结点都形成半球形的磨屑,设ks为体积dV的小块材料从接触点脱落下来而发生磨损的几率,且ks<<1,则,式中h为材料硬度,k称为磨损系数。archard计算模型虽然是近似的,但可以用来估算粘着磨损寿命。用四球机测得几种润滑剂的抗粘着磨损性能,和用销盘磨损机测定的几种材料在干摩擦条件下ks的典型值。其值远小于1,这说明在所有的粘着结点中只有极少数发生磨损,而大部分粘结点不产生磨屑。对于这种现象还没有十分满意的解释。,或,(3)粘着磨屑形成机理,两固体表面间的粘着,由于相对滑动的剪切作用c使其如何断开,是粘着磨损机制要解决的重要问题。,一种理想情况是正好在接触间界面间断开,这时无论是表面间材料的转移还是粘着磨损都可忽略。对于石墨或二硫化钼表面间的滑动而载荷又小于解理台阶形成力时,与这种情况相近。这时要求面间的剪切强度要低于固体本身的强度。对金属,通常并不是这样。在不同种金属摩擦时,形成的粘着强度比这两金属中较弱的要高。粘接的剪断发生在强度低的金属一侧。在同种金属摩擦的情况,由于摩擦表层的加工硬化,形成的粘着也将比原金属强度高。由于剪切作用,将有块状屑从两接触分离的微凸体上撕开。鲍登和泰怕多年前就观察了在铜上发生的这种过程。,滑移舌粘着转移,如图所示的滑移舌粘着形成长大转移过程的六个阶段。 frictional="" c="" fm="" b="" sc="" wc="">>c时,可以略去c值,则上式的计算结果与指数型准则的相近似。 ? ?综上所述,由于胶合现象的复杂性,目前各种计算准则都有待于进一步完善,为此必须对胶合机理进行更深入的研究。,(6)影响粘着磨损的因素,除润滑条件之外,影响粘着磨损的主要因素是载荷、表面温度和材料性质。表面载荷 ?Виноградова研究了载荷对胶合磨损的影响,认为当表面压力达到一定的临界值,并经过一段时间后才会发生胶合。观察各种材料的试件在四球机实验中磨痕直径的变化,也表明当载荷达到一定值时,磨痕直径骤然增大,这个载荷称为胶合载荷。实验还证明:如果将试件浸入油中加热,当载荷低于临界值使油温升高,并不能发生胶合.这说明单靠表面温度升高不会产生胶合。,然而,载荷引起表面弹塑性变形必然伴随高温的出现。而且根据实验发现各种材料的临界载荷值随滑动速度增加而降低。这说明温度对胶合的发生起着重要作用.,表面温度,摩擦过程中产生的热量使表面温度升高,在表面接触点附近形成半球形的等温面,在表层内一定深度处各接触点的等温面将汇合成共同的等温面。最外层是变形区,产生热量,因此表面温度最高,又因热传导作用造成变形区非常大的温度梯度。变形区以内为基体温度,变化平缓。 ?表面温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度可使润滑膜失效,而温度梯度引起材料性质和破坏形式沿深度方向变化。,采用放射性同位素方法测量金属迁移量结果表明:当表面温度达到临界值时,磨损量和摩擦系数都急剧增加。 ?影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v,其中速度的影响更大,因此限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。,摩擦副材料,脆性材料的抗粘着磨损的能力比塑性材料高。塑性材料形成的粘着结点的破坏以塑性流动为主,它发生在离表面一定的深度处,磨屑较大,有时长达3mm,深达0.2mm.而脆性材料粘结点的破坏主要是剥落,损伤深度较浅,同时磨屑容易脱落,不堆积在表面上。根据强度理论:脆性材料的破坏由正应力引起,而塑性材料的破坏决定于剪切应力。而表面接触中的最大正应力作用在表面,最大剪切应力却出现在离表面一定深度,所以材料塑性越高,粘着磨损越严重。,相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强,容易发生粘着磨损。异性金属或者互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损的能力较高。,摩擦副材料,金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异种金属组成的摩擦副.从材料的组织结构而论,多晶材料比单晶材料抗粘着磨损能力高,多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。