第三章_磨損及磨損機(jī)理

1、第三章 磨損及磨損機(jī)理第三章 磨損及磨損機(jī)理概 述物體摩擦表面上的物質(zhì)，由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象稱(chēng)磨損。在一般正常工作狀態(tài)下，磨損可分三個(gè)階段：a.跑合（磨合）階段：輕微的磨損，跑合是為正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。b.穩(wěn)定磨損階段：磨損更輕微，磨損率低而穩(wěn)定。c.劇烈磨損階段：磨損速度急劇增長(zhǎng)，零件精度喪失，發(fā)生噪音和振動(dòng)，摩擦溫度迅速升高，說(shuō)明零件即將失效。（如圖3.1）磨損量跑合穩(wěn)定磨損階段劇烈圖3.1 磨損三個(gè)階段的示意圖摩擦行程（時(shí)間）機(jī)件磨損是無(wú)法避免的。但，如何縮短跑合期、延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損階段和推遲劇烈磨損的到來(lái)，是研究者致力的方向。 影響磨損的因素很多，例如相互作用表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式(

2、滑動(dòng)，滾動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖擊)，載荷與速度的大小，表面材料的種類(lèi)，組織，機(jī)械性能和物理-化學(xué)性能等，各種表面處理工藝，表面幾何性質(zhì)(粗糙度，加工紋理和加工方法)，環(huán)境條件(溫度、濕度、真空度、輻射強(qiáng)度、和介質(zhì)性質(zhì)等)和工況條件(連續(xù)或間歇工作)等。這些因素的相互影響對(duì)于磨損將產(chǎn)生或正或負(fù)的效果，從而使磨損過(guò)程更為復(fù)雜化。磨損過(guò)程涉及到許多不同的學(xué)科領(lǐng)域，由于具有跨學(xué)科的性質(zhì)，至今還很難將它的規(guī)律解釋清楚。已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)磨損進(jìn)行了大量的研究。如20世紀(jì)20年代，湯林森提出了分子磨損的概念，他認(rèn)為兩個(gè)粗糙表面在接觸摩擦過(guò)程中相互接近，而一個(gè)表面上的原子被另一個(gè)表面俘獲的現(xiàn)象就是磨損?；魻柲吩谏鲜龌?/p>

3、礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的發(fā)展，他指出摩擦材料的壓縮屈服極限b(即硬度)對(duì)耐磨性的影響很大。50年代初，奧貝爾(Oberle)從表層材料的機(jī)械破壞著眼，聯(lián)系“切削”過(guò)程來(lái)解釋磨損，他認(rèn)為影響磨損的主要因素除硬度H外，還有材料的彈性模量E。處在彈性極限內(nèi)的，變形越大，機(jī)械破壞越少，并提出用模數(shù)(mE/H×105)來(lái)反映材料的耐磨性，m值高則耐磨性好。馮(Feng)提出了機(jī)械性質(zhì)相近的兩表面上機(jī)械嵌鎖作用導(dǎo)致界面上既粘連又犁削的觀點(diǎn)。布洛克(Blok)認(rèn)為軟鋼表面變得粗糙和發(fā)生塑性變形，是由于應(yīng)力過(guò)高而引起的。拉賓諾維奇認(rèn)為表面能與材料硬度之比，對(duì)于磨損是一個(gè)重要因素，它可能影響磨屑的大小。赫魯曉

4、夫提出了硬質(zhì)微凸體在軟表面上犁溝的模式圖。有不少學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，磨損是比原子量級(jí)大得多的數(shù)量級(jí)，大規(guī)模地發(fā)生著。拉賓諾維奇和阿查德(Archard)分別指出，磨損顆粒大約具有如實(shí)際接觸斑點(diǎn)直徑那樣的數(shù)量級(jí)。拉賓諾維奇提出磨屑呈半球形，阿查德也認(rèn)為磨屑具有一定的厚度。在滑動(dòng)或滾動(dòng)過(guò)程中，表面微凸體反復(fù)承載而發(fā)生疲勞脫落的現(xiàn)象，有人把它看作是一種磨損，克拉蓋爾斯基()提出了形成磨屑的數(shù)學(xué)模式，木村好次(Kimura)等人的觀點(diǎn)也屬于這一類(lèi)。蘇(Suh)等人提出了由于應(yīng)力重復(fù)作用和應(yīng)變累積而引起材料轉(zhuǎn)移的觀點(diǎn)，他指出磨屑呈細(xì)片狀而不是呈半球形，同時(shí)認(rèn)為材料的整體性能(硬度)不是控制磨損的因素

5、。關(guān)于磨損現(xiàn)象的解釋?zhuān)煌恼擖c(diǎn)都從某一角度描述了磨損某一方面的狀況。還難以解釋千變?nèi)f化的磨損現(xiàn)象。隨著表面微觀分析儀器及電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)磨損的研究也由宏觀進(jìn)入亞微觀，進(jìn)而進(jìn)入微觀研究；由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，由定性到定量。但至今仍不能算很完善。本章主要討論金屬材料的磨損，關(guān)于非金屬材料的磨損問(wèn)題將稍加講解。 磨損的情況和程度，用磨損率來(lái)表示。磨損率是指單位時(shí)間，單位滑動(dòng)距離、單位作功，或每一轉(zhuǎn)、每一次擺動(dòng)中表面材料的磨損量。磨損量可用質(zhì)量，體積或厚度來(lái)度量。3.1磨損類(lèi)型關(guān)于磨損的分類(lèi)也有各種觀點(diǎn)。這里采用伯韋爾(Burwell)的觀點(diǎn)根據(jù)磨損機(jī)理的不同，把粘著磨損，磨粒磨損、腐蝕磨損和表面

6、疲勞列為磨損的主要類(lèi)型，而把表面侵蝕，沖蝕等列為次要類(lèi)型。這些不同類(lèi)型的磨損，可以單獨(dú)發(fā)生，相繼發(fā)生或同時(shí)發(fā)生（為復(fù)合的磨損形式）。3.1.1粘著磨損摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于接觸點(diǎn)上的固相焊合，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象稱(chēng)為粘著磨損。粘著磨損機(jī)理由摩擦的粘著理論可知，金屬表面微凸體在法向載荷的作用下，當(dāng)頂端壓力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生塑性變形而使接觸面擴(kuò)大，直到實(shí)際接觸面積大到足以支承外載荷時(shí)。相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，界面膜破裂，就會(huì)在接觸處形成“冷焊”接點(diǎn)。繼續(xù)滑動(dòng)又會(huì)將接點(diǎn)剪斷，隨后再形成新的接點(diǎn)。在不斷的剪斷和形成新的接點(diǎn)的過(guò)程中，發(fā)生了金屬磨損。磨損量的大小取決于節(jié)點(diǎn)處被剪斷的位

7、置。如剪切發(fā)生在界面上，則磨損輕微；如發(fā)生在界面以下，則會(huì)使金屬?gòu)囊粋€(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面。繼續(xù)摩擦?xí)r，這部分轉(zhuǎn)移物就可能成為磨屑。如表面有污染膜，吸附膜等表面膜存在時(shí)，磨損輕微。由于表面膜的抗剪強(qiáng)度較低，接觸點(diǎn)處的表面膜很容易遭到破壞，使新鮮的金屬表面得以暴露，加上摩擦熱的影響，金屬間形成了很強(qiáng)的粘著，運(yùn)動(dòng)時(shí)必須剪斷這些金屬粘著點(diǎn)，造成表面損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至可以咬死。綜上所述，可以將粘著磨損的過(guò)程作如下的描述：接觸塑性變形表面膜（包括油膜）破裂粘著（冷焊）剪斷接點(diǎn)再粘著的循環(huán)過(guò)程。粘著磨損的分類(lèi)根據(jù)剪斷位置的不同，表面損傷程度的不同，又可將粘著磨損分為以下幾個(gè)等級(jí)（如表3.1所列）：表3.1

