摩擦與磨損全第4章-磨損1

摩擦與磨損第四章磨損（1）

8/13/20261.主要內容4.1概述4.2粘著磨損4.3磨料磨損4.4疲勞磨損4.5腐蝕磨損4.6氣蝕4.7微動磨損8/13/20262.4.1概述磨損定義：磨損是物體相對接觸表面間產生相對運動，從而造成表面材料損失的結果。8/13/20263.磨損的二重性通常情況下摩擦是一種有害的現象，應當盡量減少摩擦；但摩擦有時又是有利的，需要加以利用或設法增加摩擦。由于磨損伴隨摩擦而產生，因此也具有二重性。通常情況下，磨損是有害的，因為：降低機械效率；降低零件的精度；產生噪聲和振動；縮短機器使用壽命；特別在現代工業自動化、連續化的生產中，某一零件的磨損失效就會影響全線的生產。8/13/20264.但磨損也有它有益的一面：如研磨、超聲波加工中，降低零件的表面粗糙度。在機器零件“磨合”過程中，人們往往采用合理的磨合規范，通過加速磨損來縮短“磨合”階段。去除零件或物體的多余部分。磨削等。8/13/20265.存在問題磨損過程存在各種機械、物理和化學作用。雖然對磨損機理進行了大量的研究，但至今不能像摩擦那樣建立比較公認的、定性和定量的結論和定律。大多數金屬材料的摩擦系數都在0.1-1.0之間，而磨損率變化范圍卻很大。對于摩擦與磨損的關系，普遍認為摩擦系數大磨損就大，而事實并非如此。

8/13/20266.分類根據磨損破壞機理和特征，磨損形式一般可分為五類:①粘著磨損;②磨料磨損;③表面疲勞磨損;④腐蝕磨損;⑤微動磨損。8/13/20267.耐磨性是材料抵抗磨損的一個性能指標，可用磨損量的倒數來表示。磨損量的表示方法:線磨損：以摩擦表面法向尺寸減少量來計量。也可以用線磨損率KL表示，即單位相對滑動距離的摩擦表面法向尺寸減少量。體積磨損：以摩擦表面體積減少量來計量。也可以用體積磨損率KV表示，即單位相對滑動距離摩擦表面體積減少量。重量（質量）磨損：以材料磨損過程中的重量（質量）損失來計量。也可以用重量磨損率KG表示，即單位相對滑動距離與單位表觀接觸面積的重量（質量）減少量。通過稱重法測定。磨損量的表示方法8/13/20268.比磨損率：單位相對滑動距離和單位法向載荷下的體積磨損量。相對磨損率：試件材料磨損率與標準材料在相同條件下的磨損率之比；相對耐磨性：標準材料與試件磨損量之比；磨損系數K：摩擦副材料的體積磨損和軟材料屈服極限之乘積與摩擦功（滑移距離與載荷之乘積）之比。8/13/20269.圖4–1磨損過程曲線

機械零件的正常磨損過程一般可大致分為三個階段：8/13/202610.1、磨合(跑合)階段磨合是磨損過程的不均勻階段，這時由于表面形貌發生變化，表面微凸體相互劇烈碰撞的幾率逐漸減少。在磨合期，系統處于自適應過程，它的特征是磨損率很大。由于起初摩擦表面只有少數粗糙微凸體發生摩擦接觸，實際接觸面積小，接觸應力大，使表面粗糙微凸體發生劇烈破壞、壓碎和塑性變形，同時表面發生冷作硬化。表面通過自適應過程逐漸向彈性狀態過渡，表面逐漸"磨平"，實際接觸面積逐漸增大，磨損速度減緩而進入穩定磨損階段。8/13/202611.圖4-2磨合前、后表面粗糙度的變化情況1—磨合前；2—磨合后8/13/202612.2、穩定磨損階段磨合的結果，摩擦系統獲得了相對穩定的特性。特點是磨損率很小，摩擦學過程保持不變。因前期磨合階段表層經受很高的比壓、熱效應和薄層塑性變形及冷作硬化，從而建立起彈性接觸條件。表層的塑性變形使空氣中的氧氣向金屬內部溶解和擴散，在金屬表面形成FeO，Fe2O3和Fe3O4固體覆蓋膜。極壓添加劑等物質也會與表面起化學反應形成固體覆蓋膜。如果膜的形成速度等于或稍大于破壞速度，則主要產生磨損率極小的氧化磨損(腐蝕磨損)。8/13/202613.3、"急劇"磨損階段在長時間的穩定磨損階段后，當材料的磨損總量達到一定值時，摩擦系統的狀態會發生質的轉變，摩擦現象也發生重大變化。特點：磨損隨時間迅速增長，導致系統突然損壞而失效。原因：表面出現疲勞裂紋，相互交連、成片剝離，導致急劇磨損。屬疲勞磨損。表面持油能力下降，流體油膜難以形成，導致金屬與金屬直接接觸，造成金屬的劇烈粘著磨損。磨料磨損也引起急劇磨損。也可能是一種主要磨損形式同時伴隨其他磨損形式的綜合作用結果。在急劇磨損中，磨屑顆粒的尺寸可達上百微米以上，對于相同金屬摩擦副，磨粒尺寸會更大。8/13/202614.如果磨合階段的磨合規范、程序和潤滑劑選擇不當，不僅會延長磨合期，甚至使正常磨損遭到破壞。如，由于磨合開始的載荷過大，加之選用了差的潤滑劑，粗糙的表面由于金屬與金屬直接接觸造成嚴重的塑性變形而導致劇烈粘著磨損，如曲線②所示。有時，在穩定磨損階段，由于溫度上升或接觸面積、載荷和滑動速度變化，使得流體膜潤滑狀態轉變，正常磨損曲線①轉向曲線③。當摩擦表面溶解的氧或極壓添加劑等與表面起反應形成固體覆蓋膜的速度大大小于破壞速度時，也會出現上述曲線的情況。

