摩擦學設計之第4章：磨損

摩擦學設計第四章磨損（Wear）

4.1.概述磨損是人們極其關注的問題，這是因為磨損所造成的損失十分驚人。據(jù)統(tǒng)計，機械零件的失效報廢主要有三種形式：磨損、斷裂和腐蝕。其中大約有60～80%是由磨損所造成的。因而，研究磨損的機理和提高耐磨性的措施，可以有效地節(jié)約材料和能源，提高機械設備的使用性能和壽命，減少維修費用。在大多數(shù)情況下，磨損是一種極其有害的現(xiàn)象。它使得接觸表面破壞、間隙增大、精度降低、效率下降、引起振動等現(xiàn)象。人們千方百計地防止和降低磨損。然而，在某些情況下它又是有益的，人們要利用磨損。比如說，新機器在正常工作前的磨合，許多成型加工、機床刀具的磨利、精致工藝品的制做等等，都是利用磨損的原理來實現(xiàn)的。4.1.1.磨損的定義和分類一、磨損的定義磨損是工業(yè)領域和日常生活中常見的一種現(xiàn)象，是摩擦過程的必然結(jié)果，是造成材料和能源損失的一個重要原因。在工程材料的三大破壞形式中，斷裂是“暴發(fā)性急病”，人們對它一直十分重視，研究的比較多；而磨損是“慢性病”，在過去相當長的時間內(nèi)被人們所忽視，研究起步較晚。同時，由于磨損是伴隨摩擦過程而發(fā)生在摩擦界面上的一種復雜現(xiàn)象，涉及內(nèi)容廣泛、綜合性，許多理論還不成熟和完善。因此，現(xiàn)在還難以給磨損下一個科學的定義。根據(jù)目前磨損理論的研究與發(fā)展狀況，把磨損定義為：磨損是指相互作用的物體表面在相對運動中，接觸表面層內(nèi)材料發(fā)生轉(zhuǎn)移和損耗的過程。4.1.1.磨損的定義和分類二、磨損的分類依據(jù)近代對磨損的認識，可把磨損分為六種類型：(1)、粘著磨損（Adhesivewear）(2)、磨粒磨損（Abrasivewear）(3)、疲勞磨損（Fatiguewear）(4)、腐蝕磨損（Corrosivewear）或摩擦-化學磨損（Tribo-chemicalwear）(5)、微動磨損（Frettingwear）(6)、沖蝕磨損（Erosivewear）或侵蝕磨損然而，實際的磨損現(xiàn)象大多數(shù)都是幾種磨損形式同時存在，或磨損狀態(tài)隨著工況條件的變化而轉(zhuǎn)化。因此，在分析和處理磨損問題時，必須善于抓住主要的磨損類型，或著眼于主要的磨損過程，才能采取有效的減磨措施。4.1.2磨損過程的特性機械零件從出廠使用到破壞失效，整個磨損過程可分為三個階段，圖4-1表示典型的磨損過程曲線，磨損過程可分為三個階段。ⅠⅢⅡT0時間／t磨損量Hα圖2－１磨損過程曲線4.1.2磨損過程的特性１．磨合階段（圖4－1中Ⅰ區(qū)）磨合是磨損過程的非均勻階段，在整個磨損過程中所占比例很小，其特征是磨損率dH／dL很大(H為磨損量，L為摩擦距離)，但是，隨著接合程度的改善而減小。在磨合階段，由于新摩擦副粗糙表面的真實接觸面積很小，應力很高，磨損很快。在良好的工作條件下，經(jīng)過一段時間或經(jīng)過一定摩擦距離以后，表面逐漸磨平，表面粗糙度減小，逐漸過渡到穩(wěn)定磨損階段。ⅠⅢⅡT0磨損量Hα圖2－１磨損過程曲線時間／t4.1.2磨損過程的特性２．穩(wěn)定磨損階段（圖4－1中Ⅱ區(qū)）穩(wěn)定磨損屬正常磨損階段，其磨率dH/dL為一常量。該階段在整個磨損過程中所占比例越大，則表明設備壽命越長。ⅠⅢⅡT0磨損量Hα時間／t圖2－１磨損過程曲線4.1.2磨損過程的特性３．事故磨損階段（圖4－1中Ⅲ區(qū)）在穩(wěn)定工作達到一定時間后，由于磨損量的積累，或者由于偶然的外來因素(工況變化)的影響，在短期內(nèi)，使摩擦副的摩擦系數(shù)增大,磨損率急聚升高,或嚴重發(fā)熱、產(chǎn)生異常噪音等現(xiàn)象，致使摩擦副的零件迅速失效。ⅠⅢⅡT0磨損量Hα時間／t圖2－１磨損過程曲線4.1.2磨損過程的特性磨合過程是一個有利的過程，其結(jié)果為以后機器的正常運轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件。磨合過程是機械設備必經(jīng)的過程，潤滑工況選擇合適，可以縮短磨合過程。磨合完成后，進入穩(wěn)定磨損階段以前應重新更換潤滑劑。從上述磨損過程的變化可以看出，要提高機械設備的使用壽命，就必須盡可能延長正常磨損階段，這一過程越長越好。前提是制訂合理而科學的磨合程序。關鍵在于按照規(guī)程對機器進行及時的維修保養(yǎng)。4.1.2磨損過程的特性在不同的摩擦副中，上述三個階段在整個摩擦過程中所占的比例不完全相同，任何摩副都要經(jīng)過上述三個過程，只是程度上和經(jīng)歷的時間上有所區(qū)別。