摩擦學(xué)原理第4章

第四章磨損理論及其控制主講：高誠(chéng)輝內(nèi)容目錄一、概述二、磨損基本形式及其影響因素三、磨損的轉(zhuǎn)化與復(fù)合四、磨損理論與磨損計(jì)算一、概述1.磨損研究的重要性2.磨損研究的進(jìn)展3.磨損的定義4.磨損的分類5.磨損的評(píng)定6.磨損的動(dòng)態(tài)過(guò)程1.磨損研究的重要性兩個(gè)相互接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面發(fā)生摩擦，就有磨損發(fā)生。各種機(jī)器都是由許多零件組成的，在其相互活動(dòng)接連的地方(如齒輪與齒輪、軸與軸承、活塞環(huán)與缸套之間)以及機(jī)器在工作環(huán)境中和外界介質(zhì)接觸時(shí)(如犁鏵耕地、采煤機(jī)開采煤礦等)，總不免要產(chǎn)生摩擦與磨損。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/3到1/2消耗于摩擦與磨損；約80%的機(jī)器零件失效是由于磨損引起的。所以磨損是機(jī)器最常見、最大量的一種失效方式。據(jù)調(diào)查，聯(lián)邦德國(guó)在1974年鋼鐵工業(yè)中約有30億馬克花費(fèi)在維修上，其中直接由于磨損造成的損失占47%，停機(jī)修理所造成的損失與磨損直接造成的損失相當(dāng)，如果再加上后續(xù)工序的影響，其經(jīng)濟(jì)損失還需加上10%一20%。1.磨損研究的重要性與摩擦相比，磨損要復(fù)雜得多。直到目前磨損的機(jī)理還不十分清楚，也沒有一條簡(jiǎn)明的定量定律。對(duì)大多數(shù)機(jī)器來(lái)說(shuō)，磨損比摩擦顯得更為重要，實(shí)際上人們對(duì)磨損的理解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如摩擦。對(duì)機(jī)器磨損的預(yù)測(cè)能力也很差。對(duì)于大多數(shù)不同系統(tǒng)的材料，在空氣中的摩擦系數(shù)大小相差不超過(guò)20倍，而磨損率之差卻很大，如聚乙烯對(duì)鋼的磨損和鋼對(duì)鋼的磨損之比可相差105倍。磨損似乎比摩擦具有更大的復(fù)雜性和敏感性。在具體的工作條件下，影響因素是十分復(fù)雜的，它包括工作條件、環(huán)境因素、介質(zhì)因素和潤(rùn)滑條件以及零件材料的成分、組織和工作表面的物理、化學(xué)；機(jī)械性能等，了解影響因素有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損的控制。2.磨損研究的進(jìn)展磨損的研究工作開展得較遲，本世紀(jì)50年代初期在工業(yè)發(fā)展國(guó)家開始研究“粘著磨損”理論，探討磨損機(jī)理。1953年美國(guó)的J.F.Archard

提出了簡(jiǎn)單的磨損計(jì)算公式，1957年蘇聯(lián)的克拉蓋爾斯基提出了固體疲勞理論和計(jì)算方法，1973年美國(guó)的N.P.Suh提出了磨損剝層理論。

20世紀(jì)60年代后，由于電子顯微鏡、光譜儀、能譜儀、俄歇譜儀以及電子衍射儀等測(cè)試儀器和放射性同位素示蹤技術(shù)、鐵譜技術(shù)等大量和綜合的應(yīng)用，使得磨損研究在磨損力學(xué)、機(jī)理、失效分析、監(jiān)測(cè)及維修等方面有了較快的發(fā)展。把磨損試驗(yàn)機(jī)直接裝在電子顯微鏡內(nèi)進(jìn)行觀察和電視錄像，了解磨損的動(dòng)態(tài)過(guò)程；研究磨損的表面，次表面及磨屑形貌、成分、組織和性能的變化，以搞清磨損機(jī)理，分析和監(jiān)測(cè)磨損過(guò)程，從而尋求提高機(jī)器壽命的可能途徑。3.磨損的定義

磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表層材料不斷發(fā)生損耗的過(guò)程或者產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象。定義說(shuō)明①磨損并不局限于機(jī)械作用，由于伴同化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕磨損；由于界面放電作用而引起物質(zhì)轉(zhuǎn)移的電火花磨損；以及由于伴同熱效應(yīng)而造成的熱磨損等現(xiàn)象都在磨損的范圍之內(nèi)；定義說(shuō)明

②定義強(qiáng)調(diào)磨損是相對(duì)運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，因而，橡膠表面老化、材料腐蝕等非相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的現(xiàn)象不屬于磨損研究的范疇；③磨損發(fā)生在物體工作表面材料上，其它非界面材料的損失或破壞，不包括在磨損范圍之內(nèi)；④磨損是不斷損失或破壞的現(xiàn)象，損失包括直接耗失材料和材料的轉(zhuǎn)移(材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面上去)，破壞包括產(chǎn)生殘余變形，失去表面精度和光澤等。不斷損失或破壞則說(shuō)明磨損過(guò)程是連續(xù)的、有規(guī)律的，而不是偶然的幾次。4.磨損的分類

（1）按表面作用分類蘇聯(lián)學(xué)者Хрушов

(1953年)根據(jù)摩擦表面的作用將磨損分為以下三大類，認(rèn)為磨粒磨損是最普遍的磨損形式：機(jī)械類：由摩擦表面的機(jī)械作用產(chǎn)生的磨損，包括磨粒磨損、表面塑性變形、脆性剝落等。分子—機(jī)械類：由于分子力作用形成表面粘著結(jié)點(diǎn)，再經(jīng)機(jī)械作用使粘著結(jié)點(diǎn)剪切所產(chǎn)生的磨損，即粘著磨損。腐蝕—機(jī)械類：這類磨損是由介質(zhì)的化學(xué)作用引起表面腐蝕，而摩擦中的機(jī)械作用加速腐蝕過(guò)程，它包括氧化磨損和化學(xué)腐蝕磨損。（2）按過(guò)程分類克拉蓋里斯基(1962年)提出的磨損分類方法將磨損劃分為三個(gè)過(guò)程，根據(jù)每一過(guò)程的分類來(lái)說(shuō)明相互關(guān)系，如圖所示。①表面的相互作用兩個(gè)摩擦表面的相互作用可以是機(jī)械的或分子的兩類，機(jī)械作用包括彈性變形、塑性變形和犁溝效應(yīng)，它可以是由兩個(gè)表面的粗糙峰直接嚙合引起的，也可以是三體摩擦中夾在兩表面間的外界磨粒造成的；表面分子作用包括相互吸引和粘著效應(yīng)兩種，前者作用力小而后者的作用力較大。②表面層的變化表面層的塑性變形使金屬冷作硬化而變脆；如果表面經(jīng)受反復(fù)的彈性變形，則將產(chǎn)生疲勞破壞。摩擦熱引起的表面接觸高溫可以使表層金屬退火軟化，接觸以后的急劇冷卻將導(dǎo)致再結(jié)晶或固溶體分解。外界環(huán)境的影響主要是介質(zhì)在表層中的擴(kuò)散，包括氧化和其它化學(xué)腐蝕作用，因而改變了金屬表面層的組織結(jié)構(gòu)。在摩擦表面的相互作用下，表面層將發(fā)生機(jī)械的、組織結(jié)構(gòu)的、物理的和化學(xué)的變化，這是由于表面變形、摩擦溫度和環(huán)境介質(zhì)等因素的影響所造成的。③表面層的破壞形式

擦傷：由于犁溝作用在摩擦表面產(chǎn)生沿摩擦方向的溝痕和屑粒；

點(diǎn)蝕：在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，使金屬疲勞破壞而形成的表面凹坑；

剝落：金屬表面由于變形強(qiáng)化而變脆，在載荷作用下產(chǎn)生微裂紋隨后剝落；

膠合：由粘著效應(yīng)形成的表面粘結(jié)點(diǎn)具有較高的連接強(qiáng)度，使剪切破壞發(fā)生在表層內(nèi)一定深度，因而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損；

微觀磨損：以上各種表層破壞的微觀形式。（3）按磨損機(jī)理分類根據(jù)近年來(lái)的研究，人們普遍認(rèn)為按照不同的磨損機(jī)理來(lái)分類是比較恰當(dāng)?shù)模ǔ⒛p劃分為四個(gè)基本類型：磨粒磨損粘著磨損表面疲勞磨損腐蝕磨損雖然這種分類還不十分完善，但它概括了各種常見的磨損形式。例如：侵蝕磨損是表面和含有固體顆粒的液體相摩擦而形成的磨損，它可以歸入磨粒磨損。微動(dòng)磨損的主要原因是接觸表面的氧化作用，可以將它歸納在腐蝕磨損之內(nèi)。（3）按磨損機(jī)理分類還應(yīng)當(dāng)指出：在實(shí)際的磨損現(xiàn)象中，通常是幾種形式的磨損同時(shí)存在，而且一種磨損發(fā)生后住住誘發(fā)其它形式的磨損。例如疲勞磨損的磨屑會(huì)導(dǎo)致磨粒磨損，而磨粒磨損所形成的新凈表面又將引起腐蝕或粘著磨損微動(dòng)磨損就是一種典型的復(fù)合磨損。在微動(dòng)磨損過(guò)程中，可能出現(xiàn)粘著磨損、氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等多種磨損形式．隨著工況條件的變化，不同形式磨損的主次不同．5.磨損的評(píng)定磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。目前對(duì)磨損評(píng)定方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這里主要介紹三種方法：磨損量、耐磨性和磨損比。

（1）磨損量

評(píng)定材料磨損的三個(gè)基本磨損量是長(zhǎng)度磨損量Wl、體積磨損量Wv和重量磨損量Ww。長(zhǎng)度磨損量是指磨損過(guò)程中零件表面尺寸的改變量，這在實(shí)際設(shè)備的磨損監(jiān)測(cè)中經(jīng)常使用。體積磨損量和重量磨損量是指磨損過(guò)程中零件或試樣的體積或重量的改變量。在所有的情況下，磨損都是時(shí)間的函數(shù)，因此，用磨損率Wt'來(lái)表示時(shí)間的特性。其它指標(biāo)還有磨損強(qiáng)度W'(單位摩擦距離的磨損量，有人也把它稱為磨損率)，和磨損速度WT'(是指機(jī)器完成一單位工作量的磨損量)。（2）耐磨性材料的耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨損的特性。材料耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性兩種。材料的相對(duì)耐磨性ε是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值，其中材料之一的A是標(biāo)準(zhǔn)(或參考)試樣。εA＝WA/WB磨損量WA和WB一般用體積磨損量，特殊情況下可使用其它磨損量。耐磨性通常也用絕對(duì)指標(biāo)W-1或W′-1表示，即用磨損量或磨損率的倒數(shù)表示。W-1=1/W,W′-1=1/W′耐磨性使用最多的是體積磨損量的倒數(shù)，也可用體積磨損率、體積磨損強(qiáng)度或體積磨損速度的倒數(shù)表示。絕對(duì)耐磨性和相對(duì)耐磨性的關(guān)系是εA＝WA×W－1

