摩擦学原理第4章

第四章磨损理论及其控制主讲：高诚辉内容目录一、概述二、磨损基本形式及其影响因素三、磨损的转化与复合四、磨损理论与磨损计算一、概述1.磨损研究的重要性2.磨损研究的进展3.磨损的定义4.磨损的分类5.磨损的评定6.磨损的动态过程1.磨损研究的重要性两个相互接触相对运动的表面发生摩擦，就有磨损发生。各种机器都是由许多零件组成的，在其相互活动接连的地方(如齿轮与齿轮、轴与轴承、活塞环与缸套之间)以及机器在工作环境中和外界介质接触时(如犁铧耕地、采煤机开采煤矿等)，总不免要产生摩擦与磨损。据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩擦与磨损；约80%的机器零件失效是由于磨损引起的。所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查，联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失还需加上10%一20%。1.磨损研究的重要性与摩擦相比，磨损要复杂得多。直到目前磨损的机理还不十分清楚，也没有一条简明的定量定律。对大多数机器来说，磨损比摩擦显得更为重要，实际上人们对磨损的理解远远不如摩擦。对机器磨损的预测能力也很差。对于大多数不同系统的材料，在空气中的摩擦系数大小相差不超过20倍，而磨损率之差却很大，如聚乙烯对钢的磨损和钢对钢的磨损之比可相差105倍。磨损似乎比摩擦具有更大的复杂性和敏感性。在具体的工作条件下，影响因素是十分复杂的，它包括工作条件、环境因素、介质因素和润滑条件以及零件材料的成分、组织和工作表面的物理、化学；机械性能等，了解影响因素有利于实现对磨损的控制。2.磨损研究的进展磨损的研究工作开展得较迟，本世纪50年代初期在工业发展国家开始研究“粘着磨损”理论，探讨磨损机理。1953年美国的J.F.Archard

提出了简单的磨损计算公式，1957年苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法，1973年美国的N.P.Suh提出了磨损剥层理论。

20世纪60年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量和综合的应用，使得磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展。把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像，了解磨损的动态过程；研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化，以搞清磨损机理，分析和监测磨损过程，从而寻求提高机器寿命的可能途径。3.磨损的定义

磨损是相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。定义说明①磨损并不局限于机械作用，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现象都在磨损的范围之内；定义说明

②定义强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而，橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴；③磨损发生在物体工作表面材料上，其它非界面材料的损失或破坏，不包括在磨损范围之内；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(材料从一个表面转移到另一个表面上去)，破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。4.磨损的分类

（1）按表面作用分类苏联学者Хрушов

(1953年)根据摩擦表面的作用将磨损分为以下三大类，认为磨粒磨损是最普遍的磨损形式：机械类：由摩擦表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等。分子—机械类：由于分子力作用形成表面粘着结点，再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损，即粘着磨损。腐蚀—机械类：这类磨损是由介质的化学作用引起表面腐蚀，而摩擦中的机械作用加速腐蚀过程，它包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。（2）按过程分类克拉盖里斯基(1962年)提出的磨损分类方法将磨损划分为三个过程，根据每一过程的分类来说明相互关系，如图所示。①表面的相互作用两个摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的两类，机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应，它可以是由两个表面的粗糙峰直接啮合引起的，也可以是三体摩擦中夹在两表面间的外界磨粒造成的；表面分子作用包括相互吸引和粘着效应两种，前者作用力小而后者的作用力较大。②表面层的变化表面层的塑性变形使金属冷作硬化而变脆；如果表面经受反复的弹性变形，则将产生疲劳破坏。摩擦热引起的表面接触高温可以使表层金属退火软化，接触以后的急剧冷却将导致再结晶或固溶体分解。外界环境的影响主要是介质在表层中的扩散，包括氧化和其它化学腐蚀作用，因而改变了金属表面层的组织结构。在摩擦表面的相互作用下，表面层将发生机械的、组织结构的、物理的和化学的变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响所造成的。③表面层的破坏形式

擦伤：由于犁沟作用在摩擦表面产生沿摩擦方向的沟痕和屑粒；

点蚀：在接触应力反复作用下，使金属疲劳破坏而形成的表面凹坑；

剥落：金属表面由于变形强化而变脆，在载荷作用下产生微裂纹随后剥落；

胶合：由粘着效应形成的表面粘结点具有较高的连接强度，使剪切破坏发生在表层内一定深度，因而导致严重磨损；

微观磨损：以上各种表层破坏的微观形式。（3）按磨损机理分类根据近年来的研究，人们普遍认为按照不同的磨损机理来分类是比较恰当的，通常将磨损划分为四个基本类型：磨粒磨损粘着磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损虽然这种分类还不十分完善，但它概括了各种常见的磨损形式。例如：侵蚀磨损是表面和含有固体颗粒的液体相摩擦而形成的磨损，它可以归入磨粒磨损。微动磨损的主要原因是接触表面的氧化作用，可以将它归纳在腐蚀磨损之内。（3）按磨损机理分类还应当指出：在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后住住诱发其它形式的磨损。例如疲劳磨损的磨屑会导致磨粒磨损，而磨粒磨损所形成的新净表面又将引起腐蚀或粘着磨损微动磨损就是一种典型的复合磨损。在微动磨损过程中，可能出现粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式．随着工况条件的变化，不同形式磨损的主次不同．5.磨损的评定磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对磨损评定方法还没有统一的标准。这里主要介绍三种方法：磨损量、耐磨性和磨损比。

（1）磨损量

评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和重量磨损量Ww。长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的磨损监测中经常使用。体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变量。在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此，用磨损率Wt'来表示时间的特性。其它指标还有磨损强度W'(单位摩擦距离的磨损量，有人也把它称为磨损率)，和磨损速度WT'(是指机器完成一单位工作量的磨损量)。（2）耐磨性材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性。材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对耐磨性ε是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料之一的A是标准(或参考)试样。εA＝WA/WB磨损量WA和WB一般用体积磨损量，特殊情况下可使用其它磨损量。耐磨性通常也用绝对指标W-1或W´-1表示，即用磨损量或磨损率的倒数表示。W-1=1/W,W´-1=1/W´耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数，也可用体积磨损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。绝对耐磨性和相对耐磨性的关系是εA＝WA×W－1

（3）磨损比冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度量磨损。它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段中所测量的磨损比将有较大的差别。不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或工况下的数据是不可比较的。6.磨损的动态过程在摩擦磨损过程中，摩擦表面及表层的形貌、结构与性能发生变化，反过来也使摩擦副的接触特性、摩擦和磨损特性发生变化。金属的摩擦磨损是一动态过程，随时间或磨程而变化。大多数金属的磨损量与运转时间(磨程)的典型关系如图所示。这里磨损量以零件的体积或重量损失，也可按沿摩擦面垂直方向的尺寸减少量(线磨损)来衡量。零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段。各阶段长短、磨损率dW/dt或dW/dl的大小将随零件或试样摩擦副表面的粗糙度，环境气氛与温度，载荷大小及摩擦速度等因素的不同而不同。（1）跑合（磨合）阶段在载荷作用下，摩擦表面上的微凸体的形状发生变化，真实接触面积逐渐加大，直至相对稳定。此时，摩擦表层发生塑性变形和加工硬化。磨损率初始很大随后逐渐减小至进入稳定。跑合对于许多机器的摩擦副是非常重要的，通过跑合改变原机械零件加工表面的形态，进入稳定的工作运转状态。跑合过程的特点是摩擦表面有较大的磨损并发热，表面的几何形貌及表面和表层的物理、力学性能发生变化。有时还会形成某种表面膜(氧化膜、粘着转移膜等)。（1）跑合（磨合）阶段各种滑动摩擦副经跑合后，会得到一相应于给定摩擦状态下稳定的表面粗糙度，其与初始表面粗糙度无关。跑合是摩擦副的自适应过程，在很多情况下可认为是一种有益的磨损过程。为了达到有益的效果，对磨合过程的工作参数也应进行合理的选择。否则在某些情况下也会出现摩擦副的早期严重磨损至使零件报废。提高磨合性能的措施