圖2－2幾種不同工況下的磨損過程曲線4.2.粘著磨損粘著磨損是一種常見的磨損形式。一般發(fā)生在干摩擦或邊界摩擦表面上。如汽車、拖拉機、機床、飛機及宇航器中的許多零件都會發(fā)生粘著磨損。刀具、模具、鐵軌等的失效都與粘著磨損有關。例如在航空發(fā)動機中有30％的零件發(fā)生粘著磨損；柴油機中則有65％的零件是在粘著磨損的條件下工作。由于太空缺氧，如何解決宇航器中相對運動零件接觸表面的粘著問題，一度成為第一顆人造衛(wèi)星所要解決的一大難題。4.2.1.粘著磨損的機理粘著磨損是指在摩擦過程中，由于粘著結(jié)點的剪切作用，使摩擦表面的材料從一個表面脫落或轉(zhuǎn)移到另一個表面的磨損現(xiàn)象。當相對滑動表面在摩擦力的作用下，表層發(fā)生塑性變形時，表面的潤滑膜、氧化膜被破壞，產(chǎn)生瞬時高溫，裸露出的新鮮表面發(fā)生固相焊合，形成粘著結(jié)點。當外力小于粘著結(jié)點的結(jié)合力時，便發(fā)生咬死現(xiàn)象；外力大于結(jié)合力時，便發(fā)生粘著結(jié)點的剪切斷裂。若剪切發(fā)生在粘著結(jié)點分界面上，那么就不發(fā)生磨損（稱為零磨損）；若剪切斷裂發(fā)生在強度較低的一方，此時，強度較高的一方的表面上將粘附有較軟一方的材料，這種現(xiàn)象即稱為“材料轉(zhuǎn)移”。在以后的摩擦過程中，由于摩擦和碰撞作用，附著物就會從強度較高的表面脫落下來，變成磨損產(chǎn)物—磨屑。粘著磨損的磨屑多為片狀顆粒。4.2.1.粘著磨損的機理對于粘著磨損起因的認識有幾種不同的觀點:鮑頓(Bowden)等認為粘著磨損是由于接觸峰點的塑性變形和瞬時高溫使材料熔化或軟化而產(chǎn)生的焊合形成的；赫魯紹夫(xру－шов)認為是冷焊作用，即在未達到熔化溫度時就可能形成粘著結(jié)點；霍姆(Holm)在五十年代提出了摩擦面上的原子轉(zhuǎn)移是形成粘著結(jié)點的原因；舍門諾夫(СемновА．П)提出了粘著過程的能量假說，認為原子或離子的能量如果超過了一定的能級坎,就會發(fā)生粘著。上述各種觀點從不同角度解釋了粘著磨損的機理，構(gòu)成粘著磨損的理論基礎。4.2.2.粘著磨損的類型按照粘著結(jié)點剪切斷裂的部位，可以把粘著磨損分為以下幾種類型：１．輕微磨損當粘著結(jié)點的界面強度小于兩材料基體的強度時，剪切發(fā)生在粘著結(jié)點的界面上，材料轉(zhuǎn)移十分輕微，甚至不產(chǎn)生材料的轉(zhuǎn)移表面，稱為輕微磨損或零磨損。磨合過程大多數(shù)都屬于這種類型的粘著磨損。２．涂抹當粘著結(jié)點的界面強度大于較軟材料的強度時，剪切破壞生在軟材料的淺表層內(nèi)，材料從軟材料表面上脫落，又粘附在硬材料的表面上，稱為涂抹。如銅基軸瓦和鋼軸頸相互摩擦時，就會出現(xiàn)涂抹型的粘著磨損。4.2.2.粘著磨損的類型３．擦傷或刮傷當粘著結(jié)點的界面強度大于兩基體材料的強度時，剪切破壞發(fā)生在軟材料的亞表層內(nèi)，粘附在硬材料表面上的粘著物，沿滑動方向?qū)④洸牧蟿潅纬蓜澓?。劃痕細而淺的為擦傷；劃痕較深的為刮傷。刮傷的破壞程度比擦傷嚴重,但兩者并沒有明顯的定量界限。４．膠合當粘著結(jié)點的界面強度遠大于兩基體材料的強度時，剪切破壞發(fā)生在軟材料或兩者的深表層內(nèi)，摩擦表面形成較深的劃痕和凹坑的現(xiàn)象，稱為膠合。4.2.2.粘著磨損的類型膠合是擦傷和撕脫聯(lián)合作用的結(jié)果。當摩擦表面溫度出現(xiàn)瞬時高溫而發(fā)生局部熔化，形成固相熱焊后在切向力作用下使較軟材料從表面撕裂，形成凹坑。以塑性變形冷焊引起的粘著磨損為第一類膠合；以表面高溫造成熱焊引起的粘著磨損為第二類膠合；前者與刮傷相似，又稱為機械破壞磨損。后者也稱為熱粘著，又稱為熔化磨損。５．咬死當摩擦表面上形成大面積、牢固的粘著結(jié)點時，外力克服不了結(jié)點界面上的結(jié)合力，也不能使摩擦面雙方剪切破壞時，使摩擦副雙方?jīng)]有相對滑動，稱為咬死。咬死是最嚴重的粘著磨損形式，根本原因是粘著。4.2.3.粘著磨損方程粘著磨損模型是由阿查德(1953年)提出的。當表面處于塑性狀態(tài)時每個粘著接點的半徑為a，承受的載荷為w=πa2σs，若摩擦過程中有n個粘結(jié)點，則承受總載荷W為：W=n

w=nπa2σs圖4－2粘著磨損模型圖中所示移動距離2a后，移出的材料為底面半徑等于a的半球體，其體積為：，ｎ個結(jié)點移開的總體積為：

(４-１)

