第三章 磨损及磨损理论

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1、第三章磨损及磨损理论一、概述1、磨损定义：相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。有些磨损是有益的，如“研磨”，可使零件表面粗糙度减小，使刀刃变得锋利。但是，据统计，约有80%左右的机械零件是由于磨损而报废或失效。2、磨损研究的主要内容：(1)主要磨损类型的发生条件、特征和变化规律;(2)磨损的影响因素,包括摩擦副材料、表面形态、润滑状况、环境条件,以及滑动速度、载荷、工作温度等工况参数;(3)磨损的模型与磨损计算;(4)提高材料耐磨性的

2、措施;(5)磨损研究的测试技术与实验分析方法。3、磨损过程零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段：Ⅰ：跑合（磨合）阶段；Ⅱ：稳定磨损阶段；Ⅲ：剧烈磨损阶段Ⅰ：跑合（磨合）阶段出现在摩擦副的初始运动阶段，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。在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减慢，如图所示。Ⅱ稳定磨损阶段：出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，

3、如图所示，磨损量随时间增大缓慢增大。Ⅲ剧烈磨损阶段：当材料磨损量达到一定数值时，摩擦条件发生较大的变化，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。**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”。二、磨损的分类1、粘着磨损(1)定义当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应所形成的结点发生剪切断裂，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损；法向力和切向力共同作用的结果。(2)粘着磨损机理在一定的法向载荷作用下，微凸体接触，

4、发生塑性变形，产生粘着；在相对滑动过程中，剪切粘着点，材料就会从一个表面转移到另外一表面，形成磨损；**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。一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒；再形成新的粘着点。(3)粘着磨损的分类根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有几种不同的形式，共同的特征是:出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。a.轻微磨损粘着强度比摩擦副两金属基体剪切强度低；剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微；摩擦系数增大，但磨损量很小；金属

5、表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。b.涂抹粘着强度大于摩擦副中较软金属的剪切强度，小于较硬金属的剪切强度；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(粘附)在硬金属表面上；摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。c.擦伤粘着强度比摩擦副的两基体金属的剪切强度都高；剪切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。d.咬合（胶合）粘着强度比两金属基体的

6、剪切强度高得多；粘着点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方，发生严重磨损，剪切应力高于粘着结合力；剪切应力低于粘着结合力，摩擦副之间咬死不能滑动。高速重载下，微凸体塑性变形大，温度高，粘着点的强度和面积大，通常产生胶合磨损。***这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。(4)简单粘着磨损计算(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。则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

7、：(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(即体积磨损率，通常用于判断材料磨损的快慢程度)为:(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：(3)(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)成反比由于

8、对于弹性材料σs≈H/3，H为布氏硬度值，则式(4)可变为：式中K为粘着磨损系数由(1)和(2)式，可得：纵坐标为K/H，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。压力值小于H/3（σs），磨损率小而且保持不变(即K保持常数-磨损量与压力成正比)；压力值为H/3，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响；压力值超过H/3，磨损量急剧增大(K值急剧增大)，高的载荷作用下，整个表面变成