1、磨损及磨损原理磨损及磨损原理第一讲第一讲一一 .概概 述述二二 .粘着磨损粘着磨损三三 .磨粒磨损磨粒磨损四四 .疲劳磨损疲劳磨损五五 .其他形式磨损其他形式磨损冲蚀磨损、化学磨损冲蚀磨损、化学磨损六六 .磨损的转化与复合磨损的转化与复合题纲题纲第一节第一节 概概 述述 任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产生摩擦，而生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用寿命。从
2、材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视寿命。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1312消耗消耗于摩擦，而机械零件于摩擦，而机械零件80失效原因是磨损。失效原因是磨损。轮胎压痕轮胎压痕(SEM 5000X)摩擦痕迹摩擦痕迹(350X)1.1磨损研究的重要性1.2磨损研究的进展 磨损的研究工作开展得较迟，本世纪磨损的研究工作开展得较迟，本世纪50年代初期在工业年代初期在工业发展国家开始研究发展国家开始研究“粘着磨损粘着磨损”理论，探讨磨损机理。理论，探讨磨损机理。1953年美国的年美国的J.F.A
3、rchard 提出了提出了简单的磨损计算公式简单的磨损计算公式，1957年苏联的克拉盖尔斯基提出了年苏联的克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法固体疲劳理论和计算方法，1973年美国的年美国的N.P.Suh提出了提出了磨损剥层理论磨损剥层理论。20 20世纪世纪6060年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、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、铁谱技术等大量的综合的应用，使得术、铁谱技术等大量的综合的应用，使得磨损研究在磨损力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
4、较快的发展学、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录像，了解把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和录像，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，以监测磨损过程，分析磨损机理，分、组织和性能的变化，以监测磨损过程，分析磨损机理，从而寻求提高机器寿命的可能途径。从而寻求提高机器寿命的可能途径。1.31.3磨损定义：磨损定义：磨损是摩擦副磨损是摩擦副相对运动相对运动时，在摩擦的作用下，材料表面物时，在摩擦的作用下，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂
5、的现象。质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。(1)(1)机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。(2)(2)化学作用使摩擦表面发生性状的改变。化学作用使摩擦表面发生性状的改变。(3)(3)热作用使摩擦的表面发生形状的改变。热作用使摩擦的表面发生形状的改变。定义说明定义说明 磨损并不局限于机械作用，由于伴同化学作用而产生的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腐蚀磨损磨损；由于界面放电作用而引起物质转移的；由于界面放电作用而引起物质转
6、移的电火花磨损电火花磨损；以及；以及由于伴同热效应而造成的由于伴同热效应而造成的热磨损热磨损等现象都在磨损的范围之内；等现象都在磨损的范围之内；定义强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而，橡胶表面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；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；v定义说明定义说明磨损发生在物体工作表面材料上，其它非界面材料的损失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；或破坏，不包括在磨损范围之内；磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料磨损是不断损失
7、或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移和材料的转移(材料从一个表面转移到另一个表面上去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。然的几次。1.4 1.4 磨损的危害：磨损的危害：(1)(1)影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损，影响机器的质量，减低设备的使用寿命。如齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，破坏了渐开线齿形，传动中导致冲击
8、振动。机床主轴轴承磨损，影响零件的加工精度。影响零件的加工精度。(2)(2)降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。率不能充分发挥。(3)(3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。(4)(4)消耗材料消耗材料,造成机械材料的大面积报废。造成机械材料的大面积报废。1.5 1.5 研究内容：研究内容：(1)磨损类型及发生条件、特征和变化规律。磨损类型及发生条件、特征和变化规律。(2)影响磨损各种因素，包括材料、表面形态、环境、滑动影响磨损各种因素，
9、包括材料、表面形态、环境、滑动 速度、载荷、温度等。速度、载荷、温度等。(3)磨损的物理模型、计算及改善措施。磨损的物理模型、计算及改善措施。(4)磨损的测试技术与实验分析方法。磨损的测试技术与实验分析方法。表面被磨平，表面被磨平，实际接触面实际接触面积不断增大，积不断增大，表面应变硬表面应变硬化，形成氧化，形成氧化膜，磨损化膜，磨损速率减小。速率减小。斜率就是磨损速率，唯一稳定值；斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役；段）服役；磨损性能是根据机件在此阶段磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。的表现来评价。随磨损的增长，磨耗随磨损的
10、增长，磨耗增加，表面间隙增大，增加，表面间隙增大，表面质量恶表面质量恶 化，机件快速失效。化，机件快速失效。1.61.6 磨损过程的一般规律：磨损过程的一般规律：1、磨损过程分为三个阶段、磨损过程分为三个阶段:非典型磨损曲线非典型磨损曲线 2.磨损特性曲线磨损特性曲线典型浴盆曲线典典型浴盆曲线典型浴盆曲线型浴盆曲线磨损率磨损率:单位时间内单位载荷下材单位时间内单位载荷下材料的磨损量的表示料的磨损量的表示1.7 磨损类型磨损类型1、磨损磨损类型类型其其他他磨磨损损类类型型破坏方式破坏方式 基基 本本 特特 征征微动磨损微动磨损磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通磨损表面有粘着痕
11、迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常作为磨料加剧磨损。常作为磨料加剧磨损。剥剥 层层破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。胶胶 合合表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。咬咬 死死黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合
12、，磨损急剧增加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。摩擦副相对运动受到阻碍或停止。点点 蚀蚀材料以极细粒状脱落，出现许多材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。研研 磨磨 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划划 伤伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。凿凿 削削存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成2 2、表面破坏方式及特征表面破坏方式及特征磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通常磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成
13、红棕色氧化物，通常作为磨料加剧磨损。作为磨料加剧磨损。表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。摩擦副相对运动受到阻碍或停止。破坏首先发生在次表层，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，破坏首先发生在次表层，并向表面扩展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。形成片状磨屑。材料以极细粒状脱落
