1、第八章金属锈蚀和接触疲劳材料热学4生育皂第八章金属锈蚀和接触疲劳锈蚀概念>机器运转时机件间因相对运动形成的磨擦而锈蚀。>锈蚀过程A锈蚀是减少机器和工具效率、精确度甚至报废的诱因，也是造>成金属材料耗损和能源消耗的重耐磨性及试验方式要缘由。>增强耐磨性的举措A磨擦锈蚀消耗能源的三分之一到二分之一，大概80%的机件失>效是锈蚀造成的。A为此，研究锈蚀规律，提升机件的耐磨性，对节省能源、减少材料消耗、延长机件寿命具有重要意义。材料热学4生育皂第七章金属锈蚀和接触疲劳Sv§1锈蚀的基本概念两个互相接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相
2、对运动趋势，接触面上具有制止相对运动或相对运动趋势的作用，这些机件表面相接触并作相对运动时,因为磨擦使磨擦表面逐步有微小颗粒分离下来产生磨屑，使表面材料逐步损失，致使机件规格变化和质量损失，导致表面损伤的现象。材料热学性能第七章金属锈蚀和接触疲劳2.磨屑产生现象称为磨擦材料热学性能第七章金属锈蚀和接触疲劳材料热学性能第七章金属锈蚀和接触疲劳磨擦力同接触法向压力及磨擦系数成反比。F=p二、磨损1定义磨屑的产生是材料发生变型和断裂的结果。静硬度的基本理论也基本适用于锈蚀过程剖析。材料热学性能反复进行的，具有动态特点。旦磨屑产生，该过程就转到下一4锈蚀的基本类型§1
3、磨损的基本概念A锈蚀是发生在材料表面的局部变型与破裂，这些变型与破裂是循环。A在锈蚀过程中材料还将发生一系列化学、化学状态的变化。如因表面材料的塑性变型造成的形材料热学4生育皂变硬化及挠度分布的改变；因摩擦热造成的二次相变渗碳、回火及回复再结晶等。A因外部介质形成的吸附和腐蚀作用等都将影响材料的耐磨性能。按照磨擦面损伤和破坏的方式厂黏着锈蚀磨料锈蚀腐蚀锈蚀材料热学4生育皂I疲劳锈蚀（接触疲劳）材料热学4生育皂§1锈蚀的基本概念A锈蚀类型在不同的条件下，可以发生转化材料热学4生育皂处素史橹出版社材料热学4生育皂处素史橹出版社滑动速率&我荷P临界氧化嘗损区迢力粘
4、着廝损区材料热学4生育皂处素史橹出版社§2锈蚀过程材料热学4生省乞北煤史橹出版社§2锈蚀过程材料热学4生省乞北煤史橹出版社§2锈蚀过程St3黏着锈蚀过程及机理A表面局部隆起A荷载很小时，接触面局部挠度很大，接触点发生塑性变型§2锈蚀过程一、粘着锈蚀（Wear）1定义黏着锈蚀是接触表面互相运动时，因液相焊合作用使材料从一个表面开裂或转移到另一表面而产生的锈蚀，又称咬合锈蚀。2形成的条件A滑动相对滑动速率较小（钢大于lm/s）A缺少润滑油A磨擦表面无氧化膜A单位法向荷载很大：接触挠度超过实际接触点处的屈服硬度A若表面洁净，原子彼
5、此接触很近，形成黏着（冷焊）2黏着、剪切、再黏着的交替过程就产生了黏着锈蚀。A相对运动形成剪切力，致使黏着点破裂，发生材料转移或磨屑4分类A按工作气温分：高温黏着锈蚀（冷焊）1低温黏着锈蚀（表面磨擦生热I气温下降使相接触的材料直接焊合）按粘结点的硬度和锈蚀程度分a）涂擦：当较软金属的剪切强度大于界面硬度时，剪切破裂反生在较软金属的浅袅层内，材料从软金属表面上开裂，又黏附（涂覆）在硬金属的表面上。材料热学4生省乞北煤史橹出版社§2锈蚀过程Hi121软材料表面出现微小的凹陷，硬材料表面产生微小隆起，使磨擦面显得粗糙。最终使不同材料的磨擦副滑动变成同初料间鬲滑动，锈蚀