（3）磨損比沖蝕磨損過(guò)程中常用磨損比(也有稱磨損率)來(lái)度量磨損。它必須在穩(wěn)態(tài)磨損過(guò)程中測(cè)量，在其它磨損階段中所測(cè)量的磨損比將有較大的差別。不論是磨損量、耐磨性和磨損比，它們都是在一定實(shí)驗(yàn)條件或工況下的相對(duì)指標(biāo)，不同實(shí)驗(yàn)條件或工況下的數(shù)據(jù)是不可比較的。6.磨損的動(dòng)態(tài)過(guò)程在摩擦磨損過(guò)程中，摩擦表面及表層的形貌、結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生變化，反過(guò)來(lái)也使摩擦副的接觸特性、摩擦和磨損特性發(fā)生變化。金屬的摩擦磨損是一動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨時(shí)間或磨程而變化。大多數(shù)金屬的磨損量與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間(磨程)的典型關(guān)系如圖所示。這里磨損量以零件的體積或重量損失，也可按沿摩擦面垂直方向的尺寸減少量(線磨損)來(lái)衡量。零件的正常磨損過(guò)程大致可分為三個(gè)階段。各階段長(zhǎng)短、磨損率dW/dt或dW/dl的大小將隨零件或試樣摩擦副表面的粗糙度，環(huán)境氣氛與溫度，載荷大小及摩擦速度等因素的不同而不同。（1）跑合（磨合）階段在載荷作用下，摩擦表面上的微凸體的形狀發(fā)生變化，真實(shí)接觸面積逐漸加大，直至相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)，摩擦表層發(fā)生塑性變形和加工硬化。磨損率初始很大隨后逐漸減小至進(jìn)入穩(wěn)定。跑合對(duì)于許多機(jī)器的摩擦副是非常重要的，通過(guò)跑合改變?cè)瓩C(jī)械零件加工表面的形態(tài)，進(jìn)入穩(wěn)定的工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。跑合過(guò)程的特點(diǎn)是摩擦表面有較大的磨損并發(fā)熱，表面的幾何形貌及表面和表層的物理、力學(xué)性能發(fā)生變化。有時(shí)還會(huì)形成某種表面膜(氧化膜、粘著轉(zhuǎn)移膜等)。（1）跑合（磨合）階段各種滑動(dòng)摩擦副經(jīng)跑合后，會(huì)得到一相應(yīng)于給定摩擦狀態(tài)下穩(wěn)定的表面粗糙度，其與初始表面粗糙度無(wú)關(guān)。跑合是摩擦副的自適應(yīng)過(guò)程，在很多情況下可認(rèn)為是一種有益的磨損過(guò)程。為了達(dá)到有益的效果，對(duì)磨合過(guò)程的工作參數(shù)也應(yīng)進(jìn)行合理的選擇。否則在某些情況下也會(huì)出現(xiàn)摩擦副的早期嚴(yán)重磨損至使零件報(bào)廢。提高磨合性能的措施

良好的磨合性能表現(xiàn)為磨合時(shí)間短，磨合磨損量小，以及磨合后的表面耐磨性高。為提高磨合性能一般可采取以下措施：選用合理的磨合規(guī)范新機(jī)器開始工作時(shí)載荷不可過(guò)大，否則將嚴(yán)量損傷表面，造成早期磨損失效。合理的磨合規(guī)范應(yīng)當(dāng)是逐步地增加載荷和摩擦速度，使表面品質(zhì)得到相應(yīng)改善，而磨合最后階段的工作條件要接近使用工況。機(jī)器磨合以后，應(yīng)將帶有磨屑的潤(rùn)滑油更換方可投入正式使用。采用合適的材料配對(duì)

摩擦副的磨合性能應(yīng)是配對(duì)材料的組合性質(zhì)。磨合性能良好的材料不僅是本身易于磨合，而且又能夠?qū)ヅ浼哪ズ掀鸫龠M(jìn)作用。采用合適的材料配對(duì)以滑動(dòng)軸承材料為例。通常軸頸材料為鋼，軸承材料采用巴氏合金時(shí)，磨合性能較好，因?yàn)榘褪虾辖鹚苄院帽旧硪子谀ズ希M織中又合有SnSb硬顆粒對(duì)軸頸表面起磨合作用。鉛青銅整個(gè)組織質(zhì)地較軟，本身容易磨合，但對(duì)軸頸的磨合作用不大，故磨合時(shí)間較長(zhǎng)。而鐵鋁青銅中含有FeAl3顆粒，硬度很高，因而本身難以磨合又容易傷軸，與它相配的軸頸表面必須淬火硬化。為了改善材料本身的磨合性能，可以在表面鍍一薄層塑性金屬，例如鑄鐵活塞環(huán)表面鍍錫。如果要加速配對(duì)表面的磨合過(guò)程，有時(shí)在摩擦表面間加入適當(dāng)?shù)哪チ?，但是?yīng)當(dāng)選擇恰當(dāng)。選擇適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油和添加劑粘度較低的潤(rùn)滑油對(duì)于提高磨合性能有很大作用。磨合后的耐磨性取決于表面品質(zhì)，而潤(rùn)滑油性質(zhì)對(duì)磨合表面有顯著影響。觀察采用不同潤(rùn)滑油時(shí)磨合前后摩擦表面的形貌發(fā)現(xiàn)：隨著潤(rùn)滑油粘度增加，磨合過(guò)程中粘著磨損所形成的擦痕也較深和較寬，使表面耐磨性降低。而低粘度的潤(rùn)滑油導(dǎo)熱性好，容易維持表面吸附膜，磨合過(guò)程中粘著磨損較輕，使表面品質(zhì)得到改善。如果在磨合用潤(rùn)滑油中加入適當(dāng)?shù)挠托蕴砑觿?，一方面可以加速磨合過(guò)程，另一方面由于加強(qiáng)了吸附膜可以避免嚴(yán)重的粘著磨損痕跡，因而提高了表面品質(zhì)?？刂浦圃炀群捅砻娲植诙蕊@然，提高摩擦副表面的制造和裝配精度將顯著地減少磨合階段的磨損量。而表面粗糙度的選擇應(yīng)根據(jù)磨損工況條件來(lái)確定。Хрушов(1946年)研究軸頸與軸承表面的磨合指出，不同加工方法的表面磨合后的粗糙度相同，但磨合時(shí)間不同。許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明：磨合結(jié)束后形成的表面粗糙度與機(jī)械加工后所得到的原始粗糙度大小無(wú)關(guān)，而取決于磨損工況條件，如摩擦副材料、載荷、滑動(dòng)速度、溫度和潤(rùn)滑條件等。磨合后粗糙度是給定工況條件下的最佳粗糙度，它保證磨損率最低。如果磨合前的粗糙度接近最佳粗糙度，可以使磨合磨損量成倍地降低。（2）穩(wěn)定（持續(xù)）磨損階段摩擦副經(jīng)過(guò)跑合后，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。這時(shí)，在摩擦條件不變的情況下，摩擦的實(shí)際接觸面積保持不變(動(dòng)態(tài)平衡)，即一些摩擦結(jié)點(diǎn)因磨損而破壞，又生成一些新的摩擦結(jié)點(diǎn)，單位面積上的實(shí)際接觸壓力保持一定(動(dòng)態(tài)平衡)，磨損率趨于穩(wěn)定。這一階段相應(yīng)于大多數(shù)機(jī)械設(shè)備摩擦副的正常工作階段，它的長(zhǎng)短相應(yīng)于摩擦副的工作壽命。（3）“急劇”磨損階段隨著磨損過(guò)程的進(jìn)行，摩擦副零件幾何尺寸發(fā)生較明顯的變化，產(chǎn)生大量的磨屑，零件摩擦表面及表層發(fā)生嚴(yán)重的變形，零件的尺寸精度嚴(yán)重下降，摩擦條件發(fā)生很大變化，出現(xiàn)振動(dòng)，嚴(yán)重發(fā)熱等現(xiàn)象，使磨損速率升高，零件被急劇磨損，直至報(bào)廢。。二、磨損基本形式及其影響因素磨損有幾種性質(zhì)不同而又互不相關(guān)的機(jī)理，Burwell歸納為四種機(jī)理：粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損，是磨損的基本形式。當(dāng)然，除了上述四種基本類型之外，還有一些其它的磨損類型，例如沖蝕磨損、熱磨損等等。沖蝕磨損是指流體束沖擊固體表面而造成的磨損，它包括顆粒流束沖蝕、流體沖蝕、氣蝕和電火花沖蝕(如電機(jī)上的電刷的沖蝕等)。熱磨損是指在滑動(dòng)摩擦?xí)r，由于摩擦區(qū)溫度升高使金屬組織軟化而使表面“涂抹”、轉(zhuǎn)移和摩擦表面微粒的脫落。而微動(dòng)磨損實(shí)際上是一種復(fù)合磨損。下面討論和分析各種磨損機(jī)理及其影響因素。1.粘著磨損當(dāng)摩擦副表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粘著效應(yīng)所形成的粘著結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類磨損統(tǒng)稱為粘著磨損。根據(jù)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和破壞位置不同，粘著磨損有幾種不同的形式，從輕微磨損到破壞性嚴(yán)重的膠合磨損．它們的磨損形式、摩擦系數(shù)和磨損度雖然不同，但共同的特征是出現(xiàn)材料遷移，以及沿滑動(dòng)方向形成程度不同的劃痕。（1）粘著磨損的種類；（2）粘著磨損機(jī)理；（3）粘著磨屑形成機(jī)理；（4）粘附與選擇性轉(zhuǎn)移；（5）膠合；（6）影響粘著磨損的因素。（1）粘著磨損的種類

輕微粘著磨損：

當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度低于摩擦副兩金屬的強(qiáng)度時(shí)，剪切發(fā)生在結(jié)合面上，此時(shí)雖然摩擦系數(shù)增大，但是磨損卻很小，材料遷移也不顯著．通常在金屬表面具有氧化膜、硫化膜或其它涂層時(shí)發(fā)生此種粘著磨損。一般粘著磨損：

粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟金屬的剪切強(qiáng)度時(shí)，破壞將發(fā)生在離結(jié)合面不遠(yuǎn)的軟金屬表層內(nèi)，因而軟金屬粘附在硬金屬表面上。通常也將這種現(xiàn)象稱為涂抹。這種磨損的摩擦系數(shù)與輕微磨損差不多，但磨損程度加劇。（1）粘著磨損的種類膠合磨損：如果粘結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度比兩金屬的剪切強(qiáng)度高得多，而且粘結(jié)點(diǎn)面積較大時(shí)，剪切破壞發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)金屬表層較深的地方。此時(shí)，兩表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使摩擦副之間咬死而不能相對(duì)滑動(dòng)。擦傷磨損：當(dāng)粘結(jié)強(qiáng)度高于兩金屬材料強(qiáng)度時(shí)，剪切破壞主要發(fā)生在軟金屬的表層內(nèi)，有時(shí)也發(fā)生在硬金屬表層內(nèi)。遷移到硬金屬上的粘著物又使軟表面出現(xiàn)劃痕，所以擦傷主要發(fā)生在軟金屬表面。

高速重載摩擦副中，由于接觸峰點(diǎn)的塑性變形大和表面溫度高，使粘著結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和面積增大，通常產(chǎn)生膠合磨損。相同金屬材料組成的摩擦副中，因?yàn)檎持Y(jié)點(diǎn)附近的材料塑性變形和冷作硬化程度相同，剪切破壞發(fā)生在很深的表層，膠合磨損更為劇烈。（2）粘著磨損機(jī)理粘著磨損的形成