14、，出现许多材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成1.81.8磨损的评定磨损的评定 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：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、磨损量、
15、耐磨性和磨损比耐磨性和磨损比。（1）磨损量）磨损量 评定材料磨损的三个基本磨损量是评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量长度磨损量Wl、体积磨损量体积磨损量Wv和和重量磨损量重量磨损量Ww。长度磨损量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。磨损监测中经常使用。体积磨损量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。改变量。在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此，用在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此，用磨损率磨损率Wt来表示来
16、表示时间的特性。其它指标还有时间的特性。其它指标还有磨损强度磨损强度W(单位摩擦距离的磨损量，有人单位摩擦距离的磨损量，有人也把它称为磨损率也把它称为磨损率)，和，和磨损速度磨损速度WT(是指机器完成一单位工作量的磨损是指机器完成一单位工作量的磨损量量)。（2 2）耐磨性）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。材料耐磨性分为材料耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性相对耐磨性和绝对耐磨性两种。材料的相对两种。材料的相对耐磨性耐磨性是指两种材料是指两种材料A与与B在相同的外部条件下磨损量的比在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料之
17、一的值，其中材料之一的A是标准是标准(或参考或参考)试样。试样。AWA/WB 磨损量磨损量WA和和WB一般用体积磨损量，特殊情况下可使用一般用体积磨损量，特殊情况下可使用其它磨损量。其它磨损量。耐磨性通常也用绝对指标耐磨性通常也用绝对指标W-1或或W-1表示，即用磨损量或表示，即用磨损量或磨损率的倒数表示。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耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数，也可用体积磨，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。损率、体积磨损强度或体积磨损速度的倒数表示。绝对耐磨绝对耐磨性和相对耐磨性的关系是性和相对耐磨性的关系
18、是AWAW1（3 3）磨损比）磨损比 冲蚀磨损过程中常用磨损比冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率也有称磨损率)来度来度量磨损。量磨损。它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段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。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。工况下的数据是不可比较的。）料量（造成该磨损量所用的磨）或材料的冲蚀磨损量（磨损比gmg3第二节第二节 粘着磨损粘着
19、磨损1 定义定义:当摩擦副相对滑动时当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材所形成结点发生剪切断裂，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，此类磨损称为粘着磨损。另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。2 粘着磨损机理：粘着磨损机理：当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷个独立的微凸体上。因此，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料的作用下，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，继而使两摩擦表面屈服压力而发
20、生塑性变形，继而使两摩擦表面产生粘着（焊接）产生粘着（焊接）。当微凸体相对运动时，。当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑，或发生转移。如撕断处在焊接料或成为磨屑，或发生转移。如撕断处在焊接的部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊的部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位，则发生物质的转移。接的部位，则发生物质的转移。粘着粘着-剪断剪断-转转移移-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。粘粘着着磨磨损损(1)(1)轻微磨损轻微磨损:粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低粘着结
21、合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低，剪切破坏发生在，剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。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，材料迁移也不显著。通常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、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。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)(2)涂抹涂抹:粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。，小于较硬金属抗剪切强度。剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬剪切破坏发生在离粘着
22、结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。v粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。v出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大。润滑条件差，接触应力大。根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有五种不同的形式有五种不同的形式（五类典型粘着磨损）（五类典型粘着磨损）：(5)咬死：咬死：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高粘着结合强度比两基体金属的抗
23、剪强度都高，粘着区域大，切应力低于粘，粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。(3)擦伤：擦伤：粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。剪切发生在较软金属的亚表剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划层内或硬金属的亚表层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。痕，硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤：划伤：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘
24、着结合强度。，切应力高于粘着结合强度。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。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面温度剧增，极易出现续进行，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对滑动。局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。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。(1)(1)摩擦副材料：摩擦副材料：a:
25、材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。塑性材料粘着结点的破坏以塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动塑性流动为主，发生为主，发生 在表层深处，磨损颗粒在表层深处，磨损颗粒大。大。脆性材料粘着结点的破坏主要脆性材料粘着结点的破坏主要剥落剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。脱落，不堆积于表面。根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起，塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一应力。表面接触中的最大
