1、第4章 金属构件常见失效形式及其判断, 变形失效 断裂失效 腐蚀失效 磨损失效,变形失效, 弹性变形失效, 弹性变形, 弹性变形的特点, 过量的弹性变形失效,构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值,刚度不足,判断困难, 镗床镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品； 齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声； 弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用。,螺栓等紧固件、轴承,工程实例：,弹性变形失效的原因及预防措施,原因：过载、超温、材料,设计考虑不周、计算错误、选材不当,预防？, 选择合适的材料或构件结构，获得足够的刚度, 采用减少变形影响的连接件（皮
2、带传动、软管连接、 柔性轴）, 塑性变形失效, 塑性变形, 塑性变形的特点, 塑性变形失效,金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值,容易鉴别,鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷、歪扭畸变,变形失效,承受内压的不锈钢管,塑性变形失效的原因及预防措施,原因：过载,措施：, 合理选材，提高材料抵抗塑性 变形的能力；, 准确地确定构件的工作载荷， 正确进行应力计算；, 严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；,轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。, 高温作用下的变形失效,金属构件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈服强度，也会慢慢地产生塑性变形，当变
3、形量超过规定的要求时，导致失效。, 蠕变变形失效, 应力松弛变形失效,变形失效,金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会慢慢发生塑性变形，称为蠕变。,蠕变变形失效,典型的蠕变曲线,蠕变空洞,蠕变变形,蠕变裂纹,蠕变断裂,1. 在三晶粒交汇处形成楔形裂纹应力集中理论,高应力较低温度,2. 在晶界上由空洞形成的晶界裂纹空位聚集理论,低应力较高温度,性能指标：,蠕变极限：为保证在高温和长期载荷作用的机件不致产生过量变形而失效。,2. 持久强度极限断裂抗力指标, 熔点高，晶体结构紧密, 形成固溶体，含有弥散相的合金, 改进冶金质量, 高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度, 采用定
4、向凝固技术获得粗大柱状晶,应力松弛变形失效：,在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程。,松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。,结构上补偿胀缩方法举例,断裂失效, 静载荷作用下的断裂失效分析, 过载断裂失效分析 材料致脆断裂失效分析 环境致脆断裂失效分析 混合断裂失效分析, 疲劳断裂失效分析, 静载荷作用下的断裂失效分析, 过载断裂失效分析, 过载断裂失效断口的一般特征,塑性断裂,脆性断裂,宏观 微观,宏观 微观,杯锥状断口,微孔聚集型断口,结晶状断口,解理断口,常见形貌特征：, 影响过载断裂失效特征的因素,材料性质的影响,零件形状与几何尺寸的影响