6、增头，甚至形成压死现象。如铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动黏结锈蚀就同这些情况。b）冻伤：当界面硬度小于两磨擦材料碳化物的硬度时，剪切破裂发生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面的黏着物，在磨擦表面的滑动方向下将软材料的表面划伤，产生细而浅的凹痕，使磨擦C）刮伤：当界面硬度小于两磨擦材料碳化物的硬度时，磨擦表面上产生的黏着物使另一磨擦表面沿滑动方向形成较深的凹痕。d）胶合：在磨擦力和磨擦热的作用下，磨擦表面出现较深的划痕和凹陷的锈蚀。胶合是冻伤和撕脱联合作用的结果。e）压死：当磨擦表面产生牢靠的焊结结点时，外力克服不了结点界面上的结合力，也不能使摩擦面双方剪切破坏时，使
7、摩擦副双方没有相对滑动。材料热学4生育皂§2锈蚀过程表面破坏。材料热学4生育皂§25黏着锈蚀的共同特点出现材料迁移以及沿滑动方向产生程度不同的凹痕，机件表面有大小不等的愈合。材料热学4生育皂§26.锈蚀量的估算A在磨擦副接触处为三向压缩应力状态，所以接触压缩硬度近似为双向压缩屈服硬度的三倍。A接触点真实面积为A,作用于表面上的法向力为FF=4邑）假设磨屑为半球状，半径为任刹那时有个黏着点，所有黏着点规格相同,则4Fn-y3叫dA设每一黏着点划过距离d,则单位距离内黏着点数为N=n=F_d3九is/A设黏着点成为磨屑概率为K,则单位距离内磨
8、损容积KF9by材料热学q生育皂§2材料热学q生育皂§2A总的滑动距离A内锈蚀容积材料热学q生育皂§2材料热学q生育皂§2KFLaKFLV=9crscH材料热学q生育皂锈蚀过程材料的黏着锈蚀量与所乘法向载荷、摩擦距离成反比；与材料的强度或硬度成正比，而与接触面积大小无关。大部份粘结点不形成磨屑，即概率氐值远大于1磨擦副材料磨擦系数黏着锈蚀常数E软钢软钢0.6io-2硬质合金淬硬钢0.65XIO聚乙烯淬硬钢0.65io-77.黏着锈蚀的影响诱因1）材料组织与性能（外因）§2锈蚀过程1=1(1)点阵结构：体心立方和面心立结构
9、的金属发生寤着锈蚀的倾向低于密排六方结构。(2)材料的互胺类：磨擦副材料的互胺类越大，黏着倾向越大。(3)组织结构：单晶体的黏着性小于多晶体；三相金属的黏着性小于多相合金；退火体比化合物黏着倾向大。材料的碳化物尺寸窥小，黏着锈蚀量越小。(4)塑性材料比延性材料便于粘着；金属/金属组成的磨擦副比金属/非金属的磨擦副便于黏着。2)工作环境(内因)(1)在磨擦速率一定时，黏着锈蚀量随接触压力的减小而增加。通常情况下，应大于强度的1/3。(2)在接触压力一定的情况下,黏着锈蚀量随滑动速率的降低而博加，但达到棄一祓大值后，又随滑动速率的降低而降低。(3)增加表面
10、粗糙度，将降低抗黏着锈蚀能力。但粗糙渡过低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促使黏着。(4)提升体温和滑动速率，黏着锈蚀量降低。(5)良好的润滑状态能明显增加黏着锈蚀。二、磨粒锈蚀(Wear)1概念：磨擦副的一方表面存在坚硬的细微突起或在接触面向存在硬质粒子(从外界步入或从表面龟裂)时形成的锈蚀。2分类：1)按接触条件或锈蚀表面数目分(1)两体磨粒锈蚀：磨料直接作用于被磨材料的表面，磨粒、材料表面各为一物体，如挫削过程。V/入(2)三体磨粒锈蚀：磨粒介于两材料表面之间。磨粒为一物体，两材料为两物体，磨粒可以在两表面间滑动，也可以滚动，如抛光过