良好的磨合性能表现为磨合时间短，磨合磨损量小，以及磨合后的表面耐磨性高。为提高磨合性能一般可采取以下措施：选用合理的磨合规范新机器开始工作时载荷不可过大，否则将严量损伤表面，造成早期磨损失效。合理的磨合规范应当是逐步地增加载荷和摩擦速度，使表面品质得到相应改善，而磨合最后阶段的工作条件要接近使用工况。机器磨合以后，应将带有磨屑的润滑油更换方可投入正式使用。采用合适的材料配对

摩擦副的磨合性能应是配对材料的组合性质。磨合性能良好的材料不仅是本身易于磨合，而且又能够对互配件的磨合起促进作用。采用合适的材料配对以滑动轴承材料为例。通常轴颈材料为钢，轴承材料采用巴氏合金时，磨合性能较好，因为巴氏合金塑性好本身易于磨合，而组织中又合有SnSb硬颗粒对轴颈表面起磨合作用。铅青铜整个组织质地较软，本身容易磨合，但对轴颈的磨合作用不大，故磨合时间较长。而铁铝青铜中含有FeAl3颗粒，硬度很高，因而本身难以磨合又容易伤轴，与它相配的轴颈表面必须淬火硬化。为了改善材料本身的磨合性能，可以在表面镀一薄层塑性金属，例如铸铁活塞环表面镀锡。如果要加速配对表面的磨合过程，有时在摩擦表面间加入适当的磨料，但是应当选择恰当。选择适当的润滑油和添加剂粘度较低的润滑油对于提高磨合性能有很大作用。磨合后的耐磨性取决于表面品质，而润滑油性质对磨合表面有显著影响。观察采用不同润滑油时磨合前后摩擦表面的形貌发现：随着润滑油粘度增加，磨合过程中粘着磨损所形成的擦痕也较深和较宽，使表面耐磨性降低。而低粘度的润滑油导热性好，容易维持表面吸附膜，磨合过程中粘着磨损较轻，使表面品质得到改善。如果在磨合用润滑油中加入适当的油性添加剂，一方面可以加速磨合过程，另一方面由于加强了吸附膜可以避免严重的粘着磨损痕迹，因而提高了表面品质。控制制造精度和表面粗糙度显然，提高摩擦副表面的制造和装配精度将显著地减少磨合阶段的磨损量。而表面粗糙度的选择应根据磨损工况条件来确定。Хрушов(1946年)研究轴颈与轴承表面的磨合指出，不同加工方法的表面磨合后的粗糙度相同，但磨合时间不同。许多实验结果都证明：磨合结束后形成的表面粗糙度与机械加工后所得到的原始粗糙度大小无关，而取决于磨损工况条件，如摩擦副材料、载荷、滑动速度、温度和润滑条件等。磨合后粗糙度是给定工况条件下的最佳粗糙度，它保证磨损率最低。如果磨合前的粗糙度接近最佳粗糙度，可以使磨合磨损量成倍地降低。（2）稳定（持续）磨损阶段摩擦副经过跑合后，进入稳定磨损阶段。这时，在摩擦条件不变的情况下，摩擦的实际接触面积保持不变(动态平衡)，即一些摩擦结点因磨损而破坏，又生成一些新的摩擦结点，单位面积上的实际接触压力保持一定(动态平衡)，磨损率趋于稳定。这一阶段相应于大多数机械设备摩擦副的正常工作阶段，它的长短相应于摩擦副的工作寿命。（3）“急剧”磨损阶段随着磨损过程的进行，摩擦副零件几何尺寸发生较明显的变化，产生大量的磨屑，零件摩擦表面及表层发生严重的变形，零件的尺寸精度严重下降，摩擦条件发生很大变化，出现振动，严重发热等现象，使磨损速率升高，零件被急剧磨损，直至报废。。二、磨损基本形式及其影响因素磨损有几种性质不同而又互不相关的机理，Burwell归纳为四种机理：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损，是磨损的基本形式。当然，除了上述四种基本类型之外，还有一些其它的磨损类型，例如冲蚀磨损、热磨损等等。冲蚀磨损是指流体束冲击固体表面而造成的磨损，它包括颗粒流束冲蚀、流体冲蚀、气蚀和电火花冲蚀(如电机上的电刷的冲蚀等)。热磨损是指在滑动摩擦时，由于摩擦区温度升高使金属组织软化而使表面“涂抹”、转移和摩擦表面微粒的脱落。而微动磨损实际上是一种复合磨损。下面讨论和分析各种磨损机理及其影响因素。1.粘着磨损当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损。根据粘结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有几种不同的形式，从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损．它们的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同的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。（1）粘着磨损的种类；（2）粘着磨损机理；（3）粘着磨屑形成机理；（4）粘附与选择性转移；（5）胶合；（6）影响粘着磨损的因素。（1）粘着磨损的种类

轻微粘着磨损：

当粘结点的强度低于摩擦副两金属的强度时，剪切发生在结合面上，此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著．通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发生此种粘着磨损。一般粘着磨损：

粘结点的强度高于摩擦副中较软金属的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软金属表层内，因而软金属粘附在硬金属表面上。通常也将这种现象称为涂抹。这种磨损的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。（1）粘着磨损的种类胶合磨损：如果粘结点强度比两金属的剪切强度高得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。擦伤磨损：当粘结强度高于两金属材料强度时，剪切破坏主要发生在软金属的表层内，有时也发生在硬金属表层内。迁移到硬金属上的粘着物又使软表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软金属表面。

高速重载摩擦副中，由于接触峰点的塑性变形大和表面温度高，使粘着结点的强度和面积增大，通常产生胶合磨损。相同金属材料组成的摩擦副中，因为粘着结点附近的材料塑性变形和冷作硬化程度相同，剪切破坏发生在很深的表层，胶合磨损更为剧烈。（2）粘着磨损机理粘着磨损的形成

通常摩擦表面的实际接触面积只有表观面积的0.1％～0.01％。对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达5000MPa，并产生1000℃以上的瞬现温度。而由于摩擦副体积远小于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几个毫秒。

摩擦表面处于这种状态下，润滑油膜、吸附膜或其它表面膜发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动中粘着结点破坏。这种粘着、破坏、再粘着的交替过程就构成粘着磨损。有关粘着形成的原因提出了不同的观点。虽然有关粘着机理目前还没有比较统一的观点，但是粘着现象必须在一定的压力和温度条件下才会发生这一认识是相当一致的。粘着磨损的形成原因Bowdon等人认为粘着是接触峰点的塑性变形和瞬现高温使材料熔化或软化而产生的焊合。也有人提出：温度升高后，由于物质离解所产生的类似焊接的作用而形成粘结点。然而非金属材料也发生粘着现象，用高温熔焊的观点不能解释非金属粘结点的形成。Хрушов

等人认为粘着是冷焊作用，不必达到熔化温度即可形成粘结点。粘着磨损的形成原因有人提出粘着是由于摩擦副表面分子作用。也有人试图用金属价电子的运动或者同类金属原子在彼此结晶格架之间的运动和互相填充来解释粘着现象。但是这些观点尚未取得充足的实验数据。粘着结点的破坏位置决定了粘着磨损的严重程度，而破坏力的大小表现为摩擦力，所以磨损量与摩擦力之间没有确定的关系。粘着结点的破坏情况十分复杂，它与摩擦副和粘结点的相对强度以及粘结点的分布有关。

