磨损及磨损理论

1、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，表层材料不断损失、转移或相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。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”，可使零件表面粗糙度，可使零件表面粗糙度减小，使刀刃变得锋利。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于磨损而左右的机械零件是由于磨损而报废或失效报废或失效。磨损不仅消耗材料，浪费能源，并直接影

2、。磨损不仅消耗材料，浪费能源，并直接影响到机器的寿命和可靠性。固此，对磨损的研究引起了响到机器的寿命和可靠性。固此，对磨损的研究引起了人们的极大关注。人们的极大关注。2 2、磨损研究的主要内容：、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

3、; ;(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：跑合阶段；：跑合阶段；：稳定磨损阶段；：稳定磨损阶段；：剧烈磨损阶：剧烈磨损阶段段：跑合阶段：跑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，由于表面存在粗糙度，微，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。 在一定载在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增

4、大，荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减慢，如图所示。磨损速度逐渐减慢，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行阶段。出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦表面加工硬经过跑合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而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，这时磨损已经稳定下来，如图所示，示，磨损量随时间增大缓慢增大磨损量随时间增大缓慢增大。 剧烈磨损阶段：剧烈磨损阶段：由于摩擦条件发生较大的变化由于摩擦条件发生较大的变化( (如温

5、度的急剧增如温度的急剧增高，金属组织的变化等高，金属组织的变化等) )，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。精度降低，出现异常的噪音及振动，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, , 由于粘着效应所形由于粘着效应所形成的结点发生剪切断裂，接触表面的材料

6、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现象称为从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损。粘着磨损。(2) (2) 粘着磨损机理粘着磨损机理当摩擦副接触时，当摩擦副接触时，接触接触首先发生首先发生在少数几个独立的微凸体上。因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，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微凸体的局部压力就可能超过材料的屈服压力而发生料的屈服压力而发生塑性变形塑性变形，继而使两摩擦表面产生继而使两摩擦表面产生粘着粘着；此后，在相对滑动过程中，如果此后，在相对滑动过程中，如果粘着点的剪切粘着点的剪切发生发生在界面，则磨损轻

7、微；如果剪切发生在界面以下，在界面，则磨损轻微；如果剪切发生在界面以下，则则材料就会从一个表面转移到另外一表面材料就会从一个表面转移到另外一表面，继续滑，继续滑动，一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒。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，循环不断进行，构成粘着磨损过程。再粘着，循环不断进行，构成粘着磨损过程。(3)(3)四种典型的粘着磨损四种典型的粘着磨损 根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有几根据粘着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

8、到破坏性严重的胶合磨种不同的形式，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，损。它们的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同的特征是但共同的特征是: :出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕不同的划痕。a.a.轻微磨损轻微磨损 粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低时，剪时，剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁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

9、膜、硫化膜移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。或其他涂层时发生轻微粘着摩损。b.b.涂抹涂抹 粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小于较粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小于较硬金属的强度。硬金属的强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹较软金属浅层内，软金属涂抹( (粘附粘附) )在硬金属表面上。在硬金属表面上。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。加剧。c.c.擦伤擦伤 粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高。粘着强度比摩擦副的两基体金

10、属的强度都高。剪剪切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金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，所以属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发生擦伤主要发生在软金属表层在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。，硬金属表面也偶有划伤。d.d.咬合咬合如果如果粘着强度比两金属基体的强度高得多，而且粘着点面积较粘着强度比两金属基体的强度高得多，而且粘着点面积较大大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方。时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方。此时表面将沿着

11、滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死咬死而不能相而不能相对滑动。对滑动。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

12、较软的材料；法向载荷的材料，摩擦副另一方为较软的材料；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( (即磨损率，通常用于判断材料磨损即磨损率，通常用于判断材料磨损的快慢程度的快慢程度) )为为: :(2)由由

13、(1)(1)和和(2)(2)式，可得：式，可得：(3)式式(3)(3)是假设了各个微凸体在接触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

14、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y( (或硬度或硬度H H) )成反成反比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右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑动摩擦时的结果。图中示出钢的动摩擦时的结果。图中示出钢的磨损系数随表观压力的变化曲线。磨损系数随表观压力的变化曲线。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。当压力值小于片当压力值小于片H/3H

