摩擦与润滑技术第四章

§4-1概述

磨损是伴随摩擦产生的，它也是一个十分复杂的过程。虽然磨损现象为大家所熟悉，但要给磨损下一个严格的定义还比较困难。物体表面相对运动时，由于机械的和化学的过程，引起摩擦表面物质逐渐损耗或产生残余变形，称为磨损。1969年，欧洲经济合作与发展组织（OECD）对工程材料的磨损定义为“磨损是构件由于其表面相对运动而在承载表面上不断出现材料损失的过程。”1979年新修订的西德工业标准（DIN50320）中对磨损定义为“磨损是一个物体由于机械的原因，即与另一固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对运动，而造成表面材料不断损失的过程”。Tabor对磨损定义为“物体表面在相对运动中，由于机械的和化学的过程使材料从表面上除掉，即为磨损”。

磨损过程中存在着各种各样的机械、物理和化学作用。因此，虽然现代正在加深对磨损的各种机理的研究，但至今还不像摩擦那样建立了比较公认的定性和定量的结论和定律。例如，就摩擦系数而言，大多数的金属材料的摩擦系数都在0.1~1.0之间，而相应的磨损率却可以在大得多的范围内变化。又如摩擦与磨损的关系，普遍地存在一个观点，认为摩擦系数大就意味着磨损大，而事实并非如此。根据磨损的破坏机理和特征，磨损的型式一般可分为五类：①粘着磨损；②磨粒磨损；③表面疲劳磨损；④腐蚀磨损；⑤微动磨损。

耐磨性是材料抵抗磨损的一个性能指标，可用磨损量的倒数来表示。磨损量一般有下列几种表示方法：（1）线磨损：它是以摩擦表面法向尺寸减少量来计量的。也可以用线磨损率表示，即单位滑动距离（或单位时间）的摩擦表面法向尺寸减少量（2）体积磨损：它是摩擦表面体积减少量来计量的。也可以用体积磨损率来表示，即单位滑动距离（或单位时间）摩擦表面体积减少量（3）重重磨损：它是以磨损过程中的重量损失来计量的。也可以用重量磨损率表示，即单位滑动距离（或单位时间）重量减少量，其中为磨损材料的密度。（4）比磨损率：单位摩擦距离和单位载荷下的磨损量，即单位体积磨损量此外，还可用相对磨损率（被试验材料磨损率与标准材料在相同条件下的磨损率之比）；相对耐磨性（标准材料与试验试件磨损量之比）和磨损系数K来表示磨损程度。至于如何评价摩擦副的抗粘着性能目前尚无统一规定。通常根据同等工况条件下（速度、载荷、温度……等）摩擦表面粘着破坏的程度或摩擦副发生咬死时的载荷、抑或摩擦系数（或滚动力距）发生突变时的载荷等三种情况来判断。机械零件正常磨损过程一般可大致分为三个阶段，如图4-1中的oabc曲线所示。（1）“磨合”（跑合）阶段：磨合是磨损过程的不均匀阶段，这时由于表面形貌发生变化，表面微凸体相互急烈碰撞的机率逐渐减少，在磨合期，系统是自适应过程。如图4-1中的oa线段所示。合理选择磨合规范、程序和润滑剂是缩短磨合期并获得良好磨合结果的基础。一般是采取逐级或连续递增载荷下的磨合方法。（2）“稳定”磨损阶段：由于前期“磨合”的结果，摩擦系统获得了相对稳定的特性。也就是说，由于前期磨合阶段表层经受很高的比压、热效应和薄层塑性变形、冷作硬化，从而建立起弹性接触条件。此外，由于表层塑性变形使得空气中的氧气深解和扩散到金属内部，从而在金属表面形成固体覆盖膜FeO、Fe2O3和Fe3O4。极压添加剂等与表面起化学反应也会形成固体覆盖膜。如果膜的形成速度V∫等于或稍大于破坏速度Vd，则磨损过程主要发生在是磨损率极小的氧化磨损（腐蚀磨损）。其磨屑颗粒一般小于。稳定磨损阶段如图4-1中的ab线段所示。（3）“急剧”磨损阶段：在长时间的稳定磨损阶段（b点）以后，当材料的磨损总量达到一定数值时，摩擦系统的状态可能发生质的转变，随之摩擦现象也发生重大变化，这时材料磨损随时间而迅速载长。发生过程的自动加速，即一段时间间隔的大量增长甚至会引起下一时间间隔更大的增长，从而导致系统突然损坏，使整个系统失效。在这种情况下，摩擦表面的员坏一般说来，大多是由于表面疲劳，出现许多疲劳裂纹，它们相互交连而成片剥离，从而导致急剧磨损；或是由于表面持油能力下降，形成不了流体油膜，从而导致金属与金属直接接触，造成金属的剧烈粘附磨损。当然也可能由于磨粒磨损引起急剧磨损。实际上可能是一种主要磨损形式同时又伴随着其它磨损形式的综合作用结果。在急剧磨损中，磨屑颗粒的尺寸可达上百微米以上。对于相同金属摩擦副，磨粒尺寸会更大。以上系一般机械零件的正常磨损过程曲线。应当指出，如果磨合阶段的磨合规范、程序和润滑剂选择不当时，不仅会延长磨合期，甚至使正常磨损（曲线）遭到破坏。例如，由于磨合开始的负荷过大，加之选用了润滑性差的润滑剂，这时粗糙的表面由于金属与金属直接接触造成严重的塑性变形而导致剧烈粘附磨损，如图4-1中的曲线②所示。有时，在稳定磨损阶段由于温度上升或接触面积、载荷和滑动速度变化使得流体膜润滑状态转变而使正常磨损曲线转向曲线③。当摩擦表面溶解的氧或极压添加剂等与表面起反应形成固体覆盖膜的速度V∫大大小于破坏速度Vd时，即由原先的V∫=Vd的状态转为V∫＜＜Vd的状态时，也会出现上述曲线③的情况。§4-2粘着磨损一、粘着磨损理论—鲍登-泰勃的粘着磨损理论1．鲍登-泰勃粘着磨损机理在第三章关于干摩擦粘着摩擦理论中曾述及：当两金属零件表面受法向载荷接触时，开始只有极少数较高的微凸体发生接触，其比压很大，以致超过材料的屈服极限而使微凸体发生塑性变形。因此，表面上这些接触斑点便发生粘着或冷焊连。即使有表面膜（油膜或氧化膜）存在，若只承受单纯的法向载荷而不受切向力作用产生相对滑动时，由于有表面膜的抑制作用，牢固粘着也不容易发生。但是，若这时再加上切向力使两物体产生相对滑动，表面膜就会被剂压破裂，即抑制层部分离散，表面膜起不到隔离的抑制作用，除非表面膜的形式速度等于或接近等于它的破坏速度。否则也必将产生粘着磨损。另外即便磨损界面存在有表面膜，如油膜，尤其是在边界润滑状态下，当载荷和滑动速度很大时，摩擦表面温度升得很高，这时油的粘度显著下降，甚至蒸发，微凸体也会发生直接接触，严重时表面层金属还会软化或溶化，造成严重的粘着磨损。总之，粘着磨损是由于两摩擦物体在法向力和切向力的联合作用下，产生金属与金属的直接接触和塑性变形从而经历粘着（冷焊）、剪切撕脱和再粘着的循环过程、严重时摩擦副会咬死，粘着磨损过程中，表面材料从一个表面转移到另一个表面，在连续摩擦的情况下，被转移的薄片材料由于不断的堆聚到一定程度，然后由于机械断裂或结合链破坏抑或疲劳断裂而剥离下来成为松散的磨屑颗粒，这些离散的磨屑颗粒大多数在摩擦界面之间滚动，也可能有少数颗粒再一次被粘附于摩擦表面的可能，甚至有些颗粒还会有所增大，但这种机遇可能不多，不一定是普通规律。因为这些磨损颗粒，已遭到严重氧化、而且根据粘着磨损理论分析和铁谱检验证明，这些颗粒是一些疏松的层状颗粒，不仅溶解的氧多，而且吸油性（润湿性）好，因而不容易再次牢固的粘附于摩擦表面。至于在什么条件下容易出现粘着磨损，无疑主要是在滑动副之间没有润滑油时，或者其间的油膜和氧化膜因受到过高负荷而破裂造成两摩擦材料直接接触时特别危险。陶瓷或聚合物材料构成配对副则比较不容易发生粘着作用，在塑料与金属配对副中，有时反倒希望发生粘着磨损。因为这时能将薄薄的一层塑料转移到金属表面，结果形成塑料对塑料的相对滑动。这是聚四氟乙烯塑料（PTFE）与钢的滑动副摩擦系数之所以很低的原因，但可惜这种情况通常只能在低速高负荷情况下才会出现。许多摩擦副，例如滑动轴承、减速器以及活塞与气缸摩擦副等，在超负荷下或润滑不足时，就会发生胶合，其根原因就是粘着摩擦。对于电气接触器也存在有微观粘着焊连的危险。切削刀具出现积屑瘤，其原因同样是粘着摩损。2．粘着磨损的类型（1）轻微磨损：磨损表面粘着点结合强度很弱，剪切破坏发生在界面上，摩擦主要发生在表面氧化层内，或者在正常磨损情况下，由于磨损表面生成了一层短晶序的剪切混合层，在摩擦力的反复作用下，剪切混合层因机械断裂或结合键破坏而呈层状片剥落（尺寸一般小于5）；或者由于疲劳剥层磨损而以极簿的片状剥落（尺寸一般小于1）。内燃机缸套-尖塞环正常稳定磨损阶段就属于这种轻微磨损。（2）涂抹：涂抹一般发生在软金属的浅层内，即较软金属涂抹在较硬金属的表面上。涂抹材料通常是软化或溶化材料。（3）擦伤与划痕：由于较硬的滑动表面上微凸体在软金属表面上或硬质颗粒嵌入软金属表面而在硬金属表面上沿滑动方向形成的细小的擦伤或划痕。如内燃机铝活塞与缸壁常见。（4）撕脱：摩擦表面粘着点结合强度大于一方或两方基体金属的剪切强度，滑动时剪切破坏发生在一方或两方金属深处。如轴与轴承常见的这种破坏形式。（5）咬死：与上面（）4的情况类似，所不同的是粘着区域大，粘着结合强度比两方基体金属的剪切强度都高，且外界作用的切向力小于总的粘着结合力，故摩擦副之间出现咬死，即不能相对运动，如发动要的咬缸。这是一种严重而危险的破坏事故。3．粘着磨损定量关系式根据现代粘着理论来说明磨损，常用Archard在1953年提出的观点。

