材料力學性能第七章金屬的磨損ppt課件

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第七章金屬磨損和接觸疲勞 1 金屬的磨損與接觸疲勞 磨損是降低機器工作效率 準確度甚至使其報廢的一個重要原因 同時也增加了材料的消耗 因此 生產(chǎn)上總是力求提高零件的耐磨性 從而延長其使用壽命 2 主要內(nèi)容 磨損的模型 磨損的概念 磨損試驗方法 金屬接觸疲勞 3 7 1磨損概念 機件表面相接觸并作相對運動時 表面逐漸分離出磨屑 使表面材料逐漸流失 造成表面損傷的現(xiàn)象 一 摩擦 磨損 1 定義 4 高性能炭 炭航空制動材料的制備技術(shù) 黃伯云 國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎 飛機起落架 5 摩擦副材料 潤滑條件 加載方式和大小 相對運動性 方式和速度 以及工作溫度 2 影響因素 磨損是一個復雜的系統(tǒng)工程 6 機件正常運行的磨損過程 a 磨損量與時間或行程關(guān)系曲線 b 磨損速率與時間或行程關(guān)系曲線 7 3 磨損的分類方法 粘著磨損 磨粒磨損 沖蝕磨損 疲勞磨損 微動磨損 腐蝕磨損 8 7 2磨損模型 定義 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(fā)生的 原因 缺乏潤滑油 摩擦副表面無氧化膜 且單位法向載荷很大 接觸 s又稱咬合磨損 一 粘著磨損 1 磨損機理 9 粘著磨損的基本過程 粘著 剪斷 轉(zhuǎn)移 再粘著 壓力作用 塑性變形 局部溫度升高 粘著 焊接 摩擦力 撕脫 剪切 材料轉(zhuǎn)移 10 2重要特征 轉(zhuǎn)移膜 化學成分變化機件表面有大小不等的結(jié)疤 11 粘著點強度與兩摩擦副強度相比大于一方 相同金屬間滑動低于兩者 磨損量小大于兩者 12 3 磨損量的計算 由阿查得 J F Archard 提出的粘著磨損量估算方法計算可得總滑動距離內(nèi)的粘著磨損體積為式中 總滑動距離 單向壓縮屈服強度 K 磨屑形成幾率 材料的斷后伸長率 K 10 14 13 4 影響因素 材料特性塑性材料 互溶性大的材料 單相金屬 固溶體 金屬與金屬摩擦副法向力在V滑動一定時 F V F 1 3H V 滑動速度在F一定時 V滑動 V先 后 表面粗糙度 表面溫度以及潤滑狀態(tài) 14 硬度及載荷的影響 粘著磨損一般隨法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加 如圖所示 K H的比值實際上是材料硬度與許用壓力的關(guān)系 當載荷值超過材料硬度值的1 3時 磨損急劇增加 嚴重時咬死 因此設計中選擇的許用壓力必須低于材料硬度值的1 3 15 速度的影響 在壓力一定的情況下 粘著磨損隨滑動速度的增加而增加 在達到某一極大值后 又隨著滑動速度的增加而減少 下圖為摩擦速度不太高的范圍內(nèi) 鋼鐵材料的磨損隨摩擦速度 接觸壓力的變化規(guī)律 16 表面溫度的影響 表面溫度升高可使?jié)櫥な?使材料硬度下降 摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損 上圖為溫度對膠合磨損的影響 可以看出 當表面溫度達到臨界值 約80 時 磨損量和摩擦系數(shù)都急劇增加 17 潤滑油 潤滑脂的影響 在潤滑油 潤滑脂中加人油性或極壓添加劑能提高潤滑油膜吸附能力及油膜強度 能成倍地提高抗粘著磨損能力 油性添加劑是由極性非常強的分子組成 在常溫條件下 吸附在金屬表面上形成邊界潤滑膜 防止金屬表面的直接接觸 保持摩擦面的良好潤滑狀態(tài) 極壓添加劑是在高溫條件下 分解出活性元素與金屬表面起化學反應 生成一種低剪切強度的金屬化合物薄膜 防止金屬因干摩擦或邊界摩擦條件下而引起的粘著現(xiàn)象 18 5 改善粘著磨損耐磨性的措施 1 選擇粘著傾向較小的摩擦副配對材料互溶性小 表面易形成化合物 金屬與非金屬配對 2 采用表面化學熱處理改變材料表面狀態(tài)滲硫 滲氮 磷化 