表面摩擦与磨损.ppt
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1、第3章 表面摩擦、磨损与润滑主主 要要 内内 容容l 概 述l 摩 擦l 磨 损l 润 滑概述概述 摩擦学摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑,以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。p 摩擦摩擦 两个接触的物体在相互运动过程中,表面之间所产生的阻碍运动的效应;p 磨损磨损 由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移;p 润滑润滑 减轻摩擦和磨损所应采取的措施。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于消耗于摩擦。摩擦。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。减少摩擦节省能源;减少磨损降低设备维修次
2、数和费用,节省制造零件及其所需材料的费用。3.1 摩擦l摩擦的定义 摩擦不仅会使材料磨耗,而且还会发热,摩擦不仅会使材料磨耗,而且还会发热,导致接触表导致接触表面瞬时温度升高,降低工件的机械效率,加重材料磨耗面瞬时温度升高,降低工件的机械效率,加重材料磨耗,故生产中总是力图减少摩擦,降低摩擦系数。只有某些情故生产中总是力图减少摩擦,降低摩擦系数。只有某些情况才需增大摩擦力,如车辆制动器、摩擦离合器等。况才需增大摩擦力,如车辆制动器、摩擦离合器等。摩擦摩擦-两个接触的物体在相互运动过程中,表面之间所产生的阻碍运动的效应。摩擦的大小大小一般用摩擦系数来表示,其值等于摩擦力F(切向力)与法向力N(载
3、荷)的比值,即=F/N 摩擦力摩擦力-两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时,在接触面间产生切向的运动阻力,这一阻力称为摩擦力。有动静区分,有动静区分,静静动动。l摩擦的分类摩擦的分类 按摩擦副的按摩擦副的运动状态运动状态分类分类静摩擦静摩擦动摩擦动摩擦-仅有相对运动仅有相对运动趋势趋势时的摩擦时的摩擦-在相对运动在相对运动进行中进行中的摩擦的摩擦 按摩擦副的按摩擦副的运动形式运动形式分类分类滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦物体表面间的运动形式是相对物体表面间的运动形式是相对滑动滑动物体表面间的运动形式是相对物体表面间的运动形式是相对滚动滚动 按发生部位分类按发生部位分
4、类内摩擦内摩擦外摩擦外摩擦在物质的在物质的内部内部发生的阻碍分子之间相对运发生的阻碍分子之间相对运动的现象动的现象在相对运动的物体在相对运动的物体表面间表面间发生的相互阻碍发生的相互阻碍作用现象。作用现象。按摩擦副按摩擦副表面的润滑表面的润滑状况分类状况分类纯净摩擦纯净摩擦摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦干摩擦干摩擦(无润滑摩擦)(无润滑摩擦)在大气条件下,摩擦表面之间名义在大气条件下,摩擦表面之间名义上没有润滑剂存在时的摩擦上没有润滑剂存在时的摩擦边界润滑摩擦边界润滑摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在的摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在
5、的摩擦流体润滑摩擦流体润滑摩擦相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦摩擦固体润滑摩擦固体润滑摩擦相对运动的两物体表面间有固体润滑存在相对运动的两物体表面间有固体润滑存在时的摩擦时的摩擦混合摩擦混合摩擦介于上述各摩擦之间,即接触表面间同时出现干介于上述各摩擦之间,即接触表面间同时出现干摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混摩擦、边界摩擦、流体润滑摩擦和固体润滑摩擦的一种混合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。合摩擦状态。生产实际中最常见的一种摩擦状态。按摩擦副按摩擦副所处的工况条件所处的工况条件分类分类正常摩擦正常摩擦机械设备的摩擦副在