（4-6）从上式可以看出：（1）磨损体积与法向载荷成正比；（2）磨损体积与软材料屈服极限（或硬度）成反比；（3）磨损体积与滑动距离成正比；（4）磨损体积与表面膜缺陷系数成正比。4．影响粘着磨损的主要因素和减少磨损的途径（1）材料性质的影响①脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着破坏，常常发生近表面一定的深度处，磨损下来的颗粒较大。脆性材的粘着磨损产物多数呈磨屑状、破坏深度较浅。②互溶性大的材料所组成的摩擦副（相同金属或晶格类型，晶格间距，电子密度、电化学性能相似的金属），点着倾向大；互溶性小的材料所组成的摩擦副（异金属或非类金属），粘着倾向小。应避免使用同种金属或类金属组成摩擦副。③从金相结构上看，多相金属比单相金属粘着倾向小，因多晶材料的晶粒，在变形时要受到其邻近晶粒影响，当平均晶体直径远大于接触的微观面积时，它们对变形抑制作用最小，因此要避免粗大的晶粒；金属中化合物相比单相固溶体粘着倾向小、碳化合物多的合金粘着倾向性小、特别是合金元素碳、铬、铌、钨及钼本身就耐磨，故在碳化物形成元素中，提高耐磨性是按铬、钨、钼及钒（比例2：5：10：40）的顺序上升的；不连续组织比连续组织的粘着倾向性小（因不连续组织有抑制粘着严重磁长的作用），故碳钢比单相的奥化体不锈钢或纯铁的粘着倾向小；金属与非金属材料（如石墨、塑料等）组成的摩擦副，比金属组成的摩擦副粘着倾向小。④周期表中的B族元素与铁不相溶或能形成化合物，它们的粘着倾向小，而铁与A族元素组成的摩擦副，粘着倾向大。（2）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，如图4-5所示。实际上是材料硬度与压缩屈服极限的关系。当载荷超过材料硬度的1/3时，磨损急剧增加，严重时咬死。因此，设计中选择的许用压力必须低于材料硬度的1/3。（3）氧化膜的影响（前面已讲述）（4）滑动速度的影响在压力一不定期的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随滑动速度的增加而减少。图4-6系摩擦速度不太高的范围内，钢欣材料磨损摩擦速度、接触压力的变化规律。

有时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。如图4-7表示钢铁材料磨损量随摩擦速度变化规律。当摩擦速度很大时，磨损粉末是红褐色的氧化物（Fe2O3），磨损量很小，这种磨损是氧化磨损。当摩擦速度稍高时，则产生颗粒较大并呈金属色泽的磨粒，此时磨损量显著增大，这一阶段就是粘着磨损。如果磨损速度进一步增高时，又出现了氧化磨损。不过这时的磨损粉末是黑色的氧化物（Fe3O4）、磨损量双减小。再进一步增加摩擦速度，则又会出现粘着磨损，磨损量又急剧增加。（5）温度的影响为了描述摩擦温度或摩擦热对摩擦性能的影响，常采用闪点温度、表面平均温度、体积平均温度、温度梯度等参数来进行研究。闪点温度是指摩擦中局部地点（如微凸体顶端）接触瞬间的温度。由于接触面积很小，所以在整个摩擦表面平均温度不太高时，其闪点温度可能很高（可达上千度摄氏）。在低速摩擦范围内对磨损有直接影响的是闪点温度。摩擦表面的温度对粘着磨损的影响，主要有三方面：第一、使摩擦表面的材料性能发生变化。摩擦表面的温度升高，硬度降低、使粘着可能性增大，因而磨损率也增大。不言而喻，当热点（闪点）温度很高时，摩擦面内局部地点形成的粘着现象就以热的形式向整个摩擦面扩展，摩擦面平均温度显著升高，这时粘着现象不是发生在个别点上，而是在较大的成块面积上形成“粘着焊连”（即“烧结”），如轴与轴瓦之间常出现的“烧瓦”现象就是这样引起的。温度的升高还可能引起摩擦表面材料发生相变。第二、使摩擦表面生成化合物薄膜。温度的变化影响金属的氧化速度和生成氧化物种类，显然这会改变表面的摩擦学性质。第三、使润滑剂的性能改变。温度升高、润滑油粘度下降、润滑效果降低、同时润滑油氧化、分解的速度加快。当超过某一极限时，润滑油变质失去润滑作用。摩擦表面的温度与摩擦表面承受的载荷、相对滑动速度成正比。因此，表面压力p和相对滑动速度v对粘着磨损都有很大影响。控制pv值，选用热稳定性好的材料，采取有效的冷却措施是防止由于温度升高而产生严重粘着磨损的有效方法。（6）润滑油、脂的影响润滑油、脂中加入油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。所谓油性添加剂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，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。极压添加剂是在高温条件下，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粘着现象。二、其他粘着磨损理论1．表层粘着开裂机理具有一定粗糙度的两表面受载滑动摩擦时，不像鲍登-泰勃的粘着磨损发生金属粘着-转移-剪断过程，而是在表面发生开裂-粘着-剪断过程。Buckley用多晶铜球面滑块沿双晶铜晶粒（111）和（210）晶面滑动摩擦试验，结果发现在双晶铜表层形成滑移带，如图4-8所示。并在摩擦表面上发生粘着，如果这种粘着强度大于滑移面之间的结合强度，则沿着球面滑块滑动方向在双晶铜表层沿滑移带出现开裂或分离，由于摩擦点强烈的粘着，使得滑移带分离的材料被粘着切向力牵移（拉曳）而高出表面呈翘曲状，进一步滑动摩擦，则摩擦界面粘着结点就被剪断，高于表面翘曲的金属接着又被后面球形滑块剪断，这样就产生了磨屑。这就是磨损的表面粘着开裂机理和磨屑形成过程，这不仅为表层粘着开裂机制提供了试验基础，也说明了铜磨损时的各向异性。2．磨屑生成的转移生长理论

