材料成形界面工程Interfacial Engineering in Materials Processing李 贵武汉科技大学机械自动化学院金属材料的表面摩擦与磨损6/6.1 摩擦6.2 磨损摩擦6/16.1 摩擦n 1. 摩擦定义p 两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时, 接触表 面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。p 摩擦表面 相互运动零件配合表面的摩擦、磨损与摩擦表面的形貌、表面层的结构和性能有关p 摩擦表面的形貌(Surface Layer morphology)和表示方法1) 表面波度： 2) 表面粗糙度：粗糙度(Ra) 3) 宏观几何形状：用圆度、圆柱度、平面度表示 实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差 零件表面形貌可分为：6.1 摩擦n 1. 摩擦定义p 两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时, 接触表 面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。表面形貌6.1 摩擦n 1. 摩擦定义p 轮廓算术平均偏差 (Ra) 指在L长度范围内被测表面轮廓上的各点至轮廓中线mm距离绝对 值总和的算术平均值。它是用表面轮廓在高度上的量来反映表面 粗糙度的大小轮廓算术平均偏差(Ra)6.1 摩擦n 2. 表面层的结构(Surface Layer Composition) 金属表面层的具体结构示意图6.1 摩擦n 2. 表面层的结构(Surface Layer Composition) 表面层的硬度高于基体，提高表面的耐磨性 表面层中存在着物理、化学和应力缺陷。会成为磨损的应力集中源。 表面层晶粒较细使晶界增加，对腐蚀介质中工作的摩擦副不利实际表面是凹凸不平的；接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积名义接触面积；即使在接触点上，也可能有表面膜把金属隔开。6.1 摩擦n 3. (滑动)摩擦机理 产生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交错啮合作用而引起的。 表面的粗糙度越大, 摩擦力越大p 1) 机械理论(凹凸说) 1699年p 2) 分子理论(分子说) 1734年 基本观点：产生摩擦的原因是由于表面分子间的相互作用p 3) 分子机械理论 1939年 认为：摩擦有两重性（分子作用和机械作用）p 4) 粘着理论 1942年, 比较公认的理论 Bowden等人, 基本观点: 实际接触面积小(名义接触面积的千分之 几或万分之几）应力大表面膜破裂并伴有塑性变形（变形热 ） 粘着产生滑动阻力即摩擦力。6.1 摩擦n 4. 摩擦类型 静摩擦 和 动摩擦p 1) 按摩擦副的运动状态分p 2) 按摩擦副的运动形式分 滑动摩擦 和 滚动摩擦p 3) 按摩擦表面的润滑状态分 纯净摩擦 干摩擦 Dry Friction 边界摩擦 Boundary Friction 液体摩擦（Liquid Friction） 混合摩擦6.1 摩擦n 4.1 干摩擦 Dry Friction 摩擦系数大, 0.11.5p 摩擦表面间没有任何润滑剂时的摩擦干摩擦的表面接触情况实际接触情况单个微体接触情况6.1 摩擦n 4.1 干摩擦 Dry Friction p 摩擦机理机械作用： 接触面积小塑性变形氧化膜被压碎或剪切分子溶合冷焊 焊点被剪切分子作用： 塑性变形晶格歪扭破碎加工硬化表面温度升高，高于再结 晶温度硬化层发生再结晶温度继续升高表面金属软化，发 生粘结和相变继续运动接触部分脱开冷却淬火进一步提 高硬度。化学作用：氧化膜被压碎或剪切裸露的金属氧化形成新的氧 化膜6.1 摩擦n 4.2 边界摩擦 Boundary Frictionp 在摩擦副的表面间, 存在一层极薄边界膜时的摩擦, 称为边界摩 擦。