由式(4-1)整理后代入式(4-2)得：(４-2)

4.2.3.粘著磨損方程在滑動距離2a上的單位磨損體積為：考慮到真實接觸面積只占名義面積的很小的一部分，而且在一次滑動中也并非所有結(jié)點都形成磨屑而脫落，故引入粘著磨損系數(shù)Kad，式4-3變?yōu)椋?４-4)

(４-3)

式中：σs－較軟材料的屈服極限；

Kad是一個遠小于1的系數(shù),表示粘著結(jié)點形成磨屑的概率。通常，在潤滑良好時、表面塑性變形大的條件下發(fā)生第一類膠合。在滑動速度高、表面應力高、溫升明鮮的條件下發(fā)生第二類膠合。4.2.4.粘著磨損的影響因素

及提高摩擦副抗粘著能力的措施一、影響因素影響粘著磨損的因素除潤滑條件之外，影響粘著磨損的主要因素是載荷、表面溫度和材料的性質(zhì)。１．表面載荷增加使摩擦表面上的實際接觸壓力增大，磨損量增加。當接觸壓力達到某一臨界值，即W≥HB/3值時，磨損率將急劇增大，經(jīng)過一段時間后就會發(fā)生膠合。這個載荷稱為臨界載荷，而且根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)各種材料的臨界載荷值隨滑動速度增加而降低。這說明溫度對膠合的發(fā)生起著重要作用。２．表面溫度摩擦過程中產(chǎn)生的熱量使表面溫度升高，在表面接觸點附近形成半球形的等溫面，而等溫面的大小決定了磨粒的大小，如圖4－4所示。4.2.4.粘著磨損的影響因素

及提高摩擦副抗粘著能力的措施

圖4－4表面等溫線圖4－5溫度分布粘著結(jié)點在摩擦過程中，按某一等溫面剪切破壞，表面溫度越高，這個等溫面就越靠近材料的內(nèi)部，所形成的磨屑就越大。表面溫度特性對于粘著磨損影響很大。一方面表面溫度可使?jié)櫥な?，另一方面金屬材料的硬度隨著溫度的升高而降低，這些都會使摩擦表面的粘著能力增強，磨損加劇。4.2.4.粘著磨損的影響因素

及提高摩擦副抗粘著能力的措施3.摩擦副材料研究表明：塑性材料形成的粘著結(jié)點的破壞以塑性流動為主，它發(fā)生在離表面一定深度處，磨屑較大，有時長達3ｍｍ，厚度達0.2ｍｍ。而脆性材料粘結(jié)點的破壞主要是剝落，損傷深度較淺，同時磨屑容易脫落，不堆積在表面上。根據(jù)強度理論：脆性材料的破壞由正應力引起，而塑性材料的破壞決定于剪切應力。而表面接觸中的最大正應力作用在表面，最大剪切應力卻出現(xiàn)在離表面一定深度，所以材料塑性越高，粘著磨損越嚴重，脆性材料抗粘著磨損的能力比塑性材料高。相同金屬或者互溶性大的材料組成的摩擦副粘著效應較強，容易發(fā)生粘著磨損。異性金屬或者互溶性小的材料組成的摩擦副抗粘著磨損能力較高。而金屬和非金屬材料組成的摩擦副抗粘著能力高于異種金屬組成的摩擦副。從材料的組成結(jié)構(gòu)而論，多相金屬的抗粘著磨損能力高。4.2.4.粘著磨損的影響因素

及提高摩擦副抗粘著能力的措施二、提高摩擦副抗粘著能力的措施１．合理選擇摩擦副材料為了避免和減輕粘著磨損，摩擦副宜選用互溶性小的金屬。在抗粘著能力方面，多相金屬優(yōu)于單相金屬，脆性材料發(fā)生粘著破壞的深度較淺，非金屬（如高分子材料、有機復合材料、陶瓷等）不易與金屬發(fā)生粘著。因此，在條件允許的情況下，應盡可能選用具有多相組織的金屬或非金屬材料與金屬配對組成摩擦副。２．采用表面處理工藝表面氮化、滲硫、電鍍、表面噴涂或采用非金屬涂層，可提高摩擦表面抗粘著特性,有效地阻止金屬材料的粘著。目前納米復合耐磨涂層技術(shù)日漸成熟，為機械零件的表面耐磨處理提供廣闊的空間。4.2.4.粘著磨損的影響因素