该理论首先于1972年由日本田直等人增出。他们发现摩擦磨损过程中，粘着磨损中的某些特有现象，鲍登-泰勃粘着磨损理论不能充分解释清楚。首先是他们在铜与镍表面摩擦试验中发现，不仅较软的铜（HV113）转移到较硬的镍表面上，而且在铜表面上也发现有镍，即不只是较软的材料向硬表面上转移，而是摩擦表面材料相互转移；其次是发现磨屑是一个铜和镍两种材料的混合体，而不是单一的铜；第三是发现磨屑尺寸变化范围很大，从比真实接触面积小得多的直到比接触面积大得多，而不是与表面间构成的微凸体真实接触面只积大致相同.上述三种现象也在其它的金属对金属、金属对聚合物、陶瓷对陶瓷、金属对陶瓷和聚合物对陶瓷的摩擦副中观察到，即使在干摩擦或金属摩擦副在润滑条件下也都观察到。以上所述事实，田直等认为Archard的粘着磨损模型（图4-4）难以解释清楚，于是提出了如图4-9所示的转移生长模型。开始的自然接触状态应象图4-9（1）那样，凸部是沿斜面接触的。如果加上剪切应力，那么凸部由于受到压力面被压溃，且接触面积中只有一小部分是金属的直接接触，因为通常接合界面被氧和水蒸气或者有机物质等分子所污染，其真正接触面积只有接点面积的几十分之一或几百分之一。故此，剪切破坏仅发生在这个真正的固体接触部分（图4-9（2））。因此，小碎片产生、转移和粘着在如图4-9（3）所示的另一面上，这时虽然更多地剪断较软的固体可能是必然的，但由于微凸体接点是不对称的，因而在较硬的固体中发生剪断也是可能的。把这种小的转移碎片称为“转移元素”，它在另一面上构成一个新的微凸体。在如图4-9（4）的进一步滑动过程中，可能形成一个新的接点。当发生如图4-9（5）所示的剪切导致由上表面到下表面，或者由下表面到上表面的材料转移时，两个“转移元素”构成一个“转移微粒”，并且这个微粒粘着在任一个表面上。经过多次如图4-9（4）和（5）那样的聚集过程，转移微粒逐渐长大到如图4-9（6）所示的那样大的尺寸，大的微粒由于抗力比较小，经过应表在的某个正的微凸体冲击而从表面脱落成为磨屑。日本学者根据上述的粘着磨损磨屑转移生长模型，认为比较容易说明摩擦材料二者的相互转移粘附现象，和一个磨屑是由摩擦材料二者的混合物组成的事实，以及磨屑的大小分布范围很宽的事实。但是，他们考虑到承载机理，又对上述模型作了适当的修正和扩展。在图4-9图解的模型中，如果转移微粒在摩擦过程中由于加工硬化或氧化而变硬，并足以承受所加载荷的作用而无明显变形，那么就能形成如图4-9（6）所示的固体或立方体的微粒。但若在滑动过程中，如果转移微粒硬化不严重或材料的性能不变，则配对的表面间的微粒在接触压力作用下产生屈服而被压低（见图4-10（1）和（2）），而且还由于剪切的作用而被纵向扩展。结果形成了一个经压-滑整平形状的转移微粒。并如图4-10（3）中所示的粘着在摩擦表面上。磨屑形成的最后阶段必定是这些“压-滑-整平”转移微粒的聚集和堆积。然后“转移元素”或零星散布在另一表面上的微粒卷入到大微粒上，使微粒迅速长大，最终它们从摩擦系统中脱落，形成一个薄片状的磨屑，如图4-10（4）所示。§4-3磨粒磨损一、磨粒磨损及其机理当摩擦偶件一方的表面硬微凸体或硬的颗粒（包括外来硬颗粒）在较软的表面上或在对偶双方表面上引起划痕、犁皱、擦伤或微切削的现象，称为磨粒磨损。各种类型材料的零件均可能产生磨粒磨损，这主要取决于配对件或中间物质的硬度如何，金属、陶瓷或聚合物材料都可能出现剧烈的磨粒磨损。由于农业机械、矿山机械、建筑机械和运输机械中许多机械零件，常与泥沙、矿石或灰渣等直接摩擦，因而容易发生不同程度的磨粒磨损。若磨屑不能及时从它形成的地方由润滑油带走并过滤，也会导致磨粒磨损。机械零件大约有50%是由于磨粒磨损而损坏。所谓磨料（或称磨粒），广义地说，凡是离散（分离）的硬质颗粒或表面硬质凸出物（包括硬表面上的微凸体或软表面上嵌固的硬颗粒）都是磨粒。但研究中更多的是指非金属矿物和岩石，如二氧化硅，三氧化二铝等。磨粒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：（1）按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分为凿削式磨粒磨损，高应力碾碎式磨粒磨损和低应力擦伤式磨粒磨损，如图4-11所示。①凿削式磨粒磨损：图4-11（a）。这类磨损的特征是冲击力大，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，造成表面宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下大颗粒的金属，在被磨损表面有较深的沟槽和压痕。如挖掘机的斗齿，矿石破碎机锤头等零件表面的磨损即属于此种磨损形式。②高应力碾碎式磨粒磨损：图4-11（b），这类磨损的特点是应力高，磨料所受的应力超过磨粒的压碎强度，当磨料夹在两摩擦表面之间时，局部产生很高的接触应力，磨料不断被碾碎。被碾碎的磨料颗粒呈多角形，擦伤金属，在摩擦表面留下沟槽和凹坑。如矿石粉碎机的腭板、轧碎机滚筒等表面的破坏。③低应力擦伤式磨粒磨损：图4-11（c），这种磨损的特征是应力低，磨料作用于摩擦表面的应力不超过它本身的压溃强度。材料表面有擦伤并有微小的切削痕迹，如犁铧、泥沙泵叶轮等。（2）按摩擦表面的数目分为两体磨粒磨损和三体磨粒磨损。（3）按机件与磨粒相对运动状况分为①固定磨粒磨损：机件运动，磨料固定，如凿岩机钻头的刃部；②半固定磨粒磨损：机件运动、磨料可动如犁铧表面；③自由磨粒磨损：磨料夹在流体中，以流体动力状态与机件摩擦，如喷砂枪喷嘴的孔。迄今为止对于磨料固定时的磨损规律研究得较多、而对后两种情况研究得较少。（4）按材料和磨料的硬度分为硬磨料磨损和软磨料磨损。关于磨粒磨损的机理，实际上应包括三方面，即机件材料的磨损机理、材料本身的磨损机理和材料与磨料的相互作用。机件材料大部分是金属，大多数磨粒磨损机理是针对金属而言的。磨料与摩擦表面材料的相互作用是十分复杂的。磨损过程不但与材料的性质有关，而且也与它们之间的接触的运动形式、接触应力有关。所提出的材料磨粒磨损的机理都是对复杂磨损过程的简化。主要有以下几种假说。机件材料磨粒磨损机理假说主要有：（1）以微量切削为主的假说；（2）以疲劳破坏为主的假说；（3）以压痕破坏为主的假说；（4）断裂起主要作用的假说。前三种假说主要是针对韧性材料的。其机理是塑性变形起主要作用，并控制磨损过程的磨损速率。第四种假说主要是外脆性材料的，其机理是具有有限塑性变形的断裂起主要作用并控制磨损过程的磨损速率。1．以微量切削为主的假说该假说认为磨粒磨损主要是由于磨料在金属表面产生微观切削作用而造成的。这种假说以M·M·赫鲁晓夫为代表。他认为当塑性金属同固定磨料摩擦时，在金属表面层内发生两个过程：①塑性挤压、犁沟擦痕；②切削金属，形成磨屑。在摩擦过程中，大部分磨料在金属表面上只留下两侧凸起的擦痕（即形成塑性挤压擦痕的磨料），小部分磨料，也就是那些棱面在有利位置的磨料将切削金属——形成磨屑。磨屑的形成主要是由于切削磨料的作用，非切削磨料只形成两侧凸起的擦痕，只有被新的磨料切削时，才形成磨削。由分析磨屑发现，大多数磨屑呈螺旋状、环状、弯曲状、与切削加工切屑的形状极相似，说明这种假说的正确性。2．以疲劳破坏为主的假说该假说以克拉盖里斯基为代表，他认为金属同磨料摩擦时，主要的磨损原因并不是由磨料切下切屑，而是金属的同一显微体积的多次塑性变形（“重复变形”）结果发生金属疲劳破坏、小颗粒从表层上脱落下来，但他并不排除同时存在磨料直接切下金属的过程。3．以压痕破坏为主的假产（擦痕假说）R·T·Spurr和T·P·Newcomb用显微镜观察磨粒磨损过程发现，当抛光的金属面紧贴于砂纸上时，个别磨料压入表面，移动试件时，压入试件的磨料就犁耕金属表面，形成沟槽、使金属表面受到严重的塑性变形、擦痕两侧的金属已经受到破坏，其它磨料很容易使期脱落，磨损量的多少与金属弹性恢复程度有关。