第三章 磨损及磨损理论

1、第三章第三章 磨损及磨损理论磨损及磨损理论一、概述一、概述1 1、磨损定义：、磨损定义： 相互接触的物体在相对运动中，表层材料不相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断断损失、转移或产生残余变形损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。它是伴随着摩擦而产生的必然结果。 有些磨损是有益的，如有些磨损是有益的，如“研磨研磨”，可使零件表，可使零件表面粗糙度减小，使刀刃变得锋利。面粗糙度减小，使刀刃变得锋利。 但是，据统计，但是，据统计，约有约有80%80%左右的机械零件是由左右的机械零件是由于磨损而报废或失效于磨损而报废或失效。2 2、磨损研究的主要内

2、容：、磨损研究的主要内容：(1) (1) 主要磨损类型的发生条件、特征和变化主要磨损类型的发生条件、特征和变化规律规律; ;(2) (2) 磨损的影响因素磨损的影响因素, , 包括摩擦副材料、表包括摩擦副材料、表面形态、润滑状况、环境条件面形态、润滑状况、环境条件, , 以及滑动速以及滑动速度、载荷、工作温度等工况参数度、载荷、工作温度等工况参数; ;(3) (3) 磨损的模型与磨损计算磨损的模型与磨损计算; ;(4) (4) 提高提高材料材料耐磨性的措施耐磨性的措施; ;(5) (5) 磨损研究的测试技术与实验分析方法。磨损研究的测试技术与实验分析方法。3 3、磨损过程、磨损过程零件的正常磨

3、损过程大致可分为三个阶段：零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段：跑合（磨合）阶段；：跑合（磨合）阶段；：稳定磨损阶段；：稳定磨损阶段；：剧烈磨损阶段：剧烈磨损阶段：跑合（磨合）阶段：跑合（磨合）阶段出现在摩擦副的初始运动阶段出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。损速度快。 在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减慢，如图所示。减慢，如图所示。稳定磨损阶段：稳定磨损阶段：出现在摩擦副的正常运

4、行阶段。出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦经过跑合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而积增大，压强降低，从而建立了弹性接触的条件建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图所示，这时磨损已经稳定下来，如图所示，磨损量随时磨损量随时间增大缓慢增大间增大缓慢增大。 剧烈磨损阶段：当材料磨损量达到一定数值时，剧烈磨损阶段：当材料磨损量达到一定数值时，摩擦条件发生较大的变化，磨损速度急剧增加。摩擦条件发生较大的变化，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪音这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪

5、音及振动，最后导致零件完全失效。及振动，最后导致零件完全失效。* * * 从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的使用寿命，应尽量延长使用寿命，应尽量延长“稳定磨损阶段稳定磨损阶段”。二、二、磨磨损损的的分分类类1 1、粘着磨损、粘着磨损(1)(1)定义定义当摩擦副相对滑动时当摩擦副相对滑动时, , 由于粘着效应由于粘着效应所形成的结点发生剪切断裂，接触表所形成的结点发生剪切断裂，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损；面的现象称为粘着磨损；法向力和切向力共同作用的结果。法向力和切向力共同作用的结果。(

6、2) (2) 粘着磨损机理粘着磨损机理u在一定的法向载荷作用下，微凸体接触，发生在一定的法向载荷作用下，微凸体接触，发生塑性变形，塑性变形，产生粘着产生粘着；u在相对滑动过程中，剪切粘着点，材料就会从在相对滑动过程中，剪切粘着点，材料就会从一个表面转移到另外一表面，一个表面转移到另外一表面，形成磨损形成磨损；* * * 接触接触- -塑性变形塑性变形- -粘着粘着- -剪断剪断粘着点粘着点- -材料转移材料转移- -再粘着，再粘着，循循环不断进行，构成粘着磨损过环不断进行，构成粘着磨损过程。程。u一部分转移的材料分离，一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒；从而形成游离磨粒；u再形成再形成新的