及提高摩擦副抗粘著能力的措施３．減小摩擦熱控制PV值,或加強摩擦表面的冷卻(如鉆機剎車副摩擦表面的水冷)，以消除產(chǎn)生粘著磨損的各種條件。４．在潤滑劑中加油性添加劑或極壓添加劑油性添加劑可提高潤滑油膜在金屬表面上的吸附能力，保持良好的邊界潤滑狀態(tài)。極壓添加劑可分解出硫、磷、氯等活性元素，并與金屬表面起化學反應形成化學反應膜，從而有效地防止或減輕金屬表面的粘著?，F(xiàn)在國內(nèi)外正在進行納米潤滑添加劑技術(shù)與應用研究，這是改善潤滑劑的性能、提高抗粘著磨損能力的新方向。4.3.磨粒磨損4.3.1.定義在摩擦過程中，由于外界硬顆粒或摩擦表面上硬的微凸體引起表面材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。這個定義包括兩種情況：一是游離的堅硬粒子在摩擦表面上（或兩摩擦面之間）引起表層材料的脫落；二是粗糙而堅硬的摩擦面在較軟表面上運動引起表層材料的脫落。這種情況有兩個必要條件：一是組成摩擦副的兩個表面必須是一軟一硬；二是硬表面必須是粗糙的。磨粒磨損是最常見、最普通的一種磨損形式。據(jù)統(tǒng)計，因磨粒磨損而形成的損失，占整個工業(yè)范圍內(nèi)磨損損失的50％。在農(nóng)業(yè)機械、工程機械、礦山機械、建筑機械和石油機械中許多機械零件，與泥砂、礦石或灰渣等直接摩擦，都會發(fā)生不同形式的磨粒磨損。4.3.2.分類關于磨粒磨損的分類有許多種，根據(jù)磨損體的相對位置分類，形象、直觀，也容易理解。如圖4－7所示為二體(a)及三體(b)磨粒磨損示意圖。圖47

二體（a）、三體（b）磨粒磨損示意圖aba4.3.2.分類1.)二體磨粒磨損：是磨粒沿一個固體表面相對運動引起表層材料脫落的現(xiàn)象。二體磨粒磨損又分三種情況：①自由松散的磨粒沿一個固體表面相對運動；②在摩擦副中，硬表面上的微凸體使軟表面擦傷或微切削；③自由松散的磨粒以一定的速度和角度作用于固體表面。前兩種情況是低應力擦傷磨粒磨損，如犁鏵，運輸槽板、泥漿旋流分離器等等。這時磨粒作用于表面的應力不超過磨粒的壓潰強度，從而使摩擦表面產(chǎn)生擦傷或輕微的切削痕跡。后一種情況是鑿削式磨粒磨損。如挖掘機的斗齒，破碎機錘頭等零件的表面破壞。在這種情況下，磨粒對材料表面產(chǎn)生高應力碰撞，使金屬表面磨出較深的溝槽，并從材料表面鑿削下大顆粒的材料。4.3.2.分類2.)三體磨粒磨損是指在摩擦過程中，存在于摩擦界面間的外界硬顆粒引起表層材料剝落的現(xiàn)象。三體磨粒磨損屬于高應力輾碎式磨粒磨損。外界硬顆粒主要來源于兩個方面：一是大氣中的灰沙和塵埃；二是由其它磨損形式產(chǎn)生的磨屑。如球磨機襯板與鋼球，軋碎機滾筒等零件的表面破壞。4.3.3.磨損機理磨粒磨損的機理有三種觀點：①微觀切削法向載荷將磨粒壓入摩擦表面，在相對運動中，磨粒對材料進行微觀切削，使之發(fā)生塑性流動，并形成溝槽狀磨痕。②擠壓剝落磨粒在法向載荷的作用下壓入摩擦表面形成壓痕，將材料擠壓出層狀或鱗片狀磨屑。③疲勞破壞摩擦表面在磨粒產(chǎn)生的交變接觸應力作用下,表層材料由于疲勞而剝落?？偟膩碚f，磨粒磨損機理是屬于磨粒的機械作用。這種機械作用在很大程度上與磨粒的形狀、尺寸大小、固定的程度以及載荷作用下磨粒與被磨表面的機械性能有關。4.3.3.磨損方程圖4－8磨粒磨損簡化模型4.3.3.磨損方程圖4－8為磨粒磨損簡化模型。兩摩擦表面其中一個是由一系列具有半角為θ的硬圓錐形微凸體所組成，而另一表面是由較軟而平坦的材料構(gòu)成。設一微凸體在軟表面上劃出一條痕跡，在移動一個單位距離時，其轉(zhuǎn)移的材料體積為rh。由于h=r×ctgθ，因此，一個微凸體在單位移動距離內(nèi)轉(zhuǎn)移的材料體積為r2ctgθ。圖4－8磨粒磨損簡化模型4.3.3.磨損方程假設：材料在法向載荷作用下屈服，則每個微凸體支承的載荷為πr2σs/2，σs是軟材料的屈服壓力。如果有n個微凸體進入接觸，總的法向載荷為：單位移動距離內(nèi)材料的總轉(zhuǎn)移體積為

將上式聯(lián)立消去n后便得：

(４-５)4.3.3.磨損方程上式是根據(jù)極其簡單的模型推導出來的，對于微凸體的高度和形狀的分布都簡化了。如果以Ｈ代替σs，以Ｋab＝2ctgθ/π代入，則(4-5)式可變?yōu)椋?/p>