据此，他们认为，磨粒磨损过程好像钢球在载荷作用下压入铜的表面，并在表在上滑动。滑动时会在表面形成弹性变形和塑性变形4．断裂起主要作用的假说当磨料压入和擦划金属表面时，压痕处的金属要产生变形。磨料压入深度达到临界深度时，伴随压入而产生的拉伸应力足以使裂纹产生。在擦划过程中产生的裂纹有两种主要类型。垂直于表面的中间裂纹和从压痕的底部向表面扩展的横向裂纹。在这种压入条件下，当横向裂纹相交或扩展到表面时，材料微粒便发生脱落、形成磨屑。对于这种脆性断裂机理为主的磨粒磨损，1976年A·G·Evans和R·Wilshaw已建立了这一过程的模型，三、影响磨粒磨损的主要因素和减小磨损的途径1．材料的硬度（1）纯金属（及未经热处理的钢），其抗磨粒磨损的耐磨性、与它们的自然硬度成正比。如图4-13所示。退火状态的工业纯金属及退火钢的相对耐磨性与角锥硬度Hm之间也呈现正比关系。（2）经过热处理的钢，其耐磨性也随硬度的增加而增加，但比未经处理的钢，增加速度要缓慢一些。（3）钢中的碳及碳化物形成元素含量越高，则耐磨性也越大。2．显微组织的影响（1）基体组织：由铁素体逐步转变为珠光体、贝氏体、马氏体时，耐磨性提高。众所周知，铁素体硬度太低，故耐磨性很差。马氏体与回火马氏体硬度高，所以耐磨性好。但在相同硬度下，等温转变下的贝氏体要比回火马氏体好得多。钢中的残余奥氏体也影响抗磨粒磨损能力。在低应力磨损下残余奥氏体数量较多时，将降低耐磨性；反之，在高应力磨损下，残余奥氏体因能显著加工硬化而改善耐磨性。铁素体的硬度和强度都很低、抵抗磨料压入的能力差，最不耐磨，珠光体硬度高于铁素体。对磨料擦伤的抵抗作用增大，因而耐磨性提高。试验表明，片状珠光体组织比粒状珠光体组织有更好的耐磨性，而且随着珠光体层片间的距离减小，耐磨性增加。马氏体有高的硬度，因而可以作为许多耐磨合金的基体。马氏体的耐磨性随钢中含碳量的增加而增加。但当含碳量超过1%时，耐磨性下降。一般认为同样硬度的板条状马氏体的耐磨性高于片状马氏体。细的原始晶粒的耐磨性高于粗大原始晶粒的耐磨性。具有贝氏体（或贝氏体-马氏体）组织的钢的耐磨性要比有相近硬度的马氏体组织的耐磨性高。如有关文献指出，Y12钢经280~400℃等温处理得到贝氏体组织（硬度HB388-415）比同一种钢淬火-回火组织（硬度HRc61）相对耐磨性高40%。因此，国内外相当数量的承受冲击载荷的零件，其组织处理成贝氏体。奥氏体的硬度低，但突出的优点是韧性好。在高应力冲击载荷作用下不但有很强的硬化能力，而且可发生马氏体相变，使磨擦表面硬度大大提高。这种外硬内韧的结构能有效地阻止裂纹的扩展。此外，奥氏体与碳化物的结合优于马氏体，可防止在磨损过程中碳化物剥落。因此奥氏体高锰钢在高应力磨损条件下具有良好的耐磨性。但在低应力条件下，耐磨性就较差。（2）第二相组织：钢中的碳化物是最重要的第二相。碳化物对磨粒磨损耐磨性的影响与其硬度及碳化物和基体硬度相对大小有关。在软基体中增加碳化物的数量、减小尺寸，增加弥散度，均能改善耐磨性。在硬基体中，如碳化物的硬度与基体的硬度相近，则使耐磨性受到损害。马氏体中分布的M3C型碳化物就是这样。当摩擦条件不变，如碳化物硬度比磨粒低，则提高碳化物的硬度，将增加耐磨性。碳化物的类型是影响耐磨性的重要因素。特殊的合金碳化物比普通的渗碳体的耐磨性显著增加。如在高铬铸铁中Cr7C3比Fe3C硬而耐磨。此外，钢的耐磨性还与碳化物的形状和分布有关。铸铁材料含碳量高，碳化物数量多，因此凡是允许使用铸铁的埸合，应尽可能使用铸铁。铸铁是一种脆性材料，在受冲击载荷大的埸合，采用添加合金元素，改善碳化物形状、分布，以提高韧性。如镍硬铸铁、高铬铸铁、锰铸铁等。合金元素如铬、钨、钛、硼等，只有在它们形成碳化物的条件下才能显著提高其耐磨性。因此，为了提高耐磨性、合金钢、合金铸铁中不仅要有足够铁合金元素，而且要有足够的含碳量。3．加工硬化的影响图4-14表示表面冷作硬化对低应力磨粒磨损试验时的耐磨性的影响。由图可见令作硬化后，表层硬度的提高并没有使耐性增加，甚至反有下降的趋势。所以在低应力磨损时冷作硬化不能提高表面的耐磨性（只要在塑性变形的过程中组织未发生变化）。因为在磨粒磨损过程中，表面强化达到了最大限度，即材料磨损实际上不是由其原始硬度，而是由极限冷作硬化状态下的硬度来表征的。热处理却能提高变形冷作硬化的速度及其极限值。虽然热处理钢的相对耐磨性高于在退火状态下同样钢材的相对耐磨性，但相对耐磨性的提高却落后于硬度的提高。这是因为热处理钢由于残余应力所提高的那部分硬度并不影响耐磨性。只是晶格内总的结合强度的变化才与由热处理引起的钢的耐磨性的提高有关。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。但如果零件在更复杂的条件下工作，如除了磨粒磨损之外，可能还有其它因素起作用，这时就不能简单套用上述结论。例如表面层的机械冷作硬化（喷、丸处理、滚压强化等），是提高零件疲劳强度的方法，由于提高了材料的表面硬度，这对于以粘着磨损为主的条件下，也能提高磨擦副的相对耐磨性。以上所述系指冷作硬化对低应力磨粒磨损时的耐磨性的影响。对于高应力磨粒磨损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负荷下，表面会受到加工硬化，加工硬化后的硬度愈高，其磨损抗力愈高。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，它的耐磨性不好；而在高应力磨损的埸合，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，同时还因转变为很硬的马氏体之故。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，而用作拖拉机履带的其耐磨性却不大好，就是因为两种情况下工作应力不同所致。4．材料断裂韧性的影响材料的硬度反映了材料抵抗磨料压入的能力。它对耐磨性有很大的影响。然而，根据断裂磨损机理，它还不能完全决定磨损。因为它不能代表一种材料对于裂纹的产生和扩展的敏感程度。实践证明，当材料的硬度高，断裂韧性低或材料断裂韧性高而硬度低时，耐磨性都很差，图4-15表示相对耐磨性、硬度与断裂韧性关系示意图。。从图可以看出，随着材料硬度的提高，断裂韧性K1c降低。断裂韧性与耐磨性的关系有两条曲线。其最大耐磨性及最大耐磨性相对应的断裂韧性值随载荷和磨料粒度的变化而变化。在K1c很小时，耐磨性随断裂韧性的提高而增加，在一定的K1c值时，耐磨性达到最大值，其后随着断裂韧性的提高耐磨性下降。图中分三个区域。在区域I，断裂韧性低。材料的磨损率主要由断裂磨损机理控制，提高断裂韧性，耐磨性增加。提高硬度则耐磨性降低。在区域II，材料的断裂韧性高，塑性变形显微切削机理起主要作用，用提高硬度的办法才能提高耐磨性。在区域III，耐磨性最好，在此区域，二种机理同时起作用，材料的硬度和断裂韧性配合最佳5．材料弹性模量的影响弹性模量对磨粒磨损强度有直接的意义。1952年Oberle指出：存在磨料微粒的情况下，如果表面有足够的弹性变形而允许磨粒“越过”的话，那就可以避免或减轻表面的破坏。例如在含砂的河流中航行的船舶上，螺旋浆水润滑青铜轴承比具有较高弹性模量的其他材料耐磨；而用橡胶轴承又比青铜轴承更好。因此，重要的参数是弹性应变极限，即屈服应力与弹性模量的比值。H/E比值越大，耐磨粒磨损的性能越好。这个规律不适用于热处理钢，因为弹性模量是结构上不敏感的特性，它与热处理规范几乎无关，然而热处理对钢的耐磨性却有很大的影响。因此，弹性模量不能作为耐磨性的通用判据。6．磨料硬度的影响

