1、磨损及磨损理论（优选）磨损及磨损理论一、概述一、概述1 1、磨损定义、磨损定义相互接触的物体在相对运动中，表层材料不相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。有些磨损是有益的，如有些磨损是有益的，如“研磨研磨”，可使零件，可使零件表面粗糙度减小，使刀刃变得锋利。表面粗糙度减小，使刀刃变得锋利。但是，据统计，约有但是，据统计，约有80%80%左右的机械零件是左右的机械零件是由于磨损而报废或失效。磨损不仅消耗材由于磨损而报废或失效。磨损不仅消耗材料，浪费能
2、源，并直接影响到机器的寿命料，浪费能源，并直接影响到机器的寿命和可靠性。固此，对磨损的研究引起了人和可靠性。固此，对磨损的研究引起了人们的极大关注。们的极大关注。2 2、磨损研究的主要内容、磨损研究的主要内容(1)(1)主要磨损类型的发生条件、特征和变化主要磨损类型的发生条件、特征和变化规律规律;(2)(2)磨损的影响因素磨损的影响因素,包括摩擦副材料、表包括摩擦副材料、表面形态、润滑状况、环境条件面形态、润滑状况、环境条件,以及滑动速以及滑动速度、载荷、工作温度等工况参数度、载荷、工作温度等工况参数;(3)(3)磨损的模型与磨损计算磨损的模型与磨损计算;(4)(4)提高材料耐磨性的措施提高材
3、料耐磨性的措施;(5)(5)磨损研究的测试技术与实验分析方法。磨损研究的测试技术与实验分析方法。3 3、磨损过程、磨损过程零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段零件的正常磨损过程大致可分为三个阶段跑合阶段；跑合阶段；稳定磨损阶段；稳定磨损阶段；剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段跑合阶段跑合阶段出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。接触面积小，接触应力大，磨损速度快。在一定载荷作用下，在一定载荷作用下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度逐渐减摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度
4、逐渐减慢，如图所示。慢，如图所示。稳定磨损阶段稳定磨损阶段出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦表面加工硬出现在摩擦副的正常运行阶段。经过跑合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图所而建立了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图所示，磨损量随时间增大缓慢增大。示，磨损量随时间增大缓慢增大。剧烈磨损阶段由于摩擦条件发生较大的变化剧烈磨损阶段由于摩擦条件发生较大的变化(如温度的急剧增高，如温度的急剧增高，金属组织的变化等金属组织的变化等)，磨损速度急剧增加。这
5、时机械效率下降，精，磨损速度急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。度降低，出现异常的噪音及振动，最后导致零件完全失效。*从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的使用寿命，应尽量延长使用寿命，应尽量延长“稳定磨损阶段稳定磨损阶段”。二、二、磨磨损损的的分分类类1 1、粘着磨损、粘着磨损(1)(1)定义定义当摩擦副相对滑动时当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应所形由于粘着效应所形成的结点发生剪切断裂，接触表面的材成的结点发生剪切断裂，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘
6、着磨损。称为粘着磨损。微凸体的局部压力就可能超过材例如：滚动轴承的粗糙度为Ra0.的应力较低,固体表面产生擦定义：气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤，通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面。其腐蚀磨损的机理与氧化磨损相似,但腐蚀磨损速度较快，磨损痕迹较深,磨损量也较大。用油脂润滑时，油脂除了起减磨作用外，又隔绝摩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，会腐蚀摩擦面。应当指出，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，因此式(2)近似地适用于二体磨粒磨损。滑动速度再高，摩
7、擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转为氧化磨损，磨屑为Fe3O4，磨损量又减小。钢中的残余奥氏体也影响抗磨料磨损能力。如果零件在更复杂的条件下工作，如除了磨粒磨损之外，可能还有其他因素起作用，这时就不能简单套用上述结论。选择硬化层厚度应使疲劳裂纹产生在硬化层内。当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形,其体积为(2/3)a3，则单位滑动距离的总磨损量(即磨损率，通常用于判断材料磨损的快慢程度)为:因此，若滚动方向与裂纹方向相反，则当滚动体接触到裂纹时，裂纹中的润滑油被挤出来,如图中的主动轮，裂纹内不会产生很大的挤压力，因而裂纹扩展缓慢，工作寿命长。按摩擦表面的数目分为:两体磨