7、粘着点新的粘着点。(3)(3) 粘着磨损的分类粘着磨损的分类根据粘着点的根据粘着点的强度和破坏位置强度和破坏位置不同，粘着磨损不同，粘着磨损有几种不同的形式，共同的特征是有几种不同的形式，共同的特征是: :出现材料出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。a.a.轻微磨损轻微磨损粘着强度比摩擦副两金属基体剪切强度低粘着强度比摩擦副两金属基体剪切强度低；剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微；微；摩擦系数增大，但磨损量很小；摩擦系数增大，但磨损量很小；金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生金属表面具有

8、氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。轻微粘着摩损。b.b.涂抹涂抹粘着强度大于摩擦副中较软金属的剪切强度，小于较粘着强度大于摩擦副中较软金属的剪切强度，小于较硬金属的剪切强度；硬金属的剪切强度；剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹软金属涂抹( (粘附粘附) )在硬金属表面上；在硬金属表面上；摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。c.c.擦伤擦伤粘着强度比摩擦副的两基体金属的剪切强度都高；粘着强度比摩擦副的两基体金属的剪切强度都高；剪切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生

9、在硬剪切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面，使软金属表面出现划痕，所以金属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发擦伤主要发生在软金属表层生在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。，硬金属表面也偶有划伤。d.d.咬合（胶合）咬合（胶合）粘着强度比两金属基体的剪切强度高得多；粘着强度比两金属基体的剪切强度高得多；粘着点面积较大粘着点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方，发生严重磨损，剪切应个金属表层深的地方，发生严重磨损，剪切应力高于粘着结合力；力高

10、于粘着结合力；剪切应力低于粘着结合力，摩擦副之间咬死不剪切应力低于粘着结合力，摩擦副之间咬死不能滑动。能滑动。高速重载下，微凸体塑性变形大，温度高，粘高速重载下，微凸体塑性变形大，温度高，粘着点的强度和面积大，通常产生胶合磨损。着点的强度和面积大，通常产生胶合磨损。* * * * 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。(4)(4)简单粘着磨损计算简单粘着磨损计算( (ArchardArchard模型模型) )上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较硬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；法向载荷的材料，摩擦副另一方为较

11、软的材料；法向载荷W W由由n个半径为个半径为a的相同微凸体承受。的相同微凸体承受。则当材料产生塑性变形时，法向载荷则当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料与较软材料的屈服极限的屈服极限s之间的关系：之间的关系： (1)当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形生的磨屑为半球形, ,其体积为其体积为( (2/3)2/3)a3，则，则单位滑动单位滑动距离的总磨损量距离的总磨损量( (即体积磨损率，通常用于判断材料即体积磨损率，通常用于判断材料磨损的快慢程度磨损的快慢程度) )为为: :(2)式式(3)(3)是假设了各个微凸体在接触

12、时均产生一个磨粒而导出。是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数K K和滑动距离和滑动距离L L，则则接触表面的粘着磨损量接触表面的粘着磨损量表达式为：表达式为：(3)(4)由由(4)(4)式可得粘着式可得粘着磨损的三个定律：磨损的三个定律：材料磨损量与滑动距离成正比：材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件适用于多种条件材料磨损量与法向载荷成正比：材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围适用于有限载荷范围材料磨损量与较软材料的屈服极限材料磨损量与较软材料的屈服极限s( (或硬度或硬度H H) )成反比成反

13、比由于对于弹性材料由于对于弹性材料sH/3，H为布氏硬度值，则式为布氏硬度值，则式(4)可可变为：变为：式中式中K K为粘着磨损系数为粘着磨损系数由由(1)(1)和和(2)(2)式，可得：式，可得：纵坐标为纵坐标为K/HK/H，代表单位载荷、，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标单位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。代表平均接触压力。u 压力值小于压力值小于H/3H/3（s ），磨损率小而且保持不变，磨损率小而且保持不变( (即即K K保保持常数持常数- -磨损量与压力成正比磨损量与压力成正比) )；u 压力值为压力值为H/3H/3，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相，各个微凸体

