第3章 表面摩擦与磨损

1、摩擦学是研究相对运动接触表面的科学与技术，包括摩擦，磨损，润滑三个部分摩擦是自然界里普遍存在的一种现象，只要有相对运动，就一定伴随着摩擦，摩擦的结果往往伴随着材料的损耗（磨损）3.1 3.1 摩擦摩擦3.1.1 3.1.1 摩擦的定义和分类摩擦的定义和分类定义：两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。外摩擦：仅与两物体接触部分的表面相互作用有关内摩擦：阻碍同一物体（如液体或气体）各部分之间相对移动的摩擦摩擦副的运动状态静摩擦动摩擦摩擦副的运动形式滑动摩擦滚动摩擦摩擦副表面的润滑状况摩擦的分类摩擦的分

2、类纯净摩擦干摩擦边界润滑摩擦流体润滑摩擦固体润滑摩擦摩擦副所处的工况条件正常摩擦特殊工况条件下的摩擦3.1.2 摩擦理论摩擦理论1 早期摩擦理论1）摩擦力F与作用于摩擦面间的法向载荷N成正比2）摩擦力的大小与名义接触面积无关3）静摩擦力大于动摩擦力4）摩擦力的方向与滑动速度无关5）摩擦力的方向总是与接触面积间的相对运动速度的方向相反a）对第一定律：摩擦系数不仅与摩擦副材料的性质有关，而且还与许多其他的因素有关，如温度、粗糙度和表面污染情况等。摩擦系数是一个与材料和环境条件有关的综合系数。b）对第二定律：只对有一定屈服点的材料(如金属材料) 才能成立。c）对第三定律：不适用于粘弹性材料。粘弹性材

3、料的静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。d）对第四定律：对于很多材料而言，摩擦系数都与滑动速度有关。2 2 滑动摩擦理论滑动摩擦理论（1）机械齿合理论：摩擦的起因是由于表面上的微小凹凸不平所致两个固体表面接触时，由于表面微小凹凸不平相互齿合，产生了阻碍两固体相对运动的阻力。机械齿合理论只适用于刚性粗糙表面（2）分子作用理论两物体相对滑动时，由于表面存在粗糙度，某些接触点的分子间距离很小而产生分子斥力，而另一些接触点分子间的距离较大而产生分子吸力（3）粘着理论）粘着理论金属表面相互压紧时，它们只在微凸体的顶端接触，由于接触面积很小，微凸体上的压力很高，足以引起塑性变形和牢固粘着，接触点发生冷焊，这种

4、冷焊点在表面相对滑动时而被剪断，这构成了摩擦力的粘着分量，即Fadh=A当较硬材料滑过较软材料表面时，较硬材料表面的微凸体会对软材料表面造成犁削作用，这就构成摩擦力的犁削分量Fpl，因此，总摩擦力为因此，总摩擦力为F=Fadh+Fpl在大多数情况下，犁削分量远小于粘着分量，可忽略不计，因此，摩擦系数为：在大多数情况下，犁削分量远小于粘着分量，可忽略不计，因此，摩擦系数为： = Fadh/F A/HA = /HF为法向载荷，为法向载荷，H为材料的压入硬度为材料的压入硬度RFF03.1.3 3.1.3 影响摩擦的因素影响摩擦的因素 摩擦大小通常用摩擦系数来表征，摩擦系数受材料本身、接触面积、工作环

5、境和介质等因素的影响。可分为两类：材料本身因素和摩擦系统因素1 1 材料性能材料性能 当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，则摩擦较严重 材料的弹性模量越高，摩擦系数越低 材料的晶粒越细，强度与硬度越高，抗塑性变形能量越强，摩擦系数也就越低 摩擦副的表面越粗糙，则摩擦系数越高2 2 接点长大：接点长大： 摩擦副滑动时由于有切向力的作用，材料的屈服实际是由法向载荷造成的压应力与切向载荷造成的切应力合成作用的结果。 当切应力逐渐增大到材料的抗剪屈服强度时，粘着结点发生塑性流动，这种塑性流动使接触面积增大，造成摩擦系数的增高。 滚动摩擦产生的粘着接点分离时，方向是

