摩擦学设计之第4章：磨损

摩擦学设计第四章磨损（Wear）

4.1.概述磨损是人们极其关注的问题，这是因为磨损所造成的损失十分惊人。据统计，机械零件的失效报废主要有三种形式：磨损、断裂和腐蚀。其中大约有60～80%是由磨损所造成的。因而，研究磨损的机理和提高耐磨性的措施，可以有效地节约材料和能源，提高机械设备的使用性能和寿命，减少维修费用。在大多数情况下，磨损是一种极其有害的现象。它使得接触表面破坏、间隙增大、精度降低、效率下降、引起振动等现象。人们千方百计地防止和降低磨损。然而，在某些情况下它又是有益的，人们要利用磨损。比如说，新机器在正常工作前的磨合，许多成型加工、机床刀具的磨利、精致工艺品的制做等等，都是利用磨损的原理来实现的。4.1.1.磨损的定义和分类一、磨损的定义磨损是工业领域和日常生活中常见的一种现象，是摩擦过程的必然结果，是造成材料和能源损失的一个重要原因。在工程材料的三大破坏形式中，断裂是“暴发性急病”，人们对它一直十分重视，研究的比较多；而磨损是“慢性病”，在过去相当长的时间内被人们所忽视，研究起步较晚。同时，由于磨损是伴随摩擦过程而发生在摩擦界面上的一种复杂现象，涉及内容广泛、综合性，许多理论还不成熟和完善。因此，现在还难以给磨损下一个科学的定义。根据目前磨损理论的研究与发展状况，把磨损定义为：磨损是指相互作用的物体表面在相对运动中，接触表面层内材料发生转移和损耗的过程。4.1.1.磨损的定义和分类二、磨损的分类依据近代对磨损的认识，可把磨损分为六种类型：(1)、粘着磨损（Adhesivewear）(2)、磨粒磨损（Abrasivewear）(3)、疲劳磨损（Fatiguewear）(4)、腐蚀磨损（Corrosivewear）或摩擦-化学磨损（Tribo-chemicalwear）(5)、微动磨损（Frettingwear）(6)、冲蚀磨损（Erosivewear）或侵蚀磨损然而，实际的磨损现象大多数都是几种磨损形式同时存在，或磨损状态随着工况条件的变化而转化。因此，在分析和处理磨损问题时，必须善于抓住主要的磨损类型，或着眼于主要的磨损过程，才能采取有效的减磨措施。4.1.2磨损过程的特性机械零件从出厂使用到破坏失效，整个磨损过程可分为三个阶段，图4-1表示典型的磨损过程曲线，磨损过程可分为三个阶段。ⅠⅢⅡT0时间／t磨损量Hα图2－１磨损过程曲线4.1.2磨损过程的特性１．磨合阶段（图4－1中Ⅰ区）磨合是磨损过程的非均匀阶段，在整个磨损过程中所占比例很小，其特征是磨损率dH／dL很大(H为磨损量，L为摩擦距离)，但是，随着接合程度的改善而减小。在磨合阶段，由于新摩擦副粗糙表面的真实接触面积很小，应力很高，磨损很快。在良好的工作条件下，经过一段时间或经过一定摩擦距离以后，表面逐渐磨平，表面粗糙度减小，逐渐过渡到稳定磨损阶段。ⅠⅢⅡT0磨损量Hα图2－１磨损过程曲线时间／t4.1.2磨损过程的特性２．稳定磨损阶段（图4－1中Ⅱ区）稳定磨损属正常磨损阶段，其磨率dH/dL为一常量。该阶段在整个磨损过程中所占比例越大，则表明设备寿命越长。ⅠⅢⅡT0磨损量Hα时间／t图2－１磨损过程曲线4.1.2磨损过程的特性３．事故磨损阶段（图4－1中Ⅲ区）在稳定工作达到一定时间后，由于磨损量的积累，或者由于偶然的外来因素(工况变化)的影响，在短期内，使摩擦副的摩擦系数增大,磨损率急聚升高,或严重发热、产生异常噪音等现象，致使摩擦副的零件迅速失效。ⅠⅢⅡT0磨损量Hα时间／t图2－１磨损过程曲线4.1.2磨损过程的特性磨合过程是一个有利的过程，其结果为以后机器的正常运转创造了条件。磨合过程是机械设备必经的过程，润滑工况选择合适，可以缩短磨合过程。磨合完成后，进入稳定磨损阶段以前应重新更换润滑剂。从上述磨损过程的变化可以看出，要提高机械设备的使用寿命，就必须尽可能延长正常磨损阶段，这一过程越长越好。前提是制订合理而科学的磨合程序。关键在于按照规程对机器进行及时的维修保养。4.1.2磨损过程的特性在不同的摩擦副中，上述三个阶段在整个摩擦过程中所占的比例不完全相同，任何摩副都要经过上述三个过程，只是程度上和经历的时间上有所区别。