摩擦與潤(rùn)滑技術(shù)第四章

§4-1概述

磨損是伴隨摩擦產(chǎn)生的，它也是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。雖然磨損現(xiàn)象為大家所熟悉，但要給磨損下一個(gè)嚴(yán)格的定義還比較困難。物體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)械的和化學(xué)的過(guò)程，引起摩擦表面物質(zhì)逐漸損耗或產(chǎn)生殘余變形，稱(chēng)為磨損。1969年，歐洲經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）對(duì)工程材料的磨損定義為“磨損是構(gòu)件由于其表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在承載表面上不斷出現(xiàn)材料損失的過(guò)程?！?979年新修訂的西德工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN50320）中對(duì)磨損定義為“磨損是一個(gè)物體由于機(jī)械的原因，即與另一固體的、液體的或氣體的配對(duì)件發(fā)生接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而造成表面材料不斷損失的過(guò)程”。Tabor對(duì)磨損定義為“物體表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，由于機(jī)械的和化學(xué)的過(guò)程使材料從表面上除掉，即為磨損”。

磨損過(guò)程中存在著各種各樣的機(jī)械、物理和化學(xué)作用。因此，雖然現(xiàn)代正在加深對(duì)磨損的各種機(jī)理的研究，但至今還不像摩擦那樣建立了比較公認(rèn)的定性和定量的結(jié)論和定律。例如，就摩擦系數(shù)而言，大多數(shù)的金屬材料的摩擦系數(shù)都在0.1~1.0之間，而相應(yīng)的磨損率卻可以在大得多的范圍內(nèi)變化。又如摩擦與磨損的關(guān)系，普遍地存在一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為摩擦系數(shù)大就意味著磨損大，而事實(shí)并非如此。根據(jù)磨損的破壞機(jī)理和特征，磨損的型式一般可分為五類(lèi)：①粘著磨損；②磨粒磨損；③表面疲勞磨損；④腐蝕磨損；⑤微動(dòng)磨損。

耐磨性是材料抵抗磨損的一個(gè)性能指標(biāo)，可用磨損量的倒數(shù)來(lái)表示。磨損量一般有下列幾種表示方法：（1）線(xiàn)磨損：它是以摩擦表面法向尺寸減少量來(lái)計(jì)量的。也可以用線(xiàn)磨損率表示，即單位滑動(dòng)距離（或單位時(shí)間）的摩擦表面法向尺寸減少量（2）體積磨損：它是摩擦表面體積減少量來(lái)計(jì)量的。也可以用體積磨損率來(lái)表示，即單位滑動(dòng)距離（或單位時(shí)間）摩擦表面體積減少量（3）重重磨損：它是以磨損過(guò)程中的重量損失來(lái)計(jì)量的。也可以用重量磨損率表示，即單位滑動(dòng)距離（或單位時(shí)間）重量減少量，其中為磨損材料的密度。（4）比磨損率：?jiǎn)挝荒Σ辆嚯x和單位載荷下的磨損量，即單位體積磨損量此外，還可用相對(duì)磨損率（被試驗(yàn)材料磨損率與標(biāo)準(zhǔn)材料在相同條件下的磨損率之比）；相對(duì)耐磨性（標(biāo)準(zhǔn)材料與試驗(yàn)試件磨損量之比）和磨損系數(shù)K來(lái)表示磨損程度。至于如何評(píng)價(jià)摩擦副的抗粘著性能目前尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。通常根據(jù)同等工況條件下（速度、載荷、溫度……等）摩擦表面粘著破壞的程度或摩擦副發(fā)生咬死時(shí)的載荷、抑或摩擦系數(shù)（或滾動(dòng)力距）發(fā)生突變時(shí)的載荷等三種情況來(lái)判斷。機(jī)械零件正常磨損過(guò)程一般可大致分為三個(gè)階段，如圖4-1中的oabc曲線(xiàn)所示。（1）“磨合”（跑合）階段：磨合是磨損過(guò)程的不均勻階段，這時(shí)由于表面形貌發(fā)生變化，表面微凸體相互急烈碰撞的機(jī)率逐漸減少，在磨合期，系統(tǒng)是自適應(yīng)過(guò)程。如圖4-1中的oa線(xiàn)段所示。合理選擇磨合規(guī)范、程序和潤(rùn)滑劑是縮短磨合期并獲得良好磨合結(jié)果的基礎(chǔ)。一般是采取逐級(jí)或連續(xù)遞增載荷下的磨合方法。（2）“穩(wěn)定”磨損階段：由于前期“磨合”的結(jié)果，摩擦系統(tǒng)獲得了相對(duì)穩(wěn)定的特性。也就是說(shuō)，由于前期磨合階段表層經(jīng)受很高的比壓、熱效應(yīng)和薄層塑性變形、冷作硬化，從而建立起彈性接觸條件。此外，由于表層塑性變形使得空氣中的氧氣深解和擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，從而在金屬表面形成固體覆蓋膜FeO、Fe2O3和Fe3O4。極壓添加劑等與表面起化學(xué)反應(yīng)也會(huì)形成固體覆蓋膜。如果膜的形成速度V∫等于或稍大于破壞速度Vd，則磨損過(guò)程主要發(fā)生在是磨損率極小的氧化磨損（腐蝕磨損）。其磨屑顆粒一般小于。穩(wěn)定磨損階段如圖4-1中的ab線(xiàn)段所示。（3）“急劇”磨損階段：在長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定磨損階段（b點(diǎn)）以后，當(dāng)材料的磨損總量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，摩擦系統(tǒng)的狀態(tài)可能發(fā)生質(zhì)的轉(zhuǎn)變，隨之摩擦現(xiàn)象也發(fā)生重大變化，這時(shí)材料磨損隨時(shí)間而迅速載長(zhǎng)。發(fā)生過(guò)程的自動(dòng)加速，即一段時(shí)間間隔的大量增長(zhǎng)甚至?xí)鹣乱粫r(shí)間間隔更大的增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)突然損壞，使整個(gè)系統(tǒng)失效。在這種情況下，摩擦表面的員壞一般說(shuō)來(lái)，大多是由于表面疲勞，出現(xiàn)許多疲勞裂紋，它們相互交連而成片剝離，從而導(dǎo)致急劇磨損；或是由于表面持油能力下降，形成不了流體油膜，從而導(dǎo)致金屬與金屬直接接觸，造成金屬的劇烈粘附磨損。當(dāng)然也可能由于磨粒磨損引起急劇磨損。實(shí)際上可能是一種主要磨損形式同時(shí)又伴隨著其它磨損形式的綜合作用結(jié)果。在急劇磨損中，磨屑顆粒的尺寸可達(dá)上百微米以上。對(duì)于相同金屬摩擦副，磨粒尺寸會(huì)更大。以上系一般機(jī)械零件的正常磨損過(guò)程曲線(xiàn)。應(yīng)當(dāng)指出，如果磨合階段的磨合規(guī)范、程序和潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng)時(shí)，不僅會(huì)延長(zhǎng)磨合期，甚至使正常磨損（曲線(xiàn)）遭到破壞。例如，由于磨合開(kāi)始的負(fù)荷過(guò)大，加之選用了潤(rùn)滑性差的潤(rùn)滑劑，這時(shí)粗糙的表面由于金屬與金屬直接接觸造成嚴(yán)重的塑性變形而導(dǎo)致劇烈粘附磨損，如圖4-1中的曲線(xiàn)②所示。有時(shí)，在穩(wěn)定磨損階段由于溫度上升或接觸面積、載荷和滑動(dòng)速度變化使得流體膜潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變而使正常磨損曲線(xiàn)轉(zhuǎn)向曲線(xiàn)③。當(dāng)摩擦表面溶解的氧或極壓添加劑等與表面起反應(yīng)形成固體覆蓋膜的速度V∫大大小于破壞速度Vd時(shí)，即由原先的V∫=Vd的狀態(tài)轉(zhuǎn)為V∫＜＜Vd的狀態(tài)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)上述曲線(xiàn)③的情況?！?-2粘著磨損一、粘著磨損理論—鮑登-泰勃的粘著磨損理論1．鮑登-泰勃粘著磨損機(jī)理在第三章關(guān)于干摩擦粘著摩擦理論中曾述及：當(dāng)兩金屬零件表面受法向載荷接觸時(shí)，開(kāi)始只有極少數(shù)較高的微凸體發(fā)生接觸，其比壓很大，以致超過(guò)材料的屈服極限而使微凸體發(fā)生塑性變形。因此，表面上這些接觸斑點(diǎn)便發(fā)生粘著或冷焊連。即使有表面膜（油膜或氧化膜）存在，若只承受單純的法向載荷而不受切向力作用產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于有表面膜的抑制作用，牢固粘著也不容易發(fā)生。但是，若這時(shí)再加上切向力使兩物體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，表面膜就會(huì)被劑壓破裂，即抑制層部分離散，表面膜起不到隔離的抑制作用，除非表面膜的形式速度等于或接近等于它的破壞速度。否則也必將產(chǎn)生粘著磨損。另外即便磨損界面存在有表面膜，如油膜，尤其是在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，當(dāng)載荷和滑動(dòng)速度很大時(shí)，摩擦表面溫度升得很高，這時(shí)油的粘度顯著下降，甚至蒸發(fā)，微凸體也會(huì)發(fā)生直接接觸，嚴(yán)重時(shí)表面層金屬還會(huì)軟化或溶化，造成嚴(yán)重的粘著磨損?？傊持p是由于兩摩擦物體在法向力和切向力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生金屬與金屬的直接接觸和塑性變形從而經(jīng)歷粘著（冷焊）、剪切撕脫和再粘著的循環(huán)過(guò)程、嚴(yán)重時(shí)摩擦副會(huì)咬死，粘著磨損過(guò)程中，表面材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，在連續(xù)摩擦的情況下，被轉(zhuǎn)移的薄片材料由于不斷的堆聚到一定程度，然后由于機(jī)械斷裂或結(jié)合鏈破壞抑或疲勞斷裂而剝離下來(lái)成為松散的磨屑顆粒，這些離散的磨屑顆粒大多數(shù)在摩擦界面之間滾動(dòng)，也可能有少數(shù)顆粒再一次被粘附于摩擦表面的可能，甚至有些顆粒還會(huì)有所增大，但這種機(jī)遇可能不多，不一定是普通規(guī)律。因?yàn)檫@些磨損顆粒，已遭到嚴(yán)重氧化、而且根據(jù)粘著磨損理論分析和鐵譜檢驗(yàn)證明，這些顆粒是一些疏松的層狀顆粒，不僅溶解的氧多，而且吸油性（潤(rùn)濕性）好，因而不容易再次牢固的粘附于摩擦表面。至于在什么條件下容易出現(xiàn)粘著磨損，無(wú)疑主要是在滑動(dòng)副之間沒(méi)有潤(rùn)滑油時(shí)，或者其間的油膜和氧化膜因受到過(guò)高負(fù)荷而破裂造成兩摩擦材料直接接觸時(shí)特別危險(xiǎn)。陶瓷或聚合物材料構(gòu)成配對(duì)副則比較不容易發(fā)生粘著作用，在塑料與金屬配對(duì)副中，有時(shí)反倒希望發(fā)生粘著磨損。因?yàn)檫@時(shí)能將薄薄的一層塑料轉(zhuǎn)移到金屬表面，結(jié)果形成塑料對(duì)塑料的相對(duì)滑動(dòng)。這是聚四氟乙烯塑料（PTFE）與鋼的滑動(dòng)副摩擦系數(shù)之所以很低的原因，但可惜這種情況通常只能在低速高負(fù)荷情況下才會(huì)出現(xiàn)。許多摩擦副，例如滑動(dòng)軸承、減速器以及活塞與氣缸摩擦副等，在超負(fù)荷下或潤(rùn)滑不足時(shí)，就會(huì)發(fā)生膠合，其根原因就是粘著摩擦。對(duì)于電氣接觸器也存在有微觀(guān)粘著焊連的危險(xiǎn)。切削刀具出現(xiàn)積屑瘤，其原因同樣是粘著摩損。2．粘著磨損的類(lèi)型（1）輕微磨損：磨損表面粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度很弱，剪切破壞發(fā)生在界面上，摩擦主要發(fā)生在表面氧化層內(nèi)，或者在正常磨損情況下，由于磨損表面生成了一層短晶序的剪切混合層，在摩擦力的反復(fù)作用下，剪切混合層因機(jī)械斷裂或結(jié)合鍵破壞而呈層狀片剝落（尺寸一般小于5）；或者由于疲勞剝層磨損而以極簿的片狀剝落（尺寸一般小于1）。內(nèi)燃機(jī)缸套-尖塞環(huán)正常穩(wěn)定磨損階段就屬于這種輕微磨損。（2）涂抹：涂抹一般發(fā)生在軟金屬的淺層內(nèi)，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溶化材料。（3）擦傷與劃痕：由于較硬的滑動(dòng)表面上微凸體在軟金屬表面上或硬質(zhì)顆粒嵌入軟金屬表面而在硬金屬表面上沿滑動(dòng)方向形成的細(xì)小的擦傷或劃痕。如內(nèi)燃機(jī)鋁活塞與缸壁常見(jiàn)。（4）撕脫：摩擦表面粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度大于一方或兩方基體金屬的剪切強(qiáng)度，滑動(dòng)時(shí)剪切破壞發(fā)生在一方或兩方金屬深處。如軸與軸承常見(jiàn)的這種破壞形式。（5）咬死：與上面（）4的情況類(lèi)似，所不同的是粘著區(qū)域大，粘著結(jié)合強(qiáng)度比兩方基體金屬的剪切強(qiáng)度都高，且外界作用的切向力小于總的粘著結(jié)合力，故摩擦副之間出現(xiàn)咬死，即不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如發(fā)動(dòng)要的咬缸。這是一種嚴(yán)重而危險(xiǎn)的破壞事故。3．粘著磨損定量關(guān)系式根據(jù)現(xiàn)代粘著理論來(lái)說(shuō)明磨損，常用Archard在1953年提出的觀(guān)點(diǎn)。