5、,载荷性质的影响,环境因素的影响, 材料致脆断裂失效分析,材料选用不当 制造过程中工艺不正确,回火脆性断裂失效,冷脆金属的低温脆断,第二相质点致脆断裂失效, 回火脆性断裂失效,低温回火脆性,在250400出现韧性下降,M及残余A分解时沿M针条边界析出薄片状Fe3C有关,目前尚无有效方法消除，只能尽量避开在此温度范围内回火。,穿晶型准解理,高温回火脆性,在500600回火后缓慢冷却会出现韧性下降,钢中的杂质S、P、AS、Sn等在晶界上偏聚引起的。, 对小型零件可采用回火后快冷的方法； 对于大型零件则可在材料中加入Mo、W等， 可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。,沿晶冰糖状,如何消除？,回火致脆
6、断裂分析：, 室温冲击试验法, 系列冲击试验法, 低温拉伸试验法, 断裂韧度法, 冷脆金属的低温脆断,断口特征,宏观,微观,低温脆断断裂分析,韧脆转变温度,材料的缺陷和晶粒是否粗大,不是固定值,方法？, 第二相质点致脆断裂失效,断口特征,宏观,微观, 环境致脆断裂失效分析, 应力腐蚀开裂 ( Stress Corrosion Cracking ), 应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂的条件及其影响因素 应力腐蚀开裂的断口形貌特征 应力腐蚀开裂失效分析,应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成的破坏形式。 静止应力应力腐蚀开裂（SCC）； 循环应力腐蚀疲劳（CF）；,工作应力、残余应力、热应力,特点：,具
7、体实例？,实例1,1921年就有硝酸盐引起低碳钢应力腐蚀开裂的事故报道。低碳钢在硝酸盐溶液中发生阳极溶解的同时，在表面形成一层Fe2O3保护性薄膜：10Fe+6NO3-+3H2O5Fe2O3+6OH-+3N22Fe+NO3- Fe2O3+0.5N2+e 如果保护膜遭到破坏，金属发生阳极溶解腐蚀的应力腐蚀开裂。由于低碳钢的氧化保护膜只在晶粒表面上形成，而不在晶界上，所以低碳钢的硝酸盐应力腐蚀都是沿晶开裂。,实例2,某化肥厂使用的90m3合成氨冷凝器，采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管作冷凝管，工作时氨由管内流通，管外壁用水冷却，管壁温度约200 ，使用不到一年，发生了多根冷凝管开裂。,裂纹起始于外
8、表面，向内壁扩展，有的已经穿透壁厚； 断口的电子显微特征为穿晶解理； 断口上的腐蚀产物主要Fe2O3，并有氯元素富集； 冷却水为黄浦江水，含有大量氯离子。,冷却器管的失效原因为氯化物应力腐蚀开裂,应力腐蚀开裂的条件及其影响因素,基本条件：弱的腐蚀介质、不大的拉应力、特定的腐蚀系统,共同特征：, 每一种金属或合金，只有在特定的介质中才能发生应力腐蚀；, 应力（尤其是拉应力）是产生应力腐蚀的必要条件；, 应力腐蚀是一种与时间有关的延迟断裂；, 特定的材料在特定的腐蚀环境下有确定的KISCC；, 应力腐蚀裂纹的扩展速率一般为10-610-3mm/min；, 应力腐蚀是一种低应力脆性断裂，断口齐平；,
9、金属或合金,腐 蚀 介 质,低碳钢 低合金钢 奥氏体不锈钢 铜和铜合金 镍和镍合金 蒙乃尔合金 铝合金 铅 镁,NaOH, 硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液 42% MgCl2溶液,HCN NaCl 溶液,海水, H2S水溶液 氯化物溶液,高温高压蒸馏水 氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气 NaOH 水溶液, HF酸,氟硅酸溶液 熔融NaCl, NaCl水溶液,海水,水蒸气,含SO2大气Pb(AC)2溶液 海洋大气,蒸馏水,KCl-KCrO4溶液,产生应力腐蚀开裂的材料介质组合,影响因素,（1）应力使材料发生形变，而形变使表面膜破裂。应力与环境腐蚀的相互促进，才使得材料在很弱的腐蚀性介质中发生破