Archard

模型

Archard(1953年)提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为πa2．如果表面处于塑性接触状态，则每个粘结点支承的载荷为

W＝πa2σs式中σs为软材料的受压屈服极限。假设粘结点沿球面破坏，即迁移的磨屑为半球形。于是，当滑动位移为2a时的磨损体积为手2πa3/3。因此体积磨损度可写为

Archard模型整个接触面上，所有的接触结点滑动单位距离所磨损的体积为V/s,考虑到并非所有的粘结点都形成半球形的磨屑，设ks为体积dV的小块材料从接触点脱落下来而发生磨损的几率，且ks<<1，则式中H为材料硬度，K称为磨损系数。Archard计算模型虽然是近似的，但可以用来估算粘着磨损寿命。用四球机测得几种润滑剂的抗粘着磨损性能，和用销盘磨损机测定的几种材料在干摩擦条件下ks的典型值。其值远小于1，这说明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。对于这种现象还没有十分满意的解释。或（3）粘着磨屑形成机理两固体表面间的粘着，由于相对滑动的剪切作用c使其如何断开，是粘着磨损机制要解决的重要问题。一种理想情况是正好在接触间界面间断开，这时无论是表面间材料的转移还是粘着磨损都可忽略。对于石墨或二硫化钼表面间的滑动而载荷又小于解理台阶形成力时，与这种情况相近。这时要求面间的剪切强度要低于固体本身的强度。对金属，通常并不是这样。在不同种金属摩擦时，形成的粘着强度比这两金属中较弱的要高。粘接的剪断发生在强度低的金属一侧。在同种金属摩擦的情况，由于摩擦表层的加工硬化，形成的粘着也将比原金属强度高。由于剪切作用，将有块状屑从两接触分离的微凸体上撕开。鲍登和泰怕多年前就观察了在铜上发生的这种过程。滑移舌粘着转移如图所示的滑移舌粘着形成长大转移过程的六个阶段。①正向载荷使微凸体接触面粘着；②摩擦力作用，沿着塑性长大，面间尚未发生宏观滑移，塑性区ABC由滑移线理论确定，滑移线AC简化为直线；③在滑移线AC发生滑移，滑移舌ABCB′产生，形成新的接触面AA′；④剪切作用使沿移舌卷曲(ABCB′),在其根部B′挤压作用集中，第二个塑性区A′AB′C′形成，同时发生③和④；⑤滑移舌继续产生和长大，在其尖的根部产生裂纹并扩展；⑥接触面间继续发生滑移，形成转移碎片－易脱落的磨屑。楔形块 粘着转移

如图所示的楔形块粘着转移过程的六个阶段：①②两阶段与前图相同；③由于剪切滑移作用在塑性区ABC的尾部形成裂纹并向基体扩展，ABCC’D变形，线BC由于裂纹张开而弯曲。沿滑移线AC小尺度滑移，同时裂纹扩展，楔形块形成并长大；④从裂纹顶端伸展第二个塑性变形区DC’E；⑤沿第二个滑移线发生显微滑移，二次裂纹扩展，第三个塑性变形区以上述方式形成；⑥由于剪切断裂楔形块从表面脱离，正向载荷由其它接触点传送。这种方式将导致块状磨损粒子的形成。粘着转移的“块”,在摩擦表面间会被挤压,随进一步粘着而长大,并在摩擦剪切作用被拉长,这种长大压扁拉长的转移块,最终由于摩擦作用从表面上呈近似片状的磨损粒子脱落下来。END（4）粘附与选择性转移在滑动摩擦系统中，摩擦副表面的局部接触，使摩擦组元的表面和表层发生很大的塑性变形，使表层显微组织发生变化。在接触摩擦局部剪切作用下，发生变形的表层材料的转移。转移的材料(通常其厚度小于10微米)进一步变形并与配对材料和环境介质组元相混合，形成超细晶粒组织。例如对于Cu－Fe摩擦副，Cu的转移层有层状结构，层的厚度小于0.3微米，而转移层细的晶粒在3～30纳米，这转移层里的细晶组织由于摩擦副材料的混合(机械合金化)是很稳定的。转移层的特性影响摩擦表面的形貌、粗糙度、摩擦系数及产生的磨屑的本质。由转移层剥落产生的磨屑粒子与转移层有相同的组织结构。当形成的转移层足够硬时，在摩擦作用下，可能压入基体金属，有低的磨损率；当转移材料不够硬时，表现为在试样表面有无规则的层，表面粗糙度增高，摩擦噪声增大，有高的磨损率。选择性转移铜或铜合金与钢配副，在甘油或甘油加酒精的混合溶液中，滑动摩擦，在钢的表面形成薄的转移膜，使摩擦系数和磨损大大降低。结构分析表明，这种转移膜是富铜层，并称这种现象为选择性转移。这是一种主要由摩擦力的分子作用分量表征的摩擦相互作用。它是发生在摩擦表面的物理化学过程，这一过程有助于摩擦表面的相对位移，减少磨损或是对磨损提供自补偿。选择性转移的特征是形成保护性金属膜。随初始润滑介质的不同，这种保护膜以不同的方式减少摩擦和磨损。如金属镀膜能减少在摩擦过程中产生的位错，从而防止在表面层发生疲劳和组织变化。已发现这种保护膜有高的点缺陷或空位密度。铜合金的合金元素的选择性溶解产生过剩的空位。过程的完整机制虽尚不很清楚，但是这种表面膜减少面间剪切强度，因此选择性转移现象有很多应用。选择性转移下列选择性转移系统在一定的摩擦工况条件下可能出现：

(1)在载荷作用下表面不规则的峰选择性地相抵消，并形成塑性表面膜(类似于跑合层)使压力减小；

(2)由于表面膜变形的空位扩散机制有助于摩擦表面的相对位移并减少磨损(不考虑基体材料的变形)；(3)由于减少润滑介质，从而保护摩擦表面防止氧化；(4)由润滑剂分解产物在摩擦表面形成聚合物膜而减少摩擦，提高抗磨能力；等等。还可利用选择性转移实现摩擦镀(FrictionalP1ating)。在零件装配之前，用摩擦镀的方法在钢件的表面涂镀薄的黄铜、青铜和铜层。摩擦镀前，工件表面要经必要的清洗和抛光，至一定的表面粗糙度，以满足摩擦镀的要求。这种工艺可作为某些零件的跑合—涂镀操作。（5）胶合胶合是破坏性最大的磨损形式，被磨表面凹凸不平，有时磨痕深达0.2mm，表面材料堆积，使摩擦系数很高而且不稳定。胶合磨损一旦发生就很严重，往往在百分之几秒内导致摩擦副完全失效，所以须力图避免胶合的发生。胶合磨损的发生不仅取决于润滑油膜的破裂。而且与摩擦表面上化学反应膜的形成有关。当反应膜的磨损率大于它的生成速率时会发生胶合。滑动速度较低时，油膜破裂后能生成化学反应膜防止胶合发生。只有当表面温度过高，使反应膜失效后才会发生胶合。速度较高时，一旦油膜破裂很难形成反应膜，立即发生胶合。胶合前的温度和摩擦力都较低。胶合判断与计算准则目前尚无统一判断胶合发生的准则。有人用表面形貌来判断，当垂直于滑动方向的粗糙度剧烈增加时表示胶合磨损发生。也有以摩擦温度达到临界值作为判据。但是通常都采用摩擦系数突然增加并出现大幅度变化来判断胶合发生。通常胶合磨损出现在高速重载和润滑不良的摩擦副，例如齿轮涡轮传动、滚动轴承和滑动轴承等等。为了防止胶合的发生，多年来对胶合计算准则进行了广泛的研究，尤其是齿轮摩擦副。然而，目前提出的各种胶合计算准则尚属半经验计算，缺少足够而准确的数据，因此还不能有效地普遍应用。早期采用的胶合计算是从静负荷出发，以提高材料的表面硬度作为抗胶合的主要措施。随后的研究表明摩擦副温度对胶合发生起着重要作用，因此提出了以热负荷为基础的胶合计算准则。p0Us≤c准则