（4-6）從上式可以看出：（1）磨損體積與法向載荷成正比；（2）磨損體積與軟材料屈服極限（或硬度）成反比；（3）磨損體積與滑動(dòng)距離成正比；（4）磨損體積與表面膜缺陷系數(shù)成正比。4．影響粘著磨損的主要因素和減少磨損的途徑（1）材料性質(zhì)的影響①脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高。塑性材料粘著破壞，常常發(fā)生近表面一定的深度處，磨損下來(lái)的顆粒較大。脆性材的粘著磨損產(chǎn)物多數(shù)呈磨屑狀、破壞深度較淺。②互溶性大的材料所組成的摩擦副（相同金屬或晶格類(lèi)型，晶格間距，電子密度、電化學(xué)性能相似的金屬），點(diǎn)著傾向大；互溶性小的材料所組成的摩擦副（異金屬或非類(lèi)金屬），粘著傾向小。應(yīng)避免使用同種金屬或類(lèi)金屬組成摩擦副。③從金相結(jié)構(gòu)上看，多相金屬比單相金屬粘著傾向小，因多晶材料的晶粒，在變形時(shí)要受到其鄰近晶粒影響，當(dāng)平均晶體直徑遠(yuǎn)大于接觸的微觀(guān)面積時(shí)，它們對(duì)變形抑制作用最小，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、碳化合物多的合金粘著傾向性小、特別是合金元素碳、鉻、鈮、鎢及鉬本身就耐磨，故在碳化物形成元素中，提高耐磨性是按鉻、鎢、鉬及釩（比例2：5：10：40）的順序上升的；不連續(xù)組織比連續(xù)組織的粘著傾向性?。ㄒ虿贿B續(xù)組織有抑制粘著嚴(yán)重磁長(zhǎng)的作用），故碳鋼比單相的奧化體不銹鋼或純鐵的粘著傾向小；金屬與非金屬材料（如石墨、塑料等）組成的摩擦副，比金屬組成的摩擦副粘著傾向小。④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。（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，如圖4-5所示。實(shí)際上是材料硬度與壓縮屈服極限的關(guān)系。當(dāng)載荷超過(guò)材料硬度的1/3時(shí)，磨損急劇增加，嚴(yán)重時(shí)咬死。因此，設(shè)計(jì)中選擇的許用壓力必須低于材料硬度的1/3。（3）氧化膜的影響（前面已講述）（4）滑動(dòng)速度的影響在壓力一不定期的情況下，粘著磨損隨滑動(dòng)速度的增加而增加，在達(dá)到某一極大值后，又隨滑動(dòng)速度的增加而減少。圖4-6系摩擦速度不太高的范圍內(nèi)，鋼欣材料磨損摩擦速度、接觸壓力的變化規(guī)律。

有時(shí)隨著滑動(dòng)速度的變化，磨損類(lèi)型由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。如圖4-7表示鋼鐵材料磨損量隨摩擦速度變化規(guī)律。當(dāng)摩擦速度很大時(shí)，磨損粉末是紅褐色的氧化物（Fe2O3），磨損量很小，這種磨損是氧化磨損。當(dāng)摩擦速度稍高時(shí)，則產(chǎn)生顆粒較大并呈金屬色澤的磨粒，此時(shí)磨損量顯著增大，這一階段就是粘著磨損。如果磨損速度進(jìn)一步增高時(shí)，又出現(xiàn)了氧化磨損。不過(guò)這時(shí)的磨損粉末是黑色的氧化物（Fe3O4）、磨損量雙減小。再進(jìn)一步增加摩擦速度，則又會(huì)出現(xiàn)粘著磨損，磨損量又急劇增加。（5）溫度的影響為了描述摩擦溫度或摩擦熱對(duì)摩擦性能的影響，常采用閃點(diǎn)溫度、表面平均溫度、體積平均溫度、溫度梯度等參數(shù)來(lái)進(jìn)行研究。閃點(diǎn)溫度是指摩擦中局部地點(diǎn)（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(gè)摩擦表面平均溫度不太高時(shí)，其閃點(diǎn)溫度可能很高（可達(dá)上千度攝氏）。在低速摩擦范圍內(nèi)對(duì)磨損有直接影響的是閃點(diǎn)溫度。摩擦表面的溫度對(duì)粘著磨損的影響，主要有三方面：第一、使摩擦表面的材料性能發(fā)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。不言而喻，當(dāng)熱點(diǎn)（閃點(diǎn)）溫度很高時(shí)，摩擦面內(nèi)局部地點(diǎn)形成的粘著現(xiàn)象就以熱的形式向整個(gè)摩擦面擴(kuò)展，摩擦面平均溫度顯著升高，這時(shí)粘著現(xiàn)象不是發(fā)生在個(gè)別點(diǎn)上，而是在較大的成塊面積上形成“粘著焊連”（即“燒結(jié)”），如軸與軸瓦之間常出現(xiàn)的“燒瓦”現(xiàn)象就是這樣引起的。溫度的升高還可能引起摩擦表面材料發(fā)生相變。第二、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氧化物種類(lèi)，顯然這會(huì)改變表面的摩擦學(xué)性質(zhì)。第三、使?jié)櫥瑒┑男阅芨淖儭囟壬?、?rùn)滑油粘度下降、潤(rùn)滑效果降低、同時(shí)潤(rùn)滑油氧化、分解的速度加快。當(dāng)超過(guò)某一極限時(shí)，潤(rùn)滑油變質(zhì)失去潤(rùn)滑作用。摩擦表面的溫度與摩擦表面承受的載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度成正比。因此，表面壓力p和相對(duì)滑動(dòng)速度v對(duì)粘著磨損都有很大影響。控制pv值，選用熱穩(wěn)定性好的材料，采取有效的冷卻措施是防止由于溫度升高而產(chǎn)生嚴(yán)重粘著磨損的有效方法。（6）潤(rùn)滑油、脂的影響潤(rùn)滑油、脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤(rùn)滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。所謂油性添加劑是由極性非常強(qiáng)的分子組成，在常溫條件下，吸附在金屬表面上形成邊界潤(rùn)滑膜，防止金屬表面的直接接觸，保持摩擦面的良好潤(rùn)滑狀態(tài)。極壓添加劑是在高溫條件下，分解出活性元素與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)，生成一種低剪切強(qiáng)度的金屬化合物薄膜，防止金屬因干摩擦或邊界摩擦條件下而引起的粘著現(xiàn)象。二、其他粘著磨損理論1．表層粘著開(kāi)裂機(jī)理具有一定粗糙度的兩表面受載滑動(dòng)摩擦?xí)r，不像鮑登-泰勃的粘著磨損發(fā)生金屬粘著-轉(zhuǎn)移-剪斷過(guò)程，而是在表面發(fā)生開(kāi)裂-粘著-剪斷過(guò)程。Buckley用多晶銅球面滑塊沿雙晶銅晶粒（111）和（210）晶面滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在雙晶銅表層形成滑移帶，如圖4-8所示。并在摩擦表面上發(fā)生粘著，如果這種粘著強(qiáng)度大于滑移面之間的結(jié)合強(qiáng)度，則沿著球面滑塊滑動(dòng)方向在雙晶銅表層沿滑移帶出現(xiàn)開(kāi)裂或分離，由于摩擦點(diǎn)強(qiáng)烈的粘著，使得滑移帶分離的材料被粘著切向力牽移（拉曳）而高出表面呈翹曲狀，進(jìn)一步滑動(dòng)摩擦，則摩擦界面粘著結(jié)點(diǎn)就被剪斷，高于表面翹曲的金屬接著又被后面球形滑塊剪斷，這樣就產(chǎn)生了磨屑。這就是磨損的表面粘著開(kāi)裂機(jī)理和磨屑形成過(guò)程，這不僅為表層粘著開(kāi)裂機(jī)制提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)，也說(shuō)明了銅磨損時(shí)的各向異性。2．磨屑生成的轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)理論

