摩擦与磨粒课件

材料的磨損⒈定義：由於機械作用間或伴有化學或電的作用，物體工件表面材料在相對運動中不斷損耗的現象。⒉說明：⑴磨損不僅局限於機械作用⑵強調磨損是相對運動中產生的現象。⑶磨損發生在物體工作表面材料上。⑷磨損是不斷損失或破壞的現象。§1磨損的重要性與定義1.按機理一般分為：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、接觸疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損、衝擊磨損2.按磨損程度不同的相對的分類：輕微磨損、嚴重磨損3.表面破壞方式和磨損機理關係簡圖§2磨損的分類輕微磨損嚴重磨損點蝕膠合微動磨損鑿削式擦傷粘著磨損磨料磨損剝層磨損疲勞磨損電腐蝕磨損腐蝕或氧化磨損表面損壞方式磨損機理表面破壞方式和磨損機理關係簡圖磨損時零件表面的損壞是材料表面單個微觀體體積損壞的總和目前磨損的評定方法沒有統一標準常見的三種方法：一、磨損量二、耐磨性三、磨損比§3磨損的評定方法評定材料磨損的基本磨損量：長度磨損量Wl：是指零件表面尺寸的改變量體積磨損量Wv：是指零件表面體積的改變量重量磨損量Ww：是指零件表面重量的改變量

磨損量磨損率Wt：表示其時間的特性磨損強度W：表示單位磨擦距離的磨損量磨損速度WT：表示機器完成一個單位工作量的磨損量考慮磨損是時間的函數耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性分相對耐磨性和絕對耐磨性兩種相對耐磨性ε：是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值，其中材料A是標準（或參考）試樣εA=WA/WB--------WA和WB

一般用體積磨損量耐磨性通常也用絕對指標W-1

或W-1.即用磨損量或磨損率的倒數.W-1

=1/W或W-1

=1/W耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數絕對耐磨性和相對耐磨性的關係εA=WA×W-1磨損比沖蝕磨損過程中常用磨損比來度量磨損必須在穩態磨損過程中測量，否則差別過大不論磨損量、耐磨性、磨損比都是在一定的實驗條件或工況的相對指標，不同實驗條件或工況的數據不可比較。

沖蝕磨損概述沖蝕磨損：是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進行衝擊所造成的磨損。沖蝕磨損可分為：分氣固沖蝕、流體沖蝕、液滴沖蝕及氣蝕（根據顆粒及其攜帶介質的不同）。沖蝕磨損現象在生產、生活中普遍存在。造成損失和危害嚴重，但也有應用其原理對機器零件表面進行清理和強化，如噴砂和噴丸等。國內外研究工作開展較多，本課程主要介紹氣體介質攜帶固體磨粒對材料表面的沖蝕磨損。§1沖蝕磨損理論影響較大的理論有：延性材料的切削磨損理論脆性材料的斷裂磨損理論變形磨損理論絕熱剪切與變形局部化磨損理論薄片剝落磨損理論一、延性材料的切削理論芬尼（Finnie.I.），1958，物理模型FPα切削幾何模型切削過程中作用在磨粒上的接觸應力模型模型假設一顆多角形磨粒，品質為m，以一定速度v，沖角α衝擊到靶材的表面。理論分析的靶材的磨損體積：m----沖蝕磨粒的品質；v----磨粒的沖蝕速度V----靶材的磨損體積；P-----靶材的流動應力α-----磨粒的衝擊角；K-----常數磨粒如一把微型刀具，當它劃過靶材表面時，變把材料切除而產生磨損。公式表明：材料的磨損體積與磨粒的品質和速度的平方（即磨粒的動能）成正比，與靶材的流動應力成反比，與沖角α成函數關係。實驗研究表明：對於延性材料，多角形磨粒，小沖角的沖蝕磨損，切削模型非常適用；對於不很典型的延性材料（如一般的工程材料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨粒），沖角比較大（特別是沖角=90°）的沖蝕磨損偏差較大。二、脆性材料的切削理論脆性材料在磨料衝擊下幾乎不產生變形。芬尼等人根據赫茲應力分析，認為是在缺陷的地方產生裂紋裂紋不斷擴展而形成碎片剝落。當磨粒尺寸較大時，磨損量隨沖角的增加而增加。當沖角等於90°時，磨損量最大。模型謝爾登（Sheldon）和芬尼，1966，沖角為90°，脆性材料，沖蝕磨損，脆性材料的斷裂模型脆性材料（單位重量磨粒）沖蝕磨損量的運算式對球形磨粒：對多角形磨粒：對任一形狀磨粒：E為靶材的彈性模量δb為材料的彎曲強度r為磨粒的尺寸v0為磨粒的速度m為材料缺陷分佈常數實驗表明，幾種脆性材料的a和b實驗值與理論值基本一致（如玻璃、MgO、石墨等）其中埃文斯（Evans）研究：脆性材料的沖蝕磨損體積V決定於靶材和磨粒的性質，運算式與實驗吻合很好。沖蝕速度磨粒尺寸磨粒的密度靶材的斷裂韌性靶材的硬度三、變形磨損理論比特（Bitter），1963，提出：沖蝕磨損分為變形磨損與切削磨損；90°沖角下的沖蝕磨損是和粒子衝擊時靶材的變形有關。反復衝擊產生加工硬化，提高材料的彈性極限，直到應力超過材料的硬度，形成裂紋。從能量角度出發，推導出變形磨損量WD和切削磨損量WC；WD=M（Vsinα-K）2/2εWc=×(Vsinα-2MC(Vsinα-K)2×(Vsinα）1/2C(Vsinα-K)2(Vsinα)1/2Q)M2Q[V2cos2α-K1(Vsinα-K)3/2α＜α0Α＞α0W=WD+WCM為衝擊磨粒的品質V為磨粒的速度；α為衝擊角；ε為變形磨損係數；Q為切削磨損係數；α0為兩式相等時的角度；C、K、K1都為常數該理論設想正確，並得到證實。謝爾登和凱希爾，1972，第一臺單顆粒沖蝕磨損實驗機，2.5mm，SiC磨料、鋼球、玻璃球，直接觀察到磨痕形貌，衝擊坑邊緣的“擠出唇”，並很容易被後衝擊的磨粒打掉。四、絕熱剪切與變形局部化磨損理論哈青斯，1979，9.5mm，鋼球，270m/s，衝擊低碳鋼發現變形唇。在一個狹窄的帶狀區域變形非常嚴重。高速攝影機研究粒子衝擊過程，估算沖蝕時材料的應變率高達105~107s-1。高應變率導致很高溫升。首先是使變形過程絕熱化，其次是變形的局部化將形成絕熱剪切帶。哈青斯首先把絕熱剪切與變形局部化概念引入沖蝕磨損過程中。證明：鈦（哈青斯）、鋁（克裏帝曼）、銅（奎迪耳）、材料熔化現象（尤斯特和布朗）、20鋼（中國礦大）、火花現象、熔化的球狀磨屑現象（272頁照片）現在已經得到普遍承認，一些研究者並提出了相應的數學模型。五、薄片剝落磨損理論萊維及其同事使用分步沖蝕實驗法和單顆粒尋跡法研究沖蝕磨損的動態過程。發現不論大沖角（如90°）還是小沖角的沖蝕磨損，由於磨粒的不斷衝擊，使靶材表面材料不斷受到前推後擠，於是產生小的、薄的、高度變形的薄片。形成薄片的大應變出現在很薄的表面層中，該表面層由於絕熱剪切變形而被加熱到（或接近於）金屬的退火溫度，形成一個軟的表面層。在這個軟的表面層下麵，有一個由於材料塑性變形而產生的加工硬化區。這個硬的次表層一旦形成，將會對表面層薄片的形成起促進作用。在反復的衝擊和擠壓變形作用下，靶材表面形成的薄片將從材料表面上剝落下來。理論得到許多研究者的贊同和證實。是當前延性材料沖蝕磨損中一種比較有前途的磨損理論。§2影響沖蝕磨損的主要因素一、磨粒的影響⒈磨粒硬度的影響一般認為沖蝕磨損量是磨粒硬度的函數⒉磨粒形狀的影響尖角形的磨粒比圓球形磨粒在同樣條件下產生更大的沖蝕磨損；圓球形磨粒沖蝕時，靶材以犁溝變形為主，多角形的磨粒沖蝕則以切削為主；磨料形狀對產生最大磨損的沖角有影響；延性材料產生最大磨損的沖角約為16~30°；但是脆性材料的與磨粒形狀關係不大。⒊磨粒尺寸的影響磨粒尺寸很小時，對沖蝕磨損影響不大；隨著磨粒尺寸的增加，靶材的沖蝕磨損也增大，當尺寸增大到一定值時，磨損幾乎不在增加，這種現象稱為“尺寸效應”。磨粒存在的臨界尺寸。對於脆性材料，隨沖角的增加，沖蝕磨損也增大，當沖角為90°時，達到最大值。但當磨粒尺寸減小到一定程度時，其磨損曲線發生變化，具有延性材料的特徵。對於延性材料無上述特徵。⒋磨粒破碎的影響磨粒在衝擊靶材表面時，會產生大量碎片。這些碎片能除去磨粒在以前衝擊時在靶材表面形成的擠出唇或翻皮，增加靶材的磨損。由於碎片造成的磨損稱為二次磨損。磨粒未形成碎片時造成的磨損稱一次磨損。沖蝕磨損是一次磨損與二次磨損的總和。⒌磨粒嵌鑲的影響在沖蝕磨損初期，由於磨粒嵌鑲於靶材的表面，因此靶材的磨損量很小，甚至不是產生失重而是增重，即產生負磨損，該階段稱為“孕育期”。一段時間（或沖蝕了一定量的磨粒）之後，當靶材的磨損量大大超過嵌鑲量時，才變為正磨損。隨沖蝕磨粒數量的增加，靶材的磨損量也穩定增加，該階段稱為穩定（態）沖蝕期。延性材料，尤其是沖角為90°時，磨粒更容易嵌鑲於靶材的基體，使靶材表面的性能變壞。脆性材料，尤其是球形磨粒時，難以嵌鑲，影響小。二、沖蝕速度的影響因為沖蝕磨損量和磨粒的動能有直接關係，沖蝕速度的影響很大。∈=KvnK是常數，v是沖蝕速度，n是速度指數，一般情況n=2~3，延性材料波動小，n=2.3~2.4，脆性材料波動大，n=2.2~6.5；存在速度門檻值，低於該值不產生沖蝕磨損，只發生彈性變形，該值與磨粒大小相關。三、沖角的影響沖角是指磨粒與靶材表面間的傾角；延性材料的沖蝕磨損開始隨沖角增加而增大，當沖角為20~30°時，磨損量最大，之後隨沖角增加而減小。脆性材料則隨沖角增加，磨損量不斷增加，當沖角為90°時，磨損最大。沖角對靶材的沖蝕磨損機制影響很大。低角度沖蝕，磨損機制以微切削和犁溝為主。高角度沖蝕，延性材料起初為鑿坑和塑性擠出，多次衝擊反復變形和疲勞，引起斷裂與剝落。脆性材料在大尺寸磨粒和大衝擊能量的垂直衝擊下，以產生環行裂紋和脆性剝落為主，往往一次衝擊就能使材料流失；但小尺寸磨粒、衝擊能量較小時，則具有四、溫度的影響一些情況，隨著環境溫度的升高，沖蝕磨損加劇；某些材料高溫下，塑性提高，耐磨性也隨之提高，或者在高溫下，材料表面可能形成氧化膜，都會使沖蝕磨損量隨溫度升高而減小。五、靶材的影響⒈宏觀硬度的影響⒉加工硬化的影響⒊材料組織的影響§3沖蝕磨損的實驗裝置幾種主要的固體粒子沖蝕磨損實驗裝置一、真空落下式實驗裝置二、離心式粒子加速實驗裝置三、真空旋臂式沖蝕磨損實驗裝置四、噴射式沖蝕磨損實驗裝置§4漿體沖蝕磨損液體介質攜帶固體粒子以一定的角度和速度對材料表面進行衝擊，使材料表面產生磨損的現象稱為漿體（液體—固體）沖蝕磨損。例如：泥漿泵中泥漿對泵體和葉輪的磨損。研究迄今尚不深入；一般認為沖速不高的漿體沖蝕磨損主要是由其中的固體磨粒造成的。但漿體中液相存在必然有一定影響。與固體粒子沖蝕磨損的差異⒈沖蝕速度和沖蝕角⒉漿體的沖刷作用⒊漿體的冷卻作用與固體粒子沖蝕磨損規律的比較⒈沖蝕角和沖蝕磨損率的關係⒉沖蝕速度與速度指數⒊漿體性質對沖蝕磨損的影響⒋靶子材料的影響與固體粒子沖蝕磨損的差異⒈沖蝕速度和沖蝕角⒉漿體的沖刷作用⒊漿體的冷卻作用與固體粒子沖蝕磨損規律的比較⒈沖蝕角和沖蝕磨損率的關係⒉沖蝕速度與速度指數⒊漿體性質對沖蝕磨損的影響⒋靶子材料的影響

