磨损与润滑-课件-2

1、第第4 4章章 摩擦原理摩擦原理 4.1 摩擦的基本特性 4.2 简单的摩擦理论 4.3 粘着摩擦理论 4.4 滚动摩擦 二、摩擦的分类 内 摩 擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外 摩 擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静 摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动 摩 擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。 q “机械说”产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用； q “分子说”产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用； 一、摩擦的机理 q “机械分子说”两种作用均有。 两个相对运

2、动的固体表面的摩擦只与接触表面的作用 有关，而与固体内部状态无关，此称为外摩擦。 液体或者气体中各部分之间相对移动而发生的摩擦， 称为内摩擦。 而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之间 的摩擦，也属于外摩擦。 外摩擦和内摩擦的共同特征是：一物体或一部分物质 将自身的运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物 质，并试图使两者的运动速度趋于一致，因而在摩擦过程 中发生能量的转换。 外摩擦与内摩擦的不同特征在于内部运动状况。内摩 擦时流体相邻质点的运动速度是连续变化的，具有一定的 速度梯度；而外摩擦是在滑动面上发生速度突变。此外， 内摩擦力与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时内摩 擦力也就

3、消失；而外摩擦力与滑动速度的关系随工况条件 变化，当滑动速度消失后仍有静摩擦力存在。 古典的滑动摩擦理论是通过实验方法建立的，其基本 公式为 fWF (4-1) 式中，F 为摩擦力；W 为法向载荷：f 为摩擦系数。古典摩 擦理论认为：摩擦系数仅取决于材料性质，而与表观接触面 积、滑动速度和载荷大小无关。 实践证明：上述理论具有很大的局限性，只能近似地用 于工程计算。当法向载荷较大，使实际接触面积接近表观接 触面积时，以及极硬材料或极软材料组成的摩擦副，摩擦力 与法向载荷不满足正比关系。对于弹性或粘弹性材料的滑动 摩擦，摩擦力与表观接触面积密切相关。此外，许多材料的 摩擦系数都随滑动速度和载荷的

4、大小而变化。 摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量 损耗，摩擦现象涉及的因素很多，因而提出了各种不同的 摩擦理论，一般可以归纳为三类： 机械啮合理论 分子作用理论 机械分子摩擦理论 早期的理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中 能量损耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹塑变形，特别 是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。 图4-1是Amonton(1699年)提出的最简单的摩擦模型。 摩擦力为 WtgFF fWF 摩擦系数 ，它是由表 面状况确定的常数 图4-1 机械啮合模型 tgf 在一般条件下，减小表面粗糙度可以降低摩擦系数。 但是超精加工表面的摩擦系数反而剧增。另外，当表

5、面 吸附一层极性分子后，其厚度不及抛光粗糙高度的十分 之一，却能巨大地减小摩擦力。这些都说明机械啮合作 用并非产生摩擦力的唯一因素。 人们用接触表面上分子间作用力来解释滑动摩擦。 由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而 产生滑动阻力，这称为粘着效应。 Tomlinson(1929年)最先用表面分子作用解释摩 擦现象，他提出分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦 的起因，他所提出的公式能够明确指出分子作用对于摩 擦力的影响，但不能解释摩擦现象。 摩擦表面分子吸力的大小随分子间距离减小而剧增， 通常分子吸力与距离的七次方成反比。而接触表面分子作 用力产生的滑动阻力随实际接触面积的增加而增大，

6、但与 法向载荷的大小无关。 根据分子作用理论应得出这样的结论，即表面越粗 糙，实际接触面积越小，因而摩擦系数应越小。显然，这 种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。 如上所述，简单的摩擦理论无论是机械的或分子的摩 擦理论都是很不完善的，它们得出的摩擦系数与粗糙度的 关系都是片面的。在二十世纪三十年代末期，人们从机 械分子联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理 论。在英国和苏联相继建立了两个学派，前者以粘着理论 为中心，后者以摩擦二项式为特征。这些理论奠定了现代 固体摩擦的理论基础。 Bowden和Tabor等人经过系统的实验研究，建立了 较完整的粘着摩擦理论，对于摩擦磨损研究具有重要的意

7、 义。 Bowden等人(1945年)提出的简单粘着理论可以归纳 为以下的基本要点: 摩擦表面处于塑性接触状态； 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程； 摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。 简单粘着理论的表达式为： 软材料受压屈服极限 软材料剪切强度极限 s b W F f （42） 根据式（4-2）得出的摩擦系数与实际结果不相符 合，例如大多数金属材料的剪切强度与屈服极限的关系 为 ，于是计算的摩擦系数 。事实上许 多金属摩擦副在空气中的摩擦系数可达0.5，在真空中 则更高。为此，Bowden等人又提出了修正理论。 sb 2 . 02 . 0f 在简单粘着理论中，分析实际接触面积时