10、坏。,（2）临界应力scc和临界应力强度因子KIscc低于某临界值时，材料不发生开裂。, 力学因素,施加应力（Kg/mm2 ）,80706050 403020 10 0,0.1 1 10 100 1000,型号310314,型号305309316347347-2,型号3043041,断裂时间（小时）,工业不锈钢耐应力腐蚀开裂性能的比较,40302010,1 3 5 10 30 50 100 300 500 1000,外应加力（Kg/mm2）,开裂时间（小时）,各种Cr-Ni奥氏体不锈钢在沸腾的45%MgCl2溶液中 的应力-断裂时间曲线,18-8,316,16Cr/12Ni,310Mo,18C
11、r/20Ni/Mo/Cu,310,20Cr/30Ni/Mo/Cu,314,20Cr/34Ni,（1）SCC对环境有选择性； （2）氧化剂的存在有决定性作用； （3）温度有着重要的影响。温度升高，材料发生SCC的 倾向增大； （4）干湿交替环境使有害离子浓缩，SCC更容易发生；, 腐蚀因素,温度 OF,400300200100,0 20 40 60 80 100 120,产生破裂所需要的时间（小时）,温度对开裂诱发时间的影响，316及347型不锈钢 在含875ppm NaCl的水中,347型,316型, 冶金因素,(1) 合金的化学成分、热处理、组织结构、加工状态对其SCC敏感性都有影响。 (2
12、) 对于奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的SCC来说，提高Ni含量，加入硅、铜，有利于提高抗SCC性能。 (3) 增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但含碳量大则容易产生晶间性SCC。,破裂时间（小时）,1005010510.5,0 20 40 60 80 100,铁素体量（%面积）,Cr 2123%，Ni 110%复相不锈钢耐应力腐蚀与钢中铁素体含量关系,应力：25kg/mm2 沸腾：42%MgCl2,应力腐蚀开裂的断口形貌特征,宏观特征：,微观特征：, 断口平直，断面与主应力方向垂直； 一般为多源，裂纹起源于表面腐蚀坑处； 断裂源区、裂纹扩展区、最后断裂区；, 裂纹起始区大多有腐蚀产物，有时会观
13、察到网状龟裂的“泥纹花样”； 断口上经常出现二次裂纹； 应力腐蚀裂纹在扩展过程中发生分叉，形成“树枝状”裂纹； 穿晶、沿晶、混合型,应力腐蚀系统及影响因素,应力腐蚀裂纹的分叉特征,不锈钢的应力腐蚀开裂,核桃纹花样,泥状花样,铜锌合金锥管的应力腐蚀开裂,应力腐蚀开裂失效分析,应力腐蚀试验：恒载荷法、恒变形法,腐蚀疲劳,SN曲线和疲劳极限在腐蚀环境中疲劳极限不存在，即在低应力下造成断裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属材料耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循环次数(如107)，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记为 -1c。,在循环应力(交变应力)和腐蚀环境的联合作用下金属材料发生的严重腐蚀破
14、坏叫做腐蚀疲劳 (CF)。,腐蚀疲劳的特征：,（1）任何金属在任何介质中都能发生腐蚀疲劳，即不要求特定的材料环境组合。 （2）环境条件对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。 （3）纯疲劳性能与循环频率无关，腐蚀疲劳性能与频率有关。 （4）腐蚀疲劳裂纹主要为穿晶型。, 氢致断裂失效, 氢的来源 氢致脆断的类型 氢致脆断的断口形貌特征, 氢的来源,冶炼水（空气、原料）铁锈碳水化合物（燃料） 加工过程焊接、热处理酸洗和电镀储运过程 潮湿大气、海洋气候, 氢的来源,使用过程湿空气，水， 有机溶剂（含痕量水） H2 环境 H2S 环境, 氢致脆断的类型, 白点, 氢蚀, 氢疱, 可逆性氢脆,特点：,在一定温