該理論首先于1972年由日本田直等人增出。他們發(fā)現(xiàn)摩擦磨損過(guò)程中，粘著磨損中的某些特有現(xiàn)象，鮑登-泰勃粘著磨損理論不能充分解釋清楚。首先是他們?cè)阢~與鎳表面摩擦試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不僅較軟的銅（HV113）轉(zhuǎn)移到較硬的鎳表面上，而且在銅表面上也發(fā)現(xiàn)有鎳，即不只是較軟的材料向硬表面上轉(zhuǎn)移，而是摩擦表面材料相互轉(zhuǎn)移；其次是發(fā)現(xiàn)磨屑是一個(gè)銅和鎳兩種材料的混合體，而不是單一的銅；第三是發(fā)現(xiàn)磨屑尺寸變化范圍很大，從比真實(shí)接觸面積小得多的直到比接觸面積大得多，而不是與表面間構(gòu)成的微凸體真實(shí)接觸面只積大致相同.上述三種現(xiàn)象也在其它的金屬對(duì)金屬、金屬對(duì)聚合物、陶瓷對(duì)陶瓷、金屬對(duì)陶瓷和聚合物對(duì)陶瓷的摩擦副中觀(guān)察到，即使在干摩擦或金屬摩擦副在潤(rùn)滑條件下也都觀(guān)察到。以上所述事實(shí)，田直等認(rèn)為Archard的粘著磨損模型（圖4-4）難以解釋清楚，于是提出了如圖4-9所示的轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)模型。開(kāi)始的自然接觸狀態(tài)應(yīng)象圖4-9（1）那樣，凸部是沿斜面接觸的。如果加上剪切應(yīng)力，那么凸部由于受到壓力面被壓潰，且接觸面積中只有一小部分是金屬的直接接觸，因?yàn)橥ǔ＝雍辖缑姹谎鹾退魵饣蛘哂袡C(jī)物質(zhì)等分子所污染，其真正接觸面積只有接點(diǎn)面積的幾十分之一或幾百分之一。故此，剪切破壞僅發(fā)生在這個(gè)真正的固體接觸部分（圖4-9（2））。因此，小碎片產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和粘著在如圖4-9（3）所示的另一面上，這時(shí)雖然更多地剪斷較軟的固體可能是必然的，但由于微凸體接點(diǎn)是不對(duì)稱(chēng)的，因而在較硬的固體中發(fā)生剪斷也是可能的。把這種小的轉(zhuǎn)移碎片稱(chēng)為“轉(zhuǎn)移元素”，它在另一面上構(gòu)成一個(gè)新的微凸體。在如圖4-9（4）的進(jìn)一步滑動(dòng)過(guò)程中，可能形成一個(gè)新的接點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生如圖4-9（5）所示的剪切導(dǎo)致由上表面到下表面，或者由下表面到上表面的材料轉(zhuǎn)移時(shí)，兩個(gè)“轉(zhuǎn)移元素”構(gòu)成一個(gè)“轉(zhuǎn)移微粒”，并且這個(gè)微粒粘著在任一個(gè)表面上。經(jīng)過(guò)多次如圖4-9（4）和（5）那樣的聚集過(guò)程，轉(zhuǎn)移微粒逐漸長(zhǎng)大到如圖4-9（6）所示的那樣大的尺寸，大的微粒由于抗力比較小，經(jīng)過(guò)應(yīng)表在的某個(gè)正的微凸體沖擊而從表面脫落成為磨屑。日本學(xué)者根據(jù)上述的粘著磨損磨屑轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)模型，認(rèn)為比較容易說(shuō)明摩擦材料二者的相互轉(zhuǎn)移粘附現(xiàn)象，和一個(gè)磨屑是由摩擦材料二者的混合物組成的事實(shí)，以及磨屑的大小分布范圍很寬的事實(shí)。但是，他們考慮到承載機(jī)理，又對(duì)上述模型作了適當(dāng)?shù)男拚蛿U(kuò)展。在圖4-9圖解的模型中，如果轉(zhuǎn)移微粒在摩擦過(guò)程中由于加工硬化或氧化而變硬，并足以承受所加載荷的作用而無(wú)明顯變形，那么就能形成如圖4-9（6）所示的固體或立方體的微粒。但若在滑動(dòng)過(guò)程中，如果轉(zhuǎn)移微粒硬化不嚴(yán)重或材料的性能不變，則配對(duì)的表面間的微粒在接觸壓力作用下產(chǎn)生屈服而被壓低（見(jiàn)圖4-10（1）和（2）），而且還由于剪切的作用而被縱向擴(kuò)展。結(jié)果形成了一個(gè)經(jīng)壓-滑整平形狀的轉(zhuǎn)移微粒。并如圖4-10（3）中所示的粘著在摩擦表面上。磨屑形成的最后階段必定是這些“壓-滑-整平”轉(zhuǎn)移微粒的聚集和堆積。然后“轉(zhuǎn)移元素”或零星散布在另一表面上的微粒卷入到大微粒上，使微粒迅速長(zhǎng)大，最終它們從摩擦系統(tǒng)中脫落，形成一個(gè)薄片狀的磨屑，如圖4-10（4）所示。§4-3磨粒磨損一、磨粒磨損及其機(jī)理當(dāng)摩擦偶件一方的表面硬微凸體或硬的顆粒（包括外來(lái)硬顆粒）在較軟的表面上或在對(duì)偶雙方表面上引起劃痕、犁皺、擦傷或微切削的現(xiàn)象，稱(chēng)為磨粒磨損。各種類(lèi)型材料的零件均可能產(chǎn)生磨粒磨損，這主要取決于配對(duì)件或中間物質(zhì)的硬度如何，金屬、陶瓷或聚合物材料都可能出現(xiàn)劇烈的磨粒磨損。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、建筑機(jī)械和運(yùn)輸機(jī)械中許多機(jī)械零件，常與泥沙、礦石或灰渣等直接摩擦，因而容易發(fā)生不同程度的磨粒磨損。若磨屑不能及時(shí)從它形成的地方由潤(rùn)滑油帶走并過(guò)濾，也會(huì)導(dǎo)致磨粒磨損。機(jī)械零件大約有50%是由于磨粒磨損而損壞。所謂磨料（或稱(chēng)磨粒），廣義地說(shuō)，凡是離散（分離）的硬質(zhì)顆?；虮砻嬗操|(zhì)凸出物（包括硬表面上的微凸體或軟表面上嵌固的硬顆粒）都是磨粒。但研究中更多的是指非金屬礦物和巖石，如二氧化硅，三氧化二鋁等。磨粒磨損根據(jù)表面磨損的破壞形式，大體可以分為下列幾種類(lèi)型：（1）按摩擦表面所受的應(yīng)力和沖擊的大小分為鑿削式磨粒磨損，高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損和低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損，如圖4-11所示。①鑿削式磨粒磨損：圖4-11（a）。這類(lèi)磨損的特征是沖擊力大，磨料以很大的沖擊力切入金屬表面，因此工件受到很高的應(yīng)力，造成表面宏觀(guān)變形，并可以從摩擦表面鑿削下大顆粒的金屬，在被磨損表面有較深的溝槽和壓痕。如挖掘機(jī)的斗齒，礦石破碎機(jī)錘頭等零件表面的磨損即屬于此種磨損形式。②高應(yīng)力碾碎式磨粒磨損：圖4-11（b），這類(lèi)磨損的特點(diǎn)是應(yīng)力高，磨料所受的應(yīng)力超過(guò)磨粒的壓碎強(qiáng)度，當(dāng)磨料夾在兩摩擦表面之間時(shí)，局部產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力，磨料不斷被碾碎。被碾碎的磨料顆粒呈多角形，擦傷金屬，在摩擦表面留下溝槽和凹坑。如礦石粉碎機(jī)的腭板、軋碎機(jī)滾筒等表面的破壞。③低應(yīng)力擦傷式磨粒磨損：圖4-11（c），這種磨損的特征是應(yīng)力低，磨料作用于摩擦表面的應(yīng)力不超過(guò)它本身的壓潰強(qiáng)度。材料表面有擦傷并有微小的切削痕跡，如犁鏵、泥沙泵葉輪等。（2）按摩擦表面的數(shù)目分為兩體磨粒磨損和三體磨粒磨損。（3）按機(jī)件與磨粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況分為①固定磨粒磨損：機(jī)件運(yùn)動(dòng)，磨料固定，如鑿巖機(jī)鉆頭的刃部；②半固定磨粒磨損：機(jī)件運(yùn)動(dòng)、磨料可動(dòng)如犁鏵表面；③自由磨粒磨損：磨料夾在流體中，以流體動(dòng)力狀態(tài)與機(jī)件摩擦，如噴砂槍噴嘴的孔。迄今為止對(duì)于磨料固定時(shí)的磨損規(guī)律研究得較多、而對(duì)后兩種情況研究得較少。（4）按材料和磨料的硬度分為硬磨料磨損和軟磨料磨損。關(guān)于磨粒磨損的機(jī)理，實(shí)際上應(yīng)包括三方面，即機(jī)件材料的磨損機(jī)理、材料本身的磨損機(jī)理和材料與磨料的相互作用。機(jī)件材料大部分是金屬，大多數(shù)磨粒磨損機(jī)理是針對(duì)金屬而言的。磨料與摩擦表面材料的相互作用是十分復(fù)雜的。磨損過(guò)程不但與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且也與它們之間的接觸的運(yùn)動(dòng)形式、接觸應(yīng)力有關(guān)。所提出的材料磨粒磨損的機(jī)理都是對(duì)復(fù)雜磨損過(guò)程的簡(jiǎn)化。主要有以下幾種假說(shuō)。機(jī)件材料磨粒磨損機(jī)理假說(shuō)主要有：（1）以微量切削為主的假說(shuō)；（2）以疲勞破壞為主的假說(shuō)；（3）以壓痕破壞為主的假說(shuō)；（4）斷裂起主要作用的假說(shuō)。前三種假說(shuō)主要是針對(duì)韌性材料的。其機(jī)理是塑性變形起主要作用，并控制磨損過(guò)程的磨損速率。第四種假說(shuō)主要是外脆性材料的，其機(jī)理是具有有限塑性變形的斷裂起主要作用并控制磨損過(guò)程的磨損速率。1．以微量切削為主的假說(shuō)該假說(shuō)認(rèn)為磨粒磨損主要是由于磨料在金屬表面產(chǎn)生微觀(guān)切削作用而造成的。這種假說(shuō)以M·M·赫魯曉夫?yàn)榇怼ＫJ(rèn)為當(dāng)塑性金屬同固定磨料摩擦?xí)r，在金屬表面層內(nèi)發(fā)生兩個(gè)過(guò)程：①塑性擠壓、犁溝擦痕；②切削金屬，形成磨屑。在摩擦過(guò)程中，大部分磨料在金屬表面上只留下兩側(cè)凸起的擦痕（即形成塑性擠壓擦痕的磨料），小部分磨料，也就是那些棱面在有利位置的磨料將切削金屬——形成磨屑。磨屑的形成主要是由于切削磨料的作用，非切削磨料只形成兩側(cè)凸起的擦痕，只有被新的磨料切削時(shí)，才形成磨削。由分析磨屑發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)磨屑呈螺旋狀、環(huán)狀、彎曲狀、與切削加工切屑的形狀極相似，說(shuō)明這種假說(shuō)的正確性。2．以疲勞破壞為主的假說(shuō)該假說(shuō)以克拉蓋里斯基為代表，他認(rèn)為金屬同磨料摩擦?xí)r，主要的磨損原因并不是由磨料切下切屑，而是金屬的同一顯微體積的多次塑性變形（“重復(fù)變形”）結(jié)果發(fā)生金屬疲勞破壞、小顆粒從表層上脫落下來(lái)，但他并不排除同時(shí)存在磨料直接切下金屬的過(guò)程。3．以壓痕破壞為主的假產(chǎn)（擦痕假說(shuō)）R·T·Spurr和T·P·Newcomb用顯微鏡觀(guān)察磨粒磨損過(guò)程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋光的金屬面緊貼于砂紙上時(shí)，個(gè)別磨料壓入表面，移動(dòng)試件時(shí)，壓入試件的磨料就犁耕金屬表面，形成溝槽、使金屬表面受到嚴(yán)重的塑性變形、擦痕兩側(cè)的金屬已經(jīng)受到破壞，其它磨料很容易使期脫落，磨損量的多少與金屬?gòu)椥曰謴?fù)程度有關(guān)。據(jù)此，他們認(rèn)為，磨粒磨損過(guò)程好像鋼球在載荷作用下壓入銅的表面，并在表在上滑動(dòng)?；瑒?dòng)時(shí)會(huì)在表面形成彈性變形和塑性變形4．?dāng)嗔哑鹬饕饔玫募僬f(shuō)當(dāng)磨料壓入和擦劃金屬表面時(shí)，壓痕處的金屬要產(chǎn)生變形。磨料壓入深度達(dá)到臨界深度時(shí)，伴隨壓入而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力足以使裂紋產(chǎn)生。在擦劃過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋有兩種主要類(lèi)型。垂直于表面的中間裂紋和從壓痕的底部向表面擴(kuò)展的橫向裂紋。在這種壓入條件下，當(dāng)橫向裂紋相交或擴(kuò)展到表面時(shí)，材料微粒便發(fā)生脫落、形成磨屑。對(duì)于這種脆性斷裂機(jī)理為主的磨粒磨損，1976年A·G·Evans和R·Wilshaw已建立了這一過(guò)程的模型，三、影響磨粒磨損的主要因素和減小磨損的途徑1．材料的硬度（1）純金屬（及未經(jīng)熱處理的鋼），其抗磨粒磨損的耐磨性、與它們的自然硬度成正比。如圖4-13所示。退火狀態(tài)的工業(yè)純金屬及退火鋼的相對(duì)耐磨性與角錐硬度Hm之間也呈現(xiàn)正比關(guān)系。（2）經(jīng)過(guò)熱處理的鋼，其耐磨性也隨硬度的增加而增加，但比未經(jīng)處理的鋼，增加速度要緩慢一些。（3）鋼中的碳及碳化物形成元素含量越高，則耐磨性也越大。2．顯微組織的影響（1）基體組織：由鐵素體逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、貝氏體、馬氏體時(shí)，耐磨性提高。眾所周知，鐵素體硬度太低，故耐磨性很差。馬氏體與回火馬氏體硬度高，所以耐磨性好。但在相同硬度下，等溫轉(zhuǎn)變下的貝氏體要比回火馬氏體好得多。鋼中的殘余奧氏體也影響抗磨粒磨損能力。在低應(yīng)力磨損下殘余奧氏體數(shù)量較多時(shí)，將降低耐磨性；反之，在高應(yīng)力磨損下，殘余奧氏體因能顯著加工硬化而改善耐磨性。鐵素體的硬度和強(qiáng)度都很低、抵抗磨料壓入的能力差，最不耐磨，珠光體硬度高于鐵素體。對(duì)磨料擦傷的抵抗作用增大，因而耐磨性提高。試驗(yàn)表明，片狀珠光體組織比粒狀珠光體組織有更好的耐磨性，而且隨著珠光體層片間的距離減小，耐磨性增加。馬氏體有高的硬度，因而可以作為許多耐磨合金的基體。馬氏體的耐磨性隨鋼中含碳量的增加而增加。但當(dāng)含碳量超過(guò)1%時(shí)，耐磨性下降。一般認(rèn)為同樣硬度的板條狀馬氏體的耐磨性高于片狀馬氏體。細(xì)的原始晶粒的耐磨性高于粗大原始晶粒的耐磨性。具有貝氏體（或貝氏體-馬氏體）組織的鋼的耐磨性要比有相近硬度的馬氏體組織的耐磨性高。如有關(guān)文獻(xiàn)指出，Y12鋼經(jīng)280~400℃等溫處理得到貝氏體組織（硬度HB388-415）比同一種鋼淬火-回火組織（硬度HRc61）相對(duì)耐磨性高40%。因此，國(guó)內(nèi)外相當(dāng)數(shù)量的承受沖擊載荷的零件，其組織處理成貝氏體。奧氏體的硬度低，但突出的優(yōu)點(diǎn)是韌性好。在高應(yīng)力沖擊載荷作用下不但有很強(qiáng)的硬化能力，而且可發(fā)生馬氏體相變，使磨擦表面硬度大大提高。這種外硬內(nèi)韌的結(jié)構(gòu)能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展。此外，奧氏體與碳化物的結(jié)合優(yōu)于馬氏體，可防止在磨損過(guò)程中碳化物剝落。因此奧氏體高錳鋼在高應(yīng)力磨損條件下具有良好的耐磨性。但在低應(yīng)力條件下，耐磨性就較差。（2）第二相組織：鋼中的碳化物是最重要的第二相。碳化物對(duì)磨粒磨損耐磨性的影響與其硬度及碳化物和基體硬度相對(duì)大小有關(guān)。在軟基體中增加碳化物的數(shù)量、減小尺寸，增加彌散度，均能改善耐磨性。在硬基體中，如碳化物的硬度與基體的硬度相近，則使耐磨性受到損害。馬氏體中分布的M3C型碳化物就是這樣。當(dāng)摩擦條件不變，如碳化物硬度比磨粒低，則提高碳化物的硬度，將增加耐磨性。碳化物的類(lèi)型是影響耐磨性的重要因素。特殊的合金碳化物比普通的滲碳體的耐磨性顯著增加。如在高鉻鑄鐵中Cr7C3比Fe3C硬而耐磨。此外，鋼的耐磨性還與碳化物的形狀和分布有關(guān)。鑄鐵材料含碳量高，碳化物數(shù)量多，因此凡是允許使用鑄鐵的埸合，應(yīng)盡可能使用鑄鐵。鑄鐵是一種脆性材料，在受沖擊載荷大的埸合，采用添加合金元素，改善碳化物形狀、分布，以提高韌性。如鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、錳鑄鐵等。合金元素如鉻、鎢、鈦、硼等，只有在它們形成碳化物的條件下才能顯著提高其耐磨性。因此，為了提高耐磨性、合金鋼、合金鑄鐵中不僅要有足夠鐵合金元素，而且要有足夠的含碳量。3．加工硬化的影響圖4-14表示表面冷作硬化對(duì)低應(yīng)力磨粒磨損試驗(yàn)時(shí)的耐磨性的影響。由圖可見(jiàn)令作硬化后，表層硬度的提高并沒(méi)有使耐性增加，甚至反有下降的趨勢(shì)。所以在低應(yīng)力磨損時(shí)冷作硬化不能提高表面的耐磨性（只要在塑性變形的過(guò)程中組織未發(fā)生變化）。因?yàn)樵谀チＤp過(guò)程中，表面強(qiáng)化達(dá)到了最大限度，即材料磨損實(shí)際上不是由其原始硬度，而是由極限冷作硬化狀態(tài)下的硬度來(lái)表征的。熱處理卻能提高變形冷作硬化的速度及其極限值。雖然熱處理鋼的相對(duì)耐磨性高于在退火狀態(tài)下同樣鋼材的相對(duì)耐磨性，但相對(duì)耐磨性的提高卻落后于硬度的提高。這是因?yàn)闊崽幚礓撚捎跉堄鄳?yīng)力所提高的那部分硬度并不影響耐磨性。只是晶格內(nèi)總的結(jié)合強(qiáng)度的變化才與由熱處理引起的鋼的耐磨性的提高有關(guān)。應(yīng)提出的是，零件實(shí)際使用條件與上述試驗(yàn)條件相近時(shí)，以上結(jié)論才是適用的。但如果零件在更復(fù)雜的條件下工作，如除了磨粒磨損之外，可能還有其它因素起作用，這時(shí)就不能簡(jiǎn)單套用上述結(jié)論。例如表面層的機(jī)械冷作硬化（噴、丸處理、滾壓強(qiáng)化等），是提高零件疲勞強(qiáng)度的方法，由于提高了材料的表面硬度，這對(duì)于以粘著磨損為主的條件下，也能提高磨擦副的相對(duì)耐磨性。以上所述系指冷作硬化對(duì)低應(yīng)力磨粒磨損時(shí)的耐磨性的影響。對(duì)于高應(yīng)力磨粒磨損曾用球磨機(jī)鋼球進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，材料在受高應(yīng)力沖擊負(fù)荷下，表面會(huì)受到加工硬化，加工硬化后的硬度愈高，其磨損抗力愈高。高錳鋼的耐磨性也可說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。此鋼淬火后為軟而韌的奧氏體組織；當(dāng)受低應(yīng)力磨損時(shí)，它的耐磨性不好；而在高應(yīng)力磨損的埸合，它具有特別高的耐磨性。這是由于奧氏體在塑性變形時(shí)其加工硬化率很高，同時(shí)還因轉(zhuǎn)變?yōu)楹苡驳鸟R氏體之故。生產(chǎn)實(shí)踐證明，高錳鋼用作碎石機(jī)錘頭可呈現(xiàn)很好的耐磨性，而用作拖拉機(jī)履帶的其耐磨性卻不大好，就是因?yàn)閮煞N情況下工作應(yīng)力不同所致。4．材料斷裂韌性的影響材料的硬度反映了材料抵抗磨料壓入的能力。它對(duì)耐磨性有很大的影響。然而，根據(jù)斷裂磨損機(jī)理，它還不能完全決定磨損。因?yàn)樗荒艽硪环N材料對(duì)于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的敏感程度。實(shí)踐證明，當(dāng)材料的硬度高，斷裂韌性低或材料斷裂韌性高而硬度低時(shí)，耐磨性都很差，圖4-15表示相對(duì)耐磨性、硬度與斷裂韌性關(guān)系示意圖。。從圖可以看出，隨著材料硬度的提高，斷裂韌性K1c降低。斷裂韌性與耐磨性的關(guān)系有兩條曲線(xiàn)。其最大耐磨性及最大耐磨性相對(duì)應(yīng)的斷裂韌性值隨載荷和磨料粒度的變化而變化。在K1c很小時(shí)，耐磨性隨斷裂韌性的提高而增加，在一定的K1c值時(shí)，耐磨性達(dá)到最大值，其后隨著斷裂韌性的提高耐磨性下降。圖中分三個(gè)區(qū)域。在區(qū)域I，斷裂韌性低。材料的磨損率主要由斷裂磨損機(jī)理控制，提高斷裂韌性，耐磨性增加。提高硬度則耐磨性降低。在區(qū)域II，材料的斷裂韌性高，塑性變形顯微切削機(jī)理起主要作用，用提高硬度的辦法才能提高耐磨性。在區(qū)域III，耐磨性最好，在此區(qū)域，二種機(jī)理同時(shí)起作用，材料的硬度和斷裂韌性配合最佳5．材料彈性模量的影響彈性模量對(duì)磨粒磨損強(qiáng)度有直接的意義。1952年Oberle指出：存在磨料微粒的情況下，如果表面有足夠的彈性變形而允許磨?！霸竭^(guò)”的話(huà)，那就可以避免或減輕表面的破壞。例如在含砂的河流中航行的船舶上，螺旋漿水潤(rùn)滑青銅軸承比具有較高彈性模量的其他材料耐磨；而用橡膠軸承又比青銅軸承更好。因此，重要的參數(shù)是彈性應(yīng)變極限，即屈服應(yīng)力與彈性模量的比值。H/E比值越大，耐磨粒磨損的性能越好。這個(gè)規(guī)律不適用于熱處理鋼，因?yàn)閺椥阅Ａ渴墙Y(jié)構(gòu)上不敏感的特性，它與熱處理規(guī)范幾乎無(wú)關(guān)，然而熱處理對(duì)鋼的耐磨性卻有很大的影響。因此，彈性模量不能作為耐磨性的通用判據(jù)。6．磨料硬度的影響