腐蝕磨損§1氧化磨損一、氧化磨損過程二、氧化磨損方程三、氧化膜性質對磨損的影響⒈氧化膜與基體金屬的體積比⒉氧化膜硬度H0與金屬硬度Hm之比①H0＞＞Hm②H0≈Hm③H0和Hm都很高時，⒊氧化膜的機械性能⒋氧化膜與工作環境的關係一、磨損過程二、影響因素⒈腐蝕介質的性質、溫度與零件應力狀態的影響⒉材料性質的影響

§2特殊介質中的腐蝕磨損一、電化學腐蝕二、鋼鐵在含氧水中的腐蝕磨損⒈濕腐蝕⒉電位差是濕氧化的動力⒊氧化率§3電化學腐蝕磨損三、影響因素⒈金屬⒉溫度一、磨料磨損二、腐蝕三、衝擊

§4腐蝕磨料磨損

減摩材料和摩阻材料按工況條件和使用要求摩擦副材料分3大類：耐磨材料、減摩材料、摩阻材料。⑴應具有低而穩定的摩擦係數；⑵減摩材料本身耐磨性要好，且對與之摩擦部件的磨損也要小。此外，要有良好的抗粘著性和良好的磨合性。⑶摩擦副要承受一定負荷，所以要求減摩材料具有一定的抗塑性變形能力、較高的疲勞強度和衝擊韌性。§1減摩材料對減摩材料性能的要求⑷應具有一定的熔點，高的導熱性和熱容量，熱膨脹係數小，對油膜的吸附性強，抗腐蝕性好。⑸應具有良好的工藝性能，且生產工藝應簡單易行，造價低。對減摩材料性能的要求⑴軸承合金⑵粉末冶金⑶金屬塑膠⑷金屬纖維⑸化學滲減摩層⑹非金屬減摩材料按構成物質和製造方法，減摩材料分：①巴氏合金：錫基巴氏合金、鉛基巴氏合金②銅基和鋁基：銅基軸承合金、鉛基軸承合金1.軸承合金§2摩阻材料⑴應有足夠而穩定的摩擦係數，靜、動摩擦係數之差要小，且摩擦係數基本不隨外界條件變化而變化。⑵應具有良好的導熱性，較大的熱容量，有一定的高溫機械強度。⑶應有良好的耐磨性，且不易被劃傷摩擦配偶件的表面以及與之嚴重粘著。磨合性好，在摩擦過程中噪音、振動小。⑷原料來源應充足，工藝簡單易行，造價低。一、對摩阻材料性能的要求分為：金屬型（鑄鐵、粉末冶金摩阻材料）非金屬型（石棉、橡膠）及半金屬型。二、常用金屬摩阻材料

接觸疲勞磨損主要由於交變接觸應力長期作用而引起的表面疲勞剝落現象，稱為接觸疲勞磨損。接觸疲勞磨損失效的主要形式有點蝕和剝落。即在原來光滑的表面上產生深淺不同的凹坑（也稱麻點）和較大面積的剝落坑。點蝕坑表面形貌常為“扇形”剝落裂紋一般從亞表層開始，沿與表面平行的方向擴展，最後形成片狀的剝落坑。§1接觸疲勞磨損理論一、載荷與幾何形狀的影響二、材料性質的影響⒈表面粗糙度的影響⒉材料硬度和匹配的影響⒊熱處理和組織的影響⒋材料冶金品質的影響三、其他因素的影響