(4-6)式中：H－軟材料的硬度；Ｋab

－磨粒磨損系數(shù)。從(4-5)和(4-6)式可以看出，磨粒磨損與粘著磨損有一些相似之處，即磨損率Rv與載荷W成正比，與軟材料屈服壓力或硬度H成反比。因而(4-6)式可作為定性分析磨粒磨損時的參考。(4-6)式是根據(jù)二體磨粒磨損推導出來的。這一形式的方程也適用于松散磨粒使磨擦表面產(chǎn)生磨損，對三體磨粒磨損情況也同樣適用，只是Ｋab值較低，這是由于在這種情況下許多微粒往往是滾動而不是滑動。當磨粒磨損進行一段時間后，硬微凸體或破碎微粒將在一定程度上變鈍，因此磨損率就會降低。但是，脆性材料的磨粒碎裂后，磨粒的邊緣變得銳利，因而磨損率又會提高。４.3.4磨粒磨損的影響因素影響磨粒磨損的因素除了摩擦副的工況條件和磨粒磨損的類型（兩體磨損和三體磨損）之外，還有金屬材料的硬度以及磨粒的硬度與尺寸。１．金屬材料的硬度在一般情況下，金屬材料的硬度或金屬的含碳量越高，其耐磨性也越高。長期在低應力下工作的零件，宜選用硬度較高的鋼。而在高應力或沖擊作用下工作的零件，則應選用韌性好、冷作硬化的鋼。實踐證明，零件工作表面的磨損性能往往比原設計的硬度還要高。例如，當工作應力高到足以在表面形成冷硬層時，錳鋼的耐磨性反而比工作應力低時更高。所以，應當考慮到零件磨損時產(chǎn)生的實際最大硬度，而不僅是零件工作表面原有的硬度。４.3.4磨粒磨損的影響因素2．磨粒硬度根據(jù)磨粒硬度Ha和金屬本體硬度Hm之間的關系，可將磨粒硬度對磨損的影響分為三個區(qū)間（圖4-9)。在Ⅰ區(qū)，當Ha

＜0.7Hm時，不產(chǎn)生磨粒磨損；在Ⅱ區(qū)，磨損隨磨粒硬度的增高而加??；在Ⅲ區(qū)，磨損量不再受磨粒硬度的影響。研究表明，要改善材料抗磨粒磨損的性能，應提高基體硬度。但是，如果Hm超過1.3Ha時，抗磨粒磨損的性能將不會得到更進一步的改善。因而可以把Hm＝1.3Ha作為低磨損率的判據(jù)圖4-9磨粒硬度對磨損的影響Ⅰ一低磨損區(qū)Ha

＜0.7Hm；Ⅱ一磨損轉(zhuǎn)化區(qū)Ha≈0.7Hm；Ⅲ一高磨損區(qū)Ha＞0.7Hm；４.3.4磨粒磨損的影響因素3．磨粒尺寸通常，金屬的磨粒磨損會隨著磨粒尺寸的增大而加劇，這可能是由于磨粒的微切削深度增大所致。但磨粒尺寸增大到某個臨界值以后，磨損量保持不變?？梢哉J為，此時磨粒尺寸增大使其接觸應力下降（當法向載荷保持不變時），因而磨粒的微切削深度不再增加。磨粒尺寸的臨界值隨著金屬材料的不同而變化，對于A3和45號鋼，這個值約為９０～１００μm。圖4-4A3和45#鋼磨粒尺寸的臨界值4.4.疲勞磨損4.4.1.定義疲勞磨損是指摩擦表面在交變載荷的作用，表層材料由于疲勞而局部剝落，形成麻點或凹坑的現(xiàn)象。疲勞裂紋一般是在固體有缺陷的地方最先出現(xiàn)。這些缺陷可能是機械加工時的毛病(如擦傷)或材料在冶金過程中造成的缺陷（如氣孔，夾雜物等）。裂紋還可以在金屬相之間和晶界之間形成。與粘著磨損和磨粒磨損不同，疲勞磨損無論摩擦表面是否直接接觸都是不可避免的。通常，齒輪副、滾動軸承、鋼軌與輪箍及凸輪副等零件比較容易出現(xiàn)疲勞磨損。4.4.2.類型疲勞磨損可分為兩大類：（一）點蝕（Pitting）—非擴展性的表面疲勞磨損特點是：摩擦表面形成麻點狀凹坑，磨屑為扇形顆粒。原因是：摩擦表面上存在的刀痕、碰傷、腐蝕或其它磨損痕跡，成為應力集中源，在交變應力作用下這些痕點區(qū)域的材料首先發(fā)生疲勞而脫落，使摩擦表面形成麻點狀凹坑。圖4-5點蝕4.4.2.類型（二）剝層（Spalling）—擴展性的表面疲勞磨損