14、上的塑性变形区开始发生相互影响；互影响；u 压力值超过压力值超过H/3H/3，磨损量急剧增大，磨损量急剧增大( (K K值急剧增大值急剧增大) )，高，高的载荷作用下，整个表面变成塑性流动区，发生大面的载荷作用下，整个表面变成塑性流动区，发生大面积的粘着焊连，出现剧烈的粘着磨损。积的粘着焊连，出现剧烈的粘着磨损。式中的式中的K K代表微凸代表微凸体中产生磨粒的体中产生磨粒的概率，即粘着磨概率，即粘着磨损系数。损系数。K K值必须按不同的值必须按不同的滑动材料组合和滑动材料组合和不同的摩擦条件不同的摩擦条件求得求得。右表给出。右表给出了不同工况和摩了不同工况和摩擦副配对时的磨擦副配对时的磨损系数

15、损系数K K值。值。(5)(5) 粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素摩擦副材料性质的影响摩擦副材料性质的影响a.a.脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主，发生在塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主，发生在表层深处，磨损颗粒大。脆性材料粘着点的破坏表层深处，磨损颗粒大。脆性材料粘着点的破坏主要是剥落，发生在表层浅处，磨损颗粒小，呈主要是剥落，发生在表层浅处，磨损颗粒小，呈磨屑状，磨屑容易脱落磨屑状，磨屑容易脱落, , 不堆积在表面上。不堆积在表面上。b.b. 相同金属或相同金属或冶金相溶性冶金相溶性大的材料摩擦副易发生大的材料摩擦副

16、易发生粘着磨损。异种金属或冶金相溶性小的材料摩粘着磨损。异种金属或冶金相溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。金属与非金属摩擦擦副抗粘着磨损能力较高。金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异种金属摩擦副。副抗粘着磨损能力高于异种金属摩擦副。应避免使用同种金属或冶金相溶性大的金属组成应避免使用同种金属或冶金相溶性大的金属组成摩擦副摩擦副。 冶金的相冶金的相( (互互) )溶性溶性：两种金属能在固态互相溶解的性能。：两种金属能在固态互相溶解的性能。摩擦的相摩擦的相( (互互) )溶性：溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能。抗粘着的性能。一般，一般，冶金相

17、溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。c.c.材料的组织结构和表面处理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。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、磷通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应薄膜可以减少粘着效应，同时，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。

18、力。d.d.元素周期表中的元素周期表中的B B族元素族元素，如锗、银、镉、铟、，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、铋锡、锑、铊、铅、铋与铁的冶金相容性差与铁的冶金相容性差，抗，抗粘着磨损性能好。而铁与粘着磨损性能好。而铁与A A族元素组成的摩擦副族元素组成的摩擦副粘着倾向大。粘着倾向大。e.e.材料的硬度材料的硬度硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因，因为表面接触应力大于较软金属硬度的为表面接触应力大于较软金属硬度的1/31/3时，很时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。载荷的影响载荷的影响粘着磨损一般

19、随法向载荷增加到某一临界值后粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加。而急剧增加。当载荷值超过材料硬度值的当载荷值超过材料硬度值的1/31/3时，磨损急剧时，磨损急剧增加，严重时咬死。增加，严重时咬死。设计中选择的许用压力必设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的须低于材料硬度值的1/31/3。随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种形式。形式。如图如图(a)(a)所示，当摩擦速度很低时，主要是所示，当摩擦速度很低时，主要是氧化磨损，出氧化磨损，出现现FeFe2 2O O3 3的磨屑，的磨屑，磨损量很小磨损量很小。随速度的增

20、大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为粘粘着磨损着磨损，磨损量显著增大。磨损量显著增大。滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转为为氧化磨损氧化磨损，磨屑为，磨屑为FeFe3 3O O4 4，磨损量又减小磨损量又减小。如摩擦速度再增大，将再次转化为如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着磨损粘着磨损，磨损量又开，磨损量又开始增加。始增加。速度的影响速度的影响图图(b)(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。损实验结果。载荷小产生