磨粒磨損取決于磨料硬度Ha和金屬硬度Hm間的相互關(guān)系，可以得到如圖4-16所示的三種不同磨損狀態(tài)：這樣可得出一個(gè)很重要的結(jié)論，為了減少磨粒磨損，金屬的硬度Hm應(yīng)比磨粒的硬度Ha高，大約1.3倍左右。即Hn=1.3Ha時(shí)為最佳，如繼續(xù)提高材料的硬度，則效果不顯著。7．磨料粒度的影響一般金屬的磨損量隨磨粒平均尺寸的增大而增加，到某一臨界值后，磨損量便保持不變，即磨損與磨料的尺寸無(wú)關(guān)。如圖4-17所示。各種材料磨料臨界尺寸是不相同的，磨料的臨界尺寸還與工作零件的結(jié)構(gòu)和精度有關(guān)。對(duì)柴油機(jī)油泵柱塞副的磨損研究，認(rèn)為的機(jī)械雜質(zhì)引起的磨損最大。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損研究，發(fā)現(xiàn)左右的磨粒對(duì)缸套磨損才最嚴(yán)重。如圖4-18所示。所以，防止左右的機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入燃油系統(tǒng)，防止左右的磨粒進(jìn)入缸套摩擦表面是最為重要的。§4-4疲勞磨損