8、只考虑受 压屈服极限 ，而计算摩擦力时又只考虑剪切强度极 限 ，这对静摩擦状态是合理的。但对于滑动摩擦状态， 由于存在切向力，实际接触面积和接触点的变形条件都取 决于法向载荷产生压应力 和切向力产生的剪应力 的联 合作用。 s b 修正的粘着理论为 限硬基体材料受压屈服极 限软表面膜的剪切强度极 s b f （43） 经过修正的粘着理论更加切合实际，可以解释粘 着理论不能解释的现象。 如图4-2所示，当圆柱沿平面滚动时，由于接触 区的变形使得以接触点为中心的接触压力分布不对称， 因而支承面的反力产生偏移。此反力对于接触点的力 矩称为滚动摩擦力矩。 图4-2 滚动摩擦 滚动摩擦系数k定义为滚动摩

9、擦力矩与法向载荷之比， 即 e W FR k （4-4） 由此可知：滚动摩擦系数与滑动摩擦系数不同，它是有 量纲的量，常用单位为mm。 另外，也可以用无量纲量即滚动阻力系数 来表征滚动 摩擦的大小。它在数值上等于滚动驱动力产生单位距离所作 的功与法向载荷之比。若圆柱滚过角度为 ，滚过的距离 为 ，而驱动力作功为 ，则滚动阻力系数为 R k W F W RFR fr / （4-5） r f RFR Coulomb(1785年)最早用实验方法得出滚动摩擦定律： 滚动阻力系数 与滚动体半径R的乘积是一个常量，也就 是滚动摩擦系数k或者偏心距e为常量。它们的数值取决于 摩擦副的材料性质，而与载荷大小无

10、关。随后， Dupoit(1837年)提出了修正公式，通常称为Dupoit定律， 即 r f D k fr (4-6) 式中，D为滚动体直径；滚动摩擦系数k为由材料和 表面状况确定的常量，不随速度和载荷而变化。 上述滚动摩擦定律可以近似地应用于工程计算。 各种滚动运动都可以视为以下三种基本滚动形式的组 合，这三种滚动形式的表面作用和摩擦机理各不相同。 自由滚动：圆柱体或球体沿着平面无约束地作直线滚 动，这是最简单的滚动形式； 具有牵引力的滚动：在接触区内同时受到法向载荷和 切向牵引力的作用，例如摩擦轮传动； 伴随滑动的滚动：当两个滚动体的几何形状造成接触 面上的切向速度不相等时，滚动中必将伴随

11、滑动，例如向 心推力球轴承中球与滚道之间的滚动。 滚动摩擦机理显然与滑动摩擦不同。除非接触面存在 很大的滑动，滚动摩擦通常不存在犁沟效应，而粘着结点 的剪切阻力也不是滚动摩擦的主要原因。滚动摩擦阻力主 要由以下四种因素组成： 微观滑动：微观滑动是滚动过程中普遍存在的现象。 当两个弹性模量不同的物体作自由滚动时，由于接触表面 产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。微观滑动 所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑 动摩擦相同。 塑性变形：在滚动过程中，当表面接触应力达到一定值时， 首先在距表面一定深度处产生塑性变形。随着载荷增加塑性变 形区域扩大。塑性变形消耗的能量表现为滚动摩擦阻

12、力，可以 根据弹塑性力学计算； 弹性滞后：滚动过程中产生的弹性变形需要一定能量，而 弹性变形能的主要部分在接触消除后得到回复，其中小部分消 耗于材料的弹性滞后现象。粘弹性材料的弹性滞后能量消耗远 大于金属材料，它往往是滚动摩擦阻力的主要组成； 粘着效应：滚动表面相互紧压形成的粘着结点在滚动中将 沿垂直接触面的方向分离。因为结点分离是受拉力作用，又没 有结点面积扩大现象，所以粘着力很小，通常只占滚动摩擦阻 力的很小部分。 1785年，法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来 又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用 材料粘附概念研究干摩擦，1950年，

13、鲍登提出了粘附理论。 摩 擦 种滑动摩擦状态 . 干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。 . 边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于 边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 摩 擦 混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩 擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。 流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间 粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想 的摩擦状态。 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。 随着科学技术的发展，关于摩擦学的研究已逐渐深入到

14、微观研究领域， 形成了微纳米摩擦学理论，引发出许多新的概念，比如提出了超润滑的概 念等。从理论上讲，超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态，但在实际研究 中，一般认为摩擦系数在0.001量级（或更低）的摩擦状态即可认为属于超润 滑。关于这方面的研究也是目前微纳米摩擦学研究的一个重要方面，同学 们应对此给予关注。 第第5 5章章 磨损磨损 磨粒磨损与粘着磨损 疲劳磨损等 磨损检测与分析 磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损 伤的过程，它是伴随摩擦而产生的必然结果。磨损问题引 起人们极大的重视，这是由于磨损所造成的损失十分惊人。 根据统计，机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀等三 种方式，而