磨粒磨损取决于磨料硬度Ha和金属硬度Hm间的相互关系，可以得到如图4-16所示的三种不同磨损状态：这样可得出一个很重要的结论，为了减少磨粒磨损，金属的硬度Hm应比磨粒的硬度Ha高，大约1.3倍左右。即Hn=1.3Ha时为最佳，如继续提高材料的硬度，则效果不显著。7．磨料粒度的影响一般金属的磨损量随磨粒平均尺寸的增大而增加，到某一临界值后，磨损量便保持不变，即磨损与磨料的尺寸无关。如图4-17所示。各种材料磨料临界尺寸是不相同的，磨料的临界尺寸还与工作零件的结构和精度有关。对柴油机油泵柱塞副的磨损研究，认为的机械杂质引起的磨损最大。对发动机的磨损研究，发现左右的磨粒对缸套磨损才最严重。如图4-18所示。所以，防止左右的机械杂质进入燃油系统，防止左右的磨粒进入缸套摩擦表面是最为重要的。§4-4疲劳磨损

疲劳是指由重复作用的应力循环引起的一种特殊破坏形式，这种应力循环的应力幅不超过材的弹性极限。如果出现了材料在大小超过弹性极限的周期性重复应力作用下的破坏现象，则称为低循环疲劳。在交变载荷下，金属承受的交变应力和断裂循环周次之间的关系，通常用疲劳曲线来描述。金属承受的最大交变应力（）愈大，则断裂时应力交变的次数（N）愈少；反之愈小，则N愈大。如果将所加的应力（）和对应的断裂周次N绘成图，便得到图4-19所示的曲线，此曲线称为疲劳曲线。由图4-19看出，当应力低于某值时，理论上应力交变到无数次也不会发生疲劳断裂，此应力称为材料的疲劳极限，即曲线水平部份对应的应力。§4-4疲劳磨损

两接触表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，在交变接触应力作用下，使材料表面疲劳而产生物质损失的现象叫做表面疲劳磨损或接触疲劳（又称麻点、点蚀）。如滚动轴承、齿轮副，凸轮副以及钢轨和箍都能产生表面疲劳磨损。其磨损形式是在光滑的接触表面上分布有若干深浅不同的针状或豆状凹坑，或较大面积的表面压碎。摩擦表面粗糙凸峰周围应力埸变化引起的微观疲劳现象也属于表面疲劳。§4-4疲劳磨损

一、最大剪应力理论接触应力计算是以材料弹性变形的依据的所谓赫兹公式求得的。对于滚动摩擦体表面直接接触是这样，对于两滚动摩擦体表面不直接接触也是这样。例如设计良好的滚动轴承也会发生疲劳磨损。因为这时虽然两表面被润滑油膜隔开了，但在滚动过程中两对表面所受的应力是通过润滑油膜传递的。这种应力的性质和大小同样可由赫芝公式求得，且最大压应力同样出现在零件表面，而最大切应力产生于离表面一定距离的下层，如图4-20所示。由于滚动的结果，此处的材料首先出现屈服而塑变硬化，随着外载荷的反复作用，材料塑性耗竭，以致在最大剪应力处首先出现裂纹，并沿最大剪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”，称为点蚀。或以鳞片状从表面脱落下来，称为剥落。§4-4疲劳磨损

§4-4疲劳磨损

没有缺陷的材料中，滚动接触损伤的部位，由赫芝公式求得最大交变切应力的位置确定（例如在离表面约0.786b处）；如果接触中还有一定的滑动，那么损伤的部位就移近表面。然而，实际上材料是不可能完整无缺的。所以最终的损伤部位总是受到杂质、疏松、微裂缝以及其它因素的影响。另一种情况是在纯滚动时，也是接触表面切应力为零，仅在距接触表面一定深度处存在着最大切应力，该处周期性的承受最大切应力作用若干周次后，在其邻近的材料内部可能发生金相组织变化（如由于积累的变形能转为热能，导致局部马氏体变成加火贝氏体），由体积变小导致附加的内应力，即使得表层下某深度处局部弱化（强度、硬度降低，内应力升高），则在这里首先形成与接触表面呈35。~45。倾角的微裂纹，随即沿组织变化的过渡区或沿基体浓度的偏折区扩展到外表面，从而形成锥形麻点坑。它有两种形状：纯滚动接触时，则在离表面一定深度处的主应力和最大初应力分布如图4-21所示。由于其中最大切应力作用的结果，造成距离表面一定深度处为顶点，其锥面平行于最大切应力方向的倒立园锥