15、/3时，磨损率时，磨损率小而且保持不变小而且保持不变( (即即K K保持常数保持常数) )；但当压力值超过但当压力值超过H/3H/3时，磨损量急剧增大时，磨损量急剧增大( (K K值急剧增大值急剧增大) )，这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。对其他金属也有类似的情况，只是对其他金属也有类似的情况，只是K K开始增加时的平均压开始增加时的平均压力值通常比力值通常比H/3H/3稍低而已。稍低而已。在压力值为在压力值为H/3H/3作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响。当压力值增加到发

16、生相互影响。当压力值增加到H/3H/3以上时，整个表面变以上时，整个表面变成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。由于式中的由于式中的K K代表微代表微凸体中产生磨粒的概凸体中产生磨粒的概率，即粘着磨损系率，即粘着磨损系数因此，数因此，K K值必须值必须按不同的滑动材料组按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件合和不同的摩擦条件求得求得。右表给出了不。右表给出了不同工况和摩擦副配对同工况和摩擦副配对时的磨损系数时的磨损系数K K值。值。(5)(5) 粘着磨损的影响因素

17、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，发生在表层深处，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主要是剥落，发生在表磨损颗粒大。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，呈磨屑状，磨屑容易脱落层浅处，磨损颗粒小，呈磨屑状，磨屑容易脱落, , 不堆积在不堆积在表面上。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大的材料摩擦副( (相同相同金属或晶格类型、电子密度、电化学性能相似的金

18、属或晶格类型、电子密度、电化学性能相似的金属金属) )易发生粘着磨损。异种金属或冶金相溶性小易发生粘着磨损。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。金属与非金的材料摩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。属摩擦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

19、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金属的组织结构对粘着磨损也有影响，多相金属比单相金属的金属的组织结构对粘着磨损也有影响，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。小。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、磷化物或氯化物等薄膜可以

20、减少粘着效应薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。粘着磨损的能力。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、锡、锑、铊、，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、铋铅、铋与铁的冶金相容性差与铁的冶金相容性差，抗粘着磨损性能好。而铁与，抗粘着磨损性能好。而铁与A A族元族元素组成的摩擦副粘着倾向大。素组成的摩擦副粘着倾向大。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，因为表面接触，因为表面接触应力大于较软金属硬度的应力大于较软金属硬度的1/31

21、/3时，很多金属将由轻微磨损转时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。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随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，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，如图所示，如图所示，K/HK/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系。当载荷值超过材料硬度值的系。当载荷值超过材料硬度值的1/31/3时，磨损急剧增加，时，磨损急剧增加，严重时咬死。严重时咬死。因此因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/31/3。速度的影响速度的影响在压力一定的情况下，在压力

22、一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的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动速度的增加而减少。下图为摩擦速度不太高。下图为摩擦速度不太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。压力的变化规律。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

23、损量很小。随速度的增大，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。图图(b)(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对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。钢磨损实验结果。载荷小产生

24、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的混合的混合物。物。载荷超过载荷超过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擦表面表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜失表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。表面容易产生粘着磨损。 上图为温度

25、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，能成倍地能提高润滑

26、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擦条件下而引起的

27、粘着现象。擦条件下而引起的粘着现象。 2 2、磨粒、磨粒( (磨料磨料) )磨损磨损(1)(1)定义定义 外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩在摩擦过程中引起擦过程中引起表面材料脱落表面材料脱落的现象的现象, , 称为磨粒磨损。称为磨粒磨损。 例如：掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是例如：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会引起磨典型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也会引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间的粒磨损。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也属

28、于磨粒磨损。侵蚀磨损也属于磨粒磨损。(2)(2)磨粒磨损分类及其磨损特征磨粒磨损分类及其磨损特征磨料磨损根据表面磨损的破坏形式，大体可以磨料磨损根据表面磨损的破坏形式，大体可以分为下列几种类型：分为下列几种类型： 按摩擦表面的数目分为按摩擦表面的数目分为: :两体磨料磨损种和两体磨料磨损种和三体磨料磨损三体磨料磨损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。当磨粒运动方向与固体表面接当磨粒运动方向与固体表面接近平行时近平行时, , 磨粒与表面接触处磨粒与表面接触处的应力较低的应力较低, , 固体表面产生擦固体表面产生擦伤或微小的犁