15、磨损失效却占60-80%。因而研究磨损机理和提 高耐磨性的措施，将有效地节约材料和能量，提高机械装 备的使用性能和寿命，减少维修费用，这对于国民经济具 有重大的意义。 由于科学技术的迅速发展，二十世纪三十年代以后机 械装备的磨损问题已成为薄弱环节，特别是高速、重载， 精密以及特殊工况下工作的机械对于磨损研究提出了更迫 切的要求。同时，近代其它科学技术例如材料科学、物理 化学、表面测试技术等的发展，有助于对磨损机理进行更 深入的研究。 研究磨损的目的在于通过对各种磨损现象的观察和分 析，找出它们的变化规律和影响因素，从而寻求控制磨损 和提高耐磨性的措施。 磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料

16、的逐渐丧失或迁移。磨损会 影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。 在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈 磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了解。 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即： 磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。 稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。 剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。 摩 擦2 对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研 制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。 磨 损 F磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的

17、游离硬颗粒或硬的轮廓峰 尖所引起的磨损。 F冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩 擦表面引起的磨损。 F微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合 磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。 F粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时 的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一 个表面，便形成粘附磨损。 F疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下， 反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。 磨 损 关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为： F腐蚀磨损当摩擦表面

18、材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩 擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 1.按照表面接触性质，可将磨损分为：金属-磨料磨 损、金属-金属磨损、金属-流体磨损三类 2.按环境介质，可将磨损分为：干磨损、湿磨损和流 体磨损三类。 3.根据摩擦表面的作用，可将磨损分为：机械磨损、 黏着磨损。 4.根据表面破坏方式，可将磨损分为：擦伤、点蚀、 剥落、胶合、凿屑、咬死等类型。 1.磨损过程的划分 根据磨损的定义和分类，可将磨损划分为三个过程。 2.磨损过程曲线 1.磨合磨损阶段 磨合是磨损过程的非均匀阶段，在整个磨损过程中所占的 比例很小。其特征是磨损率随着时间的增加而降低。（图 中的区

19、） 2.稳定磨损阶段 摩擦表面经磨合后达到稳定状态，实际接触面始终 不变、磨损率保持不变（图中的区），这是摩擦 副正常的工作时期。该阶段在整个磨损过程中所占 的比例越大，则表面设备寿命越长。 3.剧烈磨损阶段 在稳定工作达到一定时间后，由于磨损量的积累或 者由于外来因素（工况变化）的影响，使摩擦副的 摩擦系数增大、磨损率随时间而迅速增加（图中 区），从而使工作条件急剧恶化而导致完全失效。 磨损分类的目的是为了将实际存在的各式各样的磨损 现象归纳为几个基本类型。合理的分类能够使研究工作简 化，更好地分析磨损的实质。 磨损分类方法表达了人们对磨损机理的认识，不同的 学者提出了不同的分类观点，至今还

20、没有普遍公认的统一 的磨损分类方法，其中一种分类为：磨粒磨损；粘着磨损； 疲劳磨损；腐蚀磨损；微动磨损。 磨损磨损 类型类型 磨损、摩擦和润滑的关系 油膜膜油膜膜 厚比厚比 磨粒磨损 外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物在摩擦过程中 引起表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。例如掘土机铲 齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是典型的磨粒磨损。机 床导轨面由于切屑的存在也引起磨粒磨损。水轮机叶片和 船舶螺旋浆等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨 损。 磨粒磨损有以下三种形式： 磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，此称 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

21、压溃强度。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； 磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨 粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与 表面接触处的应力较低，因此固体表面产生擦伤或微小的 犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，常 称为冲击磨损。此时磨粒与表面产生高应力碰撞，在表面 上磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落。冲击磨 损量与冲击能量有关； 在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒 作用，这也是二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。 分类类型 特 征实例 磨料 固定 形态 自由 磨损 磨粒自由松散，可以在表面

22、滑 动或滚动，磨粒之间也有相对 运动。 刮板、输 送机溜槽 固定 磨损 磨料固定，在磨损表面作相对 滑动，磨料可以是小颗粒，也 可以是很大的整体颗粒。 采煤机截 齿、挖掘 机斗齿 磨料磨损分类及其磨损特征：磨料磨损分类及其磨损特征： 接接 触触 表表 面面 两体两体 磨损磨损 硬磨料或硬表面微凸体与一硬磨料或硬表面微凸体与一 个摩擦表面对磨的磨损个摩擦表面对磨的磨损 犁铧、水犁铧、水 轮机轮叶轮机轮叶 三体三体 磨损磨损 磨粒介于两摩擦表面之间，磨粒介于两摩擦表面之间， 并在两表面间滑动并在两表面间滑动 齿轮、滑齿轮、滑 动轴承间动轴承间 力力 的的 作作 用用 特特 点点 划伤划伤 磨损磨损

