1、第四章材料的磨損原理,學號：2011208093 姓名: 馬芝存,第四章 材料的磨損原理,4.4 微動磨損（ Fretting Corrosion ）,一、概述 1. 微動磨損定義 70年代歐洲合作與發(fā)展組織（OECD）的定義： 兩個表面之間發(fā)生小振幅相對振動引起的磨損現(xiàn)象。 微動損傷中化學或電化學反應占重要地位的則稱為微動腐蝕（Fretting Corrosion）。 微動磨損的部件，同時或在微動作用停止后，受到循環(huán)應力，出現(xiàn)疲勞強度降低或早期斷裂的現(xiàn)象稱為微動疲勞（Fretting Fatigue）。,2. 微動磨損的發(fā)展歷程 1911年，Eden、Rose和Cunningham首先觀察到

2、微動與疲勞的聯(lián)系； 1924年，Gillet和Mack發(fā)表了機器緊固件因微動導致疲勞壽命明顯降低的報告； 1927年，Tomlinson認為腐蝕是次要因素并提出了一種微動機理； 1941年，Warlow-Davies注意到微動可以加速疲勞破壞； 1949年，Mindlin提出在一定條件下，微動區(qū)存在滑移區(qū)和非滑移區(qū)，計算分析了接觸表面的應力分布；,1950年，第一屆ASTM Symposium On Fretting Corrosion在美國的Philadelphia召開，并宣讀五篇論文，會上由IMing Feng和Rightmire提出了一種微動理論； 1951年，Uhlig在JApplMe

3、ch發(fā)表了題為Mechanism Of Fretting Corrosion的論文； 1969年，Nishioka、Nishimura和Hirakawa提出了一種早期的微動疲勞模型； 1970年，Hurrick在Wear發(fā)表The Mechanism Of Fretting的論文，認為微動分為三個過程；,1972年，Waterhouse發(fā)表了首部編著Fretting Corrosion，Hoeppner提出了微動疲勞極限的概念； 1974年，Specialists Meeting On Fretting in Aircraft在德國Munich召開，發(fā)表論文16篇； 1977年，Waterho

4、use將大位移滑動磨損的剝層（delamination）理論引入微動磨損的研究； 1981年，Waterhouse編輯出版了由10篇論文組成的Fretting Fatigue論文集；,1982年，第二屆ASTM Symposium On Materials Evaluation under Fretting Conditions在美國Philadelphia召開，宣讀論文近20篇； 1985年，Wear編輯出版了在英國Nottingham召開的Fretting Wear Seminar會議專輯，發(fā)表了15篇論文； 1988年，Wear期刊在Waterhouse退休之際，編輯出版了他的13篇論文

5、專輯，在該專輯中，Berthier、Vincent和Godet提出Velocity Accommodation理論；,1990年，Godet提出微動三體理論； 1990年，第三屆ASTM Symposium On Standarization Of Fretting Fatigue Tests Methods and Equipment在美國的Philadelphia召開，宣讀論文20篇； 1992年，Waterhouse發(fā)表了Fretting Wear綜述論文； 1992年，Zhou和Vincent提出二類微動圖理論，成為揭示微動運行和損傷規(guī)律的重要理論；,1993年，在英國的Sheffie

6、ld召開International Symposium On Fretting-Fatigue，宣讀論文37篇； 1996年，在英國的Oxford召開Euromech 346 On Fretting Fatigue會議，宣讀論文18篇； 1997年，在中國成都召開首屆International Symposium On Fretting，宣讀論文32篇； 1998年，在美國Salt Lake City召開2nd International Symposium On Fretting Fatigue，發(fā)表學術論文近40篇；,2001年，在日本召開3rd International Symposi