8、粘著磨損的分類(lèi)類(lèi)別破壞現(xiàn)象損壞原因輕微磨損剪切破壞發(fā)生在粘著結(jié)合面上，表面轉(zhuǎn)移的材料極輕微粘著結(jié)合處強(qiáng)度比摩擦副的兩基體金屬都弱涂抹剪切破壞發(fā)生在離粘著結(jié)合面不遠(yuǎn)的較軟金屬淺層內(nèi)，軟金屬涂抹在硬金屬表面粘著結(jié)合處強(qiáng)度大于較軟金屬的剪切強(qiáng)度擦傷剪切破壞主要發(fā)生在較軟金屬的亞表層內(nèi)；有時(shí)硬金屬亞表面也有劃痕粘著結(jié)合處強(qiáng)度比兩金屬基體都高，轉(zhuǎn)移到硬面上的粘著物質(zhì)又拉削軟金屬表面撕脫（深掘）剪切破壞發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深處粘著結(jié)合處強(qiáng)度大于任一基體的剪切強(qiáng)度，剪切應(yīng)力高于粘著結(jié)合強(qiáng)度咬死摩擦副之間咬死，不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)粘著結(jié)合處強(qiáng)度比任一基體金屬的剪切強(qiáng)度都高，而且粘著區(qū)域大，剪切應(yīng)力低于粘著結(jié)合

9、強(qiáng)度粘著磨損規(guī)律a.阿查德（Archard）的磨損量計(jì)算式他假設(shè)在一系列等高度，大小相仿的微凸體上形成磨屑（見(jiàn)圖3.2）。設(shè)單個(gè)微凸體的接觸面積的半徑為r，面積為r2，則所支承的載荷Ni=b·r2。如滑動(dòng)距離為一個(gè)直徑長(zhǎng)時(shí)，則剪斷的半球狀微凸體的體積Q=23r3（半個(gè)球的體積）。設(shè)n為接觸表面間的接觸點(diǎn)數(shù)，則滑動(dòng)了L這么長(zhǎng)距離后的總磨損量為：圖3.2 阿查德的微凸體相遇模式所受的載荷為N，將代入上式，則得：以上是假定每個(gè)接觸的微凸體都被剪斷而形成磨屑（磨損量）。而實(shí)際上尚有一個(gè)概率，用系數(shù)k來(lái)表示：如滑動(dòng)距離L設(shè)為1個(gè)單位長(zhǎng)度，將單位長(zhǎng)度的磨損量定義為磨損率式中：Q 總磨損量； N

10、法向載荷； L 滑動(dòng)距離； b 材料的壓縮屈服極限（硬度）。根據(jù)以上結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：.磨損量與滑動(dòng)距離成正比；磨損量與法向載荷成正比，而與表觀面積無(wú)關(guān)；磨損量與較軟材料的壓縮屈服極限（硬度）成反比；滑動(dòng)速度大體上對(duì)磨損量沒(méi)有影響。但是實(shí)驗(yàn)證明，磨損量與法向載荷成正比只適用于法向載荷較小的情況下，當(dāng)載荷大到接觸面上平均壓應(yīng)力超過(guò)3b時(shí)，磨損會(huì)急劇增大。另外很多實(shí)驗(yàn)也表明，速度對(duì)于各種材料的不同磨損類(lèi)型都存在著一定的影響。同時(shí)，阿查德的公式中沒(méi)有說(shuō)明表面膜對(duì)粘著磨損的影響，計(jì)算式中沒(méi)有反應(yīng)出表面幾何性質(zhì)、表面加工狀況、磨合等因素的影響。圖3.3 吉本-筑添的表面接觸模型Nb.吉本（Yosh

11、imoto）與筑添（Tsukizoe）的計(jì)算式考慮到幾何因素的影響，他們假定微凸體呈錐狀。錐底直徑為2r，高度不等，都具有相同的錐底角。與理想平滑的表面摩擦（見(jiàn)圖3.3）。他們的推導(dǎo)思路和方法與阿查德相同。唯每個(gè)微凸體的形狀為錐體：則：總磨損量此式中考慮了幾何性質(zhì)的因素tg，從式中可以看出，當(dāng)表面越光滑(越大)， tg越小，磨損量就越小。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，基本上與計(jì)算值相符。c.羅厄（Rowe）對(duì)阿查德方程的修正羅厄考慮了表面膜的影響，有表面膜存在時(shí)金屬直接接觸的面積只是真實(shí)接觸面積的一部分。即式中： 稱(chēng)為表面膜分隔缺陷系數(shù)；Am 金屬直接接觸的面積；Ar 真實(shí)接觸面積（包括有表面膜分隔的面積）。

12、 表面膜（包括油膜）缺損多時(shí)，趨向于1。表示幾乎全是金屬直接接觸。阿查德的磨損量計(jì)算公式為： 羅厄的修正公式為： 根據(jù)修正的粘著摩擦理論，真實(shí)接觸面積則式中：km 為概率系數(shù)，但與阿查德的k數(shù)值不同，主要是考慮了表面膜及幾何因素等； 為摩擦系數(shù)； 由剪切力引起的接觸面積增大系數(shù)，它滿(mǎn)足以下關(guān)系：2+f2=b2 壓應(yīng)力； f 表面膜的剪切強(qiáng)度； b 壓縮屈服極限。 將上式寫(xiě)成：式中：k 被定義為磨損系數(shù)。與接觸產(chǎn)生的概率、摩擦副的材料、幾何性質(zhì)、表面膜的破損程度等因素有關(guān)。從羅厄和阿查德的公式中都有說(shuō)明磨損量與法向載荷成正比，與較軟材料的硬圖3.4 粘著磨損的特征度成反比。這正好與粘著摩擦理論相

13、一致。在羅厄的修正公式中，包含了剪切力的影響和表面膜的影響。如表面膜損傷系數(shù)很小，則磨損量就會(huì)大大降低。 d.威爾士（Welsh）的研究考慮了溫度的影響。威爾士認(rèn)為，隨著載荷與滑動(dòng)速度的改變，會(huì)引起摩擦表面溫度的升降，從而造成粘著磨損特征的明顯變化（圖3.4）。 溫度在T1以下時(shí)，磨屑基本上是氧化物，屬于輕磨損；溫度超過(guò)T1，進(jìn)入嚴(yán)重磨損，特征是磨屑由金屬之間焊合后再剪斷而產(chǎn)生的，表明此時(shí)表面上在輕載時(shí)建立的氧化膜破裂，磨損由亞表層的塑性變形造成。T1是從輕微磨損到嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。當(dāng)溫度到達(dá)T2后，由于表面溫度相當(dāng)高，約有90的塑性變形能轉(zhuǎn)為熱能。如果這些熱保留在摩擦副中，則會(huì)出現(xiàn)高達(dá)100

14、0的瞬現(xiàn)溫升（約在10-3s內(nèi)）。這樣的溫度足夠引起表面層的相變（如出現(xiàn)“白層”結(jié)構(gòu)）它將阻礙塑性變形的發(fā)展，并能幫助建立氧化膜。這時(shí)的磨損率又顯著下降。溫度再升高到T3，此時(shí)可使表面層迅速變成硬化狀態(tài)。在表面上形成氧化層為主要反應(yīng)，而不發(fā)生金屬轉(zhuǎn)移。所以磨損率又下降。圖3.5 磨損的轉(zhuǎn)化但他并沒(méi)有解釋為何到更高溫度時(shí)磨損率又向上。e.查爾德（Child）的研究他研究了載荷與速度對(duì)軟鋼-軟鋼無(wú)潤(rùn)滑條件下的磨損狀態(tài)（見(jiàn)圖3.5），表明磨損隨工作條件的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)化。 在低速低載荷范圍（A區(qū)），金屬表面發(fā)生硬化，并降低了粗糙度。在氧化膜的保護(hù)下，磨損基本上屬于氧化膜的機(jī)械磨損。速度和載荷稍高（B區(qū)