23、 磨料的作用应力低于其压溃磨料的作用应力低于其压溃 强度，材料表面被轻微划伤强度，材料表面被轻微划伤 犁铧、输犁铧、输 送机溜槽送机溜槽 碾压碾压 磨损磨损 磨料与表面接触最大压应力磨料与表面接触最大压应力 大于磨料的压溃强度大于磨料的压溃强度 破碎滚筒破碎滚筒 球蘑机球球蘑机球 凿削凿削 磨损磨损 磨料对表面有高应力冲击运磨料对表面有高应力冲击运 动，材料表面被凿削动，材料表面被凿削 颚式破碎颚式破碎 机齿板机齿板 相相 对对 硬硬 度度 硬料磨损硬料磨损磨料硬度大于材料硬度磨料硬度大于材料硬度石英石英- -钢材钢材 软料磨损软料磨损磨料硬度低于材料硬度磨料硬度低于材料硬度 矿石矿石- -钢

24、钢 磨磨 料料 特特 性性 干磨损干磨损磨料是干燥的磨料是干燥的球磨机干磨球磨机干磨 湿料磨损湿料磨损磨料含水分，加速磨损磨料含水分，加速磨损球磨机湿磨球磨机湿磨 流体磨损流体磨损气或液体带磨料冲刷表面气或液体带磨料冲刷表面泥浆泵等泥浆泵等 工工 作作 环环 境境 一般磨损一般磨损正常条件下的磨料磨损正常条件下的磨料磨损各类机械各类机械 腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀介质中的磨料磨损腐蚀介质中的磨料磨损化工机械等化工机械等 热料磨损热料磨损高温工作下的磨料磨损高温工作下的磨料磨损沸腾炉等沸腾炉等 磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计，在生产中因 磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右，因而 研究磨粒

25、磨损有着重要的意义。一般说来，磨粒磨损的机 理是磨粒的犁沟作用，即微观切削过程。显然，材料相对 磨粒的硬度和载荷起着重要的作用。 目前主要有三种磨粒磨损机理，即 微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时 的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削， 产生槽状磨痕； 挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压 痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状的剥落碎屑； 疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用 下，使表面材料因疲劳而剥落。 磨粒磨损模型：磨粒磨损模型： 简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出，下图为磨 粒磨损模型。 可以将磨粒看做是具有锥形的硬质颗粒在软材料上

26、滑动，犁出 一条沟。 粘着磨损 当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘 着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由 一个表面迁移到另一个表面。此类磨损统称为粘着磨损。 根据粘结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有几种 不同的形式，从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损。它们 的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同的特征 是出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。 按照磨损严重程度，粘着磨损可分为 轻微粘着磨损：当粘结点的强度低于摩擦副两金属的 强度时，剪切发生在结合面上。此时虽然摩擦系数增大， 但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常在金属表面具 有氧化膜，硫化膜或其它涂层

27、时发生此种粘着磨损； 一般粘着磨损：粘结点的强度高于摩擦副中较软金属 的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软金属表层 内，因而软金属粘附在硬金属表面上。这种磨损的摩擦系 数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧； 擦伤磨损：当粘结强度高于两金属材料强度时，剪切 破坏主要发生在软金属的表层内，有时也发生在硬金属表 层内。迁移到硬金属上的粘着物又使软表面出现划痕，所 以擦伤主要发生在软金属表面。 胶合磨损：如果粘结点强度比两金属的剪切强度高得 多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个 金属表层较深的地方。此时，两表面出现严重磨损，甚至 使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 高速重载摩擦副中，由

28、于接触峰点的塑性变形大和表 面温度高，使粘着结点的强度和面积增大，通常产生胶合 磨损。相同金属材料组成的摩擦副中，因为粘着结点附近 的材料塑性变形和冷作硬化程度相同，剪切破坏发生在很 深的表层，胶合磨损更为剧烈。 通常摩擦表面的实际接触面积只有表观面积的 0.10.01%。对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力 有时可达5000MPa，并产生1000以上的瞬现温度。而 由于摩擦副体积远小于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温 度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几毫秒。摩擦 表面处于这种状况下，润滑油膜、吸附膜或其它表面膜发 生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动粘着节点破坏。 这种粘着、破坏、再

