《材料磨損與耐磨材料（第3章粘著磨損）ppt課件.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《材料磨損與耐磨材料（第3章粘著磨損）ppt課件.ppt（63頁珍藏版）》請?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、1,第一篇 材料磨損基礎(chǔ),Chapter 1: 材料的磨損Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,2,Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,圖(a)屬粘著磨損，主要特征是磨損表面有細(xì)的劃痕，嚴(yán)重時(shí)有材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象磨損產(chǎn)物多為片狀或小顆粒，一般發(fā)生在蝸輪與蝸桿以及缸套與活塞環(huán)之間的磨損。,磨損按不同機(jī)理和條件，主要分為四大基本類型，如 下圖所示：,3,Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,圖(b)為磨粒磨損，主要特征是磨損表面有明顯的劃痕或犁溝，磨損物為條狀或切屑狀，常見于農(nóng)用犁鏵、斗齒等。,4,Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,圖(c)是接觸疲勞磨損

2、，主要特征為磨損表面有裂紋、小坑等，磨損產(chǎn)物為塊狀或餅狀，通常在滾動(dòng)軸承、齒輪的表面發(fā)生較普遍。,5,Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,圖(d)為腐蝕磨損。它的主要特征是磨損表面有化學(xué)反應(yīng)膜或小麻點(diǎn)，但麻點(diǎn)比較光滑。磨損物為簿的碎片或粉末，典型工件如船舶外殼、水力發(fā)電的水輪機(jī)葉片等。,6,Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理,3.1 粘著磨損3.2 磨粒磨損3.3 腐蝕磨損3.4 疲勞磨損3.5 沖蝕磨損3.6 微動(dòng)磨損,7,3.1 粘著磨損,3.1.1 粘著磨損的概念3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律3.1.3 粘著磨損分類3.1.4 粘著磨損表達(dá)式與定律3.1.5 影響粘著磨損的因素,8,3

3、.1.1 粘著磨損的概念,粘著磨損的過程描述：兩相對滑動(dòng)的表面在摩擦力作用下表層發(fā)生塑變表面的污染膜、氧化膜破裂新鮮金屬表面裸露分子力使兩表面焊合。 若外力克服不了焊合點(diǎn)及其附近的結(jié)合力 咬合現(xiàn)象,9,3.1.1 粘著磨損的概念,若外力大于這種結(jié)合力，外力使結(jié)合處發(fā)生剪切斷裂：剪切發(fā)生在原接觸面：不發(fā)生磨損，即“零磨損”；剪切發(fā)生在強(qiáng)度較低的金屬一方：強(qiáng)度較高的材料表面將粘附對摩件金屬，發(fā)生“金屬轉(zhuǎn)移”，即發(fā)生”物質(zhì)轉(zhuǎn)移”。 在以后的摩擦過程中，附著物碾轉(zhuǎn)于對磨件的表面之間，有些粘附物在反復(fù)的摩擦中可能由金屬表面脫落下來磨屑。,10,3.1.1 粘著磨損的概念,粘著磨損也稱咬合(膠合)磨損。磨

4、損產(chǎn)物通常呈小顆粒狀，從一物體表面粘附到另一個(gè)物體表面上，然后在繼續(xù)的摩擦過程中，表面層發(fā)生斷裂，有時(shí)還發(fā)生反粘附即被粘附到另一個(gè)表面上的材料又回到原來的表面上，這種粘附反粘附往往使材料以自由磨屑狀脫落下來。粘著磨損產(chǎn)物可以在任意的循環(huán)中形成。粘著以后的斷裂分離，并不一定在最初的接觸表面產(chǎn)生。,11,3.1 粘著磨損,3.1.1 粘著磨損的概念3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律3.1.3 粘著磨損分類3.1.4 粘著磨損表達(dá)式與定律3.1.5 影響粘著磨損的因素,12,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,粘著磨損過程一般分為三個(gè)階段： (1)跑合階段亦稱磨合階段(磨合磨損階段)； (2)穩(wěn)定磨損階段； (

