第七章金属磨损和接触疲劳

2024年2月23日发(作者：怎么设置行距)

第七章 金属磨损和接触疲劳

机器运转时，相互接触的机器零件总要相互运动，产生滑动、滚动、滚动＋滑动，都会产生摩擦，引起磨损。如:轴与轴承、活塞环与气缸、十字头与滑块、齿轮与齿轮之间经常因磨损和接触疲劳，造成尺寸变化，表层剥落，造成失效。

有摩擦必将产生磨损，磨损是摩擦的必然结果。

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1/3～1/2，大约80％的机件失效是磨损引起的。汽车传动件的磨损和接触疲劳是汽车报废的最主要原因，所以，耐磨成了汽车档次的一个重要指标。

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。

第一节 磨损概念

一、 摩擦与磨损现象

1、摩擦

两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，接触表面之间就会出现一种阻碍运动或运动趋势的力，这种现象成为摩擦。这种作用在物体上并与物体运动方向相反的阻力称为摩擦力。

最早根据干摩擦的试验，得到摩擦力F正比于两物体之间的正压力（法线方向）N的经典摩擦定律，即F=μN，式中μ称为摩擦系数。后来发现这个定律只对低速度、低载荷的干摩擦情况是正确的，然而在许多场合下还是被广泛应用。

摩擦力来源于两个方面：①由于微观表面凸凹不平，实际接触面积极少(大致可在1/10000～1/10的范围内变化)，这部分的接触应力很大，造成塑性变形而引起表面膜（润滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使两种金属原子结合（冷焊）；②由于微观表面凸凹不平，导致一部分阻止另一部分运动。要使物体继续移动，就必须克服这两部分阻力。

用来克服摩擦力所做的功一般都是无用功，在机械运动中常以热的形式散发出去，使机械效率降低。减小摩擦偶件的摩擦系数，可以降低摩擦力，即可以保证机械效率，又可以减少机件磨损。

而要求增加摩擦力的情况也很多，在某些情况下却要求尽可能增大摩擦力，如车辆的制动器、摩擦离合器等。

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2、磨损

①定义：机件表面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（松散的尺寸与形状均不相同的碎屑），使表面材料逐渐损失（导致机件尺寸变化、重量损失）、造成表面损伤的现象，称为磨损。

摩擦和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。

②过程：磨屑的形成是金属表面变形和断裂过程。金属磨损是发生在两相对运动的表面之间的一个非常复杂的过程。当两个相互接触的物体在压力作用下，金属表面发生弹性变形及塑性流动时，使表面膜破坏，暴露出未经任何氧化及被油污染的金属。这部分原子之间的活性特别强，很容易粘合（冷焊）在一起。在切向力的作用下会剪断，并粘附在其中一个表面上，而去磨另一表面。如果粘附现象发展的很严重，驱动力无法将其克服，就会发生咬合现象。当速度或载荷高时，摩擦表面温度会升得相当高，使表面层发生回火，甚至二次淬火。同时周围介质中的氧和氮以及润滑油中的碳会向金属内扩散，形成固溶体或化合物，并使其变脆而脱落，脱落的颗粒成为磨粒又可能去磨损摩擦表面，所以磨损的过程极为错综复杂。

摩擦与磨损是同时存在的，在摩擦过程中如果磨损率突然改变，此时摩擦系数亦有相应改变，也就是说，如果摩擦系数突然上升，那就意味者可能开始发生粘着磨损或磨料落入表面，然而，材料的耐磨性与摩擦系数并无直接关系。摩擦系数低，并不意味着耐磨性高。

二、 磨损过程

机件正常运行的磨损过程一般分为三个过程;

跑合阶段（磨合阶段）：

稳定磨损阶段：

剧烈磨损阶段：

三、耐磨性

耐磨性是材料抵抗磨损的性能。通常用磨损量来表示，磨损量越小，耐磨性越高。

磨损量的表示方法有：线磨损、体积磨损、质量磨损、比磨损量、相对耐磨性。

第二节 磨损机理

磨损的分类：在磨损过程中，塑性变形与断裂过程是周而复始不断循环的，一旦形成磨损产物后，随之产生新的循环，磨损过程具有动态特征。机件表面的磨损不是简单的力

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学过程，而是物理的、力学的和化学过程极为复杂的综合。理论上还不成熟，因此，分类方法也不统一。