29、粘着的交替过程就构成粘着磨损。 粘着磨损机理粘着磨损机理 当摩擦副接触时，接触首先发生 在少数几个独立的微凸体上。因 此，在一定的法向载荷作用下， 微凸体的局部压力就可能超过材 料的屈服压力而发生塑性变形， 继而使两摩擦表面产生粘着； 此后，在相对滑动过程中，如果粘着点的剪切发生在界面，则 磨损轻微；如果剪切发生在界面以下，则材料就会从一个表面 转移到另外一表面，继续滑动，一部分转移的材料分离，从而 形成游离磨粒。 * * 接触接触- -塑性变形塑性变形- -粘着粘着- -剪断粘着点剪断粘着点- -材料转移材料转移- -再粘着，循环再粘着，循环 不断进行，构成粘着磨损过程。不断进行，构成粘着磨

30、损过程。 简单粘着磨损计算(Archard 模型) 上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较硬的材料，摩 擦副另一方为较软的材料；法向载荷W由n个半径为a的相同 微凸体承受。 有关粘着机理目前还没有比较统一的观点，但是粘着 现象必须在一定的压力和温度条件下才会发生这一认识是 相当一致的。 粘着结点的破坏位置决定了粘着磨损的严重程度，而 破坏力的大小表现为摩擦力，所以磨损量与摩擦力之间没 有确定的关系。粘着结点的破坏情况十分复杂，它与摩擦 副和粘结点的相对强度以及粘结点的分布有关。 表面疲劳磨损 两个相互滚动或者滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变 化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成凹坑，统

31、称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。除齿轮传动、滚动轴 承等以这种磨损为主要失效方式之外，摩擦表面粗糙峰周 围应力场变化所引起的微观疲劳现象也属于此类磨损。不 过，表面微观疲劳往往只发生在磨合阶段，因而是非发展 性的磨损。 一般说来，表面疲劳磨损是不可避免的，即便是在良 好的油膜润滑条件下也将发生。对于发展性的疲劳磨损应 保证在正常工作时间以内不致因表面疲劳凹坑的恶性发展 而失效。 表面疲劳磨损的种类： 表层萌生与表面萌生疲劳磨损 表层萌生的疲劳磨损主要发生在一般质量的钢材以滚 动为主的摩擦副。在循环接触应力作用下，这种磨损的疲 劳裂纹发源在材料表层内部的应力集中源，例如非金属夹 杂物或空穴。通常

32、裂纹萌生点与表层内最大剪应力的位置 相符合。裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表面扩展， 然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后形成凹坑，其断口比 较光滑。这种疲劳磨损的裂纹萌生所需时间较短，但裂纹 扩展速度缓慢。表层萌生疲劳磨损通常是滚动轴承的破坏 形式。 表面萌生的疲劳磨损主要发生在高质量钢材以滑动为 主的摩擦副。裂纹发源在摩擦表面上的应力集中源，例如 切削痕、碰伤痕、腐蚀或其它磨损的痕迹。这种磨损的裂 纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速，介质与润滑剂对 裂纹扩展有影响。 由于表面萌生疲劳破坏坑的边缘可以构成表面萌生裂 纹的发源点，所以通常这两种疲劳磨损是同时存在的。 84 按照磨屑和疲劳坑的形

33、状，通常将表面疲劳磨损分为 鳞剥和点蚀两种。前者磨屑呈片状，凹坑浅而面积大；后 者磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深的麻点。 实验表明：无论是退火钢或调质钢、纯滚动或滚动兼 滑动的摩擦副，点蚀疲劳裂纹起源于表面，再顺滚动方向 向表层内扩展，并形成扇形的疲劳坑。鳞剥疲劳裂纹始于 表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断 裂，形成沿整个试件宽度上的浅坑。 85 表面疲劳磨损的机理： 最大切应力理论 表面疲劳磨损的机理可以用 赫兹公式来解释。 在赫兹接触中，最大切应力 产生于离表面一定距离的下 层，如右图所示，由于滚动 的结果，在最大切应力处的 材料首先出现屈服而塑变， 随着外载荷的反复作

34、用，材 料在此处首先出现裂纹，并 沿最大切应力方向扩展到表 面，最后形成疲劳破坏，以 颗粒形式分离出来，并在摩擦表面留下痘斑状凹坑，称为点蚀 (凹坑小而深)。或以鳞片状从表面脱落下来，称为剥落(凹坑大 而浅)。 油楔理论 对于滚动兼有滑动的接触表面，因同时存在接触压应力 和剪切应力，使得接触应力增大，实际最大切应力十分接近 表面，故在摩擦表面上容易产生塑性变形而形成微观裂纹。 有时虽然摩擦副的表而剪应力并不大，但因表面缺陷、 高温或脱碳等原因，使表面局部变弱，也容易在表面形成裂 纹。 若滚动方向与裂纹方向一致，则 当滚动体接触到裂纹口处，将把 裂口封住，裂纹中的润滑油不能 往外跑，从而使裂纹的

