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Mechanical Property of Materials

材料力学性能. Mechanical Property of Materials. Prof ： Li Min Tel ： 86057927 ( 2#333 ) 13863933539 E-Mail ： kd_limin@126.com. Department of Material Science and Engineering. Mechanical Property of Materials. Chapter Ⅶ. Wear of metals. §1 磨损概念.

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  1. 材料力学性能 Mechanical Property of Materials Prof： Li Min Tel： 86057927 ( 2#333 ) 13863933539 E-Mail：kd_limin@126.com Department of Material Science and Engineering Mechanical Property of Materials

  2. Chapter Ⅶ Wear of metals §1 磨损概念 摩擦与磨损：是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象。 摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。 1. 定义：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，使表面材料逐渐损失，造成表面损伤的现象。 Chapter Ⅶ

  3. 2. 磨损过程 O 从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的使用寿命，应尽量延长“稳定磨损阶段”。 Chapter Ⅶ

  4. 3. 耐磨性－评价材料抵抗磨损的性能 线磨损量 通常用磨损量表征材料的耐磨性 体积磨损量 重量法 相对耐磨性： Chapter Ⅶ

  5. 4. 磨损类型 磨料磨损 按磨损的破坏机理分为： 粘着磨损 冲蚀磨损 疲劳磨损 微动磨损 腐蚀磨损 Chapter Ⅶ

  6. §2 磨损模型 一、粘着磨损 1. 定义：在滑动摩擦条件下，因缺乏润滑油或摩擦点处氧化膜被破坏后，摩擦副表面局部发生粘着，在相对运动时粘着处又分开，使接触表面有小颗粒被拉出来，这种过程反复进行多次而产生的一种磨损。 发生于力学性能相差不大的两种金属之间。 Chapter Ⅶ

  7. 2. 粘着磨损机理 接触-塑性变形-粘着-剪断粘着点-材料转移-再粘着，循环不断进行，构成粘着磨损过程。 Chapter Ⅶ

  8. 粘着点的形成 粘着点的剪断 粘着点的转移 磨屑形成 粘着磨损模型 Chapter Ⅶ

  9. 重要特征： • 转移膜、化学成分变化 • 机件表面有大小不等的结疤 Chapter Ⅶ

  10. 粘着点强度与两摩擦副强度相比 • 大于一方→相同金属间滑动 • 低于两者→磨损量小 • 大于两者 Chapter Ⅶ

  11. 3.四种典型的粘着磨损 • 轻微磨损 • 涂抹 • 擦伤 • 咬合 Chapter Ⅶ

  12. 3.磨损量的估算 (Archard模型) • 上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较硬的材料，摩擦副另一方为较软的材料；法向载荷W由n个半径为a的相同微凸体承受。 Chapter Ⅶ

  13. 当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限σs之间的关系：当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限σs之间的关系： (1) • 当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形,其体积为(2/3)πa3，则单位滑动距离的总磨损量为: (2) Chapter Ⅶ

  14. (1) (3) (2) • 式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数K和滑动距离L，则接触表面的粘着磨损量表达式为： (4) • 对于弹性材料σs≈H/3，H为布氏硬度值，式(4)可变为： 式中K为粘着磨损系数 Chapter Ⅶ

  15. (4) • 由(4)式可得粘着磨损的三个定律： ①材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件 ②材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围 ③材料磨损量与较软材料的屈服极限σs(或硬度H)成反比 Chapter Ⅶ

  16. 粘着磨损系数K：代表微凸体中产生磨粒的概率。因此，K值必须按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件求得。粘着磨损系数K：代表微凸体中产生磨粒的概率。因此，K值必须按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件求得。 (4) 表1 常用金属的滑动磨损系数 Chapter Ⅶ

  17. 当压力值小于H/3时，磨损率小而且保持不变； • 当压力值超过H/3时，磨损量急剧增大。 钢制销钉在钢制圆盘上滑动摩擦时钢的磨损系数随表观压力的变化曲线 Chapter Ⅶ

  18. 4. 影响因素： （1）材料特性： a.脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 b.金属性质相近，构成摩擦副时粘着磨损严重。 • 冶金的相(互)溶性：两种金属能在固态互相溶解的性能。 • 摩擦的相(互)溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能。 • 一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。 Chapter Ⅶ

  19. 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；金属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向小。 • 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。 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。 Chapter Ⅶ

  20. （2）载荷 • 载荷越大，粘着倾向越高； • 设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。 FeO、Fe2O3 和Fe3O4 粘着磨损 Fe2O3 滑动速度不变，改变载荷的钢对钢磨损结果 Chapter Ⅶ

  21. （3）速度 • 在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少。 磨损量与滑动速度、接触压力的关系 Chapter Ⅶ

  22. （4）温度：温度升高，粘着倾向上升。 • 表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。 温度对咬合磨损的影响 Chapter Ⅶ

  23. （5）润滑：粘着倾向大大下降。 • 在润滑油、润滑脂中加入油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。 • 油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。 • 极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下而引起的粘着现象。 Chapter Ⅶ