11、程。2)按磨料所受挠度大小(1)低挠度咬伤式磨粒锈蚀:粒作用于表面的挠度不超过磨料的压碎硬度，材料表面为轻微划伤。(2)高挠度打碎式磨粒锈蚀：磨粒与材料表面接触处的最大压应力小于磨料的压碎硬度，磨粒不断被打碎，如磨机衬板与磨球(3)凿削式磨粒锈蚀：磨粒对材料表面有高挠度冲击式的运动，从材料表面上凿下较大颗粒的磨屑，如挖掘机斗齿.破碎机锤头等。3)按材料的相对强度分(1)软磨粒锈蚀：材料强度与磨粒强度之比小于0.8。(2)硬磨粒锈蚀：材料强度与磨粒强度之比大于08。等。件下普通型磨粒锈蚀:正常条按工作环境分材料热学4生育皂§2锈蚀过程腐蚀介质中低温下(
12、2)腐蚀磨粒锈蚀：(3)低温磨粒锈蚀：3.磨粒锈蚀的过程与机理磨粒对磨擦表面形成的微铣削作用、塑性变型、疲劳破坏或延性破裂形成的，或是它们综合作用的结果。4特点磨擦面上有瘀伤或训诂显犁皱形成的沟槽5.锈蚀量的估算的颗粒为圆m体形的A磨命A被廛质心A磨影片软硬度时，磨粒的压入才会停止1966年以两体磨粒磨损为例，计算铣削锈蚀量材料热学性能§2锈蚀过程6磨粒锈蚀的影响诱因材料热学q生育皂北累史橹出版社§2锈蚀过程材料热学q生育皂北累史橹出版社§2锈蚀过程A磨粒铣削出来的材料容积V=)材料性能a
13、硬度：通常情况下，材料强度越高，其抗磨粒锈蚀能力也越高。A材料的屈服硬度与强度成反比(1)对纯银属和各类成份未经KFitgeH热处理的钢，耐磨性与材料的强度成反比。表明在一定磨粒条件下，锈蚀容积与所加的荷载成反比，而与材料的强度成正比。3020型cfcw材料热学q生育皂北累史橹出版社§2锈蚀过程60钢.低，WH相渗碳马儘耐磨性低于1=1|51在软碳化物中碳弥鼓度降低，在硬碳化物上分(2)对经过热处理的钢加大摩擦力的材料，其耐磨性也与强度成线性关系，但直线的斜率比纯银属为小。(3)通过塑性变型虽能使钢材加工硬化、提高钢的强度，但不能改善其抗磨粒锈蚀的能力。2)破裂硬度破裂韧度心。o
14、)钢中晶粒：化物数目降低，耐磨性也增强；布基体反倒损害材料的耐磨性。4)碳化物规格：细化碳化物，增强耐磨性。5)磨粒性能I区：软磨粒，材料通过表面严重变型.疲劳而发生的，强度是次要诱因。m区：硬磨粒，通过磨粒嵌入形成沟槽形成锈蚀，强度是控制因素II区：过渡区»人点11a/H=0.71.1,B点Ha/H=1.31.7;在AB之间，H降低，锈蚀量增长，所以要减少锈蚀速度，必须使H/Ha>1.3(2)磨粒规格磨粒大小对耐磨性的影响，存在一个临界规格。2HI粒的平均直铉/呻材料热学
15、4生育皂§2锈蚀过程材料热学4生育皂§2锈蚀过程2、特征磨粒形状材料热学4生育皂§2锈蚀过程尖锐磨粒引起的锈蚀量低于同样条件下的多角型和圆型磨粒形成的锈蚀量三、接触疲劳1、现象接触疲劳是两接触材料作滚动或滚动加滑动磨擦时，交变接触压挠度常年作用使材料表面疲劳损伤，局部区域出现小片或小片状材料龟裂，而使材料锈蚀的现象,故又称表面疲劳锈蚀或砂眼锈蚀。宏观形态特点是：接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹陷（麻坑），有的凹陷较深，顶部有疲劳裂痕扩充线的痕迹。3分类按龟裂裂痕的起始位置及形态分为：锈斑龟裂（蠕变）：深度在0.2mm以下的小块剥