图2－2几种不同工况下的磨损过程曲线4.2.粘着磨损粘着磨损是一种常见的磨损形式。一般发生在干摩擦或边界摩擦表面上。如汽车、拖拉机、机床、飞机及宇航器中的许多零件都会发生粘着磨损。刀具、模具、铁轨等的失效都与粘着磨损有关。例如在航空发动机中有30％的零件发生粘着磨损；柴油机中则有65％的零件是在粘着磨损的条件下工作。由于太空缺氧，如何解决宇航器中相对运动零件接触表面的粘着问题，一度成为第一颗人造卫星所要解决的一大难题。4.2.1.粘着磨损的机理粘着磨损是指在摩擦过程中，由于粘着结点的剪切作用，使摩擦表面的材料从一个表面脱落或转移到另一个表面的磨损现象。当相对滑动表面在摩擦力的作用下，表层发生塑性变形时，表面的润滑膜、氧化膜被破坏，产生瞬时高温，裸露出的新鲜表面发生固相焊合，形成粘着结点。当外力小于粘着结点的结合力时，便发生咬死现象；外力大于结合力时，便发生粘着结点的剪切断裂。若剪切发生在粘着结点分界面上，那么就不发生磨损（称为零磨损）；若剪切断裂发生在强度较低的一方，此时，强度较高的一方的表面上将粘附有较软一方的材料，这种现象即称为“材料转移”。在以后的摩擦过程中，由于摩擦和碰撞作用，附着物就会从强度较高的表面脱落下来，变成磨损产物—磨屑。粘着磨损的磨屑多为片状颗粒。4.2.1.粘着磨损的机理对于粘着磨损起因的认识有几种不同的观点:鲍顿(Bowden)等认为粘着磨损是由于接触峰点的塑性变形和瞬时高温使材料熔化或软化而产生的焊合形成的；赫鲁绍夫(xру－шов)认为是冷焊作用，即在未达到熔化温度时就可能形成粘着结点；霍姆(Holm)在五十年代提出了摩擦面上的原子转移是形成粘着结点的原因；舍门诺夫(СемновА．П)提出了粘着过程的能量假说，认为原子或离子的能量如果超过了一定的能级坎,就会发生粘着。上述各种观点从不同角度解释了粘着磨损的机理，构成粘着磨损的理论基础。4.2.2.粘着磨损的类型按照粘着结点剪切断裂的部位，可以把粘着磨损分为以下几种类型：１．轻微磨损当粘着结点的界面强度小于两材料基体的强度时，剪切发生在粘着结点的界面上，材料转移十分轻微，甚至不产生材料的转移表面，称为轻微磨损或零磨损。磨合过程大多数都属于这种类型的粘着磨损。２．涂抹当粘着结点的界面强度大于较软材料的强度时，剪切破坏生在软材料的浅表层内，材料从软材料表面上脱落，又粘附在硬材料的表面上，称为涂抹。如铜基轴瓦和钢轴颈相互摩擦时，就会出现涂抹型的粘着磨损。4.2.2.粘着磨损的类型３．擦伤或刮伤当粘着结点的界面强度大于两基体材料的强度时，剪切破坏发生在软材料的亚表层内，粘附在硬材料表面上的粘着物，沿滑动方向将软材料划伤，形成划痕。划痕细而浅的为擦伤；划痕较深的为刮伤。刮伤的破坏程度比擦伤严重,但两者并没有明显的定量界限。４．胶合当粘着结点的界面强度远大于两基体材料的强度时，剪切破坏发生在软材料或两者的深表层内，摩擦表面形成较深的划痕和凹坑的现象，称为胶合。4.2.2.粘着磨损的类型胶合是擦伤和撕脱联合作用的结果。当摩擦表面温度出现瞬时高温而发生局部熔化，形成固相热焊后在切向力作用下使较软材料从表面撕裂，形成凹坑。以塑性变形冷焊引起的粘着磨损为第一类胶合；以表面高温造成热焊引起的粘着磨损为第二类胶合；前者与刮伤相似，又称为机械破坏磨损。后者也称为热粘着，又称为熔化磨损。５．咬死当摩擦表面上形成大面积、牢固的粘着结点时，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，称为咬死。咬死是最严重的粘着磨损形式，根本原因是粘着。4.2.3.粘着磨损方程粘着磨损模型是由阿查德(1953年)提出的。当表面处于塑性状态时每个粘着接点的半径为a，承受的载荷为w=πa2σs，若摩擦过程中有n个粘结点，则承受总载荷W为：W=n

w=nπa2σs图4－2粘着磨损模型图中所示移动距离2a后，移出的材料为底面半径等于a的半球体，其体积为：，ｎ个结点移开的总体积为：

(４-１)