8/13/202615.4.2粘著磨損1．鮑登-泰勃的粘著磨損機理當兩金屬零件表面受法向載荷接觸時，開始只有極少數較高的微凸體發生接觸，比壓很大，超過材料的屈服極限，微凸體發生塑性變形。接觸斑點發生粘著或冷焊。（無膜純金屬）若表面有膜，但只受法向載荷，粘著不牢固。若受切向力使兩物體相對滑動，表面膜會被擠壓破裂，產生粘著磨損。除非表面膜的形成速度等于或接近它的破壞速度。4.2.1粘著磨損理論（鮑登-泰勃）8/13/202616.即便有牢固表面膜，在邊界潤滑狀態下，當載荷和滑動速度很大時，表面溫度升得很高，潤滑油粘度顯著下降，甚至蒸發，微凸體也會直接接觸，表層金屬甚至會軟化或熔化，造成嚴重粘著磨損。總之，粘著磨損是由于兩摩擦物體在法向力和切向力的聯合作用下，產生金屬與金屬的直接接觸和塑性變形，經歷粘著、剪切撕脫和再粘著的循環過程，嚴重時摩擦副會咬死。

8/13/202617.粘著磨損(adhesivewear)定義：指滑動摩擦時摩擦副接觸面局部發生金屬粘著，在隨后相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。8/13/202618.磨屑的形成在粘著磨損過程中，表面材料從一個表面轉移到另一個表面，在連續摩擦的情況下，被轉移的薄片材料堆積到一定程度后，由于機械斷裂、結合鏈破壞或疲勞斷裂而剝離，成為松散的磨屑顆粒。磨屑顆粒大多在摩擦界面間滾動；少數顆粒能再一次被粘附于摩擦表面；有的甚至會增大。磨屑顆粒已被嚴重氧化，為疏松的層狀顆粒，溶解的氧多，吸油性(潤濕性)好，不易再次粘附于摩擦表面。8/13/202619.什么條件下易出現粘著磨損？主要是在滑動副或滾動副之間沒有潤滑油時；或油膜和氧化膜因受到過高的載荷而破裂，造成兩摩擦材料直接接觸時。例：滑動軸承、減速器以及活塞與氣缸摩擦副等，在超載荷或潤滑不足時就會因粘著發生膠合。例：電氣接觸器存在微觀粘著焊連、切削刀具出現積屑瘤，也是粘著磨損。8/13/202620.特例：陶瓷或聚合物材料構成的配對副不易發生粘著。塑料與金屬配對副，有時希望發生粘著磨損，形成薄薄的塑料轉移膜，形成塑料對塑料的相對滑動，減小摩擦系數。這種情況只在低速、高載荷情況下出現。8/13/202621.2．粘著磨損的類型輕微磨損：磨損表面粘著點結合強度很弱，剪切破壞發生在界面上，摩擦主要發生在表面氧化層內，在摩擦力的反復作用下，磨屑呈極薄的層片狀剝落。涂抹：涂抹一般發生在軟金屬的淺層內，即較軟金屬涂抹在較硬金屬的表面上，涂抹材料通常是軟化或熔化材料。如銅基軸瓦和鋼軸頸的摩擦。8/13/202622.擦傷與劃痕：界面強度大于兩摩擦材料基體強度，剪斷發生在軟材料的亞表層，附著在硬金屬表面的粘著物將軟材料表面劃傷，形成沿滑動方向細而淺的擦傷或劃痕。如鋁與鋼對磨。撕脫：摩擦表面粘著點結合強度大于一方或雙方基體金屬的剪切強度，滑動時剪切破壞發生在一方或雙方金屬深處。咬死：與④類似，所不同的是粘著區域大，粘著結合強度比雙方基體金屬的剪切強度高，且外界作用的切向力小于總的粘著結合力，摩擦副之間不能相對滑動，出現咬死。