通常摩擦表面的實(shí)際接觸面積只有表觀面積的0.1％～0.01％。對(duì)于重載高速摩擦副，接觸峰點(diǎn)的表面壓力有時(shí)可達(dá)5000MPa，并產(chǎn)生1000℃以上的瞬現(xiàn)溫度。而由于摩擦副體積遠(yuǎn)小于接觸峰點(diǎn)，一旦脫離接觸，峰點(diǎn)溫度便迅速下降，一般局部高溫持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)毫秒。

摩擦表面處于這種狀態(tài)下，潤(rùn)滑油膜、吸附膜或其它表面膜發(fā)生破裂，使接觸峰點(diǎn)產(chǎn)生粘著，隨后在滑動(dòng)中粘著結(jié)點(diǎn)破壞。這種粘著、破壞、再粘著的交替過(guò)程就構(gòu)成粘著磨損。有關(guān)粘著形成的原因提出了不同的觀點(diǎn)。雖然有關(guān)粘著機(jī)理目前還沒有比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)，但是粘著現(xiàn)象必須在一定的壓力和溫度條件下才會(huì)發(fā)生這一認(rèn)識(shí)是相當(dāng)一致的。粘著磨損的形成原因Bowdon等人認(rèn)為粘著是接觸峰點(diǎn)的塑性變形和瞬現(xiàn)高溫使材料熔化或軟化而產(chǎn)生的焊合。也有人提出：溫度升高后，由于物質(zhì)離解所產(chǎn)生的類似焊接的作用而形成粘結(jié)點(diǎn)。然而非金屬材料也發(fā)生粘著現(xiàn)象，用高溫熔焊的觀點(diǎn)不能解釋非金屬粘結(jié)點(diǎn)的形成。Хрушов

等人認(rèn)為粘著是冷焊作用，不必達(dá)到熔化溫度即可形成粘結(jié)點(diǎn)。粘著磨損的形成原因有人提出粘著是由于摩擦副表面分子作用。也有人試圖用金屬價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)或者同類金屬原子在彼此結(jié)晶格架之間的運(yùn)動(dòng)和互相填充來(lái)解釋粘著現(xiàn)象。但是這些觀點(diǎn)尚未取得充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。粘著結(jié)點(diǎn)的破壞位置決定了粘著磨損的嚴(yán)重程度，而破壞力的大小表現(xiàn)為摩擦力，所以磨損量與摩擦力之間沒有確定的關(guān)系。粘著結(jié)點(diǎn)的破壞情況十分復(fù)雜，它與摩擦副和粘結(jié)點(diǎn)的相對(duì)強(qiáng)度以及粘結(jié)點(diǎn)的分布有關(guān)。

Archard

模型

Archard(1953年)提出的粘著磨損計(jì)算模型見下圖。選取摩擦副之間的粘著結(jié)點(diǎn)面積為以a為半徑的圓，每一個(gè)粘著結(jié)點(diǎn)的接觸面積為πa2．如果表面處于塑性接觸狀態(tài)，則每個(gè)粘結(jié)點(diǎn)支承的載荷為

W＝πa2σs式中σs為軟材料的受壓屈服極限。假設(shè)粘結(jié)點(diǎn)沿球面破壞，即遷移的磨屑為半球形。于是，當(dāng)滑動(dòng)位移為2a時(shí)的磨損體積為手2πa3/3。因此體積磨損度可寫為

Archard模型整個(gè)接觸面上，所有的接觸結(jié)點(diǎn)滑動(dòng)單位距離所磨損的體積為V/s,考慮到并非所有的粘結(jié)點(diǎn)都形成半球形的磨屑，設(shè)ks為體積dV的小塊材料從接觸點(diǎn)脫落下來(lái)而發(fā)生磨損的幾率，且ks<<1，則式中H為材料硬度，K稱為磨損系數(shù)。Archard計(jì)算模型雖然是近似的，但可以用來(lái)估算粘著磨損壽命。用四球機(jī)測(cè)得幾種潤(rùn)滑劑的抗粘著磨損性能，和用銷盤磨損機(jī)測(cè)定的幾種材料在干摩擦條件下ks的典型值。其值遠(yuǎn)小于1，這說(shuō)明在所有的粘著結(jié)點(diǎn)中只有極少數(shù)發(fā)生磨損，而大部分粘結(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生磨屑。對(duì)于這種現(xiàn)象還沒有十分滿意的解釋?；颍?）粘著磨屑形成機(jī)理兩固體表面間的粘著，由于相對(duì)滑動(dòng)的剪切作用c使其如何斷開，是粘著磨損機(jī)制要解決的重要問題。一種理想情況是正好在接觸間界面間斷開，這時(shí)無(wú)論是表面間材料的轉(zhuǎn)移還是粘著磨損都可忽略。對(duì)于石墨或二硫化鉬表面間的滑動(dòng)而載荷又小于解理臺(tái)階形成力時(shí)，與這種情況相近。這時(shí)要求面間的剪切強(qiáng)度要低于固體本身的強(qiáng)度。對(duì)金屬，通常并不是這樣。在不同種金屬摩擦?xí)r，形成的粘著強(qiáng)度比這兩金屬中較弱的要高。粘接的剪斷發(fā)生在強(qiáng)度低的金屬一側(cè)。在同種金屬摩擦的情況，由于摩擦表層的加工硬化，形成的粘著也將比原金屬?gòu)?qiáng)度高。由于剪切作用，將有塊狀屑從兩接觸分離的微凸體上撕開。鮑登和泰怕多年前就觀察了在銅上發(fā)生的這種過(guò)程?；粕嗾持D(zhuǎn)移如圖所示的滑移舌粘著形成長(zhǎng)大轉(zhuǎn)移過(guò)程的六個(gè)階段。①正向載荷使微凸體接觸面粘著；②摩擦力作用，沿著塑性長(zhǎng)大，面間尚未發(fā)生宏觀滑移，塑性區(qū)ABC由滑移線理論確定，滑移線AC簡(jiǎn)化為直線；③在滑移線AC發(fā)生滑移，滑移舌ABCB′產(chǎn)生，形成新的接觸面AA′；④剪切作用使沿移舌卷曲(ABCB′),在其根部B′擠壓作用集中，第二個(gè)塑性區(qū)A′AB′C′形成，同時(shí)發(fā)生③和④；⑤滑移舌繼續(xù)產(chǎn)生和長(zhǎng)大，在其尖的根部產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展；⑥接觸面間繼續(xù)發(fā)生滑移，形成轉(zhuǎn)移碎片－易脫落的磨屑。楔形塊 粘著轉(zhuǎn)移

如圖所示的楔形塊粘著轉(zhuǎn)移過(guò)程的六個(gè)階段：①②兩階段與前圖相同；③由于剪切滑移作用在塑性區(qū)ABC的尾部形成裂紋并向基體擴(kuò)展，ABCC’D變形，線BC由于裂紋張開而彎曲。沿滑移線AC小尺度滑移，同時(shí)裂紋擴(kuò)展，楔形塊形成并長(zhǎng)大；④從裂紋頂端伸展第二個(gè)塑性變形區(qū)DC’E；⑤沿第二個(gè)滑移線發(fā)生顯微滑移，二次裂紋擴(kuò)展，第三個(gè)塑性變形區(qū)以上述方式形成；⑥由于剪切斷裂楔形塊從表面脫離，正向載荷由其它接觸點(diǎn)傳送。這種方式將導(dǎo)致塊狀磨損粒子的形成。粘著轉(zhuǎn)移的“塊”,在摩擦表面間會(huì)被擠壓,隨進(jìn)一步粘著而長(zhǎng)大,并在摩擦剪切作用被拉長(zhǎng),這種長(zhǎng)大壓扁拉長(zhǎng)的轉(zhuǎn)移塊,最終由于摩擦作用從表面上呈近似片狀的磨損粒子脫落下來(lái)。END（4）粘附與選擇性轉(zhuǎn)移在滑動(dòng)摩擦系統(tǒng)中，摩擦副表面的局部接觸，使摩擦組元的表面和表層發(fā)生很大的塑性變形，使表層顯微組織發(fā)生變化。在接觸摩擦局部剪切作用下，發(fā)生變形的表層材料的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移的材料(通常其厚度小于10微米)進(jìn)一步變形并與配對(duì)材料和環(huán)境介質(zhì)組元相混合，形成超細(xì)晶粒組織。例如對(duì)于Cu－Fe摩擦副，Cu的轉(zhuǎn)移層有層狀結(jié)構(gòu)，層的厚度小于0.3微米，而轉(zhuǎn)移層細(xì)的晶粒在3～30納米，這轉(zhuǎn)移層里的細(xì)晶組織由于摩擦副材料的混合(機(jī)械合金化)是很穩(wěn)定的。轉(zhuǎn)移層的特性影響摩擦表面的形貌、粗糙度、摩擦系數(shù)及產(chǎn)生的磨屑的本質(zhì)。由轉(zhuǎn)移層剝落產(chǎn)生的磨屑粒子與轉(zhuǎn)移層有相同的組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)形成的轉(zhuǎn)移層足夠硬時(shí)，在摩擦作用下，可能壓入基體金屬，有低的磨損率；當(dāng)轉(zhuǎn)移材料不夠硬時(shí)，表現(xiàn)為在試樣表面有無(wú)規(guī)則的層，表面粗糙度增高，摩擦噪聲增大，有高的磨損率。選擇性轉(zhuǎn)移銅或銅合金與鋼配副，在甘油或甘油加酒精的混合溶液中，滑動(dòng)摩擦，在鋼的表面形成薄的轉(zhuǎn)移膜，使摩擦系數(shù)和磨損大大降低。結(jié)構(gòu)分析表明，這種轉(zhuǎn)移膜是富銅層，并稱這種現(xiàn)象為選擇性轉(zhuǎn)移。這是一種主要由摩擦力的分子作用分量表征的摩擦相互作用。它是發(fā)生在摩擦表面的物理化學(xué)過(guò)程，這一過(guò)程有助于摩擦表面的相對(duì)位移，減少磨損或是對(duì)磨損提供自補(bǔ)償。選擇性轉(zhuǎn)移的特征是形成保護(hù)性金屬膜。隨初始潤(rùn)滑介質(zhì)的不同，這種保護(hù)膜以不同的方式減少摩擦和磨損。如金屬鍍膜能減少在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)，從而防止在表面層發(fā)生疲勞和組織變化。已發(fā)現(xiàn)這種保護(hù)膜有高的點(diǎn)缺陷或空位密度。銅合金的合金元素的選擇性溶解產(chǎn)生過(guò)剩的空位。過(guò)程的完整機(jī)制雖尚不很清楚，但是這種表面膜減少面間剪切強(qiáng)度，因此選擇性轉(zhuǎn)移現(xiàn)象有很多應(yīng)用。選擇性轉(zhuǎn)移下列選擇性轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在一定的摩擦工況條件下可能出現(xiàn)：