由式(4-1)整理后代入式(4-2)得：(４-2)

4.2.3.粘着磨损方程在滑动距离2a上的单位磨损体积为：考虑到真实接触面积只占名义面积的很小的一部分，而且在一次滑动中也并非所有结点都形成磨屑而脱落，故引入粘着磨损系数Kad，式4-3变为：(４-4)

(４-3)

式中：σs－较软材料的屈服极限；

Kad是一个远小于1的系数,表示粘着结点形成磨屑的概率。通常，在润滑良好时、表面塑性变形大的条件下发生第一类胶合。在滑动速度高、表面应力高、温升明鲜的条件下发生第二类胶合。4.2.4.粘着磨损的影响因素

及提高摩擦副抗粘着能力的措施一、影响因素影响粘着磨损的因素除润滑条件之外，影响粘着磨损的主要因素是载荷、表面温度和材料的性质。１．表面载荷增加使摩擦表面上的实际接触压力增大，磨损量增加。当接触压力达到某一临界值，即W≥HB/3值时，磨损率将急剧增大，经过一段时间后就会发生胶合。这个载荷称为临界载荷，而且根据实验发现各种材料的临界载荷值随滑动速度增加而降低。这说明温度对胶合的发生起着重要作用。２．表面温度摩擦过程中产生的热量使表面温度升高，在表面接触点附近形成半球形的等温面，而等温面的大小决定了磨粒的大小，如图4－4所示。4.2.4.粘着磨损的影响因素

及提高摩擦副抗粘着能力的措施

图4－4表面等温线图4－5温度分布粘着结点在摩擦过程中，按某一等温面剪切破坏，表面温度越高，这个等温面就越靠近材料的内部，所形成的磨屑就越大。表面温度特性对于粘着磨损影响很大。一方面表面温度可使润滑膜失效，另一方面金属材料的硬度随着温度的升高而降低，这些都会使摩擦表面的粘着能力增强，磨损加剧。4.2.4.粘着磨损的影响因素

及提高摩擦副抗粘着能力的措施3.摩擦副材料研究表明：塑性材料形成的粘着结点的破坏以塑性流动为主，它发生在离表面一定深度处，磨屑较大，有时长达3ｍｍ，厚度达0.2ｍｍ。而脆性材料粘结点的破坏主要是剥落，损伤深度较浅，同时磨屑容易脱落，不堆积在表面上。根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，而塑性材料的破坏决定于剪切应力。而表面接触中的最大正应力作用在表面，最大剪切应力却出现在离表面一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重，脆性材料抗粘着磨损的能力比塑性材料高。相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。异性金属或者互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损能力较高。而金属和非金属材料组成的摩擦副抗粘着能力高于异种金属组成的摩擦副。从材料的组成结构而论，多相金属的抗粘着磨损能力高。4.2.4.粘着磨损的影响因素

及提高摩擦副抗粘着能力的措施二、提高摩擦副抗粘着能力的措施１．合理选择摩擦副材料为了避免和减轻粘着磨损，摩擦副宜选用互溶性小的金属。在抗粘着能力方面，多相金属优于单相金属，脆性材料发生粘着破坏的深度较浅，非金属（如高分子材料、有机复合材料、陶瓷等）不易与金属发生粘着。因此，在条件允许的情况下，应尽可能选用具有多相组织的金属或非金属材料与金属配对组成摩擦副。２．采用表面处理工艺表面氮化、渗硫、电镀、表面喷涂或采用非金属涂层，可提高摩擦表面抗粘着特性,有效地阻止金属材料的粘着。目前纳米复合耐磨涂层技术日渐成熟，为机械零件的表面耐磨处理提供广阔的空间。4.2.4.粘着磨损的影响因素