7、um On Fretting Fatigue，并形成每3年一次的微動疲勞系列國際會議。 3. 一些統(tǒng)計數(shù)據(jù) （1）國家和地區(qū)的分布 按照發(fā)表論文的數(shù)量，主要有英國、法國、美國、日本、加拿大、瑞典、德國、中國、瑞士和比利時。這些國家發(fā)表的論文數(shù)占論文總數(shù)的90以上。,（2）研究機構(gòu)及人員 約有300名研究人員作為第一作者或合作者在刊物和會議上發(fā)表微動摩擦學研究的論文，一半左右僅出現(xiàn)一次署名。發(fā)表微動摩擦學研究論文最多的有七個研究單位，主要集中在法國、英國、美國。 （3）研究領域分布 微動磨損和微動疲勞方面發(fā)表的論文數(shù)各占近一半，而有關微動腐蝕的論文相對較少。,（4）研究內(nèi)容 基礎研究 從簡單的工

8、業(yè)微動破壞現(xiàn)象的觀察、單一實驗參數(shù)的影響，走向破壞機理的實驗分析、綜合機械材料參數(shù)（如位移、壓力、頻率、往復次數(shù)、材料組織結(jié)構(gòu)、力學性能等）的影響。 從平移微動模式的研究，走向其他微動模式（如徑向、滾動、扭動、沖擊等模式）和復合微動模式等的研究。, 理論分析 理論分析不再局限于Hertz彈性接觸理論，而借助計算機、彈塑性力學、斷裂力學、有限元法、能量分析（包括熱力學）等研究手段來模擬微動的運行和破壞過程。 新材料 過去的研究主要集中在金屬材料，尤其是各種鋼和鋁合金，現(xiàn)在已有不少研究者開始致力于各種新材料的微動損傷規(guī)律的研究。, 環(huán)境影響 微動的研究不再局限于普通工況，除在傳統(tǒng)的高溫、真空和腐蝕

9、氣氛等環(huán)境下進行研究之外，諸如流動空氣、水蒸氣介質(zhì)、生物性腐蝕介質(zhì)、超低溫和強磁場等特殊環(huán)境下的微動破壞機理的研究也得到積極開展。 防護措施 研究領域已從微動破壞機理研究走向機理與抗微動破壞研究并重的階段，各種減緩技術如表面處理、潤滑和結(jié)構(gòu)設計改進等有很大的進展。, 工業(yè)應用 航空部門、核電站、高空電纜、鋼絲繩索、大型軸、人工植入器官、電接觸等工業(yè)領域的微動損傷已日益成為研究熱點。 4. 微動磨損的特征 具有引起微動的振動源（機械力、電磁場、冷熱循環(huán)等），流體運動所誘發(fā)的振動； 磨痕具有方向一致的劃痕、硬結(jié)斑和塑性變形以及微裂紋； 磨屑易于聚團、含有大量類似銹蝕產(chǎn)物的氧化物。,二、微動磨損理論

10、 一個較為完滿的微動磨損理論應該能對下列實驗現(xiàn)象作出合理的解釋： 真空或惰性氣氛中微動損傷較小； 微動產(chǎn)生的磨屑主要由氧化物組成； 循環(huán)數(shù)一定時，低頻微動比高頻損傷大； 材料流失量隨負荷和振幅而增加； 低于室溫比高于室溫的磨損嚴重； 空氣環(huán)境比濕空氣中損傷大。,Uhlig模型 室溫下鐵的氧化為： 每一循環(huán)造成氧化層的重量損失為： 每一循環(huán)金屬的磨損量為：,總的微動磨損量：,uhlig根據(jù)鋼的微動磨損實驗得到經(jīng)驗公式為： Uhlig的模型不足： 忽略了氧化膜起到防止材料粘著的有利作用 忽略了微動過程中磨屑參與磨損的作用 因此它不能解釋實驗中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象，至少對微動磨損隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律不能給

11、予完滿的說明。,2. Feng和Rightmire模型 Feng和Rightmire在總結(jié) 微動循環(huán)次數(shù)與材料失重 關系后提出來的。 可以將曲線分為四個階段： OA段：由于金屬轉(zhuǎn)移和初始磨損造成曲線迅速上升； AB段：從剪切到磨粒參與磨損使曲線第二次向上彎曲； BC段：磨粒作用下降，從而減緩材料損失； CD段：最后達到穩(wěn)定磨損率。,接觸首先發(fā)生在微凸體 上，少量磨屑落入谷內(nèi)； 磨屑填滿谷，使磨損變 成磨粒磨損。許多微凸 體合并成一個小平臺； 磨屑進一步增加，并 開始從接觸區(qū)溢出進入鄰 近的洼谷區(qū)；,接觸區(qū)壓力再分布，中 心壓力增高，邊緣壓力降 低，使中心的磨粒磨損加 重，凹坑迅速加深。 模型很