氮碳共滲等 3 控制摩擦滑動速度和接觸壓應力 4 改善潤滑條件 增強表面氧化膜穩(wěn)定性 19 二 磨粒磨損 定義 當摩擦副一方表面存在堅硬的細微突起 或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨損 兩體磨粒磨損三體磨粒磨損 1 磨粒磨損機理 20 磨粒磨損的分類 根據(jù)磨粒所受應力大小不同 鑿削式磨粒磨損高應力碾碎性磨粒磨損低應力擦傷性磨粒磨損根據(jù)磨粒硬度與被磨材料硬度相對關(guān)系 硬磨粒磨損軟磨粒磨損 TiN涂層人工膝關(guān)節(jié) 21 磨粒磨損的特征 在碾碎性磨粒磨損時 集中壓應力 塑性變形或脆性斷裂磨粒磨損過程切削作用 塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂 特征 明顯犁皺形成的溝槽剪切 犁皺或切削韌性材料 連續(xù)屑 脆性材料 斷屑 22 2 磨損量的估算 磨粒磨損量與法向力 摩擦距離成正比與材料硬度成反比 與硬材料凸出部分和磨粒形狀有關(guān) 23 3 影響因素 硬度與H E成比例 24 斷裂韌度硬度和KIC配合最佳時 耐磨性最高 顯微組織組織硬度 細化晶粒 加工硬化 25 磨粒硬度對磨損的影響I區(qū) HaH 磨損量較大 1 3 1 7III區(qū) 硬度是控制因素I區(qū) 通過表面嚴重變形 疲勞而發(fā)生 硬度是次要因素 26 4 改善磨粒磨損耐磨性的措施 1 增加材料硬度 2 根據(jù)機件服役條件 合理選擇耐磨材料 3 采用滲碳 碳氮共滲等化學熱處理 4 經(jīng)常注意機件防塵和清洗 27 鋁合金材質(zhì)的軸瓦 軸是灰鐵材質(zhì) 轉(zhuǎn)速為300rpm 運行10秒抱死 接觸面有潤滑油 最終判斷為鋁片進入導致 28 沖蝕磨損 定義 流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損 分類 氣固沖蝕 流體沖蝕 液滴沖蝕和氣蝕磨損現(xiàn)象 短程溝槽 沖蝕坑 微小裂紋塑性材料 短程微切削 脆性材料 裂紋形成與快速擴展影響因素 沖擊角 粒子性態(tài) 材料硬度 29 腐蝕磨損 定義 在摩擦過程中 摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應形成腐蝕產(chǎn)物 腐蝕產(chǎn)物的形成和脫落引起腐蝕磨損 分類 氧化磨損 特殊介質(zhì)腐蝕磨損 微動磨損 定義 接觸表面之間因存在小振幅相對振動或往復運動而產(chǎn)生的磨損 特征 嵌合和緊配合處 微小滑動 30 8 3磨損試驗方法 1 磨損試驗方法零件磨損試驗 以實際零件在機器實際工作條件下進行試驗 試驗具有真實性和可靠性 但其試驗結(jié)果是結(jié)構(gòu) 材料 工藝等多種因素的綜合表現(xiàn) 不易進行單因素的考察 試樣磨損試驗 將欲試驗的材料加工成試樣 在規(guī)定的試驗條件下進行試驗 它一般多用于研究性試驗 可以通過調(diào)整試驗條件 對磨損某一因素進行研究 以探討磨損機制及其影響規(guī)律 31 8 3磨損試驗方法 2 磨損試驗機 圓盤 銷式磨損試驗機 滾子式磨損試驗機 往復運動式磨損試驗機 滾子式磨損試驗機 砂紙磨損試驗機 切入式磨損試驗機 32 8 3磨損試驗方法 3 磨損量的測量稱重法 根據(jù)試樣在試驗前后的重量變化 用精密分析天平稱量 來確定磨損量 它適用于形狀規(guī)則和尺小的試樣和在摩擦過程中不發(fā)生較大塑性變形的材料 尺寸法 根據(jù)表面法向尺寸在試驗前后的變化來確定磨損量 為了便于測量 在摩擦表面上選一測量基準 借助長度測量儀器及工具顯微鏡等來度量摩擦表面的尺寸 33 7 3磨損試驗方法 還要測量什么 摩擦系數(shù)摩擦副 潤滑材料不同載荷形式 載荷大小 速度 溫度 介質(zhì) 34 摩擦系數(shù) 磨痕輪廓線 摩擦系數(shù)變化 磨損量越小 耐磨性越高 磨損量 線磨損 體積磨損 質(zhì)量磨損 相對耐磨性 35 MHK 500型環(huán)塊磨損試驗機 技術(shù)指標 