8、料磨损种和三体磨料磨损因此，若滚动方向与裂纹方向相反，则当滚动体接触到裂纹时，裂纹中的润滑油被挤出来,如图中的主动轮，裂纹内不会产生很大的挤压力，因而裂纹扩展缓慢，工作寿命长。当载荷达到W0后,磨屑是FeO、Fe2O3 和Fe3O4的混合物。(2)(2)粘着磨损机理粘着磨损机理当摩擦副接触时，接触首先发生当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因在少数几个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷作用下，此，在一定的法向载荷作用下，微凸体的局部压力就可能超过材微凸体的局部压力就可能超过材料的屈服压力而发生塑性变形，料的屈服压力而发生塑性变形，继而使两摩擦表面产生粘着；继而使两摩擦表面
9、产生粘着；此后，在相对滑动过程中，如果粘着点的剪切发生此后，在相对滑动过程中，如果粘着点的剪切发生在界面，则磨损轻微；如果剪切发生在界面以下，在界面，则磨损轻微；如果剪切发生在界面以下，则材料就会从一个表面转移到另外一表面，继续滑则材料就会从一个表面转移到另外一表面，继续滑动，一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒。动，一部分转移的材料分离，从而形成游离磨粒。*接触接触-塑性变形塑性变形-粘着粘着-剪断粘着点剪断粘着点-材料转移材料转移-再粘着，循环不断进行，构成粘着磨损过程。再粘着，循环不断进行，构成粘着磨损过程。(3)(3)四种典型的粘着磨损四种典型的粘着磨损 根据粘着点的强度和破坏位置不
10、同，粘着磨损有几根据粘着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，但共同的特征是不同，但共同的特征是:出现材料迁移，以及沿滑动方出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。向形成程度不同的划痕。a.a.轻微磨损轻微磨损 粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低时，剪粘着强度比摩擦副的两金属基体强度低时，剪切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。切发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材
11、料迁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、硫化移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。b.b.涂抹涂抹 粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小于较粘着强度大于摩擦副中较软金属的强度，小于较硬金属的强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的硬金属的强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹较软金属浅层内，软金属涂抹(粘附粘附)在硬金属表面上。在硬金属表面上。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。加剧。c.c.擦
12、伤擦伤 粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高。剪粘着强度比摩擦副的两基体金属的强度都高。剪切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金切主要发生在软金属的亚表层内，有时也发生在硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物又刮削软金属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发生属表面，使软金属表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。在软金属表层，硬金属表面也偶有划伤。d.d.咬合咬合如果粘着强度比两金属基体的强度高得多，而且粘着点面积较如果粘着强度比两金属基体的强度高得多，而且粘着点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表
13、层深的地方。大时，剪切破坏发生在一个或两个金属表层深的地方。此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。对滑动。这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。(4)(4)简单粘着磨损计算简单粘着磨损计算(ArchardArchard模型模型)上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较
14、硬上图为粘着磨损模型，假设摩擦副的一方为较硬的材料，摩擦副另一方为较软的材料；法向载荷的材料，摩擦副另一方为较软的材料；法向载荷W W由由n个半径为个半径为a的相同微凸体承受。的相同微凸体承受。则当材料产生塑性变形时，法向载荷则当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料与较软材料的屈服极限的屈服极限s之间的关系：之间的关系：(1)当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形生的磨屑为半球形,其体积为其体积为(2/3)2/3)a3，则单位滑动，则单位滑动距离的总磨损量距离的总磨损量(即磨损率，通常用于判断材料磨损即磨损率，通常用于判断材
15、料磨损的快慢程度的快慢程度)为为:(2)由由(1)(1)和和(2)(2)式，可得：式，可得：(3)随后，当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。此外，由碳化钨、碳化钛等组成的硬质合金都具有高抗腐蚀磨损能力。此过程经历若干周次，裂纹由表面向内层扩展到定深度，起始裂纹口也张大到一定宽度，那么裂纹上部的金属像一个悬臂梁承受弯曲。其腐蚀磨损的机理与氧化磨损相似,但腐蚀磨损速度较快，磨损痕迹较深,磨损量也较大。润滑油中适当加入固体润滑