及提高摩擦副抗粘着能力的措施３．减小摩擦热控制PV值,或加强摩擦表面的冷却(如钻机刹车副摩擦表面的水冷)，以消除产生粘着磨损的各种条件。４．在润滑剂中加油性添加剂或极压添加剂油性添加剂可提高润滑油膜在金属表面上的吸附能力，保持良好的边界润滑状态。极压添加剂可分解出硫、磷、氯等活性元素，并与金属表面起化学反应形成化学反应膜，从而有效地防止或减轻金属表面的粘着。现在国内外正在进行纳米润滑添加剂技术与应用研究，这是改善润滑剂的性能、提高抗粘着磨损能力的新方向。4.3.磨粒磨损4.3.1.定义在摩擦过程中，由于外界硬颗粒或摩擦表面上硬的微凸体引起表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。这个定义包括两种情况：一是游离的坚硬粒子在摩擦表面上（或两摩擦面之间）引起表层材料的脱落；二是粗糙而坚硬的摩擦面在较软表面上运动引起表层材料的脱落。这种情况有两个必要条件：一是组成摩擦副的两个表面必须是一软一硬；二是硬表面必须是粗糙的。磨粒磨损是最常见、最普通的一种磨损形式。据统计，因磨粒磨损而形成的损失，占整个工业范围内磨损损失的50％。在农业机械、工程机械、矿山机械、建筑机械和石油机械中许多机械零件，与泥砂、矿石或灰渣等直接摩擦，都会发生不同形式的磨粒磨损。4.3.2.分类关于磨粒磨损的分类有许多种，根据磨损体的相对位置分类，形象、直观，也容易理解。如图4－7所示为二体(a)及三体(b)磨粒磨损示意图。图47

二体（a）、三体（b）磨粒磨损示意图aba4.3.2.分类1.)二体磨粒磨损：是磨粒沿一个固体表面相对运动引起表层材料脱落的现象。二体磨粒磨损又分三种情况：①自由松散的磨粒沿一个固体表面相对运动；②在摩擦副中，硬表面上的微凸体使软表面擦伤或微切削；③自由松散的磨粒以一定的速度和角度作用于固体表面。前两种情况是低应力擦伤磨粒磨损，如犁铧，运输槽板、泥浆旋流分离器等等。这时磨粒作用于表面的应力不超过磨粒的压溃强度，从而使摩擦表面产生擦伤或轻微的切削痕迹。后一种情况是凿削式磨粒磨损。如挖掘机的斗齿，破碎机锤头等零件的表面破坏。在这种情况下，磨粒对材料表面产生高应力碰撞，使金属表面磨出较深的沟槽，并从材料表面凿削下大颗粒的材料。4.3.2.分类2.)三体磨粒磨损是指在摩擦过程中，存在于摩擦界面间的外界硬颗粒引起表层材料剥落的现象。三体磨粒磨损属于高应力辗碎式磨粒磨损。外界硬颗粒主要来源于两个方面：一是大气中的灰沙和尘埃；二是由其它磨损形式产生的磨屑。如球磨机衬板与钢球，轧碎机滚筒等零件的表面破坏。4.3.3.磨损机理磨粒磨损的机理有三种观点：①微观切削法向载荷将磨粒压入摩擦表面，在相对运动中，磨粒对材料进行微观切削，使之发生塑性流动，并形成沟槽状磨痕。②挤压剥落磨粒在法向载荷的作用下压入摩擦表面形成压痕，将材料挤压出层状或鳞片状磨屑。③疲劳破坏摩擦表面在磨粒产生的交变接触应力作用下,表层材料由于疲劳而剥落。总的来说，磨粒磨损机理是属于磨粒的机械作用。这种机械作用在很大程度上与磨粒的形状、尺寸大小、固定的程度以及载荷作用下磨粒与被磨表面的机械性能有关。4.3.3.磨损方程图4－8磨粒磨损简化模型4.3.3.磨损方程图4－8为磨粒磨损简化模型。两摩擦表面其中一个是由一系列具有半角为θ的硬圆锥形微凸体所组成，而另一表面是由较软而平坦的材料构成。设一微凸体在软表面上划出一条痕迹，在移动一个单位距离时，其转移的材料体积为rh。由于h=r×ctgθ，因此，一个微凸体在单位移动距离内转移的材料体积为r2ctgθ。图4－8磨粒磨损简化模型4.3.3.磨损方程假设：材料在法向载荷作用下屈服，则每个微凸体支承的载荷为πr2σs/2，σs是软材料的屈服压力。如果有n个微凸体进入接触，总的法向载荷为：单位移动距离内材料的总转移体积为

将上式联立消去n后便得：

(４-５)4.3.3.磨损方程上式是根据极其简单的模型推导出来的，对于微凸体的高度和形状的分布都简化了。如果以Ｈ代替σs，以Ｋab＝2ctgθ/π代入，则(4-5)式可变为：