6、正常温度、压力、机械设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工况条件下的摩擦速度等工况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦特殊工况条件下的摩擦摩擦副处于高速、高温、摩擦副处于高速、高温、低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦低温等特殊环境条件下工作时产生的摩擦l摩擦的机理摩擦的机理“机械说机械说”摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用;摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用;“分子说分子说”摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用;摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用;“机械机械-分子说分子说”两种作用均有两种作用均有l摩擦理论(自学)摩擦理论(自学)图 粘着理论示意图 粘着理论大量的试验表明,工程表面的实际接触面积约
7、为名义接触面积的10-210-3,这样接触区压力很高,使材料发生塑性变形,表面污染膜遭到破坏,从而使基体金属发生粘着现象,形成冷焊结点(如图a 所示)。当发生滑动时,必须先将结点剪断(如图b 所示),同时,当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时,将切出沟纹(即犁刨作用),从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小,故可忽略。l影响摩擦的因素影响摩擦的因素1.材料性能材料性能-当摩擦副是同一种金属或是非常类似当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属,或这两种金属有可能形成固溶合金时,则的金属,或这两种金属有可能形成固溶合金时,则摩擦较严重。摩擦较严重。2.接点长大接点长大
8、3.摩擦环境摩擦环境摩擦状况摩擦系数干摩擦相同金属:黄铜-黄铜;青铜-青铜异种金属:铜铅合金-钢巴氏合金-钢非金属:橡胶-其他材料 聚四氟乙烯-其他材料0.81.5 0.150.3 0.150.3 0.61.9 0.040.12固体润滑石墨-二硫化钼润滑铅膜润滑0.060.20 0.080.20边界润滑矿物油湿润表面加油性添加剂的油润滑:钢-钢;尼龙-钢 尼龙-尼龙0.150.300.050.10 0.100.20流体润滑液体动力润滑液体静力润滑0.080.20 0.001(与设计参数有关)滚动摩擦滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近
9、,其它滚子轴承则稍大表 不同摩擦状态下的摩擦系数(大致值)3.2 磨损l磨损的定义磨损的定义 磨损(磨损(WearWear)-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移的现象称为磨损。磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是磨屑的形成是材料发生变形和断裂的结果。磨损是发生在材料表面的局部变形与断裂,这种变形与断裂是发生在材料表面的局部变形与断裂,这种变形与断裂是反复进行的,具有反复进行的,具有动态特征动态特征。这种动态特征的另一标志。这种动态特征的另一标志是是材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态材料表层组织经过每次循环后总要变到新的状态。所。所以由以由常规试验得到材料力学性能不一定能如
10、实反映出材常规试验得到材料力学性能不一定能如实反映出材料耐磨性的优劣料耐磨性的优劣。材料的磨损除主要由力学因素引起外,在整个过程中材料的磨损除主要由力学因素引起外,在整个过程中材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。材料还将发生一系列物理、化学状态的变化。如因表面材料的塑性变形引起的如因表面材料的塑性变形引起的形变硬化及应力分布形变硬化及应力分布的改变的改变,因摩擦热引起的二次相变,因摩擦热引起的二次相变淬火、回火及回复再结淬火、回火及回复再结晶晶,因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的,因外部介质产生的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。耐磨性能。机件正常运行的磨损过程如图所示,