疲勞是指由重復(fù)作用的應(yīng)力循環(huán)引起的一種特殊破壞形式，這種應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力幅不超過(guò)材的彈性極限。如果出現(xiàn)了材料在大小超過(guò)彈性極限的周期性重復(fù)應(yīng)力作用下的破壞現(xiàn)象，則稱(chēng)為低循環(huán)疲勞。在交變載荷下，金屬承受的交變應(yīng)力和斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系，通常用疲勞曲線(xiàn)來(lái)描述。金屬承受的最大交變應(yīng)力（）愈大，則斷裂時(shí)應(yīng)力交變的次數(shù)（N）愈少；反之愈小，則N愈大。如果將所加的應(yīng)力（）和對(duì)應(yīng)的斷裂周次N繪成圖，便得到圖4-19所示的曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)稱(chēng)為疲勞曲線(xiàn)。由圖4-19看出，當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，理論上應(yīng)力交變到無(wú)數(shù)次也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力稱(chēng)為材料的疲勞極限，即曲線(xiàn)水平部份對(duì)應(yīng)的應(yīng)力?！?-4疲勞磨損

兩接觸表面作滾動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合摩擦?xí)r，在交變接觸應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象叫做表面疲勞磨損或接觸疲勞（又稱(chēng)麻點(diǎn)、點(diǎn)蝕）。如滾動(dòng)軸承、齒輪副，凸輪副以及鋼軌和箍都能產(chǎn)生表面疲勞磨損。其磨損形式是在光滑的接觸表面上分布有若干深淺不同的針狀或豆?fàn)畎伎?，或較大面積的表面壓碎。摩擦表面粗糙凸峰周?chē)鷳?yīng)力埸變化引起的微觀(guān)疲勞現(xiàn)象也屬于表面疲勞?！?-4疲勞磨損

一、最大剪應(yīng)力理論接觸應(yīng)力計(jì)算是以材料彈性變形的依據(jù)的所謂赫茲公式求得的。對(duì)于滾動(dòng)摩擦體表面直接接觸是這樣，對(duì)于兩滾動(dòng)摩擦體表面不直接接觸也是這樣。例如設(shè)計(jì)良好的滾動(dòng)軸承也會(huì)發(fā)生疲勞磨損。因?yàn)檫@時(shí)雖然兩表面被潤(rùn)滑油膜隔開(kāi)了，但在滾動(dòng)過(guò)程中兩對(duì)表面所受的應(yīng)力是通過(guò)潤(rùn)滑油膜傳遞的。這種應(yīng)力的性質(zhì)和大小同樣可由赫芝公式求得，且最大壓應(yīng)力同樣出現(xiàn)在零件表面，而最大切應(yīng)力產(chǎn)生于離表面一定距離的下層，如圖4-20所示。由于滾動(dòng)的結(jié)果，此處的材料首先出現(xiàn)屈服而塑變硬化，隨著外載荷的反復(fù)作用，材料塑性耗竭，以致在最大剪應(yīng)力處首先出現(xiàn)裂紋，并沿最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展到表面，最后形成疲勞破壞，以顆粒形式分離出來(lái)，并在摩擦表面留下“痘斑”，稱(chēng)為點(diǎn)蝕?；蛞憎[片狀從表面脫落下來(lái)，稱(chēng)為剝落?！?-4疲勞磨損

§4-4疲勞磨損

沒(méi)有缺陷的材料中，滾動(dòng)接觸損傷的部位，由赫芝公式求得最大交變切應(yīng)力的位置確定（例如在離表面約0.786b處）；如果接觸中還有一定的滑動(dòng)，那么損傷的部位就移近表面。然而，實(shí)際上材料是不可能完整無(wú)缺的。所以最終的損傷部位總是受到雜質(zhì)、疏松、微裂縫以及其它因素的影響。另一種情況是在純滾動(dòng)時(shí)，也是接觸表面切應(yīng)力為零，僅在距接觸表面一定深度處存在著最大切應(yīng)力，該處周期性的承受最大切應(yīng)力作用若干周次后，在其鄰近的材料內(nèi)部可能發(fā)生金相組織變化（如由于積累的變形能轉(zhuǎn)為熱能，導(dǎo)致局部馬氏體變成加火貝氏體），由體積變小導(dǎo)致附加的內(nèi)應(yīng)力，即使得表層下某深度處局部弱化（強(qiáng)度、硬度降低，內(nèi)應(yīng)力升高），則在這里首先形成與接觸表面呈35。~45。傾角的微裂紋，隨即沿組織變化的過(guò)渡區(qū)或沿基體濃度的偏折區(qū)擴(kuò)展到外表面，從而形成錐形麻點(diǎn)坑。它有兩種形狀：純滾動(dòng)接觸時(shí)，則在離表面一定深度處的主應(yīng)力和最大初應(yīng)力分布如圖4-21所示。由于其中最大切應(yīng)力作用的結(jié)果，造成距離表面一定深度處為頂點(diǎn)，其錐面平行于最大切應(yīng)力方向的倒立園錐