5、3)急劇磨損階段亦稱破壞磨損階段。如下圖所示：,13,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,(1)跑合階段亦稱磨合階段(磨合磨損)：由于物體實(shí)際表面在微觀上都是粗糙不平的，所以兩固體表面的接觸實(shí)際只是表面上微凸體的相互接觸。當(dāng)接觸表面開始相對滑動(dòng)時(shí)，接觸與焊合的那些高微凸體將首先由于剪切而導(dǎo)致破壞。隨著磨損過程的進(jìn)行摩擦表面逐漸磨平，實(shí)際接觸面積增大，相應(yīng)的磨損量Q，開始時(shí)增加很快，然后逐漸變慢，見圖oa段。隨時(shí)間T的增加或行程的增長，磨損率下降。,14,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,(2)穩(wěn)定磨損階段 經(jīng)過跑合，表面微觀幾何形狀改變，接觸面積增大，同時(shí)，摩擦表面加工硬化，從而建立了彈性接觸條件，這時(shí)

6、磨損已趨于穩(wěn)定，磨損量Q與時(shí)間T成正比(見圖ab段)，磨損率基本保持不變。,15,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,(3)急劇磨損階段亦稱破壞磨損階段 見圖b點(diǎn)以后，由于溫度急劇升高或表面金屬組織發(fā)生變化等原因，磨損速度急劇增加，磨損量Q劇增，工作條件惡化，機(jī)械效率降低，精度降低，出現(xiàn)異常的噪音與振動(dòng)，最后導(dǎo)致零件完全失效。,16,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,從磨屑脫落的角度分析，下圖表示粘著磨損的發(fā)展過程：圖(a)為被磨表面的原始狀態(tài)，表面粗糙不平，存在由于加工形成的各種缺陷。,17,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,圖(b)表示兩個(gè)摩擦表面相對滑動(dòng)時(shí)，由于摩擦力的作用，在表層產(chǎn)生塑性流動(dòng)(實(shí)線表

7、示)，表層的缺陷不斷擴(kuò)展。表面接觸部位發(fā)生金屬間的粘著。,18,3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律,圖(c)表示表面層內(nèi)的裂縫擴(kuò)展到表面，金屬從表面撕裂下來，形成磨粒。一些金屬粘著在另一個(gè)金屬表面。圖(d)是磨損后形成的新表面。,19,3.1 粘著磨損,3.1.1 粘著磨損的概念3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律3.1.3 粘著磨損分類3.1.4 粘著磨損表達(dá)式與定律3.1.5 影響粘著磨損的因素,20,3.1.3 粘著磨損分類,1.按工作溫度可分為低溫粘著磨損和高溫粘著磨損兩類：（1） 低溫粘著磨損 按發(fā)生在摩擦面間的相對滑動(dòng)速度不大 (0.5m/s0.6m/s)，表面溫度不高(100150)，表面間壓

8、強(qiáng)很高時(shí)，相互接觸的微峰之間發(fā)生冷焊的粘結(jié)點(diǎn)。粘著點(diǎn)由于塑性流動(dòng)產(chǎn)生明顯的硬化，因而粘著點(diǎn)的強(qiáng)度大于摩擦副中較軟金屬的強(qiáng)度。在相對滑動(dòng)時(shí)，軟的金屬可能從基體上脫落下來。這種粘著磨損，表層上的金屬組織和基體相都沒有明顯的相變和化學(xué)成分的變化，見圖1.3-4(a)，圖1.3-5(d)，(e)所示。,21,3.1.3 粘著磨損分類,22,3.1.3 粘著磨損分類,（2）高溫粘著磨損 高溫粘著磨損發(fā)生在相對滑動(dòng)速度很大，表面壓力很高的條件下，這時(shí)微峰接觸點(diǎn)上的瞬時(shí)溫度很高。僅僅在表面的很薄一層金屬發(fā)生軟化，被軟化的金屬轉(zhuǎn)移到另一個(gè)金屬表面。在磨損的表面上，沿著滑動(dòng)方向形成交替的裂口、凹穴。表層的金相組

9、織和化學(xué)成分均有明顯變化。高溫粘著磨損的磨屑呈薄帶形其厚度小于低溫磨損的磨屑。見圖1.3-4(b)，圖1.3-5(a)，(b)，(c),23,3.1.3 粘著磨損分類,24,3.1.3 粘著磨損分類,2. 粘著磨損使摩擦副表面形貌發(fā)生變化，從光學(xué)顯微鏡下可看到表面擦傷、材料轉(zhuǎn)移、咬死焊點(diǎn)和疲勞點(diǎn)蝕等磨損形態(tài)。根據(jù)表面磨損程度可劃分為5類粘著磨損：(1)輕微磨損 ：剪切破壞發(fā)生在粘著結(jié)合面上表面轉(zhuǎn)移的材料較輕微。 原因：粘著結(jié)合強(qiáng)度比摩擦副的兩基本金屬抗剪強(qiáng)度都弱。,25,3.1.3 粘著磨損分類,(2)涂抹(smear) 剪切發(fā)生在離粘著結(jié)合點(diǎn)不遠(yuǎn)的較軟金屬的淺表層內(nèi)，軟金屬涂抹在硬金屬表面上