按磨损的破坏机理，磨损可分为：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损（接触疲劳）、腐蚀磨损。

按机件表面磨损状态，磨损可分为：连续磨损、粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、微动磨损、表面塑性流动。

一、粘着磨损

1、磨损机理

粘着磨损又称咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的。它是因缺乏润滑油，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而产生的一种磨损，其表面形貌如图7-2所示。

形成粘着点后的分离部位，可能有二种情况：粘着点，粘着点两侧（取决于强度），以粘着点结合强度比摩擦偶件的两基体金属都弱，则磨损极为轻微。若剪切应力低于粘着点结合强度时，两摩擦偶件会产生咬死而不能相对运动。如：不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中就经常发生这种现象。

若摩擦偶件只受法向载荷作用，且存在表面薄膜（如油膜、氧化膜等），则不易产生粘着。

2、磨损量的估算

V式中 lt－总滑动距离

α－系数

H－材料硬度

上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑动距离呈正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬度）呈反比，而与表观接触面积无关。

如果压缩屈服强度（或硬度）较高，则因其难于塑性变形不易粘着转移而使磨损减小。

如果压缩屈服强度（或硬度）一定，材料塑性较好，则在相同法向力条件下可以产生较大塑性变形，使真实接触面积增加，因降低了单位面积上的法向力也可减小磨损量，此即意味着材料的磨损量与塑性呈反比。上式又可改写成：

KFtlKFtl (7-7)

9scH

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V式中 δ－材料的断后伸长率。

KFlt （7-8）

9scσsc与δ的乘积为材料的韧性。可见，粘着磨损的体积磨损量随较软一方材料的压缩屈服强度和韧性增加而减小。其实，从粘着磨损机理来看，增加硬度固然能减少磨损，但在材料韧性增加时，由于延缓断裂过程，所以也能使磨损量减少。

3、影响因素

①材料： 塑性材料比脆性材料易于粘着。

互溶性大的材料组成的摩擦副粘着倾向大。

单相合金比多相合金粘着倾向大。

固溶体比化合物粘着倾向大。

金属与金属组成的摩擦副比金属与非金属组成的摩擦粘着倾向大。

②外力：摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加。试验结果表明，当接触压应力超过材料硬度H的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时会产生咬死现象。因此，设计时选择的许用应力必须低于材料硬度值的1/3，以免产生严重的粘着磨损。

③滑动速度：粘着磨损量随摩擦速度增大而增加，但达到某一极限值后又随滑动速度增加而减小。

④其它：表面粗糙度：降低表面粗糙度将增加抗粘着磨损能力，过低将导致润滑油难于储存在摩擦面内而促进粘着。

表面温度：其影响与滑动速度一致。

润滑状态：好的润滑状态将显著降低粘着磨损量。

4、改善粘着磨损耐磨性的措施

磨损是造成材料损耗的主要原因，也是机件三种主要失效形式（磨损、腐蚀、断裂）之一。

金属材料的磨损主要是发生在表面的变形和断裂过程，所以，提高摩擦副表面的强度（或硬度）和韧性，可以提高耐磨性。

对粘着磨损而言：

①注意摩擦副配对材料的选择。

②采用表面化学热处理改变材料表面状态。渗硫、渗磷、渗氮等方法，使表面形成一层化合物或非金属层，避免摩擦副直接接触，既降低原子之间的结合力，又减小摩擦系数，

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可防止粘着。

③控制摩擦滑动速度和接触压应力。

④改善润滑条件，提高氧化膜与基体的结合力，可以阻止金属之间直接接触、增强氧化膜的稳定性。从而提高耐磨性。

二、磨粒磨损

1、磨损机理

①定义：当摩擦副一方表面坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着坚硬粒子时所产生的一种磨损。

②分类

按所受应力的大小不同，可分为：凿削式、高应力碾碎性和低应力擦伤性三类。

③特征：摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。见图7－5。

④磨损机理与特点：

磨粒与摩擦表面之间的相互作用，与机械加工中切削刀具与工件的相互作用类似。

对于韧性材料：在锐刃的硬粒子作用下，每一磨粒从表面切下的是一个连续的屑。

在光滑刃或圆刃的硬粒子作用下，只能被犁皱，形成沟槽。

对于脆性材料： 在锐刃的硬粒子作用下，一个磨粒切下的是许多断屑。

在光滑刃或圆刃的硬粒子作用下，沟槽是由裂纹扩展和表面材料呈碎片脱落而引起的。

2、磨损量估算

VFltg (7-11)