§2影響接觸疲勞磨損的主要因素§3接觸疲勞磨損的檢測

金屬表面的接觸§1接觸表面的相互作用

接觸位置兩個表面相應微凸體高度之和的最大值部分開始接觸變形彈塑性變形狀態，成對最高的微凸體變形最大粘著作用粘著點---面積小應力大---分子相互作用

機械相互作用以變形和位移適應相對運動

摩擦副分類（按金屬焊合性）完全焊合性：Pb-Cu、Zn-Cu、Al-Cu、Cu-Fe、Mg-Al、Mg-Cu；部分焊合性：Cu-Ag、Zn-Fe、Al-Fe、Zn-Al、Zn-Ti、Al-Ti；有限焊合性：Ag-Zr、Pb-Fe、Ag-Fe、Mg-Fe；

機械相互作用發生變形和位移以適應相對運動較硬的材料的微凸體會嵌入較軟材料的表面中，較軟材料的表面微凸體被壓扁和改變形狀。

運動方向AB微凸體互嵌——微凸體不發生變形就不能產生運動宏觀位移——在運動中硬球A壓向較軟的表面B時引起材料B的位移§2接觸面積

分類：名義接觸面積-----------An即接觸面積的宏觀面積，由接觸物體的外部尺寸決定，又稱表觀接觸面積。輪廓接觸面積---------Ap即物體的接觸面積被壓扁部分所形成的面積，與載荷相關。實際接觸面積-----------Ar即物體實際接觸面積的總和

實際接觸面積與所加載荷的關係K為與材料彈性性質和假設的表面結構有關的係數；m依表面接觸模型而異；表面接觸的形式愈複雜，實際接觸面積與載荷愈接近線形關係。兩個固體表面接觸時，Ar僅為An的很少一部分，一般為0.01~0.1%，而Ap一般為An的5~15%。Ar=KLm理查德Archard實際接觸面積與載荷的關係

微凸體等高的情況：假設：粗糙表面、微凸體、半徑為R、球面弓形體、載荷影響獨立、基準平面xx′、高度相等、單位名義面積的光滑平面。

xx′zd彈性接觸

實際接觸面積Ai比An小名義接觸面積接觸半徑δ為法向接近量原因：加載時彈性球的側向變形受到限制。故實際接觸面積Ai比An小。

按赫茲理論計算每個微凸體各個微凸體發生相同變形並承受相同載荷Li，當單位面積有n個微凸體，總載荷L為nLi（z-d）為法向接近量Ｅ′綜合彈性模量、υ為泊松係數

實際接觸面積與載荷的關係塑性接觸假設載荷使微凸體在一恒定流動壓力p下發生塑性變形，材料作垂直向下的位移而不作水準擴展。則實際接觸面積Ar等於名義接觸面積2πRδ實際接觸面積Ar與載荷成線形關係載荷可表示：§3接觸力學

1.接觸模型分類：3種球面與球面的接觸球面與平面的接觸棒與棒的接觸

所有金屬表面都是由很多微凸體組成，而微凸體可以看作微小的球體，所以平直物體的接觸可以看作粗糙球面接觸。

1第一、二種模型：車輪、滾動軸承、齒輪接觸第三種模型：只適用於微凸體數目較多且彼此大小相近的情況，如機床導軌、銼刀與平面的接觸2.接觸應力分析

2.1球面與球面的接觸假設：兩球體接觸，半徑R1，R2，壓力L，表面局部彈性變形，形成半徑為a的圓形接觸面。LR1R22a接觸應力：壓力經過接觸面傳遞到第二個表面而在接觸面上形成的應力，是一種表面應力。接觸面壓力分佈不均勻，呈橢圓分佈。

赫茲假定：（1）材料為完全彈性體（2）表面是光滑的（3）接觸物體沒有相對滾動（4）接觸物體不傳遞切向力

當兩球為鋼球時，E1=E2=E，υ1=υ2=0.3綜合曲率半徑R滿足：最大接觸應力位於接觸圓面的中心；而r=a處，應力為零。

2.2球面與平面的接觸令接觸兩球中的一球半徑R2趨於無窮大設圓球面積為R0LO·2a彈性壓入面積壓縮應力2.3

圓球面與凹球面的接觸

在接觸兩球中，令凹球半徑為-R2。可看作球面與凹球面的接觸。

最大的剪應力τmax在x=0處，且離表面0.47a的材料內部。如o點。兩個鋼制圓柱體接觸

平均壓力q=L/s，s為圓柱體長。

在彈性變形時，最大接觸壓應力與載荷不成線形關係，而是與載荷的平方根或立方根成正比①應力和載荷成非線形關係；②應力與材料的彈性模量E和泊松係數υ有關

2.5接觸應力的特徵3種接觸情況只是綜合曲率半徑R的意義不同，起最大接觸應力的運算式是完全相同的。而且，最大接觸應力是在表面上，位於接觸面中心。§4接觸變形

球體和平面的接觸為例載荷L，半徑R的球體，剛性平面，彈性接觸，球體彈性變形。

1.變形量：2.實際接觸面積：

彈性接觸3.平均接觸應力：

時由彈性變形進入塑性變形。

當Ｈ－材料布氏硬度4.塑性變形的條件：過渡點：由完全彈性到完全塑性

同除Rs1/2得：Ｒs－微凸體高度均方根5.塑性指數：通常將的倒數稱為塑性指數，用ψ表示。ψ－塑性指數（無量綱）Ｅ―綜合彈性模量（Ｎ／cm２）Ｈ－材料布氏硬度（Ｎ／cm２）Ｒs－微凸體高度均方根（μm）Ｒ－微凸體曲率半（μm）表面粗糙度Rs增加時，ψ也增大，表示微凸體接觸部分容易過渡到塑性變形。ψ<0.6―――完全彈性接觸ψ>10―――完全塑性接觸0.6≤ψ≤10―――彈性和塑性變形同時存在大多數都屬第三種6.依據ψ判斷表面接觸狀態

金屬表面特性§1

金屬表面幾何形狀固體的表面性質表面形貌：表面的形狀表面組成：表面結構和物理、化學性質微凸體：…凸起的波峰……表面幾何形狀誤差用表面波紋度、表面粗糙度描述1.表面波紋度又稱宏觀粗糙度是零件表面週期性重複出現的一種幾何形狀誤差。減少零件實際支承表面面積，在動配合中使零件磨損加劇。波高h：波峰與波谷之間的距離。波距s：相鄰兩波形對應點的距離。

h/s≈1：40

；s一般1~10mm

表面形貌輪廓微凸體xmm樣品長度l中線：實體面積=空間面積空間實體Zi2.表面粗糙度又稱微觀粗糙度，無明顯的週期性波距s較短（約2~800μm）波高h較小（約0.03~400μm

）表面粗糙度越低，則表面越光亮。評定指標：Ra---輪廓算術平均偏差、Rq---輪廓均方根偏差Rz---微觀不平度十點高度、Ry---輪廓最大高度。

輪廓算術平均偏差Ra中線m：實體面積＝空間面積

Zi—以中線為起點度量出的廓形高度n—在樣品標準長度l內的測量次數l—隨粗糙度而定，粗糙度等級不同，l值不同輪廓均方根偏差Rq輪廓圖形上各點和中線之間距離平方的平均值的平方根Zi大的點比重大，能高度反映粗糙度Ra≈0.8Rq

微觀不平度十點高度Rz是在標準長度l內五個最高的輪廓峰高的平均值與五個最低的輪廓穀深的平均值之和

hpi—第i個最高的輪廓峰高hvi—第i個最低的輪廓穀深輪廓最大高度Ry是表面經常出現的微觀不平度的最大高度。即在標準取樣長度內輪廓頂線和輪廓穀底線之間的距離。一般取若干段，求Ry的平均值，避免出現用R偶然代替

Ry相互換算（在一定程度上）

表面Rq/Ra

Rz/Ra

Ry/Ra

車削磨削研磨隨機統計1.10~1.151.18~1.301.30~1.501.254~55~7----

----4~57~147~148.03.表面輪廓高度的分佈

以表面輪廓中線為x軸，在標準長度l內，每隔一定距離Δl，測量輪廓圖形距參考中線的高度Z1、Z2、……Zi然後求出同一Z值的個數，作為該高度的縱標頻數。微凸體高度分佈微凸體高度分佈曲線表面粗糙度越低，曲線越接近正態分佈

