第三章 - 磨损及磨损机理

第三章 磨损及磨损机理

第三章 磨损及磨损机理

概 述

物体摩擦表面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。 在一般正常工作状态下，磨损可分三个阶段：

a.跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。 b.稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。

c.剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动，摩擦温度迅速升高，说明零件即将失效。（如图3.1） 跑合

稳定磨损阶段

剧烈 摩擦行程（时间）

图3.1 磨损三个阶段的示意图

机件磨损是无法避免的。但，如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧烈磨损的到来，是研究者致力的方向。

影响磨损的因素很多，例如相互作用表面的相对运动方式(滑动，滚动，往复运动，冲击)，载荷与速度的大小，表面材料的种类，组织，机械性能和物理-化学性能等，各种表面处理工艺，表面几何性质(粗糙度，加工纹理和加工方法)，环境条件(温度、湿度、真空度、辐射强度、和介质性质等)和工况条件(连续或间歇工作)等。这些因素的相互影响对于磨损将产生或正或负的效果，从而使磨损过程更为复杂化。

磨损过程涉及到许多不同的学科领域，由于具有跨学科的性质，至今还很难将它的规律解释清楚。已经有很多学者对磨损进行了大量的研究。

如20世纪20年代，汤林森提出了分子磨损的概念，他认为两个粗糙表面在接触摩擦过程中相互接近，而一个表面上的原子被另一个表面俘获的现象就是磨损。

霍尔姆在上述基础上作了进一步的发展，他指出摩擦材料的压缩屈服极限σb(即硬度)对耐磨性的影响很大。

50年代初，奥贝尔(Oberle)从表层材料的机械破坏着眼，联系“切削”过程来解释磨损，他认为影响磨损的主要因素除硬度H外，还有材料的弹性模量E。处在弹性极限内的，变形越大，机械破坏越少，并提出用模数(m＝E/H×105)来反映材料的耐磨性，m值高则耐磨性好。

冯(Feng)提出了机械性质相近的两表面上机械嵌锁作用导致界面上既粘连又犁削的观

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点。

布洛克(Blok)认为软钢表面变得粗糙和发生塑性变形，是由于应力过高而引起的。 拉宾诺维奇认为表面能与材料硬度之比，对于磨损是一个重要因素，它可能影响磨屑的大小。

赫鲁晓夫提出了硬质微凸体在软表面上犁沟的模式图。 有不少学者通过实验和观测发现，磨损是比原子量级大得多的数量级，大规模地发生着。拉宾诺维奇和阿查德(Archard)分别指出，磨损颗粒大约具有如实际接触斑点直径那样的数量级。拉宾诺维奇提出磨屑呈半球形，阿查德也认为磨屑具有一定的厚度。

在滑动或滚动过程中，表面微凸体反复承载而发生疲劳脱落的现象，有人把它看作是一种磨损，克拉盖尔斯基(Крагельский)提出了形成磨屑的数学模式，木村好次(Kimura)等人的观点也属于这一类。

苏(Suh)等人提出了由于应力重复作用和应变累积而引起材料转移的观点，他指出磨屑呈细片状而不是呈半球形，同时认为材料的整体性能(硬度)不是控制磨损的因素。

关于磨损现象的解释，不同的论点都从某一角度描述了磨损某一方面的状况。还难以解释千变万化的磨损现象。随着表面微观分析仪器及电子计算技术的发展，人们对磨损的研究也由宏观进入亚微观，进而进入微观研究；由静态到动态，由定性到定量。但至今仍不能算很完善。

本章主要讨论金属材料的磨损，关于非金属材料的磨损问题将稍加讲解。 磨损的情况和程度，用磨损率来表示。磨损率是指单位时间，单位滑动距离、单位作功，或每一转、每一次摆动中表面材料的磨损量。磨损量可用质量，体积或厚度来度量。

3.1磨损类型

关于磨损的分类也有各种观点。这里采用伯韦尔(Burwell)的观点根据磨损机理的不同，把粘着磨损，磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳列为磨损的主要类型，而把表面侵蚀，冲蚀等列为次要类型。这些不同类型的磨损，可以单独发生，相继发生或同时发生（为复合的磨损形式）。

3.1.1粘着磨损

摩擦副相对运动时，由于接触点上的固相焊合，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损。

①粘着磨损机理

由摩擦的粘着理论可知，金属表面微凸体在法向载荷的作用下，当顶端压力达到屈服强度时，就会发生塑性变形而使接触面扩大，直到实际接触面积大到足以支承外载荷时。相对滑动时，界面膜破裂，就会在接触处形成“冷焊”接点。继续滑动又会将接点剪断，随后再形成新的接点。在不断的剪断和形成新的接点的过程中，发生了金属磨损。磨损量的大小取决于节点处被剪断的位置。