16、剂如MoS2或硫化润滑脂，可在接触表面层形成一层坚固薄膜，减少摩擦，从而提高抗疲劳磨损性能。对于滚动兼滑动的接触，则破坏位置移向表面。若心部硬度太低，则表面和心部的硬度梯度太陡，使得硬化层的过渡区产生裂纹，容易产生表层压碎现象。在少数几个独立的微凸体上。下图为摩擦速度不太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。当载荷达到W0后,磨屑是FeO、Fe2O3 和Fe3O4的混合物。由(1)和(2)式，可得：一般来说，抗粘着磨损性能好的材料也具有良好的抗微动磨
17、损性能。磨损不仅消耗材料，浪费能源，并直接影响到机器的寿命和可靠性。众所周知，铁素体硬度太低，故耐磨性很差。出现在摩擦副的初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度快。磨粒磨损取决于磨料硬度H0与试件材料硬度H比值，如图所示的三种不同的磨损状态:材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围式式(3)(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数如果考虑到微凸体相互产生磨粒的概率数K K和滑动距离和滑动距离L L，则接触表面的粘着磨损量表达式为：则接触表面的粘着磨损量表达式
18、为：(3)(4)由由(4)(4)式可得粘着磨损的三个定律：式可得粘着磨损的三个定律：材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围材料磨损量与较软材料的屈服极限材料磨损量与较软材料的屈服极限y(或硬度或硬度H H)成反成反比比由于对于弹性材料由于对于弹性材料sH/3，H为布氏硬度值，则式为布氏硬度值，则式(4)可可变为：变为：式中式中K K为粘着磨损系数为粘着磨损系数右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑动摩擦时的结果。图中示出钢的动摩擦时的结果。
19、图中示出钢的磨损系数随表观压力的变化曲线。磨损系数随表观压力的变化曲线。纵坐标为纵坐标为K/HK/H，代表单位载荷、，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标单位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。代表平均接触压力。当压力值小于片当压力值小于片H/3H/3时，磨损率时，磨损率小而且保持不变小而且保持不变(即即K K保持常数保持常数)；但当压力值超过但当压力值超过H/3H/3时，磨损量急剧增大时，磨损量急剧增大(K K值急剧增大值急剧增大)，这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。对其他金属也有类似的情况，只是对其他金属也有
20、类似的情况，只是K K开始增加时的平均压开始增加时的平均压力值通常比力值通常比H/3H/3稍低而已。稍低而已。在压力值为在压力值为H/3H/3作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响。当压力值增加到发生相互影响。当压力值增加到H/3H/3以上时，整个表面变以上时，整个表面变成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。由于式中的由于式中的K K代表微代表微凸体中产生磨粒的凸体中产生磨粒的概率，即粘着磨损概率，即粘着磨损系数因此
21、，系数因此，K K值值必须按不同的滑动必须按不同的滑动材料组合和不同的材料组合和不同的摩擦条件求得。右摩擦条件求得。右表给出了不同工况表给出了不同工况和摩擦副配对时的和摩擦副配对时的磨损系数磨损系数K K值。值。(5)(5)粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素摩擦副材料性质的影响摩擦副材料性质的影响a.a.脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主，发生在表层深处，塑性材料粘着点的破坏以塑性流动为主，发生在表层深处，磨损颗粒大。脆性材料粘着点的破坏主要是剥落，发生在表磨损颗粒大。脆性材料粘着点的破坏主要是剥落，发生在表层浅处，磨损颗粒小
22、，呈磨屑状，磨屑容易脱落层浅处，磨损颗粒小，呈磨屑状，磨屑容易脱落,不堆积在不堆积在表面上。表面上。b.b.相同金属或相同金属或冶金相溶性冶金相溶性大的材料摩擦副大的材料摩擦副(相同相同金属或晶格类型、电子密度、电化学性能相似金属或晶格类型、电子密度、电化学性能相似的金属的金属)易发生粘着磨损。异种金属或冶金相溶易发生粘着磨损。异种金属或冶金相溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。金属性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异种金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异种金属摩擦副。摩擦副。应避免使用同种金属或冶金相溶性大的金属组成应避免使用同种金属或冶金相溶性大的
