磨损及磨损理论ppt课件.ppt
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1、 摩擦学基础知识摩擦学基础知识磨损及磨损理论磨损及磨损理论第一节第一节 概概 述述 任何机器运转时,相互接触的零件之间都将因相对运动而产任何机器运转时,相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦,而生摩擦,而磨损正是由于摩擦产生的结果磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损,将造成。由于磨损,将造成表层材料的损耗,零件尺寸发生变化,直接影响了零件的使用表层材料的损耗,零件尺寸发生变化,直接影响了零件的使用寿命。从材料学科特别是从材料的工程应用来看,人们更重视寿命。从材料学科特别是从材料的工程应用来看,人们更重视研究材料的磨损。据不完全统计,世界能源的研究材料的磨损。据不完全统计,世界能源的1312
2、消耗消耗于摩擦,而机械零件于摩擦,而机械零件80失效原因是磨损。失效原因是磨损。轮胎压痕轮胎压痕(SEM 5000X)摩擦痕迹摩擦痕迹(350X)1.1磨损研究的重要性1.2磨损研究的进展 磨损的研究工作开展得较迟,本世纪磨损的研究工作开展得较迟,本世纪50年代初期在工业年代初期在工业发展国家开始研究发展国家开始研究“粘着磨损粘着磨损”理论,探讨磨损机理。理论,探讨磨损机理。1953年美国的年美国的J. F. Archard 提出了提出了简单的磨损计算公式简单的磨损计算公式,1957年苏联的克拉盖尔斯基提出了年苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法固体疲劳理论和计算方法,1973年美国
3、的年美国的N.P.Suh提出了提出了磨损剥层理论磨损剥层理论。 20 20世纪世纪6060年代后,由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、年代后,由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量的综合的应用,使得术、铁谱技术等大量的综合的应用,使得磨损研究在磨损力磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像,把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像,了解磨损的动态过
4、程;研究磨损的表面,次表面及磨屑形貌、了解磨损的动态过程;研究磨损的表面,次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化,以搞清磨损机理,分析和监测磨成分、组织和性能的变化,以搞清磨损机理,分析和监测磨损过程,从而寻求提高机器寿命的可能途径。损过程,从而寻求提高机器寿命的可能途径。 1.31.3磨损定义:磨损定义: 磨损是摩擦副相对运动时,在摩擦的作用下,材料表磨损是摩擦副相对运动时,在摩擦的作用下,材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。 表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。 (1) (1
5、) 机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。 (2) (2) 化学作用使摩擦表面发生性状的改变。化学作用使摩擦表面发生性状的改变。 (3) (3) 热作用使摩擦的表面发生形状的改变。热作用使摩擦的表面发生形状的改变。 (4) (4) 造成各种磨损的产生其他作用。造成各种磨损的产生其他作用。v定义说明定义说明 磨损并不局限于机械作用,由于伴同化学作用而产生的磨损并不局限于机械作用,由于伴同化学作用而产生的腐蚀腐蚀磨损磨损;由于界面放电作用而引起物质转移的;由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损电火花磨损;以及;以及由于伴同热效应而造成的由于
6、伴同热效应而造成的热磨损热磨损等现象都在磨损的范围之内;等现象都在磨损的范围之内; 定义强调磨损是相对运动中所产生的现象,因而,橡胶表面老定义强调磨损是相对运动中所产生的现象,因而,橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴;化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴;v定义说明定义说明磨损发生在物体工作表面材料上,其它非界面材料的损失磨损发生在物体工作表面材料上,其它非界面材料的损失或破坏,不包括在磨损范围之内;或破坏,不包括在磨损范围之内;磨损是不断损失或破坏的现象,损失包括直接耗失材料磨损是不断损失或破坏的现象,损失包括直接耗失材料和材料的转移和材料的转移(
