材料磨损与耐磨材料.pptx
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1、1Chapter 2:固体表面结构与接触特性2.1固体表面的几何形貌2.2固体表面的表征方法2.3物体接触与实际接触面积2.4固体表面结构 第1页/共68页22.1 固体表面的几何形貌 不仅是金属,凡是固体其表面形貌都很复杂。这是因为任何机器零件的表面都要留下其加工制造工艺过程所产生的痕迹。如铸件表面,金属在铸型中凝固时留下的粗糙的表面;锻压件表面留下金属成型过程中压力加工的表面;机械加工零件表面留下的机加工刀痕,切屑分离时的塑性变形等。第2页/共68页32.1 固体表面的几何形貌所有这些都造成零件的实际表面与理想的绝对光滑的、平整的表面存在有一定的几何形状的误差,如下图所示。这种形状误差可分
2、为三类:固体表面几何形状误差1形状误差;2波纹;3粗糙度第3页/共68页42.1 固体表面的几何形貌(1)(1)宏观几何形状误差宏观几何形状误差:即表面形状误差。对于平面,用不直度和不平度表示,对于圆柱面,用不圆度,椭圆度、不圆柱度等表示,如图所示,表示形状误差。固体表面几何形状误差1形状误差;2波纹;3粗糙度第4页/共68页52.1 固体表面的几何形貌 固体表面几何形状误差1形状误差;2波纹;3粗糙度(2)(2)表面波纹度表面波纹度:零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。波纹度有两个重要参数,即波高和波距。波高Hb表示波峰和波谷间的高度差,波距Lb表示相邻两波形对应点的间距,如图所示。波
3、纹度的变化会影响零件的实际支承表面的面积,从而影响磨损。第5页/共68页62.1 固体表面的几何形貌(3)(3)表面粗糙度表面粗糙度:是指比表面波纹度更微观尺度上的几何形状误差。通常是指毫米尺度以下范围内表面凹凸不平的情况,而波纹度的波距较长,一般在1-10毫米范围。表面粗糙度的评定指标一般采用轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差R Ra a、微观不平度十点平均高度微观不平度十点平均高度R Rz z及轮廓均轮廓均方根偏差方根偏差R Rq q.第6页/共68页7Chapter 2:固体表面结构与接触特性2.1固体表面的几何形貌2.2固体表面的表征方法2.3物体接触与实际接触面积2.4固体表面结构第7
4、页/共68页82.2 固体表面的表征方法2.2.1轮廓算术平均偏差Ra 如下图所示是在取样长度l内,被测轮廓上各点轮廓中心线m-m的距离(y1,y2,yn)绝对值总和的算术平均值。其数学表达式为:或第8页/共68页92.2 固体表面表征方法2.2.2微观不平度十点平均高度Rz 它是指在取样长度l内5个最大的轮廓峰高(绝对值)的平均值和5个最大轮廓谷深(绝对值)的平均值之和,如下图所示:其数学表达式:第9页/共68页102.2 固体表面表征方法2.2.3轮廓均方根偏差Rq 它是指在取样长度l内轮廓偏距的均方根值。其数学表达式为:第10页/共68页112.2 固体表面表征方法NOTE!上述三种参数
5、仅反映表面高度方向的粗糙度,但不能反映表面峰、谷轮廓的斜度和其出现频率的情况。为了克服这一点,可采用表面轮廓在水平方向的参数和二维参数来补充评定表面的形貌:1.轮廓微观不平度的平均间距Sm;2.轮廓单峰平均间距S第11页/共68页122.2 固体表面表征方法(1)轮廓微观不平度的平均间距Sm,它是指在取样长度l内轮廓在中线m-m上间距pmi的算术平均值,如图所示。pmi为含有一个轮廓蜂和相邻轮廓谷的一段中线长度。反映表面峰、谷轮廓的斜度。第12页/共68页132.2 固体表面表征方法(2)轮廓单峰平均间距S,它是指在取样长度l内轮廓的单峰间距Pi的平均值,见下图所示。反映表面单峰出现的频率。第
6、13页/共68页142.2 固体表面表征方法2.2.4轮廓支承面曲线 它表示表面轮廓上各微凸体沿高度分布的情况,也可以反映出摩擦表面磨损到某一定程度时,支承面积大小。表面上微凸体的高度分布支承面曲线如图所示:其中:P为轮廓最高峰点至截线间的距离。P0为最高峰点至最深谷的距离第14页/共68页152.2 固体表面表征方法l轮廓支撑面曲线可用作图法求得,它是在取样长度l内,作任一平行于中线m-m的线与轮廓相截后得到的各段截线长度之和与取样长度l之比。即:其中:P为轮廓最高峰点至截线间的距离。P0为最高峰点至最深谷的距离第15页/共68页162.2 固体表面表征方法轮廓支承面曲线表示表面轮廓上各微凸
7、体沿高度分布的情况,反映出摩擦表面磨损到某一定程度时,支承面积大小。该参数对研究摩擦表面的接触状态和表面耐磨性有重要作用。其中:P为轮廓最高峰点至截线间的距离。P0为最高峰点至最深谷的距离第16页/共68页17课内题:课内题:请画出轮廓支承面曲线,并说明摩擦表面特征请画出轮廓支承面曲线,并说明摩擦表面特征第17页/共68页182.2 固体表面表征方法NOTENOTE:上述表征固体表面形貌的参数只能反:上述表征固体表面形貌的参数只能反映被测表面某一截面上的形貌。为了反映固映被测表面某一截面上的形貌。为了反映固体表面上某一区域的全部形貌,近年来开始体表面上某一区域的全部形貌,近年来开始研究表面的三