1 接觸形式 線接觸2 磨損方式 純滑動磨損3 加載方式 砝碼 杠桿加載 杠桿比1 10 4 載荷范圍 10kg 500kg5 主軸轉(zhuǎn)速 100 1440轉(zhuǎn) 分 無級調(diào)速 36 銷盤式摩擦磨損試驗機 MPX 2000型 主軸轉(zhuǎn)速 60r min 12000r min主軸轉(zhuǎn)速示值準確度 2r min高溫爐溫度范圍 室溫 800 高溫爐密封性能 在連續(xù)充入氮氣 純度99 9 以上 的條件下 爐內(nèi)氧氣含量應能達到1 以下 最大負荷 2000N 37 該機主要是以滑動摩擦的形式 在極高的點接觸壓力條件下評定潤滑劑的承載能力 包括最大無卡咬負荷PB 燒結(jié)負荷PD 綜合磨損值ZMZ等三項指標 該機還可以做潤滑劑的長時抗磨損試驗 測定摩擦系數(shù) 記錄摩擦力和溫度曲線 四球摩擦試驗機 38 德國布魯克公司UMT系列多功能材料力學測試系統(tǒng) UMT系列產(chǎn)品主要用于從納米 顯微及宏觀水平上 對各種材料 薄膜 涂層 改性層 固態(tài)或液態(tài)的潤滑層 潤滑油和潤滑劑的力學 摩擦學研究及其評價的測試系統(tǒng) 被測樣品可以是尺寸直徑從納米尺度 如納米碳管 到幾百毫米的任何形狀物體 39 橡膠輪磨粒磨損試驗 40 沖蝕磨損試驗 41 高溫沖蝕磨損試驗 42 43 7 4金屬接觸疲勞 44 定義 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(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落而使材料損失的現(xiàn)象 一 接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應力 1 接觸疲勞 形態(tài)特征 小針狀或痘狀凹坑 貝殼狀 45 根據(jù)剝落裂紋起始位置及形態(tài)不同 分為 1 麻點剝落 點蝕 2 淺層剝落 3 深層剝落 表面壓碎 46 2 接觸應力 兩物體相互接觸時 在表面上產(chǎn)生的局部壓入應力稱為接觸應力 也稱為赫茲應力 線接觸 齒輪 與點接觸 滾珠軸承 47 線接觸 假設兩圓柱體的半徑分別為R1 R2 長l 線接觸 面接觸 面積2bl 彈性力學 接觸壓應力沿y軸按半橢圓柱規(guī)律分布 y 0處 達到最大值 48 沿接觸深度的主應力和最大切應力分布 49 點接觸 接觸面可能是橢圓或圓橢圓時 接觸應力按半橢圓球規(guī)律分布對于半徑為R的圓球和平面的點接觸 接觸圓半徑 50 接觸壓應力 表面最大 沿z減小切應力 表層下 0 786b或0 5b yz45 或 0 存在滑動摩擦 切向力 主切應力 最大綜合切應力移向表面 0 1 移到表面 麻點 塑性變形 51 二 接觸疲勞破壞機理 起源于表面 0 1 0 2mm深 針狀或痘狀凹坑表面最大綜合切應力滾動 滑動 1 麻點剝落 點蝕 52 2 淺層剝落 起源于亞表面層 0 2 0 4mm深接觸應力反復作用非金屬夾雜物附近 軸承滾道表面剝落 可見夾雜物 53 3 深層剝落 壓碎性剝落 起源于表面硬化過渡區(qū) 0 4mm裂紋形成后沿過渡區(qū)平行擴展 而后再垂直于表面擴展 最后形成較深的剝落坑 54 三 接觸疲勞試驗方法 接觸疲勞曲線 max N max是按赫茲公式計算出來的最大壓應力 N為破壞循環(huán)周次 N0 107 規(guī)定 當試樣上深層剝落面積 3mm2或當試樣上麻點剝落 集中區(qū) 在10mm2面積內(nèi)出現(xiàn)麻點率達15 的損傷時 均判定為接觸疲勞破壞 疲勞試驗機 純滾動和滾動帶滑動兩類 Mo鋼的接觸疲勞S N曲線1 碳氮共滲試樣 滲層厚度為0 66mm 2 滲碳試樣 滲層厚度為0 76mm 55 四 影響接觸疲勞壽命的因素 內(nèi)部因素1 非金屬夾雜物2 熱處理組織狀態(tài)3 表面硬度與心部硬度4 表面硬化層深度5 殘余內(nèi)應力外部因素1 表面粗糙度與接觸精度2 硬度匹配 56 作業(yè) 名詞解釋1 粘著磨損2 磨粒磨損3 接觸疲勞 57