16、落，常呈棒状或痘状凹陷，截面呈不对称V形。浅层龟裂:深度020.4mm，剥块顶部大致和表面平行，裂缝迈向与表面成锐角和垂直。深层龟裂（表面压碎）:深度和表面加强层深度相当，裂痕迈向与表面垂直。4接触挠度的概念1）定义两物体互相接触时在局部表面产生的压挠度称为接触挠度，也叫赫兹挠度材料热学4生育皂§2锈蚀过程材料热学性育皂处喙史橹出版社§2锈蚀过程2)分类(1)线接触挠度设有两圆锥体，直径分别为R|、R2,厚度为L。末变型前三者是线藝触；施乘法向力多后，因弹性变产生为面接触，接触面积为2bL。Stlb接触压挠度沿y轴按半椭圆规律分布;在樓触中心(y=
17、o)处，仍达到最大值。在一定的接触深度范围内，q>by>%，超过该深度6>>円一1.0-0.O接)M深度N材料热学性育皂处喙史橹出版社§2锈蚀过程材料热学性育皂处喙史橹出版社§2锈蚀过程即45。2球与球接触时，最大剪挠度发相应的最大切挠度为:6CT乞旷45。_j2其中勺45。最大，其值在离表面一定距离Z=0786方处达到最大。点接触挠度A在纯滚动条件下，施乘法向应力后，视两接触物体形状不同，接触面可能是椭圆或圆。接触面为椭圆时，如滚珠与轴承套圈接触，接触挠度按半椭圆球规律分布。最大剪挠度Tmax发生在离表面一定
18、距离Z=0786方处。A球与球或球与平面接触时，接触面为矩形。球与平面接触时，最大剪挠度发生在Z=0786处。生在Z=0.5方处。A对于滚动加滑动条件下：滑动形成的切向磨擦力与接触应力场叠加，磨擦力和2x45。叠加的最大综合切挠度的最大值从Z=0786方处向表面联通，当磨擦系数小于01时，将联通到表面。St挠度半幅为0.5xmax,(0.150.16)%oA因滚动接触挠度为交变挠度，因此对接触面上某一位置，其亚表层受卜6作重复循环挠度作用，即为A在交变剪挠度的影响下，裂痕容易在最大剪挠度处成核，并扩展到表面而形成龟裂，在零件表面产生棒状或豆状凹陷，导致疲劳磨
19、损。5疲劳锈蚀机理1）砂眼龟裂抗剪硬度时形成裂痕。乩在表面最大综合切挠度的反复作用下，在材料表面的局部区域形成塑性变型，因为损伤的积累，当最大综合切挠度超过材料热学性育皂处喙史橹出版社§2锈蚀过程向表面扩充d润滑油步入二次裂痕中，使其e.裂缝扩充到表面产生不对称V字形凹陷。A表面接触挠度较小，磨擦力较在纯滚动条件下，裂缝扩充方向与Tmax方向（45。夹角）一致b在连续滚动接触过程中润滑油反复步入裂缝内，并被封闭，形成高压造成裂缝扩充。C裂缝扩充到一定程度，尖端挠度集中，形成与主裂缝垂直的二次开裂大、或表面质量较差（如表面有渗碳.冻伤.渗碳不足.参杂物等）时，易产
20、生锈斑龟裂。A后者是由于表面最大综合切应力较高，前者则是材料抗剪硬度较低所致。2)浅层龟裂a.在和最大综合切挠度相当的位置0.5或0.786方处形成塑变/!/0.5或0力61)b.在接触挠度反复作用下，塑性变型反复进行，使材料局部弱化,遂在该处产生裂痕。c在滚动及磨擦力作用下又形成与表面成一夹角的二次开裂。二次开裂扩充至表面，另一端则形成悬臂梁，因反复弯曲发生弯断,因而产生浅层龟裂。L_A裂缝常出现在非金属参杂物附近，裂痕开始沿非金属参杂物平行于表面扩充产生顶部大致和表面平行，而其侧面的两侧与表面约成45。，另左侧垂直于表面的凹陷。3）深层龟裂（压碎性龟裂）a深层