(4-6)式中：H－软材料的硬度；Ｋab

－磨粒磨损系数。从(4-5)和(4-6)式可以看出，磨粒磨损与粘着磨损有一些相似之处，即磨损率Rv与载荷W成正比，与软材料屈服压力或硬度H成反比。因而(4-6)式可作为定性分析磨粒磨损时的参考。(4-6)式是根据二体磨粒磨损推导出来的。这一形式的方程也适用于松散磨粒使磨擦表面产生磨损，对三体磨粒磨损情况也同样适用，只是Ｋab值较低，这是由于在这种情况下许多微粒往往是滚动而不是滑动。当磨粒磨损进行一段时间后，硬微凸体或破碎微粒将在一定程度上变钝，因此磨损率就会降低。但是，脆性材料的磨粒碎裂后，磨粒的边缘变得锐利，因而磨损率又会提高。４.3.4磨粒磨损的影响因素影响磨粒磨损的因素除了摩擦副的工况条件和磨粒磨损的类型（两体磨损和三体磨损）之外，还有金属材料的硬度以及磨粒的硬度与尺寸。１．金属材料的硬度在一般情况下，金属材料的硬度或金属的含碳量越高，其耐磨性也越高。长期在低应力下工作的零件，宜选用硬度较高的钢。而在高应力或冲击作用下工作的零件，则应选用韧性好、冷作硬化的钢。实践证明，零件工作表面的磨损性能往往比原设计的硬度还要高。例如，当工作应力高到足以在表面形成冷硬层时，锰钢的耐磨性反而比工作应力低时更高。所以，应当考虑到零件磨损时产生的实际最大硬度，而不仅是零件工作表面原有的硬度。４.3.4磨粒磨损的影响因素2．磨粒硬度根据磨粒硬度Ha和金属本体硬度Hm之间的关系，可将磨粒硬度对磨损的影响分为三个区间（图4-9)。在Ⅰ区，当Ha

＜0.7Hm时，不产生磨粒磨损；在Ⅱ区，磨损随磨粒硬度的增高而加剧；在Ⅲ区，磨损量不再受磨粒硬度的影响。研究表明，要改善材料抗磨粒磨损的性能，应提高基体硬度。但是，如果Hm超过1.3Ha时，抗磨粒磨损的性能将不会得到更进一步的改善。因而可以把Hm＝1.3Ha作为低磨损率的判据图4-9磨粒硬度对磨损的影响Ⅰ一低磨损区Ha

＜0.7Hm；Ⅱ一磨损转化区Ha≈0.7Hm；Ⅲ一高磨损区Ha＞0.7Hm；４.3.4磨粒磨损的影响因素3．磨粒尺寸通常，金属的磨粒磨损会随着磨粒尺寸的增大而加剧，这可能是由于磨粒的微切削深度增大所致。但磨粒尺寸增大到某个临界值以后，磨损量保持不变。可以认为，此时磨粒尺寸增大使其接触应力下降（当法向载荷保持不变时），因而磨粒的微切削深度不再增加。磨粒尺寸的临界值随着金属材料的不同而变化，对于A3和45号钢，这个值约为９０～１００μm。图4-4A3和45#钢磨粒尺寸的临界值4.4.疲劳磨损4.4.1.定义疲劳磨损是指摩擦表面在交变载荷的作用，表层材料由于疲劳而局部剥落，形成麻点或凹坑的现象。疲劳裂纹一般是在固体有缺陷的地方最先出现。这些缺陷可能是机械加工时的毛病(如擦伤)或材料在冶金过程中造成的缺陷（如气孔，夹杂物等）。裂纹还可以在金属相之间和晶界之间形成。与粘着磨损和磨粒磨损不同，疲劳磨损无论摩擦表面是否直接接触都是不可避免的。通常，齿轮副、滚动轴承、钢轨与轮箍及凸轮副等零件比较容易出现疲劳磨损。4.4.2.类型疲劳磨损可分为两大类：（一）点蚀（Pitting）—非扩展性的表面疲劳磨损特点是：摩擦表面形成麻点状凹坑，磨屑为扇形颗粒。原因是：摩擦表面上存在的刀痕、碰伤、腐蚀或其它磨损痕迹，成为应力集中源，在交变应力作用下这些痕点区域的材料首先发生疲劳而脱落，使摩擦表面形成麻点状凹坑。图4-5点蚀4.4.2.类型（二）剥层（Spalling）—扩展性的表面疲劳磨损