35、两内壁承 受巨大的挤压力，于是迫使裂纹 与表面呈3045倾角向外扩张。 在已形成微裂纹的表面，当有润 滑油时，由于毛细管作用，微裂 纹吸附润滑油，使得裂纹的尖端 处形成油楔，如图(a)所示。 此过程经历若干周次，裂纹由表面向内层扩展到定深度，起始裂 纹口也张大到一定宽度，那么裂纹上部的金属像一个悬臂梁承受 弯曲。在随后的加载运转若干周次就会突然折断，使这里的金属 剥离，最后在接触表面留下一个深浅不等的麻点剥落凹坑，一般 剥落深度为0.1-0.2 mm。 在摩擦过程中，摩擦力促使表面金属流动，因而疲劳裂纹往往 有方向性, 即与摩擦力方向一致。如图所示，主动轮裂纹中的润滑 油在对滚中被挤出，而从动

36、轮上的裂纹口在通过接触区时受到油膜 压力作用促使裂纹扩展。由于油的压缩性和金属的弹性，油压传递 到裂纹尖端将产生压力降。 因此，若滚动方向与裂纹方向相反，则当滚动体接触到裂纹时， 裂纹中的润滑油被挤出来,如图中的主动轮，裂纹内不会产生很大 的挤压力，因而裂纹扩展缓慢，工作寿命长。 微观点蚀磨损理论 微观点蚀理论认为：裂纹产生 的位置实际上较之最大切应力 理论确定的位置更靠近表面。 因为最大切应力理论是用宏观 的赫兹接触应力来分析的，这 种分析以接触区表面理想光滑， 接触应力成椭圆分布为前提的。 如图所示的光滑表面应力分布 线。这样所决定的点蚀应称为 宏观点蚀。 但是，真实表面是粗糙的，接触发生

37、在微凸体的峰处，即表面 粗糙度使赫兹接触应力分布发生调幅现象，如图所示。微凸体 每个峰点进入接触都产生一个微观应力分布，这种由接触表面 峰点作用所引起的点蚀称为微观点蚀。 微观点蚀和宏观点蚀虽然都是与最大切应力的区域相对应， 但微观点蚀的最大切应力更接近表面，且裂纹深度比宏观点 蚀浅得多(约浅20倍)。 试验证实，随着循环次数的增加，已产生的微观点蚀可以诱发 二次裂纹、三次裂纹，裂纹依次向纵深扩展可以形成宏观点蚀。 这是宏观点蚀形成的一种机理。对用赫兹理论米解释点蚀产生 的观点作了很大修正。 腐蚀磨损 摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而 产生的表面损伤，称为腐蚀磨损。常见的有氧化

38、磨损和特殊 介质腐蚀磨损。 当金属摩擦副在氧化性介质中工作时，表面所生成的氧 化膜被磨掉以后，又很快的形成新的氧化膜，所以氧化磨损 是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程。 氧化磨损的大小取决于氧化膜连结强度和氧化速度。 氧化磨损的磨屑呈暗色的片状或丝状。片状磨屑是红褐 色的 ，而丝状磨屑是灰黑色的 。有时用磨屑的这 些特征来判断氧化磨损。 干摩擦状态下容易产生氧化磨损。施加润滑油可以减小 表面氧化作用，氧化层较薄，因而提高抗氧化磨损能力。但 有些润滑油能促使氧化膜从表面脱落。 32O Fe 43O Fe 86 对于在化工设备中工作的摩擦副，由于金属表面与酸、 碱、盐等介质作用而形成腐蚀磨

39、损。 腐蚀磨损的机理与氧化磨损相类似，但磨损痕迹较深， 磨损量也较大。磨屑呈颗粒状和丝状，它们是表面金属与 周围介质的化合物。 由于润滑油中含有腐蚀性化学成分，滑动轴承材料也 发生腐蚀磨损，它包括酸蚀和硫蚀两种。除了合理选择润 滑油和限制油中含酸和含硫量之外，轴承材料是影响腐蚀 磨损的重要因素。 87 微动磨损 两个表面间由于振幅很小的相对运动而产生的磨损称 为微动磨损或微动腐蚀磨损。 在载荷作用下，相互配合表面的接触峰点形成粘着结 点。当接触表面受到外界微小振动，虽然相对滑移量很小， 通常为0.05mm，不超过0.25mm,粘着结点将被剪切。随后 剪切面逐渐被氧化并发生氧化磨损，产生红褐色