形麻點(diǎn)坑。圖4-21（a）。若在滾動(dòng)的同時(shí)還有滑動(dòng)，則在半徑較大的滾動(dòng)體表面沿接觸滾動(dòng)方向?qū)a(chǎn)生附加的正滑移。這時(shí)在距表面較小的深度處的應(yīng)力狀況如圖4-21（b）所示。由于正滑移的加入，將使得最大切應(yīng)力作用面的傾角發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，于是在接觸面上出現(xiàn)錐底呈扇形的倒錐形麻點(diǎn)坑。若在滾動(dòng)的同時(shí)還有滑動(dòng)，則在半徑較大的滾動(dòng)體表面沿接觸滾動(dòng)方向?qū)a(chǎn)生附加的正滑移。這時(shí)在距表面較小的深度處的應(yīng)力狀況如圖4-21（b）所示。由于正滑移的加入，將使得最大切應(yīng)力作用面的傾角發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，于是在接觸面上出現(xiàn)錐底呈扇形的倒錐形麻點(diǎn)坑。但經(jīng)表面強(qiáng)化處理的機(jī)件（如滲碳、淬火），其接觸疲勞裂紋往往并不起源于最大切應(yīng)力處，而是產(chǎn)生在表面硬化層與心部交界的過(guò)渡區(qū)，只要當(dāng)該處的剪應(yīng)力與材料的剪切強(qiáng)度之比大于某值（如0.55）時(shí)，就易在接觸表面產(chǎn)生表層壓碎現(xiàn)象或形成起始裂紋。裂紋的發(fā)展一般先平行于表面擴(kuò)展一段后，再垂直或傾斜接觸表面向外發(fā)展。先是小的麻點(diǎn)剝落。之后，很快大塊剝落，形成表面層壓碎的現(xiàn)象。這類(lèi)剝落深度大，剝落塊也大。當(dāng)硬化層深度不合理、心部強(qiáng)度太低，過(guò)渡區(qū)存在不利的殘余內(nèi)應(yīng)力時(shí)，容易在硬化層與心部過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生裂紋。滾動(dòng)接觸疲勞磨損的特點(diǎn)、在于負(fù)荷給定下到達(dá)臨界轉(zhuǎn)速后，由于疲勞剝落產(chǎn)生大量的磨屑，在臨界轉(zhuǎn)速以前，磨損很小，且滾動(dòng)軸承能正常地工作相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。這與滑動(dòng)軸承形成顯明的對(duì)照。在滑動(dòng)軸承中，由于粘著（或磨料）磨損，從磨合階段一開(kāi)始就引起摩擦表面逐漸損耗。由此可見(jiàn)，在滾動(dòng)摩擦中，與使用壽命最密切的是給定速度下的工作時(shí)間。所以廠(chǎng)家規(guī)定滾動(dòng)軸承的使用壽命是轉(zhuǎn)數(shù)。大量滾動(dòng)軸承的試驗(yàn)表明，壽命N與所加負(fù)荷W的三次方成反比，即在純滾動(dòng)中，對(duì)球體而言，最大剪切應(yīng)力的位置從表面算起與成正比（R為球的半徑）；對(duì)園柱體而言，則與成正比，例如一個(gè)直徑為1cm的球，承受1000Mpa的負(fù)荷，最大剪切應(yīng)力發(fā)生在離球表面0.2mm處。當(dāng)兩滑動(dòng)表面通過(guò)微凸體接觸時(shí)，一般說(shuō)來(lái)，主要是粘著磨損或磨粒磨損。然而，不難想象，由于滑動(dòng)接觸中存在表面膜，微凸體接觸時(shí)可能不發(fā)生粘著而沿分界面彼此通過(guò)，當(dāng)這樣的接觸達(dá)到臨界次數(shù)以后，微凸體就會(huì)由于疲勞破壞而剝落成為磨屑，即發(fā)生表面疲勞磨損。當(dāng)然，在某種給定情況下，要保持滑動(dòng)摩擦中磨損形式主要是疲勞磨損，那是有條件的，例如，零件在正常穩(wěn)定磨損期根據(jù)剝層磨損理論就可能出現(xiàn)這樣情況。實(shí)際上，兩個(gè)比較硬的摩擦表面磨損的產(chǎn)生，按照粘著理論是不好理解的。但是，如果假設(shè)磨損如上述是疲勞過(guò)程，那就迎刃而解了，因?yàn)槊總€(gè)相接觸的微凸體，經(jīng)過(guò)足夠次數(shù)的接觸和變形便產(chǎn)生疲勞剝落而形成磨損顆粒，這就解釋了松散顆粒形成的過(guò)程。只是這樣疲勞磨損機(jī)理卻無(wú)法象粘著磨損理論那樣解釋金屬轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。二、油楔理論固體內(nèi)部的分子由于吸引力的作用，它們相互連接在一起，并按一定的規(guī)律排列，處于平衡狀態(tài)。但在經(jīng)過(guò)切削加工的表面上，結(jié)晶結(jié)構(gòu)變成不完整，存在缺陷。分子間的結(jié)合力便減小；同時(shí)由于切削加工，表面都存在著微觀(guān)的缺陷和微觀(guān)的起伏，容易形成應(yīng)力集中。又由于在表面存在活性介質(zhì)的吸附作用，介質(zhì)楔擠表面結(jié)晶的縫隙，不僅使分子間的結(jié)合力降低，而且使原原有的裂縫加大；此外，金屬經(jīng)過(guò)冷加工以后，表面都有殘余應(yīng)力，如果殘余應(yīng)力的方向與外載荷引起的應(yīng)力方向相同，也會(huì)降低表面強(qiáng)度。由于以上各種原因，可知表面的強(qiáng)度一般低于內(nèi)部，所以疲勞裂縫容易產(chǎn)生于表面。同時(shí)在兩個(gè)接觸面之間，由于法向力和摩擦力（切向力）的綜合作用使得接觸應(yīng)力加大，如果在滾動(dòng)過(guò)程中還存在滑動(dòng)摩擦，則實(shí)際最大剪應(yīng)力十分接近表面，而且摩擦系數(shù)與滑動(dòng)成分愈大愈接近表面。因此，疲勞裂紋最易產(chǎn)生于表面。對(duì)滾動(dòng)疲勞磨損現(xiàn)象作了不同解釋。在滾動(dòng)接觸過(guò)程中，由于處界載荷的反復(fù)作用，表面層的應(yīng)力及摩擦力，引起表層的塑性變形，導(dǎo)致表層硬化，隨著作用時(shí)間的增加，表面一些地方產(chǎn)生塑性耗竭，最后與表面呈小于45。角的方向上開(kāi)始出現(xiàn)初始微裂紋。該微裂紋與接觸表面間的傾角愈小。已形成的微裂紋內(nèi)表面，由于毛細(xì)管作用吸附潤(rùn)滑油，使得裂紋的尖端處形成油楔。見(jiàn)圖4-22。若滾動(dòng)方向與裂口方向一致，則當(dāng)滾動(dòng)體接觸到裂紋裂口處，將把裂口封住，裂紋中的潤(rùn)滑油不能往外跑，從而使裂紋的兩內(nèi)壁承受巨大的擠壓力，于是迫使裂紋與表面約呈30。~45。傾角向內(nèi)擴(kuò)張。此過(guò)程經(jīng)歷若干周次，裂紋由表面向內(nèi)層擴(kuò)展到一定深度，起始裂紋口也張大到一定寬度，那么裂紋上部的金屬象一個(gè)懸臂梁承受變彎曲。在隨后的加載運(yùn)轉(zhuǎn)若干周次就會(huì)突然折斷。使這里的金屬剝離，最后在接觸表面留下一個(gè)深淺不等到麻點(diǎn)剝落凹坑。一般剝落深度為0.1~0.2mm?？傊瑢?duì)于滾動(dòng)接觸的理想材料，其破壞位置取決于用赫芝方程求得的最大交變剪應(yīng)力的位置。對(duì)于滾動(dòng)兼滑動(dòng)的接觸，則破壞位置向表面。材料并不是理想的，其破壞的確切位置會(huì)受到材料內(nèi)存在雜質(zhì)，孔隙、微觀(guān)裂紋和其它因素的影響。三、微觀(guān)點(diǎn)蝕磨損理論裂紋產(chǎn)生的位置，實(shí)際上較之最大剪應(yīng)力理論確定的位置更靠近表面。1977年，K·Berthe等人提出“微觀(guān)點(diǎn)蝕”這一概念，他們認(rèn)為，最大剪應(yīng)力理論是用宏觀(guān)的赫芝接觸應(yīng)力來(lái)分析的，這種分析以接觸區(qū)表面理想光滑，應(yīng)力成橢圓分布的前提的，如圖4-23所示“光滑表面應(yīng)力分布線(xiàn)”。這樣所決定的點(diǎn)蝕應(yīng)稱(chēng)為宏觀(guān)點(diǎn)蝕。但是，真實(shí)表面是粗糙的，接觸發(fā)生在微凸體的峰處，即表面粗糙度使赫芝接觸應(yīng)力分布發(fā)生調(diào)幅現(xiàn)象，如圖4-23中所示“粗糙表面應(yīng)力分布線(xiàn)”。微凸體每個(gè)峰點(diǎn)進(jìn)入接觸都產(chǎn)生一個(gè)微觀(guān)應(yīng)力分布，其峰點(diǎn)上接觸應(yīng)力為：（4-13）式中，E為摩擦副材料的復(fù)合彈性模量；是峰點(diǎn)高度；為油膜厚度；為峰頂曲率半徑?？梢?jiàn)，這時(shí)的點(diǎn)蝕與實(shí)際粗糙峰點(diǎn)形狀與大小、材料性質(zhì)、載荷大小以及潤(rùn)滑條件有關(guān)。這種由接觸表面峰點(diǎn)作用所引起的點(diǎn)蝕稱(chēng)為微觀(guān)點(diǎn)蝕。微觀(guān)點(diǎn)蝕和宏觀(guān)點(diǎn)蝕雖然都是與最大剪應(yīng)力的區(qū)域相對(duì)應(yīng)，但微觀(guān)點(diǎn)蝕的最大正交剪應(yīng)力更接近表面，且裂紋深度比宏觀(guān)點(diǎn)蝕淺得多（約淺20倍）。D·Berthe等人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，已產(chǎn)生的微觀(guān)點(diǎn)蝕可以誘發(fā)二次裂紋，二次裂紋擴(kuò)展可以形成宏觀(guān)點(diǎn)蝕。這是宏觀(guān)點(diǎn)蝕形成的一種機(jī)理。對(duì)用赫芝理論來(lái)解釋點(diǎn)蝕產(chǎn)生的觀(guān)點(diǎn)作了很大修正。四、剝層磨損理論美國(guó)麻省理工學(xué)院N·P·Suh教授等人，在1973年提出了剝層磨損理論。它主要包含四個(gè)過(guò)程：即表層變形、裂紋形核、裂紋擴(kuò)展和磨屑形成。（1）表層變形：零件經(jīng)過(guò)磨合后，硬表面上的微凸體施加于軟表面上的切應(yīng)力（牽引力）引起塑性剪切變形（無(wú)明顯粘著轉(zhuǎn)移）并且變形隨載荷重復(fù)作用而累積起來(lái)。變形中，無(wú)疑高的微凸體首先變形，并覆蓋了較低的微凸體。在進(jìn)一步的變形下，較低的微凸體也發(fā)生形變，最后，形成了變形微凸體的層狀結(jié)構(gòu)。不言而喻，它們是高度地拉伸了的微凸體的新鮮表面覆蓋于另一個(gè)高度變了形的微凸體，且它們之間形成了化學(xué)鍵結(jié)合。磨屑形成的方式有二：一是上述彼此堆積在變了形的微凸體上層狀薄片，由于機(jī)械斷裂或結(jié)合鍵破壞而剝離成磨屑，其剝離的磨屑片層數(shù)（厚度）取決于這些層的材料韌性和鍵合性質(zhì)；二是，如果表面僅僅是由于亞表面形核、裂紋擴(kuò)展與交連而被剝離，則變形微凸體將受到嚴(yán)重的拉伸，磨屑每一層的厚度可能非常?。ù蠹s），因每一層都有不同的結(jié)晶學(xué)方向。對(duì)于韌性較差的金屬而言，例如含有雜質(zhì)或溶質(zhì)合金元素的固溶體，當(dāng)表面微凸體變形時(shí)，它們只發(fā)生機(jī)械斷裂而不會(huì)形成層狀組織的磨屑。（2）裂紋形核：硬表面上的微凸體對(duì)軟表面塑性剪切變形，特別是反復(fù)作用時(shí)，裂紋便在表面下形核。其原因，一是由于產(chǎn)生塑性變形，在金屬表層將出現(xiàn)大量位錯(cuò)，但在最表層的位錯(cuò)（深度約幾十個(gè)毫微米），由于映象力的作用而消失，所以靠近表面的位錯(cuò)密度常常小于內(nèi)部（亞表面）的位錯(cuò)密度，因而表層金屬能夠經(jīng)受更大的塑性變形。最表層位錯(cuò)密度區(qū)的厚度決定于金屬的表面能和作用在位錯(cuò)上拉應(yīng)力的大小。一般，面心立方金屬的低位錯(cuò)密度層要比體心立方金屬的厚。當(dāng)滑動(dòng)摩擦繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，在軟表面下的有限距離內(nèi)將出現(xiàn)位錯(cuò)塞積直至產(chǎn)生屈服，且變形隨重復(fù)載荷作用而累積起來(lái)，當(dāng)該處塑性耗盡時(shí)，便產(chǎn)生空穴或微裂紋，（如圖4-24a所示）；二是亞表面中的夾雜物及第二相硬質(zhì)點(diǎn)周?chē)鷳?yīng)變集中產(chǎn)生殘余應(yīng)力引起的累積應(yīng)力與所加載荷引起的應(yīng)力疊加，也會(huì)使該處產(chǎn)生裂紋形核；三是若原來(lái)表面下已存在空穴，自然更容易引起裂紋形核?？傊?，裂紋形核基本上都在表面下一定深度處，即出現(xiàn)在亞表面，因?yàn)殡x表面很近的地方正好是三維高壓縮應(yīng)力區(qū)，這對(duì)于裂紋形核是不利的。隨著法向載荷和切向載荷的增加，裂紋便在更深處形核，而且裂紋形核區(qū)的大小也將隨著所加載荷的增加而增加，不言而喻，這種情況下產(chǎn)生的磨屑厚度和大小也必然粗大。3）裂紋擴(kuò)展：裂紋一旦出現(xiàn)，在以后的載荷和變形作用下便引起裂紋延伸與擴(kuò)展，并和鄰近裂紋相交連。運(yùn)動(dòng)著的硬微凸體的前方（較軟）基體表層，處于彈性或塑性狀態(tài)，承受壓應(yīng)力；而微凸體后方的基體表層處于彈性狀態(tài)，承受拉應(yīng)力（見(jiàn)圖4-24b）。由于滑動(dòng)微凸體的前方基體表面及亞表面均在壓縮和剪切作用下，所以不僅表面上的缺陷很容易閉保，而且在壓縮區(qū)中的亞表面裂紋也傾向于閉合。于是，表面附近的裂紋將因機(jī)械作用連鎖在一起而能夠傳遞切應(yīng)力，并意味著此區(qū)域即使出現(xiàn)了微裂紋也會(huì)受到遏制。然而在微凸體后方基體亞表面中出現(xiàn)的裂紋由于受到最大切應(yīng)力作用，且處于拉伸區(qū)，因而這里的裂紋容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋尖端的張開(kāi)（因裂紋尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子最大），并決定著裂紋擴(kuò)展速率。由于裂紋形核所需的循環(huán)次數(shù)比裂紋擴(kuò)展所需要的次數(shù)少很多，因而當(dāng)比較硬的金屬在外載荷作用下不發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形時(shí)，裂紋形核速率便可能成為決定性過(guò)程。固溶體的磨損率隨溶質(zhì)（合金元素）含量的增加而減?。ㄖ灰苜|(zhì)不在晶界處偏析而降低其韌性），這是由于單相金屬硬度的增加減少了塑性變形速率和摩擦系數(shù)之故，從而至使裂紋在較淺的深度處擴(kuò)展，且擴(kuò)展速率較低。在金屬氧化磨損中，氧化物粒子和（如銅）基體之間的結(jié)合很弱，粒子基體界面之間相當(dāng)于預(yù)先存在的裂紋，雖然硬度隨著（銅）基體中氧化粒子的體積百分?jǐn)?shù)增加，但同時(shí)意味著預(yù)先存在的裂紋數(shù)目也增加，并且一條裂紋為了其它裂紋相交所需的擴(kuò)展路程也減小，故磨損率也增加，這意味著裂紋的擴(kuò)展速率決定著金屬的磨損率。由上述可知，當(dāng)摩擦系數(shù)足夠大時(shí)，滑動(dòng)微凸體后方基體表層中產(chǎn)生明顯的拉伸區(qū)時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率便成為穩(wěn)態(tài)滑動(dòng)磨損速率的控制機(jī)理；當(dāng)摩擦系數(shù)很小時(shí)，平行于表面的裂紋形核速率便成為磨損速率的控制因素。（4）磨屑的剝落：當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定臨界長(zhǎng)度時(shí)，裂紋與表面之間的材料由于切應(yīng)變而以薄片的形式剝落下來(lái)。一旦這些片狀磨屑變得松散時(shí)，由于在這些薄片磨屑中存在有殘余應(yīng)力，其中一些可能變成彎曲形狀，而長(zhǎng)薄片磨屑則會(huì)呈現(xiàn)出螺旋形狀或蜷曲狀。片狀磨屑的殘余應(yīng)力，主要是由于碎片截面的各部位上位錯(cuò)分布不一致而產(chǎn)生的?？梢灶A(yù)料，夾在兩摩擦表面之間的這些磨屑也可能被碾成球狀或更小的碎片。這與材料的性質(zhì)及滑動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。這里還是指出一點(diǎn)，即從表面剝落成磨屑時(shí)，其剝離方向與微凸體運(yùn)動(dòng)方向是相反的，這個(gè)方向與變形微凸體（塑變的高微凸體覆蓋低的微凸體）機(jī)械斷裂所形成的類(lèi)似扁平的磨屑的方向相反。由此，可以把亞表面裂紋擴(kuò)展所形成的磨屑與變形微凸體所形成的剪切混合層磨屑區(qū)別開(kāi)來(lái)。五、影響疲勞磨損的主要因素