10、形成輕微磨損。如鉛基合金涂抹在鋼的表面上。原因：粘著結(jié)合強(qiáng)度大于較軟金屬的抗剪強(qiáng)度，但小于較硬金屬的抗剪強(qiáng)度 。正壓力 磨損（3）擦傷(scratch/scotching) 剪切發(fā)生在軟金屬的亞表層內(nèi)，有時(shí)硬金屬表面也有劃傷。如鋁對鋼的摩擦。擦傷時(shí)接觸表面的剪切強(qiáng)度既大于軟金屬，也大于硬金屬。轉(zhuǎn)移到金屬表面的粘著物對軟金屬有“犁削”作用。,26,3.1.3 粘著磨損分類,（4）咬卡（咬死, seizure） 當(dāng)外力不能克服界面結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，摩擦副的相對運(yùn)動(dòng)被迫停止。這種現(xiàn)象叫做咬卡或咬死。粘著結(jié)合強(qiáng)度比兩基本金屬的抗剪強(qiáng)度都高，而且粘著區(qū)域大，切應(yīng)力低于粘著結(jié)合強(qiáng)度。 （5）粘焊（也稱膠合, s

11、cuffing/scoring）實(shí)質(zhì)是固相的焊合；塑性變形為主要起因的分子吸引造成的粘焊，這種冷焊稱第一類膠合。由于摩擦熱，接觸表面溫度升高為主要原因引起的粘焊，這種熱焊稱為熱粘著或第二類膠合。,27,3.1.3 粘著磨損分類,第一類膠合的相關(guān)因素：材料性能（表面物性、表面化性、表面力性）；e.g.強(qiáng)度、塑性、韌性、氧化性等相對運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方式；載荷大小和加載方式；周圍環(huán)境條件（介質(zhì)、溫度等）。 例如：用30CrMnSiA鋼制成飛機(jī)起落架的軸頸和軸承，熱處理后表面硬度HRC34-39。相對滑動(dòng)速度0.04-0.08m/s，最大載荷12N。軸頸和軸承表面發(fā)生膠合，由于塑性變形，表層形成一定深度

12、形變硬化層。摩擦副雙方都發(fā)生撕裂現(xiàn)象，并產(chǎn)生金屬磨屑，可能粘附在表面，受反復(fù)碾壓。有的顆粒保留在摩擦副之間，有的在摩擦過程中剝落。,28,3.1.3 粘著磨損分類,在金屬表層的一定深度發(fā)生明顯塑性流變。流線沿摩擦方向排列，形成一定程度的織構(gòu)。用X射線方法對膠合表層金屬的應(yīng)力進(jìn)行分析：摩擦副雙方的內(nèi)應(yīng)力均顯著增加，但沒有發(fā)生任何相變。用光譜法分析軸頸表面成分：沒有明顯的成分變化。例如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速軸（12CrNi3A鋼，HRC55）和它的殼體（鑄鋁合金，HB76）承受第一類膠合磨損。軸在殼體內(nèi)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋁合金表面發(fā)生磨損，表面變得粗糙，發(fā)生明顯失重。磨屑粘附在強(qiáng)度較大的鋼軸表面，鋼軸表面發(fā)

13、生塑性變形和加工硬化。,29,3.1.3 粘著磨損分類,第一類膠合磨損特征：破壞主要發(fā)生在軟金屬一方；摩擦副雙方都發(fā)生撕裂現(xiàn)象，并產(chǎn)生金屬磨屑磨損表面粗糙金屬表層有明顯塑性流變第一類膠合特點(diǎn)：相對滑動(dòng)速度不高（0.5m/s）；表層溫度較低（100）存在金屬轉(zhuǎn)移；磨損表面有未氧化的金屬顆粒； 無相變和成分變化；嚴(yán)重塑變，表層應(yīng)力狀態(tài)變化大，有時(shí)有織構(gòu)；潤滑有明顯影響。,30,3.1.3 粘著磨損分類,在某些條件下，發(fā)生膠合的表面也伴隨氧化磨損發(fā)生。氧化磨損(即氧化膜形成)可阻止膠合的發(fā)展。但是如載荷等加重，則膠合磨損將加劇。表面層硬度增高，可防止第一類膠合發(fā)生與發(fā)展，只有在很大載荷下才能產(chǎn)生膠合