23、金属组成摩擦副。摩擦副。冶金的相冶金的相(互互)溶性：两种金属能在固态互相溶解的性能。溶性：两种金属能在固态互相溶解的性能。摩擦的相摩擦的相(互互)溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能。抗粘着的性能。一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。c.c.材料的组织结构和表面处理材料的组织结构和表面处理金属的组织结构对粘着磨损也有影响，多相金属比单相金属的金属的组织结构对粘着磨损也有影响，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高；金
24、属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向抗粘着磨损能力高；金属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向小。小。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。粘着磨损的能力。d.d.元素周期表中的元素周期表中的B B族元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、族元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、铋与铁的冶金相容性差，抗粘着磨损性能好。而铁与铅、铋与铁的冶金相容性差，抗粘着磨损性能好。而铁与A A族元族元素组成的摩擦副粘着倾向大
25、。素组成的摩擦副粘着倾向大。e.e.材料的硬度材料的硬度硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触应力大于较软金属硬度的应力大于较软金属硬度的1/31/3时，很多金属将由轻微磨损转时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。变为严重的粘着磨损。载荷的影响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，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，如图所示，如图所示，K/HK/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系。当载荷值超过材料硬度值的系。当载荷值超过材料硬度值的1/31
26、/3时，磨损急剧增加，时，磨损急剧增加，严重时咬死。严重时咬死。因此因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/31/3。相同金属或冶金相溶性大的材料摩擦副(相同金属或晶格类型、电子密度、电化学性能相似的金属)易发生粘着磨损。在硬基体中，即碳化物的硬度与基体的硬度相近，碳化物反而损害材料的耐磨性，因为此时碳化物如同内部缺口一样，极易使裂纹扩展，致使表面材料通过切削过程而除去。摩擦的相(互)溶性：一定配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能。按摩擦表面的数目分为:两体磨料磨损种和三体磨料磨损材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围25 mm以下)
27、的相对振动而产生的磨损。通过表面处理技术在金属表面生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提高抗粘着磨损的能力。材料并不理想的，其破坏的确切位置会受到材料内存在的杂质、孔隙、微观裂纹和其他因素的影响。随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为粘着磨损，磨损量显著增大。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，因此Ks值明显减小。钢中的残余奥氏体也影响抗磨料磨损能力。总之，生产上应尽量减少钢中夹杂物(特别是氧化物、硅酸盐夹杂物)，即炼钢时要进行净化处理。所以裂纹有时从表面开始，有时从次表面开始。渗碳钢或其他表面硬化钢的硬化层厚度影响
28、抗疲劳磨损能力。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。(2)磨损的影响因素,包括摩擦副材料、表面形态、润滑状况、环境条件,以及滑动速度、载荷、工作温度等工况参数;如犁铧、泥沙泵叶轮等。下图是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越强。硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强，因为表面接触应力大于较软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。特殊介质腐蚀磨损的影响因素速度的影响速度的影响在压力一定的情况下，在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在
29、达到某一极大值后，又随着滑增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少动速度的增加而减少。下图为摩擦速度不太高。下图为摩擦速度不太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。压力的变化规律。随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种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。形式。如图如图(a)(a)所示，当摩擦速度很低时，主要是氧化磨损，出所示，当摩擦速度很低时，主要是氧化磨损，出现现FeFe2 2O O3 3的磨屑，磨损量很小。的磨屑，磨损量很小。随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为粘随速度