6、垂直于界面的，因此没有接点增大的现象。3 3 摩擦环境摩擦环境 载荷增大或滑动速度改变时，摩擦热会对摩擦副产生影响，摩擦系数常会发生变化 表面膜对摩擦系数影响很大，只要能起到润滑剂的作用，就会减轻粘着，降低摩擦系数3.2 3.2 磨损磨损摩擦伴随的必然结果是磨损的发生。3.2.1 3.2.1 磨损的定义和分类磨损的定义和分类1 1 定义：定义： 任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象，称为磨损。 磨损造成的损失是十分惊人的。在机械零件的三种主要失效方式（磨损、腐蚀、断裂）中，磨损失 效占60%80%。 材料的磨损不是简单的力学过程，而是物理、力学和化学过程的复杂综合。2 2 磨损

7、的分类磨损的分类（1）根据不同的磨损机理，可分为以下四个主要类别1）粘着磨损（Adhesive Wear）2）磨料磨损（Abrasive Wear）3）表面疲劳磨损（Surface Fatigue Wear）4）腐蚀磨损（Corrosive Wear）（2）应注意事项1）磨损并不局限于机械作用，还包括由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损；由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损；以及由于伴同热效应而造成的热磨损等2）特别强调磨损是在相对运动中所产生的现象3）磨损发生在运动物体材料表面，其它非表面材料的损失或破坏，不包括在磨损范围内4）磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移，

8、破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。3.2.3 3.2.3 粘着磨损粘着磨损1 定义及分类 粘着磨损实际上是相互接触表面上的微凸体不断地形成粘着结点和结点断裂形成磨屑而导致摩擦表面破坏的过程根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损分为：1）轻微磨损2）涂抹3）擦伤（胶合或咬合）4）撕脱（或咬焊）5）咬死2 2 粘着磨损的模型与机理粘着磨损的模型与机理 由于峰点上的结点体积比接触峰的体积小得多， 当覆盖在峰上的表面膜遭到破坏后，峰顶产生粘着， 随后的滑动使接触点分离，结点剪断。这种粘着、剪 切、再粘着的交替过程就形成了粘着磨损。1953年Archard提出，假设单位面积上有n个凸起， 在压力

9、W的作用下发生粘着，每个粘着点的半径为a。并假定粘着点处的材料处于屈服状态，其压缩屈服极限为s。则承受的总载荷为：相对运动使粘着点分离时，一部分粘着点从软方材料中拉出半径为a的半球，其磨损体积为( (2/3)2/3)a3 。考虑到并非所有的粘结点都能发生破坏，形成磨屑。引入粘结点发 生迁移破坏的几率（或粘着磨损常数）为k，于是当滑动位移为2a时，单位位移产生的体积磨损量为：假定屈服极限s与材料的硬度H相等，则有滑动行程为L时的粘着磨损体积为：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

10、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y y( (或硬度或硬度H H) )成反比成反比另外，需要说明的是在所有的粘着结点中只有极少数发生磨损，而大部分粘结点不产生磨屑，即几率k 值远小于1。3粘着磨损的影响因素(a) 材料组织与性能（内因）（1）点阵结构：体心立方和面心立方结构的金属发生粘着磨损的倾向高于密排六方结构。（2）材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘着倾向越大。（3）组织结构：单晶体的粘着性大于多晶体；单相金属的粘着性大于多相合金；固溶体比化合物粘着倾 向大。材料的晶粒尺寸越小，粘着磨损量越小。（4）塑性