(1)在載荷作用下表面不規(guī)則的峰選擇性地相抵消，并形成塑性表面膜(類似于跑合層)使壓力減??；

(2)由于表面膜變形的空位擴(kuò)散機(jī)制有助于摩擦表面的相對(duì)位移并減少磨損(不考慮基體材料的變形)；(3)由于減少潤(rùn)滑介質(zhì)，從而保護(hù)摩擦表面防止氧化；(4)由潤(rùn)滑劑分解產(chǎn)物在摩擦表面形成聚合物膜而減少摩擦，提高抗磨能力；等等。還可利用選擇性轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)摩擦鍍(FrictionalP1ating)。在零件裝配之前，用摩擦鍍的方法在鋼件的表面涂鍍薄的黃銅、青銅和銅層。摩擦鍍前，工件表面要經(jīng)必要的清洗和拋光，至一定的表面粗糙度，以滿足摩擦鍍的要求。這種工藝可作為某些零件的跑合—涂鍍操作。（5）膠合膠合是破壞性最大的磨損形式，被磨表面凹凸不平，有時(shí)磨痕深達(dá)0.2mm，表面材料堆積，使摩擦系數(shù)很高而且不穩(wěn)定。膠合磨損一旦發(fā)生就很嚴(yán)重，往往在百分之幾秒內(nèi)導(dǎo)致摩擦副完全失效，所以須力圖避免膠合的發(fā)生。膠合磨損的發(fā)生不僅取決于潤(rùn)滑油膜的破裂。而且與摩擦表面上化學(xué)反應(yīng)膜的形成有關(guān)。當(dāng)反應(yīng)膜的磨損率大于它的生成速率時(shí)會(huì)發(fā)生膠合?；瑒?dòng)速度較低時(shí)，油膜破裂后能生成化學(xué)反應(yīng)膜防止膠合發(fā)生。只有當(dāng)表面溫度過(guò)高，使反應(yīng)膜失效后才會(huì)發(fā)生膠合。速度較高時(shí)，一旦油膜破裂很難形成反應(yīng)膜，立即發(fā)生膠合。膠合前的溫度和摩擦力都較低。膠合判斷與計(jì)算準(zhǔn)則目前尚無(wú)統(tǒng)一判斷膠合發(fā)生的準(zhǔn)則。有人用表面形貌來(lái)判斷，當(dāng)垂直于滑動(dòng)方向的粗糙度劇烈增加時(shí)表示膠合磨損發(fā)生。也有以摩擦溫度達(dá)到臨界值作為判據(jù)。但是通常都采用摩擦系數(shù)突然增加并出現(xiàn)大幅度變化來(lái)判斷膠合發(fā)生。通常膠合磨損出現(xiàn)在高速重載和潤(rùn)滑不良的摩擦副，例如齒輪渦輪傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承等等。為了防止膠合的發(fā)生，多年來(lái)對(duì)膠合計(jì)算準(zhǔn)則進(jìn)行了廣泛的研究，尤其是齒輪摩擦副。然而，目前提出的各種膠合計(jì)算準(zhǔn)則尚屬半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，缺少足夠而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此還不能有效地普遍應(yīng)用。早期采用的膠合計(jì)算是從靜負(fù)荷出發(fā)，以提高材料的表面硬度作為抗膠合的主要措施。隨后的研究表明摩擦副溫度對(duì)膠合發(fā)生起著重要作用，因此提出了以熱負(fù)荷為基礎(chǔ)的膠合計(jì)算準(zhǔn)則。p0Us≤c準(zhǔn)則

Almen(1953年)統(tǒng)計(jì)了美國(guó)通用汽車公司生產(chǎn)的汽車后橋圓錐齒輪的膠合失效情況，提出防止膠合磨損的準(zhǔn)則為p0Us≤c式中，p0為Hertz最大應(yīng)力；Us為相對(duì)滑動(dòng)速度；c為實(shí)驗(yàn)常知；根據(jù)工況條件c＝32×102~15×104MPa·m/s之間變化。上式的計(jì)算結(jié)果比較粗略，數(shù)據(jù)離散范圍達(dá)到50％。但由于它形式簡(jiǎn)單，常用作初步計(jì)算，在蘇聯(lián)廣泛采用它作為選擇抗膠合材料的依據(jù)。

Blok根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析提出：以作為膠合計(jì)算準(zhǔn)則更切合于實(shí)際，因?yàn)樗c接觸瞬現(xiàn)溫升成正比，從而在膠合計(jì)算中引入了溫度因素。WUsn≤c準(zhǔn)則

Boroff等人(1963年)對(duì)齒輪膠合的研究得出右圖的結(jié)果，即膠合發(fā)生點(diǎn)的載荷W與滑動(dòng)速度Us滿足指數(shù)關(guān)系。近年來(lái)提出的幾種指數(shù)型準(zhǔn)則都可以歸納為以下公式WUsn≤c為了確定指數(shù)n的數(shù)值，人們從不同角度研究，所得的數(shù)據(jù)變化范圍很寬，從－l到＋2，造成選用時(shí)的困難．如果能夠針對(duì)實(shí)際工況用實(shí)驗(yàn)測(cè)定n的數(shù)值，這一準(zhǔn)則可以得到滿意的結(jié)果。瞬現(xiàn)溫度準(zhǔn)則根據(jù)齒輪膠合磨損過(guò)程中齒面溫度的分布和變化情況，Blok認(rèn)為膠合的產(chǎn)生是由于表面局部瞬現(xiàn)溫度達(dá)到臨界值引起的，設(shè)膠合臨界溫度為θsc，摩擦表面本體溫度θb，而局部瞬現(xiàn)溫升θf(wàn)m

，則θb＋θf(wàn)m＝θsc

膠合臨界溫度θsc應(yīng)根據(jù)摩擦副材料、潤(rùn)滑油品種和潤(rùn)滑狀態(tài)等因素來(lái)確定。例如對(duì)于一般潤(rùn)滑條件下的淬火齒輪可選取150～250℃；末淬火鋼齒輪60～150℃。采用普通礦物油潤(rùn)滑時(shí)，膠合溫度通常接近潤(rùn)滑油從金屬表面蒸發(fā)的溫度。實(shí)踐證明：瞬現(xiàn)溫度準(zhǔn)則與指數(shù)型準(zhǔn)則所得的計(jì)算結(jié)果十分相近。在高速滑動(dòng)條件下，瞬現(xiàn)溫度準(zhǔn)則相當(dāng)于n＝2/3時(shí)的指數(shù)型準(zhǔn)則。但迄今為止還不能準(zhǔn)確決定膠合發(fā)生時(shí)表面瞬現(xiàn)溫度值，無(wú)論是用測(cè)量還是計(jì)算方法都是十分困難的。膠合因子準(zhǔn)則膠合因子tf定義為齒輪表面上的點(diǎn)通過(guò)齒面接觸區(qū)所需的時(shí)間，單位用s。若Hertz接觸區(qū)半寬為b，則tf的數(shù)值為膠合發(fā)生時(shí)的臨界載荷Wc與膠合因子的關(guān)系表達(dá)式為Wc＝atf＋c式中，a和c為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。當(dāng)Wc>>c時(shí)，可以略去c值，則上式的計(jì)算結(jié)果與指數(shù)型準(zhǔn)則的相近似。綜上所述，由于膠合現(xiàn)象的復(fù)雜性，目前各種計(jì)算準(zhǔn)則都有待于進(jìn)一步完善，為此必須對(duì)膠合機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。（6）影響粘著磨損的因素

除潤(rùn)滑條件之外，影響粘著磨損的主要因素是載荷、表面溫度和材料性質(zhì)。表面載荷

Виноградова研究了載荷對(duì)膠合磨損的影響，認(rèn)為當(dāng)表面壓力達(dá)到一定的臨界值，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才會(huì)發(fā)生膠合。觀察各種材料的試件在四球機(jī)實(shí)驗(yàn)中磨痕直徑的變化，也表明當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，磨痕直徑驟然增大，這個(gè)載荷稱為膠合載荷。實(shí)驗(yàn)還證明：如果將試件浸入油中加熱，當(dāng)載荷低于臨界值使油溫升高，并不能發(fā)生膠合．這說(shuō)明單靠表面溫度升高不會(huì)產(chǎn)生膠合。然而，載荷引起表面彈塑性變形必然伴隨高溫的出現(xiàn)。而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各種材料的臨界載荷值隨滑動(dòng)速度增加而降低。這說(shuō)明溫度對(duì)膠合的發(fā)生起著重要作用．表面溫度摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱量使表面溫度升高，在表面接觸點(diǎn)附近形成半球形的等溫面，在表層內(nèi)一定深度處各接觸點(diǎn)的等溫面將匯合成共同的等溫面。最外層是變形區(qū)，產(chǎn)生熱量，因此表面溫度最高，又因熱傳導(dǎo)作用造成變形區(qū)非常大的溫度梯度。變形區(qū)以內(nèi)為基體溫度，變化平緩。表面溫度特性對(duì)于摩擦表面的相互作用和破壞影響很大。表面溫度可使?jié)櫥な?，而溫度梯度引起材料性質(zhì)和破壞形式沿深度方向變化。采用放射性同位素方法測(cè)量金屬遷移量結(jié)果表明：當(dāng)表面溫度達(dá)到臨界值時(shí)，磨損量和摩擦系數(shù)都急劇增加。影響溫度特性的主要因素是表面壓力p和滑動(dòng)速度v，其中速度的影響更大，因此限制pv值是減少粘著磨損和防止膠合發(fā)生的有效方法。摩擦副材料脆性材料的抗粘著磨損的能力比塑性材料高。塑性材料形成的粘著結(jié)點(diǎn)的破壞以塑性流動(dòng)為主，它發(fā)生在離表面一定的深度處，磨屑較大，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)3mm，深達(dá)0.2mm．而脆性材料粘結(jié)點(diǎn)的破壞主要是剝落，損傷深度較淺，同時(shí)磨屑容易脫落，不堆積在表面上。根據(jù)強(qiáng)度理論：脆性材料的破壞由正應(yīng)力引起，而塑性材料的破壞決定于剪切應(yīng)力。而表面接觸中的最大正應(yīng)力作用在表面，最大剪切應(yīng)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(yán)重。相同金屬或者互溶性大的材料組成的摩擦副粘著效應(yīng)較強(qiáng)，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的能力較高。摩擦副材料金屬和非金屬材料組成的摩擦副的抗粘著磨損能力高于異種金屬組成的摩擦副．從材料的組織結(jié)構(gòu)而論，多晶材料比單晶材料抗粘著磨損能力高，多相金屬比單相金屬的抗粘著磨損能力高。通過(guò)表面處理方法在金屬表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等的薄膜將減少粘著效應(yīng)，同時(shí)表面膜也限制了破壞深度，從而提高抗粘著磨損能力。此外，改善潤(rùn)滑條件，在潤(rùn)滑油或脂中加入油性和極壓添加劑；選用熱傳導(dǎo)性高的摩擦材料或加強(qiáng)冷卻以降低表面溫度；改善表面形貌以減小接觸壓力等都可以提高抗粘著磨損的能力。2.磨粒磨損（1）定義與分類（2）磨粒磨損簡(jiǎn)化模型（3）磨粒磨損機(jī)理（4）磨料及其磨損性能（5）影響磨粒磨損的因素