Almen(1953年)统计了美国通用汽车公司生产的汽车后桥圆锥齿轮的胶合失效情况，提出防止胶合磨损的准则为p0Us≤c式中，p0为Hertz最大应力；Us为相对滑动速度；c为实验常知；根据工况条件c＝32×102~15×104MPa·m/s之间变化。上式的计算结果比较粗略，数据离散范围达到50％。但由于它形式简单，常用作初步计算，在苏联广泛采用它作为选择抗胶合材料的依据。

Blok根据实验分析提出：以作为胶合计算准则更切合于实际，因为它与接触瞬现温升成正比，从而在胶合计算中引入了温度因素。WUsn≤c准则

Boroff等人(1963年)对齿轮胶合的研究得出右图的结果，即胶合发生点的载荷W与滑动速度Us满足指数关系。近年来提出的几种指数型准则都可以归纳为以下公式WUsn≤c为了确定指数n的数值，人们从不同角度研究，所得的数据变化范围很宽，从－l到＋2，造成选用时的困难．如果能够针对实际工况用实验测定n的数值，这一准则可以得到满意的结果。瞬现温度准则根据齿轮胶合磨损过程中齿面温度的分布和变化情况，Blok认为胶合的产生是由于表面局部瞬现温度达到临界值引起的，设胶合临界温度为θsc，摩擦表面本体温度θb，而局部瞬现温升θfm

，则θb＋θfm＝θsc

胶合临界温度θsc应根据摩擦副材料、润滑油品种和润滑状态等因素来确定。例如对于一般润滑条件下的淬火齿轮可选取150～250℃；末淬火钢齿轮60～150℃。采用普通矿物油润滑时，胶合温度通常接近润滑油从金属表面蒸发的温度。实践证明：瞬现温度准则与指数型准则所得的计算结果十分相近。在高速滑动条件下，瞬现温度准则相当于n＝2/3时的指数型准则。但迄今为止还不能准确决定胶合发生时表面瞬现温度值，无论是用测量还是计算方法都是十分困难的。胶合因子准则胶合因子tf定义为齿轮表面上的点通过齿面接触区所需的时间，单位用s。若Hertz接触区半宽为b，则tf的数值为胶合发生时的临界载荷Wc与胶合因子的关系表达式为Wc＝atf＋c式中，a和c为实验常数。当Wc>>c时，可以略去c值，则上式的计算结果与指数型准则的相近似。综上所述，由于胶合现象的复杂性，目前各种计算准则都有待于进一步完善，为此必须对胶合机理进行更深入的研究。（6）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、表面温度和材料性质。表面载荷

Виноградова研究了载荷对胶合磨损的影响，认为当表面压力达到一定的临界值，并经过一段时间后才会发生胶合。观察各种材料的试件在四球机实验中磨痕直径的变化，也表明当载荷达到一定值时，磨痕直径骤然增大，这个载荷称为胶合载荷。实验还证明：如果将试件浸入油中加热，当载荷低于临界值使油温升高，并不能发生胶合．这说明单靠表面温度升高不会产生胶合。然而，载荷引起表面弹塑性变形必然伴随高温的出现。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．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，在表层内一定深度处各接触点的等温面将汇合成共同的等温面。最外层是变形区，产生热量，因此表面温度最高，又因热传导作用造成变形区非常大的温度梯度。变形区以内为基体温度，变化平缓。表面温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。表面温度可使润滑膜失效，而温度梯度引起材料性质和破坏形式沿深度方向变化。采用放射性同位素方法测量金属迁移量结果表明：当表面温度达到临界值时，磨损量和摩擦系数都急剧增加。影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v，其中速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。摩擦副材料脆性材料的抗粘着磨损的能力比塑性材料高。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的深度处，磨屑较大，有时长达3mm，深达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。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的能力较高。摩擦副材料金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异种金属组成的摩擦副．从材料的组织结构而论，多晶材料比单晶材料抗粘着磨损能力高，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。通过表面处理方法在金属表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等的薄膜将减少粘着效应，同时表面膜也限制了破坏深度，从而提高抗粘着磨损能力。此外，改善润滑条件，在润滑油或脂中加入油性和极压添加剂；选用热传导性高的摩擦材料或加强冷却以降低表面温度；改善表面形貌以减小接触压力等都可以提高抗粘着磨损的能力。2.磨粒磨损（1）定义与分类（2）磨粒磨损简化模型（3）磨粒磨损机理（4）磨料及其磨损性能（5）影响磨粒磨损的因素

（1）定义与分类定义：

在摩擦过程中，由于硬质颗粒或硬质凸出物使表面材料迁移或脱落而造成的一种磨损。按这一定义，从磨损机制考虑，磨粒磨损包括硬的粗糙表面上硬的微动体对相对较软的摩擦配偶表曲的划伤和材料的工作表面受硬质颗粒的压入和摩擦所造成的磨损。而工业上所说的磨粒磨损主要指后面的这种情况。在矿山机械、工程机械、建筑机械、农业机械、冶金机械、运输机械和电力机械中的许多零部件，都直接与砂、石，煤或灰这等摩擦，而发生不同形式的磨粒磨损。它的广泛存在使工业国家损失国民生产总值的1～4％。在各类磨损中，磨粒磨损约占50％。分类①磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时,磨粒与表面接触处的应力较低，因此固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，常称为冲击磨损。此时磨粒与表面产生高应力碰撞，在表面上磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落。在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用，这也是二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。②外界磨粒移动于两摩擦表面之间，称为三体磨粒磨损。通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳；而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。分类根据磨料的固定状态把磨料磨损分为自由磨料磨损和固定磨料磨损两类；在试验室里，有时把磨粒磨损试验分为：松散磨料磨粒磨损；固定磨料磨粒磨损；半固定磨料磨粒磨损，冲击磨料磨损等。以力的作用特点分为：①低应力磨粒磨损；②高应力磨粒磨损研磨；③凿削式磨粒磨损以磨料的干湿状态分：干磨料磨损，湿磨料磨损和流体磨料磨损。以工作环境分：一般磨粒磨损，腐蚀磨粒磨损和热磨粒磨损。以相对硬度分：硬磨粒磨损和软磨粒磨损。（2）磨粒磨损简化模型如图所示，假定单颗圆锥形磨粒，在载荷ΔL作用下，压入较软的材料中，并在切向力的作用下，在表面滑动了ΔS的距离，犁出了一条沟槽，则式中A为沟槽截面积，σs为材料受压屈服极限，B为压痕直径。从上式可知，此式与Archard的磨损方程基本上相同，即磨损量与载荷及滑动距离成正比，而与被磨损材料的硬度成反比。（2）磨粒磨损简化模型与Archard方程比较，磨粒磨损时的磨损系数可表达为：大量的现场观察分析和实验室试验发现，金属的磨粒磨损在很大程度上取决于磨粒的硬度Ha和金属材料的硬度Hm之比。按Ha和Hm的大小关系，韧塑性金属的磨粒磨损体积V和相对耐磨性εw与磨粒硬度的关系大致可分成三个区域：区域I——低磨损区：Hm>1.25Ha，K∝Hm－6；区域Ⅱ——过渡磨损区：0.8Ha＜Hm＜1.25HaK∝Hm－2.5；区域ⅢE——高磨损区：Hm＜0.8Ha，K＝常数。这里耐磨性被定义为磨损体积的倒数：对于给定载荷、磨料及摩擦距离时，εw＝c·Hm。（2）磨粒磨损简化模型磨粒磨损常数由磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量等因素决定。上述分析忽略了许多实际因素，例如磨粒的分布情况、材料弹性变形和滑动前方材料堆积产生的接触面积变化等等，因此上述模型近似地适用于二体磨粒磨损。在三体磨损中，一部分磨粒的运动是沿表面滚动，它们不产生切削作用，因而K值应当降低。总之，为了提高磨粒磨损的耐磨性必须减少微观切削作用。例如：降低磨粒对表面的作用力并使载荷均匀分布；提高材料表面硬度；降低表面粗糙度；增加润滑膜厚度；以及采用防尘或过滤装置保证摩擦表面清洁等等。（3）磨粒磨损机理①微观切削磨损机理：