特點是：摩擦表面形成大而淺的凹坑，磨屑一般為鱗片狀。原因是：材料表層內(nèi)含有夾雜物或空穴（晶格間缺陷），在交變應力作用下成為應力集中源，發(fā)生疲勞而生成疲勞裂紋，隨著應力循環(huán)的繼續(xù)而擴大，疲勞裂紋并延伸到表面使表層材料脫落的現(xiàn)象稱為剝層。這種現(xiàn)象多發(fā)生在兩接觸面上的交變應力較大，以及由于材料選擇和潤滑不當?shù)那闆r下。圖4－6剝層凹坑4.4.3.疲勞磨損與整體疲勞破壞的區(qū)別疲勞磨損不同于整體疲勞破壞，它們的區(qū)別可概括如下：１．裂紋的萌生及擴展：整體疲勞的裂紋源都是從表面開始的，裂紋首先從表面沿著與外加應力成45°角的方向擴展，超過兩三個晶粒以后，即轉(zhuǎn)向與應力垂直的方向；疲勞磨損的裂紋是在表面層內(nèi)萌生，沿平行于與表面成10°～30°夾角的方向擴展，而且只限于在表面層內(nèi)擴展。圖4－７裂紋的擴展4.4.3.疲勞磨損與整體疲勞破壞的區(qū)別２．疲勞極限：整體疲勞破壞一般都存在有明顯的疲勞極限，即疲勞應力低于這個極限時，壽命是無限的；疲勞磨損則未發(fā)現(xiàn)這樣的疲勞極限，但疲勞磨損壽命與材料的疲勞強度有關。疲勞失效時間ｔ與最大接觸應力的乘積為常數(shù)：３．工況條件：在疲勞磨損中，材料除受循環(huán)應力的影響外，還受到摩擦過程中伴隨發(fā)生的一系列的物理化學變化，以及殘余應力，組織結(jié)構(gòu)缺陷，表面溫度以及塑性變形等因素的影響，其工作條件遠比整體疲勞惡劣得多。疲勞磨損的機理可以應用于磨粒磨損，粘著磨損，腐蝕磨損和微動磨損。4.4.4.影響疲勞磨損的因素疲勞磨損的影響因素主要有載荷、材料性質(zhì)、表面品質(zhì)、潤滑劑等。1.載荷載荷決定了接觸應力的大小，因此它是影響疲勞磨損的最重要因素，載荷越大，疲勞磨損壽命就越短。2.材料性質(zhì)材料的硬度、金相組織、內(nèi)部缺陷、硬化層厚度等都會影響疲勞磨損。一般情況下，疲勞磨損壽命隨著材料硬度的提高而提高，但是當硬度提高到一定數(shù)值后，繼續(xù)提高硬度，疲勞磨損壽命反而會降低。因而存在一個最佳抗疲勞磨損的硬度。金相組織對疲勞磨損的影響比較復雜，目前還沒有一個統(tǒng)一的觀點。材料的內(nèi)部缺陷會嚴重降低疲勞磨損的壽命。一般來說，內(nèi)部缺陷尺寸越大、分布越不均勻，疲勞磨損壽命就越低，疲勞磨損也就越嚴重。適當增加硬化層的厚度，可使疲勞裂紋限制在硬化層內(nèi)形成，因而可大大提高其抗疲勞磨損的能力。

4.4.4.影響疲勞磨損的因素3.表面粗糙度降低表面的粗糙度可大大提高其抗疲勞磨損的能力，降低疲勞磨損；但是當表面達到超光潔的程度時，再繼續(xù)降低表面粗糙度對疲勞磨損壽命影響不大。例如，滾動軸承當Ra=0.16～0.32比Ra=0.32～0.63時的疲勞壽命提高2～3倍；當Ra=0.08～0.16比Ra=0.16～0.32時疲勞壽命提高一倍多。當Ra=0.04～0.08時，再降低表面粗糙度對疲勞磨損壽命影響很小。需要指出的是，表面硬度越高，其粗糙度就應當越低。否則會降低疲勞磨損壽命，加重疲勞磨損。這是因為硬度越高的金屬材料對應力集中越敏感，就越容易發(fā)生疲勞磨損。4.５腐蝕磨損4.６微動磨損這兩種磨損形式都是復合磨損。腐蝕磨損是金屬腐蝕和粘著磨損、磨粒磨損的復合；而微動磨損是粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損三種形式的復合。4.7.近代磨損理論前面所講的各種磨損機理，都只能解釋某一類磨損現(xiàn)象，而不能揭示磨損現(xiàn)象的共同本質(zhì)。隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，研究手段和工具的不斷改進，人們可以直接觀察磨損的動態(tài)過程，進而從微觀角度對磨損的本質(zhì)進行研究。到二十世紀七十年代中期形成了現(xiàn)代磨損理論。主要有：磨損的疲勞理論、剝層理論和能量理論。下面學習最具有代表性的兩種磨損理論：剝層理論和能量理論。4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear經(jīng)過許多年的研究，人們認識到金屬的滑動磨損是通過摩擦表面的裂紋生長，使表層材料沿平行表面的方向逐層剝落而形成的。1973年蘇(Ｎ.Ｐ.Ｓuh)提出了金屬磨損的剝層理論。這種理論是以金屬的位錯理論以及金屬表面層的斷裂和塑性變形為基礎，通過總結(jié)以往大量的實驗數(shù)據(jù)和研究結(jié)果而形成的一種新理論。4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear一、理論要點圖4-11表示剝層磨損的過程。理論要點歸納如下：（１）接觸類型的轉(zhuǎn)變當兩接觸表面相對滑動時，軟表面上的微凸體在法向和切向載荷的共同循環(huán)作用下，發(fā)生斷裂而形成較為光滑的平面。使得表面接觸由兩個粗糙表面的接觸變?yōu)橛驳拇植诒砻媾c軟的光滑表面的接觸。圖4-8剝層磨損接觸類型的轉(zhuǎn)變4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear（２）位錯的形成硬表面上的微凸體在軟表面上滑動，使軟表面上各點經(jīng)受循環(huán)載荷的作用，在表層內(nèi)產(chǎn)生周期性塑性變形與位錯。圖4-8剝層磨損的過程4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear（３）裂紋的萌生與擴展隨著變形的不斷積累，在亞表層內(nèi)出現(xiàn)位錯堆積。位錯堆積在材料亞表層內(nèi)的缺陷（雜質(zhì)或空穴）處就會產(chǎn)生裂紋。裂紋形成后，平行于表面的正應力阻止裂紋向深度方向發(fā)展，在剪應力的作用下沿著與表面接近平行的方向擴展。（４）磨屑的形成當裂紋擴展到一定長度后，就在裂紋與表面之間材料的薄弱位置被剪斷，形成薄而長的片狀磨屑而剝落。圖4-8剝層磨損的過程4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear二、磨損方程剝層理論提出了磨損碎片厚度的計算公式和磨損方程，磨損碎片的厚度可用下面公式表示：