30、的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为粘着磨损，磨损量显著增大。着磨损，磨损量显著增大。滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转为氧化磨损，磨屑为为氧化磨损，磨屑为FeFe3 3O O4 4，磨损量又减小。，磨损量又减小。如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着磨损，磨损量又开如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着磨损，磨损量又开始增加。始增加。图图(b)(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。钢磨损实验结果。载荷小产生氧化磨损载荷小产生氧化磨损,磨屑主要是磨屑主要是FeFe2
31、2O O3 3；当载荷达到当载荷达到W W0 0后后,磨屑是磨屑是FeOFeO、FeFe2 2O O3 3 和和FeFe3 3O O4 4的混合的混合物。物。载荷超过载荷超过W Wc c以后以后,便转入危害性的粘着磨损。便转入危害性的粘着磨损。表面温度的影响表面温度的影响表层温度特性对于摩擦表面表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜失表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦效，使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。表面容易产生粘着磨损。上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表上图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温
32、度达到临界值面温度达到临界值(约约8080)时时,磨损量和摩擦系磨损量和摩擦系数都急剧增加。数都急剧增加。影响温度特性的主要因素是表面压力影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度和滑动速度v，其中速度的影响更大，因此限制其中速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。损和防止胶合发生的有效方法。润滑油、润滑脂的影响润滑油、润滑脂的影响 在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂在润滑油、润滑脂中加人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。提高抗粘着磨损能力。油性添加剂油性添加
33、剂是由极性非常强的分子组成，在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，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防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。滑状态。极压添加剂极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元是在高温条件下，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。擦条件下而引起的粘着现象。2 2、磨粒、磨粒(磨料磨料)磨损磨损(1)(1)定义定义
34、 外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象擦过程中引起表面材料脱落的现象,称为磨粒磨损。称为磨粒磨损。例如掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是典例如掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是典型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也会引起磨型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也会引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。(2)(2)磨粒磨损分类及其磨损特征磨粒磨损分类及其磨损特征磨料磨损根据表面磨损
35、的破坏形式，大体可以磨料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：分为下列几种类型：按摩擦表面的数目分为按摩擦表面的数目分为:两体磨料磨损种和两体磨料磨损种和三体磨料磨损三体磨料磨损a.a.二体磨粒磨损二体磨粒磨损磨粒沿一个固体表面相对运动磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损。产生的磨损。当磨粒运动方向与固体表面接当磨粒运动方向与固体表面接近平行时近平行时,磨粒与表面接触处磨粒与表面接触处的应力较低的应力较低,固体表面产生擦固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。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，此时如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，此时,磨粒与表面产生高应力