21、氧化磨损载荷小产生氧化磨损, , 磨屑主要是磨屑主要是FeFe2 2O O3 3；当载荷达到当载荷达到W W0 0后后, , 磨屑是磨屑是FeOFeO、FeFe2 2O O3 3 和和FeFe3 3O O4 4的混合物。的混合物。载荷超过临界载荷载荷超过临界载荷W Wc c以后以后, , 便转入危害性的便转入危害性的粘着磨损粘着磨损。表面温度的影响表面温度的影响表层温度特性对于摩表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下失效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产降，摩擦表面容易产生粘着磨损。生粘着磨

22、损。 上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达到临界值面温度达到临界值( (约约8080) )时时, , 磨损量和摩擦系磨损量和摩擦系数都急剧增加。数都急剧增加。影响温度特性的主要因素是表面压力影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度和滑动速度v，其中速度的影响更大，因此限制其中速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法损和防止胶合发生的有效方法。润滑油、润滑脂的影响润滑油、润滑脂的影响 在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂在润滑油、润滑脂中加人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

23、成倍地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。提高抗粘着磨损能力。 油性添加剂油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在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，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防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。滑状态。 极压添加剂极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元是在高温条件下，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的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩

24、擦条件下而引起的粘着现象。擦条件下而引起的粘着现象。 2 2、磨粒、磨粒( (磨粒磨粒) )磨损磨损(1)定义 外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落表面材料脱落的的现象现象, , 称为磨粒磨损。称为磨粒磨损。例如：掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板、机例如：掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板、机床导轨面等的磨损。床导轨面等的磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损。间的侵蚀磨损。(2)(2)磨粒磨损分类及其磨粒磨损分类及其磨磨 损特征损特征 按摩擦表面的数目分为

25、按摩擦表面的数目分为: : 两体磨粒磨损和三体磨粒磨损两体磨粒磨损和三体磨粒磨损 a. a.二体磨粒磨损：二体磨粒磨损：磨粒沿一个固体表面相对运动磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损。产生的磨损。 磨粒运动方向与固体表面接近平行磨粒运动方向与固体表面接近平行, , 磨粒与表面接磨粒与表面接触处的应力较低触处的应力较低, , 表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。 磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，磨粒与表面磨粒与表面产生高应力碰撞产生高应力碰撞, , 在表面上磨出较深的沟槽在表面上磨出较深的沟槽, , 并有并有大颗粒材料从表面脱落。大颗粒

26、材料从表面脱落。b.b.三体磨粒磨损三体磨粒磨损 外界磨粒移动于两摩擦表面之间外界磨粒移动于两摩擦表面之间, , 类似类似于研磨作用于研磨作用, , 称为三体磨粒磨损。称为三体磨粒磨损。 通常三体磨损的磨粒与表面产生通常三体磨损的磨粒与表面产生极高的接触极高的接触应力应力, , 往往超过磨粒的压溃强度往往超过磨粒的压溃强度。这种压应。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳劳, , 而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。凿削式磨粒磨损凿削式磨粒磨损特征：特征： 冲击力大冲击力大- -磨粒以很大的冲击力切入金属表面，工磨粒以

27、很大的冲击力切入金属表面，工件受到很高的应力，造成表面宏观变形，并可以件受到很高的应力，造成表面宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下金属大颗粒，在被磨损表面有从摩擦表面凿削下金属大颗粒，在被磨损表面有较深的沟槽和压痕。较深的沟槽和压痕。 按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分: : 凿削式磨粒磨损、高应力碾碎式磨粒磨损和凿削式磨粒磨损、高应力碾碎式磨粒磨损和低应力擦伤式磨粒磨损低应力擦伤式磨粒磨损。b.b.高应力碾碎式磨粒磨损高应力碾碎式磨粒磨损特点：特点： 应力高应力高- -当磨粒夹在两摩擦当磨粒夹在两摩擦表面之间，局部产生很高表面之间，局部产生很高的接触应力。的接