（1）定義與分類定義：

在摩擦過(guò)程中，由于硬質(zhì)顆粒或硬質(zhì)凸出物使表面材料遷移或脫落而造成的一種磨損。按這一定義，從磨損機(jī)制考慮，磨粒磨損包括硬的粗糙表面上硬的微動(dòng)體對(duì)相對(duì)較軟的摩擦配偶表曲的劃傷和材料的工作表面受硬質(zhì)顆粒的壓入和摩擦所造成的磨損。而工業(yè)上所說(shuō)的磨粒磨損主要指后面的這種情況。在礦山機(jī)械、工程機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械和電力機(jī)械中的許多零部件，都直接與砂、石，煤或灰這等摩擦，而發(fā)生不同形式的磨粒磨損。它的廣泛存在使工業(yè)國(guó)家損失國(guó)民生產(chǎn)總值的1～4％。在各類磨損中，磨粒磨損約占50％。分類①磨粒沿一個(gè)固體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損稱為二體磨粒磨損。當(dāng)磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近平行時(shí),磨粒與表面接觸處的應(yīng)力較低，因此固體表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。如果磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近垂直時(shí)，常稱為沖擊磨損。此時(shí)磨粒與表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞，在表面上磨出較深的溝槽，并有大顆粒材料從表面脫落。在一對(duì)摩擦副中，硬表面的粗糙峰對(duì)軟表面起著磨粒作用，這也是二體磨損，它通常是低應(yīng)力磨粒磨損。②外界磨粒移動(dòng)于兩摩擦表面之間，稱為三體磨粒磨損。通常三體磨損的磨粒與金屬表面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，往往超過(guò)磨粒的壓潰強(qiáng)度。這種壓應(yīng)力使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞；而脆性金屬表面則發(fā)生脆裂或剝落。分類根據(jù)磨料的固定狀態(tài)把磨料磨損分為自由磨料磨損和固定磨料磨損兩類；在試驗(yàn)室里，有時(shí)把磨粒磨損試驗(yàn)分為：松散磨料磨粒磨損；固定磨料磨粒磨損；半固定磨料磨粒磨損，沖擊磨料磨損等。以力的作用特點(diǎn)分為：①低應(yīng)力磨粒磨損；②高應(yīng)力磨粒磨損研磨；③鑿削式磨粒磨損以磨料的干濕狀態(tài)分：干磨料磨損，濕磨料磨損和流體磨料磨損。以工作環(huán)境分：一般磨粒磨損，腐蝕磨粒磨損和熱磨粒磨損。以相對(duì)硬度分：硬磨粒磨損和軟磨粒磨損。（2）磨粒磨損簡(jiǎn)化模型如圖所示，假定單顆圓錐形磨粒，在載荷ΔL作用下，壓入較軟的材料中，并在切向力的作用下，在表面滑動(dòng)了ΔS的距離，犁出了一條溝槽，則式中A為溝槽截面積，σs為材料受壓屈服極限，B為壓痕直徑。從上式可知，此式與Archard的磨損方程基本上相同，即磨損量與載荷及滑動(dòng)距離成正比，而與被磨損材料的硬度成反比。（2）磨粒磨損簡(jiǎn)化模型與Archard方程比較，磨粒磨損時(shí)的磨損系數(shù)可表達(dá)為：大量的現(xiàn)場(chǎng)觀察分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬的磨粒磨損在很大程度上取決于磨粒的硬度Ha和金屬材料的硬度Hm之比。按Ha和Hm的大小關(guān)系，韌塑性金屬的磨粒磨損體積V和相對(duì)耐磨性εw與磨粒硬度的關(guān)系大致可分成三個(gè)區(qū)域：區(qū)域I——低磨損區(qū)：Hm>1.25Ha，K∝Hm－6；區(qū)域Ⅱ——過(guò)渡磨損區(qū)：0.8Ha＜Hm＜1.25HaK∝Hm－2.5；區(qū)域ⅢE——高磨損區(qū)：Hm＜0.8Ha，K＝常數(shù)。這里耐磨性被定義為磨損體積的倒數(shù)：對(duì)于給定載荷、磨料及摩擦距離時(shí)，εw＝c·Hm。（2）磨粒磨損簡(jiǎn)化模型磨粒磨損常數(shù)由磨粒硬度、形狀和起切削作用的磨粒數(shù)量等因素決定。上述分析忽略了許多實(shí)際因素，例如磨粒的分布情況、材料彈性變形和滑動(dòng)前方材料堆積產(chǎn)生的接觸面積變化等等，因此上述模型近似地適用于二體磨粒磨損。在三體磨損中，一部分磨粒的運(yùn)動(dòng)是沿表面滾動(dòng)，它們不產(chǎn)生切削作用，因而K值應(yīng)當(dāng)降低?？傊瑸榱颂岣吣チＤp的耐磨性必須減少微觀切削作用。例如：降低磨粒對(duì)表面的作用力并使載荷均勻分布；提高材料表面硬度；降低表面粗糙度；增加潤(rùn)滑膜厚度；以及采用防塵或過(guò)濾裝置保證摩擦表面清潔等等。（3）磨粒磨損機(jī)理①微觀切削磨損機(jī)理：

磨粒作用在零件材料表面上的力，可分為法向力和切向力。法向力將磨粒壓入摩擦表面，如硬度試驗(yàn)一樣，在表面上形成壓痕。切向力使磨粒向前推進(jìn)，當(dāng)磨粒的形狀與位向適當(dāng)時(shí)，磨粒就象刀具一樣，對(duì)表面進(jìn)行剪切、犁皺和切削，不過(guò)這種切削的寬度和深度都很小，因此產(chǎn)生的切屑也很小。

雖然切削時(shí)“刀具”，即一般的磨粒，大多具有負(fù)前角的特征，切屑變形也較大些，但在顯微鏡下觀察，這些微觀切屑仍具有機(jī)加工中切屑的特征。這些切屑一般長(zhǎng)寬比較大，切屑的一面較光滑，而另一面則有滑動(dòng)的臺(tái)階，有些還有卷曲現(xiàn)象。微觀切削是材料磨粒磨損的主要機(jī)理。在三體磨料磨損中也會(huì)發(fā)生微觀切削作用。①微觀切削磨損機(jī)理：但是，磨粒和表面接觸時(shí)發(fā)生切削的概率不是很大的，雖然在某種條件下切削磨損量占總磨損量的比例很大。但當(dāng)磨粒形狀較圓鈍時(shí)，或在犁削過(guò)程磨粒的棱角而不是棱邊對(duì)著運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，或磨粒和被磨材料表面間的夾角(迎角)太小時(shí)，或表面材料塑性很高時(shí)，往往磨粒在表面滑過(guò)后，只犁出一條溝來(lái)，把材料推向兩邊或前面，而不能切削出切屑來(lái)，特別是松散的自由磨粒，大概有90％以上的磨粒發(fā)生滾動(dòng)接觸，只能壓出印痕來(lái)，而形成犁溝的概率只不過(guò)10％，這樣切削的可能性就更少了。還有一種情況，如沖擊角較大的沖蝕磨損以及球磨機(jī)磨球?qū)δチ蠜_擊時(shí)，往往在表面上形成壓坑和在壓坑四周被擠壓出唇狀凸緣，只能使表面發(fā)生塑性變形而切削的分量就很少。②塑性擠壓剝落磨損機(jī)理：當(dāng)磨?；^(guò)表面時(shí),除了切削外,大部分磨粒只把材料推向前面或兩旁,這些材料受到很大的塑性形變,卻沒有脫離母體,同時(shí)在溝底及溝槽附近的材料也受到較大的變形。犁溝時(shí)一般可能有一部分材料被切削而形成切屑,一部分則末被切削而僅有塑變，披推向兩側(cè)和前緣。若犁溝時(shí)全部的溝槽體積都被推向兩旁和前緣而不產(chǎn)生任何一次切屑時(shí),則稱之為犁皺。犁溝或犁皺后堆積在兩旁和前緣的材料以及溝槽中的材料,當(dāng)受到隨后的磨料作用時(shí)，可能把堆積起的材料重新壓平,也可能使已變形的溝底材料遭到再一次的犁皺變形,如此反復(fù)塑變,導(dǎo)致材料的加工硬化或其它強(qiáng)化作用,終于剝落而成為磨屑。由于多次變形引起材料晶格的殘余畸變，導(dǎo)致材料不可能再繼續(xù)變形和吸收能量。塑性變形降低了材料應(yīng)力重新分配的能力，故有些截面上(當(dāng)外力不變時(shí))由于應(yīng)力的增長(zhǎng)(集中)逐漸喪失塑性而變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。③疲勞破壞磨損機(jī)理：克拉蓋爾斯基提出“疲勞磨損機(jī)理在一般磨粒磨損中起主導(dǎo)作用”。疲勞一詞是指由重復(fù)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)材料的彈性極限。疲勞磨損系由于表層微觀組織受周期載荷作用而產(chǎn)生的。其特征是材料在強(qiáng)化過(guò)程進(jìn)展的同時(shí)，過(guò)程的速度強(qiáng)烈地決定于周圍的介質(zhì)以及介質(zhì)對(duì)強(qiáng)化的作用。標(biāo)準(zhǔn)的疲勞過(guò)程常有潛伏期，在此期間材料外部發(fā)生硬化但不出現(xiàn)任何微觀破壞。當(dāng)進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，在材料表層出現(xiàn)硬化的滑移塑變層和裂紋。③疲勞破壞磨損機(jī)理：近年來(lái)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。這種現(xiàn)象稱作低周應(yīng)變疲勞，它擴(kuò)大了疲勞一詞的含意。吉寧巴烏姆認(rèn)為疲勞磨損與多次變形表層破壞過(guò)程之間存在著許多共性關(guān)系，這兩種機(jī)理的區(qū)別在于作用于金屬內(nèi)部的應(yīng)力與相應(yīng)的表層變形不同。前者發(fā)生在法向應(yīng)力低于屈服極限，而后者的變形破壞過(guò)程則在塑性變形條件下進(jìn)行的，當(dāng)材料的周期載荷超過(guò)了一定范圍后，過(guò)程發(fā)生了轉(zhuǎn)變。這兩種機(jī)理使材料達(dá)到破壞的加載周期數(shù)是大不相同的，疲勞破壞過(guò)程中表層微觀組織的加載周期數(shù)高于103，而多次變形過(guò)程只有10次或100次。③疲勞破壞磨損機(jī)理：疲勞破壞的破壞源在離表面不遠(yuǎn)處，具有組織的敏感性，其特征為對(duì)破壞的選擇性，至少在發(fā)展開始期是如此。而多次變形的破壞常開始于表面，此處材料達(dá)到最大程度變形常比次表層要早些。疲勞破壞較為局部，具有較深較圓的坑。而多次變形過(guò)程破壞多在表層上留有加工硬化的瓣?duì)钶殙浩渲車加辛鸭y，裂紋出現(xiàn)在表面但不深。吉寧巴烏姆似乎把多次塑變磨損劃為低周疲勞磨損的范疇。

④微觀斷裂(剝落)磨損機(jī)理：磨損時(shí)由于磨粒的壓入大多數(shù)材料都會(huì)發(fā)生塑性變形。但脆性材料，斷裂機(jī)理可能占支配的地位。當(dāng)斷裂發(fā)生時(shí)，壓痕四周外圍的材料都要被磨損剝落，比塑性材料的磨損量大。脆性材料的壓入斷裂，其外部條件決定于載荷大小、磨粒形狀與尺寸和周圍環(huán)境等參量，內(nèi)部參量則主要決定于材料的硬度與斷裂韌性等。對(duì)脆性材料來(lái)說(shuō)，壓痕常帶有明顯的表面裂紋。斷裂韌性低的材料裂紋較長(zhǎng)。當(dāng)橫向裂紋互相交叉或擴(kuò)展到表面時(shí)，就造成微觀斷裂機(jī)理的材料磨損。以上幾種磨料磨損機(jī)理，還有待于進(jìn)一步的研究和闡明。但有一點(diǎn)必須加以說(shuō)明，即磨料磨損過(guò)程中不只是有一種機(jī)理而往往有幾種機(jī)理同時(shí)存在，由于磨損時(shí)外部條件或內(nèi)部組織的變化，磨損機(jī)理也相應(yīng)地發(fā)生變化，往往從一種機(jī)理為主轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N機(jī)理為主。END（4）磨料及其磨損性能磨料的磨損性能和磨料的機(jī)械性能、存在狀態(tài)、結(jié)合狀態(tài)及其大小、形狀和運(yùn)動(dòng)條件等有關(guān)，特別是自然破碎后的角度。磨料的硬度是決定磨料磨損性比較關(guān)鍵的因素，在實(shí)際應(yīng)用上常以它來(lái)判定磨料磨損性的大小。除硬度外，其它如磨料的大小、形狀、強(qiáng)度等對(duì)磨料磨損性都有一定的影響。①磨料的形狀