磨粒作用在零件材料表面上的力，可分为法向力和切向力。法向力将磨粒压入摩擦表面，如硬度试验一样，在表面上形成压痕。切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与位向适当时，磨粒就象刀具一样，对表面进行剪切、犁皱和切削，不过这种切削的宽度和深度都很小，因此产生的切屑也很小。

虽然切削时“刀具”，即一般的磨粒，大多具有负前角的特征，切屑变形也较大些，但在显微镜下观察，这些微观切屑仍具有机加工中切屑的特征。这些切屑一般长宽比较大，切屑的一面较光滑，而另一面则有滑动的台阶，有些还有卷曲现象。微观切削是材料磨粒磨损的主要机理。在三体磨料磨损中也会发生微观切削作用。①微观切削磨损机理：但是，磨粒和表面接触时发生切削的概率不是很大的，虽然在某种条件下切削磨损量占总磨损量的比例很大。但当磨粒形状较圆钝时，或在犁削过程磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向时，或磨粒和被磨材料表面间的夹角(迎角)太小时，或表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑过后，只犁出一条沟来，把材料推向两边或前面，而不能切削出切屑来，特别是松散的自由磨粒，大概有90％以上的磨粒发生滚动接触，只能压出印痕来，而形成犁沟的概率只不过10％，这样切削的可能性就更少了。还有一种情况，如冲击角较大的冲蚀磨损以及球磨机磨球对磨料冲击时，往往在表面上形成压坑和在压坑四周被挤压出唇状凸缘，只能使表面发生塑性变形而切削的分量就很少。②塑性挤压剥落磨损机理：当磨粒滑过表面时,除了切削外,大部分磨粒只把材料推向前面或两旁,这些材料受到很大的塑性形变,却没有脱离母体,同时在沟底及沟槽附近的材料也受到较大的变形。犁沟时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑,一部分则末被切削而仅有塑变，披推向两侧和前缘。若犁沟时全部的沟槽体积都被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑时,则称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料,当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平,也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形,如此反复塑变,导致材料的加工硬化或其它强化作用,终于剥落而成为磨屑。由于多次变形引起材料晶格的残余畸变，导致材料不可能再继续变形和吸收能量。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力，故有些截面上(当外力不变时)由于应力的增长(集中)逐渐丧失塑性而变为脆性状态。③疲劳破坏磨损机理：克拉盖尔斯基提出“疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用”。疲劳一词是指由重复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料的弹性极限。疲劳磨损系由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程进展的同时，过程的速度强烈地决定于周围的介质以及介质对强化的作用。标准的疲劳过程常有潜伏期，在此期间材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏。当进一步发展时，在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。③疲劳破坏磨损机理：近年来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。这种现象称作低周应变疲劳，它扩大了疲劳一词的含意。吉宁巴乌姆认为疲劳磨损与多次变形表层破坏过程之间存在着许多共性关系，这两种机理的区别在于作用于金属内部的应力与相应的表层变形不同。前者发生在法向应力低于屈服极限，而后者的变形破坏过程则在塑性变形条件下进行的，当材料的周期载荷超过了一定范围后，过程发生了转变。这两种机理使材料达到破坏的加载周期数是大不相同的，疲劳破坏过程中表层微观组织的加载周期数高于103，而多次变形过程只有10次或100次。③疲劳破坏磨损机理：疲劳破坏的破坏源在离表面不远处，具有组织的敏感性，其特征为对破坏的选择性，至少在发展开始期是如此。而多次变形的破坏常开始于表面，此处材料达到最大程度变形常比次表层要早些。疲劳破坏较为局部，具有较深较圆的坑。而多次变形过程破坏多在表层上留有加工硬化的瓣状辗压片，其周围布有裂纹，裂纹出现在表面但不深。吉宁巴乌姆似乎把多次塑变磨损划为低周疲劳磨损的范畴。

④微观断裂(剥落)磨损机理：磨损时由于磨粒的压入大多数材料都会发生塑性变形。但脆性材料，断裂机理可能占支配的地位。当断裂发生时，压痕四周外围的材料都要被磨损剥落，比塑性材料的磨损量大。脆性材料的压入断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨粒形状与尺寸和周围环境等参量，内部参量则主要决定于材料的硬度与断裂韧性等。对脆性材料来说，压痕常带有明显的表面裂纹。断裂韧性低的材料裂纹较长。当横向裂纹互相交叉或扩展到表面时，就造成微观断裂机理的材料磨损。以上几种磨料磨损机理，还有待于进一步的研究和阐明。但有一点必须加以说明，即磨料磨损过程中不只是有一种机理而往往有几种机理同时存在，由于磨损时外部条件或内部组织的变化，磨损机理也相应地发生变化，往往从一种机理为主转变为另一种机理为主。END（4）磨料及其磨损性能磨料的磨损性能和磨料的机械性能、存在状态、结合状态及其大小、形状和运动条件等有关，特别是自然破碎后的角度。磨料的硬度是决定磨料磨损性比较关键的因素，在实际应用上常以它来判定磨料磨损性的大小。除硬度外，其它如磨料的大小、形状、强度等对磨料磨损性都有一定的影响。①磨料的形状

尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损得快。尖锐的磨料在同一载荷下压入深度大，容易造成金属表面的微观切削，增加磨损量；圆而钝的磨料压入深度小，大多数产生浅的犁沟或压坑，使材料发生弹塑性变形或甚至只在弹性变形范围内，不发生切削，且在自由状态时圆钝形磨料容易发生滚动，使磨损量变得很小。从简单模型的公式可知，磨料愈尖，θ角越大，其正切平均值越大，则磨损率也愈大。②迎角α迎角是指磨料和材料表面接触时和表面间的夹角。当用角锥(一般磨粒的形状接近于角椎体)的棱面去切削时，能否产生一次切削与迎角α有关，当迎角超过临界迎角αc时，才能产生切屑；否则，若是α＜αc则只能产生塑性犁沟，将金属排向两边及边缘。不同材料的临界迎角αc是不同的，在30°～90°之间变化；一般，摩擦系数或钢的硬度增大，都会使临界迎角减小，即容易产生切屑。固定磨料和自由磨料的迎角分布是不同的，根据迎角分布的概率和临界迎角，可计算出切屑形成的概率。③磨粒大小材料磨损量与磨粒大小有关，一般是随着磨粒直径的增大而增大，直到达到某一临界尺寸后就不再增大，而这种影响对非金属材料来说比金属更大些。若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小些而已。这个临界尺寸大致在80μm左右，与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。④磨粒形状和大小综合作用磨粒大小和形状对磨损有综合作用。克拉盖尔斯基粗略估计半球形磨粒尺寸在1μm以下，只会产生弹性变形，成为磨损极微的滑动磨损。也有认为只要将润滑油中0.1μm以上的磨粒滤掉，即可防止磨料磨损。磨粒大小和形状可使磨损由滑动磨损转变为磨料磨损，也可以从弹性变形转变到塑性变形以致于切削。所以磨粒的尺寸、形状和位向对磨料磨损有很大的影响，因为它们影响到从弹性接触到塑性接触的载荷和应力，以及引起临界断裂压痕尺寸与沟糟尺寸的变化。⑤磨粒硬度