15、），氧化膜有可能破裂而產(chǎn)生嚴(yán)重的金屬轉(zhuǎn)移及磨損。在更高的速度下（C區(qū)），由于摩擦熱引起氧化及相變硬化，又恢復(fù)了氧化膜的保護(hù)作用。當(dāng)速度再提高（D區(qū)），由于溫度升高，嚴(yán)重的表面軟化現(xiàn)象又可以引起嚴(yán)重磨損。速度再高（E區(qū)），則又出現(xiàn)氧化膜起主導(dǎo)作用的現(xiàn)象。這兩個(gè)試驗(yàn)表明了溫度對(duì)磨損的重要作用。由于金屬材料在不同的溫度下會(huì)產(chǎn)生不同的相轉(zhuǎn)變（組織變化），從而改變了表面的硬度，使磨損不符合前面所說(shuō)的規(guī)律。不過(guò)，摩擦副在使用過(guò)程中，不允許溫升過(guò)高，也不應(yīng)該進(jìn)入嚴(yán)重磨損區(qū)。前面所述的磨損規(guī)律還是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。3.1.2磨料磨損 硬質(zhì)顆?；虮砻嫔嫌驳耐贵w在摩擦過(guò)程中引起的材料脫落稱(chēng)為磨料磨損。磨料磨損包

16、括三種情況：在磨料中工作的零件，磨料對(duì)零件表面的作用。如與泥沙接觸的犁，推土機(jī)的刀片，石油鉆探機(jī)的鉆頭（二體磨損）；外來(lái)的堅(jiān)硬顆粒夾在兩個(gè)摩擦面之間滑動(dòng)所造成的（三體磨損）。外來(lái)的磨料可以是磨損脫落的磨屑，也可以是環(huán)境中的灰砂塵土；粗糙而堅(jiān)硬的表面在較軟表面上滑動(dòng)所造成的。 磨料磨損的分類(lèi)（見(jiàn)表3.2）表3.2 磨料磨損的分類(lèi)類(lèi)型產(chǎn)生條件破壞形式實(shí)例鑿削式磨料磨損磨料對(duì)材料表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞（見(jiàn)圖3.6）從材料表面上鑿削下大顆粒的金屬。被磨表面有較深的溝槽挖掘機(jī)斗齒，破碎機(jī)錘頭等零件的表面破壞高應(yīng)力碾碎式磨料磨損磨料與金屬表面接觸處的最大壓應(yīng)力，大于磨料的壓潰強(qiáng)度（見(jiàn)圖3.7）一般金屬材料被拉

17、傷，韌性材料產(chǎn)生塑性變形或疲勞，脆性材料發(fā)生碎裂或剝落球磨機(jī)襯板與鋼球，軋碎機(jī)滾筒等零件的表面破壞低應(yīng)力擦傷磨料磨損磨料作用于表面的應(yīng)力不超過(guò)磨料的壓潰強(qiáng)度（見(jiàn)圖3.8）材料表面產(chǎn)生擦傷（或微小切削痕）。犁鏵，運(yùn)輸槽板及機(jī)械零件被砂塵污染的摩擦表面圖3.6 鑿削式磨料磨損圖3.7 高應(yīng)力碾碎式磨料磨損圖3.8 低應(yīng)力擦傷磨料磨損 磨料磨損的機(jī)理 a.三種假說(shuō) 微量切削假說(shuō)：磨損是由于磨料顆粒在金屬表面發(fā)生的微量切削；疲勞破壞假說(shuō)：磨損是由于磨料在金屬表面上產(chǎn)生交變的接觸應(yīng)力引起；壓痕假說(shuō)：磨損是由于硬質(zhì)磨料對(duì)塑性材料表面引起壓痕，從表面上擠出的剝落物。圖3.9 錐狀微凸體在軟表面上犁溝b.磨料

18、磨損的模型可以將磨料看作是具有錐形的硬質(zhì)顆粒在軟材料上滑動(dòng)，犁出一條溝，一部分金屬被擠到溝的兩邊，另一部分則磨成磨屑。圖3.9所示為錐狀微凸體在軟表面上犁溝的簡(jiǎn)圖。壓入深度為h，錐底直徑為2r（即犁出的溝槽寬度）。在垂直方向的投影面積為r2（圓面積），軟材料的壓縮屈服極限b，法向載荷N?；瑒?dòng)時(shí)只有半個(gè)錐面（前進(jìn)方向的錐面）承受載荷。共有n個(gè)微凸體。則所受的法向載荷N為：將犁去的體積作為磨損量，如滑動(dòng)距離為L(zhǎng)，則單位滑動(dòng)距離的磨損量（體積磨損量為Q）w（磨損率）為：水平方向的投影面積為一個(gè)三角形。磨損量：QnhrL, 則ka不僅包含了微凸體的形狀因素，還包含磨損類(lèi)型的區(qū)別。一般二體磨損（零件在磨

19、料中工作）取較大值；三體磨損（磨粒夾在摩擦面之間）則取較小值。此式與粘著磨損有同樣的形式：與法向載荷成正比，與軟材料的硬度呈反比。前蘇聯(lián)的研究工作者赫魯曉夫（.）認(rèn)為材料硬度是磨料磨損最重要的參數(shù)。圖3.10表示了體積磨損Q與材料硬度Hm和磨粒硬度Ha之間的關(guān)系。圖3.10 磨料和材料硬度對(duì)磨料磨損的影響QHm1.3Ha 為區(qū),低磨損狀態(tài)；0.8Ha<Hm<1.3Ha 為區(qū)，過(guò)渡狀態(tài)；Hm0.8Ha 為區(qū)，嚴(yán)重磨損狀態(tài)。c.磨屑形成機(jī)理磨料磨損的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是材料表面在磨料的作用下局部區(qū)域發(fā)生變形、斷裂的過(guò)程。在此過(guò)程中，磨料對(duì)金屬接觸表面的作用力，可分解為垂直于表面和平行于表面的兩

20、個(gè)分力。垂直分力的作用是使磨料壓入表面；平行分力的作用是使磨料在金屬表面上作切向運(yùn)動(dòng)，引起表面切向變形和斷裂。形成磨屑。由于條件不同，磨屑形成的機(jī)理也不同。有三種形式列于表3.3中。表3.3 磨料磨損的磨屑磨屑形式形成條件形成機(jī)理塑性磨屑尖銳有棱角的磨料在塑性材料上連續(xù)切削。以鑿削性磨損為主被削表面塑性變形后留有溝槽，作用力大溝槽深，磨屑呈連續(xù)狀疲勞磨屑1.磨料硬而棱角不尖銳，壓入金屬表面，直接形成斷屑。鑿削性磨損中也有這類(lèi)磨屑金屬被磨料犁皺而不成犁溝。被移動(dòng)的金屬反復(fù)疲勞變形形成磨屑2.高應(yīng)力碾碎性磨損中磨料被金屬碾碎，刺入金屬表面 磨料以很大的壓應(yīng)力刺入表面，使金屬發(fā)生變形并前后移動(dòng)，形成

21、疲勞磨屑3.硬質(zhì)沖擊磨料作用下，金屬表面形成凹凸不平的圓坑反復(fù)沖擊后，圓坑之間的金屬多次變形，形成疲勞磨屑脆性磨屑磨料作用在脆性材料上，應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限脆性材料不發(fā)生塑性變形而直接產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋擴(kuò)展，形成碎片狀磨屑?xì)w納前人的研究，可以認(rèn)為：對(duì)于塑性材料：塑性變形是磨損速率的控制因素；對(duì)于脆性材料：斷裂是磨損速率的控制因素；圖3.11 不同硬度的鋼與磨料硬度的關(guān)系表面分子作用機(jī)理：非常小的磨粒對(duì)材料的磨損，磨粒壓入深度在表面膜的厚度范圍內(nèi)，雖然看不到塑性變形，但表面膜不斷磨損，然后又不斷形成。影響磨料磨損的因素a.金屬材料硬度的影響 一般來(lái)說(shuō)，材料的硬度越高越好；b.磨料硬度的影響 一般