ΔlZ1Z2ZiZx頻率磨削表面輪廓高度分佈曲線

-075-05–02500.250.50.75高度z（μ）80604020頻率§2支承面積曲線能表示粗糙表層的微凸體的高度分佈表示表面磨損到一定程度時，支承面積的大小主要用於計算實際接觸面積簡便起見，一般用二維作圖法求支承面積曲線

llx3x2x1a1a2a3b1b2c1c2c3a1c1a2b2c2a3b3c3理想支承面積曲線輪廓支承長度率tptp=(a+b+c+……)/ltp=Ax/A0tp=bxν(近似逼近支承面積開始的一小段)Ax—距峰頂為x處的支承面積

A0—距峰頂為Ry處的支承面積

x—距峰頂的距離B、ν—支承面積曲線參數，實測或計算獲得支承面積曲線即輪廓支承長度率是所有縱坐標分佈曲線的累計分佈，由於大多數工程表面輪廓高度都接近正態分佈支承面積曲線可表示為

Z為從中線開始測量的輪廓高度ψ（z）為輪廓高度分佈的概率密度函數輪廓圖形的高度層按支承面積大小將輪廓圖形分為三個高度層<25%-----為波峰，為最高層25%~75%------為波中，為中間層>75%--------為波谷，為最低層

波峰與摩擦磨損有很大關系波谷與潤滑情況下貯油性有關

§3金屬的表面結構

金屬的晶體結構面心立方晶胞fcc銅、銀、金、鋁、鎳、鉛、銠、γ鐵、…….體心立方晶胞bcc釩、鈮、鉬、鉻、鋇、α鐵、α鎢……密排六方晶胞hcp鎂、鋅、鎘、鋯、α鈹、α鈦、α鈷

表面晶體結構及缺陷

點缺陷肖脫基空位、弗蘭克爾空位線缺陷位錯---刃型位錯、螺型位錯、混合位錯面缺陷介面

固態金屬材料的重要介面表面指所研究的金屬材料系統與周圍氣相或液相介質的接觸面。晶界、亞晶界指多晶體材料內部，結構及成分相同，而位向不同的兩部分晶體之間的介面。相界指晶體內部，結構不同，甚至成分也不同的兩部分晶體之間的介面§4表面能與表面張力

表面能大小與晶格類型有關隨結合鍵能增加而增加。根據結合鍵能可以預計斷開一個粘著接點所需的能量。表面自由能指晶體表面的單位面積自由能的增加，J/m2也可以用單位長度的表面張力（N/m）來表示。表面張力作用與表面上，力圖使表面縮小。低表面能的晶面暴露在晶體的外表面晶體中各個晶面能不相同密排面的表面能較小（因為層面間距較大）。表面能愈低的面，摩擦也越小。§5金屬表面的化學性質

物理吸附由於分子或原子相互吸引而產生的吸附。吸附能力較弱，對溫度敏感，熱量可使分子脫吸一般能量小於104J/mol。一般是在常溫、低速、輕載條件形成。吸附和脫吸是完全可逆

化學吸附

吸附膜與固體表面之間發生電子互換或存在共用電子對。吸附膜與固體表面的結合力強。穩定，不可逆，高溫下才脫吸。一般是在中等載荷、中等滑動速度及中等溫度下形成。吸附強弱與固體表面和被吸附物質的特性有關。基本是一單層過程。氧化金屬表面在加工過程中，新生表面一旦暴露，很快與空氣中的氧起化學反應，形成金屬氧化膜

Fe2O3Fe3O4FeOFe§6金屬表層的組成

普通髒汙層---油污或灰塵吸附層----大氣中液體或氣體分子吸附膜氧化層---金屬表面與空氣中的氧形成氧化物層。貝氏層---由於急加工中表面熔化和表面分子層的流動。變形層----由於機加工而形成的變質層。普通髒汙層吸附層氧化層貝氏層嚴重變形層輕度變形層金屬表層的組成

摩擦§1摩擦的定義及分類一、定義：摩擦力：兩個相互接觸的物體在外力作用下發生相對運動或具有相對運動的趨勢時，在接觸面間產生切向的運動阻力。摩擦：上述現象稱為～。外摩擦：摩擦與兩物體接觸部分的表面相互作用有關，而與物體內部狀態無關，稱為～內摩擦：阻礙同一物體（如液體和氣體）部分間相對移動的摩擦。二、分類：

1.按摩擦副的運動狀態①靜摩擦：靜摩擦力隨作用於物體的外力變化而變化。當外力克服了最大靜摩擦力時，物體才開始宏觀運動。②動摩擦：一個物體沿另一物體表面相對運動時產生的摩擦。動摩擦力一般小於靜摩擦力。2.按摩擦副的運動狀態①滑動摩擦：物體接觸表面相對滑動時的摩擦。②滾動摩擦：在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動時的摩擦。3.按摩擦副的運動狀態①純淨摩擦：摩擦表面沒有任何吸附膜或化合物存在時的摩擦。在接觸表面產生塑性變形（表面膜破壞）或在真空中摩擦時才發生。②幹摩擦：在大氣條件下，摩擦表面間沒有潤滑劑存在時的摩擦。③流動摩擦：相對運動的兩物體表面完全被流體隔開時的摩擦。摩擦發生在流體內部，流體可以是液體或氣體。④邊界摩擦：摩擦表面間有一層極薄的潤滑膜存在時的摩擦。該膜稱為邊界膜，厚度大約為0.01μm或更薄。⑤混合摩擦：屬於過渡狀態的摩擦。如：半幹摩擦，半流體摩擦。半幹摩擦：同時有邊界摩擦和幹摩擦的情況。半流體摩擦：同時有流體摩擦和邊界摩擦的情況4.按摩擦副工作條件①正常工況條件下摩擦②特殊工況條件下摩擦現代機器設備中的摩擦副很多處於高速、低溫、真空、輻射等特殊環境下，其摩擦磨損的性能也各具特點。

§2古典摩擦定律二、古典摩擦定律①摩擦力與作用與摩擦面的法向載荷成正比，（庫侖定律）②摩擦力的大小與名義接觸面積無關③靜摩擦力大於動摩擦力④摩擦力的大小與滑動速度無關⑤摩擦力的方向總與接觸表面間的相對速度的方向相反。一、歷史淵源：古典摩擦定律片面性分析①第一條：當法向壓力不大時，對於普通材料，摩擦力與法向載荷成正比，即摩擦係數為常數。實際上，摩擦係數是與材料和環境條件有關的綜合特性係數。當法向壓力大時，對於某些極硬材料（如鑽石）或軟材料（如聚四氯乙烯）摩擦力與法向載荷不呈線性比例。②第二條：對於有一定屈服點的材料（如金屬）才能成立。對於彈性材料（如橡膠）或粘彈性材料（如某些聚合物），摩擦力與名義接觸面積大小有關。對於很潔淨、很光滑的表面或承受載荷很大時，接觸面間有強烈分子引力，摩擦力和名義接觸面積成正比。③第三條：對於粘彈性材料都不適用。粘彈性材料的靜摩擦係數不一定大於動摩擦係數。④第四條：對於很多材料，摩擦係數和滑動速度有關。在15至18世紀還沒有出現現代的高速機器。§3滑動摩擦古典摩擦定律是在滑動摩擦的實驗基礎上提出的。滑動摩擦理論一般把純淨表面間的幹摩擦作為一種理想的摩擦狀態。

一、滑動摩擦理論1.機械嚙合理論（18世紀以前）觀點：摩擦表面凹凸不平，凹凸部分交錯嚙合，阻礙物體相對運動。摩擦力是所有嚙合點的切向阻力的總和。摩擦係數為粗糙斜角θ的正切，表面越粗糙，摩擦係數越大。不適用粗糙度達到表面分子引力發生作用的情況（如超精加工）。1919年哈迪實驗：對經過研磨達到凸透鏡程度的光潔表面和粗糙加工表面進行摩擦實驗，發現前者的摩擦力大，且擦傷痕寬，表面破壞嚴重。2.分子理論（湯姆林遜假說）觀點：在平衡狀態時，固體原子間的排斥力和內聚力相中和。但是，當兩個物體接觸時，一個物體內的原子可能和第二個物體的原子足夠靠近以致於進入斥力場中。此時，兩表面分開會造成能量的損失，並以摩擦阻力的形式出現。運動方向x１２３AAe設一表面對另一表面移動x，則機械功為μPx，P為兩表面間總力，P=n0P0，其P0為接觸點平均斥力，n0為介面接觸原子數。E為原子碰撞能量損耗的平均值，設距離x中遭遇次數為n，則總能量損耗為nE，另外，a為概率因數，小於1。