26、正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定深度，所以定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重材料塑性越高，粘着磨损越严重。4.4.粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素b:材料的互溶性：材料的互溶性：1.相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生粘着磨损。2.异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着磨损能力较高。3.金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦副金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于异体金属摩擦副。一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相
27、溶性就差，相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。摩擦副，摩擦互溶性最差。随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为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。另一种形式。如图如图(a)所示，当摩擦速度很低时，主要是所示，当摩擦速度很低时，主要是氧化磨氧化磨损，出现损，出现Fe2O3的磨屑，的磨屑，磨损量很小磨损量很小。随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为化为粘着磨损粘着磨损，磨损量显著增大。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，滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转为又转为氧化磨损氧化磨损，磨屑
28、为，磨屑为Fe3O4，磨损量又减小磨损量又减小。如摩擦速度再增大，将再次转化为如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着磨损粘着磨损，磨损，磨损量又开始增加。量又开始增加。图图(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢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。对钢磨损实验结果。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Fe2O3；当载荷达到当载荷达到W0后后,磨屑是磨屑是FeO、Fe2O3 和和Fe3O4的混合的混合物。物。载荷超过载荷超过Wc以后以后,便转入危害性的便转入危害性的粘着磨损粘着磨损。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表层温度特性对于摩擦
29、表面的相互作用和破坏影响很大。面的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使表面温度升高可使润滑膜失效润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。易产生粘着磨损。如图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达如图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达到临界值到临界值(约约80)时时,磨损量和摩擦系数都急剧增加。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，其中速度的影响更大，因此限制速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效
30、方法发生的有效方法。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能提高润滑油膜吸附能力及油在润滑油、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，能成倍地提高抗粘着磨损能力。膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。油性添加剂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。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
31、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。而引起的粘着现象。1.磨损量与滑动距离成正比磨损量与滑动距离成正比2.磨损量与载荷成正比磨损量与载荷成正比3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比 实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才能按硬度估计粘着磨损，实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，合金或不同材料的摩擦副，硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或
32、粘着引硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬死等情况。起的咬死等情况。三条粘着磨损规律：三条粘着磨损规律：第三节第三节 磨粒磨损磨粒磨损1 1 定义定义:外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰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在摩擦过程中引起表面材料脱落表面材料脱落的现象的现象,称为磨粒磨损。称为磨粒磨损。磨粒磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。例如：例如：掘土机铲齿、球磨机衬板等的磨损都是典型掘土机铲齿、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的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑
33、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磨粒磨损。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。水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。2 磨粒磨损机理磨粒磨损机理(1)(1)微观切削微观切削：磨粒作用在零件材料表面上的力，可分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。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，对表面进行向适当时，磨粒就象刀具一样，对表面进行
34、剪切、和切削剪切、和切削，产生槽状磨痕，产生槽状磨痕.不过这种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的宽度和深度都很小，因此产生的切屑也很小。小。磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计,在生产中因在生产中因磨粒磨磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右,因而研究磨粒磨损因而研究磨粒磨损有着重要的意义。关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：有着重要的意义。关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：(1)(1)微观切削微观切削 虽然切削时虽然切削时“刀具刀具”，即一般的磨粒，大多具有负前角，即一般的磨粒，大多具有负前角
35、的特征，切屑变形也较大些，但在显微镜下观察，这些微观的特征，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。曲现象。微观切削微观切削是材料磨粒磨损的主要机理。是材料磨粒磨损的主要机理。磨粒和表面接触时发生切削的概率不是很大，虽然在某种条件下切磨粒和表面接触时发生切削的概率不是很大，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，或在犁削削磨损量占总磨损量的比例
36、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间的夹角(迎角迎角)太小时，或表面材料塑性很高时，往往太小时，或表面材料塑性很高时，往往磨粒在表面滑磨粒在表面滑过后，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来，特别是松散的自由磨粒，大概有，特别是松散的自由磨粒，大概有9090以上的磨粒发生滚动接触，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只能压出印痕来，而形成犁沟的概率只不过1010