22、情況下，磨料的硬度越高，金屬材料的磨損越大；但超過(guò)一定值后，磨損量增加得緩慢了，甚至有所降低。如圖3.11所示。c.磨料顆粒大小的影響 一般，金屬的磨損量隨磨粒平均尺寸的增大而增大，但磨料達(dá)到一定臨界尺寸后，磨損量保持不變。3.1.3表面疲勞磨損 摩擦副接觸表面作滾動(dòng)或滑動(dòng)摩擦?xí)r，由于周期性載荷，使接觸區(qū)產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力，導(dǎo)致表面發(fā)生塑性變形。在表層薄弱處引起裂紋，逐漸擴(kuò)展并發(fā)生斷裂，而造成的點(diǎn)蝕或剝落，稱(chēng)為表面疲勞磨損。表面疲勞磨損的分類(lèi)a.非擴(kuò)展性的表面疲勞磨損剛接觸時(shí)表面間的接觸點(diǎn)較少，接觸應(yīng)力較高，很容易就產(chǎn)生小麻點(diǎn)。隨著接觸面積逐漸擴(kuò)大，單位面積的實(shí)際壓應(yīng)力降低，小麻點(diǎn)就停止擴(kuò)大。

23、這種現(xiàn)象主要發(fā)生在經(jīng)過(guò)加工硬化提高了表面強(qiáng)度的塑性金屬表面。b.作用在接觸表面上的交變應(yīng)力較大時(shí)，由于材料的塑性稍差或潤(rùn)滑不當(dāng)，使運(yùn)動(dòng)開(kāi)始初期就發(fā)生小麻點(diǎn)，而且在較短的時(shí)間內(nèi)，由小麻點(diǎn)擴(kuò)展成豆斑狀的凹坑。表面疲勞磨損機(jī)理表面疲勞磨損，是在摩擦接觸面上不僅承受交變壓應(yīng)力，使材料發(fā)生疲勞，同時(shí)還存在摩擦和磨損，且表面還有塑性變形和溫升，因此，情況比一般疲勞更為嚴(yán)重。根據(jù)彈性力學(xué)的赫茲公式可知，無(wú)論是點(diǎn)接觸還是線接觸，表層最薄弱處是在離表面0.786b處（b為點(diǎn)接觸或線接觸的接觸區(qū)寬度的12）。因?yàn)檫@里是最大剪切應(yīng)力的作用點(diǎn)，最容易產(chǎn)生裂紋。特別是在滾動(dòng)加滑動(dòng)的情況下，最大剪切應(yīng)力的作用點(diǎn)離摩擦表面

24、更近。就更容易剝落產(chǎn)生磨損。對(duì)于裂紋產(chǎn)生機(jī)理有很多研究：圖3.12 表面裂紋示意圖a.裂紋從表面產(chǎn)生 在滾動(dòng)接觸過(guò)程中，由于外界載荷的作用，表面層的壓應(yīng)力引起表層塑性變形，導(dǎo)致表層硬化，開(kāi)始出現(xiàn)表面裂紋，如圖3.12所示。當(dāng)潤(rùn)滑油楔入裂紋中（圖3.12a）滾動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)時(shí)又將裂紋的口封住。裂紋中的潤(rùn)滑劑被堵在縫中，形成巨大的壓力，迫使裂紋向前擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)多次交變后，裂紋將擴(kuò)展到一定的深度，形成懸臂狀態(tài)（圖3.12b），在最弱的根部發(fā)生斷裂，出現(xiàn)豆斑狀的凹坑（圖3.12c），稱(chēng)為點(diǎn)蝕。這種現(xiàn)象在潤(rùn)滑油粘度低時(shí)容易發(fā)生。b.裂紋從接觸表層下產(chǎn)生 由于接觸應(yīng)力的作用，離表面一定深度（0.786b）的最大

25、剪切應(yīng)力處，塑性變形最劇烈。在載荷作用下反復(fù)變形，使材料局部弱化，在最大剪應(yīng)力處首先出現(xiàn)裂紋，并沿著最大剪應(yīng)力的方向擴(kuò)展到表面，從而形成疲勞磨損。如在表層下最大剪應(yīng)力區(qū)附近，材料有夾雜物或缺陷，造成應(yīng)力集中，極易早期產(chǎn)生疲勞裂紋。c.脫層理論（分層理論）蘇（Suh）認(rèn)為接觸的兩表面相對(duì)滑動(dòng)，硬表面的峰頂劃過(guò)軟表面時(shí)，軟表面上每一點(diǎn)都經(jīng)受一次循環(huán)載荷。在載荷的反復(fù)作用下，產(chǎn)生塑性變形。塑性變形沿著材料的應(yīng)力場(chǎng)，擴(kuò)展到距表面較深的地方，而不是表面上。因此在表面以下，金屬出現(xiàn)大量位錯(cuò)，并在表層以下一定距離內(nèi)將出現(xiàn)位錯(cuò)的堆積，如遇金屬中的夾雜或第二相質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)遇阻，導(dǎo)致空位的形成和聚集，此處更易發(fā)生塑

26、性流動(dòng)。這些地方往往是裂紋的成核區(qū)域（圖3.13）。表層發(fā)生位錯(cuò)聚集的位置取決于金屬的表面能和作用在位錯(cuò)上正應(yīng)力的大小。一般，面心立方金屬的位置比體心立方金屬的深。圖3.13 塑性流動(dòng)的位置根據(jù)表面下的應(yīng)力分布狀況，裂紋都是平行于表面的。每當(dāng)裂紋受一次循環(huán)載荷，就在同樣深度處向前擴(kuò)展一個(gè)短距離，擴(kuò)展到一定的臨界長(zhǎng)度時(shí)，裂紋與表面之間的材料，由于剪切應(yīng)變而以薄片形式剝落下來(lái)。裂紋產(chǎn)生的深度由材料的性質(zhì)及摩擦系數(shù)所決定。圖3.14 赫茲應(yīng)力分布的調(diào)幅現(xiàn)象后來(lái)，富基坦（Fujita）等用NiCr滲碳鋼作了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裂紋首先在較淺的部位形成，通過(guò)反復(fù)接觸，產(chǎn)生二次裂紋和三次裂紋，脫層的位置加深。然

27、后，裂紋擴(kuò)展到表面，而使裂紋上方的金屬發(fā)生斷裂。d.微觀點(diǎn)蝕概念勃士（Berthe）等提出微觀點(diǎn)蝕概念。過(guò)去分析點(diǎn)蝕是用宏觀的赫茲應(yīng)力分析法，以為接觸面是理想光滑的。而實(shí)際上表面是粗糙的，真實(shí)接觸在粗糙表面的峰頂。表面粗糙度使赫茲應(yīng)力分布發(fā)生調(diào)幅現(xiàn)象（圖3.14的實(shí)線所示。虛線為理想表面的赫茲應(yīng)力分布曲線）。每個(gè)峰頂上的接觸應(yīng)力引起的點(diǎn)蝕稱(chēng)為微觀點(diǎn)蝕。這種點(diǎn)蝕大約是宏觀點(diǎn)蝕的110左右。而這種微觀點(diǎn)蝕往往都是宏觀點(diǎn)蝕的起因。表面疲勞磨損的影響因素a.鋼材質(zhì)量含有夾雜物的鋼材，在交變應(yīng)力作用下，最容易發(fā)生疲勞磨損；b.鋼材表面硬化層的影響表面硬化層可以提高耐疲勞磨損的能力。但是硬化層不能過(guò)薄，如

28、果在芯部材料與表面硬化層過(guò)渡區(qū)，恰逢位錯(cuò)聚集區(qū)，則容易造成表層剝落。c.材料表面硬度的影響對(duì)于不同類(lèi)型的摩擦副均有各自的最佳硬度值。如滾動(dòng)軸承用的鋼材，硬度以HR62為最佳（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。高于或低于此值軸承壽命都將隨之降低。對(duì)于齒輪材料，一般來(lái)說(shuō)，小齒輪的硬度應(yīng)該略高于大齒輪的，這樣有利于磨合，使接觸應(yīng)力分布均勻。d.表面光潔度的影響作為滾動(dòng)或滾滑摩擦件而言，表面光潔度應(yīng)當(dāng)盡量高些。特別是硬度較高的零件，光潔度更應(yīng)高些。但光潔度也有一個(gè)最佳值。過(guò)高的光潔度對(duì)提高疲勞磨損壽命的影響不很大。e.潤(rùn)滑的影響潤(rùn)滑油的粘度越高接觸部分的壓力越接近平均分布，抗疲勞磨損能力越好。3.1.4腐蝕磨損在摩擦過(guò)程中