7、 (材料从一个表面转移到另一个表面上去材料从一个表面转移到另一个表面上去) ),破坏包括产生残余变形,失去表面精度和光泽等。不断损破坏包括产生残余变形,失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的,而不是偶失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的,而不是偶然的几次。然的几次。1.4 1.4 磨损的危害:磨损的危害: (1) (1) 影响机器的质量,减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损,影响机器的质量,减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损,破坏了渐开线齿形,传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损,破坏了渐开线齿形,传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损,影响零件的加工精度。影
8、响零件的加工精度。 (2) (2) 降低机器的效率,消耗能量。如柴油机缸套的磨损,导致功降低机器的效率,消耗能量。如柴油机缸套的磨损,导致功率不能充分发挥。率不能充分发挥。 (3)(3)减少机器的可靠性,造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。减少机器的可靠性,造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。 (4) (4) 消耗材料消耗材料, , 造成机械材料的大面积报废。造成机械材料的大面积报废。1.5 1.5 研究内容:研究内容:v(1) 磨损类型及发生条件、特征和变化规律。磨损类型及发生条件、特征和变化规律。v(2) 影响磨损各种因素,包括材料、表面形影响磨损各种因素,包括材料、表面形 态、态、 环境
9、、滑环境、滑动速度、载荷、温度等。动速度、载荷、温度等。v(3) 磨损的物理模型、计算及改善措施。磨损的物理模型、计算及改善措施。v(4) 磨损的测试技术与实验分析方法。磨损的测试技术与实验分析方法。表面被磨平,表面被磨平,实际接触面实际接触面积不断增大,积不断增大,表面应变硬表面应变硬化,形成氧化,形成氧化膜,磨损化膜,磨损速率减小。速率减小。斜率就是磨损速率,唯一稳定值;斜率就是磨损速率,唯一稳定值;大多数机件在稳定磨损阶段(大多数机件在稳定磨损阶段(AB段)服役;段)服役; 磨损性能是根据机件在此阶段磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。的表现来评价。随磨损的增长,磨耗随磨损的增长,
10、磨耗增加,表面间隙增大,增加,表面间隙增大,表面质量恶表面质量恶 化,机件快速失效。化,机件快速失效。1.61.6 磨损过程的一般规律:磨损过程的一般规律:1、磨损过程分为三个阶段、磨损过程分为三个阶段:非典型磨损曲线非典型磨损曲线 2. 磨损特性曲线磨损特性曲线典型浴盆曲线典典型浴盆曲线典型浴盆曲线型浴盆曲线1.7 磨损类型磨损类型1、磨损磨损类型类型其其他他磨磨损损类类型型破坏方式破坏方式 基基 本本 特特 征征微动磨损微动磨损磨损表面有粘着痕迹,铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物,通磨损表面有粘着痕迹,铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物,通常作为磨料加剧磨损。常作为磨料加剧磨损。剥剥 层层破坏首
11、先发生在次表层,位错塞积,裂纹成核,并向表面扩展,破坏首先发生在次表层,位错塞积,裂纹成核,并向表面扩展,最后材料以薄片状剥落,形成片状磨屑。最后材料以薄片状剥落,形成片状磨屑。胶胶 合合表面存在明显粘着痕迹和材料转移,有较大粘着坑块,在高速表面存在明显粘着痕迹和材料转移,有较大粘着坑块,在高速重载下,大量摩擦热使表面焊合,撕脱后留下片片粘着坑。重载下,大量摩擦热使表面焊合,撕脱后留下片片粘着坑。咬咬 死死黏着坑密集,材料转移严重,摩擦副大量焊合,磨损急剧增加,黏着坑密集,材料转移严重,摩擦副大量焊合,磨损急剧增加,摩擦副相对运动受到阻碍或停止。摩擦副相对运动受到阻碍或停止。点点 蚀蚀材料以极
12、细粒状脱落,出现许多材料以极细粒状脱落,出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。研研 磨磨 宏观上光滑,高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑,高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划划 伤伤低倍可观察到条条划痕,由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕,由磨粒切削或犁沟造成。凿凿 削削存在压坑,间或有粗短划痕,由磨粒冲击表面造成存在压坑,间或有粗短划痕,由磨粒冲击表面造成2 2、 表面破坏方式及特征表面破坏方式及特征磨损表面有粘着痕迹,铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物,通常磨损表面有粘着痕迹,铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物,通常作为磨料加剧磨损。作为磨料加剧磨损。表面存在明显粘着痕迹和材料转移,有较大