結論：表明摩擦係數與摩擦副材料本身的性質有關。3.分子機械理論（1939年，克拉蓋爾斯）觀點：摩擦不僅取決於兩個接觸面間的分子作用，還取決於因粗糙面微凸體的犁溝作用而引起的接觸體形貌畸變。

分析：分子相互作用發生在極表層中，可觸及到固體表層幾百微米的深度。機械相互作用發生在固體本身厚度為幾十微米和更厚的各層中。由於兩者發生部位不同，可以把分子阻力和機械阻力近似相加。結論（摩擦分量的可加性已得到實驗驗證）分子分量和機械分量所占比率取決於載荷、表面粗糙度和波紋度、機械性能、摩擦副的分子特性及接觸條件。比值可在很大範圍變化。表面粗糙度或載荷增加，機械分量增大。流變性能表現愈突出，機械分量越大。對於十分光滑表面，其變形分量很小，機械分量可以忽略不記（在彈性接觸情況下）分子機械理論既適用於幹滑動摩擦，也適用於邊界摩擦。推論4.粘著摩擦理論（鮑登和泰伯

）觀點：兩金屬表面在摩擦過程中，會形成大於分子量級的金屬接點，並在接點處發生剪切。此外，如果一個表面比另一個表面硬，則較硬表面的凸點會在較軟表面上產生犁溝。因此，摩擦阻力可用剪切過程和犁溝過程兩項之和表示。分析：在無潤滑情況下，大多數金屬的犁溝項與剪切項相比很小，可忽略。當金屬表面相互壓緊時，它們僅在微凸體頂端接觸，實際接觸面積很小，接觸著的微凸體上壓力很高，引起塑性變形。塑性流動使接觸面積增大到實際接觸面積能支承載荷為止。①簡單粘著摩擦理論σy—金屬屈服應力

Ar—實際接觸面積

L—法向載荷結果：由於金屬間緊密接觸區發生牢固粘著，接點發生冷焊。摩擦力等於實際接觸面積與接點材料的乘積；摩擦係數為接點材料剪切強度與材料屈服強度的比值。摩擦力與表觀接觸面積無關；摩擦力與法向載荷成正比。表明：認為材料是理想彈塑性體，忽略加工硬化影響。可取τ=τ0（臨界剪切應力）而σy與τ0為兩種金屬中較軟者得出：推論：對於大多數金屬，τ0/比值相差不多，σy=5τ0在硬金屬上鍍覆一層軟金屬可降低摩擦係數（因為，載荷有母材承擔，對應σy剪切發生在鍍覆軟金屬層，對應τ0、μ值較小。）②修正的粘著摩擦理論Ⅰ、粘著接點長大現象：在滑動時，因切向力作用，材料的屈服是σ和τ的合成，當逐漸加大到τy，粘著點發生塑性流動，使接觸面積增大產生接點增大。Ar=A+ΔA（實際接觸面積）

如：在高真空裏潔淨金屬表面嚴重粘著，理論摩擦係數與實際實驗數據不符。說明：真空中，潔淨表面摩擦，由於切向力作用，粘著接點增大，實際接觸面積增加，因而摩擦係數增大。舉例：假定：⑴實際接觸面積是由塑性變形決定的；⑵兩個接觸表面是被一個剪切強度較低的膜隔開；⑶摩擦力是剪切膜所需的力。Ⅱ、污染膜的影響結果：τf為介面污染膜的剪切強度；σy為金屬本體的屈服強度某些情況，由於表面污染膜的破壞，金屬與金屬直接接觸，介面的有效剪切強度介於較軟金屬表面剪切強度和表面污染膜的剪切強度之間。故摩擦係數決定於金屬對金屬和金屬對污染膜摩擦時實際接觸面積所占比例。摩擦副在空氣中，大多數金屬表面被薄的氧化膜所覆蓋。當剪切力τ0達到污染膜剪切強度τf，表面膜被剪斷，摩擦副開始滑動。結論與簡單摩擦理論中的軟金屬膜在硬基體上的摩擦係數運算式一致。討論說明：當硬金屬粗糙表面在軟金屬表面滑動時，硬金屬上的微凸體可能壓入軟金屬表面使之產生塑性變形，並劃出溝槽。此時，摩擦力中的犁削項是主要項。在磨粒磨損過程中，是摩擦力主要分量。Kp：由於摩擦時犁溝前方材料的壓皺和積聚，使A2大大增加。同時，考慮各向同性假設的不完全性等誤差，在μp前加以係數Kp。一般隨相對硬度的減小，係數Kp隨之增大。

Ⅲ、犁溝分量ddFA1A2滑動方向金屬圓錐：載荷支承面積：溝槽面積：假定：塑性屈服的金屬各向同性，屈服壓力為σy，則載荷摩擦阻力因而，有犁溝引起的摩擦係數μp為二、影響滑動摩擦的因素1.金屬性質2.粗糙度3.溫度4.速度5.表面膜Ⅰ、同一或類似的金屬或有可能形成固溶合金的金屬，摩擦較嚴重。Ⅱ、不同金屬或低親和力的金屬組成的摩擦副摩擦係數較低。Ⅲ、單相合金的性質象純金屬，摩擦性能一般與主要組元相似。Ⅳ、多相合金（如Cu-Pb軸承合金）情況較複雜，當含少量軟相時，摩擦係數較低，原因是軟相能塗抹在合金表面充當潤滑劑。1.金屬性質Ⅰ、非常粗糙表面出現高的摩擦係數。因為滑動時，一個表面必須越過另一表面的駝峰Ⅱ、非常光滑表面的摩擦係數更大。因為真實接觸面積增大，表面間分子作用加強。2.粗糙度粗糙度μⅠ、溫度升高兩金屬摩擦副的可焊性增加，強度降低，表面氧化。Ⅱ、高溫下兩金屬摩擦副的摩擦特性取決於其高溫強度、可焊性以及所形成的表面膜Ⅲ、一般金屬摩擦副的摩擦係數隨溫度升高而下降，但變化不大。（金-金摩擦副不同）3.溫度1882年，德國學者，弗蘭克，μ0——靜摩擦係數，v——速度，c——常數。克拉蓋爾斯基等人，0.004~25m/s，0.0008~0.17Mpa，摩擦實驗：⑴當速度增大，摩擦係數通過一個最大值。⑵當壓力增大，該最大值對應於最小的速度值。4.速度金屬表面常覆蓋有氧化膜、吸附氣體膜及其他形式的污染膜。Ⅰ、有潤滑的摩擦係數均小於無潤滑的摩擦係數。Ⅱ、表面存在各種薄膜時，膜的剪切強度一般小於金屬，同時摩擦發生在膜內，使摩擦表面不易發生粘著，使摩擦係數降低。Ⅲ、膜的厚度對摩擦係數影響很大。摩擦係數隨氧化膜厚加大而增大。5.表面膜§4滾動摩擦F0ORO1沿平面滾動的物體計算簡圖一、基本概念一類傳遞很大切向力，如機車主動輪。另一類傳遞較小的切向力，通常稱為“自由滾動”。1.無滑動滾動（純滾動）轉過角度φ後，輪軸相對於基礎移動了Rφ2.暫態旋轉軸過O1點而垂直與輪子的滾動平面的軸3.驅動力矩F0力的作用線與暫態旋轉軸相距一段非零的距離形成力對O1點的力矩。數值上等於滾動阻力距。4.滾動摩擦係數Ⅰ（mm）5.滾動摩擦係數Ⅱ（無量綱）輪子轉過角度Δφ，驅動力作功：Ａφ＝Ｆ0RΔφ=MΔφ而輪子所走過距離Δs=RΔφ