21、剥落的初始裂缝常常在表面硬化机件的过渡区内形成。/JJJJ-该处切挠度虽不是最大，但因过渡区是弱区，切挠度可能低于材料材料硬度而在该处形成裂痕b.裂缝产生后先平行于表面扩充,即沿过渡区扩充，而后再垂直于表面扩充，最后产生较深的龟裂坑。6影响接触疲劳寿命的诱因1）非金属参杂物A延性的、带有棱角的非金属夹杂（如硅酸盐等）在和晶界的交界处因为塑性变型不协调，形成挠度集中，造成右夹棗物边沿产生裂痕。A塑叵翼杂物（硫化氢）可以与基体一起变型，当络合物把氧化物参杂包裹产生共生参杂物时，可以减少氧化物的不良影响。材料热学4生育皂2）热处理组织aM的含碳量S5O5
22、O5554430,20.30.40.50.60.70.8马氏体含碳MC（%）3000.00064.2J10.$421.000O2晅92冬疋妇欣农H-对于轴承钢，在未溶基体状态相同的条件下，M含碳量在040.5%左右最好。材料热学4生育皂锈蚀过程b.M和残余奥氏体的级别残余奥氏体越多，M针越大表层的压挠度越小，氮化层硬度越低,便于形成裂痕。c未溶基体的大小基体越粗大，相邻M边界含碳量越高，易产生裂痕。3）表面强度与心部强度a.表面强度一兴匣92XW娠裱丹产701»ii»_5R喚度HRC§
23、;2锈蚀过程4）表面硬化层深度最佳硬化层深度：（1520）J100丿t-m表面渗碳可以减少表面的硬度，同时易生成非马氏体组织,在表面产生拉挠度，减少接触疲劳寿命。若表面渗碳层很薄（010.3mm）,表面便于塑变，降低接触面积，增加挠度集中，反而有利于增强接触疲劳寿命b.心部强度心部强度太低，挠度梯度减小,易在过渡区产生裂痕，导致深层龟裂（淬火蜗杆心部3540HRC）材料热学4生育皂第七章金属锈蚀和接触疲劳材料热学4生育皂处素史橹出版社第七章金属锈蚀和接触疲劳材料热学4生育皂处素史橹出版社第七章金属锈蚀和接触疲劳§3耐磨性及其检测方式一、材料的耐磨性耐磨
24、性是指材料抵抗锈蚀的性能，迄今还没有一个明希的统一指标，一般用锈蚀量表示。锈蚀量愈小，耐磨性愈高。1锈蚀量：线锈蚀量；容积（质量）锈蚀量；锈蚀量2相对耐磨性标准试样的锈蚀量*被测试样的锈蚀量3锈蚀系数丄二、磨损试验方式1销盘型试验机r一丄击A可拿来评定各类磨擦副及润滑材料的高温与低温磨擦和锈蚀性能，可做磨粒锈蚀和黏着锈蚀试验。2环块型锈蚀试验机可测定金属及非金属材料（如尼龙、塑热）在滑动状态下的耐磨性能材料热学4生育皂处素史橹出版社§3耐磨性及其检测方式材料热学4生育皂材料热学4生育皂环型试样安装在主轴上加大摩擦力的材料，顺秒针转动，块形试样安装在治具上。A检测
25、环形试样的失重和片状试拿来测定金属材料在滑动磨擦.滚动磨擦、滚动滑动复合磨擦及间隙磨擦情况下的锈蚀量材料热学4生育皂样的磨痕长度，分别估算容积锈蚀量。3往复运动型试验机5快速锈蚀试验机试样在静止平面上作往复运动，可评定往复运动的机件，如滑轨.汽缸与活塞环等磨擦副的耐磨性4滚子型锈蚀试验机能较快测定材料的耐磨性，也可测定润滑剂的磨擦及锈蚀性能材料热学4生育皂第八章金属锈蚀和接触疲劳材料热学4生育皂第八章金属锈蚀和接触疲劳§4增强材料耐磨性的途径一、减轻黏着锈蚀的主要举措(1)合理选择磨擦副材料。尽量选择互胺类少，黏着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电