13、粘着坑块,在高速重表面存在明显粘着痕迹和材料转移,有较大粘着坑块,在高速重载下,大量摩擦热使表面焊合,撕脱后留下片片粘着坑。载下,大量摩擦热使表面焊合,撕脱后留下片片粘着坑。黏着坑密集,材料转移严重,摩擦副大量焊合,磨损急剧增加,黏着坑密集,材料转移严重,摩擦副大量焊合,磨损急剧增加,摩擦副相对运动受到阻碍或停止。摩擦副相对运动受到阻碍或停止。破坏首先发生在次表层,位错塞积,裂纹成核,并向表面扩展,破坏首先发生在次表层,位错塞积,裂纹成核,并向表面扩展,最后材料以薄片状剥落,形成片状磨屑。最后材料以薄片状剥落,形成片状磨屑。材料以极细粒状脱落,出现许多材料以极细粒状脱落,出现许多“豆斑豆斑”状
14、凹坑。状凹坑。低倍可观察到条条划痕,由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕,由磨粒切削或犁沟造成。宏观上光滑,高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑,高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。存在压坑,间或有粗短划痕,由磨粒冲击表面造成存在压坑,间或有粗短划痕,由磨粒冲击表面造成3. 3. 表面破坏方式与机理对应关系表面破坏方式与机理对应关系1.81.8磨损的评定磨损的评定 磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法:对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法:磨损
15、量、磨损量、耐磨性和磨损比耐磨性和磨损比。 (1)磨损量)磨损量 评定材料磨损的三个基本磨损量是评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量长度磨损量Wl、体积磨损量体积磨损量Wv和和重量磨损量重量磨损量Ww。 长度磨损量长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量,这在实际设备的是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量,这在实际设备的磨损监测中经常使用。磨损监测中经常使用。 体积磨损量体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变量。改变量。 在所有的情况下,磨损都是时间的函数,因此,用在所有的情况下,磨损都是时间的函数,因此,用磨损
16、率磨损率Wt来表示来表示时间的特性。其它指标还有时间的特性。其它指标还有磨损强度磨损强度W(单位摩擦距离的磨损量,有人单位摩擦距离的磨损量,有人也把它称为磨损率也把它称为磨损率),和,和磨损速度磨损速度WT(是指机器完成一单位工作量的磨损是指机器完成一单位工作量的磨损量量)。(2 2)耐磨性)耐磨性 材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。材料耐磨性分为材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对两种。材料的相对耐磨性耐磨性是指两种材料是指两种材料A与与B在相同的外部条件下磨损量的比在相同的外部条件下磨损
17、量的比值,其中材料之一的值,其中材料之一的A是标准是标准(或参考或参考)试样。试样。AWA/WB 磨损量磨损量WA和和WB一般用体积磨损量,特殊情况下可使用一般用体积磨损量,特殊情况下可使用其它磨损量。其它磨损量。 耐磨性通常也用绝对指标耐磨性通常也用绝对指标W-1或或W -1表示,即用磨损量或表示,即用磨损量或磨损率的倒数表示。磨损率的倒数表示。W-1=1/W, W -1=1/W 耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数,也可用体积磨,也可用体积磨损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。 绝对耐磨绝对耐磨性和相对耐磨
18、性的关系是性和相对耐磨性的关系是AWAW1 (3 3)磨损比)磨损比 冲蚀磨损过程中常用磨损比冲蚀磨损过程中常用磨损比( (也有称磨损率也有称磨损率) )来度来度量磨损。量磨损。 它必须在稳态磨损过程中测量,在其它磨损阶段它必须在稳态磨损过程中测量,在其它磨损阶段中所测量的磨损比将有较大的差别。中所测量的磨损比将有较大的差别。 不论是磨损量、耐磨性和磨损比,它们都是在一不论是磨损量、耐磨性和磨损比,它们都是在一定实验条件或工况下的相对指标,不同实验条件或定实验条件或工况下的相对指标,不同实验条件或工况下的数据是不可比较的。工况下的数据是不可比较的。)料量(造成该磨损量所用的磨)或材料的冲蚀磨损
19、量(磨损比gmg3第二节第二节 粘着磨损粘着磨损1 定义定义: 当摩擦副相对滑动时当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂,被剪切的材所形成结点发生剪切断裂,被剪切的材料或脱落成磨屑,或由一个表面迁移到料或脱落成磨屑,或由一个表面迁移到另一个表面,此类磨损称为粘着磨损。另一个表面,此类磨损称为粘着磨损。2 粘着磨损机理:粘着磨损机理: 当摩擦副接触时,接触首先发生在少数几当摩擦副接触时,接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因此,在一定的法向载荷个独立的微凸体上。因此,在一定的法向载荷作用下,微凸体的局部压力就可能超过材料的作用下,微凸体的局部压力就可能超过材料的屈