29、沟痕迹。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，如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，此时此时, , 磨粒与表面产生高应力碰撞磨粒与表面产生高应力碰撞, , 在表面上磨出较深在表面上磨出较深的沟槽的沟槽, , 并有大颗粒材料从表面脱落。并有大颗粒材料从表面脱落。在一对摩擦副中在一对摩擦副中, , 硬表面的粗糙峰对软表面起着硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用磨粒作用, , 这也是一种二体磨损这也是一种二体磨损, , 它通常是低应它通常是低应力磨粒磨损。力磨粒磨损。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, , 类似于研磨类似于研磨

30、作用作用, , 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金属表面产生通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接极高的接触应力触应力, , 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劳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。而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。a.a.凿削式磨粒磨损凿削式磨粒磨损这类磨损的特征是这类磨损的特征是冲击力大冲击力大，磨料以很大的冲击力，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，并可以面

31、宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下金属大颗粒，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。在被磨损表面有较深的沟槽和压痕。如挖掘机的斗齿、如挖掘机的斗齿、矿石破碎机锤头矿石破碎机锤头等零件表面的磨等零件表面的磨损即属于此种磨损即属于此种磨损形式。损形式。 按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分为按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分为凿削凿削式磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损和低应力式磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损和低应力擦伤式磨料磨损擦伤式磨料磨损。b.b.高应力碾碎式磨粒磨损高应力碾碎式磨粒磨损这类磨损的特点是这类磨损的特点是应力高应力高，磨料所受的应力超过，磨料所受的应力超过磨料的压

32、碎强度，当磨料夹在两摩擦表面之间时，磨料的压碎强度，当磨料夹在两摩擦表面之间时，局部产生很高的接触应力，这种压应力使局部产生很高的接触应力，这种压应力使韧性金韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳, , 而脆性金属而脆性金属表面则发生脆裂或剥落表面则发生脆裂或剥落。同时磨料不断被碾碎，被碾碎同时磨料不断被碾碎，被碾碎的磨料颗粒呈多角形，的磨料颗粒呈多角形，擦伤金擦伤金属，在摩擦表面留下沟槽和凹属，在摩擦表面留下沟槽和凹坑坑。如矿石粉碎机的颚板、如矿石粉碎机的颚板、轧碎机滚筒等表面的破坏。轧碎机滚筒等表面的破坏。c.c.低应力擦伤式磨粒磨损低应力擦伤式磨粒磨损这种磨损

33、的特征是这种磨损的特征是应力低应力低，磨料作用于摩，磨料作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。材料表面有材料表面有擦伤并有微小的切削痕迹擦伤并有微小的切削痕迹。如。如犁铧、泥沙泵叶轮等。犁铧、泥沙泵叶轮等。(3)(3)磨粒磨损机理磨粒磨损机理关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设： 微观切削假说：微观切削假说：法向载荷将磨料压入摩擦表面，法向载荷将磨料压入摩擦表面，滑动时磨料对表面产生滑动时磨料对表面产生切削作用切削作用，材料脱离表，材料脱离表面形成磨屑。面形成磨屑。 压痕破坏假说压痕破坏假说( (擦痕假说擦痕假说) )

34、：磨料在载荷作用下：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，滑动时使表面产生压入摩擦表面而产生压痕，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严重的塑性变形，压痕两侧材料受到损伤，因，因而易从表面挤出或剥落。而易从表面挤出或剥落。 疲劳破坏假说疲劳破坏假说：摩擦表面在磨料产生的：摩擦表面在磨料产生的循环接循环接触应力作用下触应力作用下，表面材料开始出现疲劳裂纹并，表面材料开始出现疲劳裂纹并逐渐扩大，最后从表面剥离。逐渐扩大，最后从表面剥离。(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出，下图为简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出，下图

35、为磨粒磨损模型。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滑动，犁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。出一条沟。假设磨粒为形状相同的圆锥体，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r( (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，滑动距离，滑动距离为为L，屈服极限，屈服极限s s。在垂直方向的投影面积为。在垂直方向的投影面积为r2，滑动时，滑动时只有半个锥面只有半个锥面(前进方向的锥面前进方向的锥面)承受载荷，共有承受载荷，共有n个微凸个微凸体，则所受的法向载荷为：体，则所受的法向载荷为：将