边界膜分为物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜。p 特点: 边界膜的厚度很小(0.1微米), 但仍可使摩擦系数大大降低(0.05-0.5) 摩擦磨损特性不取决于润滑剂的粘度, 而是取决于表面膜的特性p 减少边界摩擦的方法: 在普通工作条件的机械的润滑剂中, 加入油性添加剂, 如：油 酸、甘油等 在低速、重载的“极压条件”下工作的润滑剂中, 加入极压添加 剂(又称油膜增强剂), 如：酯。 边界摩擦实例：气缸套活塞环， 凸轮挺杆等6.1 摩擦n 4.2 边界摩擦 Boundary Frictionp 物理吸附膜 矿物润滑油中常含有一些极性物质，其分子的一端是带有强电 荷的极性团，与金属表面亲和力强，在金属表面形成单层分子 或多层分子的吸附膜。 因此, 摩擦发生在金属表面的极性分子的非极性端, 从而有效地 防止摩擦表面的直接接触, 减少了摩擦。 物理吸附膜完全可逆，受热容易产生脱吸，所以适用于常温、 低速、轻载的摩擦副。6.1 摩擦n 4.2 边界摩擦 Boundary Frictionp 化学吸附膜 润滑剂中的一些极性分子的有价电子与金属或其氧化表面的交 换电子产生新的化合物，定向排列吸附于金属表面 化学吸附膜很薄, 且吸附于脱吸不完全可逆, 受热发生脱吸 化学反应膜稳定，用于高温、高压、高滑动速度的摩擦副p 化学反应膜 在润滑油中加入硫、磷、氯等元素的添加剂（极压添加剂）， 在高温下这些元素与金属表面发生化学反应形成厚度较大的化 学反应膜。6.1 摩擦n 4.3 液体摩擦 Liquid Frictionp 摩擦副表面有一层由边界膜和流体膜组成的润滑剂, 摩擦表面不直 接接触 流体动压润滑：利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体自然产 生内压来承受外部载荷并使摩擦表面隔开的润滑。摩擦系数小p 特点:p 类型： 流体静压润滑：利用压力把润滑剂打入摩擦表面使之隔开的润 滑。(需要一套专用的供油系统)6.1 摩擦n 4.3 液体摩擦 Liquid Frictionp 摩擦副表面有一层由边界膜和流体膜组成的润滑剂, 摩擦表面不直 接接触 摩擦副零件的配合间隙要合适p 建立液体摩擦油膜必须具备的条件： 摩擦表面应具有较高的加工精度和表面粗糙度等级 保证连续而又充分地供给一定温度下粘度合适的润滑油 摩擦副零件必须具有足够高的相对滑动速度6.1 摩擦n 4.4 混合摩擦p 半干摩擦：介于边界摩擦和干摩擦间的摩擦p 半液体摩擦：介于边界摩擦和液体摩擦间的摩擦力求维持液体润滑; 最低要维持边界润滑或混合润滑; 避免出现干摩擦。n 4.5 摩擦小结磨损6/26.2 磨损n 1. 磨损p 摩擦副的表面物质, 在摩擦的过程中逐渐损失, 使其尺寸、形状和 位置精度及表面层性质发生改变的现象, 称为磨损p 磨损指标:磨损量指标：磨损量、磨损率几何形状指标：平面度、圆度、圆柱度 平面度: 公差带是距离为公差值t 的两个平行平面之间的区域。 圆度: 半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域。 轴颈的圆度误差 可以采用外径千分尺测量指定平面两个相互垂直的直径, 其半径差 就是圆度误差。 圆柱度: 其公差带是半径差为公差值t的两个同心圆柱面之间的区 域。测量轴或孔的同一纵向截面(包含轴线)内数个直径, 其中最大与 最小直径的半径差即为圆柱度误差。6.2 磨损n 1. 磨损p 磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现 象。只要机器零件的磨损量或磨损率在规定使用期内不超过允许 值, 就可以认为是一种允许的正常磨损现象。p 机器零件典型磨损过程的三个阶段: 1) 磨合(跑合)阶段(0-t1) 2) 正常磨损阶段(t1-t2) 3) 事故磨损阶段(t2-t3)线性磨损率0-t1t1-t2t2-t3时间6.2 磨损n 1. 磨损p 磨损不仅是材料本身固有特性的表现, 更是摩擦学系统特性的反 映。 