8、维形貌,即在研究表面的三维形貌,即在x x、y y表面上描绘表面上描绘出形貌轮廓后,再使被侧表面相对于轮廓仪出形貌轮廓后,再使被侧表面相对于轮廓仪测头在测头在z z轴方向移动一个微小的距离,然后再轴方向移动一个微小的距离,然后再测出一条表面轮廓线,这样就可以得到由一测出一条表面轮廓线,这样就可以得到由一组间隔很密的轮廓线组成的三维形貌图,如组间隔很密的轮廓线组成的三维形貌图,如下图所示:下图所示:第18页/共68页192.2 固体表面表征方法激光共焦扫描显微镜激光共焦扫描显微镜第19页/共68页20Chapter 2:固体表面结构与接触特性2.1固体表面的几何形貌2.2固体表面的表征方法2.3
9、物体接触与实际接触面积2.4固体表面结构第20页/共68页212.3 物体接触与实际接触面积2.3.1 2.3.1 物体摩擦表面接触特点物体摩擦表面接触特点 对于所有固体的真实表面都是凹凸不平的,当两个凹凸不平的固体表面相接触时,并不是整个表面都接触,只是凸起的微峰之间形成接触点,当两者的距离足够近,会产生原子的作用力。接触点以外区域表面间的原子不存在作用力,因为两表面是被完全隔开。这种接触具有不连续性和不均匀性不连续性和不均匀性。见下图所示:第21页/共68页222.3 物体接触与实际接触面积接触面积可分三种:名义接触面积:由物体表面接触的外部尺寸决定,以An表示,Ana x b第22页/共
10、68页232.3 物体接触与实际接触面积轮廓接触面积:物体接触表面凸峰被压扁的部分构成的面积,如上图中虚线所包围的面积,以Ap表示;实际接触面积:物体真实接触的面积,如上图中虚线包围的各小黑点面积的总和,以Af表示。第23页/共68页242.3 物体接触与实际接触面积l 因此:两物体表面接触时,实际接触面积只是名义接触面积的千分之几甚至万分之几。这样即使作用在整个接触面积上的载荷F很小,但接触点上的应力却很大,随着F的增加,接触点上的应力逐步达到材料的屈服极限s,便产生塑性流动,因而增大接触面积和接触点数,此时应力并不增加。当Ar和s乘积等于载荷F时,接触点上的塑性流动停止。由此鲍登和泰博提出
11、以下公式:第24页/共68页252.3 物体接触与实际接触面积 当时他们认为表面微峰顶部的曲率半径r很小,所以接触应力很容易达到s而产生塑性变形。但后来许多实验证明:实际接触面积和表面粗糙度有关,即和微峰顶部曲率半径和微峰高度分布状况有关,表面间的接触变形不完全是塑性变形而有弹性变形部分。当载荷F增加时,表面接触变形y经历了弹性变形、弹-塑性变形和完全塑性变形三个阶段,如下图所示。第25页/共68页262.3 物体接触与实际接触面积第26页/共68页272.3 物体接触与实际接触面积 在实际中,对摩擦面施加的载荷是重复加载的。微峰顶的曲率半径 r 经过摩擦和磨损后会显著地增大,如图所示如图所示
12、:第27页/共68页282.3 物体接触与实际接触面积 而且表面的微峰硬度会随着加载的进表面的微峰硬度会随着加载的进行不断增加行不断增加:表面的微峰硬度表面的微峰硬度在第一次加载后约提高5-15,多次重复加载后可提高20%-80%。因此,即使在初次加载时出现了塑性变形,但在重复加载(载荷大小不超过初始值)时塑性变形将逐步蜕变为弹性变形。第28页/共68页292.3 物体接触与实际接触面积2.3.2两固体表面的实际接触面积 在实际接触面积的大量实验中,总结出形成过程的一些特点:(1)由于表面祖糙度具有离散性,所以它们的接触也具有离散性;(2)实际的接触点不仅由塑性变形而且也有弹性变形所产生;(3
13、)实际接触面积随载荷的增加而增大,接触斑点的平均面积几乎保持不变,而是接触斑点数量增加,所以实际接触面积的增加主要是由于接触斑点的增加。第29页/共68页30Chapter 2:固体表面结构与接触特性2.1固体表面的几何形貌2.2固体表面的表征方法2.3物体接触与实际接触面积2.4固体表面结构第30页/共68页312.4 固体表面结构2.4.1固体表面概念及认识2.4.2固体表面的基本特征2.4.3晶体的表面结构第31页/共68页322.4.1 固体表面概念及认识固体表面是指固气界面或固液界面。它实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层(0.510nm)组成,是凝聚态对气体或真空的
14、一种过渡.任何表面系统都有自发降低其表面能的趋势。问题问题1:液体以什么样的方式降低表面能?:液体以什么样的方式降低表面能?问题问题2:固体以什么样的方式降低表面能?:固体以什么样的方式降低表面能?第32页/共68页33在表面张力的作用下,液体是以形成球形表面来在表面张力的作用下,液体是以形成球形表面来降低表面能,降低表面能,而固体由于质点不能自由流动,只能借助于离子而固体由于质点不能自由流动,只能借助于离子重排、变形、极化并引起晶格畸变来降低表面能。重排、变形、极化并引起晶格畸变来降低表面能。第33页/共68页342.4.1 固体表面概念及认识材料的摩擦与磨损和它的表面结构有关。一般材料表面
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