一般磨料磨损是指磨料的硬度比材料表面高得多，但当磨料的硬度比材料硬度低时，也会发生磨损，只是磨损量很小而己。故材料的耐磨性不仅决定于材料的硬度Hm，而且更主要的是决定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。当Hm／Ha比值超过一定值后，磨损量便会迅速降低。即当Hm／Ha＜0.5～0.8时为硬磨料磨损，此时增加材料的硬度对其耐磨性增加不大。当Hm／Ha＞0.5～0.8时为软磨料磨损，此时增加材料的硬度Hm便会迅速地提高耐磨性。严格说，直接决定材料耐磨性的是金属材料表面经磨损后的最大硬度Hu，而不是材料的体性硬度Hm。⑥磨粒的其它性能磨料的其它性能如韧性、压碎强度等也影响着磨损率。磨料在受压力后，先是边缘受力处发生少量的塑性流动，接着就断裂，塑性变形和断裂都使磨料变质。磨料压碎后形成小的切削刃面，增加磨损性能。故磨粒断裂比边缘尖角处塑性变形后剥落对磨料的磨损性影响大。由塑变而衰退变质的细磨料，因表面变钝，成为弹性接触，不易形成沟槽。因此，磨料碎裂和变质后，其使材料表面的磨损量增加还是减小，则决定磨料的性质和磨损条件。⑦磨料的磨损性

磨料的磨损性一般是指磨料破坏零件或刀具的能力，这种能力与磨料本身的特性以及其与零件表层接触应力的大小及方向有关。（5）影响磨粒磨损的因素影响磨料磨损的因素可分为外部因素与内部因素。外部因素即磨损时的工作条件，包括载荷、速度、温度、相对运动及受力状态、磨料、介质与环境因素等；内部条件包括受磨材料的化学成分、组织相机械性能等。磨料是影响磨损的重要外部因素，前面已讨论过，其它因素分析如下：

①载荷

根据磨料磨损的简单模型可知，磨损量与载荷成正比。但这种线性关系一般都有一临界值，到达此极限载荷，线性关系开始破坏。其原因是多种多样的，主要的如磨粒被压碎，砂纸破裂，相互作用表面的摩擦热使温度升高发生一系列的组织和性能变化，材料表面加工硬化，磨粒受摩擦热的影响而变质以及三体磨料磨损时磨料对表面的相对运动发生变化等，都能引起磨损量改变，破坏磨损量与载荷的线性关系。②滑动距离若磨粒在滑动过程中条件不变，如磨粒不变圆钝或碎裂，则磨损量与滑动距离一般成正比，否则磨损量将有改变。③磨料和材料表面的相对速度

磨损条件和环境的改变会使滑动速度对磨损的影响产生不同的结果。当速度较小时，磨损率随速度的增高而有下降的趋势，以后又逐渐升高，到达一定速度后趋于常数。鲍登和泰伯发现，金属表面由于摩擦所引起的温升将随着摩擦速度增高而增高，及至到达金属的熔点，此时，就与速度无关了。因此磨损的增加可能是温度增高所致。磨料磨损时金属表面热量的增加率大颗粒磨料比小颗粒的要大。在低速时，速度对磨损的影响并不重要，而高速时，特别在连续运转时，速度对磨损的影响实际上是温度对磨损的影响，若此时将载荷减小，这种影响将会降低。④热和温度摩擦时，载荷和速度对磨损的影响，实际上是由于热和温度的影响所致。特别在高温时，热能引起材料表面的氧化、软化、硬化甚至于熔化，这样就使表面的磨损变得复杂了。⑤腐蚀环境和水蒸汽

存在有酸性液体介质的作用，其pH值在2.5～4范围内，对零件有磨损和腐蚀的双重作用，使磨损量增加。水汽的存在，也足以使磨损加速，三体磨料磨损时，在大于通常湿度下，特别是绝对湿度大于10％以上时，磨损率随湿度的增长而增长甚速。在小于10％时则影响不大。两体磨料磨损时，相对湿度从0～65％变化时，磨损率都随着增加。磨损率的变化和磨料由于湿气而容易碎裂成较多较尖锐的小磨粒，腐蚀化学膜的作用，磨粒衰退以及载荷、作用时间等有关，是比较复杂的问题。⑥材料的内部因素材料内部因素包括材料的成分、微观组织特征及机械性能等。三者互有联系，互有影响。金属材料的化学成分和热处理状态决定了它们的组织。耐磨性与化学成分和微观组织有关。对一定成分的材料，它的耐磨性和体性硬度在一定范围内呈线性关系。影响磨料磨损的微观组织参数主要有：基体组织、第二相、夹杂物、晶界、内缺口和各向异性。影响磨料磨损的材料性能主要有：硬度、断裂韧性、弹性模量、真实切断抗力和抗拉强度等。3.疲劳磨损（1）定义与分类（2）疲劳磨损机理（3）影响疲劳磨损的因素（1）定义与分类定义：

两个相互滚动或者滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成凹坑，统称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。除齿轮传动、滚动轴承等以这种磨损为主要失效方式之外，摩擦表面粗糙峰周围应力场变化所引起的微观疲劳现象也属于此类磨损。不过，表面微观疲劳往往只发生在磨合阶段，因而是非发展性的磨损。一般说来，表面疲劳磨损是不可避免的，即便是在良好的油膜润滑条件下也将发生．对于发展性的疲劳磨损6Z保证在正常工作时间以内不致因表面疲劳凹坑的恶性发展而失效。分类：以裂纹萌生位置分为：表层萌生和表面萌生疲劳磨损①表层萌生疲劳磨损

表层萌生的疲劳磨损主要发生在一般质量的钢材以滚动为主的摩擦副．在循环接触应力作用下，这种磨损的疲劳裂纹发源在材料表层内部的应力集中源，例如非金属夹杂物或空穴。通常裂纹萌生点局限在一狭窄区域，典型深度为0.3mm左右，与表层内最大剪应力的位置相符合。

裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后形成凹坑，其断口比较光滑。这种疲劳磨损的裂纹萌生听需时间较短，但裂纹扩展速度缓慢。分类：表层萌生疲劳磨损通常是滚动轴承的主要破坏形式．近年来，由于真空冶炼技术和退氧钢的发展，钢材内部质量明显提高，大大减少了疲劳裂纹在表层内萌生的可能性，使表面萌生疲劳磨损的可能性增加。

②表面萌生疲劳磨损

表面萌生的疲劳磨损主要发生在高质量钢材以滑动为主的摩擦副。裂纹发源在摩擦表面上的应力集中源，例如切削痕、碰伤痕、腐蚀或其它磨损痕迹等。此时，裂纹由表面出发以与滑动方向成20°～40°角向表层内部扩展，到一定深度后分叉形成脱落凹坑，其断口比较粗糙。这种磨损的裂纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速，介质和润滑剂对裂纹扩展有影响。由于表层萌生疲劳破坏坑边缘可以构成表面萌生裂纹的发源点，所以通常这两种疲劳磨损是同时存在的。分类：以失效形式分为：鳞剥(spalling)和点蚀(pitting)两种。前者磨屑呈片状，凹坑浅而面积大；后者磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深的麻点。不同热处理钢实验的结果表明，对于退火和调质状态的钢，疲劳磨损以点蚀形式出现，而渗炭淬火钢的疲劳磨损是产生鳞剥，两种疲劳磨损坑形状如图所示。无论是退火钢或调质钢、纯滚动或滚动兼滑动的摩擦副，点蚀疲劳裂纹起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形的疲劳坑．鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断裂，形成沿整个试件宽度上的浅坑。（2）疲劳磨损机理

