第七章金屬磨損和接觸疲勞

2024年2月23日發(作者：怎么設置行距)

第七章 金屬磨損和接觸疲勞

機器運轉時，相互接觸的機器零件總要相互運動，產生滑動、滾動、滾動＋滑動，都會產生摩擦，引起磨損。如:軸與軸承、活塞環與氣缸、十字頭與滑塊、齒輪與齒輪之間經常因磨損和接觸疲勞，造成尺寸變化，表層剝落，造成失效。

有摩擦必將產生磨損，磨損是摩擦的必然結果。

磨損是降低機器和工具效率、精確度甚至使其報廢的重要原因，也是造成金屬材料損耗和能源消耗的重要原因。據不完全統計，摩擦磨損消耗能源的1/3～1/2，大約80％的機件失效是磨損引起的。汽車傳動件的磨損和接觸疲勞是汽車報廢的最主要原因，所以，耐磨成了汽車檔次的一個重要指標。

因此，研究磨損規律，提高機件耐磨性，對節約能源，減少材料消耗，延長機件壽命具有重要意義。

第一節 磨損概念

一、 摩擦與磨損現象

1、摩擦

兩個相互接觸的物體作相對運動或有相對運動趨勢時，接觸表面之間就會出現一種阻礙運動或運動趨勢的力，這種現象成為摩擦。這種作用在物體上并與物體運動方向相反的阻力稱為摩擦力。

最早根據干摩擦的試驗，得到摩擦力F正比于兩物體之間的正壓力（法線方向）N的經典摩擦定律，即F=μN，式中μ稱為摩擦系數。后來發現這個定律只對低速度、低載荷的干摩擦情況是正確的，然而在許多場合下還是被廣泛應用。

摩擦力來源于兩個方面：①由于微觀表面凸凹不平，實際接觸面積極少(大致可在1/10000～1/10的范圍內變化)，這部分的接觸應力很大，造成塑性變形而引起表面膜（潤滑油膜和氧化膜等）的破裂，促使兩種金屬原子結合（冷焊）；②由于微觀表面凸凹不平，導致一部分阻止另一部分運動。要使物體繼續移動，就必須克服這兩部分阻力。

用來克服摩擦力所做的功一般都是無用功，在機械運動中常以熱的形式散發出去，使機械效率降低。減小摩擦偶件的摩擦系數，可以降低摩擦力，即可以保證機械效率，又可以減少機件磨損。

而要求增加摩擦力的情況也很多，在某些情況下卻要求盡可能增大摩擦力，如車輛的制動器、摩擦離合器等。

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2、磨損

①定義：機件表面接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑（松散的尺寸與形狀均不相同的碎屑），使表面材料逐漸損失（導致機件尺寸變化、重量損失）、造成表面損傷的現象，稱為磨損。

摩擦和磨損是物體相互接觸并作相對運動時伴生的兩種現象，摩擦是磨損的原因，磨損是摩擦的必然結果。

②過程：磨屑的形成是金屬表面變形和斷裂過程。金屬磨損是發生在兩相對運動的表面之間的一個非常復雜的過程。當兩個相互接觸的物體在壓力作用下，金屬表面發生彈性變形及塑性流動時，使表面膜破壞，暴露出未經任何氧化及被油污染的金屬。這部分原子之間的活性特別強，很容易粘合（冷焊）在一起。在切向力的作用下會剪斷，并粘附在其中一個表面上，而去磨另一表面。如果粘附現象發展的很嚴重，驅動力無法將其克服，就會發生咬合現象。當速度或載荷高時，摩擦表面溫度會升得相當高，使表面層發生回火，甚至二次淬火。同時周圍介質中的氧和氮以及潤滑油中的碳會向金屬內擴散，形成固溶體或化合物，并使其變脆而脫落，脫落的顆粒成為磨粒又可能去磨損摩擦表面，所以磨損的過程極為錯綜復雜。

摩擦與磨損是同時存在的，在摩擦過程中如果磨損率突然改變，此時摩擦系數亦有相應改變，也就是說，如果摩擦系數突然上升，那就意味者可能開始發生粘著磨損或磨料落入表面，然而，材料的耐磨性與摩擦系數并無直接關系。摩擦系數低，并不意味著耐磨性高。

二、 磨損過程

機件正常運行的磨損過程一般分為三個過程;

跑合階段（磨合階段）：

穩定磨損階段：

劇烈磨損階段：

三、耐磨性

耐磨性是材料抵抗磨損的性能。通常用磨損量來表示，磨損量越小，耐磨性越高。

磨損量的表示方法有：線磨損、體積磨損、質量磨損、比磨損量、相對耐磨性。

第二節 磨損機理

磨損的分類：在磨損過程中，塑性變形與斷裂過程是周而復始不斷循環的，一旦形成磨損產物后，隨之產生新的循環，磨損過程具有動態特征。機件表面的磨損不是簡單的力

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學過程，而是物理的、力學的和化學過程極為復雜的綜合。理論上還不成熟，因此，分類方法也不統一。