29、，由于機(jī)械作用和摩擦表面材料與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，共同引起的物質(zhì)損失，稱(chēng)為腐蝕磨損，也有稱(chēng)其為機(jī)械化學(xué)磨損。一般情況下，腐蝕磨損處于輕微磨損狀態(tài)，而在高溫潮濕環(huán)境或特殊腐蝕介質(zhì)中，則處于嚴(yán)重磨損狀態(tài)。通常，材料表面與環(huán)境先起化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)械作用，將反應(yīng)生成物去掉；也有可能由機(jī)械作用產(chǎn)生微細(xì)的磨屑，然后再起化學(xué)作用。由于介質(zhì)的性質(zhì)，介質(zhì)作用于摩擦面上的狀態(tài)以及摩擦副材料的不同，腐蝕磨損的狀態(tài)也不同。大致可以分為以下幾類(lèi)：氧化磨損在大氣或有氧環(huán)境的磨損過(guò)程中，表面生成一層氧化膜，避免了金屬之間的直接接觸。磨損過(guò)程即是氧化物的磨損。氧化磨損最簡(jiǎn)單的機(jī)理：氧化層形成和生長(zhǎng)達(dá)

30、到一定厚度，將金屬摩擦面隔開(kāi)。經(jīng)過(guò)摩擦氧化層脫落，由于金屬表面與氧化性介質(zhì)的反應(yīng)速度很快。氧化膜從表面磨掉后，又很快形成新的氧化膜。如此周而復(fù)始。一般在空氣中磨損速率較低，金屬表面沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生勻細(xì)的磨痕和紅褐色片狀Fe2O3磨屑,或灰黑色絲狀Fe3O4磨屑。在靜止?fàn)顟B(tài)下，氧化速率由氧或金屬離子通過(guò)氧化層的擴(kuò)散速率所決定。在摩擦條件下，這種擴(kuò)散比較容易進(jìn)行，說(shuō)明氧化速率比靜止時(shí)高。磨合過(guò)程中的磨損，幾乎完全在氧化膜中進(jìn)行，而不發(fā)生金屬粘著和轉(zhuǎn)移。但這并不表示金屬不被磨損，高點(diǎn)處氧化膜磨損后，暴露出金屬又被氧化不發(fā)生金屬粘著和轉(zhuǎn)移，但表面上金屬微凸體的高點(diǎn)在逐漸削平，不過(guò)都是以氧化物的形態(tài)被磨掉

31、。在有潤(rùn)滑的環(huán)境中，油的氧化物和鐵的氧化物起反應(yīng)生成鹽類(lèi)，脂肪酸與金屬形成皂類(lèi)。在金屬磨屑中含有皂類(lèi)化合物又會(huì)催化油的氧化，促使表面氧化而磨損增大。氧的濃度越大，磨損也越大。而某些添加劑如硫化物在沒(méi)有氧或氧化物的環(huán)境中幾乎不起極壓抗磨作用，只有存在Fe3O4時(shí)才能起很好的作用。這是由于在摩擦熱的作用下，潤(rùn)滑劑或添加劑在氧化環(huán)境中進(jìn)行摩擦化學(xué)反應(yīng)，起到極壓抗磨的效果，說(shuō)明氧化又能促使反應(yīng)膜的生成而降低磨損。氫致磨損鮑烈可夫（）等發(fā)現(xiàn)，在摩擦表面上氫的濃度有所上升，而使磨損加速，稱(chēng)為氫致磨損。其過(guò)程如下：a.氫可能來(lái)自材料本身或環(huán)境介質(zhì)（潤(rùn)滑油、水），在摩擦過(guò)程中，由于力學(xué)和化學(xué)的作用，導(dǎo)致氫的析

32、出，并不斷地進(jìn)入摩擦副材料的表面層。b.介質(zhì)中的氫擴(kuò)散到金屬表面的變形層中，由于溫度和應(yīng)力梯度，使氫在擴(kuò)散后形成富集。c.由于氫的滲入，使表面變形層出現(xiàn)大量的裂紋源。并在很短的時(shí)間內(nèi)形成非常細(xì)小而分散的粉末狀磨屑。氫致磨損不同于鋼的氫脆現(xiàn)象，它只是在摩擦過(guò)程中，碳?xì)漕?lèi)化合物斷裂的C-H吸附在金屬表面上，在摩擦過(guò)程中引起的。其它腐蝕介質(zhì)的腐蝕磨損金屬摩擦副表面可能與酸、堿、鹽等介質(zhì)起作用。一方面可能生成耐磨性較好的保護(hù)膜。但另一方面，隨著腐蝕速率的增大，磨損也加快。磨損率通常隨腐蝕性增強(qiáng)而變大（磨損率還取決于摩擦過(guò)程中的載荷、速度和溫升等條件）。如耐磨性保護(hù)膜的生成速度大于磨損速度，則磨損率不受

33、介質(zhì)腐蝕性的影響。即磨損均發(fā)生在保護(hù)膜中。如磨損率大于保護(hù)膜的生成速度，則將發(fā)生較為嚴(yán)重的金屬磨損。如Ni、Cr等金屬在特殊介質(zhì)下，易形成化學(xué)結(jié)合力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密的鈍化膜。因而可減輕腐蝕磨損。W和Mo等在500以上形成保護(hù)膜，摩擦系數(shù)變小。所以這些是耐高溫耐腐蝕的金屬材料。而含有Cd、Pb等元素的軸承材料，容易被潤(rùn)滑油中的酸性物腐蝕而生成黑斑，并逐漸擴(kuò)展成海綿狀空洞，并于摩擦過(guò)程中形成小塊剝落。又如Ag、Cu等元素，在溫度不高時(shí)，就會(huì)與潤(rùn)滑油中的硫化物起作用生成硫化膜，有減磨作用；而在高溫下，這層膜破裂,且在摩擦?xí)r剝落，磨損明顯加大。3.1.5其它磨損以上介紹的為磨損的四種基本類(lèi)型，但實(shí)際中表

34、現(xiàn)出的磨損，常不能單純地納入上述四類(lèi)基本形式。有許多是以上基本類(lèi)型的轉(zhuǎn)化或復(fù)合。如圖3.15、16所示隨速度及載荷的變化，磨損類(lèi)型也在變化。這說(shuō)明，磨損類(lèi)型可以隨工作條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)化。圖3.15 磨損隨速度轉(zhuǎn)化示意圖圖3.16 磨損隨載荷轉(zhuǎn)化示意圖 當(dāng)滑動(dòng)速度很低時(shí)，主要是氧化磨損，出現(xiàn)Fe2O3的磨屑，磨損率很小。隨速度的增大，氧化膜破裂，產(chǎn)生裸露金屬的直接接觸，轉(zhuǎn)化為粘著磨損，磨損量顯著增大?；瑒?dòng)速度再高，摩擦溫度上升，有利于氧化膜的形成，又轉(zhuǎn)為氧化磨損，磨屑為Fe3O4，磨損率又下降。如滑動(dòng)速度再增大，將再次轉(zhuǎn)化為粘著磨損。磨損變得十分劇烈而導(dǎo)致失效。 載荷的改變也類(lèi)似，小載荷時(shí)主要

