1、边被破坏，即由原来尖锐 的、多角形的磨料变成圆而钝的磨料，使得材 料的磨损率下降。 n 另一种表现为磨料破碎，生成尖角和锐边，使 得材料的磨损率增大。 35 （4）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。 36 5）材料的基体组织和性能 o 钢铁材料的基体组织与耐磨性的关系指出， 基体组织的耐磨性一般按铁素体、珠光体 、贝氏体和马氏体的顺序递增。 o 在实际工作中选用耐磨材料并不是如此简 单，一个普遍的观念是“硬度越高的材料耐 磨性越好”。适合于较低接触应力、较低滑 动速度的滑动磨料磨损条件。 o 相反，在高接触应力、高冲击或
2、相对滑动速 度快、磨料硬而锐利的情况下不适用。 37 图2-35 钢与铁的各种基体组织的耐磨料磨损性 38 o 未经热处理钢的耐磨性单值地决定其宏观硬度。 o 热处理钢的相对耐磨性随宏观硬度增高而线性地增 加，但比未经热处理钢要慢些。 o 耐磨性不仅取决于钢的硬度，而且取决于成分。 n 不同成分的热处理钢虽然只有相同硬度但耐磨性不 同，说明各种的耐磨性与宏观硬度间并不存在单值 的对应关系。 o 磨损的金属表面上发生了最大限度的“加工硬化”， 材料耐磨性与其磨损后的表面硬度成正比。 39 o 高锰钢材料是一个典型的实例。高锰钢经水韧性处 理后，获得单一奥氏体组织，硬度约为HB180230 。 o
3、 用高锰钢制作的挖掘机斗齿，在挖掘硬的矿心时， 由于高锰钢得到充分的加工硬化，表现出良好的耐 磨性，优于回火马氏体和贝氏体钢。 o 相反，若将高锰钢斗齿用于挖掘主要含石英砂的砂 土层时，其耐磨性远不如马氏体和贝氏体钢。 40 二、粘着磨损 o 定义：两个接触表面相对运动 时，由于接触点粘着和焊合而 形成的粘着结点被锯切断裂， 被剪断的材料由一个表面转移 到另一个表面，或脱落成磨屑 而产生的磨损。 o 粘着磨损的主要特征是出现材 料转移，同时沿滑动方向产生 不同程度的磨痕。 时 间 磨损量 o ab 图2.1 粘着磨损阶段磨损特征 41 (1) 磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加。出 现在初始运
4、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。 42 (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 。 43 (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。 44 非典型磨 损曲线 45 磨损特性曲线-浴盆曲线 典型浴 盆曲线 46 1) 粘着磨损的分类 47 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)
5、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 。 48 (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。 49 (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