8/13/202623.3.粘著磨損定量關系式粘著磨損可用阿查德（Archard,1953）公式計算：

式中：L為滑動距離；V為滑動距離L時的總磨損體積；W為載荷；H為較軟材料的布氏硬度值；K為磨損系數。8/13/202624.4.影響粘著磨損的主要因素

(1)材料性質脆性材料的抗粘著磨損能力比塑性材料高。塑性材料的粘著破壞常發生在表層深處，磨屑的顆粒大；而脆性材料的粘著破壞常發生在表層淺處，磨屑的顆粒細小。材料的屈服點或硬度愈高，其抗粘著磨損能力也愈強。

不同材料或互溶性小的材料組成的摩擦副抗粘著磨損能力高，如鐵與鎳、鋁相溶，則不能配對成摩擦副；鉛、錫、銀、銦與鐵不相溶，所以常用這幾種金屬的合金作軸瓦。

金屬與非金屬（如石墨、塑料等）組成的摩擦副比金屬摩擦副的抗粘著磨損性能好。8/13/202625.多相金屬比單相金屬的粘著傾向小，因多晶材料的晶粒，在變形時要受到其鄰近晶粒的影響，當平均晶體直徑遠大于接觸的微觀面積時，它們對變形的抑制作用最小，因此要避免粗大的晶粒。金屬中化合物相比單相固溶體粘著傾向小。不連續組織的粘著傾向性比連續組織的小(因不連續組織有抑制粘著嚴重滋長的作用)。周期表中的B族元素與鐵不相溶或能形成化合物，它們的粘著傾向小，而鐵與A族元素組成的摩擦副粘著傾向大。8/13/202626.(2)載荷的影響粘著磨損一般隨法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加。當載荷值超過材料硬度值的1/3時，磨損急劇增加，嚴重時咬死，因此設計中選擇的許用壓力必須低于材料硬度值的1/3。

8/13/202627.圖4-5鋼的磨損系數隨表觀壓力變化曲線

8/13/202628.(3)表層性質采用表面處理工藝使摩擦副對偶表面互溶性減少，從而避免同種金屬相互接觸，可提高抗粘著磨損能力。如電鍍、表面化學熱處理、表面合金沉積、噴鍍、刷鍍和堆焊等工藝，都可提高抗粘著磨損能力。8/13/202629.(4)滑動速度在表面平均壓力一定的情況下，粘著磨損和磨損率隨滑動速度的增大而增大，到了某一極大值后，又隨滑動速度的增大而減小。

原因：最初滑動速度的增大主要使表面溫度升高而將部分表面膜破壞和使摩擦副的強度降低，粘著磨損增加，相應其磨損率也就增大；當因速度增大而使表面溫度高于某一值后，在表面易形成一層氧化膜而阻止金屬表面的大面積接觸，從而使粘著磨損減少，相應其磨損率也就減小。另一方面，因滑動速度升高而產生熱量使表層軟化而基體并不軟化，也可使磨損減輕。8/13/202630.圖4-6磨損量與滑動速度、接觸壓力的關系曲線

8/13/202631.圖4-7磨損量與滑動速度和載荷的關系曲線

有時隨著滑動速度的變化，磨損類型由一種形式轉變為另一種形式。8/13/202632.