36、犁去的体积作为磨损量，其水平方向的投影面积为一将犁去的体积作为磨损量，其水平方向的投影面积为一个三角形，个三角形，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, 因因为为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

37、、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。应当指出，上述分析忽略了许多实际因素，等因素有关。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生的接触面积变化等等，积产生的接触面积变化等等，因此式因此式(2)(2)近似地适用于近似地适用于二体磨粒磨损。二体磨粒磨损。在三体磨损中，一部分磨粒的运动是沿在三体磨损中，一部分磨粒的运动是沿表面滚动，它们不产生切削作用，因此表面滚动，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:

38、 :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，对于纯金属和退火钢，其耐磨性与对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比硬度成正比。图图(b)(b)是正常淬火后，不同温是正常淬火后，不同温度回火的几种钢的磨粒磨损试度回火的几种钢的磨粒磨损试验结果。验结果。淬火回火钢的耐磨性随着硬度淬火回火钢的

39、耐磨性随着硬度的增加而增大，但是与退火钢的增加而增大，但是与退火钢相比，耐磨性的增相比，耐磨性的增大速度缓慢大速度缓慢些，即淬火回火可以提高钢的些，即淬火回火可以提高钢的硬度和耐磨性，但效果微弱。硬度和耐磨性，但效果微弱。由此得出：金属的耐磨性不仅由此得出：金属的耐磨性不仅取决于其硬度，还取决于它的取决于其硬度，还取决于它的成分和组织结构。成分和组织结构。相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含相同硬度下，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。量越高，其耐磨性也越强。右图为表面冷作硬化对低右图为表面冷作硬化对低应力磨粒磨损试验时的耐应力磨粒磨损试验时的耐磨性的影响。磨性的影响

40、。由图可见，冷作硬化后，由图可见，冷作硬化后，表层硬度的提高并没有使表层硬度的提高并没有使耐磨性增加，甚至有下降耐磨性增加，甚至有下降的趋势。所以的趋势。所以在低应力磨在低应力磨损时，冷作硬化不能提高损时，冷作硬化不能提高表面的耐磨性表面的耐磨性( (只要在塑只要在塑性变形的过程中组织未发性变形的过程中组织未发生变化生变化) )。 加工硬化的影响：加工硬化的影响： 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

41、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，表面层的机械冷例如，表面层的机械冷作硬化作硬化( (喷丸处理、滚压强化等喷丸处理、滚压强化等) )是提高零件疲劳是提高零件疲劳强度的方法，由于提高了材料的表面硬度，这对强度的方法，由于提高了材料的表面硬度，这对于以于以粘着磨损为主粘着磨损为主的磨损，也能提高摩擦副的相的磨损，也能提高摩擦副的相对耐磨性。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。 对于对于高应力磨粒磨损高应力磨粒磨损曾用球磨机钢球进行

42、了曾用球磨机钢球进行了试验，试验表明，材料在受高应力冲击载荷下，试验，试验表明，材料在受高应力冲击载荷下，表面会受到加工硬化，表面会受到加工硬化，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。 高锰钢的耐磨性也可说明这个问题。此钢淬高锰钢的耐磨性也可说明这个问题。此钢淬火后为软而韧的奥氏体组织，当受低应力磨损时，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，而在高应力磨损的场合，它具它的耐磨性不好，而在高应力磨损的场合，它具有特别高的耐磨性。这是由于奥氏体在塑性变形有特别高的耐磨性。这是由于奥氏体在塑性变形时其加工硬化率很高，同时还因为其时其加工硬

43、化率很高，同时还因为其转变为很硬转变为很硬的马氏体的马氏体。生产实践证明，高锰钢用作碎石机锤。生产实践证明，高锰钢用作碎石机锤头可呈现很好的耐磨性。头可呈现很好的耐磨性。综合和所述综合和所述, 提高钢材硬度的方法有改善合金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。成分、热处理或冷作硬化等三种。而材料抗磨粒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耐磨性与硬度的关系。提高硬度的方法来考虑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料硬度磨料硬度H0与与试件试件材料硬度材料硬