一、滾動摩擦機理1.微觀滑動①雷諾（1876）接觸面積上存在有滑動摩擦力作用的滑移區是引起滾動阻力的原因之一。彈性常數不同的兩個物體赫茲接觸時，若兩物體一起自由滾動，作用在每一個物體的壓力一般在兩表面上引起的切向位移不等，導致介面微觀滑移。A132B硬的圓柱體在彈性平面上滾動加載後圓柱體在橡膠中壓入一條溝槽壓縮引起的伸長在1處比2、3處要大在滾動過程中，A、B表面伸長不同，B是彈性體，伸長大；A彈性差，表面伸長小。則A、B的介面由於伸長的差異而發生滑動。②希思柯特型滑移AA’Lβ當一個球在槽型滾道內滾動時，接觸面積為橢圓形。球滾動時的暫態轉動中心為暫態軸線AA’接觸區內個接觸點的線速度不同，導致滑移發生存在三個滑移區：接觸區中央部分，滑移方向與滾動方向相反；但兩側與滾動方向相同。實驗表明：研究球半徑與槽半徑的比值RB/RG>0.8時，希思柯特型滑動所造成的摩擦損失較大RB/RG=0.5~0.6時，摩擦損失達到最小值繼續減小，則由於接觸壓力增大，使摩擦阻力增大。如果槽和球的曲率半徑小於20%，則由滑移引起的阻力要比滯後損失大。材料受力變形時，在彈性範圍內，如果將應變放大，常發現加載線和卸載線不重合，加載線高於卸載線。應力應變加荷線

卸荷線Δr2.彈性滯後定義：加載時用於變形的功大於卸載時材料放出的功，有一部分功被材料吸收的現象。彈性滯後回線：加載線和卸載線所圍成的封閉回線。所包圍的面積，表示材料在一次應力迴圈中以不可逆方式吸收的能量。1952，泰伯，滾動摩擦的彈性滯後理論：例如：圓柱在平面滾動（移動單位距離後）接觸區壓力分佈：接觸區前部壓力引起的力矩：前部材料壓縮所作彈性功：滾動摩擦力：α以載荷L來表示：滾動摩擦係數：泰伯認為：微觀滑移對滾動摩擦阻力影響較小；彈性滯後損失是滾動摩擦阻力主要原因。總之，在彈性範圍內滾動，滾動摩擦由彈性滯後現象和微觀滑移引起的。⑴滾動接觸材料應力狀態與單向拉伸不同。所以，圓柱滾動時彈性滯後損失係數α約為簡單拉伸實驗測得的α的3倍。⑵彈性滯後損失與變形速率有關。在低速情況下，接觸區後部材料有充分時間恢復變形，接觸區壓力基本是對稱分佈，所以滾動摩擦阻力小；在高速情況下，滾動摩擦阻力增大。說明：默溫—詹森，金屬間滾動阻力，塑性變形機理：金屬物體滾動接觸時，若接觸壓力超過一定數值，將產生屈服。3.塑性變形自由滾動的圓柱體：球體在平面上滾動：泰伯，近似解法；滾動阻力主要由球體前方的塑性變形造成的。半徑越大，接觸面積和彈性變形越小，F愈小。4.粘著作用滾動摩擦副：產生粘著，粘著接點在分離時其方向垂直於介面，沒有接點增大現象。滑動摩擦副：產生粘著，粘著接點在分離時其方向與介面相切，有接點增大現象。滾動摩擦的粘著力：主要是較弱的範德華力滾動摩擦係數小於幹滑動摩擦的原因：

滾動摩擦副沒有接點增大現象滾動摩擦的接點在分離時，仍有污染膜存在。摩擦副的結構形式、摩擦副的材料的不同匹配等都會影響滾動摩擦。材料副愈硬，球直徑愈大，滾動摩擦阻力越小。隨載荷增加，滾動摩擦阻力也增大。三、滾動摩擦的影響因素其中n=1.7~1.85m=1.5~1.6D滾子直徑、F穩定摩擦力、L載荷。D不變，F和L呈函數關係。L不變，F和D呈函數關係§5邊界摩擦一、基本概念與特點⒈定義：又稱邊界潤滑，是指相對表面運動的兩個表面被很薄的潤滑膜（厚度在0.1μm以下）隔開，兩表面間的摩擦和磨損不是取決於潤滑劑的粘度，而是取決於兩表面的特性和潤滑劑的特性。⒉特點：⑴具有較低的摩擦係數，μ在0.03～0.10之間；⑵兩表面不直接接觸，減少零件磨損延長使用壽命。⑶能大幅度提高承載能力，擴大使用範圍。13.邊界膜：邊界潤滑中起潤滑作用的膜。吸附膜：潤滑劑的極性分子吸附在摩擦表面上所形成的邊界膜。反應膜：摩擦表面與氧及潤滑油添加劑中的硫、磷、氯等元素發生化學反應形成膜。物理吸附膜化學吸附膜化學反應膜氧化膜邊界膜反應膜吸附膜一、邊界摩擦機理⒈摩擦阻力來源於邊界膜分子的相互作用。2.摩擦阻力的大小，由潤滑油的特性決定，受邊界膜附著強度和側向粘著強度影響。3.當邊界潤滑中邊界膜起主要作用時，a值較小，摩擦力近似表示為：二、影響邊界摩擦的主要因素1.邊界膜本身性能①鏈長：一般隨鏈長增加，摩擦係數下降，並達到某一定值。極性分子中碳原子數增加，鏈長增加，摩擦係數下降。②油性：潤滑油在工作面上形成邊界膜的能力。反映潤滑油的吸附能力。摩擦係數愈小，油性愈好；反之，油性愈差。③分子膜厚度：分子膜層數增加，摩擦係數下降，但幅度減小，最後保持一穩定值。2.溫度：各種吸附膜都有一定的臨界溫度，超過臨界溫度，吸附膜將發生失向、散亂或脫吸，使潤滑失效。3.速度：對於速度非常低的情況下①對於吸附膜，摩擦係數隨速度增加而下降，最後保持一定值。②對於化學反應膜，摩擦係數隨速度增加而增加，最後保持某一穩定值4.載荷：除載荷極大或極小情況外，一般摩擦係數不受載荷的影響。