按磨損的破壞機理，磨損可分為：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損（接觸疲勞）、腐蝕磨損。

按機件表面磨損狀態，磨損可分為：連續磨損、粘著磨損、疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動磨損、表面塑性流動。

一、粘著磨損

1、磨損機理

粘著磨損又稱咬合磨損，是在滑動摩擦條件下，當摩擦副相對滑動速度較小（鋼小于1m/s）時發生的。它是因缺乏潤滑油，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷很大，以致接觸應力超過實際接觸點處屈服強度而產生的一種磨損，其表面形貌如圖7-2所示。

形成粘著點后的分離部位，可能有二種情況：粘著點，粘著點兩側（取決于強度），以粘著點結合強度比摩擦偶件的兩基體金屬都弱，則磨損極為輕微。若剪切應力低于粘著點結合強度時，兩摩擦偶件會產生咬死而不能相對運動。如：不銹鋼螺栓與不銹鋼螺母在擰緊過程中就經常發生這種現象。

若摩擦偶件只受法向載荷作用，且存在表面薄膜（如油膜、氧化膜等），則不易產生粘著。

2、磨損量的估算

V?式中 lt－總滑動距離

α－系數

H－材料硬度

上式表明，粘著磨損體積磨損量與法向力、滑動距離呈正比，與軟方材料的壓縮屈服強度（或硬度）呈反比，而與表觀接觸面積無關。

如果壓縮屈服強度（或硬度）較高，則因其難于塑性變形不易粘著轉移而使磨損減小。

如果壓縮屈服強度（或硬度）一定，材料塑性較好，則在相同法向力條件下可以產生較大塑性變形，使真實接觸面積增加，因降低了單位面積上的法向力也可減小磨損量，此即意味著材料的磨損量與塑性呈反比。上式又可改寫成：

KFtlKFtl (7-7)

??9?scH

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V?式中 δ－材料的斷后伸長率。

KFlt （7-8）

9?sc?σsc與δ的乘積為材料的韌性。可見，粘著磨損的體積磨損量隨較軟一方材料的壓縮屈服強度和韌性增加而減小。其實，從粘著磨損機理來看，增加硬度固然能減少磨損，但在材料韌性增加時，由于延緩斷裂過程，所以也能使磨損量減少。

3、影響因素

①材料： 塑性材料比脆性材料易于粘著。

互溶性大的材料組成的摩擦副粘著傾向大。

單相合金比多相合金粘著傾向大。

固溶體比化合物粘著傾向大。

金屬與金屬組成的摩擦副比金屬與非金屬組成的摩擦粘著傾向大。

②外力：摩擦速度一定時，粘著磨損量隨法向力增大而增加。試驗結果表明，當接觸壓應力超過材料硬度H的1/3時，粘著磨損量急劇增加，嚴重時會產生咬死現象。因此，設計時選擇的許用應力必須低于材料硬度值的1/3，以免產生嚴重的粘著磨損。

③滑動速度：粘著磨損量隨摩擦速度增大而增加，但達到某一極限值后又隨滑動速度增加而減小。

④其它：表面粗糙度：降低表面粗糙度將增加抗粘著磨損能力，過低將導致潤滑油難于儲存在摩擦面內而促進粘著。

表面溫度：其影響與滑動速度一致。

潤滑狀態：好的潤滑狀態將顯著降低粘著磨損量。

4、改善粘著磨損耐磨性的措施

磨損是造成材料損耗的主要原因，也是機件三種主要失效形式（磨損、腐蝕、斷裂）之一。

金屬材料的磨損主要是發生在表面的變形和斷裂過程，所以，提高摩擦副表面的強度（或硬度）和韌性，可以提高耐磨性。

對粘著磨損而言：

①注意摩擦副配對材料的選擇。

②采用表面化學熱處理改變材料表面狀態。滲硫、滲磷、滲氮等方法，使表面形成一層化合物或非金屬層，避免摩擦副直接接觸，既降低原子之間的結合力，又減小摩擦系數，

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可防止粘著。

③控制摩擦滑動速度和接觸壓應力。

④改善潤滑條件，提高氧化膜與基體的結合力，可以阻止金屬之間直接接觸、增強氧化膜的穩定性。從而提高耐磨性。

二、磨粒磨損

1、磨損機理

①定義：當摩擦副一方表面堅硬的細微突起，或者在接觸面之間存在著堅硬粒子時所產生的一種磨損。

②分類

按所受應力的大小不同，可分為：鑿削式、高應力碾碎性和低應力擦傷性三類。

③特征：摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽。見圖7－5。

④磨損機理與特點：

磨粒與摩擦表面之間的相互作用，與機械加工中切削刀具與工件的相互作用類似。

對于韌性材料：在銳刃的硬粒子作用下，每一磨粒從表面切下的是一個連續的屑。

在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下，只能被犁皺，形成溝槽。

對于脆性材料： 在銳刃的硬粒子作用下，一個磨粒切下的是許多斷屑。

在光滑刃或圓刃的硬粒子作用下，溝槽是由裂紋擴展和表面材料呈碎片脫落而引起的。

2、磨損量估算

V?Fltg? (7-11)