  24. 5.改善粘着磨损耐磨性的措施 • 摩擦副配对材料的选择 • 采用表面化学热处理改变材料表面状态 • 控制摩擦滑动速度和接触压应力

  25. 二、磨粒磨损 1. 定义：当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或者在接触面之间存在硬质粒子，在压力作用下滑过或滚过零件表面时，产生磨粒磨损。 2. 分类 两体磨粒磨损 （1）以磨损表面接触条件分类： 三体磨粒磨损 Chapter Ⅶ

  26. a.二体磨粒磨损 • 磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损。 b.三体磨粒磨损 • 外界磨粒移动于两摩擦表面之间, 类似于研磨作用, 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。 Chapter Ⅶ

  27. 凿削式磨粒磨损 （2）以磨粒所受应力大小分类： 高应力碾碎性磨粒磨损 低应力擦伤性磨粒磨损 • a.凿削式磨粒磨损 • 冲击力大，磨料以很大的冲击力切入金属表面，因此工件受到很高的应力，造成表面宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下金属大颗粒，被磨损表面有较深的沟槽和压痕。 Chapter Ⅶ

  28. b.高应力碾碎式磨粒磨损 • 应力高，当磨料夹在两摩擦表面之间时，局部产生很高的接触应力，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。 c.低应力擦伤式磨粒磨损 • 应力低，磨料作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。材料表面有擦伤并有微小的切削痕迹。 Chapter Ⅶ

  29. 磨粒磨损的特征 • 特征：明显犁皱形成的沟槽 • 剪切、犁皱或切削 • 韧性材料，连续屑；脆性材料，断屑 磨粒磨损过程 切削作用，塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂 Chapter Ⅶ

  30. 3. 磨粒磨损机理 • 法向载荷将磨料压入摩擦表面，滑动时磨料对表面产生切削作用，材料脱离表面形成磨屑。 a.微观切削假说 • 磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，滑动时使表面产生塑性变形，压痕两侧材料受到损伤，从表面挤出或剥落。 b.压痕破坏假说 • 摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，出现疲劳裂纹并逐渐扩大，最后从表面剥离。 c.疲劳破坏假说 Chapter Ⅶ

  31. 4. 磨粒磨损模型 单位滑动距离的磨损量(磨损率)为Q0=nhr, 因为r=htan θ，因此： 简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出

  32. 5. 影响因素： (1)材料硬度的影响 • 对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比。 • 相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越强。 Chapter Ⅶ

  33. (2)相对硬度影响 • 磨粒磨损取决于磨料硬度H0与试件材料硬度H比值: Ⅰ：当H0 ≤ 0.7H时，轻微磨损阶段。 Ⅱ：当0.7H < H0< 1.3H，磨损量随磨料硬度迅速增大，过渡磨损阶段。 Ⅲ：H0 ≥ 1.3H，将产生严重磨损。 为了降低磨粒磨损，材料硬度H大约为磨料硬度H0 的1.4倍，即H0 ≈ 0.7H时最佳。 Chapter Ⅶ

  34. (3)显微组织的影响 a.基体组织 • 由铁素体逐步转变为珠光体、贝氏体、马氏体时，耐磨性提高。 b.第二相组织 • 钢中的碳化物是最重要的第二相。在磨粒磨损中，材料的耐磨性与碳化物和基体硬度相对大小以及碳化物硬度有关。 Chapter Ⅶ

  35. (4)磨粒尺寸的影响： • 一般金属的磨损量随磨料平均尺寸的增大而增加，到某一临界值后，磨损量便保持不变，即磨损与磨料的尺寸无关。钢磨损量与磨料尺寸关系如下图所示。 Chapter Ⅶ

  36. (5)载荷的影响： • 载荷显著地影响各种材料的磨粒磨损。 • 如右图所示，线磨损度与表面压力成正比。当压力达到转折值pc 时, 线磨损度随压力的增加变得平缓, 这是由于磨粒磨损形式转变的结果。各种材料的转折压力值不同。 Chapter Ⅶ

  37. 三、腐蚀磨损 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，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。 氧化磨损 冲蚀磨损 分类 特殊介质腐蚀磨损 Chapter Ⅶ

  38. 四、微动磨损 嵌合部位或紧配合处，接触表面之间虽没有宏观相对运动，但在外部变动载荷和一定振动频率作用下，产生微小的滑动，由此导致的磨损称为~。 1. 微动 → 塑性变形 → 粘着磨损 2. 脱落的颗粒形成磨料 → 磨粒磨损 3. 颗粒脱落后露出新鲜表面 → 氧化磨损 4. 接触区疲劳 Chapter Ⅶ

  39. 五、接触疲劳 （一）接触疲劳现象 相对滚动条件下，两接触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剥落破坏的现象。 损伤形式： 深浅不同的麻点，凹坑加深，在坑底有贝纹状的疲劳扩展的痕迹。 Chapter Ⅶ

  40. （二）接触疲劳破坏机理 1. 麻点剥落 Chapter Ⅶ

  41. 2. 浅层剥落 3. 深层剥落 Chapter Ⅶ

  42. §3 磨损试验方法 SRV高温摩擦磨损试验机 Chapter Ⅶ

  43. 湿式橡胶轮磨粒磨损试验原理示意图 试样 荷重 磨料 橡胶轮 环-块式 盘-销式 常温 高温 Chapter Ⅶ

  44. Thank you ! Chapter Ⅶ

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