磨料磨損§1磨料磨損的定義與分類1.定義：一般是指硬的磨粒或凸出物在與機器零件表面相互接觸過程，使表面材料發生損耗的一種現象或過程。磨粒或凸出物一般指非金屬，如石英砂、礦岩等；也可能是金屬磨屑。磨粒磨損機理目前尚不清楚。2.分類Ⅰ美國礦業系統，艾弗萊，礦山機械受力特點鑿削式磨料磨損高應力研磨式磨料磨損低應力劃傷式磨料磨損分類Ⅱ艾弗萊，1975，磨料磨損的性質純流體沖蝕衝擊沖蝕：指流體所帶的固體顆粒對金屬表面進行衝擊。沖刷磨損：指平行流體的硬顆粒的低應力磨料磨損。切削式磨料磨損：高應力研磨磨料磨損鑿削式磨料磨損沖刷腐蝕磨損分類Ⅲ磨料的固定狀態自由磨料固定磨料分類Ⅳ磨損接觸的物體表面兩體磨料磨損三體磨料磨損還有許多不同的分類方法§2磨料磨損的簡化模型拉賓諾維奇Rabinowicz,《材料的摩擦與磨損》；簡化的磨料磨損模型遷移體積tSθ假定:單顆圓錐形磨粒在載荷ΔL作用下,壓入較軟材料中,並在切向力作用下,在表面滑動了ΔS距離,犁出一條溝槽。法向載荷被磨材料硬度壓痕直徑溝槽的截面積溝槽深度被遷移的溝槽體積磨粒的形狀係數單位滑動距離材料的遷移：表明：單位滑動距離材料的遷移與磨溝的寬度平方或與磨溝的深度平方成正比假如把所有作用的磨粒相加，則磨損率為：各圓錐形磨粒tgθ的平均值簡化的磨料磨損方程式表明：磨損量與載荷及滑動距離成正比；磨損量與磨損材料的硬度成反比。方程式與阿查德磨損方程基本相同；（阿查德磨損方程）根據阿查德磨損方程，磨料磨損係數Kabr為：簡單的磨料磨損方程也可寫作：1、三體磨料磨損係數要小於兩體磨料磨損，三體磨料磨損過程中磨粒大約90%時間在滾動，故磨損較小（可能原因）；2、Kabr=0.96×tgθ，是理論值，只考慮磨粒的形狀係數，並假設所有磨粒都參加切削，同時犁出的溝槽體積都成為磨屑；3、磨損過程影響因素很多，如載荷、硬度、運動情況、環境等，應用時應加以修正。補充說明：§3磨料磨損機理是指零件表面和磨料發生摩擦接觸的磨損過程；亦指從表面產生和脫落磨屑的過程；磨料磨損機理迄今尚不十分清楚，存有爭論；綜述如下：一、微觀切削磨損機理磨粒作用在零件表面的力，分法向力和切向力；法向力使磨粒壓入表面，形成壓痕；切向力使磨粒向前推進，如形狀與位向適當時，磨粒對表面進行切削，形成切屑；切削的寬度和深度很小，故切屑也很小；微觀觀察表明：切屑具有機加工中切屑特徵，即：長寬比較大，切屑一面較光滑，另一面具有滑動的臺階或捲曲現象。微觀切削磨損是材料表面磨損的主要機理；磨料和表面接觸時發生切削的概率不大；磨粒形狀成圓鈍時，或犁溝的過程中磨粒的棱角而不是棱邊對著運動方向時，或磨粒和表面間夾角太小，或表面材料塑性很高時，磨粒沿表面滑過後只犁出一條溝，把材料推向兩邊或前面，不形成切屑；對於鬆散的自由磨粒，大約90%以上的磨粒，發生滾動，只能壓出印痕；二、多次塑變導致斷裂的磨損機理（犁皺或微觀壓入）當磨粒滑過表面時，除了切削外，大部分磨粒只把材料推向前面或兩旁。這些材料受到很大的塑性形變，卻沒有脫離母體，同時在溝底及溝槽附近的材料也受到較大的變形。犁溝時一般可能有一部分材料被切削而形成切屑，一部分則未被切削而形成塑變，被推向兩側和前緣。若犁溝時全部的溝槽體積被推向兩旁和前緣而不產生任何一次切屑時，稱之為犁皺。犁溝或犁皺後堆積在兩旁和前緣的材料以及溝槽中的材料，當受到隨後的磨料作用時，可能把堆積起的材料重新壓平;也可能使已變形的溝底材料遭到再一次的犁皺變形;如此反復塑變，導致材料的加工硬化或其他強化作用，終於剝落而成為磨屑。磨屑呈塊狀或片狀；顯微觀察可看到，經反復塑變和碾壓後的層狀折痕和表面上一些臺階、壓坑及二次裂紋；材料多次塑性變形的磨損是因為多次變形引起材料晶格的殘餘畸變，同時達到材料不破壞其間聯繫而無法改變其形狀的極限狀態。即達到材料不可能在繼續變形和吸收能量。塑性變形降低了材料應力重新分配的能力，故有些截面（當外力不變時）由於應力集中使之逐漸由塑性變為脆性狀態。三、疲勞磨損機理疲勞磨損機理在一般磨粒磨損中起主導作用；疲勞是指重複應力迴圈引起的一種特殊破壞形式，其應力幅不超過材料的彈性極限。疲勞磨損是由於表層微觀組織受週期載荷作用而產生的。其特徵是材料在強化過程進展的同時，過程的速度強烈地決定於周圍的介質以及介質對強化的作用。標準的疲勞過程常有潛伏期，在此期間材料外部發生硬化但不出現任何微觀破壞。當進一步發展時，在材料表層出現硬化的滑移塑變層和裂紋。低周應變疲勞：材料在超過其彈性極限的週期性重複應力作用下產生的破壞現象。擴大了“疲勞”的含義。克拉蓋爾斯基、維洛格拉洛夫、吉寧巴烏姆等關於疲勞磨損的研究論斷存有異同。四、微觀斷裂（剝落）磨損機理

磨損時，磨粒的壓入對於有些材料（特別是脆性材料）其斷裂機理可能占支配地位；當斷裂發生時，壓痕四周週邊的材料會被磨損剝落，即磨損係數Kabr大於1，磨損量也大。莫爾（Moore）磨損量公式單位面積上的磨損量單位面積上的載荷磨粒的平均直徑材料的斷裂韌度材料的硬度脆性材料的實際體積磨損決定於由斷裂機理、微觀切削和塑性變形機理所產生的綜合磨損；各種機理的平衡，取決與平均壓痕深度和產生斷裂的臨界壓痕深度tc；臨界壓痕深度tc：指尖銳的壓頭在壓入材料表面時，隨載荷的增加彈塑性壓入深度逐漸增加，達到因壓入而產生的拉伸應力使裂紋萌生並圍繞壓入的塑性區擴展。勞恩（Lawn）等人提出：莫爾實驗指出高的Kc/H值將趨於低磨損；有些機理及其細節需要進一步研究；磨料磨損過程中不只是一種機理而常有幾種機理同時存在，以某種為主要，隨外部、內部條件變化而相應變化。磨料一般是指天然礦物、岩石、泥沙；土壤和人工製作的一定尺寸的礦物，為粒狀或無定形固體；大小從微米或亞微米到很大尺寸的礦岩；硬度從很軟的石膏到很硬的金剛石；磨料的硬度是決定磨料磨損性關鍵的因素。§4磨料及其磨損性能一、磨料的形狀尖銳的、多角形的磨料比圓而鈍的磨料磨損快；當載荷和硬度等條件相同時，磨損率決定於磨料與材料表面夾角的正切平均值；Θ越大，正切平均值越大，磨損率越大；二、迎角α指磨料和材料表面接觸時和表面間的夾角。不同材料的臨界迎角α0是不同的，在30°~90°之間變化；一般地說，摩擦係數增大，鋼的硬度增大，都會使臨界迎角減小，即容易產生切屑。固定磨料和自由磨料的迎角分佈是不同的；迎角可根據磨損狀態的概率統計計算，根據迎角分佈的概率和臨界迎角，可以計算出切屑形成的概率。三、磨粒大小材料磨損量與磨粒大小有關，一般是隨著磨粒直徑的增大而增大，直到達到某一臨界尺寸後就不再增大，而這種影響對非金屬材料來說比金屬更大些。若載荷增大，粒徑超過臨界尺寸後，磨粒的大小對磨損仍有影響，不過影響略小。臨界尺寸大致在80μm左右，與材料成分、性能、預冷加工、速度與載荷等有關。四、磨粒的形狀與大小的綜合作用五、磨粒硬度一般磨料的硬度比材料表面高很多，但當磨料的硬度低於材料硬度時，也會發生磨損，但磨損量小；Hm/Ha≤0.5~0.8為硬磨料磨損Hm/Ha≥0.5~0.8為軟磨料磨損六、磨料的其他性能七、磨料的磨損性一般是指磨料破壞零件或刀具的能力，與磨料本身特性及其與零件表面層接觸應力的大小及方向有關。⒈礦物和岩石磨料磨損性的測定方法⒉各種礦物和岩石的磨料磨損性⒊已破損磨料的磨損性§5外部摩擦條件對磨料磨損的影響一、載荷二、滑動距離三、磨料和材料表面的相對速度四、熱和溫度五、腐蝕環境和水蒸汽

一、材料的成分二、材料的微觀組織⒈基體組織⒉基體中的第二相①中間金屬化合物的沉澱析出相②碳化物：軟基體中、硬基體中⒊夾雜物⒋晶界⒌內缺口⒍各向異性§6材料的內部因素對磨料磨損的影響⒈硬度⒉斷裂韌性⒊彈性模數⒋真實切斷抗力⒌抗拉強度

三、材料的機械性能一、磨料與被磨材料表面的相對硬度變化對方程的修正二、材料磨損時的變形和斷裂特徵對方程的修正

⒈塑性變形機理

⒉斷裂機理§6磨料磨損模型的討論三、磨損時材料塑變特性和加工硬化對簡化方程的修正四、磨料磨損時材料內的局部裂紋擴展對簡化方程的修正五、根據磨料磨損時磨屑形成的三種機理（微觀切削、微觀犁皺、微觀裂紋）對簡化方程的修正

耐磨材料一、高錳鋼的化學成分與鑄態組織二、高錳鋼的熱處理⒈加熱⒉加熱溫度和保溫時間⒊冷卻§1高錳鋼三、高錳鋼的加工硬化和耐磨性⒈細化晶粒①變質處理②控制澆注溫度③控制鑄件凝固速度④懸浮澆注