如剪切发生在界面上，则磨损轻微；如发生在界面以下，则会使金属从一个表面转移到另一个表面。继续摩擦时，这部分转移物就可能成为磨屑。

如表面有污染膜，吸附膜等表面膜存在时，磨损轻微。由于表面膜的抗剪强度较低，接触点处的表面膜很容易遭到破坏，使新鲜的金属表面得以暴露，加上摩擦热的影响，金属间形成了很强的粘着，运动时必须剪断这些金属粘着点，造成表面损伤，严重时甚至可

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以咬死。

综上所述，可以将粘着磨损的过程作如下的描述：

接触——塑性变形——表面膜（包括油膜）破裂——粘着（冷焊）——剪断接点——再粘着的循环过程。

②粘着磨损的分类

根据剪断位置的不同，表面损伤程度的不同，又可将粘着磨损分为以下几个等级（如表3.1所列）：

表3.1 粘着磨损的分类 类别 轻微磨损 破坏现象 剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微 涂抹 剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬金属表面 擦伤 剪切破坏主要发生在较软金属的亚表层内；有时硬金属亚表面也有划痕 撕脱（深掘） 剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处 咬死 摩擦副之间咬死，不能相对运动 粘着结合处强度比两金属基体都高，转移到硬面上的粘着物质又拉削软金属表面 粘着结合处强度大于任一基体的剪切强度，剪切应力高于粘着结合强度 粘着结合处强度比任一基体金属的剪切强度都高，而且粘着区域大，剪切应力低于粘着结合强度 粘着结合处强度大于较软金属的剪切强度 损坏原因 粘着结合处强度比摩擦副的两基体金属都弱

③粘着磨损规律

a.阿查德（Archard）的磨损量计算式

他假设在一系列等高度，大小相仿的微凸体上形成磨屑（见图3.2）。

设单个微凸体的接触面积的半径为r，面积为πr2，则所支承的载荷Ni=σb·πr2。如滑动距离为一个直径长时，则剪断的半球状微凸体的体积ΔQ=2／3πr3（半个球的体积）。

设n为接触表面间的接触点数，则滑动了L这么长距离后的总磨损量为：

23L?r2Q??r??nL

32r3

所受的载荷为N，将 2?N?n??b??r

1N图3.2 阿查德的微凸体相遇模式

L代入上式，则得： Q?3?b

以上是假定每个接触的微凸体都被剪断而形成磨屑（磨损量）。而实际上尚有一个概率，

kNL用系数k来表示： Q?3?b QkNw??如滑动距离L设为1个单位长度，将单位长度的磨损量定义为磨损率

L3?b

式中：Q 总磨损量； N 法向载荷； L 滑动距离； σb 材料的压缩屈服极限（硬度）。

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根据以上结果，可以得出以下结论： ⑴.磨损量与滑动距离成正比；

⑵磨损量与法向载荷成正比，而与表观面积无关；

⑶磨损量与较软材料的压缩屈服极限（硬度）成反比； ⑷滑动速度大体上对磨损量没有影响。

但是实验证明，磨损量与法向载荷成正比只适用于法向载荷较小的情况下，当载荷大到接触面上平均压应力超过3σb时，磨损会急剧增大。另外很多实验也表明，速度对于各种材料的不同磨损类型都存在着一定的影响。

同时，阿查德的公式中没有说明表面膜对粘着磨损的影响，计算式中没有反应出表面几何性质、表面加工状况、磨合等因素的影响。

b.吉本（Yoshimoto）与筑添（Tsukizoe）N 的计算式

考虑到几何因素的影响，他们假定微凸体呈锥状。锥底直径为2r，高度不等，都具有相同的锥底角θ。与理想平滑的表面摩擦（见图3.3）。

他们的推导思路和方法与阿查德相

图3.3 吉本-筑添的表面接触模型 同。唯每个微凸体的形状为锥体：

1213?Q??rh0h0?rtg??Q??rtg?则： 33 N?n??b??r2 1NQ?tg?L总磨损量

6?b

此式中考虑了几何性质的因素——tgθ，从式中可以看出，当表面越光滑(θ越大)， tgθ越小，磨损量就越小。经过试验证明，基本上与计算值相符。

c.罗厄（Rowe）对阿查德方程的修正 罗厄考虑了表面膜的影响，有表面膜存在时金属直接接触的面积只是真实接触面积的一

部分。即 ??Am?1Ar

式中：β 称为表面膜分隔缺陷系数；

Am 金属直接接触的面积；

Ar 真实接触面积（包括有表面膜分隔的面积）。

表面膜（包括油膜）缺损多时，β趋向于1。表示几乎全是金属直接接触。

k?N?k??Q?L?ArL阿查德的磨损量计算公式为： ??1L13Q???Q?n?r3tg???rtg?32r33??b?3

罗厄的修正公式为：

Q?kArL?kmAmL?km?ArL3Ar?3－4

N?b?1????122