35、是氧化磨損。載荷超過(guò)臨界值時(shí)，磨屑由Fe2O3轉(zhuǎn)為Fe2O3和Fe3O4及FeO的混合物。載荷再高就轉(zhuǎn)化為粘著磨損。 同時(shí)，有的磨損狀態(tài)本身就是多種類(lèi)型的復(fù)合。如邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的磨損，既有干摩擦?xí)r的氧化及粘著，又因有潤(rùn)滑劑及添加劑等摩擦化學(xué)形成的反應(yīng)生成物等的作用，磨損狀態(tài)十分復(fù)雜。 微動(dòng)磨損 兩個(gè)固體接觸表面上，發(fā)生周期性小振幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損，稱(chēng)為微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損是一種典型的復(fù)合磨損，它涉及粘著、磨料、疲勞和腐蝕磨損等多種類(lèi)型。在緊固件接觸中，由于載荷在一定頻率的作用下，使緊固件松動(dòng)，噪聲增大。嚴(yán)重時(shí)會(huì)因磨屑的聚集而導(dǎo)致摩擦副咬死。微動(dòng)磨損還會(huì)使表面或亞表面層中產(chǎn)生微裂紋，在應(yīng)力反復(fù)

36、作用下發(fā)展成疲勞斷裂，稱(chēng)為微動(dòng)疲勞。 微動(dòng)磨損的發(fā)生過(guò)程：接觸壓力使結(jié)合面上真實(shí)接觸的峰頂塑性變形，產(chǎn)生粘著；小振幅振動(dòng)將粘著接點(diǎn)剪切脫落，露出基體金屬表面；脫落的顆粒和新生表面又與氧反應(yīng)生成以Fe2O3為主的氧化物磨屑。由于振幅很小，磨屑不易離開(kāi)表面，就停留在表面上起磨料的作用（三體磨料磨損）。同時(shí)，又因應(yīng)力的反復(fù)作用，微裂紋可發(fā)展成疲勞斷裂。如果應(yīng)力足夠大，疲勞會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，以致完全破壞。這就是微動(dòng)磨損。 微動(dòng)磨損的損壞特點(diǎn)：摩擦表面有較集中的凹坑，因?yàn)榛顒?dòng)區(qū)很小，粘著、疲勞均集中在很小的范圍內(nèi)。磨損產(chǎn)物是紅褐色的氧化物細(xì)顆粒。 馮一鳴（Feng）等將微動(dòng)磨損隨循環(huán)次數(shù)的變化分成4個(gè)階段，如

37、圖3.17所示，OA段為起始摩擦?xí)r，由于金屬轉(zhuǎn)移和磨損造成曲線上升；AB段為過(guò)渡階段，從剪切脫落轉(zhuǎn)到磨料磨損；到BC段磨料作用下降，磨損速率也下降；最終的CD段是由于磨屑增多，隔開(kāi)接觸表面，使粘著減輕，磨損速率低而穩(wěn)定的階段。圖3.17 微動(dòng)磨損失重-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線微動(dòng)磨損的機(jī)理和影響因素： a.粘著的作用 表面粗糙不平，在凸峰處首先開(kāi)始接觸。雖有氧化膜和吸附物質(zhì)的保護(hù)，但由于小振幅的振動(dòng)，使其很快就破壞，從而形成金屬的冷焊接點(diǎn)。這種接點(diǎn)在法向力和切向力的聯(lián)合作用下，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)，會(huì)在表面下誘發(fā)疲勞裂紋。金屬的粘著與摩擦副配對(duì)材料有關(guān)。同種材料配副中容易發(fā)生，配對(duì)材料有相同的晶格且原子半徑差

38、不多大時(shí)，易固溶，易粘著；面心立方晶格的金屬比密排六方晶格的容易粘著，因其易滑移，容易形成位錯(cuò)。b.磨屑的作用 在微動(dòng)磨損的初始階段，粘著材料可能轉(zhuǎn)移到對(duì)摩面上，又可能轉(zhuǎn)移回來(lái)。不同材料的配偶中，材料從低硬度一方向高硬度一方的表面轉(zhuǎn)移。在此過(guò)程中可能形成幾種磨屑：轉(zhuǎn)移材料逐步氧化，被逐出表面而成磨屑；連續(xù)轉(zhuǎn)移形成的氧化膜反復(fù)疲勞產(chǎn)生磨屑；表面凸峰微切削作用產(chǎn)生的磨屑。這類(lèi)磨屑主要以金屬形式脫離母體，但在不斷的微動(dòng)過(guò)程中，被粉碎得越來(lái)越細(xì)，使之具有極大的化學(xué)活性，極易氧化。鋼鐵的微動(dòng)磨屑呈紅棕色，為Fe2O3，是鐵元素的最終氧化物。微動(dòng)磨損由于界面上有磨屑存在，所以構(gòu)成三體磨損，對(duì)表面的損傷比一

39、般滑動(dòng)摩擦的高。但如果金屬的硬度高、脆性高，則有時(shí)氧化物磨屑可以阻止進(jìn)一步粘著而起到保護(hù)表面的作用。甚至到微動(dòng)后期，磨屑增多，將表面完全隔開(kāi)，從而減小粘著，對(duì)載荷起著緩沖作用，直到完全阻止微動(dòng)。c.脫層的作用 微動(dòng)磨損屬于低速滑動(dòng)。蘇（Suh）認(rèn)為，只有應(yīng)力循環(huán)交變的次數(shù)很多，才能形成亞表面裂紋。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察，微動(dòng)形成的片狀磨屑是在原位上由金屬破裂而成，而不是由粘著從對(duì)摩面上轉(zhuǎn)移來(lái)的。有人提出了微動(dòng)磨損的模型：表面破裂亞表面破裂片狀磨屑產(chǎn)生微動(dòng)疲勞裂紋萌生。亞表面裂紋的形成，并不是發(fā)生在表面下一定深度處，而是在一個(gè)深度范圍內(nèi)，因此，一個(gè)部位可以產(chǎn)生多層薄片磨屑。d.氧化的作用 氧化對(duì)微動(dòng)磨損有很

40、重要的影響和作用，故微動(dòng)磨損常稱(chēng)為微動(dòng)腐蝕。氧化膜可以減緩磨損。氧化膜有一個(gè)臨界厚度，大于此厚度才能有效地降低磨損。在高溫下，氧化膜厚度明顯增加，能牢固地與基體結(jié)合，可表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗微動(dòng)磨損的能力。在微動(dòng)作用下，金屬常生成微米量級(jí)的釉質(zhì)氧化膜。它雖是釉質(zhì)（一般為無(wú)定形結(jié)構(gòu)），卻有明顯的晶型，一般為尖晶石結(jié)構(gòu)。由于其表面光滑，摩擦和磨損明顯下降，是一種理想的抗微動(dòng)磨損的保護(hù)膜。沖蝕磨損由流動(dòng)粒子（固體或液體）反復(fù)沖擊材料表面造成的破壞，稱(chēng)為沖蝕磨損。如水輪機(jī)的葉片、輪船的螺旋槳等受到流體的沖擊。流體在高壓下形成渦流，產(chǎn)生很多氣泡。氣泡在高壓區(qū)潰滅，產(chǎn)生較大的循環(huán)沖擊力，使零件表面疲勞破壞。加上流

41、體介質(zhì)的化學(xué)與電化學(xué)作用，更加速了表面的破壞。受流體沖擊的零件，表面先產(chǎn)生麻點(diǎn)，在擴(kuò)展成泡沫或海綿狀空穴，嚴(yán)重時(shí)深度可達(dá)2mm。這種磨損稱(chēng)為氣蝕磨損。是一種有氣泡爆破作用的沖蝕磨損。沖蝕或氣蝕磨損都可看作是疲勞磨損的一種派生型式。根據(jù)沖擊粒子的種類(lèi)，沖蝕磨損可分以下幾個(gè)類(lèi)型（如表3.4）所列：表3.4 沖蝕磨損的分類(lèi)沖蝕類(lèi)型介質(zhì)第二相實(shí) 例噴砂式?jīng)_擊固體固體粒子燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐管道雨蝕、水滴沖擊液體液滴高速飛行器、汽輪機(jī)葉片泥漿沖蝕固體粒子水輪機(jī)葉片、泥漿泵葉輪氣蝕氣體氣泡水輪機(jī)葉片、高壓閥門(mén)密封面3313.2磨損的檢測(cè)與評(píng)定研究磨損要通過(guò)各種摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備，檢測(cè)摩擦過(guò)程中的摩擦系數(shù)及磨損量（