28、触应力。 磨粒所受的应力超过磨粒磨粒所受的应力超过磨粒的压碎强度，磨粒不断被的压碎强度，磨粒不断被碾碎，被碾碎的磨粒颗粒碾碎，被碾碎的磨粒颗粒呈多角形，擦伤金属，在呈多角形，擦伤金属，在摩擦表面留下沟槽和凹坑。摩擦表面留下沟槽和凹坑。c.c.低应力擦伤式磨粒磨损低应力擦伤式磨粒磨损特征：特征： 应力低应力低- -磨粒作用于摩擦表面的应力不磨粒作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。磨粒仅擦伤表超过它本身的压溃强度。磨粒仅擦伤表面，表面有微小的切削痕迹。面，表面有微小的切削痕迹。(3)(3)磨粒磨损机理磨粒磨损机理 微观切削假说：微观切削假说：磨粒对表面产生切削作用。磨粒对表面产生切削作用。

29、 压痕破坏假说压痕破坏假说( (擦痕假说擦痕假说) )：磨粒压入表面产生：磨粒压入表面产生压痕，滑动时使表面产生严重的塑性变形，压压痕，滑动时使表面产生严重的塑性变形，压痕两侧材料受到损伤。痕两侧材料受到损伤。 疲劳破坏假说疲劳破坏假说：磨粒在表面产生交变应力。：磨粒在表面产生交变应力。(4) (4) 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。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可以将磨粒看做是具有锥形的硬质颗粒在软材料上滑动，犁出一条沟。料上滑动，犁出一条沟。假设磨粒为

30、形状相同的圆锥体，半角为假设磨粒为形状相同的圆锥体，半角为，锥底直径为，锥底直径为2 2r( (即犁出的沟槽宽度即犁出的沟槽宽度) )，载荷为，载荷为W，压入深度，压入深度h，滑动距，滑动距离为离为L，屈服极限，屈服极限s s。垂直方向的投影面积为垂直方向的投影面积为r2，滑动时只有半个锥面承受载，滑动时只有半个锥面承受载荷，共有荷，共有n个微凸体，个微凸体，则所受的法向载荷为：则所受的法向载荷为：犁去的体积作为磨损量，犁去的体积作为磨损量，单位滑动距离的磨损量单位滑动距离的磨损量(磨损率磨损率)为为Q0=nhr, 因为因为r=htan ，因此：，因此：(1)如果考虑到微凸体相互作用产生磨粒的

31、概率数如果考虑到微凸体相互作用产生磨粒的概率数K和滑动和滑动距离距离L，并且代人材料的硬度，并且代人材料的硬度H=3=3s，则则接触表面的磨损接触表面的磨损量量表达式为：表达式为：式中式中K Ks s为磨粒磨损系数为磨粒磨损系数，是几何因素，是几何因素2/2/tan 和概率常数和概率常数K K的乘积，的乘积，K Ks s与磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量与磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量等因素有关。等因素有关。* * * *应当指出，上述分析忽略了许多实际因素，例如应当指出，上述分析忽略了许多实际因素，例如磨粒的分布情况、材料弹性变形和滑动前方材料堆积产磨粒的分布情况、材料弹性变形和滑

32、动前方材料堆积产生的接触面积变化等等。生的接触面积变化等等。式式(2)(2)近似地适用于二体磨粒近似地适用于二体磨粒磨损。磨损。在三体磨损中，一部分磨粒的运动是沿表面滚动，在三体磨损中，一部分磨粒的运动是沿表面滚动，它们不产生切削作用，因此它们不产生切削作用，因此K Ks s值明显减小。值明显减小。由公式由公式(2)(2)可看出可看出: :粘着磨损定律也同样适用于磨粒磨损。粘着磨损定律也同样适用于磨粒磨损。(2)相对耐磨度相对耐磨度：标准试样磨损标准试样磨损量和被评价试量和被评价试验试样磨损量验试样磨损量之比，其值越之比，其值越大，材料耐磨大，材料耐磨性越好。性越好。 材料硬度的影响：材料硬度

