摩擦与磨损全第4章-磨损1

摩擦与磨损第四章磨损（1）

12/11/20231.主要内容4.1概述4.2粘着磨损4.3磨料磨损4.4疲劳磨损4.5腐蚀磨损4.6气蚀4.7微动磨损12/11/20232.4.1概述磨损定义：磨损是物体相对接触表面间产生相对运动，从而造成表面材料损失的结果。12/11/20233.磨损的二重性通常情况下摩擦是一种有害的现象，应当尽量减少摩擦；但摩擦有时又是有利的，需要加以利用或设法增加摩擦。由于磨损伴随摩擦而产生，因此也具有二重性。通常情况下，磨损是有害的，因为：降低机械效率；降低零件的精度；产生噪声和振动；缩短机器使用寿命；特别在现代工业自动化、连续化的生产中，某一零件的磨损失效就会影响全线的生产。12/11/20234.但磨损也有它有益的一面：如研磨、超声波加工中，降低零件的表面粗糙度。在机器零件“磨合”过程中，人们往往采用合理的磨合规范，通过加速磨损来缩短“磨合”阶段。去除零件或物体的多余部分。磨削等。12/11/20235.存在问题磨损过程存在各种机械、物理和化学作用。虽然对磨损机理进行了大量的研究，但至今不能像摩擦那样建立比较公认的、定性和定量的结论和定律。大多数金属材料的摩擦系数都在0.1-1.0之间，而磨损率变化范围却很大。对于摩擦与磨损的关系，普遍认为摩擦系数大磨损就大，而事实并非如此。

12/11/20236.分类根据磨损破坏机理和特征，磨损形式一般可分为五类:①粘着磨损;②磨料磨损;③表面疲劳磨损;④腐蚀磨损;⑤微动磨损。12/11/20237.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。磨损量的表示方法:线磨损：以摩擦表面法向尺寸减少量来计量。也可以用线磨损率KL表示，即单位相对滑动距离的摩擦表面法向尺寸减少量。体积磨损：以摩擦表面体积减少量来计量。也可以用体积磨损率KV表示，即单位相对滑动距离摩擦表面体积减少量。重量（质量）磨损：以材料磨损过程中的重量（质量）损失来计量。也可以用重量磨损率KG表示，即单位相对滑动距离与单位表观接触面积的重量（质量）减少量。通过称重法测定。磨损量的表示方法12/11/20238.比磨损率：单位相对滑动距离和单位法向载荷下的体积磨损量。相对磨损率：试件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：标准材料与试件磨损量之比；磨损系数K：摩擦副材料的体积磨损和软材料屈服极限之乘积与摩擦功（滑移距离与载荷之乘积）之比。12/11/20239.图4–1磨损过程曲线

机械零件的正常磨损过程一般可大致分为三个阶段：12/11/202310.1、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，表面微凸体相互剧烈碰撞的几率逐渐减少。在磨合期，系统处于自适应过程，它的特征是磨损率很大。由于起初摩擦表面只有少数粗糙微凸体发生摩擦接触，实际接触面积小，接触应力大，使表面粗糙微凸体发生剧烈破坏、压碎和塑性变形，同时表面发生冷作硬化。表面通过自适应过程逐渐向弹性状态过渡，表面逐渐"磨平"，实际接触面积逐渐增大，磨损速度减缓而进入稳定磨损阶段。12/11/202311.图4-2磨合前、后表面粗糙度的变化情况1—磨合前；2—磨合后12/11/202312.2、稳定磨损阶段磨合的结果，摩擦系统获得了相对稳定的特性。特点是磨损率很小，摩擦学过程保持不变。因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及冷作硬化，从而建立起弹性接触条件。表层的塑性变形使空气中的氧气向金属内部溶解和扩散，在金属表面形成FeO，Fe2O3和Fe3O4固体覆盖膜。极压添加剂等物质也会与表面起化学反应形成固体覆盖膜。如果膜的形成速度等于或稍大于破坏速度，则主要产生磨损率极小的氧化磨损(腐蚀磨损)。12/11/202313.3、"急剧"磨损阶段在长时间的稳定磨损阶段后，当材料的磨损总量达到一定值时，摩擦系统的状态会发生质的转变，摩擦现象也发生重大变化。特点：磨损随时间迅速增长，导致系统突然损坏而失效。原因：表面出现疲劳裂纹，相互交连、成片剥离，导致急剧磨损。属疲劳磨损。表面持油能力下降，流体油膜难以形成，导致金属与金属直接接触，造成金属的剧烈粘着磨损。磨料磨损也引起急剧磨损。也可能是一种主要磨损形式同时伴随其他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。12/11/202314.如果磨合阶段的磨合规范、程序和润滑剂选择不当，不仅会延长磨合期，甚至使正常磨损遭到破坏。如，由于磨合开始的载荷过大，加之选用了差的润滑剂，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着磨损，如曲线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，正常磨损曲线①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大大小于破坏速度时，也会出现上述曲线的情况。