一、提高高錳鋼品質的途徑⒉消除鋼中的碳化物①控制鑄態組織中的碳化物②採用正確的熱處理工藝⒊提高冶煉品質二、高錳鋼的改型及提高耐磨性的措施⒈高錳鋼的合金化⒉適當降低錳碳比⒊沉澱強化處理§2低合金耐磨鋼一、低合金耐磨鋼的優點⒈較高的硬度與耐磨性⒉良好的韌性和脆斷抗力⒊高的脆透性⒋良好的工藝性⒌較好的經濟性二、碳及合金元素的作用⒈碳⒉錳⒊矽⒋鉻⒌鉬⒍鎳⒎硼⒏鈦、釩、鈮⒐稀土元素§3高鉻合金白口鑄鐵§4其他合金白口鑄鐵§5陶瓷材料按成分和用途，陶瓷材料一般分為：⑴普通陶瓷⑵特種陶瓷⑶金屬陶瓷

一、陶瓷的性能⒈機械性能①硬度②剛度③強度④塑性⒉熱性能⒊化學穩定性⒋導電性二、常用陶瓷材料⒈氧化物陶瓷：氧化鋁⒉非氧化物陶瓷：碳化物、硼化物、氮化物、矽化物。

三、金屬陶瓷⒈氧化物基金屬陶瓷：⒉碳化物基金屬陶瓷①硬質合金：WC、TiC、TaC等為主體，Co為粘結劑。②鋼結硬質合金：WC、TiC等為硬質相，且含量少（約30%）以各種合金鋼或高速鋼粉末為粘結劑。

§5耐磨材料的選用

微動磨損§1微動磨損的定義及特點§2微動磨損機理一、影響因素⒈力學因素①載荷迴圈數②相對滑動振幅③法向載荷④頻率§3影響微動磨損的因素和防護方法⒉環境因素①氣氛（包括濕度）②溫度⒊材料因素

⒈設計⒉表面處理及塗層⒊潤滑⒋表面加工硬化⒌材料的選擇

二、減少微動磨損的措施

粘著磨損⒈定義：實際上是相互接觸表面上的微凸體不斷地形成粘著接點和接點斷裂而導致摩擦表面破壞並形成磨屑的過程。最常見的磨損形式，如一固體材料在另一固體材料表面上滑動或壓入其表面後被拉開時。以小顆粒狀形式、存在粘附和反粘附現象§1粘著磨損的特點與分類舉例：1、真空中潔淨的硬鋼壓在黃銅塊上後分開，用高倍顯微鏡觀察，明顯看到分散的黃銅粒嵌在鋼表面。2、黃銅圓銷在旋轉的鋼制圓盤上滑動，可看到鋼盤表面被塗抹上一層黃銅。如果用顯微鏡觀察可看到分散的轉移特性。3、巴克萊用單晶體碳化矽與各種金屬相摩擦，第一組球形碳化矽滑塊在金屬平面滑動；第二組球形金屬滑塊在碳化矽平面滑動。⑴輕微磨損⑵塗抹⑶擦傷（膠合或咬合）⑷撕脫（或咬焊）⑸咬死

2.根據摩擦表面的破壞程度，常把粘著磨損區分為5類：§3粘著機理

兩潔淨金屬表面相互接觸會形成強的金屬接點；當表面粗糙的兩固體，在法向壓力作用下相互接觸時，一小部分微凸體的頂峰受到很大壓應力，當達到了流動壓力時，就發生塑性變形。當表面潔淨時，兩固體表面的粒子隨著距離的縮短，將先後出現物理和化學鍵，當兩表面上有成片的粒子相結合，就形成凸體橋，即接點。齊曼Ziman膠體模型：金屬中的自由電子雲類似於粘結液，能夠把金屬表面上靠得很近的正離子結合起來，形成金屬鍵，粘著強度基本決定於介面上的電子密度。如果兩固體的內聚功不同，而粘著功的大小又介於兩者之間，則斷裂將發生在內聚功較小的固體內。影響固體間的粘著的兩個主要因素：一個是表面上的氧化膜或其他污染膜；往往會被表面變形，特別是剪切應力所破壞，顯露出新鮮表面而被粘著；另一個是彈性應力恢復效應。接觸區接點在形成過程中被強烈的加工硬化，當載荷卸除後，介面發生彈性變形，此時周邊的連接橋處於拉應力狀態，由於延性不足而被拉斷，所以只有一部分接點被保留下來；對於大多數金屬（即使完全淨化的表面），由於彈性應力恢復效應，在卸除法向載荷之後，粘著面積比預計的值小的解決措施？可在卸載前通過接點退火，使加工硬化後微凸體橋的延性增加，獲得很大的法向粘著。當法向載荷存在時，對試樣施加切向應力，由於法向和切向應力複合的結果，使接觸面積增大，粘著點增大。結晶表面間的結晶位向影響粘著：具有完全配合的位向，很容易發生粘著；位向失配時，必須提供能量才能使介面形成強固粘著；能量可以是熱量或塑性變形功；（如：低溫比高溫需要更多的塑變才能形成介面間強固粘著。）金屬晶體結構（如密排面、滑移方向）影響介面上塑性變形，所以對粘著也有很大影響。一般滑移系增加，滑移概率增加，開始易滑移，位錯形成位錯接點後阻礙滑移，易焊合，微凸體加工硬化後難斷開，使粘著增大。材料間的溶解度和互溶性影響粘著：38種金屬對鋼在真空中實驗：溶解度極小或者和鐵組成金屬化合物的材料不易粘著；原因：接點的形成和生長與在原子範疇內發生擴散有關。雖然時間較短，但微凸體接觸瞬間，溫度很高，使接點能夠生長。上述理論也適用於非金屬材料間及非金屬材料與金屬間的粘著作用：粘著的本質：例如：兩片潔淨的銅表面被壓緊在一起，微凸體上原子靠近，甚至靠近到本身原子間的距離程度，此時無法區分介面上原子屬於那邊，所以介面間的力就和其基體內部原子力具有相同性質。但由於相遇銅晶格間的錯配，介面總有缺陷，使接觸區粘著變弱；塑性流動和熱擴散可以使缺陷消除，同時介面就不存在了。接觸區的粘著強度相當於材料本身強度。粘著的本質：對於異類合金可以應用如上推理；若不形成合金，則介面力可能為兩金屬內部原子力的平均值如（銦-金），若形成合金則相互作用性質比較複雜。強固粘著是原子間力的結果，可以看作是整個固體內部的原子力處理；如果實踐中沒發現強固粘著，則主要是由於粘染膜和彈性應力恢復效應影響。§4粘著磨損的模型和定律一、粘著磨損的發生1）介面比滑動表面中任一金屬都弱，則剪切發生在介面上，並且磨損極小。（如錫-鋼）2）介面比滑動表面中一金屬強而弱於另一個，則剪切發生在較軟金屬表層上，並且磨屑粘附到硬金屬表面上。（如鋁-鋼）3）介面比滑動表面中一金屬強，偶而也強於另一個，則較軟金屬明顯轉移到硬金屬上，偶而也會撕下硬金屬。（如銅-鋼）4）介面比滑動表面中任一金屬都強，則剪切發生在介面不遠處。（如同種金屬間滑動）上述情況磨損量相差很大！由於介面為截面積最小處，且存在大量缺陷，故強度較低，斷裂一般發生在介面處。實驗表明，材料副在滑動中形成大磨屑的少於接點總數的5%。磨屑形成過程的圖解格林伍德Greenwood和泰伯Tabor用不同金屬與塑膠的兩維模型說明微凸體及其剪切。指出：某些情況，特別是接點平面與滑動方向不平行時，將形成粘附磨屑。由於原始表面粗糙或在滑動過程中變粗糙，使不平行性一定存在。芬恩Feng：若接點與滑動方向平行，在滑動過程中使接點變粗糙，則切屑易形成。較硬材料也會形成磨屑：大多數情況磨屑發生在較軟金屬內部且形成較多、較大的磨屑；事實證明，較硬材料也會形成磨屑可能是較硬材料內部也有局部的低硬度區，同時較軟材料表面也存在高硬度區，所以使較硬材料形成磨屑。二、粘著磨損的原子模型（湯姆林遜模型）原子俘獲而生的磨損：摩擦表面十分接近時，原子相互排斥，被排斥原子不僅回到原來位置，另一方面一個原子也