44、度H比值，如图所比值，如图所示的三种不同的磨损状态示的三种不同的磨损状态: :：当磨料硬度低于试件材料：当磨料硬度低于试件材料硬度硬度, , 即即H0 0.7H时，轻微磨时，轻微磨损阶段。损阶段。 ：当磨料硬度超过试件材料硬度后，即：当磨料硬度超过试件材料硬度后，即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。若若H H0 0 H H，在小载荷引起小变形时，氧化膜和基体，在小载荷引起小变形时，氧化膜和基体金属同时变形，氧化磨损小些，若变形量大，则金属同时变形，氧化磨损小些，若变形量大，则氧化膜同样容易破碎，产生磨损。氧化膜同样容易破碎，产生磨损。若若H H0 0

45、与与H H都很高，载荷引起的变形小，氧化膜不易都很高，载荷引起的变形小，氧化膜不易破碎，此时的耐磨性好。破碎，此时的耐磨性好。d.d.介质含氧量的影响介质含氧量的影响介质含氧量会直接影响磨损率。金属在还原性气介质含氧量会直接影响磨损率。金属在还原性气体、惰性气体、纯氧介质中，其磨损量都比在空体、惰性气体、纯氧介质中，其磨损量都比在空气中大。这是因为空气中所形成的氧化膜强度高，气中大。这是因为空气中所形成的氧化膜强度高，与基体金属结合牢固的缘故。与基体金属结合牢固的缘故。e.e.润滑状态的影响润滑状态的影响 用油脂润滑时，油脂除了起减磨作用外，又用油脂润滑时，油脂除了起减磨作用外，又隔绝摩擦表面

46、与空气中氧的直接接触，使氧化膜隔绝摩擦表面与空气中氧的直接接触，使氧化膜的生成速度减缓，但油脂与氧的反应，生成酸性的生成速度减缓，但油脂与氧的反应，生成酸性氧化物，会腐蚀摩擦面。氧化物，会腐蚀摩擦面。 生产中有时利用危害性小的腐蚀磨损以防止生产中有时利用危害性小的腐蚀磨损以防止危害性大的粘着磨损。危害性大的粘着磨损。 如汽车后桥中采用双曲线齿轮传动，由于双如汽车后桥中采用双曲线齿轮传动，由于双曲线齿轮副接触应力较大，极易产生早期粘着磨曲线齿轮副接触应力较大，极易产生早期粘着磨损。为了阻止这种粘着磨损，在润滑中有意加入损。为了阻止这种粘着磨损，在润滑中有意加入腐蚀性极压添加剂腐蚀性极压添加剂，使

47、油膜强度提高，使油膜强度提高，宁可产生宁可产生较低的腐蚀磨损，而避免严重的粘着磨损出现较低的腐蚀磨损，而避免严重的粘着磨损出现。(4)(4)特殊介质腐蚀磨损特殊介质腐蚀磨损: : 对于在化工设备中工作的摩擦副，由于金属表对于在化工设备中工作的摩擦副，由于金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而造面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用而造成的磨损。成的磨损。其腐蚀磨损的机理与氧化磨损相似其腐蚀磨损的机理与氧化磨损相似, , 但但腐蚀磨损速腐蚀磨损速度较快，磨损痕迹较深度较快，磨损痕迹较深, , 磨损量也较大磨损量也较大。磨屑呈颗。磨屑呈颗粒状和丝状粒状和丝状, , 它们是表面金属与周围

48、介质的化合物。它们是表面金属与周围介质的化合物。 此外，金属表面还可能与某些特殊介质作用，此外，金属表面还可能与某些特殊介质作用，而生成耐磨性较好的保护膜。而生成耐磨性较好的保护膜。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着介质腐蚀性的增强而加快磨损率随着介质腐蚀性的增强而加快。钢的钢的磨损率随着温度的升高而增大磨损率随着温度的升高而增大。b.b.合金元素的影响合金元素的影响 有些元素，如有些元素，如镍、铬、钛镍、铬、钛等在特殊介质作用下，等在特殊介质作用下，易形成化学结合力较高、结构致密的易形成化学结合力较高、结构致