11、一般分为机件正常运行的磨损过程如图所示,一般分为3 3个阶个阶段,曲线上各点斜率即为段,曲线上各点斜率即为磨损速率磨损速率。图图 磨损量与时间的关系示意图(磨损曲线)磨损量与时间的关系示意图(磨损曲线)(1)(1)跑合跑合(磨合磨合)阶段阶段。该阶段随着表面被磨平,实际接触。该阶段随着表面被磨平,实际接触面积不断增大,表层应变硬化,磨损速率不断减小。表面形面积不断增大,表层应变硬化,磨损速率不断减小。表面形成牢固的氧化膜,也降低了该段的磨损速率。成牢固的氧化膜,也降低了该段的磨损速率。(3)(3)剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段。随磨损过程的增长,磨耗增加,摩。随磨损过程的增长,磨耗增加,摩擦副接触表
12、面间隙增大,机件表面质量恶化,润滑膜被破擦副接触表面间隙增大,机件表面质量恶化,润滑膜被破坏,引起剧烈振动,磨损重新加剧,机件快速失效。坏,引起剧烈振动,磨损重新加剧,机件快速失效。(2)(2)稳定磨损阶段稳定磨损阶段。该段的斜率就是磨损速率,为一稳定。该段的斜率就是磨损速率,为一稳定值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率值。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服或磨损量来评定材料耐磨性能的。大多数工件均在此阶段服役,磨合得越好,该段磨损速率就越低。役,磨合得越好,该段磨损速率就越低。l磨损的分类磨损的分类粘着磨损(粘
13、着磨损(Adhesive Wear)磨料磨损(磨料磨损(Abrasivee Wear)表面疲劳磨损(表面疲劳磨损(Surface Fatigue Wear)腐蚀磨损(腐蚀磨损(Corrosive Wear)磨损是多种因素相互影响的复杂过程。根据不同磨损机理,分为四个主要类别:粘着磨损(粘着磨损(Adhesive Wear)(又称咬合磨损又称咬合磨损)定义-是指两个相对运动的表面发生相互焊合,在相互运动过程中焊合表面产生撕裂而发生的磨损。粘着磨损粘着磨损是因是因两种材料表面某些接触点局部压应两种材料表面某些接触点局部压应力超过该处材料屈服强度发生粘合并拽开而产生的一力超过该处材料屈服强度发生粘合
14、并拽开而产生的一种表面损伤磨损,多发生在摩擦副相对滑动速度小,种表面损伤磨损,多发生在摩擦副相对滑动速度小,接触面氧化膜脆弱,润滑条件差,以及接触应力大的接触面氧化膜脆弱,润滑条件差,以及接触应力大的滑动摩擦条件下滑动摩擦条件下。其磨损表面特征是其磨损表面特征是机件表面有大小不等的结疤机件表面有大小不等的结疤。粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不粘着磨损的过程就是粘着点不断形成又不断被损坏并脱落的过程。断被损坏并脱落的过程。图图 Al-Sn Al-Sn合金轴瓦的粘着磨损合金轴瓦的粘着磨损根据摩擦表面的破坏程度,常把粘着磨损分为:根据摩擦表面的破坏程度,常把粘着磨损分为:1)轻微磨损2)涂抹3)
15、擦伤(胶合或咬合)4)撕脱(或咬焊)5)咬死1)轻微磨损:)轻微磨损:往往出现在摩擦初期的比较洁净的金属表面上,这种磨损是正常的,利用这种磨损使机器达到正常跑合的目的。轻微磨损的程度决定于载荷和速度。因此在跑合阶段要特别注意选择适当的跑合规范,也就是选择适当的载荷、速度、跑合时间等参数,使跑合时间尽可能地缩短而又不会在表面上产生擦伤现象。2)涂抹:)涂抹:金属从一个表面离开,并以很薄的一层堆积在另一个表面上的现象,称为涂抹。一般是较软的金属涂抹在较硬的金属表面上。增加滑动面的油膜厚度、减小表面粗糙度的幅值和斜率,都可以减轻涂抹的产生。3)擦伤:)擦伤:沿滑动方向产生细小抓痕的现象,称为擦伤。擦
16、伤产生的条件:有较硬的凸峰(或较硬的颗粒),且在表面之间有相对滑动。4)划伤:)划伤:在滑动表面之间,局部产生固相焊合时,沿滑动方向形成较严重的抓痕的现象。5)胶合:)胶合:在滑动表面之间,由于固相焊合产生局部破坏,但尚未出现局部焊熔的现象。焊合-指固体表面直接接触时的粘着,在任何温度下都可能产生。包括:冷焊和熔焊。胶合产生原因:流体动压润滑油膜的破裂;边界润滑油膜的破裂;表面局部瞬时闪发温度升高。6)咬死)咬死是胶合最严重的表现形式是胶合最严重的表现形式 由于界面的摩擦使相对运动停止的现象。磨料磨损(磨料磨损(Abrasivee Wear)(又称磨粒磨损或研磨磨损又称磨粒磨损或研磨磨损)磨料