尖銳的、多角形的磨料比圓而鈍的磨料磨損得快。尖銳的磨料在同一載荷下壓入深度大，容易造成金屬表面的微觀切削，增加磨損量；圓而鈍的磨料壓入深度小，大多數(shù)產(chǎn)生淺的犁溝或壓坑，使材料發(fā)生彈塑性變形或甚至只在彈性變形范圍內(nèi)，不發(fā)生切削，且在自由狀態(tài)時(shí)圓鈍形磨料容易發(fā)生滾動(dòng)，使磨損量變得很小。從簡(jiǎn)單模型的公式可知，磨料愈尖，θ角越大，其正切平均值越大，則磨損率也愈大。②迎角α迎角是指磨料和材料表面接觸時(shí)和表面間的夾角。當(dāng)用角錐(一般磨粒的形狀接近于角椎體)的棱面去切削時(shí)，能否產(chǎn)生一次切削與迎角α有關(guān)，當(dāng)迎角超過(guò)臨界迎角αc時(shí)，才能產(chǎn)生切屑；否則，若是α＜αc則只能產(chǎn)生塑性犁溝，將金屬排向兩邊及邊緣。不同材料的臨界迎角αc是不同的，在30°～90°之間變化；一般，摩擦系數(shù)或鋼的硬度增大，都會(huì)使臨界迎角減小，即容易產(chǎn)生切屑。固定磨料和自由磨料的迎角分布是不同的，根據(jù)迎角分布的概率和臨界迎角，可計(jì)算出切屑形成的概率。③磨粒大小材料磨損量與磨粒大小有關(guān)，一般是隨著磨粒直徑的增大而增大，直到達(dá)到某一臨界尺寸后就不再增大，而這種影響對(duì)非金屬材料來(lái)說(shuō)比金屬更大些。若載荷增大，粒徑超過(guò)臨界尺寸后，磨粒的大小對(duì)磨損仍有影響，不過(guò)影響略小些而已。這個(gè)臨界尺寸大致在80μm左右，與材料成分、性能、預(yù)冷加工、速度與載荷等有關(guān)。④磨粒形狀和大小綜合作用磨粒大小和形狀對(duì)磨損有綜合作用?？死w爾斯基粗略估計(jì)半球形磨粒尺寸在1μm以下，只會(huì)產(chǎn)生彈性變形，成為磨損極微的滑動(dòng)磨損。也有認(rèn)為只要將潤(rùn)滑油中0.1μm以上的磨粒濾掉，即可防止磨料磨損。磨粒大小和形狀可使磨損由滑動(dòng)磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チ夏p，也可以從彈性變形轉(zhuǎn)變到塑性變形以致于切削。所以磨粒的尺寸、形狀和位向?qū)δチ夏p有很大的影響，因?yàn)樗鼈冇绊懙綇膹椥越佑|到塑性接觸的載荷和應(yīng)力，以及引起臨界斷裂壓痕尺寸與溝糟尺寸的變化。⑤磨粒硬度

一般磨料磨損是指磨料的硬度比材料表面高得多，但當(dāng)磨料的硬度比材料硬度低時(shí)，也會(huì)發(fā)生磨損，只是磨損量很小而己。故材料的耐磨性不僅決定于材料的硬度Hm，而且更主要的是決定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。當(dāng)Hm／Ha比值超過(guò)一定值后，磨損量便會(huì)迅速降低。即當(dāng)Hm／Ha＜0.5～0.8時(shí)為硬磨料磨損，此時(shí)增加材料的硬度對(duì)其耐磨性增加不大。當(dāng)Hm／Ha＞0.5～0.8時(shí)為軟磨料磨損，此時(shí)增加材料的硬度Hm便會(huì)迅速地提高耐磨性。嚴(yán)格說(shuō)，直接決定材料耐磨性的是金屬材料表面經(jīng)磨損后的最大硬度Hu，而不是材料的體性硬度Hm。⑥磨粒的其它性能磨料的其它性能如韌性、壓碎強(qiáng)度等也影響著磨損率。磨料在受壓力后，先是邊緣受力處發(fā)生少量的塑性流動(dòng)，接著就斷裂，塑性變形和斷裂都使磨料變質(zhì)。磨料壓碎后形成小的切削刃面，增加磨損性能。故磨粒斷裂比邊緣尖角處塑性變形后剝落對(duì)磨料的磨損性影響大。由塑變而衰退變質(zhì)的細(xì)磨料，因表面變鈍，成為彈性接觸，不易形成溝槽。因此，磨料碎裂和變質(zhì)后，其使材料表面的磨損量增加還是減小，則決定磨料的性質(zhì)和磨損條件。⑦磨料的磨損性

磨料的磨損性一般是指磨料破壞零件或刀具的能力，這種能力與磨料本身的特性以及其與零件表層接觸應(yīng)力的大小及方向有關(guān)。（5）影響磨粒磨損的因素影響磨料磨損的因素可分為外部因素與內(nèi)部因素。外部因素即磨損時(shí)的工作條件，包括載荷、速度、溫度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)及受力狀態(tài)、磨料、介質(zhì)與環(huán)境因素等；內(nèi)部條件包括受磨材料的化學(xué)成分、組織相機(jī)械性能等。磨料是影響磨損的重要外部因素，前面已討論過(guò)，其它因素分析如下：

①載荷

根據(jù)磨料磨損的簡(jiǎn)單模型可知，磨損量與載荷成正比。但這種線性關(guān)系一般都有一臨界值，到達(dá)此極限載荷，線性關(guān)系開始破壞。其原因是多種多樣的，主要的如磨粒被壓碎，砂紙破裂，相互作用表面的摩擦熱使溫度升高發(fā)生一系列的組織和性能變化，材料表面加工硬化，磨粒受摩擦熱的影響而變質(zhì)以及三體磨料磨損時(shí)磨料對(duì)表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化等，都能引起磨損量改變，破壞磨損量與載荷的線性關(guān)系。②滑動(dòng)距離若磨粒在滑動(dòng)過(guò)程中條件不變，如磨粒不變圓鈍或碎裂，則磨損量與滑動(dòng)距離一般成正比，否則磨損量將有改變。③磨料和材料表面的相對(duì)速度

磨損條件和環(huán)境的改變會(huì)使滑動(dòng)速度對(duì)磨損的影響產(chǎn)生不同的結(jié)果。當(dāng)速度較小時(shí)，磨損率隨速度的增高而有下降的趨勢(shì)，以后又逐漸升高，到達(dá)一定速度后趨于常數(shù)。鮑登和泰伯發(fā)現(xiàn)，金屬表面由于摩擦所引起的溫升將隨著摩擦速度增高而增高，及至到達(dá)金屬的熔點(diǎn)，此時(shí)，就與速度無(wú)關(guān)了。因此磨損的增加可能是溫度增高所致。磨料磨損時(shí)金屬表面熱量的增加率大顆粒磨料比小顆粒的要大。在低速時(shí)，速度對(duì)磨損的影響并不重要，而高速時(shí)，特別在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，速度對(duì)磨損的影響實(shí)際上是溫度對(duì)磨損的影響，若此時(shí)將載荷減小，這種影響將會(huì)降低。④熱和溫度摩擦?xí)r，載荷和速度對(duì)磨損的影響，實(shí)際上是由于熱和溫度的影響所致。特別在高溫時(shí)，熱能引起材料表面的氧化、軟化、硬化甚至于熔化，這樣就使表面的磨損變得復(fù)雜了。⑤腐蝕環(huán)境和水蒸汽

存在有酸性液體介質(zhì)的作用，其pH值在2.5～4范圍內(nèi)，對(duì)零件有磨損和腐蝕的雙重作用，使磨損量增加。水汽的存在，也足以使磨損加速，三體磨料磨損時(shí)，在大于通常濕度下，特別是絕對(duì)濕度大于10％以上時(shí)，磨損率隨濕度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)甚速。在小于10％時(shí)則影響不大。兩體磨料磨損時(shí)，相對(duì)濕度從0～65％變化時(shí)，磨損率都隨著增加。磨損率的變化和磨料由于濕氣而容易碎裂成較多較尖銳的小磨粒，腐蝕化學(xué)膜的作用，磨粒衰退以及載荷、作用時(shí)間等有關(guān)，是比較復(fù)雜的問題。⑥材料的內(nèi)部因素材料內(nèi)部因素包括材料的成分、微觀組織特征及機(jī)械性能等。三者互有聯(lián)系，互有影響。金屬材料的化學(xué)成分和熱處理狀態(tài)決定了它們的組織。耐磨性與化學(xué)成分和微觀組織有關(guān)。對(duì)一定成分的材料，它的耐磨性和體性硬度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。影響磨料磨損的微觀組織參數(shù)主要有：基體組織、第二相、夾雜物、晶界、內(nèi)缺口和各向異性。影響磨料磨損的材料性能主要有：硬度、斷裂韌性、彈性模量、真實(shí)切斷抗力和抗拉強(qiáng)度等。3.疲勞磨損（1）定義與分類（2）疲勞磨損機(jī)理（3）影響疲勞磨損的因素（1）定義與分類定義：

兩個(gè)相互滾動(dòng)或者滾動(dòng)兼滑動(dòng)的摩擦表面，在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用下，由于材料疲勞剝落而形成凹坑，統(tǒng)稱為表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損。除齒輪傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承等以這種磨損為主要失效方式之外，摩擦表面粗糙峰周圍應(yīng)力場(chǎng)變化所引起的微觀疲勞現(xiàn)象也屬于此類磨損。不過(guò)，表面微觀疲勞往往只發(fā)生在磨合階段，因而是非發(fā)展性的磨損。一般說(shuō)來(lái)，表面疲勞磨損是不可避免的，即便是在良好的油膜潤(rùn)滑條件下也將發(fā)生．對(duì)于發(fā)展性的疲勞磨損6Z保證在正常工作時(shí)間以內(nèi)不致因表面疲勞凹坑的惡性發(fā)展而失效。分類：以裂紋萌生位置分為：表層萌生和表面萌生疲勞磨損①表層萌生疲勞磨損

表層萌生的疲勞磨損主要發(fā)生在一般質(zhì)量的鋼材以滾動(dòng)為主的摩擦副．在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，這種磨損的疲勞裂紋發(fā)源在材料表層內(nèi)部的應(yīng)力集中源，例如非金屬夾雜物或空穴。通常裂紋萌生點(diǎn)局限在一狹窄區(qū)域，典型深度為0.3mm左右，與表層內(nèi)最大剪應(yīng)力的位置相符合。