36、碰撞磨粒与表面产生高应力碰撞,在表面上磨出较深在表面上磨出较深的沟槽的沟槽,并有大颗粒材料从表面脱落。并有大颗粒材料从表面脱落。在一对摩擦副中在一对摩擦副中,硬表面的粗糙峰对软表面起着硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用磨粒作用,这也是一种二体磨损这也是一种二体磨损,它通常是低应它通常是低应力磨粒磨损。力磨粒磨损。b.b.三体磨粒磨损三体磨粒磨损外界磨粒移动于两摩擦表面之间外界磨粒移动于两摩擦表面之间,类似于研磨类似于研磨作用作用,称为三体磨粒磨损。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通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力触应力,往往超过磨粒的压溃强度。这种压应往往
37、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。而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。a.a.凿削式磨粒磨损凿削式磨粒磨损这类磨损的特征是这类磨损的特征是冲击力大冲击力大，磨料以很大的冲击力，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，并可以面宏观变形，并可以从摩擦表面凿削下金属大颗粒，从摩擦表面凿削下金属大颗粒，在被磨损表面有较深的沟槽和压痕。在被磨损表面有较深的沟槽和压痕。如挖掘机的斗齿、如挖掘机的斗齿、矿石破碎机锤头矿石破碎机锤
38、头等零件表面的磨等零件表面的磨损即属于此种磨损即属于此种磨损形式。损形式。按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分为按摩擦表面所受的应力和冲击的大小分为凿削凿削式磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损和低应力式磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损和低应力擦伤式磨料磨损擦伤式磨料磨损。b.b.高应力碾碎式磨粒磨损高应力碾碎式磨粒磨损这类磨损的特点是应力高，磨料所受的应力超过这类磨损的特点是应力高，磨料所受的应力超过磨料的压碎强度，当磨料夹在两摩擦表面之间时，磨料的压碎强度，当磨料夹在两摩擦表面之间时，局部产生很高的接触应力，这种压应力使韧性金局部产生很高的接触应力，这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳属
39、的摩擦表面产生塑性变形或疲劳,而脆性金属而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。表面则发生脆裂或剥落。同时磨料不断被碾碎，被碾碎同时磨料不断被碾碎，被碾碎的磨料颗粒呈多角形，擦伤金的磨料颗粒呈多角形，擦伤金属，在摩擦表面留下沟槽和凹属，在摩擦表面留下沟槽和凹坑。坑。如矿石粉碎机的颚板、如矿石粉碎机的颚板、轧碎机滚筒等表面的破坏。轧碎机滚筒等表面的破坏。c.c.低应力擦伤式磨粒磨损低应力擦伤式磨粒磨损这种磨损的特征是应力低，磨料作用于摩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。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。如材料表面有擦伤并有微小的切
40、削痕迹。如犁铧、泥沙泵叶轮等。犁铧、泥沙泵叶轮等。(3)(3)磨粒磨损机理磨粒磨损机理关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：微观切削假说：微观切削假说：法向载荷将磨料压入摩擦表面，法向载荷将磨料压入摩擦表面，滑动时磨料对表面产生滑动时磨料对表面产生切削作用切削作用，材料脱离表，材料脱离表面形成磨屑。面形成磨屑。压痕破坏假说压痕破坏假说(擦痕假说擦痕假说)：磨料在载荷作用下：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，滑动时使表面产生压入摩擦表面而产生压痕，滑动时使表面产生严重的塑性变形，压痕两侧材料受到损伤严重的塑性变形，压痕两侧材料受到损伤，因，因而易从表面挤出
41、或剥落。而易从表面挤出或剥落。疲劳破坏假说疲劳破坏假说：摩擦表面在磨料产生的：摩擦表面在磨料产生的循环接循环接触应力作用下触应力作用下，表面材料开始出现疲劳裂纹并，表面材料开始出现疲劳裂纹并逐渐扩大，最后从表面剥离。逐渐扩大，最后从表面剥离。(4)(4)磨粒磨损模型磨粒磨损模型简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出，下图为简单的磨粒磨损计算方法是根据微量切削假说得出，下图为磨粒磨损模型。磨粒磨损模型。可以将磨粒看做是具有锥形的硬质颗粒在软材料上滑动，犁可以将磨粒看做是具有锥形的硬质颗粒在软材料上滑动，犁出一条沟。出一条沟。假设磨粒为形状相同的圆锥体，半角为假设磨粒为形状相同的圆锥体，半角
42、为，锥底直径为，锥底直径为r(即犁出的沟槽宽度即犁出的沟槽宽度)，载荷为，载荷为W，压入深度，压入深度h，滑动距离，滑动距离为为L，屈服极限，屈服极限s s。在垂直方向的投影面积为。在垂直方向的投影面积为r2，滑动时，滑动时只有半个锥面只有半个锥面(前进方向的锥面前进方向的锥面)承受载荷，共有承受载荷，共有n个微凸个微凸体，则所受的法向载荷为：体，则所受的法向载荷为：将犁去的体积作为磨损量，其水平方向的投影面积为一将犁去的体积作为磨损量，其水平方向的投影面积为一个三角形，单位滑动距离的磨损量个三角形，单位滑动距离的磨损量(磨损率磨损率)为为Q0=nhr,因因为为r=htan，因此：，因此：(1