6、相对运动。 50 2）影响粘着磨损的主要因素 o 影响粘着磨损的因素多而复杂，概括起来有两个方 面，即摩擦副的工作条件和摩擦副的材料特性。 1润滑状态的影响 o 润滑状态对粘着磨损的影响很大，这是由于润滑膜 或表面膜可以有效地防止摩擦表面的直接接触和产 生联结点。因此，在润滑油中加入能提高油膜强度 和润滑能力的油性和极压添加剂，能显著提高抗粘 着磨损能力。 51 2载荷、滑动速度和温度的影响 o 随着载荷和滑动速度不断增加，摩擦界面的 温度不断升高。在摩擦磨损过程中，金属材 料表面及表层将发生一系列的成分、组织结 构和性能变化，如加工硬化、产生“白层”组 织二次淬火、形成牢固的氧化膜等都能提高
7、 材料的抗粘着磨损性能；反之材料的软化、 其至熔化等都将使磨损率提高。 52 载荷 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。 53 3摩擦副材料的影响 o (1)金属互溶性的影响 相同金属或互溶性 大(晶格类型、晶格常数、电子密度及电化 学性能等相同或相近)的金属摩擦副，具有 较强的粘着倾向，因而抗粘着磨损能力低。 o (2)金属晶体结构的影响 密排六方晶体结 构的金属一般比面心立方晶体的金属抗粘着 性能好，这是由于面心立方滑移系数大的缘 故。 54 o Cu/Ni与Fe/Ag磨损率相差5
8、00倍 55 (3)金属组织的影响 o 多相组织的金属比单相金属的抗粘着性能好 o 金属化合物比单相固溶体的抗粘着性能好 o 金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属摩擦 副抗粘着性能好， o 脆性材料比塑性材料抗粘着性能好。 n 这是由于塑性材料粘着结点的破坏常发生在离表面 较深处，磨屑较大，而脆性材料粘着结点的破坏处 离表面较浅，主要是剥落，磨屑呈细片状。 56 o 在工业生产中常采用各种表面技术来提高金 属摩擦副的抗粘着性能。 n 一类是表面强化或硬化处理(如表面淬火、化学热 处理、电镀、喷涂及各种涂层等)， n 另一类是表面润滑处理(如渗硫、磷化、表面软金 属涂层等)。 57 三、疲劳磨损
9、 o 定义：摩擦副材料微体积受循环接触应力影 响，导致反复变形，产生裂纹和分离出微片 或颗粒的表面疲劳剥落现象，称为疲劳磨损 或接触疲劳磨损。 o 接触疲劳磨损失效的主要形式是点蚀和剥 落，即在原来光滑的接触表面上产生深浅不 等的凹坑(也称麻点)和较大面积的剥落坑。 o 疲劳磨损有点蚀、剥落、剥层与擦伤 58 点蚀实物 59 剥 落 60 o 接触疲劳磨损的过程一般分为两个阶段，即 在材料表面或表层首先萌生出疲劳裂纹和随 后产生裂纹扩展。 o 当摩擦副两个接触体相对滚动或滑动时，在 接触区将产生很大的接触应力和塑性变形。 o 由于交变应力长期反复的作用，在材料表面 或表层的薄弱处引发疲劳裂纹并
10、随后裂纹逐 步扩展，最后金属以薄片的形式断裂剥落下 来成为磨屑。 61 o 点蚀的裂纹：一般从材料的表面开始，向内 倾斜扩展，然后折向表面，裂纹以上的材料 折断脱落下来即产生点蚀。因此点蚀坑的表 面形貌像“扇形”。 o 剥落的裂纹：一般从材料的亚表层开始，与 表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落 坑。 62 63 1）影响疲劳磨损的主要因素 o 疲劳磨损的评定指标一般不是用磨损失重或体积迁移 量表示，而是用一定接触应力下，接触元件的循环周次 (即疲劳寿命)来表示。 1载荷的影响 o 载荷是影响疲劳磨损寿命的重要因素。一般认为球 轴承的疲劳磨损寿命与载荷的立方成反比，即 o 式中 N球轴承的疲