裂紋萌生以后，首先順滾動(dòng)方向平行于表面擴(kuò)展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剝落后形成凹坑，其斷口比較光滑。這種疲勞磨損的裂紋萌生聽需時(shí)間較短，但裂紋擴(kuò)展速度緩慢。分類：表層萌生疲勞磨損通常是滾動(dòng)軸承的主要破壞形式．近年來(lái)，由于真空冶煉技術(shù)和退氧鋼的發(fā)展，鋼材內(nèi)部質(zhì)量明顯提高，大大減少了疲勞裂紋在表層內(nèi)萌生的可能性，使表面萌生疲勞磨損的可能性增加。

②表面萌生疲勞磨損

表面萌生的疲勞磨損主要發(fā)生在高質(zhì)量鋼材以滑動(dòng)為主的摩擦副。裂紋發(fā)源在摩擦表面上的應(yīng)力集中源，例如切削痕、碰傷痕、腐蝕或其它磨損痕跡等。此時(shí)，裂紋由表面出發(fā)以與滑動(dòng)方向成20°～40°角向表層內(nèi)部擴(kuò)展，到一定深度后分叉形成脫落凹坑，其斷口比較粗糙。這種磨損的裂紋形成時(shí)間很長(zhǎng)，但擴(kuò)展速度十分迅速，介質(zhì)和潤(rùn)滑劑對(duì)裂紋擴(kuò)展有影響。由于表層萌生疲勞破壞坑邊緣可以構(gòu)成表面萌生裂紋的發(fā)源點(diǎn)，所以通常這兩種疲勞磨損是同時(shí)存在的。分類：以失效形式分為：鱗剝(spalling)和點(diǎn)蝕(pitting)兩種。前者磨屑呈片狀，凹坑淺而面積大；后者磨屑多為扇形顆粒，凹坑為許多小而深的麻點(diǎn)。不同熱處理鋼實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，對(duì)于退火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼，疲勞磨損以點(diǎn)蝕形式出現(xiàn)，而滲炭淬火鋼的疲勞磨損是產(chǎn)生鱗剝，兩種疲勞磨損坑形狀如圖所示。無(wú)論是退火鋼或調(diào)質(zhì)鋼、純滾動(dòng)或滾動(dòng)兼滑動(dòng)的摩擦副，點(diǎn)蝕疲勞裂紋起源于表面，再順滾動(dòng)方向向表層內(nèi)擴(kuò)展，并形成扇形的疲勞坑．鱗剝疲勞裂紋始于表層內(nèi)，隨后裂紋與表面平行向兩端擴(kuò)展，最后在兩端斷裂，形成沿整個(gè)試件寬度上的淺坑。（2）疲勞磨損機(jī)理

1935年，S.Way提出疲勞點(diǎn)蝕的形成機(jī)理。在有潤(rùn)滑油存在的摩擦接觸情況下，在疲勞磨損的初期階段是形成微裂紋，無(wú)論有無(wú)潤(rùn)滑油存在，循環(huán)應(yīng)力起著主要作用。裂紋萌生在表面或者在表層，但很快擴(kuò)展到表面。在摩擦過(guò)程中，摩擦力促使表面金屬流動(dòng)，因而疲勞裂紋往往有方向性，即與摩擦力方向一致．在接觸壓力下的高壓油波被擠入裂紋，對(duì)裂紋壁產(chǎn)生沖擊作用，接觸面的對(duì)偶又將裂紋口封住，裂紋內(nèi)的油壓進(jìn)一步升高，使裂紋向縱深發(fā)展。當(dāng)裂紋的擴(kuò)展至與表面相接或是裂紋與表面間的小塊金屬的根部不能承受接觸應(yīng)力時(shí)，即發(fā)生小塊金屬的剝落形成點(diǎn)坑，如圖所示。（2）疲勞磨損機(jī)理①發(fā)生點(diǎn)蝕的必要條件是使用潤(rùn)滑油；②如果油的粘度高于一定值，由于油不容易進(jìn)入裂紋，點(diǎn)蝕將不會(huì)產(chǎn)生；③非常光滑的接觸表面，不容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕；④熱處理狀態(tài)對(duì)點(diǎn)蝕有顯著的影響。之后，又提出由于摩擦溫度形成點(diǎn)蝕的理論。當(dāng)兩圓柱體接觸時(shí)，由于表面粗糙不平，接觸區(qū)某些部位壓力很大，必然發(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，因此接觸區(qū)的金屬組織發(fā)生變化并產(chǎn)生體積膨脹效應(yīng)，使表層金屬隆起，于是在表面層形成裂紋或分層，然后在潤(rùn)滑油的作用下形成點(diǎn)蝕。（3）影響疲勞磨損的因素接觸疲勞磨損過(guò)程十分復(fù)雜，影響因素繁多，可以歸納為以下四個(gè)方面:①在干摩擦或潤(rùn)滑條件下的宏觀應(yīng)力場(chǎng)；②摩擦副材料的機(jī)械性質(zhì)和強(qiáng)度；③材料內(nèi)部缺陷的幾何形狀和分布密度；④潤(rùn)滑劑或介質(zhì)與摩擦副材料的作用。

載荷性質(zhì)

首先載荷大小決定了摩擦副的宏觀應(yīng)力場(chǎng)，直接影響疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，通常認(rèn)為是決定疲勞磨損壽命的基本因素。此外，載荷性質(zhì)也有著巨大的影響。短期的高峰載荷周期性地附加在基本載荷上反而提高接觸疲勞壽命。只有當(dāng)高峰載荷作用時(shí)間接近于循環(huán)周期時(shí)間一半時(shí)，才開始降低接觸疲勞壽命。應(yīng)力循環(huán)速度也影響接觸疲勞。由于摩擦表面在每次接觸中都要產(chǎn)生熱量，應(yīng)力循環(huán)速度越大，表面積聚熱量和溫度就越高，使金屬軟化而降低機(jī)械性能，因此加速表面疲勞磨損。材料性能鋼材的冶煉質(zhì)量對(duì)零件的接觸疲勞磨損壽命有明顯的影響。鋼中非金屬夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，嚴(yán)重降低接觸疲勞壽命。特別是脆性?shī)A雜物，在循環(huán)應(yīng)力作用下與基體材料脫離形成空穴，構(gòu)成應(yīng)力集中源，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的早期出現(xiàn)。軸承鋼對(duì)非金屬夾雜物有嚴(yán)格的要求。軸承鋼的接觸疲勞壽命與夾雜物的類型、形態(tài)和數(shù)量有很大的關(guān)系。夾雜物尺寸愈大、分布愈不均勻，危害愈大。特別是位于接觸面表層(大約1mm)的夾雜物影響更大。鋼中的氧、氫、氮等氣體也會(huì)降低滾動(dòng)元件的接觸疲勞壽命。在滾動(dòng)接觸情況下，滾動(dòng)元件的材料匹配非常重要。材料的彈性和塑性對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞壽命有很大的影響?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)來(lái)確定最佳的匹配關(guān)系。材料性能通常增加材料硬度可以提高抗疲勞磨損能力,但硬度過(guò)高,材料脆性增加,反而降低接觸疲勞壽命。滲碳鋼或其它表面硬化鋼的硬化層厚度影響抗疲勞磨損能力。硬化層太簿時(shí),疲勞裂紋將出現(xiàn)在硬化層與基體的連接處,容易形成表層剝落。選擇硬化層厚度應(yīng)使疲勞裂紋產(chǎn)生在硬化層內(nèi)。此外,合理地提高硬化鋼基體的硬度可以改善表面抗疲勞磨損性能。接觸疲勞磨損產(chǎn)生于滾動(dòng)元件接觸表面，所以表面狀態(tài)對(duì)接觸疲勞壽命有很大的影響。粗糙的表面容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕。以滾動(dòng)軸承為例，粗糙度為Ra0.2的軸承壽命比Ra0.4的高2～3倍，而粗糙度低于Ra0.05的對(duì)壽命影響甚微。此外，在部分膜彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下，由油膜厚度和表面粗糙度所確定的膜厚比是影響表面疲勞的重要參數(shù)。潤(rùn)滑劑的物理與化學(xué)作用增加潤(rùn)滑油的粘度將提高抗接觸疲勞能力。通常認(rèn)為增加潤(rùn)滑劑粘度可以提高疲勞壽命是由于彈流油膜增厚,從而減輕粗糙峰互相作用的結(jié)果。但其不能解釋某些無(wú)油滾動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)接觸疲勞,而加入潤(rùn)滑油后迅速發(fā)生接觸疲勞的現(xiàn)象。改變潤(rùn)滑劑的粘度數(shù)值可使接觸疲勞壽命差別2倍，而潤(rùn)滑劑的化學(xué)成分不同可以影響接觸疲勞壽命變化10倍。一般說(shuō)來(lái)，潤(rùn)滑劑中含氧和水分將劇烈地降低接觸疲勞壽命。當(dāng)含有對(duì)裂紋尖端有腐蝕作用的化學(xué)成分時(shí)，也顯著降低接觸疲勞壽命。如果添加劑能夠生成較強(qiáng)的表面膜并減小摩擦?xí)r，將提高抗疲勞磨損能力。環(huán)境對(duì)于接觸疲勞磨損也有一定的影響。在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，或者礦物油中含有水分，都加速接觸疲勞磨損。溫度升高，將使?jié)櫥瑒┑恼扯冉档?，油膜厚度減小，導(dǎo)致接觸疲勞磨損加劇。4.腐蝕磨損（1）定義與分類（2）氧化磨損（3）特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損（1）定義與分類定義：

在液體、氣體或潤(rùn)滑劑的工作環(huán)境中，相互作用的摩擦表面，之間會(huì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，在表面形成腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物常粘附不牢，在摩擦過(guò)程中被剝落下來(lái)，而新的表面又繼續(xù)和介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這種腐蝕和磨損的相互重復(fù)過(guò)程，稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損是極為復(fù)雜的過(guò)程，環(huán)境、溫度、介質(zhì)、滑動(dòng)速度、載荷及潤(rùn)滑條件稍有變化，都會(huì)使磨損發(fā)生很大的變化。分類：

腐蝕磨損可分為化學(xué)腐蝕磨損與電化學(xué)腐蝕磨損，化學(xué)腐蝕磨損又可分為氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損兩種。（2）氧化磨損

①氧化磨損過(guò)程：

在摩擦過(guò)程中，金屬表面受空氣或潤(rùn)滑劑中氧的作用形成氧化膜，然后氧化物不斷地被磨去而使零件金屬發(fā)生損耗的現(xiàn)象，稱為氧化磨損。除極少數(shù)貴金屬外，潔凈的金屬一旦與空氣接觸，立即與空氣中的氧反應(yīng)成為單分子層的氧化膜。以后膜的厚度逐漸增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速率隨時(shí)間而變化。在摩擦過(guò)程中，由于固體表面和介質(zhì)間相互作用的活性增加，故形成氧化膜的速率要比靜態(tài)時(shí)快得多，因此在摩擦過(guò)程個(gè)被磨去的氧化膜在下一次摩擦的間歇中會(huì)迅速地生長(zhǎng)出來(lái)，并被繼續(xù)磨去。這便是氧化磨損過(guò)程。造成氧化磨損的條件有三：(1)摩擦表面氧化的速率大于氧化膜被磨損的速率；(2)氧化膜與基體結(jié)合的強(qiáng)度大于摩擦表面的剪切應(yīng)力；(3)氧化膜厚度大于表面磨損破壞的深度。②氧化磨損方程：