3scFltg (7-12)

HVK可见，磨粒磨损量与法向力、摩擦距离呈正比，与材料硬度呈反比，同时还与硬材料凸出部分或磨粒的形状有关。

同时，因磨粒的棱面相对摩擦表面的取向不同，只有一部分磨粒才能切削表面产生磨屑；大部分磨粒嵌入软材料中，使之产生塑性变形，造成擦伤或形成沟槽。堆积在沟槽两侧的材料，只有在随后的运动过程中有一部分能形成磨屑。

3、影响因素

材料硬度：硬度越高，抵抗磨粒磨损的能力越好。

相同硬度时，钢中含碳量越高，碳化物形成元素越多，则耐磨性越好。

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显维组织：M>F；相同硬度时，B下>M回；细晶粒；碳化物

磨粒磨损也有有利的一面，如：抛光、挫削、砂轮磨削、砂轮切割等。

4、改善磨粒磨损耐磨性的措施

①对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度。这是提高耐磨性的最有效的措施。例如选用含碳较高的钢并获得马氏体组织； 如果磨粒磨损机理是塑性变形，或塑性变形后疲劳破坏（低周疲劳）、脆性断裂，则提高材料韧性对改善耐磨性有益。此时用等温淬火获得下贝氏体（良好的硬度和韧性），消除基体初生碳化物，并使二次碳化物均匀弥散分布以及含有适量残余奥氏体等都能改善抗磨粒磨损能力。

②根据机件服役条件，合理选择耐磨材料。

在高应力冲击载荷下（颚式破碎机齿板粉碎难破碎矿石时），要选用高锰钢，利用高韧性和高的硬化能力，可得到高耐磨性。

在滑动接触式连续性重载下（挖掘机刀头），则应选用硬质合金、高铬白口铸铁，或经过二次硬化处理的基体钢。

在冲击载荷不大的低应力磨损场合（水泥球磨机衬板拖拉机履带板等）用中碳低合金钢并经淬火回火处理，可得到适中的耐磨粒磨损性能。

③用渗碳、碳氮共渗等化学热处理提高表面硬度也能有效提高耐磨粒磨损性能。

④防尘、清洗均对减轻磨粒磨损有效。

三、腐蚀磨损

1、定义：由于外界环境引起金属表层的腐蚀产物（主要是氧化物）剥落，与金属磨面之间的机械磨损（磨粒磨损与粘着磨损）相结合而出现的，故又称为腐蚀机械磨损。常见的有以下几种形式：

2、氧化磨损：

是最广泛的一种磨损，其磨损速率最小0.1～0.5μm/h，属于正常磨损。

氧的吸附层塑性变形→形成氧化膜→被一方的凸起剥落→暴露出新的表面→又形成新的表面→产生氧化膜→….

宏观特征：摩擦表面沿滑动方向呈匀细磨痕，磨损产物为红褐色的Fe2O3或灰黑色的Fe3O4。

氧化磨损不一定有害，如果氧化磨损先于其它类型磨损产生和发展，则氧化磨损是有利的。

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3、微动磨损

在机器的嵌合部位、紧配合处，它们之间虽然没有宏观相对位移，但在外部变动载荷和震动的影响下，确产生微小的滑动，此时表面产生大量的微小氧化物磨损粉末，由此造成的磨损称为微动磨损。

因微动磨损集中在局部地区，又因两摩擦表面永不脱离接触，磨损产物不易向外排出，故兼有氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损的作用。