(5)溫度的影響為了描述摩擦溫度或摩擦熱對摩擦性能的影響，常采用閃點溫度、表面平均溫度、體積平均溫度、溫度梯度等參數來進行研究。閃點溫度是指摩擦中局部位置(如微凸體頂端)接觸瞬間的溫度。由于接觸面積很小，所以在整個摩擦表面平均溫度不太高時，其閃點溫度可能很高(可達上千攝氏度)。在低速摩擦范圍內對磨損有直接影響的是閃點溫度。8/13/202633.溫度對粘著磨損的影響1)使摩擦表面的材料性能發生變化。摩擦表面的溫度升高，硬度降低，使粘著可能性增大，因而磨損率也增大。溫度的升高還可能引起摩擦表面材料發生相變。2)使摩擦表面生成化合物薄膜。溫度的變化影響金屬的氧化速度和生成的氧化物種類，顯然這會改變表面的摩擦學性質。3)使潤滑劑的性能改變。溫度升高，潤滑油粘度下降，潤滑效果降低，同時潤滑油氧化、分解的速度加快。當超過某一極限時，潤滑油變質失去潤滑作用。8/13/202634.4）破壞表面膜，使之產生新生面的直接接觸；5）使金屬處于回火狀態，降低了表面硬度；6）材料局部區域溫升過高，以致該區域摩擦副對偶表面產生熔化。摩擦表面的溫度與摩擦表面承受的載荷、相對滑動速度成正比。因此，表面壓力p和相對滑動速度v對粘著磨損都有很大影響。控制pv值，選用熱穩定性好的材料（如硬質合金等），采取有效的冷卻措施是防止由于溫度升高而產生嚴重粘著磨損的有效方法。8/13/202635.(6)潤滑油、潤滑脂的影響潤滑狀態對粘著磨損的影響很大，如邊界潤滑狀態下的粘著磨損比液體潤滑嚴重，而液體動壓潤滑狀態下的粘著磨損比液體靜壓潤滑大些。在潤滑油、潤滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤滑油膜吸附能力及油膜強度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。8/13/202636.(7)表面粗糙度摩擦副對偶表面粗糙度值越小，其抗粘著磨損能力就越強。新機器的合理跑合是降低表面粗糙度值，減少早期粘著磨損的有效措施之一。但過分地降低表面粗糙度值，因潤滑劑在對偶表面間難以儲存又會促進粘著磨損。

8/13/202637.提高抗粘著磨損能力的措施1）防止摩擦副表面因過載荷（包括機械載荷和熱載荷）而產生塑性變形。2）盡可能使摩擦副上形成油膜以降低摩擦系數和接觸應力。3）在潤滑油中加入油性或有極壓作用的添加劑，在摩擦表面生成保護膜。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；極壓添加劑可分解出硫、磷、氮等活性元素并與金屬表面起化學反應而形成化學反應膜，從而有效地防止或減輕金屬表面的粘著。

4）選用效果好的摩擦副材料。非金屬(如高分子材料、陶瓷等)不宜與金屬產生粘著磨損。所以，優先采用陶瓷對陶瓷、塑料對塑料、陶瓷與金屬、塑料與金屬、塑料與陶瓷配對副，避免使用金屬對金屬配對副。8/13/202638.5）當使用金屬配對副時，應優先采用密排六方晶體或體心立方晶體材料，避免采用面心立方晶體材料，特別要避免采用奧氏體鋼。6）采用非勻質組織的材料。7）摩擦副宜選用互溶性小的金屬，即不要選用晶格類型相同或相近的金屬，Pb在Ni、Cr、Fe中的溶解度很低，是很好的摩擦副材料，但其強度低，所以應取其合金(如鉛青銅)，或作為表面涂層來使用。8）在抗粘著能力方面，多相金屬優于單相金屬，脆性材料發生粘著破壞的深度較淺。8/13/202639.9）采用表面處理工藝。表面氮化、滲硫、電鍍或采用非金屬涂層，可提高摩擦表面抗粘著能力，有效地阻止金屬的粘著。10）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)，可以阻止粘著磨損的產生。8/13/202640.4.3磨料磨損在工業領域中，磨料磨損是最主要的一種磨損類型。磨料(或磨粒)：廣義地說，凡是離散(分離)的硬質顆粒或表面硬質凸出物(包括硬表面上的微凸體或軟表面上嵌入的硬顆粒)都是磨料。研究中磨料更多的是指非金屬礦物和巖石，如SiO2、A12O3等。

磨料磨損：當摩擦副一方的表面硬微凸體或硬的顆粒(包括外來硬顆粒)在較軟的表面上或在對偶雙方表面上引起劃痕、犁皺、擦傷或微切削的現象，稱為磨料磨損。4.3.1磨料磨損及其機理8/13/202641.金屬表面發生局部塑性變形磨粒嵌入金屬表面，切割金屬表面表面被劃傷潘存云教授研制8/13/202642.磨料磨損存在的場合：①運輸機械、農業機械、建筑機械和礦山機械等，常與泥沙、礦石或灰渣等直接摩擦，容易發生磨料磨損。②磨屑不能及時清除，也會導致磨料磨損。③機械零件大約有50%是由于磨料磨損而損壞。8/13/202643.特點提高表面硬度（從選材方面）；減少磨粒數量（從工作狀