Archard的粘著磨損方程，首先且主要的是假設(shè)表面相互作用發(fā)生在完全潔凈的條件下，也就是說(shuō)在完全真空中才能滿足。但實(shí)際并非如此，金屬在大氣中，表面不可避免地會(huì)蒙上一層粘染膜，魁音(Quin)曾推導(dǎo)出鋼的氧化磨損方程。假如將Archard方程中的磨損系數(shù)K理解為在磨損時(shí)，磨屑脫落以前需要1／K次接觸才能形成厚度為ξ的臨界氧化膜。這就是說(shuō)，假定在微凸體每次接觸時(shí)摩擦熱都促使氧化物形成，直到經(jīng)數(shù)次接觸后，氧化膜的厚度足以使它脫離金屬基體為止。氧化膜可能被硬的微凸體簡(jiǎn)單地犁去，或者由于粘著作用而脫開。若Δt為一次接觸所需的時(shí)間，則形成臨界厚度所需的總時(shí)間t為t＝Δt／K（4－1）②氧化磨損方程：若d為一次遭遇時(shí)的滑動(dòng)距離，v為滑動(dòng)速度，則Δt＝d／v將Δt之值代入式(4—1)中得

t＝d／vK

（4－2）根據(jù)擴(kuò)散理論，單位面積上生成氧化物的質(zhì)量m可從下式得到Δm2＝Ct，設(shè)Δm＝ξρ式中C為常數(shù)，ρ為氧化膜密度。有ξ2＝Ct/ρ2即

t＝ξ2ρ2/C（4－3）②氧化磨損方程：聯(lián)立（4－2）與（4－3）式，有d/vK=ξ2ρ2/CK=Cd/vξ2ρ2

（4－4）已知C＝A0exp(一E／RT)（4－5）式中：A0——阿侖紐斯常數(shù)；E——激活能；R——通用氣體常數(shù)；T——滑動(dòng)界面上的絕對(duì)溫度。將式(4－5)中的C值代入式(4－4)中得K＝A0exp(－E/RT)·d/vξ2ρ2(4-6)②氧化磨損方程：將K值代入Archard方程氧化磨損方程為Wv/S=[A0exp(－E/RT)·d/vξ2ρ2]·L/3H(4-7)由式可知，單位滑動(dòng)距離的體積磨損量直接受控于K，高K值意味著磨損增加。式中的d，假設(shè)接觸面積為圓形，則d為圓面積，由法向載荷來(lái)決定。T表示表面溫度，T增高和滑動(dòng)速度增高都使氧化變得容易，減少磨損。ξ2一項(xiàng)，比較難以解釋。在(4－7)式中表示臨界氧化膜愈厚則磨損率愈小。③氧化膜性質(zhì)對(duì)磨損的影響：氧化膜與基體金屬的體積比氧化膜的破壞速率取決于其與基體的結(jié)合強(qiáng)度和所作用的應(yīng)力。若氧化物的體積與生成這部分氧化物所消耗的基體金屬的體積差不多，則氧化物所形成的膜是致密的、完整的并牢固地覆蓋在金屬表面上。若氧化物的體積比基體金屬體積小，則膜中出現(xiàn)拉應(yīng)力，使膜破裂，或出現(xiàn)多孔疏松的膜。若氧化物的體積大于金屬的體積，隨著氧化膜的生長(zhǎng)，膜的體積不斷膨脹，在膜內(nèi)形成平行于表面的壓應(yīng)力以及垂直于表面膜使膜脫開表面的拉應(yīng)力。膜愈厚則內(nèi)應(yīng)力愈大。這樣就會(huì)使表面膜形成裂紋或從表面脫落。另外，如表面溫度發(fā)生變化，以及表面膜與金屬膨脹系數(shù)不同，也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而脫落。氧化膜硬度H0與金屬硬度Hm比當(dāng)H0>>Hm時(shí)，因基體太弱，無(wú)法支承載荷，故即使外力很小，氧化膜也很易破碎；當(dāng)H0≈Hm時(shí)，在載荷作用下發(fā)生小變形時(shí)，兩者同時(shí)變形，氧化膜不易脫落。當(dāng)載荷變大后，變形增大，氧化膜也易破碎；當(dāng)H0

和Hm都很高時(shí)，在載荷作用下變形很小，氧化膜不易變形，耐磨性增加。氧化膜與工作環(huán)境的關(guān)系如鋼鐵摩擦副，當(dāng)載荷小、滑動(dòng)速度低時(shí)，氧化膜主要組成物為Fe2O3；但當(dāng)速度增大、載荷增大后，則主要為Fe3O4。這一方面是由于表面溫度的影響，而另一方面也由于滑動(dòng)速度對(duì)膜厚的影響。環(huán)境中的水汽、氧、二氧化碳及二氧化硫等對(duì)表面膜的影響也大。氧化膜的機(jī)械性能脆性氧化膜與基體金屬結(jié)合能力差，容易被磨掉，若氧化膜的硬度較大，結(jié)果氧化膜被嵌入金屬內(nèi)，成為磨料。如上述鋁及鋁合金上生成的晶態(tài)氧化鋁或剛鋁石的膜，很可能破碎后嵌入基體，對(duì)極硬的鋼都可能產(chǎn)生磨料磨損，因?yàn)閯備X石比鐵的氧化物硬得多。反之，如為韌性而致密的氧化膜，則與基體結(jié)合牢固，不易磨掉。若氧化物較軟，則對(duì)另一表面磨損就小，例如鎂表面生成軟的氫氧化物，對(duì)磨損的影響就不大，有的甚至有防止粘著的作用。即使象錫那樣的軟金屬也會(huì)使硬鉻鋼發(fā)生磨損。在有利于氧化的條件下，要比硬鋼對(duì)硬鉻鋼的磨損大得多。有些氧化物的摩擦磨損性能還與溫度有關(guān)。如PbO，在250℃以下潤(rùn)滑性能不好，但超過(guò)此溫度時(shí)，就成為比MoS2還好的潤(rùn)滑劑。（3）特殊介質(zhì)中的腐蝕磨損

①磨損過(guò)程：殊特介質(zhì)中的腐蝕磨損是指摩擦副工作在除氧以外的其它介質(zhì)(如酸、堿、鹽等)中，并和它們發(fā)生作用形成各種不同的產(chǎn)物，又在摩擦中被除去的過(guò)程。它的磨損過(guò)程和氧化膜的磨損過(guò)程十分相似，使材料的磨損速度較大。腐蝕作用加速，磨損也加速。但若在某種介質(zhì)中使金屬形成一層致密的并與基體結(jié)合強(qiáng)度高的保護(hù)膜，則可使腐蝕磨損速度減小。②影響因素腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)、溫度與零件應(yīng)力狀態(tài)的影響

腐蝕磨損的速度隨著介質(zhì)腐蝕性的強(qiáng)弱、腐蝕溫度高低的影響而變化。在摩擦學(xué)領(lǐng)域中，常利用腐蝕磨損為人類服務(wù)，如在磨合油里加入一定量的活性元素化合物，可縮短磨合時(shí)間和防止粘著磨損。在受高應(yīng)力作用的摩擦副(如雙曲線齒輪副)的潤(rùn)滑油中加入極壓添加劑，就是使金屬表面生成氯化物硫化物或磷化物等薄膜，以防止摩擦副表面膠合或咬死，即以輕微的腐蝕磨損來(lái)防止嚴(yán)重的粘著磨損。零件所受的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)腐蝕磨損影響也極大。當(dāng)零件受重復(fù)應(yīng)力時(shí)，其腐蝕作用大大增加。腐蝕磨損還受到電位差的影響，即電化學(xué)腐蝕。②影響因素材料性質(zhì)的影響

軸瓦材料中的鉛和鎘，容易被潤(rùn)滑油氧化所生成的有機(jī)酸所腐蝕，開始在軸瓦表面生成黑點(diǎn)，并逐漸擴(kuò)展成為海綿狀空洞，在摩擦過(guò)程中呈小塊狀剝落，因此在使用鉛鎘軸瓦時(shí)應(yīng)特別注意。鎳、鉻、鈦等金屬在特殊介質(zhì)作用下易形成結(jié)合力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密的鈍化膜。鎢、鉬在500℃以上，表面會(huì)生成保護(hù)膜，因此，鎢鉬是抗高溫腐蝕磨損的金屬，鎳、鉻是抗腐蝕磨損的金屬。此外由碳化鎢或碳化鈦組成的硬質(zhì)合金，都具有耐腐蝕磨損的能力。三、磨損的轉(zhuǎn)化與復(fù)合生產(chǎn)實(shí)踐中所遇到的磨損往往表現(xiàn)得十分復(fù)雜，人們遲至本世紀(jì)二十年代還為其困惑不解。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觀察和分析手段逐漸完備，才有可能歸納出四個(gè)基本形式——粘著、磨料、疲勞、腐蝕。實(shí)際表現(xiàn)出來(lái)的磨損，常不能單純地納入某一種基本型式。如電火花侵蝕磨損——電蝕磨損。在一些通電流的摩擦副表面上，常會(huì)有電火花跳過(guò)，例如整流器的銅環(huán)與電刷。銅環(huán)被電火花擊損、電刷也發(fā)生磨損，隨之加劇跳火，使磨損更趨惡化。電火花侵蝕原理可用于精密加工；合理控制電流和電壓，可以獲得精密的加工尺寸及表面質(zhì)量。因此，實(shí)際中的許多磨損現(xiàn)象往往是磨損基本類型的轉(zhuǎn)化或(和)復(fù)合。1.磨損形式的轉(zhuǎn)化磨損型式可以隨工作條件變化而轉(zhuǎn)化。通常機(jī)械中摩擦副的主要工作參數(shù)是相對(duì)滑動(dòng)速度vs和載荷W。如圖所示鋼材摩擦副在固定載荷條件下，相對(duì)滑動(dòng)速度vs和磨損型式的關(guān)系。當(dāng)滑動(dòng)速度vs很低時(shí)，主要發(fā)生氧化磨損，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)紅褐色Fe2O3磨屑，磨損率很小。隨vs增大，氧化膜破裂，表面裸露金屬，直接接觸，將轉(zhuǎn)化為粘著磨損，磨損量顯著增大?；瑒?dòng)速度vs再高，摩擦溫度上升，有利于形成黑灰色Fe3O4氧化膜，隨后又轉(zhuǎn)化成氧化磨損，磨損率又下降。如果vs再繼續(xù)增大，再次轉(zhuǎn)化成粘著磨損。磨損變得十分劇烈，導(dǎo)致失效。1.磨損形式的轉(zhuǎn)化圖表示載荷變化和磨損形式的關(guān)系。相對(duì)滑動(dòng)速度固定，載荷小時(shí)主要是氧化磨損；當(dāng)壓力p低于某值p0時(shí)，出現(xiàn)的氧化物是Fe2O3；當(dāng)p＞p0時(shí)，則出現(xiàn)FeO、Fe3O4和Fe2O3三種混合的氧化物。p達(dá)臨界值pcr后，便轉(zhuǎn)化成危害性的粘著磨損。2.邊界潤(rùn)滑磨損金屬摩擦副在邊界潤(rùn)滑條件下滑動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑添加劑本身或添