,通过表面处理方法在金属表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等的薄膜将减少粘着效应,同时表面膜也限制了破坏深度,从而提高抗粘着磨损能力。 ?此外,改善润滑条件,在润滑油或脂中加入油性和极压添加剂;选用热传导性高的摩擦材料或加强冷却以降低表面温度;改善表面形貌以减小接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。,2.磨粒磨损,(1)定义与分类(2)磨粒磨损简化模型(3)磨粒磨损机理(4)磨料及其磨损性能(5)影响磨粒磨损的因素,,(1)定义与分类,定义: ? ?在摩擦过程中,由于硬质颗粒或硬质凸出物使表面材料迁移或脱落而造成的一种磨损。按这一定义,从磨损机制考虑,磨粒磨损包括硬的粗糙表面上硬的微动体对相对较软的摩擦配偶表曲的划伤和材料的工作表面受硬质颗粒的压入和摩擦所造成的磨损。,而工业上所说的磨粒磨损主要指后面的这种情况。在矿山机械、工程机械、建筑机械、农业机械、冶金机械、运输机械和电力机械中的许多零部件,都直接与砂、石,煤或灰这等摩擦,而发生不同形式的磨粒磨损。它的广泛存在使工业国家损失国民生产总值的1~4%。在各类磨损中,磨粒磨损约占50%。,分类,①磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时,,磨粒与表面接触处的应力较低,因此固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时,常称为冲击磨损。此时磨粒与表面产生高应力碰撞,在表面上磨出较深的沟槽,并有大颗粒材料从表面脱落。在一对摩擦副中,硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用,这也是二体磨损,它通常是低应力磨粒磨损。②外界磨粒移动于两摩擦表面之间,称为三体磨粒磨损。通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力,往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳;而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。,分类,根据磨料的固定状态把磨料磨损分为自由磨料磨损和固定磨料磨损两类;在试验室里,有时把磨粒磨损试验分为:松散磨料磨粒磨损;固定磨料磨粒磨损;半固定磨料磨粒磨损,冲击磨料磨损等。,以力的作用特点分为:①低应力磨粒磨损;②高应力磨粒磨损研磨;③凿削式磨粒磨损以磨料的干湿状态分:干磨料磨损,湿磨料磨损和流体磨料磨损。以工作环境分:一般磨粒磨损,腐蚀磨粒磨损和热磨粒磨损。以相对硬度分:硬磨粒磨损和软磨粒磨损。,(2)磨粒磨损简化模型,如图所示,假定单颗圆锥形磨粒,在载荷ΔL作用下,压入较软的材料中,并在切向力的作用下,在表面滑动了ΔS的距离,犁出了一条沟槽,则,式中A为沟槽截面积,σs为材料受压屈服极限,B为压痕直径。从上式可知,此式与Archard的磨损方程基本上相同,即磨损量与载荷及滑动距离成正比,而与被磨损材料的硬度成反比。,(2)磨粒磨损简化模型,与Archard方程比较,磨粒磨损时的磨损系数可表达为:,大量的现场观察分析和实验室试验发现,金属的磨粒磨损在很大程度上取决于磨粒的硬度Ha和金属材料的硬度Hm之比。按Ha和Hm的大小关系,韧塑性金属的磨粒磨损体积V和相对耐磨性εw与磨粒硬度的关系大致可分成三个区域:区域I——低磨损区:Hm>1.25Ha,K∝Hm-6;区域Ⅱ——过渡磨损区:0.8 Ha<Hm<1.25Ha K∝Hm-2.5;区域Ⅲ E——高磨损区:Hm<0.8Ha,K=常数。这里耐磨性被定义为磨损体积的倒数:对于给定载荷、磨料及摩擦距离时,εw=c·Hm。,(2)磨粒磨损简化模型,磨粒磨损常数由磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量等因素决定。上述分析忽略了许多实际因素,例如磨粒的分布情况、材料弹性变形和滑动前方材料堆积产生的接触面积变化等等,因此上述模型近似地适用于二体磨粒磨损。在三体磨损中,一部分磨粒的运动是沿表面滚动,它们不产生切削作用,因而K值应当降低。,总之,为了提高磨粒磨损的耐磨性必须减少微观切削作用。例如:降低磨粒对表面的作用力并使载荷均匀分布;提高材料表面硬度;降低表面粗糙度;增加润滑膜厚度;以及采用防尘或过滤装置保证摩擦表面清洁等等。