11、材料比脆性材料易于粘着；金属/金属组成的摩擦副比金属/非金属的摩擦副易于粘着。（b）工作环境（外因）（1）在摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的增大而增加。一般情况下，应小于硬度的1/3。（2）在接触压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度的增加而增加，但达到某一极大值后，又随滑动 速度的增加而减小。（3）降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力；但粗糙度过低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促进 粘着。（4）提高温度和滑动速度，粘着磨损量增加。（5）良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。根据以上分析，粘着时的接触状态及接触变形过程都影响着粘着磨损。粘着及断裂的联合作用，是粘着磨损颗粒脱离本体的主要原因

12、。4 4 常见的粘着磨损常见的粘着磨损（1）轻微磨损：轻微磨损往往出现在摩擦初期的比较洁净的金属表面上轻微磨损的程度决定于载荷和速度轻微磨损时，粘接点的强度比两个基体金属的强度都弱。因此，剪切破坏产生在粘接点上端，金属表面材料的转移很轻微（2）涂抹：当较软金属的剪切强度小于界面强度时， 剪切断裂发生在较软金属的浅表层内，材料从软金属 表面上脱落，又粘附(涂敷)在硬金属的表面上。产生涂抹时，粘结点的强度大于软金属的抗剪强度（3）擦伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时， 剪切断裂发生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面 的粘着物，在摩擦表面的滑动方向上将软材料的表面划伤，形成细而浅的划痕，使摩擦

13、表面破坏。（4）划伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时， 摩擦表面上形成的粘着物使另一摩擦表面沿滑动方向 产生较深的划痕。（5）胶合：在滑动表面之间，由于固相焊合产生局部破坏，但尚未出现局部熔焊的现象，称为胶合（6）当摩擦表面形成牢固的焊结结点时，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，使摩擦副双方没有相对滑动。粘着磨损的共同特征是，出现材料迁移以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。提高抗粘着磨损能力的措施（a）首先要注意摩擦副配对材料的选择。互溶性小、非同种材料等（b）采用表面处理工艺（氮化、渗碳等），可提高摩擦表面的抗粘着能力，有效地阻止材料的粘着。（c）控制摩擦滑

14、动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。3.2.4 3.2.4 磨料磨损（磨粒磨损）磨料磨损（磨粒磨损）1 磨粒磨损(Abrasive Wear)的概念与分类 * 概念: 硬的磨(颗)粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中，使表面材料发生的损耗。 磨粒磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和水平分力，前者使硬质点压入材料表面，而后者使 硬质点与表面之间产生相对位移。其结果使被磨损表 面产生犁皱或切屑，形成磨损或沟槽。两体和三体磨粒磨损示意图* * 分类分类: :a）按接触条件或磨损表面数量分：（1）两体磨粒磨损：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。（2）三体磨粒磨损：

15、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。b）按力的作用特点分为：（1）低应力划伤式磨粒磨损：磨粒作用于表面的应力不超过磨料的压碎强度，材料表面为轻微划伤。（2）高应力碾碎式磨粒磨损：磨粒与材料表面接触处的最大压应力大于磨料的压碎强度，磨粒不断被碾 碎，如球磨机衬板与磨球等。（3）凿削式磨粒磨损：磨粒对材料表面有高应力冲击式的运动，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。c）按材料的相对硬度分为：（1）软磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比大于0.8。（2）硬磨粒磨损：材料硬度与磨粒硬度之比小于0.8。d）按工作环境可分为：（

16、1）普通型磨粒磨损：正常条件下。（2）腐蚀磨粒磨损：腐蚀介质中（3）高温磨粒磨损：高温下。2 2 磨粒磨损的模型与机理磨粒磨损的模型与机理(a) 磨料磨损简化模型1966年Rabinowicz以两体磨粒磨损为例，估算出以切削作用为主的磨粒磨损量。（1）磨粒磨损中的颗粒为圆锥体；（2）被磨材料为不产生任何变形的刚体；（3）磨损过程为滑动过程。经磨粒磨损后磨损掉的材料体积，即被迁移的沟槽体积(阴影部分)为：式中，V磨损体积；r为磨粒圆锥体半径；x为颗粒压入材料的深度；L为滑动距离；为磨粒圆锥体夹角磨粒磨损的简化模型若材料的硬度H等于载荷与压痕投影面积之比，即则有：式中，W法向载荷；H金属材料的硬度