15、度范围内出现,慢速加载时明显,明显的延迟断裂性质,空拉,充氢慢拉伸, 氢致脆断的断口形貌特征,鱼眼形貌 起泡,宏观：,微观：,鸡爪花样 解理 准解理 沿晶, 氢致脆断的断口形貌特征, 低熔点金属的接触致脆断裂失效,金属材料（钢、钛合金、铜合金等）在承受应力的同时与低熔点金属（铅、锡、镉、水银等）接触 ，引起材料脆化并导致断裂。,条件：,长时间接触,存在拉应力和较高的温度条件,存在一定的环境体系,低速加载,断裂特点及断口形貌：,裂纹起源于表面,裂纹的走向为沿晶型,主裂纹明显，周围有许多支裂纹,有低熔点金属留下的特殊色泽及堆积物,镉脆断口, 热脆失效,金属材料在较高温度（400550）下长时间工作
16、而引起韧性显著降低的现象。,特点：,室温冲击韧度降低明显,断口呈粗晶状，沿晶正断,组织中可看到黑色网状特征， 并伴有第二相质点析出, 混合断裂失效分析, 应力状态发生变化引起的混合断裂 环境因素变化引起的混合断裂 材料的成分及组织结构的不均匀性引起的混合断裂, 疲劳断裂失效分析, 疲劳断口形貌及其特征 疲劳断裂失效类型及其鉴别 疲劳断裂失效的原因与预防,裂纹源区,疲劳扩展区,最终瞬断区,疲劳辉纹的形貌特征： 扫描电镜下疲劳断口有很多细小、平行、规则间距、与扩展方向垂直的显微条纹，称为疲劳辉纹。 它由裂纹每循环一周扩展一步形成。 疲劳辉纹的形状及分布与晶体结构有关。面心立方结构金属和合金中容易看
17、到疲劳辉纹，断口上分布较广。体心立方及密排六方结构的疲劳断口不易看到疲劳辉纹。,疲劳断口微观形貌,高周疲劳,轮胎花样,低周疲劳,疲劳失效的原因及预防, 设计原因 材质原因 工艺原因 环境原因,措施：, 延缓疲劳裂纹萌生 降低疲劳裂纹扩展,具体？,腐蚀的分类,按环境分类：大气腐蚀 土壤腐蚀 海水腐蚀高温气体腐蚀 化工介质腐蚀,按形态分类：全面腐蚀 局部腐蚀,按相互作用的性质：电化学腐蚀 化学腐蚀,腐蚀失效,局部腐蚀：金属表面局部区域的腐蚀破坏比其余表面大得多，从而形成坑洼、沟槽、分层、穿孔、破裂等破坏形态。,发生局部腐蚀的条件：, 金属方面或溶液方面存在较大的电化学不均一性。 阳极区和阴极区的电
18、化学条件差异在腐蚀过程中一直保持下去。,主要类型,点蚀（小孔腐蚀）,缝隙腐蚀,晶间腐蚀,电偶腐蚀,选择性腐蚀,空泡腐蚀,1.00.50,几种不锈钢的孔蚀电位与海水温度的关系(敞口体系),Cl-离子活度对18-8不锈钢孔蚀电位的影响 25,NaCl溶液,PH值对不锈钢孔蚀电位影响,如何避免缝隙腐蚀？,应优先选择不可拆卸联接方式； 缝隙不可避免时，采取措施防止形成闭塞条件； 固体悬浮物质的沉积也会造成缝隙。因此，在设计时应考虑澄清和过滤的设施 ； 装置停工时，不要用易吸水材料包盖设备 ；,用焊接代替铆接和螺纹联接,不良,不良,较好,较好,不良（螺纹联接）,良（钎焊）,不良,较好(角焊),最好 (对
19、接焊),不良(间断焊),良(连续焊),选择焊接工艺，避免缝隙,电偶腐蚀,发生电偶腐蚀的几种情况(1) 异金属部件的组合 (2) 金属镀层 (3) 金属表面的导电性非金属膜。(4) 气流或液流带来的异金属沉积,避免(或减少)电偶腐蚀影响,用绝缘材料把异金属部件隔离 ； 降低异金属部件之间的电位差异 ； 降低电偶对结合处环境的腐蚀性，保持干燥 ； 增加异金属部件在溶液中的距离( 腐蚀电池溶液通路的电阻增加； 用非金属涂层把异金属部件涂覆，最常用的是油漆涂料。但要注意不仅涂覆阳极性部件，阴极部件也要涂覆。 设计易更换阳极部件的结构,用绝缘的方法防止电偶腐蚀,绝缘垫片,铜轴 承架,钢轴,四氟乙 烯轴套
20、,绝缘垫片,绝缘 套管,管道,阀,用封闭的方法 防止电偶腐蚀,封闭 （包括焊缝）,封闭,铝,填角,钢,铝,铝,不锈钢,浇注包 封化合物,空泡腐蚀：气蚀、穴蚀，当高速流体流经形状复杂的金属部件表面，在某些区域流体静压可降低到液体蒸气压之下，因而形成气泡。气泡随液流进入压力较高的区域时受压力而破灭。气泡的反复生成和破灭产生很大的机械力使表面膜局部毁坏，裸露出的金属受介质腐蚀形成蚀坑。蚀坑表面可再钝化，气泡再破灭使表面膜破坏。,（1）形成气泡 （2）气泡破灭，膜破坏 （3）重新成膜,（4）形成新气泡 （5）气泡破灭，膜毁坏 （6）重新成膜,空泡腐蚀各步骤示意图,防腐蚀设计 耐蚀材料选择 结构设计和强