33、的影响：(5) (5) 影响磨粒磨损的因素：影响磨粒磨损的因素：如图如图(a)(a)所示，所示，磨粒磨损时，对于纯金属和退火钢，磨粒磨损时，对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比其耐磨性与硬度成正比。图图(b)(b)是正常淬火后，不同是正常淬火后，不同温度回火的几种钢的温度回火的几种钢的磨粒磨磨粒磨损试验损试验结果。结果。 淬火回火钢的耐磨性随着硬淬火回火钢的耐磨性随着硬度的增加而增大，但是与退度的增加而增大，但是与退火钢相比，耐磨性的增火钢相比，耐磨性的增大速大速度缓慢些，度缓慢些，即用淬火回火方即用淬火回火方法提高耐磨性效果不明显法提高耐磨性效果不明显。 相同硬度下，相同硬度下，钢中的碳

34、含量及碳化物形成元素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。含量越高，其耐磨性也越强。 冷作硬化后，表层冷作硬化后，表层硬度的提高并没有硬度的提高并没有使耐磨性增加。所使耐磨性增加。所以以在低应力磨损时，在低应力磨损时，冷作硬化不能提高冷作硬化不能提高表面的耐磨性表面的耐磨性( (只只要在塑性变形的过要在塑性变形的过程中组织未发生变程中组织未发生变化化) )。 加工硬化的影响：加工硬化的影响：冷作硬化对低应力磨粒磨损实验时的耐磨性冷作硬化对低应力磨粒磨损实验时的耐磨性 应提出的是，零件实际使用条件与上述试验应提出的是，零件实际使用条件与上述试验条件相近时，以上结论才是适用的。条件

35、相近时，以上结论才是适用的。 如果零件在更复杂的条件下工作，如果零件在更复杂的条件下工作，如除了磨如除了磨粒磨损之外，可能还有其他因素起作用，这时就粒磨损之外，可能还有其他因素起作用，这时就不能简单套用上述结论。不能简单套用上述结论。例如，冷作硬化是提高例如，冷作硬化是提高零件疲劳强度的方法，由于提高了材料的表面硬零件疲劳强度的方法，由于提高了材料的表面硬度，这对于以度，这对于以粘着磨损为主粘着磨损为主的磨损，也能提高摩的磨损，也能提高摩擦副的相对耐磨性。擦副的相对耐磨性。 以上所述是指冷作硬化对以上所述是指冷作硬化对低应力磨粒磨损低应力磨粒磨损时时的耐磨性的影响。的耐磨性的影响。 u对于对于

36、高应力磨粒磨损高应力磨粒磨损，加工硬化后的硬度愈高，加工硬化后的硬度愈高，其耐磨抗力也愈高其耐磨抗力也愈高。u高锰钢淬火后为软而韧的奥氏体组织，当受低高锰钢淬火后为软而韧的奥氏体组织，当受低应力磨损时，它的耐磨性不好，而在高应力磨应力磨损时，它的耐磨性不好，而在高应力磨损的场合，它具有特别高的耐磨性。这是由于损的场合，它具有特别高的耐磨性。这是由于奥氏体在塑性变形时其加工硬化率很高，同时奥氏体在塑性变形时其加工硬化率很高，同时还因为其还因为其转变为很硬的马氏体转变为很硬的马氏体。综合和所述综合和所述, 提高钢材硬度的方法有改提高钢材硬度的方法有改善合金成分、热处理或冷作硬化等三种。善合金成分、

37、热处理或冷作硬化等三种。而材料抗磨粒磨损的能力与硬化方法有关，而材料抗磨粒磨损的能力与硬化方法有关，所以必须根据各种提高硬度的方法来考虑所以必须根据各种提高硬度的方法来考虑耐磨性与硬度的关系。耐磨性与硬度的关系。相对硬度影响：相对硬度影响：磨粒磨损取决于磨粒磨损取决于磨粒硬度磨粒硬度H0与试件与试件材料硬度材料硬度H比值比值: :： H0 0.7H 时，轻微磨时，轻微磨损阶段。损阶段。 ： 0.7H H0 H H，氧化膜容易破碎，产生磨损。氧化膜容易破碎，产生磨损。H H0 0 H H，小变形，氧化膜和基体金属同时变形，小变形，氧化膜和基体金属同时变形，氧化磨损小；变形量大，则氧化膜容易破碎，