17、。表明在一定磨粒条件下，磨损表明在一定磨粒条件下，磨损体积与所加的载荷成正比，而与材料的硬度成反比。体积与所加的载荷成正比，而与材料的硬度成反比。(b) 磨料磨损机理（1）微观切削磨损机理：在法向力下，磨粒压入表面；而切向力使磨粒向前推进；磨粒如同刀具一 样，在表面进行切削而形成切屑。（2）多次塑变磨损机理：犁沟-犁皱-反复塑性变形，最后因材料产生加工硬化或其它强化作用最终 剥落而成为磨屑。（3）微观断裂(剥落)磨损机理：磨粒与脆性材料表面接触时，材料表面因受到磨粒的压入而形成裂 纹，当裂纹互相交叉或扩展到表面上时就发生剥落 形成磨屑；断裂机制造成的材料损失率最大。（4）疲劳磨损机理：摩擦表面

18、在磨粒产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。在实际磨粒磨损过程中，往往有几种机制同时存在，但以某一种机制为主。当工作条件发生变化 时，磨损机制也随之变化。3 3 磨粒磨损的影响因素磨粒磨损的影响因素 (a) 材料性能* 硬度：一般情况下，材料硬度越高，其抗磨粒磨损能力也越高。（1）对纯金属和各种成分未经热处理的钢，耐磨性与材料的硬度成正比。（2）对经过热处理的钢，其耐磨性也与硬度成线性关系，但直线的斜率比纯金属为小。（3）通过塑性变形虽能使钢材加工硬化、提高钢的硬度，但不能改善其抗磨粒磨损的能力。磨粒磨损中的相对耐磨性与材料硬度的关系* 断裂韧性断裂韧性也会影响材料的磨粒磨损性能。

19、耐磨性、硬度和断裂韧性的关系示意图* 显微组织马氏体的耐磨性最好，铁素体因硬度太低，耐磨性最差。* 钢中碳化物：在软基体中碳化物数量增加，弥散度增加，耐磨性也提高；但在硬基体(即基体硬度与碳化物硬度相近)中，碳化物反而损害材料的耐磨性。(b) 磨粒性能磨粒硬度磨损体积与硬度比H0 /H（磨粒硬度H0与材料硬度H之比）的关系，如图所示。两个转折点为0.71.1和1.31.7。* 磨粒尺寸在磨料磨损过程中，磨粒大小对耐磨性的影响， 存在一个临界尺寸。如图* 磨粒形状尖锐磨粒造成的磨损量高于同样条件下的多角型和圆型磨粒产生的磨损量。(c) 工作条件：磨损量常与载荷和滑动距离成线性关系。4 4 改善抗

20、磨粒磨损能力的措施改善抗磨粒磨损能力的措施 a) 对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增加材料的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损，应提高 材料的韧性。 b) 根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的低应力)，合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳调质钢)。 c) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度，也能有效地改善材料的磨粒磨损性能。3.2.5 3.2.5 表面疲劳磨损表面疲劳磨损1 1 定义及分类定义及分类* 定义：由于交变应力使表面材料疲劳而产生物质的转移称为疲劳磨损，有时也称为接触点疲劳或点蚀。* 分类：按剥落裂纹的起始位置及形态分为：a) 麻点剥落(点蚀)：深度在0.2mm以下的小