在微动磨损的产生处往往形成蚀坑（所以微动磨损又称为咬蚀），其结果不仅使部件精度、性能下降，更严重的是引起应力集中，导致疲劳破坏。

影响因素:震动时间、次数；振幅、震动频率；载荷；氮等不活泼气体比空气湿度大的气体环境磨损两小。

生产中的实例：键槽处、蒸汽锤的锤杆与锤头结合处、搭接接头处、发动机固定件及离合器等。

第三节 磨损试验方法

一、试验方法的分类：

实物试验：与实际情况一致或接近一致，试验结果的可靠性高；但所需时间长，外界因素的影响难于掌握和分析。

试验室试验：试验时间短、成本低、易于控制各种因素的影响；但试验结果不能直接表明实际情况。

研究重要机件的耐磨性时，往往兼用两种方法。

二、试验原理

1、类别：试验室试验所用磨损试验机的原理有：销盘式、销筒式、往复运动式、MM式、砂纸磨损试验、快速磨损试验。

2、选择：应按照 摩擦副运动方式（往复、旋转）

摩擦方式（滚动或滑动）

确定试验方法及所用试样形状及尺寸，并使试验力、速度、和温度等因素尽可能接近试验条件。

试样要求：一般至少4～5对摩擦副（因试验结果分散度大），并应保证相同的精度及表面粗糙度。

3、磨损量的测量：

有称重法 用分析天平

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测长法 划痕法：用金刚石锥体绕x-x轴旋转，在试样上划一小坑，轴距锥尖为r，划坑长为L1，坑深h1为：h1=L12/8r磨后再求h2，坑深为：△h＝h1- h2

压痕法：使用维氏硬度计压头，测出磨损前后试样上压痕对角线长度的变化，换算成深度变化（7倍关系）。

4、对磨屑分析：磨屑与断口一样反映断裂过程各阶段的信息，通过对使用过的润滑剂作污染物分析，是检测和评定材料磨损的良好方法。——铁谱技术。

第四节 金属接触疲劳

一、接触疲劳现象与接触应力

（一）接触疲劳现象

1、定义：是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小片状金属剥落而使物质损伤的现象，又称表面磨损或疲劳磨损。

2、宏观特征：在接触表面上出现许多小针状或痘状凹坑，有时凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹发展的痕迹。

3、分类：根据剥落裂纹起始位臵及形态不同，可分为以下三种：

麻点剥落（麻点）：0.1～0.2mm以下的小块剥落，呈针状或痘状凹坑截面呈不对称V形。

浅层剥落：深度在0.2～0.4mm，剥落底部大致和表面平行，裂纹走向与表面呈锐角或垂直。

深层剥落（压碎性剥落）：深度与表面强化深度相当，裂纹走向与表面垂直。

4、过程：为裂纹形成和扩展两个阶段。

接触疲劳曲线分两种：有明显的接触疲劳极限和没有明显的接触疲劳极限。

接触疲劳破坏与表面层塑性变形有关。

少量麻点剥落不影响机件的正常工作，但随着时间的延长，麻点尺寸逐渐变大，数量也不断增多，机件表面受到大面积损坏，结果无法继续工作而失效。对齿轮而言，麻点越多，啮合情况越差，噪音越来越大，振动和冲击也随之加大，严重时甚至可能将轮齿打断。齿轮、轴承、钢轨、轮毂的表面经常出现接触疲劳失效。

（二）接触应力

1、接触应力：两物体相互接触时，在表面产生的局部压入应力称为接触应力。

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2、线接触时：在接触中心下0.786b处，最大切应力τzy45°

在接触区下0.5b、y＝±0.85b处所受切应力最大。

3、点接触时：圆球与平面接触，最大切应力τzy45°在接触中心下0.786b处。

两球接触时，最大切应力τzy45°在接触区下0.5b处。

在有滑动时，接触应力由脉动应力变为交变应力，且从0.786b处向表面移动。

二、接触疲劳破坏机理

接触疲劳破坏裂纹的形成也是金属局部反复塑性变形的结果，因此，最大综合应力的分布和大小就具有决定性的意义。在最大综合应力出现的位臵，如果金属强度不足，则会引起塑性变形，经多次循环作用之后，就会产生裂纹。根据最大综合切应力的分布和材料强度分布的相互比较，可以决定裂纹产生的位臵和接触疲劳类型。

1、麻点剥落：

2、浅层剥落： 讲述形成机理和产生条件。（详见教材P177~178）

3、深层剥落：

三、 触疲劳试验方法

不同材料或同一材料经不同热处理后，其接触疲劳强度用接触疲劳曲线σmax-N来描述。

四、 影响接触疲劳抗力的因素

（一）内因

1、非金属夹杂物

2、热处理组织状态

3、表面硬度与心部硬度

4、表面硬化层深度

（二）外部因素

1、表面粗糙度与接触精度

2、硬度匹配

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