40、的磨屑堆积在表面之间。此后氧化磨屑起着磨料作用，使 接触表面产生磨粒磨损。 由此可见，微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主 要因素。而微动磨损是粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损三 种磨损形式的组合。 32O Fe 88 气蚀 气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤， 通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面。 当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸发压力 时，将在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的 气体也可能析出而形成气泡。随后当气泡流动到液体压力 超过气泡压力的地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极 大的冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复 作用，材料发生疲劳脱落

41、，使表面出现小凹坑，进而发展 成海绵状。严重的气蚀可在表面形成大片的凹坑，深度可 达20 mm。 气蚀的机理是由于冲击应力造成的表面疲劳破坏。但 液体的化学和电化学作用加速了气蚀的破坏过程。 89 为了设计具有足够抗磨能力的机器或者正确地估算机械零 件的磨损寿命，必须建立适合于工程应用的磨损计算方法。近 代通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提 出了一些有关磨损的物理模型和磨损理论，它们是磨损计算的 基础。 磨损计算的建立必须考虑磨损现象的特征，而这些特征 与通常的强度破坏很不相同。例如摩擦副的实际接触点是离散 的和变化的，因而摩擦副承载材料的体积在磨损过程中不断变 化。又如摩擦

42、表面的材料性能在磨损过程中不断变化，因而材 料的破坏形式也将不断改变。此外，在强度计算中关于材料性 质均匀和各向同性的假设对磨损计算将不再适用。 由此可知：考虑表层材料在磨损过程中的动态特性和破 坏特点，以及材料与周围介质的作用等等，对于建立磨损理论 及其计算方法具有十分重要的意义。而这一任务的复杂性使得 磨损计算至今还不能满足应用的要求。 90 磨损实验 磨损测量与分析 91 磨损实验的目的是为了对磨损现象和本质进行研究， 正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符 合使用条件的最优设计参数。 由于摩擦磨损现象十分复杂，实验方法和装置种类 繁多，所得的实验数据又是有条件性的，往往难以

43、进行比 较。所以人们提出摩擦磨损实验方法的标准化问题，以便 统一实验规范和测量方法。近年来，实验方法的标准化已 得到越来越多国家和组织的重视。 摩擦磨损性能是多种因素影响的综合表现，因而必 须严格地控制实验条件才可能得出可靠的结论。 92 目前通常采用的实验方法可以归纳为下列三类，即 实验室试件实验 根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损实验机上对 试件进行实验。由于实验中影响因素和工况参数容易控制， 因而实验数据的重复性较高。实验周期短，实验条件的变 化范围宽，可以在短时间内进行比较广泛的实验。 但由 于试件实验的条件与实际工况不完全符合，因而实验结果 往往不十分可靠。 试件实验主要用于各种类

44、型磨损机理和影响因素的 研究性实验，以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能的评定 性实验。 93 模拟性台架实验 在试件实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的 零件，并在模拟使用条件下进行台架试验。由于台架试验 的条件接近于实际工况,增强了实验结果的可靠性。同时, 通过实验条件的强化和严格控制,可以在较短的时间内获 得系统的实验数据,还可以进行个别因素对磨损性能影响 的研究。 94 实际使用实验 在上述两种实验的基础上,对实际零件进行使用实 验。这种实验的真实性和可靠性最好。但是实验周期长, 费用大,实验结果是各种影响因素的综合表现,因而难以对 实验结果进行分析。通常这种方法用于检验前两种数据的

45、一种手段。 以上三类实验可根据实验研究的要求选择其中一种 或几种。 95 实践表明:摩擦磨损实验方法和条件不同,实验结果差 别很大。所以在实验室中进行实验时,应当尽可能地模拟 实际工况条件,其中主要的有:滑动速度和表面压力的大小 和变化、表面层的温度变化、润滑状态、环境介质条件和 表面接触形式等等。对于高速摩擦副的磨损实验,温度影 响则是主要问题,应当使试件的散热条件和温度分布接近 于实际情况。在低速摩擦副的实验中,由于磨合时间较长, 为了消除磨合对实验结果的影响,可以预先将试件的摩擦 表面磨合,以便形成与使用条件相适应的表面品质。对于 未经磨合的试件,通常不采纳最初测量的几个数据,因为这 些

46、数据可能不稳定。 96 一般使用最多的是通用摩擦磨损实验机,它主要用来 研究在不同速度、载荷和速度条件下各种材料和润滑剂的 性能,也可以用来进行各种磨损形式的机理研究。 图4-1为通用摩擦磨损实验机所采用的试件接触情况 和运动方式。试件之间的相对运动方式可以是纯滑动、纯 滚动或者滚动伴随滑动。大多数实验机的试件采用旋转运 动,也有是在往复运动的。 97 图4-1 摩擦磨损实验机的形式 98 试件的接触形式可以分为面接触、线接触和点接 触三种。通常面接触试件的单位面积压力只有 80100MPa,常用于磨粒磨损实验。线接触试件的最大接 触压力可达到10001500MPa,适合于接触疲劳磨损实验 和