17、磨损磨料磨损是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起是摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在接触面间存在硬质粒子或在接触面间存在硬质粒子(从外界进入或从表面剥落从外界进入或从表面剥落)时产生的磨损时产生的磨损。依据磨粒受的应力大小,磨粒磨损可分为依据磨粒受的应力大小,磨粒磨损可分为凿削式、凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式高应力碾碎式、低应力擦伤式3 3类。类。磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽,如图所示。沟槽可能是因磨粒对摩擦表面产生的成的沟槽,如图所示。沟槽可能是因磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂
18、微切削作用、塑性变形、疲劳破坏或脆性断裂产生的,或是产生的,或是它们综合作用的结果。它们综合作用的结果。图图 磨粒磨损表面形貌磨粒磨损表面形貌表面疲劳磨损(表面疲劳磨损(Surface Fatigue Wear)(又称为接触疲劳磨损)(又称为接触疲劳磨损)表面疲劳磨损表面疲劳磨损是是两接触材料作滚动或滚动加滑动两接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时摩擦时,交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损,交变接触压应力长期作用使材料表面疲劳损伤,伤,局部区域出现小片或小块状材料剥落局部区域出现小片或小块状材料剥落,而使材料,而使材料磨损的现象,故又称磨损的现象,故又称表面疲劳磨损或麻点磨损表面疲劳磨损或麻点
19、磨损,是齿,是齿轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。轮、滚动轴承等工件常见的磨损失效形式。表面疲劳磨损的表面疲劳磨损的宏观形态特征宏观形态特征是:接触表面出是:接触表面出现许多现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑(麻坑麻坑),有的凹坑较深,底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹,如有的凹坑较深,底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹,如图所示。图所示。图图 表面疲劳磨损的表面形貌表面疲劳磨损的表面形貌腐蚀磨损(腐蚀磨损(Corrosive Wear)-在摩擦过程中,摩擦表面与周围介质发生化学反应在摩擦过程中,摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为或电化学反应的磨损称为腐蚀
20、磨损腐蚀磨损,腐蚀可在没有摩擦的,腐蚀可在没有摩擦的条件下形成,而相对运动消除了化学反应的生成物,接着条件下形成,而相对运动消除了化学反应的生成物,接着表面又受到腐蚀,如此不断反复。表面又受到腐蚀,如此不断反复。氧化磨损氧化磨损特殊介质腐特殊介质腐蚀磨损蚀磨损气蚀浸蚀磨损气蚀浸蚀磨损微动磨损微动磨损腐蚀磨损有以下几种类型:腐蚀磨损有以下几种类型:在摩擦过程中,金属的摩擦表面受空气或润滑:在摩擦过程中,金属的摩擦表面受空气或润滑剂中的氧作用形成氧化膜而发生磨损。剂中的氧作用形成氧化膜而发生磨损。:在摩擦过程中,摩擦副表面与各种液体介质:在摩擦过程中,摩擦副表面与各种液体介质(酸、碱、盐等)发生作
21、用,生成各种化学产(酸、碱、盐等)发生作用,生成各种化学产物,并在摩擦过程中不断去除,这种磨损称为物,并在摩擦过程中不断去除,这种磨损称为特殊介质腐蚀磨损。特殊介质腐蚀磨损。:在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损。:在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损。:两个表面由于振幅很小的相对运动而产生的磨损:两个表面由于振幅很小的相对运动而产生的磨损现象。现象。l磨损过程中摩擦表面的变化磨损过程中摩擦表面的变化表面微裂纹的生成及其破坏作用表面微裂纹的生成及其破坏作用化学反应过程化学反应过程-在磨损过程中,磨损过的新鲜材料表面会与空气和在磨损过程中,磨损过的新鲜材料表面会与空气和周围介质形成化合物薄膜。周围介
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