20、服压力而发生塑性变形,继而使两摩擦表面屈服压力而发生塑性变形,继而使两摩擦表面产生粘着(焊接)产生粘着(焊接) 。当微凸体相对运动时,。当微凸体相对运动时,相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑,或发生转移。如撕断处在焊接料或成为磨屑,或发生转移。如撕断处在焊接的部位,不发生物质的转移。如撕断处不在焊的部位,不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位,则发生物质的转移。接的部位,则发生物质的转移。粘着粘着-剪断剪断-转转移移-再粘着循环不断进行,构成粘着磨损过程。再粘着循环不断进行,构成粘着磨损过程。粘粘着着磨磨损损(1)(1)轻微磨损轻微磨
21、损: : 粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切切强度都低强度都低,剪切破坏发生在,剪切破坏发生在粘着结合面上,表面转移的材料较轻微。粘着结合面上,表面转移的材料较轻微。 此时虽然摩擦系数增大,但是磨损却很小,材料迁移也不显著。通常此时虽然摩擦系数增大,但是磨损却很小,材料迁移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。(2)(2)涂抹涂抹: : 粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度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。,小于较硬金属抗剪切强度。剪切破坏发生在离
22、粘着结合面不远的较软金属浅层内,软金属涂抹在硬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。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多,但磨损程度加剧。金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多,但磨损程度加剧。v粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。v出现条件:相对滑动速度小,接触面氧化膜脆弱,出现条件:相对滑动速度小,接触面氧化膜脆弱,润滑条件差,接触应力大。润滑条件差,接触应力大。 根据粘着点的强度和破坏位置不同,粘着磨损根据粘着点的强度和破坏位置不同,粘着磨损一下五种不同的形式一下五种不同的形式(五类典型粘着磨损)(五类典型粘着磨损) :(3)擦伤
23、:擦伤: 粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。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。痕,硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤:划伤: 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高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。,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。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。 此时表面将沿着滑动方
24、向呈现明显的撕脱,出现严重磨损。如果滑动继此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱,出现严重磨损。如果滑动继续进行,粘着范围将很快增大,摩擦产生的热量使表面温度剧增,极易出现续进行,粘着范围将很快增大,摩擦产生的热量使表面温度剧增,极易出现局部熔焊,使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。局部熔焊,使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式,应力求避免这种破坏性很强的磨损形式,应力求避免。(5) 咬死:咬死: 粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高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,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相对运动。着结
25、合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。 Archard(1953年年)提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以点面积为以a为半径的圆,每一个粘着结点的接触面积为为半径的圆,每一个粘着结点的接触面积为a2假设摩擦副的一方假设摩擦副的一方为较硬材料,摩擦副另一方为较软材料;法向载荷为较硬材料,摩擦副另一方为较软材料;法向载荷W由由n个半径为个半径为a的相同微凸体的相同微凸体承受。承受。3. 3. 简单粘着磨损计算简单粘着磨损计算( (艾查德艾查德 ArchardArchard模型模型) ): 当材料产生塑性变形时,法
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