1．材料冶金質(zhì)量的影響鋼在冶煉時(shí)總存在非金屬夾雜物等冶金缺陷，對(duì)機(jī)件（尤其是軸承）的接觸疲勞壽命影響很大。軸承鋼里的非金屬夾雜物有塑性的（如磁化物）、脆性的（如氧化鋁、硅酸鹽、氧化物等）和球狀的（如硅鈣酸鹽、鐵錳酸鹽）三類(lèi)。破壞了基體的連續(xù)性，其中以脆性的還有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜物對(duì)接觸疲勞壽命危害最大。由于它們跟基體交界處的彈性變形不協(xié)調(diào)，引起應(yīng)力集中，超過(guò)基體彈性極限、塑性變型較大，導(dǎo)致材料硬化。則在脆性?shī)A雜物的邊緣部分最易造成微裂紋，降低接觸疲勞壽命。而塑性的硫化物夾雜易隨基體一起塑變。當(dāng)硫化物夾雜把氧化物夾雜包住形成共生夾雜物時(shí)，又可降低氧化物夾雜的壞作用。因此一般認(rèn)為，鋼中適當(dāng)?shù)牧蚧飱A雜對(duì)提高接觸疲勞壽命凈化處理。2．熱處理組織結(jié)構(gòu)的影響（1）馬氏體含碳量：承受接觸應(yīng)力的機(jī)件、多采用高碳鋼淬炎或滲碳鋼表面滲碳強(qiáng)化。以使表面獲得最佳硬度。對(duì)于軸承鋼而言，在未溶碳化物狀態(tài)相同的條件下，當(dāng)馬氏體含碳量在0.4%—0.5%左右時(shí)，接觸疲勞壽命最高。而軸承鋼中未溶碳化物的總含量應(yīng)該控制在6.5%以?xún)?nèi)，否則易形成粗大晶粒及帶狀組織等缺陷。造成鋼中基體碳含量不均勻，使鋼中馬氏體基體在強(qiáng)度上產(chǎn)生差異，降低抗疲勞磨損的能力。（2）馬氏體及殘余奧氏體級(jí)別：滲碳鋼滲火、因工藝不同可以得到不同級(jí)別的馬氏體和殘余奧氏體。若殘余奧氏體量越多和馬氏體針狀愈粗大，則表層有益的殘余壓應(yīng)力和滲碳層強(qiáng)度就愈低，容易產(chǎn)生顯微裂紋，從而降低材料的接觸疲勞壽命。（3）未溶碳化物顆粒形態(tài)或帶狀碳化物：對(duì)于鋼中馬氏體含碳0.5%的高碳鋼（軸承鋼），雖然馬氏體基體中平均固溶碳0.5%，但在與未溶碳化物交界處的馬氏體里含碳量高于平均含碳量。此外該未溶碳化物與基體很難一起塑變，因此，凡未溶碳化物顆粒愈粗大，則會(huì)使得馬氏體基體里的含碳量就有較大的濃度差。跟碳化物接壤的邊界處最易成為接觸疲勞微裂紋生源地。因此，通常通過(guò)熱處理，使未溶碳化物顆粒趨于小、少、勻、園為好。假若未溶碳化物呈帶狀分布的話(huà)，則在富碳的碳化物帶內(nèi)易生成脆性較大的針狀馬氏體。最易成為接觸疲勞微裂紋的發(fā)源地。所以，必須避免碳化物的帶狀分布。3．表面層狀態(tài)對(duì)疲勞磨損的影響（1）表面硬度：由于壓入高低，可部分反映材料塑變抗力和剪斷抗力的大小。因此一定范圍內(nèi)，接觸疲勞抗力和剪斷硬度的升高增大，但并不永遠(yuǎn)保持正比關(guān)系。對(duì)軸承鋼而言，當(dāng)表面的硬度為HRc62左右時(shí)，軸承的平均使用壽命最高。如圖4-25所示。對(duì)齒輪而言，隨著表面硬度的增高，則在產(chǎn)生麻點(diǎn)前的嚙合次數(shù)也愈多，如圖4-26所示。然而對(duì)于受沖擊接觸受疲勞的零件，經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后其HRc58-60時(shí)，沖擊接觸疲勞壽命最佳。如圖4-27所示。圖4-26齒輪嚙俁次數(shù)與硬度的關(guān)系圖4-27沖擊接觸疲勞壽命與硬度的關(guān)系（2）心部硬度（強(qiáng)度）：承受接觸應(yīng)力的零件，必須適當(dāng)?shù)男牟坑捕?。若心部硬度太低，則表心的硬度梯度太陡。使得硬化層的過(guò)渡區(qū)常因“剪切應(yīng)力/剪切強(qiáng)度”達(dá)0.55值而產(chǎn)生表層壓碎現(xiàn)象。實(shí)踐表明：心部硬度在HRc35-40范圍內(nèi)較適宜。（3）硬化層深度：為防止表層的早期麻點(diǎn)剝落或壓碎，則需要有一定的硬化層深度。就齒輪而言，最佳硬化層深度（t）推薦值如下：（4）硬度匹配：硬度匹配直接影響接觸疲勞壽命。如將ZQ—400型減速器大小齒輪分別進(jìn)行調(diào)質(zhì)/淬火，它比原來(lái)的正火/調(diào)質(zhì)齒輪副在相同工作條件下壽命提高一倍以上，因?yàn)榇簖X輪系ZG55（模數(shù)12），調(diào)質(zhì)成HB241-262，小齒輪系45鋼，先調(diào)質(zhì)成HB241-262，齒部感應(yīng)加熱淬火成HRC40-46，使得小齒輪與大齒輪的硬主比保持1.4-1.7的匹配關(guān)系，即較硬的小齒輪對(duì)較軟的大齒輪面有冷作硬化效果，改善嚙合條件，提高接觸精度，如此的硬度匹配能提高承載能力30-50%，使小齒不易出現(xiàn)麻點(diǎn)，達(dá)到大小齒輪使用壽命等長(zhǎng)的效果。（5）殘余內(nèi)應(yīng)力：對(duì)于表面硬化鋼（如滲碳齒輪）而言，在淬火冷卻時(shí)，由于表層的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度比心部低。因此，心部先產(chǎn)生體積膨脹的低碳馬氏體，其膨脹可被外層塑性較好的過(guò)冷奧氏體所調(diào)節(jié)，隨后當(dāng)表面轉(zhuǎn)變成體積膨脹的高碳馬氏體時(shí)，必然會(huì)受到心部的陰礙。因此，在滲碳層總深約50-60%處產(chǎn)生最大的表面殘余壓應(yīng)力。再稍往里一點(diǎn)，就使壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移，有可能造成如前所述的表層壓碎現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)表層在一這深度范圍內(nèi)存在有利的殘余壓應(yīng)力的話(huà)，不僅可提高彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞抗力，并能提高接觸疲勞抗力。4．表面粗糙度的影響以滾動(dòng)軸承為例，粗糙度為的軸承壽命比的高2-3倍，比的高一倍，比高0.4倍，以上對(duì)壽命影響基甚小。生產(chǎn)實(shí)踐表明：表面硬度愈高的軸承，齒輪等。往往必須經(jīng)精磨，拋光等工序以降你表面粗糙度。若再輔以適當(dāng)表面機(jī)械強(qiáng)化手段獲得綜合強(qiáng)化效果的話(huà)，可更進(jìn)一步提高接觸疲勞壽命。表4-2為表面粗糙度，接觸應(yīng)力與疲勞磨損間的相互關(guān)系。不管粗糙度怎樣低，接觸應(yīng)轎一定值的范圍內(nèi)，疲勞磨損壽命最高，超過(guò)此值壽命均低。零件表面硬度越高，要求粗糙度越低，否則也會(huì)降低壽命。5．潤(rùn)滑的影響凡是潤(rùn)滑油的粘度高則潤(rùn)滑油的極性群的比數(shù)加多，接觸部份的壓力愈接近平均分布，相對(duì)地降低了最大接觸應(yīng)力，因而抗疲勞磨損的能力就愈高，油的粘度愈低，愈易滲入裂紋中，加速裂紋擴(kuò)展，降低了壽命。潤(rùn)滑油中含水量過(guò)多（腐蝕作用）對(duì)疲勞磨損有較大影響，必須嚴(yán)格控制含水量。潤(rùn)滑油中適當(dāng)加入某些添加劑（如MoS2）或硫化潤(rùn)滑脂，則因在接觸表面層形成一堅(jiān)固薄膜。能提高抗疲勞磨損性能。實(shí)踐證明，若采用透平油潤(rùn)滑，則比起變壓器油或機(jī)油減輕麻點(diǎn)的效果好?！?-5腐蝕磨損