11、劳磨损寿命，即循环次数 W外加载荷。 64 2材料组织及性能的影响 o 接触元件的组织和热处理工艺对疲劳磨损寿 命有很大影响 o 渗碳钢制作的滚动元件，也要求渗碳层中的 马氏体细小、碳化物小而均匀分布 o 材料的硬度对疲劳磨损的影响存在一个最佳 的硬度范围。 65 o 在滚动接触情况下，滚动元件的材料匹配很 重要。材料的强度、弹性、塑性和韧性等对 疲劳磨损寿命有很大影响。 o 一般通过试验来确定最佳的匹配关系 66 3材料冶金质量的影响 o 钢材的冶金质量对零件的疲劳磨损寿命有明显的影 响。 o 轴承钢对非金属夹杂物有严格的要求。轴承钢的疲 劳磨损寿命与夹杂物的类型、形态和数量有很大的 关系。
12、其中Al2O3、TiN等氧化物、氮化物和硅酸盐 影响最大。 o 夹杂物尺寸越大、分布越不均匀，危害越大。特别 是位于接触面表面(大约1mm)的夹杂物影响更大。 o 钢中的氧、氢、氮等气体也会降低滚动元件的疲劳 磨损寿命。 67 4其他因素的影响 o 表面状态 精磨的寿命车削，抛光 车削，粗糙 的表面容易产生点蚀。 o 润滑剂 高黏度、低指数的润滑剂由于不容易进入 疲劳裂纹能提高疲劳磨损寿命。材料+润滑油组合 在润滑剂中适当加入某些添加剂。 o 环境 n腐蚀介质的环境，或者矿物油含有水分加速疲劳磨损 n温度升高会使润滑剂黏度下降，油膜厚膜减小，使疲劳 磨损加剧 68 四、冲蚀磨损 Impinge
13、ment attack; Erosion Corrosion o 冲蚀或浸蚀磨损是指材料受到小而松散的流 动物体冲击表面出现破坏的一类磨损现象。 o 造成冲蚀的粒子通常比较硬，流动速度高时 ，软粒子甚至水也会造成冲蚀。 69 1） 分类 o 就流动介质及第二相粒子进行分类： 70 o 冲蚀是粒子冲击材料表面造成的破坏，从广 义上讲，粒子可以是固体、液体和气泡，它 们冲击到固体表面将会发生能量交换或者 说，两者之间将出现能量再分配。被冲击的 表面可能发生弹性或塑性变形。 71 o 冲蚀率定义为单位重量粒子造成材料流失的 重量或体积，其量纲为mg/g或mm3/g o 液体冲蚀或气蚀破坏除用单位时间
14、的失重表 示外，还可用平均破坏深度、即一定面积上 冲蚀的平均深度（单位为mm)。 72 2）主要影响因素 o 环境参数如粒子的速度、浓度、入射角、 o 环境温度； o 磨料性质，如硬度、粒度、可破碎性以及材 料性能如热物理性能和材料强镀 73 （1）入射角 o 入射角指粒子入射轨迹与表面的夹角。 o 材料冲蚀率随入射角变化。 n 塑性材料在2030 入射角时冲蚀率出现最大 值，而脆性材料在一般情况下最大冲蚀率出现 在接近90 入射角处。 n 小入射角下，塑性相起主要作用，而大入射角 下脆性相起主要作用。 74 (2)速度 o 粒子功能是造成材料冲蚀的主要原因 o 冲蚀率与粒子速度呈指数函数关系
15、、不因粒子种类 、材料类型和入射角大小而变化 o -冲蚀率，为粒子速度，n、K均为常数。 o 粒子入射速度低到某一下限时，只在冲击时出现弹 性变形而无材料流失，称此速度下限为门坎速度值 。这个速度值随粒子材质、形状及材料性能而变化 。 75 (3)冲蚀时间 o 冲蚀磨损不同于粘着磨损和磨粒磨损、它呈 现出较长的潜伏期或孕育期。 o 对于液滴冲蚀或气蚀这点尤为重要。 o 首批粒子冲击表面时主要造成加工硬化和表 面粗糙化，不一定立刻出现材料流失。经过 一定的累积损伤后才能逐渐过渡到稳定冲蚀 阶段 76 o 孕育期()、最大冲蚀 率区()及稳定区() 。 o 孕育期的长短在表征材 料抗气蚀冲蚀性能好