21、度校核中考虑腐蚀控制 防护技术,腐蚀控制对结构设计的一般要求 （1）设备结构尽可能简单，减少腐蚀电池形成的机会。 （2）整体结构比分段结构好。 （3）设备表面状态应当均匀、平滑、清洁，突出的紧固件的数目愈少愈好 。 （4） 尽量避免缝隙、死角、坑洼、液体停滞、应力集中、局部过热等不均匀因素。 （5）注意材料相容性和设备之间的相互腐蚀性影响。,（6）采用覆盖层保护的设备(如衬里设备)有要足够的强度和刚度，使用中不能变形。 （7）方便设备清洗，维修和防腐蚀施工。,尽量集中附件、简化主体设计,不良,良,入孔,安全阀,排出管,排出管,入孔,安全阀,表面简单、平滑、清洁，避免尖角和切痕。焊缝应整理和打磨
22、，除去凸出物，填充凹孔隙，突出紧固件愈少愈好,尖角 粗糙,圆角 平滑,不良,良,不良（焊接缺陷）,良,良（磨去凸出物,良（填充孔隙）,最好,较好,设备结构应考 虑表面清理、 防腐蚀施工、 检查和维修的 需要,H,H/3,H,H/3,不良,良,不良,良,管道,油漆刷,喷砂清理表面,不良（聚积沉淀）,不良（液体停滞）,良,良（卧式容器向出口倾斜）,贮罐和容器 应有利于排液,海洋工程材料,钢铁材料：船舰用钢、海底油气管线钢、大线能量易焊接钢、海洋平台用钢,钛合金：海洋平台、深潜器、海水淡化设备,有色金属：钻井平台、螺旋桨、热交换器,防护材料：涂料产业海洋腐蚀,耐腐蚀、耐低温、耐高压,1 磨损概念,摩
23、擦与磨损：是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象。,摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的必然结果。,1. 定义：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，造成表面损伤的现象。,Wear,2. 磨损过程,从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的使用寿命，应尽量延长“稳定磨损阶段”。,O,3. 耐磨性评价材料抵抗磨损的性能,通常用磨损量表征材料的耐磨性,相对耐磨性：,线磨损量,体积磨损量,重量法,4. 磨损类型,按磨损机理分：,粘着磨损,磨料磨损,冲蚀磨损,疲劳磨损,微动磨损,腐蚀磨损,2 磨损机理,1. 定义：在滑动摩擦条件下，因缺乏润滑油或摩擦点处氧化
24、膜被破坏后，摩擦副表面局部发生粘着，在相对运动时粘着处又分开，使接触表面有小颗粒被拉出来，这种过程反复进行多次而产生的一种磨损。,发生于力学性能相差不大的两种金属之间。,一、粘着磨损,2. 粘着磨损机理,接触-塑性变形-粘着-剪断粘着点-材料转移-再粘着，循环不断进行，构成粘着磨损过程。,重要特征： 转移膜、化学成分变化 机件表面有大小不等的结疤,3.四种典型的粘着磨损,轻微磨损,涂抹,擦伤,咬合,4. 影响因素：,a.脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 b.金属性质相近，构成摩擦副时粘着磨损严重。,（1）材料特性：,冶金相溶性：两种金属熔融时的相互溶解度。金属配副的冶金相容性是引起金属滑
25、动时产生强烈粘着的主要原因，增大材料配副的非相容性可以获得低磨损率，也能降低摩擦系数。,c.材料的组织结构和表面处理多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高；金属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向小。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氮化物等薄膜可以减少粘着效应。,d.材料的硬度硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强。,（2）速度,在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少。,磨损量与滑动速度、接触压力的关系,（3）温度：温度升高，粘着倾向上升。,表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。,温度对咬合磨损