38、氧化磨损小；变形量大，则氧化膜容易破碎，产生磨损。产生磨损。H H0 0与与H H都很高都很高，载荷引起的变形小，氧化膜不易，载荷引起的变形小，氧化膜不易破碎，耐磨性好，如破碎，耐磨性好，如CrCr2 2O O3 3。d.d.润滑状态的影响润滑状态的影响 润滑油（脂）隔绝表面与空气中氧的直接接触，润滑油（脂）隔绝表面与空气中氧的直接接触，减缓氧化膜的生成速度；但油脂与氧的反应，减缓氧化膜的生成速度；但油脂与氧的反应，生成酸性氧化物，会腐蚀摩擦面。生成酸性氧化物，会腐蚀摩擦面。 利用危害性小的腐蚀磨损以防止危害性大的粘利用危害性小的腐蚀磨损以防止危害性大的粘着磨损着磨损- -在润滑中加入腐蚀性在

39、润滑中加入腐蚀性极压添加剂极压添加剂，提高，提高油膜强度。油膜强度。(4)(4)特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损: : 金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而造成的磨损。蚀作用而造成的磨损。 磨损的机理与氧化磨损相似磨损的机理与氧化磨损相似, , 但但腐蚀磨损速度腐蚀磨损速度较快，磨损痕迹较深较快，磨损痕迹较深, , 磨损量也较大磨损量也较大。磨屑呈。磨屑呈点状和丝状。点状和丝状。 特殊介质腐蚀磨损的影响因素特殊介质腐蚀磨损的影响因素a.a.介质性质和温度的影响介质性质和温度的影响 钢的钢的磨损率随介质腐蚀性、温度的增大加快磨损率随介质腐蚀性、

40、温度的增大加快。b.b.合金元素的影响合金元素的影响 镍、铬、钛镍、铬、钛等在特殊介质作用下，易形成等在特殊介质作用下，易形成钝化钝化膜膜，减轻腐蚀磨损。，减轻腐蚀磨损。 钨、钼在钨、钼在500500CC以上，以上，表面生成保护膜，是表面生成保护膜，是抗抗高温腐蚀磨损的重要金属材料高温腐蚀磨损的重要金属材料。 镉、铅镉、铅等容易被润滑油里的酸性物质腐蚀。等容易被润滑油里的酸性物质腐蚀。 银、铜银、铜等在等在温度不高温度不高时，与油中硫化物生成硫时，与油中硫化物生成硫化物膜，能起减摩作用，但化物膜，能起减摩作用，但高温时高温时膜易破裂。膜易破裂。 5.5.气蚀气蚀: : 定义：定义：气蚀是固体表

41、面与液体相对运动所产生气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤。的表面损伤。 气蚀的机理：气蚀的机理： 表面压力低于液体蒸汽压，表面形成气泡，气表面压力低于液体蒸汽压，表面形成气泡，气泡溃灭，产生极大的冲击力和高温，冲击力反泡溃灭，产生极大的冲击力和高温，冲击力反复作用，材料发生疲劳脱落，表面出现小凹坑，复作用，材料发生疲劳脱落，表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。进而发展成海绵状。* * * 由于冲击应力造成的表面疲劳破坏，但液体的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、液体中含有磨粒等都能加化学和电化学作用、液体中含有磨粒等都能加速气蚀的破坏过程。速气蚀的破坏过程。 防止气蚀的措施：防止气蚀的措施： 减少气蚀的有效措施是防止气泡的产生。减少气蚀的有效措施是防止气泡的产生。 液体中运动的液体中运动的表面具有流线形表面具有流线形，避免在局部出，避免在局部出现压力低的涡流区；现压力低的涡流区； 减少液体中的含气量和液体流动中的扰动。减少液体中的含气量和液体流动中的扰动。 选择适当的材料：选择适当的材料：l强度和韧性高的金属材料、非金属材料强度和韧性高的金属材料、非金属材料如如橡胶、尼龙等；橡胶、尼龙等；l提高材料的抗腐蚀性。提高材料的抗腐蚀性。