摩擦磨损与润滑2(3)

研究表明，要改善材料抗磨粒磨损的性能，必须满足以下条件：Hm?0.5Ha但是，如果Hm超过1.3Ha时，抗磨粒磨损的性能将不会得到更进一步的改善。低磨损率的判据：Hm?1.3Ha 3.磨粒尺寸通常，金属的磨粒磨损会随着磨粒尺寸的增大而加剧。但磨粒尺寸增大到某个临界值以后，磨损量保持不变。 §4.4表面疲劳磨损摩擦副接触表面作滚动或滑动摩擦时，由于周期性载荷，使接触区产生很大的交变应力，导致表面发生塑性变形。在表层薄弱处引起裂纹，逐渐扩展并发生断裂而造成的点蚀或剥落，称为表面疲劳磨损。4.4.1基本类型1.点蚀（pitting）点蚀的特征是初始裂纹出现在零件表面，表面裂纹逐渐扩展并产生疲劳破坏，材料破坏的深度浅，以甲壳虫状小片脱落，最后在零件表面形成麻点状小坑。研究表面，当表面接触压应力较小（小于材料剪切强度的55%）、而摩擦系数较大时，表面疲劳磨损主要表现为点蚀。尤其当零件表面质量较差时（如脱碳、淬火不足，有夹杂物等），更是如此。2.剥落（spalling）当表面接触压应力较大（大于材料剪切强度的60%）、而摩擦系数较小时，其初始裂纹往往在表面以下萌生并扩展，疲劳破坏大都逐渐发生，材料呈片状脱落，破坏区较大，这种表面疲劳磨损的形式称为剥落。 两种疲劳磨损的对比产生表面疲劳磨损的基本条件是：产生滚动摩擦或滑动摩擦或二者兼有的摩擦副承受了较高的重复接触应力。它与一般材料疲劳破坏的主要区别是：①磨损的产生与摩擦力有关；②磨损往往发生在材料的表层或次表层；③材料不存在疲劳极限。 4.4.2磨损机理１.裂纹从表面产生（１）微观裂纹的萌生阶段在滚动摩擦或滚动与滑动摩擦同时出现时，由于表面接触应力的作用非常接近表层，在表层产生塑性流变（流变层厚度约０.１～０.３ｍｍ），形成各向异性的纤维组织。因纤维组织方向（即塑性流向）的金属移动阻力最小，当表面剪应力足够大时，在表面就会产生晶界微裂纹。 （２）裂纹扩展阶段表面形成微裂纹后，润滑油进入其中。而在零件作相对运动的过程中，润滑油会被反复压入到裂纹内部并被封闭，使所形成的封闭腔中的油压增大，迫使裂纹扩展。 （３）表层疲劳剥落阶段裂纹扩展的尺寸越大，裂纹形成封闭腔内的储油越多，作用于裂纹内壁的油压也越大。在多次重复作用下，裂纹扩大到使表层材料在其危险截面处折断并脱落，从而使零件表面形成麻点剥落。在没有润滑油的情况下，由于摩擦表面的摩擦力更大，温度更高，使表面材料产生畸变，局部应力增大，从而使接触表面在高的压应力、摩擦力和热应力作用下，也会产生点蚀。 ２.裂纹从接触表层下产生剥落的形成过程与点蚀相似，也可分为以下三个阶段：（１）裂纹萌生阶段当接触应力较大而摩擦力较小时，根据弹性理论中的赫兹方程可知，表层最薄弱处是在表面以下距表面０.７８６ｂ的地方，即最大剪应力的作用点。（２）裂纹扩展阶段随着循环作用次数的增加，微裂纹逐渐扩展，并产生与表面垂直或倾斜的分枝裂纹。（３）表层脆断剥落阶段随着分枝裂纹的进一步扩展并互相交织在一起，在裂纹包围的地区引起脆断而剥落。 阿查德导出了表面疲劳磨损的磨损率方程：NRv?Ksf3?sKsf是表面疲劳磨损的磨损系数，它与材料发生疲劳破坏的应力循环次数成反比，Ksf?10?3~10?63.脱层理论（分层理论）苏（Suh）认为接触的两表面相对滑动，硬表面的峰顶划过软表面时，软表面上每一点都经受一次循环载荷。在载荷的反复作用下，产生塑性变形。