26、的影响,（4）润滑：粘着倾向大大下降。,在润滑油、润滑脂中加入油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下而引起的粘着现象。,控制摩擦滑动速度和接触压应力,4.改善粘着磨损耐磨性的措施,摩擦副配对材料的选择,采用表面化学热处理改变材料表面状态,二、磨粒磨损,1. 定义：当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起
27、，或者在接触面之间存在硬质粒子，在压力作用下滑过或滚过零件表面时，产生磨粒磨损。,2. 分类,（1）以磨损表面接触条件分类：,两体磨粒磨损,三体磨粒磨损,a.二体磨粒磨损 磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损。,b.三体磨粒磨损 外界磨粒移动于两摩擦表面之间, 类似于研磨作用, 称为三体磨粒磨损。 通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力, 往往超过磨粒的压溃强度。,（2）以磨粒所受应力大小分类：,低应力擦伤性磨粒磨损,高应力碾碎性磨粒磨损,凿削式磨粒磨损,a.凿削式磨粒磨损 冲击力大，磨料以很大的冲击力切入金属表面，因此工件受到很高的应力，造成表面宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下金属大
28、颗粒，被磨损表面有较深的沟槽和压痕。,b.高应力碾碎式磨粒磨损 应力高，当磨料夹在两摩擦表面之间时，局部产生很高的接触应力，这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳, 而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。,c.低应力擦伤式磨粒磨损 应力低，磨料作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。材料表面有擦伤并有微小的切削痕迹。,磨粒磨损的特征,特征：明显犁皱形成的沟槽 剪切、犁皱或切削 韧性材料，连续屑；脆性材料，断屑,3. 磨粒磨损机理,a.微观切削假说,b.压痕破坏假说,c.疲劳破坏假说,法向载荷将磨料压入摩擦表面，滑动时磨料对表面产生切削作用，材料脱离表面形成磨屑。,磨料在载荷作用下压入摩
29、擦表面而产生压痕，滑动时使表面产生塑性变形，压痕两侧材料受到损伤，从表面挤出或剥落。,摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，出现疲劳裂纹并逐渐扩大，最后从表面剥离。,4. 影响因素：,(1)材料硬度的影响,对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比。,相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越强。,(2)相对硬度影响,磨粒磨损取决于磨料硬度H0与试件材料硬度H比值: ：当H0 0.7H时，轻微磨损阶段。,：当0.7H H0 1.3H，磨损量随磨料硬度迅速增大，过渡磨损阶段。,：H0 1.3H，将产生严重磨损。,为了降低磨粒磨损，材料硬度H大约为磨料硬度H0 的1.4倍，即H
30、0 0.7H时最佳。,(3)显微组织的影响,a.基体组织 由铁素体逐步转变为珠光体、贝氏体、马氏体时，耐磨性提高。硬度相同下，B下比M回具有更高的耐磨性。,b.第二相 钢中的碳化物是最重要的第二相。在磨粒磨损中，材料的耐磨性与碳化物和基体硬度相对大小以及碳化物硬度有关。,一般金属的磨损量随磨料平均尺寸的增大而增加，到某一临界值后，磨损量便保持不变，即磨损与磨料的尺寸无关。钢磨损量与磨料尺寸关系如下图所示。,(4)磨粒尺寸的影响：,载荷显著地影响各种材料的磨粒磨损。 如右图所示，线磨损度与表面压力成正比。当压力达到转折值pc 时, 线磨损度随压力的增加变得平缓, 这是由于磨粒磨损形式转变的结果。