因此, 磨损也具有条件性和相对性 磨损的这种特性和摩擦很相似, 因而也可用类似的表达式来表示, 即： 同一种机器零件在不同机器中会产生不同类型或不同程度的磨损。 即使在同一台机器中, 不同工况也会导致不同程度甚至不同类型的磨损。 因此, 在分析和处理机器零件的磨损问题时, 必须全面考虑到该零件所在的摩擦学系统的特性, 才能对其磨损现象作出准确的判断和正确的分析。 6.2 磨损n 1. 磨损p 磨损指标:磨损率1、线性磨损率：2、体积磨损率：3、重量磨损率：式中, 磨损厚度; 磨损体积; 磨损重量; 滑动距 离; 被磨损的材料的密度。p 磨损指标:其他参数指标1. 磨损因数式中, 正压力; 法向载荷 6.2 磨损n 1. 磨损p 磨损指标:其他参数指标2. 磨损度(能量磨损率)式中, F 正压力; f 法向载荷 3. 耐磨性系数(耐磨性)4. 磨损系数(耐磨性)式中, w磨损量; H材料硬度; v速度; t 时间; N 正压力 磨损系数表示磨损量与工况之间的关系, 当载荷与速度为已知, 并可求出一定工况下 的磨损系数时, 就可估算磨损量, 以预测摩擦学系统的寿命。 也可根据磨损系数来确定磨损类型, 因为不同的磨损类型具有不同的磨损系数。 5. 磨损速率(磨损强度)6. 相对耐磨性它是标准试样的磨损率与被测试样磨损率之比() 6.2 磨损n 1. 磨损p 引起运动副磨损的主要因素 摩擦 环境因素（温度、介质、润滑条件、应力等） 材料的成分、组织和性能，以及在磨损过程中的变化。 装配质量n 2. 磨损的机理 粘着磨损 (Adhesive wear) 磨粒磨损 (Abrasive wear) 腐蚀磨损 (Corrosive wear) 微动磨损 (Fretting wear ) 疲劳磨损 (Surface fatigue wear)实际的磨损现象大都是多 种类型磨损同时存在, 或磨 损状态随工况条件的变化 而转化。6.2 磨损n 2. 粘着磨损p 在摩擦副中, 相对运动的摩擦表面之间, 由于粘着现象产生材料转 移而引起的磨损, 称为粘着磨损。 这类磨损一般发生在相互滑动(或转动)的干摩擦表面上, 即在表面上的某些微突体产生固相焊合, 严重时还会出现摩擦副完全“咬死”的现象。 如:在润滑状况恶化的条件下, 柴油机烧轴瓦就是这种磨损的典型例子。 有两种粘着(焊合)：冷焊粘着；热局部焊合粘者 载荷、速度小 载荷、速度较大 变形、断裂及材料转移 新粘着点产生p 粘着磨损过程6.2 磨损n 2. 粘着磨损p 磨损类型Bowden根据剪断位置并以轴承合金为例进行分类. 一类：粘着强度小. 二类：粘着强度中. 三类：粘着强度大. 四类：同一材料组合, 加工硬化材料, 剪断发生在内部, 磨损大;相反, 加工软化, 粘着部变软, 有很好的耐磨性按照磨损程度的不同，粘着磨损可以分为以下五类： 1) 轻微磨损 粘着点的剪切强度比形成该粘着点的任何一方的基体金属的剪切强度都小( 如锡与铁对磨), 磨损发生在粘着点的界面上, 材料转移十分轻微, 甚至不产生材 料转移。磨合属于这种磨损。 6.2 磨损n 2. 粘着磨损p 磨损类型2) 涂抹 粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间(如铅 与钢对磨), 剪切破坏发生在较软金属的浅表层内, 并使该表层的材料转移到较 硬金属表面上, 使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。3) 刮伤 粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间(如铅 与钢对磨), 剪切破坏发生在较软金属的浅表层内, 并使该表层的材料转移到较 硬金属表面上, 使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。6.2 磨损n 2. 粘着磨损p 磨损类型4) 胶合表面局部温度相当高, 粘着点的面积较大, 由于粘着点的剪切强度比形成粘 着的任何一方基体金属的剪切强度都要高(如铜与钢对磨), 故在摩擦副的一方 或双方的基体金属上产生较深层的破坏, 因而, 既有较多的软金属转移到硬金属 表面上, 同时也有部分