1935年，S.Way提出疲劳点蚀的形成机理。在有润滑油存在的摩擦接触情况下，在疲劳磨损的初期阶段是形成微裂纹，无论有无润滑油存在，循环应力起着主要作用。裂纹萌生在表面或者在表层，但很快扩展到表面。在摩擦过程中，摩擦力促使表面金属流动，因而疲劳裂纹往往有方向性，即与摩擦力方向一致．在接触压力下的高压油波被挤入裂纹，对裂纹壁产生冲击作用，接触面的对偶又将裂纹口封住，裂纹内的油压进一步升高，使裂纹向纵深发展。当裂纹的扩展至与表面相接或是裂纹与表面间的小块金属的根部不能承受接触应力时，即发生小块金属的剥落形成点坑，如图所示。（2）疲劳磨损机理①发生点蚀的必要条件是使用润滑油；②如果油的粘度高于一定值，由于油不容易进入裂纹，点蚀将不会产生；③非常光滑的接触表面，不容易产生点蚀；④热处理状态对点蚀有显著的影响。之后，又提出由于摩擦温度形成点蚀的理论。当两圆柱体接触时，由于表面粗糙不平，接触区某些部位压力很大，必然发生塑性变形，并产生瞬时高温，因此接触区的金属组织发生变化并产生体积膨胀效应，使表层金属隆起，于是在表面层形成裂纹或分层，然后在润滑油的作用下形成点蚀。（3）影响疲劳磨损的因素接触疲劳磨损过程十分复杂，影响因素繁多，可以归纳为以下四个方面:①在干摩擦或润滑条件下的宏观应力场；②摩擦副材料的机械性质和强度；③材料内部缺陷的几何形状和分布密度；④润滑剂或介质与摩擦副材料的作用。

载荷性质

首先载荷大小决定了摩擦副的宏观应力场，直接影响疲劳裂纹的萌生和扩展，通常认为是决定疲劳磨损寿命的基本因素。此外，载荷性质也有着巨大的影响。短期的高峰载荷周期性地附加在基本载荷上反而提高接触疲劳寿命。只有当高峰载荷作用时间接近于循环周期时间一半时，才开始降低接触疲劳寿命。应力循环速度也影响接触疲劳。由于摩擦表面在每次接触中都要产生热量，应力循环速度越大，表面积聚热量和温度就越高，使金属软化而降低机械性能，因此加速表面疲劳磨损。材料性能钢材的冶炼质量对零件的接触疲劳磨损寿命有明显的影响。钢中非金属夹杂物破坏了基体的连续性，严重降低接触疲劳寿命。特别是脆性夹杂物，在循环应力作用下与基体材料脱离形成空穴，构成应力集中源，从而导致疲劳裂纹的早期出现。轴承钢对非金属夹杂物有严格的要求。轴承钢的接触疲劳寿命与夹杂物的类型、形态和数量有很大的关系。夹杂物尺寸愈大、分布愈不均匀，危害愈大。特别是位于接触面表层(大约1mm)的夹杂物影响更大。钢中的氧、氢、氮等气体也会降低滚动元件的接触疲劳寿命。在滚动接触情况下，滚动元件的材料匹配非常重要。材料的弹性和塑性对滚动接触疲劳寿命有很大的影响。可通过试验来确定最佳的匹配关系。材料性能通常增加材料硬度可以提高抗疲劳磨损能力,但硬度过高,材料脆性增加,反而降低接触疲劳寿命。渗碳钢或其它表面硬化钢的硬化层厚度影响抗疲劳磨损能力。硬化层太簿时,疲劳裂纹将出现在硬化层与基体的连接处,容易形成表层剥落。选择硬化层厚度应使疲劳裂纹产生在硬化层内。此外,合理地提高硬化钢基体的硬度可以改善表面抗疲劳磨损性能。接触疲劳磨损产生于滚动元件接触表面，所以表面状态对接触疲劳寿命有很大的影响。粗糙的表面容易出现点蚀。以滚动轴承为例，粗糙度为Ra0.2的轴承寿命比Ra0.4的高2～3倍，而粗糙度低于Ra0.05的对寿命影响甚微。此外，在部分膜弹流润滑状态下，由油膜厚度和表面粗糙度所确定的膜厚比是影响表面疲劳的重要参数。润滑剂的物理与化学作用增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力。通常认为增加润滑剂粘度可以提高疲劳寿命是由于弹流油膜增厚,从而减轻粗糙峰互相作用的结果。但其不能解释某些无油滚动时不出现接触疲劳,而加入润滑油后迅速发生接触疲劳的现象。改变润滑剂的粘度数值可使接触疲劳寿命差别2倍，而润滑剂的化学成分不同可以影响接触疲劳寿命变化10倍。一般说来，润滑剂中含氧和水分将剧烈地降低接触疲劳寿命。当含有对裂纹尖端有腐蚀作用的化学成分时，也显著降低接触疲劳寿命。如果添加剂能够生成较强的表面膜并减小摩擦时，将提高抗疲劳磨损能力。环境对于接触疲劳磨损也有一定的影响。在有腐蚀介质的环境中，或者矿物油中含有水分，都加速接触疲劳磨损。温度升高，将使润滑剂的粘度降低，油膜厚度减小，导致接触疲劳磨损加剧。4.腐蚀磨损（1）定义与分类（2）氧化磨损（3）特殊介质中的腐蚀磨损（1）定义与分类定义：

在液体、气体或润滑剂的工作环境中，相互作用的摩擦表面，之间会发生化学或电化学反应，在表面形成腐蚀产物，这些腐蚀产物常粘附不牢，在摩擦过程中被剥落下来，而新的表面又继续和介质发生反应，这种腐蚀和磨损的相互重复过程，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损是极为复杂的过程，环境、温度、介质、滑动速度、载荷及润滑条件稍有变化，都会使磨损发生很大的变化。分类：

腐蚀磨损可分为化学腐蚀磨损与电化学腐蚀磨损，化学腐蚀磨损又可分为氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损两种。（2）氧化磨损

①氧化磨损过程：

在摩擦过程中，金属表面受空气或润滑剂中氧的作用形成氧化膜，然后氧化物不断地被磨去而使零件金属发生损耗的现象，称为氧化磨损。除极少数贵金属外，洁净的金属一旦与空气接触，立即与空气中的氧反应成为单分子层的氧化膜。以后膜的厚度逐渐增长，其增长速率随时间而变化。在摩擦过程中，由于固体表面和介质间相互作用的活性增加，故形成氧化膜的速率要比静态时快得多，因此在摩擦过程个被磨去的氧化膜在下一次摩擦的间歇中会迅速地生长出来，并被继续磨去。这便是氧化磨损过程。造成氧化磨损的条件有三：(1)摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨损的速率；(2)氧化膜与基体结合的强度大于摩擦表面的剪切应力；(3)氧化膜厚度大于表面磨损破坏的深度。②氧化磨损方程：