特点是：摩擦表面形成大而浅的凹坑，磨屑一般为鳞片状。原因是：材料表层内含有夹杂物或空穴（晶格间缺陷），在交变应力作用下成为应力集中源，发生疲劳而生成疲劳裂纹，随着应力循环的继续而扩大，疲劳裂纹并延伸到表面使表层材料脱落的现象称为剥层。这种现象多发生在两接触面上的交变应力较大，以及由于材料选择和润滑不当的情况下。图4－6剥层凹坑4.4.3.疲劳磨损与整体疲劳破坏的区别疲劳磨损不同于整体疲劳破坏，它们的区别可概括如下：１．裂纹的萌生及扩展：整体疲劳的裂纹源都是从表面开始的，裂纹首先从表面沿着与外加应力成45°角的方向扩展，超过两三个晶粒以后，即转向与应力垂直的方向；疲劳磨损的裂纹是在表面层内萌生，沿平行于与表面成10°～30°夹角的方向扩展，而且只限于在表面层内扩展。图4－７裂纹的扩展4.4.3.疲劳磨损与整体疲劳破坏的区别２．疲劳极限：整体疲劳破坏一般都存在有明显的疲劳极限，即疲劳应力低于这个极限时，寿命是无限的；疲劳磨损则未发现这样的疲劳极限，但疲劳磨损寿命与材料的疲劳强度有关。疲劳失效时间ｔ与最大接触应力的乘积为常数：３．工况条件：在疲劳磨损中，材料除受循环应力的影响外，还受到摩擦过程中伴随发生的一系列的物理化学变化，以及残余应力，组织结构缺陷，表面温度以及塑性变形等因素的影响，其工作条件远比整体疲劳恶劣得多。疲劳磨损的机理可以应用于磨粒磨损，粘着磨损，腐蚀磨损和微动磨损。4.4.4.影响疲劳磨损的因素疲劳磨损的影响因素主要有载荷、材料性质、表面品质、润滑剂等。1.载荷载荷决定了接触应力的大小，因此它是影响疲劳磨损的最重要因素，载荷越大，疲劳磨损寿命就越短。2.材料性质材料的硬度、金相组织、内部缺陷、硬化层厚度等都会影响疲劳磨损。一般情况下，疲劳磨损寿命随着材料硬度的提高而提高，但是当硬度提高到一定数值后，继续提高硬度，疲劳磨损寿命反而会降低。因而存在一个最佳抗疲劳磨损的硬度。金相组织对疲劳磨损的影响比较复杂，目前还没有一个统一的观点。材料的内部缺陷会严重降低疲劳磨损的寿命。一般来说，内部缺陷尺寸越大、分布越不均匀，疲劳磨损寿命就越低，疲劳磨损也就越严重。适当增加硬化层的厚度，可使疲劳裂纹限制在硬化层内形成，因而可大大提高其抗疲劳磨损的能力。

4.4.4.影响疲劳磨损的因素3.表面粗糙度降低表面的粗糙度可大大提高其抗疲劳磨损的能力，降低疲劳磨损；但是当表面达到超光洁的程度时，再继续降低表面粗糙度对疲劳磨损寿命影响不大。例如，滚动轴承当Ra=0.16～0.32比Ra=0.32～0.63时的疲劳寿命提高2～3倍；当Ra=0.08～0.16比Ra=0.16～0.32时疲劳寿命提高一倍多。当Ra=0.04～0.08时，再降低表面粗糙度对疲劳磨损寿命影响很小。需要指出的是，表面硬度越高，其粗糙度就应当越低。否则会降低疲劳磨损寿命，加重疲劳磨损。这是因为硬度越高的金属材料对应力集中越敏感，就越容易发生疲劳磨损。4.５腐蚀磨损4.６微动磨损这两种磨损形式都是复合磨损。腐蚀磨损是金属腐蚀和粘着磨损、磨粒磨损的复合；而微动磨损是粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损三种形式的复合。4.7.近代磨损理论前面所讲的各种磨损机理，都只能解释某一类磨损现象，而不能揭示磨损现象的共同本质。随着现代测试技术的发展，研究手段和工具的不断改进，人们可以直接观察磨损的动态过程，进而从微观角度对磨损的本质进行研究。到二十世纪七十年代中期形成了现代磨损理论。主要有：磨损的疲劳理论、剥层理论和能量理论。下面学习最具有代表性的两种磨损理论：剥层理论和能量理论。4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear经过许多年的研究，人们认识到金属的滑动磨损是通过摩擦表面的裂纹生长，使表层材料沿平行表面的方向逐层剥落而形成的。1973年苏(Ｎ.Ｐ.Ｓuh)提出了金属磨损的剥层理论。这种理论是以金属的位错理论以及金属表面层的断裂和塑性变形为基础，通过总结以往大量的实验数据和研究结果而形成的一种新理论。4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear一、理论要点图4-11表示剥层磨损的过程。理论要点归纳如下：（１）接触类型的转变当两接触表面相对滑动时，软表面上的微凸体在法向和切向载荷的共同循环作用下，发生断裂而形成较为光滑的平面。使得表面接触由两个粗糙表面的接触变为硬的粗糙表面与软的光滑表面的接触。图4-8剥层磨损接触类型的转变4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear（２）位错的形成硬表面上的微凸体在软表面上滑动，使软表面上各点经受循环载荷的作用，在表层内产生周期性塑性变形与位错。图4-8剥层磨损的过程4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear（３）裂纹的萌生与扩展随着变形的不断积累，在亚表层内出现位错堆积。位错堆积在材料亚表层内的缺陷（杂质或空穴）处就会产生裂纹。裂纹形成后，平行于表面的正应力阻止裂纹向深度方向发展，在剪应力的作用下沿着与表面接近平行的方向扩展。（４）磨屑的形成当裂纹扩展到一定长度后，就在裂纹与表面之间材料的薄弱位置被剪断，形成薄而长的片状磨屑而剥落。图4-8剥层磨损的过程4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear二、磨损方程剥层理论提出了磨损碎片厚度的计算公式和磨损方程，磨损碎片的厚度可用下面公式表示：