14、現(xiàn)象。 潤滑狀態(tài)對第一類膠合有明顯影響。潤滑膜的存在對膠合的發(fā)生和發(fā)展是強(qiáng)有力的阻礙因素。表面的液體潤滑膜、固體潤滑膜（氧化膜、硫化膜）等都可減輕或避免膠合發(fā)生。在宇航條件下高真空環(huán)境和地球表面不同，沒有空氣、氧氣、二氧化碳和水汽，因此摩擦副表面不能形成具有潤滑作用的氧化膜。,31,3.1.3 粘著磨損分類,第二類膠合特點(diǎn)：與摩擦溫升有重要關(guān)系。摩擦熱取決于：外部條件：e.g.接觸壓力、滑動(dòng)速度等材料性質(zhì)：e.g.熱容、導(dǎo)熱性等服役和試驗(yàn)條件：如散熱條件、潤滑情況等只有當(dāng)表面摩擦溫度超過相變臨界點(diǎn)時(shí)。才產(chǎn)生第二類膠合。明顯標(biāo)志是相變引起的白亮層。試驗(yàn)證明白（亮）層是摩擦熱引起的重結(jié)晶產(chǎn)物，其中

15、含有一定數(shù)量的“摩擦奧氏體”和“摩擦馬氏體”，而這些組織在試驗(yàn)前的材料中可能完全沒有。,32,3.1.3 粘著磨損分類,由于摩擦表面溫度很高，軟化作用可能很明顯。但動(dòng)態(tài)分析該問題可能出現(xiàn)不同結(jié)果。例如，摩擦表面溫升高，持續(xù)時(shí)間長，鋼表面溫度超過臨界點(diǎn)，奧氏體化較為充分，在高速滑動(dòng)條件下表面出現(xiàn)大量殘余奧氏體，表面軟化效果可能保持，試驗(yàn)后表層材料硬度就較低。但如奧氏體穩(wěn)定性不大，發(fā)生 相變，由于冷卻速度很快，很容易得到馬氏體。表面硬度沒有軟化反而變硬。因此摩擦磨損的動(dòng)態(tài)特性研究十分重要。,33,3.1.3 粘著磨損分類,例如：12Cr2Ni4A滲碳齒輪與鉛錫青銅軸套構(gòu)成摩擦副。相對滑動(dòng)速度高達(dá)4

16、.6ms，局部壓力500MPa。在惡劣服役條件下，表層金屬因膠合被加熱，齒輪表面金屬熔化，并粘附在對磨件表面。由于表面溫度高，齒輪表面發(fā)生明顯相變，由原來相變成相。 因此，金屬材料發(fā)生第二類膠合，耐磨性與試驗(yàn)前的組織與性能關(guān)系不大。由于摩擦表面溫度超過臨界點(diǎn)，原來組織已發(fā)生變化。（用試驗(yàn)前材料的硬度、強(qiáng)度等性能作為耐磨性判據(jù)不合適）。 與第一類膠合不同，潤滑狀態(tài)(尤其是有機(jī)潤滑劑容易分解和揮發(fā)的潤滑劑)對第二類膠合作用不大。,34,3.1 粘著磨損,3.1.1 粘著磨損的概念3.1.2 粘著磨損一般規(guī)律3.1.3 粘著磨損分類3.1.4 粘著磨損表達(dá)式與定律3.1.5 影響粘著磨損的因素,35,3.1.4 粘著磨損表達(dá)式與定律,粘著磨損的基本原理：固體表面的作用力：短程力：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵2塊純金接觸:金屬鍵純凈金剛石接觸:近似共價(jià)鍵2塊巖鹽接觸:離子鍵長程力：范德華力橡膠等高分子材料表面（1）長程力的產(chǎn)生：兩物體的分子或原子中電荷分布的漲落引起。電荷漲落形成瞬時(shí)的偶極子（磨損過程中因相對運(yùn)動(dòng)，偶極子時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，在相鄰的原子或分子中誘發(fā)出偶極子）,36,3.1.4 粘著磨損表達(dá)式與