塑性变形沿着材料的应力场，扩展到距表面较深的地方，而不是表面上。 因此在表面以下，金属出现大量位错，并在表层以下一定距离内将出现位错的堆积，如遇金属中的夹杂或第二相质点，位错遇阻，导致空位的形成和聚集，此处更易发生塑性流动。这些地方往往是裂纹的成核区域（见图）。表层发生位错聚集的位臵取决于金属的表面能和作用在位错上正应力的大小。一般，面心立方金属的位臵比体心立方金属的深。塑性流动的位置 根据表面下的应力分布状况，裂纹都是平行于表面的。每当裂纹受一次循环载荷，就在同样深度处向前扩展一个短距离，扩展到一定的临界长度时，裂纹与表面之间的材料，由于剪切应变而以薄片形式剥落下来。裂纹产生的深度由材料的性质及摩擦系数所决定。4.微观点蚀概念勃士（Berthe）等提出微观点蚀概念。实际上表面是粗糙的，真实接触在粗糙表面的峰顶。表面粗糙度使赫兹应力分布发生调幅现象。每个峰顶上的接触应力引起的点蚀称为微观点蚀。这种点蚀大约是宏观点蚀的1／10左右。而这种微观点蚀往往都是宏观点蚀的起因。 4.4.3影响表面疲劳磨损的因素1.轴承钢的性能与质量赫兹应力分布的调幅现象钢中非金属的脆性夹杂物（在交变应力作用，易于基体材料分离而形成空穴。 改善钢锭的冶炼方法，进行净化处理，这是降低钢中夹杂物含量的根本措施。轴承钢中碳化物含量太多，粒度太大、形状不规则和分布不均匀也会引起材料组织和性能的不均匀和应力集中，从而降低材料抵抗表面疲劳磨损的能力。适当降低轴承钢中的含碳量，充分的锻造，采用合理的球化退火工艺，以减少钢中碳化物的含量，并使片状及网状碳化物变成球状，以降低硬度，减少淬火缺陷，这也是提高零件寿命的重要措施之一。 2.渗碳钢的性能与质量渗碳层一般具有较高的强度和耐磨性，其深度直接影响到滚动接触零件内部剪应力的分布，以及剪应力与材料剪切强度二者比值的变化。合理选择渗碳层深度，将使最大剪应力落在高强度的渗碳层内，从而可大大提高零件的寿命。HV式中：t—渗碳层深度，mm；R—接触部位的相对曲率半径，mm；可用下式确定渗碳层的合理深度：t?0.31R?max?max—最大接触应力，MPa；HV—渗碳层的维氏硬度。 3.润滑油的粘度润滑油的粘度越低，越易进入裂缝，加速裂纹的扩展。根据弹性流体动压润滑理论，润滑油的粘度越高，接触压力的分布就越均匀，零件抗疲劳磨损的能力也就越高。4.零件的表面粗糙度零件的表面粗糙度越小，其寿命越长。以滚动轴承为例，表面粗糙度0.16-0.32μm的轴承寿命比0.32-0.63μm的轴承的寿命高2-3倍。 §4-5 腐蚀磨损（摩擦-化学磨损）腐蚀磨损是金属表面在摩擦过程中与周围介质发生化学反应或电化学反应而产生的一种磨损。产生腐蚀磨损的必要和充分条件是具有在腐蚀性介质的环境下的摩擦表面，在大多数情况下，还有高温作用。4.5.1腐蚀磨损的类型按周围介质的不同，腐蚀磨损可分为以下两种类型： 1.氧化磨损当摩擦副受到空气中或润滑剂中氧的作用时，会在金属表面形成氧化膜，这种氧化物被磨掉的现象就是氧化磨损。氧化磨损的磨损机理就是氧化膜的形成、破坏、再生与再破坏的周而复始的过程。氧化膜的生成速度随时间按指数规律下降。 2.化学腐蚀磨损当摩擦副受到酸、碱等腐蚀介质的作用时，或在高温条件下润滑剂中的硫磷氯等元素与金属表面发生化学反应时，会在零件表面生成化学反应膜。这种表面膜在摩擦过程中不断被除去的现象，即为化学腐蚀磨损。其磨损机理则是化学反应膜的不断产生、破坏、再生与再破坏的过程。