12/11/202315.4.2粘着磨损1．鲍登-泰勃的粘着磨损机理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，比压很大，超过材料的屈服极限，微凸体发生塑性变形。接触斑点发生粘着或冷焊。（无膜纯金属）若表面有膜，但只受法向载荷，粘着不牢固。若受切向力使两物体相对滑动，表面膜会被挤压破裂，产生粘着磨损。除非表面膜的形成速度等于或接近它的破坏速度。4.2.1粘着磨损理论（鲍登-泰勃）12/11/202316.即便有牢固表面膜，在边界润滑状态下，当载荷和滑动速度很大时，表面温度升得很高，润滑油粘度显著下降，甚至蒸发，微凸体也会直接接触，表层金属甚至会软化或熔化，造成严重粘着磨损。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，经历粘着、剪切撕脱和再粘着的循环过程，严重时摩擦副会咬死。

12/11/202317.粘着磨损(adhesivewear)定义：指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。12/11/202318.磨屑的形成在粘着磨损过程中，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，被转移的薄片材料堆积到一定程度后，由于机械断裂、结合链破坏或疲劳断裂而剥离，成为松散的磨屑颗粒。磨屑颗粒大多在摩擦界面间滚动；少数颗粒能再一次被粘附于摩擦表面；有的甚至会增大。磨屑颗粒已被严重氧化，为疏松的层状颗粒，溶解的氧多，吸油性(润湿性)好，不易再次粘附于摩擦表面。12/11/202319.什么条件下易出现粘着磨损？主要是在滑动副或滚动副之间没有润滑油时；或油膜和氧化膜因受到过高的载荷而破裂，造成两摩擦材料直接接触时。例：滑动轴承、减速器以及活塞与气缸摩擦副等，在超载荷或润滑不足时就会因粘着发生胶合。例：电气接触器存在微观粘着焊连、切削刀具出现积屑瘤，也是粘着磨损。12/11/202320.特例：陶瓷或聚合物材料构成的配对副不易发生粘着。塑料与金属配对副，有时希望发生粘着磨损，形成薄薄的塑料转移膜，形成塑料对塑料的相对滑动，减小摩擦系数。这种情况只在低速、高载荷情况下出现。12/11/202321.2．粘着磨损的类型轻微磨损：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，在摩擦力的反复作用下，磨屑呈极薄的层片状剥落。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熔化材料。如铜基轴瓦和钢轴颈的摩擦。12/11/202322.擦伤与划痕：界面强度大于两摩擦材料基体强度，剪断发生在软材料的亚表层，附着在硬金属表面的粘着物将软材料表面划伤，形成沿滑动方向细而浅的擦伤或划痕。如铝与钢对磨。撕脱：摩擦表面粘着点结合强度大于一方或双方基体金属的剪切强度，滑动时剪切破坏发生在一方或双方金属深处。咬死：与④类似，所不同的是粘着区域大，粘着结合强度比双方基体金属的剪切强度高，且外界作用的切向力小于总的粘着结合力，摩擦副之间不能相对滑动，出现咬死。

12/11/202323.3.粘着磨损定量关系式粘着磨损可用阿查德（Archard,1953）公式计算：

式中：L为滑动距离；V为滑动距离L时的总磨损体积；W为载荷；H为较软材料的布氏硬度值；K为磨损系数。12/11/202324.4.影响粘着磨损的主要因素

(1)材料性质脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。塑性材料的粘着破坏常发生在表层深处，磨屑的颗粒大；而脆性材料的粘着破坏常发生在表层浅处，磨屑的颗粒细小。材料的屈服点或硬度愈高，其抗粘着磨损能力也愈强。

不同材料或互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损能力高，如铁与镍、铝相溶，则不能配对成摩擦副；铅、锡、银、铟与铁不相溶，所以常用这几种金属的合金作轴瓦。

金属与非金属（如石墨、塑料等）组成的摩擦副比金属摩擦副的抗粘着磨损性能好。12/11/202325.多相金属比单相金属的粘着倾向小，因多晶材料的晶粒，在变形时要受到其邻近晶粒的影响，当平均晶体直径远大于接触的微观面积时，它们对变形的抑制作用最小，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。不连续组织的粘着倾向性比连续组织的小(因不连续组织有抑制粘着严重滋长的作用)。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。12/11/202326.(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。当载荷值超过材料硬度值的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值的1/3。