12、快為科學家們所接受： 形象地說明微動磨損中表面變粗糙的現(xiàn)象 確立了磨粒磨損是穩(wěn)態(tài)階段的特征 不足：至今尚未達到令人滿意的定量描述。,3. 微動的三體理論 微動的三體理論認為磨屑的產(chǎn)生可看成是兩個連續(xù)和同時發(fā)生的過程： 磨屑的形成過程 接觸表面粘著和塑性變形，并伴隨強烈的加工硬化； 加工硬化使材料脆化，白層同時形成，隨著白層的破碎，顆粒剝落； 顆粒被碾碎，并發(fā)生遷移，遷移過程取決于顆粒的尺寸、形狀和機械參數(shù)（如振幅、頻率、載荷等）。, 磨屑的演化過程 起初磨屑呈輕度氧化，仍為金屬本色，粒度為微米量級（約1m）； 在碾碎和遷移過程中進一步氧化，顏色變成灰褐色，粒度在亞微米量級（約0.1m）； 磨屑

13、深度氧化，呈紅褐色，粒度進一步減小為納米顆粒（約10nm） ，射線衍射分析表明磨屑含-Fe、-Fe2O3（呈紅色）和低百分比的Fe3O4。,利用三體理論可很好地解釋鋼鐵材料微動摩擦系數(shù)隨循環(huán)周次的變化過程： 接觸表面膜去除，摩擦系數(shù)較低； 第一、二體之間相互作用增加，發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)上升，并伴隨材料組織結(jié)構(gòu)變化；,磨屑剝落，第三體床形成，二體接觸逐漸變成三體接觸，因第三體的保護作用，粘著受抑制，摩擦系數(shù)降低； 磨屑連續(xù)不斷地形成和排除，其成分和接觸表面隨時間改變，形成和排出的磨屑達到平衡，微動磨損進入穩(wěn)定階段。,3. 微動磨損的發(fā)展過程 （1）粘著機制在微動磨損中的作用 普通滑動磨損中，金屬

14、表面的微凸體接觸后形成冷焊點，受切向力作用發(fā)生斷裂，同時出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移。這是單方向上一次作用下實現(xiàn)的。 微動磨損中： 金屬表面微凸體接觸后形成冷焊點，微動往復式多次反復運動，使某些冷焊點發(fā)生斷裂，同時出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移，因此，磨損率低。,微動的早期，金屬表面氧化膜破裂后，粘著傾向迅速增大。發(fā)生斷裂并形成松散磨粒后，粘著傾向會逐漸減小，最后過渡到平穩(wěn)階段。粘著階段持續(xù)的時間與材料及環(huán)境有關。 同種金屬在一起微動時易發(fā)生粘著，而且兩表面的損傷程度相同。 異種金屬微動時，損傷主要出現(xiàn)在較軟的金屬表面上。,經(jīng)過時效處理或加工硬化的材料與未經(jīng)處理的材料，振幅對粘著系數(shù)的影響有相同的結(jié)果。（氮氣氛中）,微動振幅對

15、粘著系數(shù)影響的趨勢大體相似，但是，隨合金化程度的增加，粘著的機會明顯減小。 合金化不僅增加了材料的強度，更重要的是改變了金屬表面氧化膜的性質(zhì)。 合金化對銅的影響圖,（2）氧化作用 金屬表面的氧化膜對防止冷焊十分有效，有利于防止粘著。 能在金屬表面生成附著牢固，且在微動下能出現(xiàn)一層釉質(zhì)氧化物層的材料，其磨損量和摩擦系數(shù)將隨微動而明顯下降。 空氣及氮氣中體碳鋼 粘著系數(shù)和振幅關系,氧化對微動磨損的影響： 貴金屬或惰性氣氛環(huán)境中合金間的微動磨損，氧不參與作用，以粘著及塑性變形機制為主； 薄而附著不牢的氧化膜，在不到一次微動循環(huán)便被破壞，這時氧化與機械兩種機制均對微動磨損有貢獻； 氧化較嚴重而且氧化膜