(4-11)式中：Ｇ－剪切模量；

b－格斯向量，表示位错扫出滑移面到达表面时，滑移面上下两部分晶体的相对位移；

σf－摩擦应力；

μ－泊松比。4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear磨损方程（磨损率）为：

(4-11)式中：l－接触长度；

h－磨屑的厚度；

λ—接触微凸体峰顶的平均间距；—裂纹两端在N次应力循环中的平均扩展速度；l0－沿滑动方向的裂纹间距离。4.7.1.磨损的剥层理论

—TheDelaminationTheoryofWear裂纹扩展的速率与接触表面的摩擦系数、裂纹所在深度、裂纹的长度、材料的性能等因素有关。按照剥层理论，磨屑应为薄片状。但是，如果沿磨屑厚度方向的位错密度不均匀，磨屑也会成为弯曲或螺旋状。另外，处于摩擦副之间的磨屑，还可能由于相对滑动而被辗成其它形状，而不能保持薄片状。总的说来，磨损的剥层理论能较完善地说明许多实验所观察到的现象，也较深入地阐明了磨损的微观现象。这个理论也可以解释具有塑性变形的金属和非金属（包括高分子材料）的粘着磨损、疲劳磨损及微动磨损。但是，由于它考虑的是低速滑动条件下的磨损，没有考虑温度的作用，因而还不能解释高速滑动条件下的磨损现象。4.7.2.磨损的能量理论这个理论是弗莱舍尔(Ｇ.Ｆleischer)提出来的。磨损的能量理论认为：摩擦功的大部分转化为热，但也有一部分，约占总摩擦功9～16％的能量，以内能的形式储存在摩擦材料之中。当一定体积的材料内积累的能量达到一定数值后，就会从表面上脱落下来，而形成磨屑。所以说，磨损是摩擦的必然结果，也是能量转化和消耗的过程。为便于分析引入能量密度的概念，即材料单位体积所吸收或耗散的能量，用E表示。

(４-１２)式中：Ｗk－摩擦功；

F－摩擦力；

L－摩擦路程；

V－形成磨屑的体积；

h－线磨损量；

Rh－线磨损率，Rh＝h/L。

4.7.2.磨损的能量理论假设，摩擦表面每摩擦接触一次所吸收的平均能量密度为Ee，其中转化为形成磨屑储存的能量密度为Ek，则：Ek

＝ξEe（４－１３）系数ξ为能量密度系数，表示转化为形成磨屑的能量密度与总吸收能量密度的比值。根据能量理论，能量积累在所谓储存体积内。当储存能量达到临界值时，在该体积内材料发生塑性流动或者形成裂纹。4.7.2.磨损的能量理论如果经过ｎ次摩擦才形成磨屑，那么，在形成磨屑前的n－1次摩擦中的总能量密度为（n－1）Ek

，最后一次摩擦中所吸收的能量密度为Ee

，全部用来使磨屑从表面上分离，所以形成磨屑的总能量密度为EΣ

(４-１4)得到4.7.2.磨损的能量理论由于Ｅ是磨损单位体积所需的能量密度，Ee是摩擦一次材料单位体积所吸收的能量，n次摩擦后形成磨屑，故有Ｅ＝nEe考虑到形成磨屑的体积比吸收能量的体积Ｖw要小，令γ＝Ｖw

／V有：

(４-１５)将(4-14)代入式(4-15)得

由于ｎ》１，上式可以写成

(４-１6)4.7.2.磨损的能量理论事实上，实际的破坏能量密度比平均能量密度大许多，故引进倍数k。由式(4-12)得Rh＝τ／E；将式(4-16)代入上式，得线磨损率