12/11/202327.图4-5钢的磨损系数随表观压力变化曲线

12/11/202328.(3)表层性质采用表面处理工艺使摩擦副对偶表面互溶性减少，从而避免同种金属相互接触，可提高抗粘着磨损能力。如电镀、表面化学热处理、表面合金沉积、喷镀、刷镀和堆焊等工艺，都可提高抗粘着磨损能力。12/11/202329.(4)滑动速度在表面平均压力一定的情况下，粘着磨损和磨损率随滑动速度的增大而增大，到了某一极大值后，又随滑动速度的增大而减小。

原因：最初滑动速度的增大主要使表面温度升高而将部分表面膜破坏和使摩擦副的强度降低，粘着磨损增加，相应其磨损率也就增大；当因速度增大而使表面温度高于某一值后，在表面易形成一层氧化膜而阻止金属表面的大面积接触，从而使粘着磨损减少，相应其磨损率也就减小。另一方面，因滑动速度升高而产生热量使表层软化而基体并不软化，也可使磨损减轻。12/11/202330.图4-6磨损量与滑动速度、接触压力的关系曲线

12/11/202331.图4-7磨损量与滑动速度和载荷的关系曲线

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。12/11/202332.

(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位置(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(可达上千摄氏度)。在低速摩擦范围内对磨损有直接影响的是闪点温度。12/11/202333.温度对粘着磨损的影响1)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。温度的升高还可能引起摩擦表面材料发生相变。2)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的氧化物种类，显然这会改变表面的摩擦学性质。3)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。12/11/202334.4）破坏表面膜，使之产生新生面的直接接触；5）使金属处于回火状态，降低了表面硬度；6）材料局部区域温升过高，以致该区域摩擦副对偶表面产生熔化。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（如硬质合金等），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。12/11/202335.(6)润滑油、润滑脂的影响润滑状态对粘着磨损的影响很大，如边界润滑状态下的粘着磨损比液体润滑严重，而液体动压润滑状态下的粘着磨损比液体静压润滑大些。在润滑油、润滑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。12/11/202336.(7)表面粗糙度摩擦副对偶表面粗糙度值越小，其抗粘着磨损能力就越强。新机器的合理跑合是降低表面粗糙度值，减少早期粘着磨损的有效措施之一。但过分地降低表面粗糙度值，因润滑剂在对偶表面间难以储存又会促进粘着磨损。

12/11/202337.提高抗粘着磨损能力的措施1）防止摩擦副表面因过载荷（包括机械载荷和热载荷）而产生塑性变形。2）尽可能使摩擦副上形成油膜以降低摩擦系数和接触应力。3）在润滑油中加入油性或有极压作用的添加剂，在摩擦表面生成保护膜。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、氮等活性元素并与金属表面起化学反应而形成化学反应膜，从而有效地防止或减轻金属表面的粘着。

4）选用效果好的摩擦副材料。非金属(如高分子材料、陶瓷等)不宜与金属产生粘着磨损。所以，优先采用陶瓷对陶瓷、塑料对塑料、陶瓷与金属、塑料与金属、塑料与陶瓷配对副，避免使用金属对金属配对副。12/11/202338.5）当使用金属配对副时，应优先采用密排六方晶体或体心立方晶体材料，避免采用面心立方晶体材料，特别要避免采用奥氏体钢。6）采用非匀质组织的材料。7）摩擦副宜选用互溶性小的金属，即不要选用晶格类型相同或相近的金属，Pb在Ni、Cr、Fe中的溶解度很低，是很好的摩擦副材料，但其强度低，所以应取其合金(如铅青铜)，或作为表面涂层来使用。8）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。12/11/202339.9）采用表面处理工艺。表面氮化、渗硫、电镀或采用非金属涂层，可提高摩擦表面抗粘着能力，有效地阻止金属的粘着。10）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)，可以阻止粘着磨损的产生。12/11/202340.4.3磨料磨损在工业领域中，磨料磨损是最主要的一种磨损类型。磨料(或磨粒)：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入的硬颗粒)都是磨料。研究中磨料更多的是指非金属矿物和岩石，如SiO2、A12O3等。

磨料磨损：当摩擦副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，称为磨料磨损。4.3.1磨料磨损及其机理12/11/202341.金属表面发生局部塑性变形磨粒嵌入金属表面，切割金属表面表面被划伤潘存云教授研制12/11/202342.磨料磨损存在的场合：①运输机械、农业机械、建筑机械和矿山机械等，常与泥沙、矿石或灰渣等直接摩擦，容易发生磨料磨损。②磨屑不能及时清除，也会导致磨料磨损。③机械零件大约有50%是由于磨料磨损而损坏。12/11/202343.特点提高表面硬度（从选材方面）；减少