16、易碎裂成片，氧化與機械兩種機制的協(xié)同作用加速表面破壞； 氧化層致密能起減摩作用，如鈦合金、鎳鉻鋁合金在高溫下的微動磨損，氧化作用緩解了機械摩擦導致的損傷。,（3）微動磨損的穩(wěn)態(tài)階段 穩(wěn)態(tài)階段是微動磨損的主要階段，用它來評價材料的耐磨性是合理的。 穩(wěn)態(tài)階段哪種磨損機制占主導地位呢？ 1973年N.P.Suh提出磨損剝層理論后，才統(tǒng)一了認識： 微動是相對運動速度較低的滑動，它符合剝層理論中提到的假設：磨屑呈片狀離開母體材料表面，屑片的厚度為110m，長度為2050m ；,微動磨損觀察到磨痕為平底淺坑； N.P.Suh認為在交變應力較低時，形成亞表面裂紋所需要的循環(huán)次數(shù)多，直到裂紋萌生并擴展至一定長

17、度后才會產(chǎn)生磨屑； 在考慮粘著、磨粒磨損機制的同時應該注意剝層理論的作用。 但是，N.P.Suh的剝層理論未能說明裂紋是否首先在亞表層形成。,4. 微動疲勞 （1）微動疲勞的特征與診斷 微動疲勞是指因微動而萌生裂紋源，并在交變應力下裂紋擴展而導致疲勞斷裂的破壞形式。 特征一：疲勞斷裂源必然出現(xiàn)在微動接觸區(qū)或其影響區(qū)內(nèi)。 特征二：裂紋擴展的階段性。 診斷：只要斷口具有疲勞破壞特征，裂紋源發(fā)生于微動磨痕，裂紋擴展呈現(xiàn)階段性即可確認為微動疲勞破壞。,（2）微動疲勞曲線（交變應力與循環(huán)周次曲線） 只有達到一定的微動循環(huán)次數(shù)時才能導致疲勞強度的降低。低于此值時，微動的影響不明顯。 而微動造成疲勞強度明顯

18、下降，并降低于一確定值后即使微動過程繼續(xù)進行，疲勞強度也不再進步下降。,（3）微動疲勞裂紋的萌生與擴展 微動疲勞裂紋萌生和擴展大致經(jīng)過幾個階段： 出現(xiàn)裂紋源； 微裂紋萌生； 微裂紋生長； 宏觀裂紋出現(xiàn)； 宏觀裂紋擴展。 從微觀應力場分布可以看出：微動時，在接觸中心部分因過高的法向壓力導致摩擦力大于切向力（fpq）而處于靜止狀態(tài)；邊緣地區(qū)由于 fpq而產(chǎn)生局部滑動，疲勞裂紋就在該處萌生。,微動摩擦力和疲勞應力的協(xié)同作用將導致裂紋的萌生和加速其擴展。 拐點是微動作用的終止點 疲勞裂紋擴展的起始點,隨后的疲勞裂紋只受交變應力的支配而擴展，其擴展速度降低。一般來說，當微動疲勞裂紋深入到表面1mm后，其

19、擴展和斷裂過程將完全按一般的疲勞規(guī)律進行。,三、影響微動磨損的因素 材料性能 微滑動距離 載荷 4. 相對濕度 5. 振動頻率與振幅 6. 溫度,四、影響微動疲勞的因素 1. 法向壓力 2. 微動振幅 3. 環(huán)境氣氛,第四章 材料的磨損原理,4.5 疲勞磨損（Fatigue Wear）,一、概述 1. 定義 零件受交變應力的反 復作用，在零件工作表 面或表面下一定深度處 形成疲勞裂紋，隨著裂 紋的擴展與相互連接，造 成顆粒從零件工作表面 上脫落，形成疲勞坑 的現(xiàn)象。,疲勞磨損也稱為接觸疲勞，他經(jīng)歷裂紋的萌生、擴展、斷裂三個過程，可以說是材料疲勞斷裂的一種特殊形式。 早期的磨損分類，沒有把這種接