3??scFltg? (7-12)

HV?K可見，磨粒磨損量與法向力、摩擦距離呈正比，與材料硬度呈反比，同時還與硬材料凸出部分或磨粒的形狀有關。

同時，因磨粒的棱面相對摩擦表面的取向不同，只有一部分磨粒才能切削表面產生磨屑；大部分磨粒嵌入軟材料中，使之產生塑性變形，造成擦傷或形成溝槽。堆積在溝槽兩側的材料，只有在隨后的運動過程中有一部分能形成磨屑。

3、影響因素

材料硬度：硬度越高，抵抗磨粒磨損的能力越好。

相同硬度時，鋼中含碳量越高，碳化物形成元素越多，則耐磨性越好。

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顯維組織：M>F；相同硬度時，B下>M回；細晶粒；碳化物

磨粒磨損也有有利的一面，如：拋光、挫削、砂輪磨削、砂輪切割等。

4、改善磨粒磨損耐磨性的措施

①對于以切削作用為主要機理的磨粒磨損應增加材料硬度。這是提高耐磨性的最有效的措施。例如選用含碳較高的鋼并獲得馬氏體組織； 如果磨粒磨損機理是塑性變形，或塑性變形后疲勞破壞（低周疲勞）、脆性斷裂，則提高材料韌性對改善耐磨性有益。此時用等溫淬火獲得下貝氏體（良好的硬度和韌性），消除基體初生碳化物，并使二次碳化物均勻彌散分布以及含有適量殘余奧氏體等都能改善抗磨粒磨損能力。

②根據機件服役條件，合理選擇耐磨材料。

在高應力沖擊載荷下（顎式破碎機齒板粉碎難破碎礦石時），要選用高錳鋼，利用高韌性和高的硬化能力，可得到高耐磨性。

在滑動接觸式連續性重載下（挖掘機刀頭），則應選用硬質合金、高鉻白口鑄鐵，或經過二次硬化處理的基體鋼。

在沖擊載荷不大的低應力磨損場合（水泥球磨機襯板拖拉機履帶板等）用中碳低合金鋼并經淬火回火處理，可得到適中的耐磨粒磨損性能。

③用滲碳、碳氮共滲等化學熱處理提高表面硬度也能有效提高耐磨粒磨損性能。

④防塵、清洗均對減輕磨粒磨損有效。

三、腐蝕磨損

1、定義：由于外界環境引起金屬表層的腐蝕產物（主要是氧化物）剝落，與金屬磨面之間的機械磨損（磨粒磨損與粘著磨損）相結合而出現的，故又稱為腐蝕機械磨損。常見的有以下幾種形式：

2、氧化磨損：

是最廣泛的一種磨損，其磨損速率最小0.1～0.5μm/h，屬于正常磨損。

氧的吸附層塑性變形→形成氧化膜→被一方的凸起剝落→暴露出新的表面→又形成新的表面→產生氧化膜→….

宏觀特征：摩擦表面沿滑動方向呈勻細磨痕，磨損產物為紅褐色的Fe2O3或灰黑色的Fe3O4。

氧化磨損不一定有害，如果氧化磨損先于其它類型磨損產生和發展，則氧化磨損是有利的。

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3、微動磨損

在機器的嵌合部位、緊配合處，它們之間雖然沒有宏觀相對位移，但在外部變動載荷和震動的影響下，確產生微小的滑動，此時表面產生大量的微小氧化物磨損粉末，由此造成的磨損稱為微動磨損。