31、各种材料的转折压力值不同。,(5)载荷的影响：,三、腐蚀磨损,在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。,分类,氧化磨损,冲蚀磨损,特殊介质腐蚀磨损,四、微动磨损,嵌合部位或紧配合处，接触表面之间虽没有宏观相对运动，但在外部变动载荷和一定振动频率作用下，产生微小的滑动，由此导致的磨损称为。,1. 微动 塑性变形 粘着磨损 2. 脱落的颗粒形成磨料 磨粒磨损 3. 颗粒脱落后露出新鲜表面 氧化磨损 4. 接触区疲劳,影响因素：, 磨损量随振动周次或振动时间增加而增大； 磨损量随振动频率的增加而减小； 法向力增加，磨损量增加；
32、 在氮等不活泼气体或真空中，磨损量减小，而在空气中，随湿度增大，磨损量增大；,改进措施：,设计上的改进（1）增加配合面间的负荷或在相同负荷下减少接触面积；（2）减少应力集中，对压配合件可采取卸载槽，或同时增大接触部分的轴径；（3）材料选择：抗粘着能力强，抗微动磨损的能力也强；,2. 工艺改进（1）采用滚压、喷丸及化学热处理；（2）电镀和化学镀工艺；（3）加润滑剂或夹入物：固体润滑剂、软金属衬垫；,五、接触疲劳,（一）接触疲劳现象,相对滚动条件下，两接触表面在接触压应力的长期反复作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏的现象。,损伤形式：,深浅不同的麻点，凹坑加深，在坑底有贝纹状的疲劳扩展的痕迹。,（二
33、）接触疲劳破坏机理,1. 麻点剥落,2. 浅层剥落,3. 深层剥落,影响接触疲劳抗力的因素, 材料的冶金质量 热处理组织状态 表面强化及表面硬度,3 抗磨损设计、抗磨技术及抗磨（减摩）材料,在抗磨损设计中，应综合考虑哪些因素？,材料的选择 润滑方式的选择 摩擦副材料的选配, 化学成分及组织结构设计, 加工工艺设计, 经济成本分析,1. 表面淬火, 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火 高能束表面淬火,抗磨技术：表面处理, 渗碳 氮化 碳氮共渗 渗硼 渗金属和多元共渗,2. 化学热处理,3. 表面镀覆, 电镀、化学镀、复合镀 电刷镀 化学气相沉积（CVD法） 物理气相沉积（PVD法） 离子注入 高
34、能束熔覆 堆焊 喷涂,耐磨和减摩材料,整体材料：Mn钢、轴承钢、合金铸铁、金属陶瓷、金属间化合物、陶瓷、高分子材料 表面改性：自润滑涂层,表面织构（表面微造型）：在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。,表面织构技术,表面织构技术,表面织构技术,表面织构加工方法：,激光表面织构技术 反应离子蚀刻技术 压制技术 数控振动加工技术 电解加工,表面织构的应用：,（1）机械部件的密封与润滑：机械密封、滑动轴承、活塞环和缸套等部件；,表面织构技术,（2）材料加工方面：刀具制造、金属成形；,（3）磁存储设备方面：提高磁头与磁盘的动静态性能，提高磁盘的存储密度，防止数据丢失；,（4）摩擦制动方面：仿生结构（树蛙足垫）；,表面织构技术,4 磨损试验方法,SRV高温摩擦磨损试验机,环-块式 盘-销式,常温 高温,磨损失效, 高速大功率发动机轴瓦材料如何选择，为什么？ 针对粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损的失效特点，分别举例分析典型零件的磨损失效。（工况条件、失效机理、防止措施等） 在耐磨损设计中，应综合考虑哪些因素？ 零部件磨损失效分析的一般步骤包括哪些？常采取哪些分析测试方法？ 对比分析耐磨整体材料使用和应用表面技术解决零部件耐磨问题，各自的优缺点。,