47、粘着磨损实验。点接触试件的表面接触压力更高,最大 可达到5000MPa,适用于需要很高接触压力的实验,例如胶 合磨损或高强度材料的接触疲劳磨损实验。 99 机械零件的磨损量可以用磨下的重量、体积或者表面 的磨损厚度来表示。磨损重量和磨损体积是整个磨损表面 的总和，所以不能反映磨损沿摩擦表面的分布情况。 磨损量的测量是评定机械零件设计的合理性、材料和 润滑剂性能，以及研究磨损机理的重要指标。常用的磨损 测量方法有称重法、测长法、表面轮廓法、压痕或切槽法。 100 称重法是用称量试件在实验前后的重量变化来确 定磨损量。通常采用精密分析天平称重。由于测量范围的 限制，称重法适用于小试件，对于微量磨损

48、的摩擦副需要 很长的实验周期。如果摩擦过程中试件表层产生较大的塑 性变形，试件的形状虽然变化但重量损失不大，此时称重 法不能反映表面磨损的真实情况。 101 测长法是使用精密量具、测长仪、万能工具显微 镜，或其它非接触式测微仪测量试件在实验前后法向尺寸 的变化，或者磨损表面与某基准面距离的变化。 测长法可以测量磨损分布情况。但是这种方法存在 误差，例如测量数据包含了因变形所造成的尺寸变化，接 触式测量仪器的测量值受接触情况和温度变化的影响等。 102 表面轮廓法是用表面轮廓仪测量磨损前后表面轮 廓的变化来确定零磨损量，即磨损厚度不超过表面粗糙峰 高度的磨损。 为了保证准确地描绘磨损前后相同部位

49、的轮廓，需 要通过显微镜和试件上的定位基准确定测量位置。 轮廓法可以记录表面轮廓在磨损过程中的变化和磨 损分布。但是轮廓法测量手续复杂，被测零件的形状和尺 寸受量程范围的限制。 103 压痕或切槽法是人为地在摩擦表面上压痕或者切 槽作为测量基准，用基准尺寸沿深度变化的规律度量磨损 厚度。如果在摩擦表面上不同部位布置基准，可以测量磨 损沿表面的分布。 切槽法测磨损与压痕法十分相似，但是切槽法排除 了弹性变形回复和四周鼓起的影响 。虽然由于切削中的 弹性变形和间隙等因素造成槽形几何误差，但一般不超过 5%，所以测量精度比压痕法高。 压痕法和切槽法只适用于磨损量不大而表面光滑 的试件。由于这两种方法

50、都要局部破坏试件的表层，因而 不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构变化。 104 应当指出：上述各种磨损测量方法的共同缺点是测量 时必须拆卸机器，所以操作复杂。此外，测量磨损量随时 间变化时，则磨损工况条件将因每次拆装而改变，而沉淀 法或化学分析法和放射性同位素法可以避免上述缺点。 105 沉淀法或化学分析法是将润滑油中所含的磨屑经 过过滤或者沉淀分离出来，再用称重法测量磨屑重量。 另外也可以采用定量分析化学的方法测量润滑油中 所含磨屑的组成和重量，这不仅可以测量各种磨损元素的 重量，还可以根据材料使用情况来判断磨损的部位。 如果定期地从润滑系统中取出油样进行测量，这两 种方法都可测量磨损量

51、随时间的变化。但是它们测量的是 整个表面的总磨损量，无法确定摩擦表面的磨损分布。此 外，润滑油的合理取样是保证测量精度的关键。 106 放射性同位素法是将摩擦表面经放射性同位素活化， 则在磨损过程中落入润滑油中磨屑也具有放射性。因此定 期地测定润滑油的放射性强度，就可以换算出磨损量随时 间的变化。 107 由于摩擦学现象发生在表面，表层组织结构的变 化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，现代表面测试技术 已先后用来研究摩擦表面的各种现象，这其中包括采用表 面轮廓仪和电子显微镜分析表面形貌的变化。 108 摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显 微镜来进行分析。 表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随 表面轮廓的垂直运动检测、放大，并且描绘出表面的轮廓曲线。 再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参数的变化。 采用透射电镜和反射电镜可以研究摩擦表面和亚表面的破 坏特性、表面氧化膜的形貌。但由于它们只能作复型检测，检 测范围有限、测量误差大和操作不便，目前已逐渐被扫描电子 显微镜替代。 扫描电镜能够直接观察摩擦表面的形貌及其在摩擦过程中 的变化。电子扫描的图象清晰度好，并有立体感，放大倍数变 化范围宽，检测范围亦较大，甚至可以直接测量小型零件的摩 擦表面。 109 在大型机组或者重要的机械系统