21、块剥落， 常呈针状或痘状凹坑，截面呈不对称V形。b) 浅层剥落: 深度一般为0.20.4mm，剥块底部大致和表面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。c) 深层剥落(表面压碎): 深度和表面强化层深度相当， 裂纹走向与表面垂直。2 疲劳磨损机理a) 麻点剥落(点蚀) 裂纹起源于表面，剥落层深度在0.10.2mm，从表面看麻点是针状和豆状凹坑，截面是不对称的V型。 在滚动接触过程中，由于表面最大综合切应力反复作用在表层局部区域，若材料的抗剪屈服强度 较低，则将在该处产生塑性变形，同时还伴有形变 强化。由于损伤逐步累积，直到表面最大综合切应 力超过材料的抗剪强度时，就在表层形成裂纹。 在纯滚动条件下，

22、裂纹扩展方向与max 方向(45倾角)一致；麻点剥落形成过程示意图(a) 初始裂纹形成；(b) 初始裂纹扩展；(c) 二次裂纹形成；(d) 二次裂纹扩展；(e) 形成磨屑；(f) 锯齿形表面b）浅层剥落 裂纹起源于亚表面，剥落层深度一般约0.20.4 mm，它和最大剪应力max 所在深度0.786b相当，其底部大致和表面平行，而其侧面的一侧与表面约成 450，另一侧垂直于表面。 这种剥落常发生在机件表面粗糙度低、相对摩擦力小的场合。浅层剥落过程示意图(a) 在0.786b处形成交变塑性区；(b) 形成裂纹；(c) 裂纹扩展剥落c）深层剥落(硬化层剥落或压碎性剥落)经表面强化处理的零件，其疲劳磨

23、损裂纹往往起源于硬化层与心部的交界处。裂纹形成后，先平行表 面扩展，即沿过渡区扩展，而后垂直于表面扩展，最 后形成较深的剥落坑。深层剥落过程示意图(a) 在过渡区形成塑性变形；(b) 在过渡区产生裂纹；(c) 形成大块剥落3 3 疲劳磨损的影响因素疲劳磨损的影响因素a）工作条件（1）载荷：轴承的寿命与载荷的立方成反比；（2）温度：温度升高，接触疲劳磨损加剧；（3）环境：腐蚀介质会加速材料的接触疲劳磨损。b）材料性能（1）冶金质量：减少夹杂物的含量;（2）表面粗糙度：降低粗糙度;（3）材料的硬度匹配：两摩擦副的硬度相近；（4）热处理组织3.2.6 3.2.6 磨损腐蚀磨损腐蚀 磨损腐蚀是指在磨损

24、过程中物体表面与周围环境的化学或电化学反应起主要作用时的磨损现象 磨损腐蚀有以下几种类型1 氧化磨损 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与基体的结合强度和氧化速度。 当材料的表面氧化膜是脆性时，由于其与基体结合强度较差，很容易在摩擦过程中被除去；或者 由于氧化膜的生成速度低于磨损率时，所以它们的 磨损量较大。 当氧化膜的韧性较高时，由于其与基体的结合强度高，或者氧化速度高于磨损率，此时氧化膜能 起减摩耐磨作用，氧化磨损量较小。2 特殊介质腐蚀磨损 特殊介质中的化学腐蚀磨损是指摩擦副工作在除氧以外的其它介质中，并和它们发生作用形成各种不同 的产物，又在摩擦中被除去的过程。 它的磨损过程和氧化磨损过程十分相似，腐蚀与磨损相互加速，从而使材料的磨损速度较大。若形成 保护膜，则可使腐蚀磨损速度减小。3 气蚀浸蚀磨损 气蚀浸蚀磨损是因为在液体中的气蚀现象而产生的一种磨损 气蚀浸蚀不是流体浸蚀。流体浸蚀是液体、气体或气体中包含液粒的流动作用而产生的磨损。流体浸蚀不包括气蚀现象。 浸蚀是指物体表面与含有固体颗粒的液体相接触并有相对运动时，使物体表面产生磨损的现象。4 微动磨损a ）微动磨损的概