20、觸疲勞劃入磨損的范疇。后來的研究發(fā)現(xiàn)，不僅在滾動接觸，而且在滑動接觸及其它磨損形式中，也都發(fā)現(xiàn)了表面接觸疲勞過程，因此，接觸疲勞完全可以被認為是一種獨立的，而且是相當普遍的磨損形式。,2. 疲勞磨損與整體疲勞之間的區(qū)別 （1）裂紋源和裂紋擴展途徑不同,疲勞磨損,（2）疲勞極限的差別 整體疲勞存在明顯的疲勞極限； 疲勞磨損尚未發(fā)現(xiàn)疲勞極限， （3）作用過程的差別 整體疲勞一般只受循環(huán)應力的作用； 疲勞磨損除循環(huán)應力作用外，摩擦過程可以引起表面層一系列的物理化學變化。 （4）應力計算上的差別 疲勞磨損的應力計算受材料的均勻性、表面特征、載荷分布、油膜情況、切向力大小等的影響。,3. 疲勞磨損的種類

21、 （1）表層萌生與表面萌生疲勞磨損,（2）鱗剝（spalling）與點蝕（pitting）磨損 點蝕疲勞裂紋都起源于表面，再順滾動方向向表層內(nèi)擴展，并形成扇形疲勞坑； 鱗剝疲勞裂紋始于表層內(nèi)，隨后裂紋與表面平行向兩端擴展，最后在兩端斷裂。,表面萌生裂紋形成點蝕磨損，表層萌生裂紋形成鱗剝磨損是否有根據(jù)？ 有人曾對冷激鑄鐵挺桿上106條點蝕裂紋進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，大約80%的裂紋是從表面起源的，從亞表層內(nèi)部萌生的只占20%。 大量的研究證明，點蝕裂紋的萌生，不僅決定于應力狀態(tài)，而且與材料的組織結(jié)構(gòu)、性能、表面粗糙度、表面完整性，以及潤滑狀態(tài)與潤滑劑等一系列因素有密切關系。,二、疲勞磨損的機理

22、 疲勞裂紋誘發(fā)點蝕理論 由SWay于1935年提出： 發(fā)生點蝕的必要條件是摩擦副之間有油潤滑； 潤滑油粘度高于某一定值，點蝕將不會發(fā)生； 光滑的接觸表面不易發(fā)生點蝕； 熱處理條件對于點蝕有顯著的影響。 根據(jù)裂紋的擴展方向分為兩種情況：,（1）裂紋開口迎 向接觸點 （2）裂紋開口背 離接觸點,點蝕,點蝕,點蝕,點蝕,2. 摩擦溫度誘發(fā)點蝕理論,點蝕,3. 最大剪應力理論,（2）位錯理論 剪應力方向和大小反復發(fā)生變化，在亞表層內(nèi)將產(chǎn)生位錯運動，位錯的互相切割產(chǎn)生空穴，空穴的集中形成空洞，最后發(fā)展成裂紋。,三、影響疲勞磨損的因素 載荷性質(zhì)的影響 （1）蘇聯(lián)科學家的試驗,（2）溫詩鑄教授的試驗,少量的滑動將顯著地降低接觸疲勞磨損壽命，因為，摩擦力作用使最大切應力位置趨于表面，增加了裂紋萌生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉應力促使裂紋擴展加速。,2. 材料性能的影響 鋼材中的非金屬夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，在循環(huán)應力作用下與基體材料脫離形成空穴，構(gòu)成應力集中源，從而導致疲勞裂紋的早期出現(xiàn)。,3. 表面粗糙度的影響,4. 潤滑與潤滑劑的影響,在相同溫度和相同粘度下，使用合成油的接觸疲勞壽命高于使用天然油的，因為合成油的粘壓系數(shù)值較大，因