26、化学性质相差甚远的多相或化合物材料；硬度高不易塑变的材料;表面易产生化合物的材料。(2)防止或制止两磨擦副间直接接触。提高氧化膜的稳定性，增强氧化膜与碳化物的结合力；减少接触表面粗糙度,改善表面润滑条件等。|51(3)为使磨屑多沿接触面剥落，以减少锈蚀量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层,既减少接触层原子间结合力,降低磨擦系数，又防止直接St接触。为使锈蚀发生在较软方材料表层，可采用回火、渗氮碳化物、碳氮硼三元碳化物等工艺以提升另一方的强度。材料热学4生育皂第八章金属锈蚀和接触疲劳材料热学4生育皂第八章金属锈蚀和接触疲劳
27、67;4增强材料耐磨性的途径一、减轻黏着锈蚀的主要举措(1)合理选择磨擦副材料。尽量选择互胺类少，黏着倾向小的材料配对，如非同种或晶格类型、电子密度、电物理性质相差甚远的多相或化合物材料；硬度高不易塑变的材料;表面易产生化合物的材料。(2)防止或制止两磨擦副间直接接触。提高氧化膜的稳定性，增强氧化膜与碳化物的结合力；减少接触表面粗糙度,改善表面润滑条件等。|51(3)为使磨屑多沿接触面剥落，以减少锈蚀量，可采用表面渗硫、渗磷、渗氮等表面处理工艺，在材料表面形成一层化合物层或非金属层,既减少接触层原子间结合力,降低磨擦系数，又防止直接St接触。为使锈蚀发生在较软方
28、材料表层，可采用回火、渗氮碳化物、碳氮硼三元碳化物等工艺以提升另一方的强度。材料热学4生育皂§4增强材料耐磨性的途径(4)控制磨擦滑动速率和接触压应力，可使黏着锈蚀大为减少。二、减轻磨粒锈蚀的主要举措(1)对于以铣削作用为主要机理的磨粒锈蚀应降低材料强度，这是增强耐磨性最有效的举措。A如低挠度冻伤磨粒锈蚀：选用含碳量较高，并经热处理获得马氏体组织的材料(2)对于以塑性变型、塑性变形后疲劳破坏、脆性破裂主要机理的磨粒锈蚀应降低材料韧性对耐磨性有益。(3)依据机件服役条件，合理选择耐磨材料：A重载荷，甚至大冲击荷载下磨损，则碳化物材料组织最好是高强度、良好硬度的贝氏
29、体如农用耕机中铲刀、耙片、犁锋A在高挠度冲击荷载下，要选用高猛钢Mnl3,借助其高硬度和高的加工硬化能力，可提升耐磨性。采用回火、碳氮碳化物等物理热处理，增强表面强度，也能有效提升磨粒锈蚀耐磨性。材料热学4生育皂§4增强材料耐磨性的途径(4)就合金刚而言，控制和改变晶粒数目、分布、形态对增强抗磨粒锈蚀能力起着决定性影响。如辂钢，去除碳化物中初生基体，并使其均匀弥散分布，增强钢中晶粒容积分数，均能明显提升材料的耐磨性。(5)钢中适量残余奥氏体组织能降低碳化物硬度。给基体以支承，受磨擦时能够部份转变为马氏体组织，增强材料强度，因而提升其抗磨粒锈蚀能力。常常注意
30、机件防尘和清洗材料热学4生育皂三、腐蚀锈蚀锈蚀过程中，磨擦副间或则磨擦副表面与环境介质发生物理或则电物理反应产生腐蚀产物产生腐蚀产物及其开裂所导致的腐蚀。腐蚀锈蚀+机械锈蚀=腐蚀机械锈蚀氧化锈蚀1.过程：机件表面有氧的吸附层，磨擦副做相对运动时，因为表面凹凸不平，局部压挠度彳艮大，形成塑性变型加速氧向内部扩散，产生氧化膜硬度低，磨擦时剥落新鲜表面再氧化、再磨掉。2.特彳正：锈蚀速度最小，0.10.5/zm/Zz属正常锈蚀磨擦面上沿滑动方向呈匀细磨痕，产物为红棕色Fe2O3或则红色FesC3.影响诱因：表层塑性变型抗力；二氧化碳于金属中扩散速度；膜性质、厚度与碳化物结合程度；磨擦时接触压力，滑动速率，气温等等微动锈蚀1.现象：在机器的嵌和部几紧配合处，因为外部载变动或则振动产生微小的滑动，这些因为接触面间形成小振幅的相对震动或相对往复运动而造成的锈蚀。材料热学性能