49、密的钝化膜钝化膜，从而，从而减轻腐蚀磨损。减轻腐蚀磨损。 钨、钼两金属在钨、钼两金属在500500CC以上，表面生成保护膜以上，表面生成保护膜，使摩擦系数碱小，故钨、钼是使摩擦系数碱小，故钨、钼是抗高温腐蚀磨损的重抗高温腐蚀磨损的重要金属材料要金属材料。此外，由。此外，由碳化钨、碳化钛等组成的硬碳化钨、碳化钛等组成的硬质合金都具有高抗腐蚀磨损能力质合金都具有高抗腐蚀磨损能力。 含含镉、铅等元素的滑动轴承材料镉、铅等元素的滑动轴承材料很容易被润滑很容易被润滑油里的酸性物质腐蚀，在轴承表面上生成黑点，逐油里的酸性物质腐蚀，在轴承表面上生成黑点，逐渐扩展成海绵状空洞，在摩擦过程中成小块剥落。渐扩展成

50、海绵状空洞，在摩擦过程中成小块剥落。 含银、铜等元素的轴承材料含银、铜等元素的轴承材料在在温度不高温度不高时，与油时，与油中硫化物生成硫化物膜，能起减摩作用，但中硫化物生成硫化物膜，能起减摩作用，但高温时高温时膜易破裂，如硫化铜膜，性质硬而脆，极易剥落。膜易破裂，如硫化铜膜，性质硬而脆，极易剥落。 (5)(5)气蚀气蚀: :定义：定义：气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损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伤，通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面。面。气蚀的机理：气蚀的机理： 当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸发压

51、力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。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，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。气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。固体固体表面经受这种冲击力的多次反复作用，材料发生疲劳脱落表面经受这种冲击力的多次反复作用，材料发生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重的气蚀可在使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重的气蚀可在

52、表面形成大片的凹坑，深度可达表面形成大片的凹坑，深度可达20mm20mm。 气蚀的机理是由于冲击应力造成的表面疲劳破坏，但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、液体中含有磨粒等都能加速气液体的化学和电化学作用、液体中含有磨粒等都能加速气蚀的破坏过程。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。 首先应使在液体中运动的首先应使在液体中运动的表面具有流线形表面具有流线形，避免在局部地方出现涡流，因为涡流区压力低避免在局部地方出现涡流，因为涡流区压力低, , 容易产生气泡。此外，应当容易产生气

53、泡。此外，应当减少液体中的含气量减少液体中的含气量和液体流动中的扰动和液体流动中的扰动，也将限制气泡的形成。，也将限制气泡的形成。 选择适当的材料能够提高抗气蚀能力。通常选择适当的材料能够提高抗气蚀能力。通常强度和韧性高的金属材料具有较好的抗气蚀性能强度和韧性高的金属材料具有较好的抗气蚀性能。非金属材料非金属材料如橡胶、尼龙等也如橡胶、尼龙等也是耐气蚀性能较好是耐气蚀性能较好的材料的材料。提高材料的抗腐蚀性也将减少气蚀破坏。提高材料的抗腐蚀性也将减少气蚀破坏。 (6)(6)微动磨损微动磨损定义：定义： 微动磨损是一种典型的微动磨损是一种典型的复合式磨损复合式磨损，它是在，它是在两个表面之间由于

54、两个表面之间由于振幅很小振幅很小(0.25 mm(0.25 mm以下以下) )的相对的相对振动而产生的磨损振动而产生的磨损。如果在微动磨损过程中两个。如果在微动磨损过程中两个表面之间的化学反应起主要作用时，则可称为微表面之间的化学反应起主要作用时，则可称为微动腐蚀磨损。动腐蚀磨损。 通常在静配合的轴与孔表面，某些片式摩擦通常在静配合的轴与孔表面，某些片式摩擦离合器的内、外摩擦片的接合面上，以及一些受离合器的内、外摩擦片的接合面上，以及一些受振动影响的连接体等振动影响的连接体等( (花键、销、螺钉花键、销、螺钉) )的接合面的接合面上，都可能出现微动磨损。上，都可能出现微动磨损。微动磨损的机理：微动磨损的机理： 接触压力使摩擦副表面的凸起部分发生接触压力