(４-１7)上式中的k、ξ、γ、n都是和材料的物理机械性质、组织结构及微观机械特性有关的量，这些量的关系尚不清楚，因此要把磨损能量理论应用于实际磨损计算，还有待进一步试验研究，所以，磨损的能量理论还不能应用于解析表达式。4.8.磨损的测量和计算4.8.1磨损量的测量方法一、磨损过程的评定方法目前国内外在研究摩擦磨损时所使用的摩擦试验机是多种多样，对磨损的评定方法也不统一，比较常用的磨损评定方法有以下几种：1.线磨损量H：指磨损前后磨损表面在法向方向上的尺寸变化，单位是mm或μm；2.质量（重量）磨损量W：指磨损前后磨损表面材料的重量损失，单位是g或mg；3.体积磨损量V：指磨损前后磨损表面材料的体积损失变化，单位是mm3或cm3；4.磨损率R：指磨损量与摩擦行程或磨损时间、磨损转数的比值；摩擦行程单位是：mm/m或μm/m；g/m或mg/m；mm3/m或cm3/m；磨损时间单位是：mm/h或μm/h；g/m或mg/h；mm3/h或cm3/h；磨损转数单位是：mm/r或μm/r；g/r或mg/r；mm3/r或cm3/r；4.8.1磨损量的测量方法5.比磨损率I：指磨损量与摩擦功的比值，单位是10-7mm/J或10-7mg/J等；6.相对耐磨性ε：指试验试样与标准试样的磨损量之比，无量纲。在上述这些磨损量的定量评定方法中，线磨损Ｈ、重量（质量）磨损Ｗ、体积磨损Ｖ都是磨损表面的损失，它没有考虑到零件或试样的尺寸、形状以及所受载荷、速度、磨擦的影响，因此是一个绝对磨损量的值表示方法。相对耐磨性ε这种无量纲表示方法，需要用一个标准试样，且随所比较的试样材料及特性而变化。也有称磨损率或比磨损量为单位磨损量的，是目前国内外应用较广泛的计算磨损的方法，这是由于它考虑了载荷和磨程的影响，可供在同样滑动速度的条件下比较。总之，当我们对某种零件的耐磨性作出判断时，必须考虑它的使用条件和工作状况，并尽可能采用相对磨损量来作为评定磨损过程的定量指标，以获得可靠的结果。4.8.1磨损量的测量方法二、磨损的测量方法称重法:分析天平测长法：测量显微镜，螺旋测微计等。磨痕法放射性同位素法对于磨损实验结果的测量同样可以通过对收集到的磨屑进行称量和分析，以定性和定量的确定磨损速率。关于磨屑颗粒的收集和测定方法不在作详细描述。4.8.2磨损过程的计算一、关于磨损率的计算从磨损过程的宏观定义我们知道，磨损率是磨损表面的磨损量H与摩擦行程L的比值，即：

(4-18)

式中Rh－线磨损率；

L－滑动距离；

VL－滑动距离为L时的磨损体积；

An－名义接触面积；

H－线磨损量。上式表示了磨损过程宏观特性之间的关系。对于产生△V体积的磨损屑，在微观定量方面相当于每个接触微凸体上有厚度为h的一层材料被磨掉，即：△V=h×Ar。式中h值是一个假定值，而不是从接触斑点上真正磨掉的材料厚度。H才是磨损表面磨到的厚度。

4.8.2磨损过程的计算假定：接触斑点在滑动方向上的平均直径为d，当滑动距离为d时的磨损率为：

(4-20)考虑到V/L=△V/d，将它与上式一并代如(4-19)式中得：上式将磨损过程的宏观特性与微观特性联系起来。在此分析的基础上，克拉盖尔斯基按照磨损的疲劳理论，在总结了大量实验结果的基础上，又考虑到诸因素的影响后，推倒出磨损率的计算公式：4.8.2磨损过程的计算Kty－考虑接触点载荷不稳定以及疲劳因素参数；ty－弹性接触时摩擦疲劳曲线的指数；α－相互覆盖系数；P－名义比压；ν－支承曲线参数；

E－弹性模量；μm－考虑分子作用的摩擦系数；△－表面粗糙度参数，△=Rmax/rb1/ν；σ0－摩擦疲劳极限。K－接触区应力状态系数，脆性材料k=5，塑性材料k=3。

(４-２１)式中：；K1≈0.24.8.2磨损过程的计算二、摩擦副中磨损量的计算机械零件的磨损可以分为表面磨损和组合磨损。表面磨损是指摩擦表面在法线方向上的尺寸变化；组合磨损是指两个相互配合表面由于磨损所造成的相对位置变化。它改变了两个表面配合的性质，进而影响机械零件的工作性能。组合磨损计算的基本思想是，先根据机械零件的工作性质确定配合表面所允许的位置变化量，即组合磨损量，然后由组合磨损量计算表面磨损量和磨损寿命。这种计算方法对于机械设备和零件的摩擦学设计具有实际指导意义。组合磨损计算的具体步骤如下：4.8.2磨损过程的计算（一）按实际工况条件确定摩擦副的磨损曲线和磨损率通常，磨损计算只考虑下面两种情况。如图4-8所示。对于正常工作的机械设备和零件，稳定磨损阶段所占的时间最长，因此以稳定磨损阶段的时间