,(3)磨粒磨损机理,①微观切削磨损机理: ?磨粒作用在零件材料表面上的力,可分为法向力和切向力。法向力将磨粒压入摩擦表面,如硬度试验一样,在表面上形成压痕。切向力使磨粒向前推进,当磨粒的形状与位向适当时,磨粒就象刀具一样,对表面进行剪切、犁皱和切削,不过这种切削的宽度和深度都很小,因此产生的切屑也很小。,虽然切削时“刀具”,即一般的磨粒,大多具有负前角的特征,切屑变形也较大些,但在显微镜下观察,这些微观切屑仍具有机加工中切屑的特征。这些切屑一般长宽比较大,切屑的一面较光滑,而另一面则有滑动的台阶,有些还有卷曲现象。 ?微观切削是材料磨粒磨损的主要机理。在三体磨料磨损中也会发生微观切削作用。,①微观切削磨损机理:,但是,磨粒和表面接触时发生切削的概率不是很大的,虽然在某种条件下切削磨损量占总磨损量的比例很大。但当磨粒形状较圆钝时,或在犁削过程磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向时,或磨粒和被磨材料表面间的夹角(迎角)太小时,或表面材料塑性很高时,往往磨粒在表面滑过后,只犁出一条沟来,把材料推向两边或前面,而不能切削出切屑来,特别是松散的自由磨粒,大概有90%以上的磨粒发生滚动接触,只能压出印痕来,而形成犁沟的概率只不过10%,这样切削的可能性就更少了。,还有一种情况,如冲击角较大的冲蚀磨损以及球磨机磨球对磨料冲击时,往往在表面上形成压坑和在压坑四周被挤压出唇状凸缘,只能使表面发生塑性变形而切削的分量就很少。,②塑性挤压剥落磨损机理:,当磨粒滑过表面时,除了切削外,大部分磨粒只把材料推向前面或两旁,这些材料受到很大的塑性形变,却没有脱离母体,同时在沟底及沟槽附近的材料也受到较大的变形。犁沟时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑,一部分则末被切削而仅有塑变,披推向两侧和前缘。若犁沟时全部的沟槽体积都被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑时,则称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料,当受到随后的磨料作用时,可能把堆积起的材料重新压平,也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形,如此反复塑变,导致材料的加工硬化或其它强化作用,终于剥落而成为磨屑。,由于多次变形引起材料晶格的残余畸变,导致材料不可能再继续变形和吸收能量。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力,故有些截面上(当外力不变时)由于应力的增长(集中)逐渐丧失塑性而变为脆性状态。,③疲劳破坏磨损机理:,克拉盖尔斯基提出“疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用”。疲劳一词是指由重复应力循环引起的一种特殊破坏形式,这种应力循环的应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损系由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程进展的同时,过程的速度强烈地决定于周围的介质以及介质对强化的作用。,标准的疲劳过程常有潜伏期,在此期间材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏。当进一步发展时,在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。,③疲劳破坏磨损机理:,近年来出现了材料在大小超过弹性极限的周期性重复应力作用下的破坏现象。这种现象称作低周应变疲劳,它扩大了疲劳一词的含意。,吉宁巴乌姆认为疲劳磨损与多次变形表层破坏过程之间存在着许多共性关系,这两种机理的区别在于作用于金属内部的应力与相应的表层变形不同。前者发生在法向应力低于屈服极限,而后者的变形破坏过程则在塑性变形条件下进行的,当材料的周期载荷超过了一定范围后,过程发生了转变。这两种机理使材料达到破坏的加载周期数是大不相同的,疲劳破坏过程中表层微观组织的加载周期数高于103,而多次变形过程只有10次或100次。,

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