(4-11)式中：Ｇ－剪切模量；

b－格斯向量，表示位錯掃出滑移面到達表面時，滑移面上下兩部分晶體的相對位移；

σf－摩擦應力；

μ－泊松比。4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear磨損方程（磨損率）為：

(4-11)式中：l－接觸長度；

h－磨屑的厚度；

λ—接觸微凸體峰頂?shù)钠骄g距；—裂紋兩端在N次應力循環(huán)中的平均擴展速度；l0－沿滑動方向的裂紋間距離。4.7.1.磨損的剝層理論

—TheDelaminationTheoryofWear裂紋擴展的速率與接觸表面的摩擦系數(shù)、裂紋所在深度、裂紋的長度、材料的性能等因素有關。按照剝層理論，磨屑應為薄片狀。但是，如果沿磨屑厚度方向的位錯密度不均勻，磨屑也會成為彎曲或螺旋狀。另外，處于摩擦副之間的磨屑，還可能由于相對滑動而被輾成其它形狀，而不能保持薄片狀?？偟恼f來，磨損的剝層理論能較完善地說明許多實驗所觀察到的現(xiàn)象，也較深入地闡明了磨損的微觀現(xiàn)象。這個理論也可以解釋具有塑性變形的金屬和非金屬（包括高分子材料）的粘著磨損、疲勞磨損及微動磨損。但是，由于它考慮的是低速滑動條件下的磨損，沒有考慮溫度的作用，因而還不能解釋高速滑動條件下的磨損現(xiàn)象。4.7.2.磨損的能量理論這個理論是弗萊舍爾(Ｇ.Ｆleischer)提出來的。磨損的能量理論認為：摩擦功的大部分轉(zhuǎn)化為熱，但也有一部分，約占總摩擦功9～16％的能量，以內(nèi)能的形式儲存在摩擦材料之中。當一定體積的材料內(nèi)積累的能量達到一定數(shù)值后，就會從表面上脫落下來，而形成磨屑。所以說，磨損是摩擦的必然結(jié)果，也是能量轉(zhuǎn)化和消耗的過程。為便于分析引入能量密度的概念，即材料單位體積所吸收或耗散的能量，用E表示。

(４-１２)式中：Ｗk－摩擦功；

F－摩擦力；

L－摩擦路程；

V－形成磨屑的體積；

h－線磨損量；

Rh－線磨損率，Rh＝h/L。

4.7.2.磨損的能量理論假設，摩擦表面每摩擦接觸一次所吸收的平均能量密度為Ee，其中轉(zhuǎn)化為形成磨屑儲存的能量密度為Ek，則：Ek

＝ξEe（４－１３）系數(shù)ξ為能量密度系數(shù)，表示轉(zhuǎn)化為形成磨屑的能量密度與總吸收能量密度的比值。根據(jù)能量理論，能量積累在所謂儲存體積內(nèi)。當儲存能量達到臨界值時，在該體積內(nèi)材料發(fā)生塑性流動或者形成裂紋。4.7.2.磨損的能量理論如果經(jīng)過ｎ次摩擦才形成磨屑，那么，在形成磨屑前的n－1次摩擦中的總能量密度為（n－1）Ek

，最后一次摩擦中所吸收的能量密度為Ee

，全部用來使磨屑從表面上分離，所以形成磨屑的總能量密度為EΣ

(４-１4)得到4.7.2.磨損的能量理論由于Ｅ是磨損單位體積所需的能量密度，Ee是摩擦一次材料單位體積所吸收的能量，n次摩擦后形成磨屑，故有Ｅ＝nEe考慮到形成磨屑的體積比吸收能量的體積Ｖw要小，令γ＝Ｖw

／V有：

(４-１５)將(4-14)代入式(4-15)得

由于ｎ》１，上式可以寫成

(４-１6)4.7.2.磨損的能量理論事實上，實際的破壞能量密度比平均能量密度大許多，故引進倍數(shù)k。由式(4-12)得Rh＝τ／E；將式(4-16)代入上式，得線磨損率