形麻点坑。图4-21（a）。若在滚动的同时还有滑动，则在半径较大的滚动体表面沿接触滚动方向将产生附加的正滑移。这时在距表面较小的深度处的应力状况如图4-21（b）所示。由于正滑移的加入，将使得最大切应力作用面的倾角发生一定的偏转，于是在接触面上出现锥底呈扇形的倒锥形麻点坑。若在滚动的同时还有滑动，则在半径较大的滚动体表面沿接触滚动方向将产生附加的正滑移。这时在距表面较小的深度处的应力状况如图4-21（b）所示。由于正滑移的加入，将使得最大切应力作用面的倾角发生一定的偏转，于是在接触面上出现锥底呈扇形的倒锥形麻点坑。但经表面强化处理的机件（如渗碳、淬火），其接触疲劳裂纹往往并不起源于最大切应力处，而是产生在表面硬化层与心部交界的过渡区，只要当该处的剪应力与材料的剪切强度之比大于某值（如0.55）时，就易在接触表面产生表层压碎现象或形成起始裂纹。裂纹的发展一般先平行于表面扩展一段后，再垂直或倾斜接触表面向外发展。先是小的麻点剥落。之后，很快大块剥落，形成表面层压碎的现象。这类剥落深度大，剥落块也大。当硬化层深度不合理、心部强度太低，过渡区存在不利的残余内应力时，容易在硬化层与心部过渡区产生裂纹。滚动接触疲劳磨损的特点、在于负荷给定下到达临界转速后，由于疲劳剥落产生大量的磨屑，在临界转速以前，磨损很小，且滚动轴承能正常地工作相当长的时间。这与滑动轴承形成显明的对照。在滑动轴承中，由于粘着（或磨料）磨损，从磨合阶段一开始就引起摩擦表面逐渐损耗。由此可见，在滚动摩擦中，与使用寿命最密切的是给定速度下的工作时间。所以厂家规定滚动轴承的使用寿命是转数。大量滚动轴承的试验表明，寿命N与所加负荷W的三次方成反比，即在纯滚动中，对球体而言，最大剪切应力的位置从表面算起与成正比（R为球的半径）；对园柱体而言，则与成正比，例如一个直径为1cm的球，承受1000Mpa的负荷，最大剪切应力发生在离球表面0.2mm处。当两滑动表面通过微凸体接触时，一般说来，主要是粘着磨损或磨粒磨损。然而，不难想象，由于滑动接触中存在表面膜，微凸体接触时可能不发生粘着而沿分界面彼此通过，当这样的接触达到临界次数以后，微凸体就会由于疲劳破坏而剥落成为磨屑，即发生表面疲劳磨损。当然，在某种给定情况下，要保持滑动摩擦中磨损形式主要是疲劳磨损，那是有条件的，例如，零件在正常稳定磨损期根据剥层磨损理论就可能出现这样情况。实际上，两个比较硬的摩擦表面磨损的产生，按照粘着理论是不好理解的。但是，如果假设磨损如上述是疲劳过程，那就迎刃而解了，因为每个相接触的微凸体，经过足够次数的接触和变形便产生疲劳剥落而形成磨损颗粒，这就解释了松散颗粒形成的过程。只是这样疲劳磨损机理却无法象粘着磨损理论那样解释金属转移的现象。二、油楔理论固体内部的分子由于吸引力的作用，它们相互连接在一起，并按一定的规律排列，处于平衡状态。但在经过切削加工的表面上，结晶结构变成不完整，存在缺陷。分子间的结合力便减小；同时由于切削加工，表面都存在着微观的缺陷和微观的起伏，容易形成应力集中。又由于在表面存在活性介质的吸附作用，介质楔挤表面结晶的缝隙，不仅使分子间的结合力降低，而且使原原有的裂缝加大；此外，金属经过冷加工以后，表面都有残余应力，如果残余应力的方向与外载荷引起的应力方向相同，也会降低表面强度。由于以上各种原因，可知表面的强度一般低于内部，所以疲劳裂缝容易产生于表面。同时在两个接触面之间，由于法向力和摩擦力（切向力）的综合作用使得接触应力加大，如果在滚动过程中还存在滑动摩擦，则实际最大剪应力十分接近表面，而且摩擦系数与滑动成分愈大愈接近表面。因此，疲劳裂纹最易产生于表面。对滚动疲劳磨损现象作了不同解释。在滚动接触过程中，由于处界载荷的反复作用，表面层的应力及摩擦力，引起表层的塑性变形，导致表层硬化，随着作用时间的增加，表面一些地方产生塑性耗竭，最后与表面呈小于45。角的方向上开始出现初始微裂纹。该微裂纹与接触表面间的倾角愈小。已形成的微裂纹内表面，由于毛细管作用吸附润滑油，使得裂纹的尖端处形成油楔。见图4-22。若滚动方向与裂口方向一致，则当滚动体接触到裂纹裂口处，将把裂口封住，裂纹中的润滑油不能往外跑，从而使裂纹的两内壁承受巨大的挤压力，于是迫使裂纹与表面约呈30。~45。倾角向内扩张。此过程经历若干周次，裂纹由表面向内层扩展到一定深度，起始裂纹口也张大到一定宽度，那么裂纹上部的金属象一个悬臂梁承受变弯曲。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到麻点剥落凹坑。一般剥落深度为0.1~0.2mm。总之，对于滚动接触的理想材料，其破坏位置取决于用赫芝方程求得的最大交变剪应力的位置。对于滚动兼滑动的接触，则破坏位置向表面。材料并不是理想的，其破坏的确切位置会受到材料内存在杂质，孔隙、微观裂纹和其它因素的影响。三、微观点蚀磨损理论裂纹产生的位置，实际上较之最大剪应力理论确定的位置更靠近表面。1977年，K·Berthe等人提出“微观点蚀”这一概念，他们认为，最大剪应力理论是用宏观的赫芝接触应力来分析的，这种分析以接触区表面理想光滑，应力成椭圆分布的前提的，如图4-23所示“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，接触发生在微凸体的峰处，即表面粗糙度使赫芝接触应力分布发生调幅现象，如图4-23中所示“粗糙表面应力分布线”。微凸体每个峰点进入接触都产生一个微观应力分布，其峰点上接触应力为：（4-13）式中，E为摩擦副材料的复合弹性模量；是峰点高度；为油膜厚度；为峰顶曲率半径。可见，这时的点蚀与实际粗糙峰点形状与大小、材料性质、载荷大小以及润滑条件有关。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剪应力的区域相对应，但微观点蚀的最大正交剪应力更接近表面，且裂纹深度比宏观点蚀浅得多（约浅20倍）。D·Berthe等人的实验证实，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，二次裂纹扩展可以形成宏观点蚀。这是宏观点蚀形成的一种机理。对用赫芝理论来解释点蚀产生的观点作了很大修正。四、剥层磨损理论美国麻省理工学院N·P·Suh教授等人，在1973年提出了剥层磨损理论。它主要包含四个过程：即表层变形、裂纹形核、裂纹扩展和磨屑形成。（1）表层变形：零件经过磨合后，硬表面上的微凸体施加于软表面上的切应力（牵引力）引起塑性剪切变形（无明显粘着转移）并且变形随载荷重复作用而累积起来。变形中，无疑高的微凸体首先变形，并覆盖了较低的微凸体。在进一步的变形下，较低的微凸体也发生形变，最后，形成了变形微凸体的层状结构。不言而喻，它们是高度地拉伸了的微凸体的新鲜表面覆盖于另一个高度变了形的微凸体，且它们之间形成了化学键结合。磨屑形成的方式有二：一是上述彼此堆积在变了形的微凸体上层状薄片，由于机械断裂或结合键破坏而剥离成磨屑，其剥离的磨屑片层数（厚度）取决于这些层的材料韧性和键合性质；二是，如果表面仅仅是由于亚表面形核、裂纹扩展与交连而被剥离，则变形微凸体将受到严重的拉伸，磨屑每一层的厚度可能非常小（大约），因每一层都有不同的结晶学方向。对于韧性较差的金属而言，例如含有杂质或溶质合金元素的固溶体，当表面微凸体变形时，它们只发生机械断裂而不会形成层状组织的磨屑。（2）裂纹形核：硬表面上的微凸体对软表面塑性剪切变形，特别是反复作用时，裂纹便在表面下形核。其原因，一是由于产生塑性变形，在金属表层将出现大量位错，但在最表层的位错（深度约几十个毫微米），由于映象力的作用而消失，所以靠近表面的位错密度常常小于内部（亚表面）的位错密度，因而表层金属能够经受更大的塑性变形。最表层位错密度区的厚度决定于金属的表面能和作用在位错上拉应力的大小。一般，面心立方金属的低位错密度层要比体心立方金属的厚。当滑动摩擦继续进行时，在软表面下的有限距离内将出现位错塞积直至产生屈服，且变形随重复载荷作用而累积起来，当该处塑性耗尽时，便产生空穴或微裂纹，（如图4-24a所示）；二是亚表面中的夹杂物及第二相硬质点周围应变集中产生残余应力引起的累积应力与所加载荷引起的应力叠加，也会使该处产生裂纹形核；三是若原来表面下已存在空穴，自然更容易引起裂纹形核。总之，裂纹形核基本上都在表面下一定深度处，即出现在亚表面，因为离表面很近的地方正好是三维高压缩应力区，这对于裂纹形核是不利的。随着法向载荷和切向载荷的增加，裂纹便在更深处形核，而且裂纹形核区的大小也将随着所加载荷的增加而增加，不言而喻，这种情况下产生的磨屑厚度和大小也必然粗大。3）裂纹扩展：裂纹一旦出现，在以后的载荷和变形作用下便引起裂纹延伸与扩展，并和邻近裂纹相交连。运动着的硬微凸体的前方（较软）基体表层，处于弹性或塑性状态，承受压应力；而微凸体后方的基体表层处于弹性状态，承受拉应力（见图4-24b）。由于滑动微凸体的前方基体表面及亚表面均在压缩和剪切作用下，所以不仅表面上的缺陷很容易闭保，而且在压缩区中的亚表面裂纹也倾向于闭合。于是，表面附近的裂纹将因机械作用连锁在一起而能够传递切应力，并意味着此区域即使出现了微裂纹也会受到遏制。然而在微凸体后方基体亚表面中出现的裂纹由于受到最大切应力作用，且处于拉伸区，因而这里的裂纹容易产生应力集中和裂纹尖端的张开（因裂纹尖端处的应力强度因子最大），并决定着裂纹扩展速率。由于裂纹形核所需的循环次数比裂纹扩展所需要的次数少很多，因而当比较硬的金属在外载荷作用下不发生严重的塑性变形时，裂纹形核速率便可能成为决定性过程。固溶体的磨损率随溶质（合金元素）含量的增加而减小（只要溶质不在晶界处偏析而降低其韧性），这是由于单相金属硬度的增加减少了塑性变形速率和摩擦系数之故，从而至使裂纹在较浅的深度处扩展，且扩展速率较低。在金属氧化磨损中，氧化物粒子和（如铜）基体之间的结合很弱，粒子基体界面之间相当于预先存在的裂纹，虽然硬度随着（铜）基体中氧化粒子的体积百分数增加，但同时意味着预先存在的裂纹数目也增加，并且一条裂纹为了其它裂纹相交所需的扩展路程也减小，故磨损率也增加，这意味着裂纹的扩展速率决定着金属的磨损率。由上述可知，当摩擦系数足够大时，滑动微凸体后方基体表层中产生明显的拉伸区时，裂纹扩展速率便成为稳态滑动磨损速率的控制机理；当摩擦系数很小时，平行于表面的裂纹形核速率便成为磨损速率的控制因素。（4）磨屑的剥落：当裂纹扩展到一定临界长度时，裂纹与表面之间的材料由于切应变而以薄片的形式剥落下来。一旦这些片状磨屑变得松散时，由于在这些薄片磨屑中存在有残余应力，其中一些可能变成弯曲形状，而长薄片磨屑则会呈现出螺旋形状或蜷曲状。片状磨屑的残余应力，主要是由于碎片截面的各部位上位错分布不一致而产生的。可以预料，夹在两摩擦表面之间的这些磨屑也可能被碾成球状或更小的碎片。这与材料的性质及滑动状态有关。这里还是指出一点，即从表面剥落成磨屑时，其剥离方向与微凸体运动方向是相反的，这个方向与变形微凸体（塑变的高微凸体覆盖低的微凸体）机械断裂所形成的类似扁平的磨屑的方向相反。由此，可以把亚表面裂纹扩展所形成的磨屑与变形微凸体所形成的剪切混合层磨屑区别开来。五、影响疲劳磨损的主要因素