Archard的粘着磨损方程，首先且主要的是假设表面相互作用发生在完全洁净的条件下，也就是说在完全真空中才能满足。但实际并非如此，金属在大气中，表面不可避免地会蒙上一层粘染膜，魁音(Quin)曾推导出钢的氧化磨损方程。假如将Archard方程中的磨损系数K理解为在磨损时，磨屑脱落以前需要1／K次接触才能形成厚度为ξ的临界氧化膜。这就是说，假定在微凸体每次接触时摩擦热都促使氧化物形成，直到经数次接触后，氧化膜的厚度足以使它脱离金属基体为止。氧化膜可能被硬的微凸体简单地犁去，或者由于粘着作用而脱开。若Δt为一次接触所需的时间，则形成临界厚度所需的总时间t为t＝Δt／K（4－1）②氧化磨损方程：若d为一次遭遇时的滑动距离，v为滑动速度，则Δt＝d／v将Δt之值代入式(4—1)中得

t＝d／vK

（4－2）根据扩散理论，单位面积上生成氧化物的质量m可从下式得到Δm2＝Ct，设Δm＝ξρ式中C为常数，ρ为氧化膜密度。有ξ2＝Ct/ρ2即

t＝ξ2ρ2/C（4－3）②氧化磨损方程：联立（4－2）与（4－3）式，有d/vK=ξ2ρ2/CK=Cd/vξ2ρ2

（4－4）已知C＝A0exp(一E／RT)（4－5）式中：A0——阿仑纽斯常数；E——激活能；R——通用气体常数；T——滑动界面上的绝对温度。将式(4－5)中的C值代入式(4－4)中得K＝A0exp(－E/RT)·d/vξ2ρ2(4-6)②氧化磨损方程：将K值代入Archard方程氧化磨损方程为Wv/S=[A0exp(－E/RT)·d/vξ2ρ2]·L/3H(4-7)由式可知，单位滑动距离的体积磨损量直接受控于K，高K值意味着磨损增加。式中的d，假设接触面积为圆形，则d为圆面积，由法向载荷来决定。T表示表面温度，T增高和滑动速度增高都使氧化变得容易，减少磨损。ξ2一项，比较难以解释。在(4－7)式中表示临界氧化膜愈厚则磨损率愈小。③氧化膜性质对磨损的影响：氧化膜与基体金属的体积比氧化膜的破坏速率取决于其与基体的结合强度和所作用的应力。若氧化物的体积与生成这部分氧化物所消耗的基体金属的体积差不多，则氧化物所形成的膜是致密的、完整的并牢固地覆盖在金属表面上。若氧化物的体积比基体金属体积小，则膜中出现拉应力，使膜破裂，或出现多孔疏松的膜。若氧化物的体积大于金属的体积，随着氧化膜的生长，膜的体积不断膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力以及垂直于表面膜使膜脱开表面的拉应力。膜愈厚则内应力愈大。这样就会使表面膜形成裂纹或从表面脱落。另外，如表面温度发生变化，以及表面膜与金属膨胀系数不同，也会产生内应力而脱落。氧化膜硬度H0与金属硬度Hm比当H0>>Hm时，因基体太弱，无法支承载荷，故即使外力很小，氧化膜也很易破碎；当H0≈Hm时，在载荷作用下发生小变形时，两者同时变形，氧化膜不易脱落。当载荷变大后，变形增大，氧化膜也易破碎；当H0

和Hm都很高时，在载荷作用下变形很小，氧化膜不易变形，耐磨性增加。氧化膜与工作环境的关系如钢铁摩擦副，当载荷小、滑动速度低时，氧化膜主要组成物为Fe2O3；但当速度增大、载荷增大后，则主要为Fe3O4。这一方面是由于表面温度的影响，而另一方面也由于滑动速度对膜厚的影响。环境中的水汽、氧、二氧化碳及二氧化硫等对表面膜的影响也大。氧化膜的机械性能脆性氧化膜与基体金属结合能力差，容易被磨掉，若氧化膜的硬度较大，结果氧化膜被嵌入金属内，成为磨料。如上述铝及铝合金上生成的晶态氧化铝或刚铝石的膜，很可能破碎后嵌入基体，对极硬的钢都可能产生磨料磨损，因为刚铝石比铁的氧化物硬得多。反之，如为韧性而致密的氧化膜，则与基体结合牢固，不易磨掉。若氧化物较软，则对另一表面磨损就小，例如镁表面生成软的氢氧化物，对磨损的影响就不大，有的甚至有防止粘着的作用。即使象锡那样的软金属也会使硬铬钢发生磨损。在有利于氧化的条件下，要比硬钢对硬铬钢的磨损大得多。有些氧化物的摩擦磨损性能还与温度有关。如PbO，在250℃以下润滑性能不好，但超过此温度时，就成为比MoS2还好的润滑剂。（3）特殊介质中的腐蚀磨损

①磨损过程：殊特介质中的腐蚀磨损是指摩擦副工作在除氧以外的其它介质(如酸、碱、盐等)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膜的磨损过程十分相似，使材料的磨损速度较大。腐蚀作用加速，磨损也加速。但若在某种介质中使金属形成一层致密的并与基体结合强度高的保护膜，则可使腐蚀磨损速度减小。②影响因素腐蚀介质的性质、温度与零件应力状态的影响

腐蚀磨损的速度随着介质腐蚀性的强弱、腐蚀温度高低的影响而变化。在摩擦学领域中，常利用腐蚀磨损为人类服务，如在磨合油里加入一定量的活性元素化合物，可缩短磨合时间和防止粘着磨损。在受高应力作用的摩擦副(如双曲线齿轮副)的润滑油中加入极压添加剂，就是使金属表面生成氯化物硫化物或磷化物等薄膜，以防止摩擦副表面胶合或咬死，即以轻微的腐蚀磨损来防止严重的粘着磨损。零件所受的应力状态对腐蚀磨损影响也极大。当零件受重复应力时，其腐蚀作用大大增加。腐蚀磨损还受到电位差的影响，即电化学腐蚀。②影响因素材料性质的影响

轴瓦材料中的铅和镉，容易被润滑油氧化所生成的有机酸所腐蚀，开始在轴瓦表面生成黑点，并逐渐扩展成为海绵状空洞，在摩擦过程中呈小块状剥落，因此在使用铅镉轴瓦时应特别注意。镍、铬、钛等金属在特殊介质作用下易形成结合力强、结构致密的钝化膜。钨、钼在500℃以上，表面会生成保护膜，因此，钨钼是抗高温腐蚀磨损的金属，镍、铬是抗腐蚀磨损的金属。此外由碳化钨或碳化钛组成的硬质合金，都具有耐腐蚀磨损的能力。三、磨损的转化与复合生产实践中所遇到的磨损往往表现得十分复杂，人们迟至本世纪二十年代还为其困惑不解。随着科学技术的发展，观察和分析手段逐渐完备，才有可能归纳出四个基本形式——粘着、磨料、疲劳、腐蚀。实际表现出来的磨损，常不能单纯地纳入某一种基本型式。如电火花侵蚀磨损——电蚀磨损。在一些通电流的摩擦副表面上，常会有电火花跳过，例如整流器的铜环与电刷。铜环被电火花击损、电刷也发生磨损，随之加剧跳火，使磨损更趋恶化。电火花侵蚀原理可用于精密加工；合理控制电流和电压，可以获得精密的加工尺寸及表面质量。因此，实际中的许多磨损现象往往是磨损基本类型的转化或(和)复合。1.磨损形式的转化磨损型式可以随工作条件变化而转化。通常机械中摩擦副的主要工作参数是相对滑动速度vs和载荷W。如图所示钢材摩擦副在固定载荷条件下，相对滑动速度vs和磨损型式的关系。当滑动速度vs很低时，主要发生氧化磨损，有时会出现红褐色Fe2O3磨屑，磨损率很小。随vs增大，氧化膜破裂，表面裸露金属，直接接触，将转化为粘着磨损，磨损量显著增大。滑动速度vs再高，摩擦温度上升，有利于形成黑灰色Fe3O4氧化膜，随后又转化成氧化磨损，磨损率又下降。如果vs再继续增大，再次转化成粘着磨损。磨损变得十分剧烈，导致失效。1.磨损形式的转化图表示载荷变化和磨损形式的关系。相对滑动速度固定，载荷小时主要是氧化磨损；当压力p低于某值p0时，出现的氧化物是Fe2O3；当p＞p0时，则出现FeO、Fe3O4和Fe2O3三种混合的氧化物。p达临界值pcr后，便转化成危害性的粘着磨损。2.边界润滑磨损金属摩擦副在边界润滑条件下滑动时，润滑添加剂本身或添