42、或磨損率）。摩擦過(guò)程中從表面上脫落下來(lái)的材料（磨屑），記錄了磨損的發(fā)展歷程，反映了磨損機(jī)理，描述了表面磨損的程度。發(fā)生磨損后的表面，同樣有著磨損機(jī)理、磨損嚴(yán)重程度及其發(fā)展過(guò)程的記載。因此研究磨屑和磨損后表面上的信息是研究磨損的重要一環(huán)。3.2.1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備磨損試驗(yàn)的目的在于研究各種因素對(duì)摩擦磨損的影響，從而合理地選擇配對(duì)材料，采用有效措施降低摩擦、磨損，正確設(shè)計(jì)摩擦副的結(jié)構(gòu)尺寸及冷卻設(shè)施等等。摩擦磨損試驗(yàn)大體上可分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)，以及使用試驗(yàn)或全尺寸試驗(yàn)三個(gè)層次。各層次試驗(yàn)設(shè)備的要求各不相同。實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室設(shè)備主要用于摩擦磨損的基礎(chǔ)研究，研究工作參數(shù)（載荷

43、、速度等）對(duì)摩擦磨損的影響?？梢缘玫絾我粎⒘孔兓c摩擦磨損過(guò)程之間的關(guān)系。還可控制試驗(yàn)環(huán)境，如加潤(rùn)滑（劑或材料、劑量和組分及潤(rùn)滑方式），周?chē)鷼夥眨ǘ栊詺夥?、真空、溫度、特殊介質(zhì)），求得特定環(huán)境條件下的結(jié)果。研究者需要選擇合適的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件：試驗(yàn)設(shè)備有各種不同的摩擦形式、接觸形式和運(yùn)動(dòng)形式，有不同的主變參數(shù)（載荷、速度）和可測(cè)結(jié)果（摩擦系數(shù)、磨損）。摩擦形式：有滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦及滾動(dòng)-滑動(dòng)混合摩擦；接觸形式：有點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸；運(yùn)動(dòng)形式：有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，又各自有單向和往復(fù)兩種形式。將這些形式排列組合成不同的試驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的特點(diǎn)是：a.摩擦副是抽象了的各種不同的摩擦形式、

44、接觸形式和運(yùn)動(dòng)形式，而不是實(shí)際摩擦零件的形式；b.要有定量測(cè)定摩擦系數(shù)和（或）磨損的裝置，以及能定量地顯示實(shí)驗(yàn)條件：載荷和速度。有的設(shè)備和試驗(yàn)方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。使用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備和方法，可以得到可比的試驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)介紹幾種常用的實(shí)驗(yàn)室摩擦試驗(yàn)設(shè)備（見(jiàn)表3.5）。表3.5 實(shí)驗(yàn)室常用的摩擦試驗(yàn)設(shè)備摩擦副對(duì)偶實(shí)驗(yàn)機(jī)名稱(chēng)接觸及運(yùn)動(dòng)形式可測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍四球機(jī)點(diǎn)接觸滑動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量不同載荷與速度下球的磨損，磨斑直徑和Pb，Pd值適合于評(píng)定潤(rùn)滑油、脂、膏的潤(rùn)滑性及抗磨性各種類(lèi)型的環(huán)-塊試驗(yàn)機(jī)TimkenMHK-500LFW-1HQ線接觸滑動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)測(cè)量不同載荷與速度下的動(dòng)摩擦系數(shù)和磨痕寬度液體及半固體

45、潤(rùn)滑劑固體潤(rùn)滑材料干膜潤(rùn)滑劑Skoga磨損試驗(yàn)機(jī)線接觸滑動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)測(cè)定材料在有潤(rùn)滑和無(wú)潤(rùn)滑下的磨損各類(lèi)固體材料液體潤(rùn)滑劑Falex-0試驗(yàn)機(jī)線接觸（4線）滑動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)在固定速度下改變載荷測(cè)定承載能力和耐磨壽命液體潤(rùn)滑劑固體潤(rùn)滑膜Hohman A-6型高溫試驗(yàn)機(jī)線接觸（2線）滑動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)高溫下固體材料的摩擦系數(shù)，磨痕寬度環(huán)境和試樣溫度固體潤(rùn)滑材料各種類(lèi)型的栓-盤(pán)（Pin-Disk）試驗(yàn)機(jī)真空試驗(yàn)機(jī)高溫試驗(yàn)機(jī)Falex-6型（有多種接觸形式）點(diǎn)接觸或面接觸滑動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)在不同載荷與速度下測(cè)定材料的摩擦系數(shù)和耐磨性（磨痕寬度，線磨損量，質(zhì)量損失）及環(huán)境（真空度或溫度）固體材料固體膜粘滑試驗(yàn)機(jī)靜動(dòng)摩擦試

46、驗(yàn)機(jī)；點(diǎn)接觸滑動(dòng)摩擦直線或往復(fù)在極低的速度下測(cè)定材料的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)（粘滑現(xiàn)象）固體膜固體材料液體或半固體潤(rùn)滑劑RFT往復(fù)試驗(yàn)機(jī)， 面接觸滑動(dòng)摩擦往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)在不同載荷與速度下測(cè)定摩擦系數(shù)和耐磨性液體潤(rùn)滑劑和固體潤(rùn)滑材料、固體潤(rùn)滑膜SRV微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)摩擦副：面對(duì)面接觸 圓柱對(duì)面線接觸 球?qū)γ纥c(diǎn)接觸點(diǎn)、面、線接觸滑動(dòng)摩擦往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)在高速往復(fù)滑動(dòng)下測(cè)定摩擦系數(shù)和磨損液體潤(rùn)滑劑，固體膜，固體潤(rùn)滑材料滾滑類(lèi)試驗(yàn)機(jī)MM-200AMSLERn1=n2為純滾動(dòng)n1=0為純滑動(dòng)n1n2為滾滑線接觸（純滾或滾滑），面接觸（純滑）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)摩擦力矩磨損固體膜固體潤(rùn)滑材料液體潤(rùn)滑劑軸承PV值試驗(yàn)機(jī)面接觸滑

47、動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)極限PV值溫升液體潤(rùn)滑劑固體潤(rùn)滑材料固體膜交叉圓柱試驗(yàn)機(jī)點(diǎn)接觸滑（滾）動(dòng)摩擦旋轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)模擬試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備模擬試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，可以模擬實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)室裝置（或稱(chēng)臺(tái)架）。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室篩選試驗(yàn)后，將候選材料做成的零件與實(shí)際摩擦副的幾何結(jié)構(gòu)相似，接觸形式相同，在工況條件、環(huán)境條件相同或更苛刻的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能比較精確地反映出摩擦副的摩擦磨損的過(guò)程。但是實(shí)際工況的模擬是十分困難的。載荷和速度可以控制，而表面溫度的控制就很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楫吘共皇钦鎸?shí)的摩擦副。相似的尺寸并不一定能做到熱性能的模擬。因此要達(dá)到滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，必須精心設(shè)計(jì)。臺(tái)架試驗(yàn)的目的，通常是評(píng)定被試

48、摩擦副的性能，能否達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)（一般規(guī)定指標(biāo)都超過(guò)使用時(shí)的實(shí)際要求），如溫升、使用壽命、功率消耗等。表3.6中列舉了部分模擬試驗(yàn)設(shè)備。模擬試驗(yàn)設(shè)備通常是根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，只有少數(shù)設(shè)備為通用的臺(tái)架。表3.6 模擬或臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)機(jī)名稱(chēng)說(shuō) 明簡(jiǎn) 圖滾動(dòng)軸承試驗(yàn)機(jī)用實(shí)際的徑向軸承或止推軸承作摩擦副，測(cè)軸承使用壽命齒輪或渦輪試驗(yàn)機(jī)如FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)，用齒輪作試件，測(cè)載荷下齒輪的磨損情況軸-軸套試驗(yàn)機(jī)用軸和軸套作試件，測(cè)軸承溫升，極限PV值凸輪-挺桿試驗(yàn)機(jī)用凸輪和挺桿作試件，在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下試驗(yàn)?zāi)Σ粮钡哪湍勖z杠-螺母試驗(yàn)裝置使螺旋與螺母作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置螺栓-螺帽試驗(yàn)裝置試驗(yàn)螺栓