因微動磨損集中在局部地區，又因兩摩擦表面永不脫離接觸，磨損產物不易向外排出，故兼有氧化磨損、磨粒磨損、粘著磨損的作用。

在微動磨損的產生處往往形成蝕坑（所以微動磨損又稱為咬蝕），其結果不僅使部件精度、性能下降，更嚴重的是引起應力集中，導致疲勞破壞。

影響因素:震動時間、次數；振幅、震動頻率；載荷；氮等不活潑氣體比空氣濕度大的氣體環境磨損兩小。

生產中的實例：鍵槽處、蒸汽錘的錘桿與錘頭結合處、搭接接頭處、發動機固定件及離合器等。

第三節 磨損試驗方法

一、試驗方法的分類：

實物試驗：與實際情況一致或接近一致，試驗結果的可靠性高；但所需時間長，外界因素的影響難于掌握和分析。

試驗室試驗：試驗時間短、成本低、易于控制各種因素的影響；但試驗結果不能直接表明實際情況。

研究重要機件的耐磨性時，往往兼用兩種方法。

二、試驗原理

1、類別：試驗室試驗所用磨損試驗機的原理有：銷盤式、銷筒式、往復運動式、MM式、砂紙磨損試驗、快速磨損試驗。

2、選擇：應按照 摩擦副運動方式（往復、旋轉）

摩擦方式（滾動或滑動）

確定試驗方法及所用試樣形狀及尺寸，并使試驗力、速度、和溫度等因素盡可能接近試驗條件。

試樣要求：一般至少4～5對摩擦副（因試驗結果分散度大），并應保證相同的精度及表面粗糙度。

3、磨損量的測量：

有稱重法 用分析天平

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測長法 劃痕法：用金剛石錐體繞x-x軸旋轉，在試樣上劃一小坑，軸距錐尖為r，劃坑長為L1，坑深h1為：h1=L12/8r磨后再求h2，坑深為：△h＝h1- h2

壓痕法：使用維氏硬度計壓頭，測出磨損前后試樣上壓痕對角線長度的變化，換算成深度變化（7倍關系）。

4、對磨屑分析：磨屑與斷口一樣反映斷裂過程各階段的信息，通過對使用過的潤滑劑作污染物分析，是檢測和評定材料磨損的良好方法。——鐵譜技術。

第四節 金屬接觸疲勞

一、接觸疲勞現象與接觸應力

（一）接觸疲勞現象

1、定義：是機件兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區域產生小片或小片狀金屬剝落而使物質損傷的現象，又稱表面磨損或疲勞磨損。

2、宏觀特征：在接觸表面上出現許多小針狀或痘狀凹坑，有時凹坑很深，呈貝殼狀，有疲勞裂紋發展的痕跡。

3、分類：根據剝落裂紋起始位臵及形態不同，可分為以下三種：

麻點剝落（麻點）：0.1～0.2mm以下的小塊剝落，呈針狀或痘狀凹坑截面呈不對稱V形。

淺層剝落：深度在0.2～0.4mm，剝落底部大致和表面平行，裂紋走向與表面呈銳角或垂直。

深層剝落（壓碎性剝落）：深度與表面強化深度相當，裂紋走向與表面垂直。

4、過程：為裂紋形成和擴展兩個階段。

接觸疲勞曲線分兩種：有明顯的接觸疲勞極限和沒有明顯的接觸疲勞極限。

接觸疲勞破壞與表面層塑性變形有關。

少量麻點剝落不影響機件的正常工作，但隨著時間的延長，麻點尺寸逐漸變大，數量也不斷增多，機件表面受到大面積損壞，結果無法繼續工作而失效。對齒輪而言，麻點越多，嚙合情況越差，噪音越來越大，振動和沖擊也隨之加大，嚴重時甚至可能將輪齒打斷。齒輪、軸承、鋼軌、輪轂的表面經常出現接觸疲勞失效。

（二）接觸應力

1、接觸應力：兩物體相互接觸時，在表面產生的局部壓入應力稱為接觸應力。

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2、線接觸時：在接觸中心下0.786b處，最大切應力τzy45°

在接觸區下0.5b、y＝±0.85b處所受切應力最大。

3、點接觸時：圓球與平面接觸，最大切應力τzy45°在接觸中心下0.786b處。

兩球接觸時，最大切應力τzy45°在接觸區下0.5b處。

在有滑動時，接觸應力由脈動應力變為交變應力，且從0.786b處向表面移動。

二、接觸疲勞破壞機理

接觸疲勞破壞裂紋的形成也是金屬局部反復塑性變形的結果，因此，最大綜合應力的分布和大小就具有決定性的意義。在最大綜合應力出現的位臵，如果金屬強度不足，則會引起塑性變形，經多次循環作用之后，就會產生裂紋。根據最大綜合切應力的分布和材料強度分布的相互比較，可以決定裂紋產生的位臵和接觸疲勞類型。

1、麻點剝落：

2、淺層剝落： 講述形成機理和產生條件。（詳見教材P177~178）

3、深層剝落：

三、 觸疲勞試驗方法

不同材料或同一材料經不同熱處理后，其接觸疲勞強度用接觸疲勞曲線σmax-N來描述。

四、 影響接觸疲勞抗力的因素

（一）內因

1、非金屬夾雜物

2、熱處理組織狀態

3、表面硬度與心部硬度

4、表面硬化層深度

（二）外部因素

1、表面粗糙度與接觸精度

2、硬度匹配

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