磨擦?xí)r材料與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)相互作用的磨損叫做腐蝕磨損?？梢哉J(rèn)為，腐蝕磨損時(shí)材料的磨擦表面破壞是由于同時(shí)發(fā)生了兩個(gè)過(guò)程，即腐蝕和機(jī)械磨損。機(jī)構(gòu)磨損可能是由于兩個(gè)相配合表面的滑動(dòng)磨擦引起的，也可能是在氣蝕和非氣蝕條件下因有硬顆粒介質(zhì)流的作用。而腐蝕配合表面破壞是由于材料與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)的相互作用過(guò)程引起的。在金屬與氣體（特別在高溫時(shí)）和非電傳導(dǎo)液體介質(zhì)的接觸條件下，則發(fā)生化學(xué)腐蝕。這時(shí)金屬與介質(zhì)直接相互作用而不伴隨產(chǎn)生電流。在金屬與電介質(zhì)（酸、鹽水溶液等）相接觸時(shí)，則發(fā)生電化學(xué)腐蝕。這時(shí)介質(zhì)和金屬的相互作用可分為兩個(gè)獨(dú)立而又相互聯(lián)系的過(guò)程，即金屬某一部份溶解的氧化過(guò)程和還原過(guò)程，同時(shí)金屬的溶解過(guò)程伴隨著出現(xiàn)電流。由于介質(zhì)的性質(zhì)，介質(zhì)作用在磨擦面上的狀態(tài)及磨擦材料性質(zhì)的不同，腐蝕磨損出現(xiàn)的狀態(tài)也不同。常見(jiàn)的有氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損。一、氧化磨損因大氣中含有氧，所以氧化磨損是最常見(jiàn)的一種磨損型式，其損壞特征是金屬的磨擦表面沿滑動(dòng)方向呈勻細(xì)磨痕。鋼鐵氧化生成了Fe2O3（紅褐色片狀），F(xiàn)e3O4（黑色絲狀）和FeO。鋁合金也容易氧化。除金，鉑等少數(shù)金屬以外，大多數(shù)金屬表面都被氧化膜覆蓋，純凈金屬表面，在瞬間立即與空氣中的氧起反應(yīng)。生成氧化膜。脆性氧化膜的磨損速度大于氧化速度，容易磨損。而韌性氧化膜與基體結(jié)合牢固，磨損速度小于氧化速度，氧化膜起保護(hù)作用，磨損率小。氧化鐵屬脆性，磨損快；氧化鋁屬韌性，磨損慢。影響氧化磨損的因素有滑動(dòng)速度，接觸載荷、氧化膜的硬度，介質(zhì)的含氧量，潤(rùn)滑條件及材料性能等因素。一般說(shuō)來(lái)，氧化磨損率比其它磨損輕微得多。當(dāng)壓力一定，在滑動(dòng)速度很小時(shí)，磨擦表面被紅色Fe2O3覆蓋，磨損量小，屬于氧化磨損；在滑動(dòng)速度增高時(shí)，由于磨擦熱的影響，將由氧化磨損變?yōu)檎持p，產(chǎn)生的磨屑較大，磨擦表面粗糙，磨損量劇增；若速度再增高，表面被黑色粉末Fe3O4所覆蓋，又屬于氧化磨損，磨損量也較小，速度再進(jìn)一步增大時(shí)，則又出現(xiàn)粘著磨損，磨損量劇增。磨損與氧化膜硬度Ho，基體金屬硬度Hm有關(guān)。若Ho>Hm時(shí)，在小載荷下氧化膜容易破碎。當(dāng)Ho≈Hm時(shí)，因載荷而引起小變形時(shí)，兩者同時(shí)變形。若變形量大，則氧化膜容易破碎。若Ho與Hm都有很高，如，載荷引起注變形，氧化膜不易破碎，耐磨性好。介質(zhì)含氧量會(huì)直接影響磨損率。金屬在還原性氣體，惰性氣體、純氧介質(zhì)中，其磨損值都比在空氣中大。這是因?yàn)榭諝庵兴纬傻难趸?qiáng)度高，與基體金屬結(jié)合牢固的緣故。用油脂潤(rùn)滑時(shí)，油脂除了起減磨作用外，又隔絕了磨擦表面與空氣中氧的直接接觸，使氧化膜的生成速度減緩，但油脂與氧的反應(yīng)，生成酸性氧化物，會(huì)腐蝕磨擦面。生產(chǎn)中有時(shí)利用危害性小的腐蝕磨損以防止危害性大的粘著磨損。如汽車(chē)后橋中采用雙曲線(xiàn)齒輪傳動(dòng)，由于雙曲線(xiàn)齒輪副接觸應(yīng)