43、)如果考虑到微凸体相互作用产生磨粒的概率数如果考虑到微凸体相互作用产生磨粒的概率数K和滑动和滑动距离距离L，并且代人材料的硬度，并且代人材料的硬度H=3=3s，则接触表面的磨损则接触表面的磨损量表达式为：量表达式为：式中式中K Ks s为磨粒磨损系数，是几何因素为磨粒磨损系数，是几何因素2/2/tan 和概率常数和概率常数K K的乘积，的乘积，K Ks s与磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量与磨粒硬度、形状和起切削作用的磨粒数量等因素有关。应当指出，上述分析忽略了许多实际因素，等因素有关。应当指出，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例如磨粒的分布情况
44、、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，因此式积产生的接触面积变化等等，因此式(2)(2)近似地适用于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，因此表面滚动，它们不产生切削作用，因此K Ks s值明显减小。值明显减小。由公式由公式(2)(2)可看出可看出:粘着磨损定律也同样适用于磨粒磨损。粘着磨损定律也同样适用于磨粒磨损。(2)相对耐磨度相对耐磨度：标准试样磨损标准试样磨损量和被评价试量和被评价试验试样磨损量验试样磨损量之比，其值越之比，其值越大，材料耐磨大，材料耐磨性越好。性越好。
45、材料硬度的影响：材料硬度的影响：(5)(5)影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素如图如图(a)(a)所示，对于纯金属和退火钢，其耐磨性与所示，对于纯金属和退火钢，其耐磨性与硬度成正比。硬度成正比。图图(b)(b)是正常淬火后，不同温是正常淬火后，不同温度回火的几种钢的磨粒磨损试度回火的几种钢的磨粒磨损试验结果。验结果。淬火回火钢的耐磨性随着硬度淬火回火钢的耐磨性随着硬度的增加而增大，但是与退火钢的增加而增大，但是与退火钢相比，耐磨性的增相比，耐磨性的增大速度缓慢大速度缓慢些，即淬火回火可以提高钢的些，即淬火回火可以提高钢的硬度和耐磨性，但效果微弱。硬度和耐磨性，但效果微弱。由此得出：金属的耐磨
46、性不仅由此得出：金属的耐磨性不仅取决于其硬度，还取决于它的取决于其硬度，还取决于它的成分和组织结构。成分和组织结构。相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含相同硬度下，钢中的碳含量及碳化物形成元素含量越高，其耐磨性也越强。量越高，其耐磨性也越强。右图为表面冷作硬化对低右图为表面冷作硬化对低应力磨粒磨损试验时的耐应力磨粒磨损试验时的耐磨性的影响。磨性的影响。由图可见，冷作硬化后，由图可见，冷作硬化后，表层硬度的提高并没有使表层硬度的提高并没有使耐磨性增加，甚至有下降耐磨性增加，甚至有下降的趋势。所以在低应力磨的趋势。所以在低应力磨损时，冷作硬化不能提高损时，冷作硬化不能提高表面的耐磨性表面的耐
47、磨性(只要在塑只要在塑性变形的过程中组织未发性变形的过程中组织未发生变化生变化)。加工硬化的影响：加工硬化的影响：应提出的是，零件实际使用条件与上述试验应提出的是，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。条件相近时，以上结论才是适用的。如果零件在更复杂的条件下工作，如除了磨如果零件在更复杂的条件下工作，如除了磨粒磨损之外，可能还有其他因素起作用，这时就粒磨损之外，可能还有其他因素起作用，这时就不能简单套用上述结论。例如，表面层的机械冷不能简单套用上述结论。例如，表面层的机械冷作硬化作硬化(喷丸处理、滚压强化等喷丸处理、滚压强化等)是提高零件疲劳是提高零件疲劳强度的方法，由于提
48、高了材料的表面硬度，这对强度的方法，由于提高了材料的表面硬度，这对于以于以粘着磨损为主粘着磨损为主的磨损，也能提高摩擦副的相的磨损，也能提高摩擦副的相对耐磨性。对耐磨性。以上所述是指冷作硬化对低应力磨粒磨损时以上所述是指冷作硬化对低应力磨粒磨损时的耐磨性的影响。的耐磨性的影响。4的高2-3 倍;Ra0.对其他金属也有类似的情况，只是K开始增加时的平均压力值通常比H/3稍低而已。图(b)是正常淬火后，不同温度回火的几种钢的磨粒磨损试验结果。同时磨料不断被碾碎，被碾碎3H，将产生严重磨损，磨损量不再随磨料硬度而变化。经过跑合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，实际接触面积增大，压强降低，从而建立
49、了弹性接触的条件，这时磨损已经稳定下来，如图所示，磨损量随时间增大缓慢增大。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磨损，也能提高摩擦副的相对耐磨性。首先应使在液体中运动的表面具有流线形，避免在局部地方出现涡流，因为涡流区压力低,容易产生气泡。金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异种金属摩擦副。非金属材料如橡胶、尼龙等也是耐气蚀性能较好的材料。各种材料的转折压力值不同。在少数几个独立的微凸体上。由(1)和(2)式，可得：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的麻点
50、剥落凹坑，一般剥落深度为0.适当的润滑可以有效地改善抗微动磨损能力，因为润滑膜保护表面防止氧化。微凸体每个峰点进入接触都产生一个微观应力分布，这种由接触表面峰点作用所引起的点蚀称为微观点蚀。随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为粘着磨损，磨损量显著增大。首先应使在液体中运动的表面具有流线形，避免在局部地方出现涡流，因为涡流区压力低,容易产生气泡。由此得出：金属的耐磨性不仅取决于其硬度，还取决于它的成分和组织结构。众所周知，铁素体硬度太低，故耐磨性很差。对于高应力磨粒磨损曾用球磨机钢球进行了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载荷下，试验，试验表明，