1．材料冶金质量的影响钢在冶炼时总存在非金属夹杂物等冶金缺陷，对机件（尤其是轴承）的接触疲劳寿命影响很大。轴承钢里的非金属夹杂物有塑性的（如磁化物）、脆性的（如氧化铝、硅酸盐、氧化物等）和球状的（如硅钙酸盐、铁锰酸盐）三类。破坏了基体的连续性，其中以脆性的还有棱角的氧化物、硅酸盐夹杂物对接触疲劳寿命危害最大。由于它们跟基体交界处的弹性变形不协调，引起应力集中，超过基体弹性极限、塑性变型较大，导致材料硬化。则在脆性夹杂物的边缘部分最易造成微裂纹，降低接触疲劳寿命。而塑性的硫化物夹杂易随基体一起塑变。当硫化物夹杂把氧化物夹杂包住形成共生夹杂物时，又可降低氧化物夹杂的坏作用。因此一般认为，钢中适当的硫化物夹杂对提高接触疲劳寿命净化处理。2．热处理组织结构的影响（1）马氏体含碳量：承受接触应力的机件、多采用高碳钢淬炎或渗碳钢表面渗碳强化。以使表面获得最佳硬度。对于轴承钢而言，在未溶碳化物状态相同的条件下，当马氏体含碳量在0.4%—0.5%左右时，接触疲劳寿命最高。而轴承钢中未溶碳化物的总含量应该控制在6.5%以内，否则易形成粗大晶粒及带状组织等缺陷。造成钢中基体碳含量不均匀，使钢中马氏体基体在强度上产生差异，降低抗疲劳磨损的能力。（2）马氏体及残余奥氏体级别：渗碳钢渗火、因工艺不同可以得到不同级别的马氏体和残余奥氏体。若残余奥氏体量越多和马氏体针状愈粗大，则表层有益的残余压应力和渗碳层强度就愈低，容易产生显微裂纹，从而降低材料的接触疲劳寿命。（3）未溶碳化物颗粒形态或带状碳化物：对于钢中马氏体含碳0.5%的高碳钢（轴承钢），虽然马氏体基体中平均固溶碳0.5%，但在与未溶碳化物交界处的马氏体里含碳量高于平均含碳量。此外该未溶碳化物与基体很难一起塑变，因此，凡未溶碳化物颗粒愈粗大，则会使得马氏体基体里的含碳量就有较大的浓度差。跟碳化物接壤的边界处最易成为接触疲劳微裂纹生源地。因此，通常通过热处理，使未溶碳化物颗粒趋于小、少、匀、园为好。假若未溶碳化物呈带状分布的话，则在富碳的碳化物带内易生成脆性较大的针状马氏体。最易成为接触疲劳微裂纹的发源地。所以，必须避免碳化物的带状分布。3．表面层状态对疲劳磨损的影响（1）表面硬度：由于压入高低，可部分反映材料塑变抗力和剪断抗力的大小。因此一定范围内，接触疲劳抗力和剪断硬度的升高增大，但并不永远保持正比关系。对轴承钢而言，当表面的硬度为HRc62左右时，轴承的平均使用寿命最高。如图4-25所示。对齿轮而言，随着表面硬度的增高，则在产生麻点前的啮合次数也愈多，如图4-26所示。然而对于受冲击接触受疲劳的零件，经渗碳、淬火、低温回火后其HRc58-60时，冲击接触疲劳寿命最佳。如图4-27所示。图4-26齿轮啮俣次数与硬度的关系图4-27冲击接触疲劳寿命与硬度的关系（2）心部硬度（强度）：承受接触应力的零件，必须适当的心部硬度。若心部硬度太低，则表心的硬度梯度太陡。使得硬化层的过渡区常因“剪切应力/剪切强度”达0.55值而产生表层压碎现象。实践表明：心部硬度在HRc35-40范围内较适宜。（3）硬化层深度：为防止表层的早期麻点剥落或压碎，则需要有一定的硬化层深度。就齿轮而言，最佳硬化层深度（t）推荐值如下：（4）硬度匹配：硬度匹配直接影响接触疲劳寿命。如将ZQ—400型减速器大小齿轮分别进行调质/淬火，它比原来的正火/调质齿轮副在相同工作条件下寿命提高一倍以上，因为大齿轮系ZG55（模数12），调质成HB241-262，小齿轮系45钢，先调质成HB241-262，齿部感应加热淬火成HRC40-46，使得小齿轮与大齿轮的硬主比保持1.4-1.7的匹配关系，即较硬的小齿轮对较软的大齿轮面有冷作硬化效果，改善啮合条件，提高接触精度，如此的硬度匹配能提高承载能力30-50%，使小齿不易出现麻点，达到大小齿轮使用寿命等长的效果。（5）残余内应力：对于表面硬化钢（如渗碳齿轮）而言，在淬火冷却时，由于表层的马氏体转变温度比心部低。因此，心部先产生体积膨胀的低碳马氏体，其膨胀可被外层塑性较好的过冷奥氏体所调节，随后当表面转变成体积膨胀的高碳马氏体时，必然会受到心部的阴碍。因此，在渗碳层总深约50-60%处产生最大的表面残余压应力。再稍往里一点，就使压应力向拉应力转移，有可能造成如前所述的表层压碎现象。一般说来，当表层在一这深度范围内存在有利的残余压应力的话，不仅可提高弯曲、扭转疲劳抗力，并能提高接触疲劳抗力。4．表面粗糙度的影响以滚动轴承为例，粗糙度为的轴承寿命比的高2-3倍，比的高一倍，比高0.4倍，以上对寿命影响基甚小。生产实践表明：表面硬度愈高的轴承，齿轮等。往往必须经精磨，抛光等工序以降你表面粗糙度。若再辅以适当表面机械强化手段获得综合强化效果的话，可更进一步提高接触疲劳寿命。表4-2为表面粗糙度，接触应力与疲劳磨损间的相互关系。不管粗糙度怎样低，接触应轿一定值的范围内，疲劳磨损寿命最高，超过此值寿命均低。零件表面硬度越高，要求粗糙度越低，否则也会降低寿命。5．润滑的影响凡是润滑油的粘度高则润滑油的极性群的比数加多，接触部份的压力愈接近平均分布，相对地降低了最大接触应力，因而抗疲劳磨损的能力就愈高，油的粘度愈低，愈易渗入裂纹中，加速裂纹扩展，降低了寿命。润滑油中含水量过多（腐蚀作用）对疲劳磨损有较大影响，必须严格控制含水量。润滑油中适当加入某些添加剂（如MoS2）或硫化润滑脂，则因在接触表面层形成一坚固薄膜。能提高抗疲劳磨损性能。实践证明，若采用透平油润滑，则比起变压器油或机油减轻麻点的效果好。§4-5腐蚀磨损