16、坏 o 它表明材料从弹性变形 到塑性破坏之间能够承 受外加能量的程度。 77 (4)环境温度 o 随着温度增加，材料冲蚀率上升 o 温度过高时，材料表面可能氧化。 n 氧化膜的出现反而会提高材料的抗冲蚀能力， 从而改善其抗冲蚀性能。 78 （5）入射粒子性能 o 固体粒子的形状和粒度 n 粒子尺寸超过临界尺寸，冲蚀率趋于平稳。 n 尖颗粒造成的破坏要比球形粒子严重。 n 硬粒子产生的冲蚀破坏比软粒子严重 o 粒子的可碎性 即在冲击时发生破裂碎化的 趋势 n 随着入射角的增加，脆性粒子冲击后发生破碎 的几率增大，破碎粒子将会对凹凸不平的表面 产生第二次冲蚀。 79 五、微动磨损 o 两个表面之间
17、发生小振幅相对振动引起的磨 损现象，即通常称谓的“微动磨损”。 o 微动损伤中化学或电化学反应占重要地位则 称为微动腐蚀。 o 遭受微动磨损的部件，在微动磨损产生的同 时，或在微动作用停止后，受到循环应力， 出现疲劳强度降低，甚至早期断裂的现象称 为微动疲劳 80 1）微动磨损的特征 三个特征： o （1）具有引起微动的振动源(除机械力外 还应考虑电磁场、冷热循环、流体特征诱发 的振动)； o （2）磨痕具有方向一致的划痕，硬结斑和 塑性变形以及微裂纹； o （3）磨屑易于聚团、含大量类似锈蚀产物 的氧化物。 81 o OA：金属转移和初始磨 损造成曲线迅速上升； o AB：剪切到磨粒参与磨
18、损； o BC：磨粒作用下降，材 料损失减缓 o CD :达到稳定磨损率。 82 83 o 接触首先发生在大量分散表面微凸体上，微动初期 少量磨屑落入谷内(a)。 o 随着磨屑量增加，谷被填满，这时磨屑开始起作用 而使磨损成为磨粒磨损。独立而分散的微凸体被磨 掉，许多微凸体合并成一个小平台(b)。 o 磨屑进一步增加，并开始从接触区溢出进入邻近的 洼谷区(c)。 o 接触区中压力再分布，中心区垂直压力增高，边缘 压力降低，因此中心的磨粒磨损比较严重凹坑也 迅速加深，最终使许多相邻的小坑合并成较大的坑 (d) 84 微动磨损形貌 图4 微动磨损初期的表面 损伤 ( 铝锂合金，载荷500N ，10
19、个循环) 图5 微动磨损后期的表面 损伤 ( 铝锂合金，载荷500N ，103个循环) 85 本节小结 o 摩擦的分类 o 磨损的分类：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨 损、冲蚀磨损、微动磨损 o 磨料磨损：磨损机理、迎角 影响因素（磨 料硬度、形状、材料组织） o 粘着磨损：涂抹、擦伤、咬死 o 疲劳磨损：表征 o 冲蚀磨损：表征、孕育期 86 2.2 腐蚀基本理论 o 材料与环境组分发生的物理的、化学和电化学 作用而引起的变质和破坏，称之为腐蚀。 87 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 磨损腐蚀磨损腐蚀（冲击、振动）（冲击、振动） 氢致腐蚀氢致腐蚀 空泡腐蚀空泡腐蚀 电化学腐蚀电化学腐
20、蚀 化学腐蚀化学腐蚀 高温氧化高温氧化 按腐蚀反应机理按腐蚀反应机理 电化学作用电化学作用 电化学电化学+ +机械作用机械作用 电化学电化学+ +生物作用生物作用 物理溶解腐蚀物理溶解腐蚀 不锈钢在液体钠中的腐蚀不锈钢在液体钠中的腐蚀 2.2.1 腐蚀分类 88 o 阳极：金属离子化 阴极：析氢，吸氧 与腐蚀有关的电池： o A 异类电极电池 不同金属间，同类金属晶粒与晶 界间，碳化物与基体间 o B 浓差电池 主要为氧浓差电池，如水线腐蚀，半 浸入水中的金属，上方O高，为阴极。金属离子浓 差电池，浓度高处阴极，浓度低处阳极。 o C 温差电池 热交换器、锅炉 对碳钢，温度高处为 阳极，Cu、Al相反。 89 90 按材料腐蚀形态按材
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