(４-１7)上式中的k、ξ、γ、n都是和材料的物理機械性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)及微觀機械特性有關的量，這些量的關系尚不清楚，因此要把磨損能量理論應用于實際磨損計算，還有待進一步試驗研究，所以，磨損的能量理論還不能應用于解析表達式。4.8.磨損的測量和計算4.8.1磨損量的測量方法一、磨損過程的評定方法目前國內(nèi)外在研究摩擦磨損時所使用的摩擦試驗機是多種多樣，對磨損的評定方法也不統(tǒng)一，比較常用的磨損評定方法有以下幾種：1.線磨損量H：指磨損前后磨損表面在法向方向上的尺寸變化，單位是mm或μm；2.質(zhì)量（重量）磨損量W：指磨損前后磨損表面材料的重量損失，單位是g或mg；3.體積磨損量V：指磨損前后磨損表面材料的體積損失變化，單位是mm3或cm3；4.磨損率R：指磨損量與摩擦行程或磨損時間、磨損轉(zhuǎn)數(shù)的比值；摩擦行程單位是：mm/m或μm/m；g/m或mg/m；mm3/m或cm3/m；磨損時間單位是：mm/h或μm/h；g/m或mg/h；mm3/h或cm3/h；磨損轉(zhuǎn)數(shù)單位是：mm/r或μm/r；g/r或mg/r；mm3/r或cm3/r；4.8.1磨損量的測量方法5.比磨損率I：指磨損量與摩擦功的比值，單位是10-7mm/J或10-7mg/J等；6.相對耐磨性ε：指試驗試樣與標準試樣的磨損量之比，無量綱。在上述這些磨損量的定量評定方法中，線磨損Ｈ、重量（質(zhì)量）磨損Ｗ、體積磨損Ｖ都是磨損表面的損失，它沒有考慮到零件或試樣的尺寸、形狀以及所受載荷、速度、磨擦的影響，因此是一個絕對磨損量的值表示方法。相對耐磨性ε這種無量綱表示方法，需要用一個標準試樣，且隨所比較的試樣材料及特性而變化。也有稱磨損率或比磨損量為單位磨損量的，是目前國內(nèi)外應用較廣泛的計算磨損的方法，這是由于它考慮了載荷和磨程的影響，可供在同樣滑動速度的條件下比較。總之，當我們對某種零件的耐磨性作出判斷時，必須考慮它的使用條件和工作狀況，并盡可能采用相對磨損量來作為評定磨損過程的定量指標，以獲得可靠的結(jié)果。4.8.1磨損量的測量方法二、磨損的測量方法稱重法:分析天平測長法：測量顯微鏡，螺旋測微計等。磨痕法放射性同位素法對于磨損實驗結(jié)果的測量同樣可以通過對收集到的磨屑進行稱量和分析，以定性和定量的確定磨損速率。關于磨屑顆粒的收集和測定方法不在作詳細描述。4.8.2磨損過程的計算一、關于磨損率的計算從磨損過程的宏觀定義我們知道，磨損率是磨損表面的磨損量H與摩擦行程L的比值，即：

(4-18)

式中Rh－線磨損率；

L－滑動距離；

VL－滑動距離為L時的磨損體積；

An－名義接觸面積；

H－線磨損量。上式表示了磨損過程宏觀特性之間的關系。對于產(chǎn)生△V體積的磨損屑，在微觀定量方面相當于每個接觸微凸體上有厚度為h的一層材料被磨掉，即：△V=h×Ar。式中h值是一個假定值，而不是從接觸斑點上真正磨掉的材料厚度。H才是磨損表面磨到的厚度。

4.8.2磨損過程的計算假定：接觸斑點在滑動方向上的平均直徑為d，當滑動距離為d時的磨損率為：

(4-20)考慮到V/L=△V/d，將它與上式一并代如(4-19)式中得：上式將磨損過程的宏觀特性與微觀特性聯(lián)系起來。在此分析的基礎上，克拉蓋爾斯基按照磨損的疲勞理論，在總結(jié)了大量實驗結(jié)果的基礎上，又考慮到諸因素的影響后，推倒出磨損率的計算公式：4.8.2磨損過程的計算Kty－考慮接觸點載荷不穩(wěn)定以及疲勞因素參數(shù)；ty－彈性接觸時摩擦疲勞曲線的指數(shù)；α－相互覆蓋系數(shù)；P－名義比壓；ν－支承曲線參數(shù)；

E－彈性模量；μm－考慮分子作用的摩擦系數(shù)；△－表面粗糙度參數(shù)，△=Rmax/rb1/ν；σ0－摩擦疲勞極限。K－接觸區(qū)應力狀態(tài)系數(shù)，脆性材料k=5，塑性材料k=3。

(４-２１)式中：；K1≈0.24.8.2磨損過程的計算二、摩擦副中磨損量的計算機械零件的磨損可以分為表面磨損和組合磨損。表面磨損是指摩擦表面在法線方向上的尺寸變化；組合磨損是指兩個相互配合表面由于磨損所造成的相對位置變化。它改變了兩個表面配合的性質(zhì)，進而影響機械零件的工作性能。組合磨損計算的基本思想是，先根據(jù)機械零件的工作性質(zhì)確定配合表面所允許的位置變化量，即組合磨損量，然后由組合磨損量計算表面磨損量和磨損壽命。這種計算方法對于機械設備和零件的摩擦學設計具有實際指導意義。組合磨損計算的具體步驟如下：4.8.2磨損過程的計算（一）按實際工況條件確定摩擦副的磨損曲線和磨損率通常，磨損計算只考慮下面兩種情況。如圖4-8所示。對于正常工作的機械設備和零件，穩(wěn)定磨損階段所占的時間最長，因此以穩(wěn)定磨損階段的時間