49、與螺帽在可測(cè)緊固力矩的條件下表面膜的覆蓋狀態(tài)氣缸-活塞環(huán)試驗(yàn)裝置通常用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)也有專(zhuān)用的活塞環(huán)與活塞環(huán)槽摩擦的模擬試驗(yàn)機(jī)摩擦離合器試驗(yàn)裝置模擬離合器摩擦狀態(tài)的試驗(yàn)裝置端面密封試驗(yàn)裝置模擬密封件作動(dòng)密封時(shí)的摩擦狀態(tài)滾動(dòng)軸承保持架試驗(yàn)裝置模擬滾動(dòng)體與滾道的滾動(dòng)摩擦和與保持架的滑動(dòng)摩擦?xí)r的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)汽車(chē)安全帶模擬實(shí)驗(yàn)裝置使用試驗(yàn)（全尺寸試驗(yàn)）用實(shí)際部件甚至整機(jī)在實(shí)際工況條件及環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，考查全部參量對(duì)整個(gè)摩擦磨損潤(rùn)滑系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。但這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難判斷單一因素在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的影響程度，也不容易分析造成磨損失效的根本原因。這種實(shí)驗(yàn)的目的是確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。通常這種試驗(yàn)是十

50、分昂貴的，只有非常重要的部件才做全尺寸試驗(yàn)。3.2.2磨屑和表面的檢測(cè)和評(píng)定磨屑的檢測(cè) 磨屑的形狀、大小及數(shù)量，磨屑的成分和組織，都可以作為推斷曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的磨損過(guò)程和判斷磨損嚴(yán)重程度的依據(jù)。 磨屑是磨損機(jī)理的重要判據(jù)之一。一般金屬摩擦副在磨合階段從表面上脫落下來(lái)的磨屑，通常，其組分為氧化物，大小和表面微凸體相近。說(shuō)明在磨合階段，較高的微凸體頂端被迅速碾平，使承載面積增大。同時(shí)表面材料在磨合過(guò)程中被加工硬化，使磨損轉(zhuǎn)入平緩的穩(wěn)態(tài)階段。 摩擦過(guò)程中常隨著載荷和速度的變化以及溫升的影響，磨損機(jī)理發(fā)生轉(zhuǎn)化。從各階段的磨屑組分（如Fe屑、Fe2O3或Fe3O4屑）就可以證明這種轉(zhuǎn)化過(guò)程。磨屑的形狀也是判

51、斷磨損機(jī)理的證據(jù)之一。如粘著磨損的開(kāi)始階段，磨屑為半球形。薄片形磨屑證明了蘇的脫層理論。在滾動(dòng)摩擦中，如球狀磨屑增多則預(yù)示著將出現(xiàn)災(zāi)難性失效。細(xì)絲狀的磨屑（猶如切削過(guò)程中形成的切屑），這種磨屑一般是由磨料磨損的微切削過(guò)程產(chǎn)生的。但是，不能憑磨屑這個(gè)單一的特征來(lái)確證磨損機(jī)理。因?yàn)槟p機(jī)理還與材料配對(duì)、潤(rùn)滑狀況、環(huán)境條件等因素有關(guān)。磨屑的檢測(cè)工具，常用的有光學(xué)顯微鏡，掃描電子顯微鏡（SEM），透射電鏡（TEM）等，可檢測(cè)其形狀和尺寸。對(duì)油樣的光譜分析可檢測(cè)潤(rùn)滑油中磨屑的數(shù)量和組分。X射線熒光分析（RFA），發(fā)射光譜分析(ES)，X射線衍射技術(shù)等可用于檢測(cè)少量磨屑的金屬元素含量。用放射性同位素示蹤技

52、術(shù)檢測(cè)磨損量的精度極高。并可做到不停機(jī)條件下隨時(shí)提供磨損發(fā)展的信息。圖3.18 鐵譜儀原理簡(jiǎn)圖使用鐵譜技術(shù)（ferrography），將摩擦副中的磨屑從潤(rùn)滑油中分離出來(lái)，在鐵譜儀（見(jiàn)圖3.18）上通過(guò)一個(gè)梯度磁場(chǎng)的作用，按粒度大小依次沉淀在玻璃基片（譜片）上（磁場(chǎng)大的地方吸住的磨屑粒度大）。沉積了磨屑微粒的譜片，用顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)和分析。譜片上沉積的微粒包括鋼鐵、有色金屬、氧化鐵（氧化物）、油中變質(zhì)的物質(zhì)、聚合物微粒以及各種污染微粒。依靠其各自的特征可以識(shí)別。表3.7中列出了各種磨屑的識(shí)別。 表面的檢測(cè) 磨損前后的表面狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成與原子狀態(tài)都發(fā)生了很多變化。從其變化中可以找出摩擦過(guò)程

53、中發(fā)生了些什么。所以檢測(cè)表面是摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容。 a.表面幾何形貌及粗糙度的檢測(cè)各種表面形貌儀，包括觸針式測(cè)量?jī)x，電子探針，接觸式表面輪廓儀（含模擬計(jì)算和數(shù)字計(jì)算），超精表面形貌儀等等。b.表面分析技術(shù)，利用各種表面分析儀器進(jìn)行觀測(cè)。表面分析儀器可分兩大類(lèi)：表3.7 磨屑形貌的識(shí)別磨屑來(lái)源形狀尺寸和大小磨損情況的判斷鋼鐵磨損的磨屑長(zhǎng)<15m，厚<（0.151）m，長(zhǎng)厚比（103）：1，薄片狀連續(xù)不斷的正常磨損鋼鐵的切削磨屑呈切削狀（螺旋、圓圈或曲線）大磨粒長(zhǎng)（25100）m，寬（25）m小磨粒長(zhǎng)（<10）m，寬<1m硬表面的銳邊、凸起切削軟表面；油中磨料嵌入軟表面，

54、切削硬表面滾動(dòng)軸承疲勞磨損扁平片狀，長(zhǎng)<100m，長(zhǎng)厚比10：1裂紋剝落，屬正常點(diǎn)蝕磨損層狀磨屑，極薄，表面有空穴、孔洞等缺陷長(zhǎng)（2050）m，長(zhǎng)厚比約30：1剝落的磨屑粘在表面上，進(jìn)一步受碾壓形成球狀磨粒，直徑15m產(chǎn)生于裂紋內(nèi)部，由片狀磨屑經(jīng)內(nèi)表面相對(duì)揉搓形成齒輪滾滑復(fù)合磨損磨屑扁平，長(zhǎng)厚比（410）：1齒輪節(jié)圓處滾動(dòng)疲勞的點(diǎn)蝕磨屑尺寸約（100102）m，有金屬及氧化物，白色反射光下呈黃藍(lán)色齒輪節(jié)圓兩側(cè)滑動(dòng)區(qū)的粘著磨損磨屑氧化鐵磨屑紅色磨屑，反射白光下呈桔黃色，反射偏振光下呈深橙黃色。為順磁性Fe2O3油中含水分銹蝕形成扁平磨屑，白色反射光下呈灰色，白色透射光下呈淡暗紅褐色。為順磁性Fe2O3潤(rùn)滑不良引起Fe3O4·Fe2O3和FeO的混合物，為細(xì)小的藍(lán)色和橙黃色的斑點(diǎn)潤(rùn)滑嚴(yán)重不足，伴隨高溫形成有色金屬磨屑Cu桔黃色，Pb-Sn白光下呈黑色。用加熱分析判斷Al,Cr,Ag,Ti,Cd,Mg,Mo等白色金屬表3.8 各類(lèi)顯微鏡的功能顯微鏡放大倍數(shù)及最佳分辨率主