磨擦时材料与周围介质发生化学或电化学相互作用的磨损叫做腐蚀磨损。可以认为，腐蚀磨损时材料的磨擦表面破坏是由于同时发生了两个过程，即腐蚀和机械磨损。机构磨损可能是由于两个相配合表面的滑动磨擦引起的，也可能是在气蚀和非气蚀条件下因有硬颗粒介质流的作用。而腐蚀配合表面破坏是由于材料与介质发生化学的相互作用过程引起的。在金属与气体（特别在高温时）和非电传导液体介质的接触条件下，则发生化学腐蚀。这时金属与介质直接相互作用而不伴随产生电流。在金属与电介质（酸、盐水溶液等）相接触时，则发生电化学腐蚀。这时介质和金属的相互作用可分为两个独立而又相互联系的过程，即金属某一部份溶解的氧化过程和还原过程，同时金属的溶解过程伴随着出现电流。由于介质的性质，介质作用在磨擦面上的状态及磨擦材料性质的不同，腐蚀磨损出现的状态也不同。常见的有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。一、氧化磨损因大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损型式，其损坏特征是金属的磨擦表面沿滑动方向呈匀细磨痕。钢铁氧化生成了Fe2O3（红褐色片状），Fe3O4（黑色丝状）和FeO。铝合金也容易氧化。除金，铂等少数金属以外，大多数金属表面都被氧化膜覆盖，纯净金属表面，在瞬间立即与空气中的氧起反应。生成氧化膜。脆性氧化膜的磨损速度大于氧化速度，容易磨损。而韧性氧化膜与基体结合牢固，磨损速度小于氧化速度，氧化膜起保护作用，磨损率小。氧化铁属脆性，磨损快；氧化铝属韧性，磨损慢。影响氧化磨损的因素有滑动速度，接触载荷、氧化膜的硬度，介质的含氧量，润滑条件及材料性能等因素。一般说来，氧化磨损率比其它磨损轻微得多。当压力一定，在滑动速度很小时，磨擦表面被红色Fe2O3覆盖，磨损量小，属于氧化磨损；在滑动速度增高时，由于磨擦热的影响，将由氧化磨损变为粘着磨损，产生的磨屑较大，磨擦表面粗糙，磨损量剧增；若速度再增高，表面被黑色粉末Fe3O4所覆盖，又属于氧化磨损，磨损量也较小，速度再进一步增大时，则又出现粘着磨损，磨损量剧增。磨损与氧化膜硬度Ho，基体金属硬度Hm有关。若Ho>Hm时，在小载荷下氧化膜容易破碎。当Ho≈Hm时，因载荷而引起小变形时，两者同时变形。若变形量大，则氧化膜容易破碎。若Ho与Hm都有很高，如，载荷引起注变形，氧化膜不易破碎，耐磨性好。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，其磨损值都比在空气中大。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。用油脂润滑时，油脂除了起减磨作用外，又隔绝了磨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，生成酸性氧化物，会腐蚀磨擦面。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。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