37、，这样切削的可能性，这样切削的可能性就更少了。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。面发生塑性变形而切削的分量就很少。(1)微观切削微观切削(2)(2)挤压剥落挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状层状或鳞片状剥落碎屑剥落碎屑。当磨粒滑过表面
38、时当磨粒滑过表面时,除了切削外除了切削外,大部分磨粒只把材料推向前大部分磨粒只把材料推向前面或两旁面或两旁,这些材料受到很大的塑性形变这些材料受到很大的塑性形变,却没有脱离母体却没有脱离母体,同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一部分则末被切削而仅有塑变，披推向两侧和前缘。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两旁和前缘而不产生任何一次切屑时,则称之为则称之为
39、犁皱犁皱。犁沟或。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,当受到随当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平,也可能使已也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形,如此反复塑变如此反复塑变,导致材导致材料的加工硬化或其它强化作用料的加工硬化或其它强化作用,终于剥落而成为磨屑。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再继续变
40、形和吸收能量。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力，故有些截面上能力，故有些截面上(当外力不变时当外力不变时)由于应力的增长由于应力的增长(集中集中)逐逐渐丧失塑性而变为脆性状态。渐丧失塑性而变为脆性状态。(3)(3)疲劳破坏疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下，摩擦表面在磨料产生的循环接触力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。使表面材料因疲劳而剥落。克拉盖尔斯基克拉盖尔斯基提出提出“疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用主导作用”。疲劳一词是指由重复应力循环引起的一种特。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
41、极殊破坏形式，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。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。层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。微观断裂微观
42、断裂(剥落剥落)磨损机理：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。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但脆性材料，断裂机理可能占支配的地位。当断裂发生时，。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。大。脆性材料的压入断裂，其外部条件决定于载荷大小、磨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料的硬度与断裂韧性等。对脆性材料
43、来说，压痕常带有明显。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。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。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，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，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
44、，往往从一种机理组织的变化，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。为主转变为另一种机理为主。5 5 磨料及其磨损性能磨料及其磨损性能 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。大小、形状和运动条件等有关，特别是自然破碎后的角度。磨料磨料的硬度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、来判定磨料磨损性的大小。除硬度外，其它如磨料的大
45、小、形状、强度等对磨料磨损性都有一定的影响。强度等对磨料磨损性都有一定的影响。磨料的形状磨料的形状 尖锐的、多角形的磨料尖锐的、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；磨损量；圆而钝的磨料圆而钝的磨料压入深度小，大多数产生浅的犁沟或压坑，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，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
46、得很小。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，从简单模型的公式可知，磨料愈尖，角越大，其正切平均值越大，角越大，其正切平均值越大，则磨损率也愈大。则磨损率也愈大。磨粒大小磨粒大小 材料磨损量与磨粒大小有关，一般是随着磨粒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不再增大，而这种影响对非金属材料来说比金属更大些。更大些。若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大若载荷增大，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
47、略小。这个临界尺小对磨损仍有影响，不过影响略小。这个临界尺寸大致在寸大致在80m80m左右，与材料成分、性能、预冷加左右，与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。工、速度与载荷等有关。磨粒尺寸：磨粒尺寸：一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大，当磨一般金属的磨损率随磨粒平均尺寸的增大而增大，当磨粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大粒尺寸达到一定临界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大约为约为80m。磨粒尺寸影磨粒尺寸影响响 若载荷增大，粒径超过临界若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小些而已。有影响，不过影响略小
48、些而已。这个临界尺寸大致在这个临界尺寸大致在80m80m左右，左右，与材料成分、性能、预冷加工、与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。速度与载荷等有关。磨粒形状和大小综合作用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斯基粗略估计半球形磨粒尺寸在1m以下，只会产以下，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只要将润滑油中0.1m以上的磨粒滤掉，即可防止以上的磨粒滤掉，即可防止磨料磨损。磨料磨损。磨粒大小和形状可使磨损由滑动磨损转变为
49、磨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料磨损，也可以从弹性变形转变到塑性变形以致于切削。切削。所以磨粒的尺寸、形状和位向对磨料磨损有所以磨粒的尺寸、形状和位向对磨料磨损有很大的影响很大的影响，因为它们影响到从弹性接触到塑性接，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。糟尺寸的变化。磨粒硬度磨粒硬度 当磨料硬度低于试件硬当磨料硬度低于试件硬度度,即即H0 (0.71)H不产生不产生磨料磨损或产生轻微磨损。磨料磨损或产生轻微磨损。当磨料硬度超过试件硬度后，当磨
50、料硬度超过试件硬度后，磨损量随磨料硬度而增加。磨损量随磨料硬度而增加。若磨料硬度很高将产生严重若磨料硬度很高将产生严重磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当为了避免磨料磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当 H 1.3 H0 时只发生轻微的时只发生轻微的 磨料磨损。磨料磨损。6 影响磨粒磨损的因素：影响磨粒磨损的因素：影响磨料磨损的因素可分为影响磨料磨损的因素可分为外部因素外部因素与与内部因素内部因素。外部。外部因素即磨损时的工作条件，包括载荷、速度、温度、相对运因素即磨损时的工作条件，包括载荷、速度、温度、相
