第三章-磨损及磨损机理

1、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）磨损量跑合稳定磨损阶段剧烈图3.1 磨损三个阶段的示意图摩擦行程（时间）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，

2、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，

3、他指出摩擦材料的压缩屈服极限b(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(mE/H105)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

4、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()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

5、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

6、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。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

7、；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。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破坏现象损坏原因

8、轻微磨损剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料极轻微粘着结合处强度比摩擦副的两基体金属都弱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粘着结合处强度大于较软金属的剪切强度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撕脱（深掘）剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处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咬死摩擦副之间咬死，不能相对运动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磨损规律a.阿查德（Arc

9、hard）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r2，则所支承的载荷Ni=br2。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Q=23r3（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：图3.2 阿查德的微凸体相遇模式所受的载荷为N，将代入上式，则得：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，用系数k来表示：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式中：Q 总磨损量； N 法向载荷； L 滑动距离； b 材料的压缩屈服

10、极限（硬度）。根据以上结果，可以得出以下结论：.磨损量与滑动距离成正比；磨损量与法向载荷成正比，而与表观面积无关；磨损量与较软材料的压缩屈服极限（硬度）成反比；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3b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。图3.3 吉本-筑添的表面接触模型Nb.吉本（Yoshimoto）与筑添（Tsukizoe）的计算式

11、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。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同。唯每个微凸体的形状为锥体：则：总磨损量此式中考虑了几何性质的因素tg，从式中可以看出，当表面越光滑(越大)， tg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。即式中： 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，趋向于1。表示几

12、乎全是金属直接接触。阿查德的磨损量计算公式为： 罗厄的修正公式为： 根据修正的粘着摩擦理论，真实接触面积则式中：km 为概率系数，但与阿查德的k数值不同，主要是考虑了表面膜及几何因素等； 为摩擦系数； 由剪切力引起的接触面积增大系数，它满足以下关系：2+f2=b2 压应力； f 表面膜的剪切强度； b 压缩屈服极限。 将上式写成：式中：k 被定义为磨损系数。与接触产生的概率、摩擦副的材料、几何性质、表面膜的破损程度等因素有关。从罗厄和阿查德的公式中都有说明磨损量与法向载荷成正比，与较软材料的硬图3.4 粘着磨损的特征度成反比。这正好与粘着摩擦理论相一致。在罗厄的修正公式中，包含了剪切力的影响和

13、表面膜的影响。如表面膜损伤系数很小，则磨损量就会大大降低。 d.威尔士（Welsh）的研究考虑了温度的影响。威尔士认为，随着载荷与滑动速度的改变，会引起摩擦表面温度的升降，从而造成粘着磨损特征的明显变化（图3.4）。 温度在T1以下时，磨屑基本上是氧化物，属于轻磨损；温度超过T1，进入严重磨损，特征是磨屑由金属之间焊合后再剪断而产生的，表明此时表面上在轻载时建立的氧化膜破裂，磨损由亚表层的塑性变形造成。T1是从轻微磨损到严重磨损的转变点。当温度到达T2后，由于表面温度相当高，约有90的塑性变形能转为热能。如果这些热保留在摩擦副中，则会出现高达1000的瞬现温升（约在10-3s内）。这样的温度足

14、够引起表面层的相变（如出现“白层”结构）它将阻碍塑性变形的发展，并能帮助建立氧化膜。这时的磨损率又显著下降。温度再升高到T3，此时可使表面层迅速变成硬化状态。在表面上形成氧化层为主要反应，而不发生金属转移。所以磨损率又下降。图3.5 磨损的转化但他并没有解释为何到更高温度时磨损率又向上。e.查尔德（Child）的研究他研究了载荷与速度对软钢-软钢无润滑条件下的磨损状态（见图3.5），表明磨损随工作条件的改变而发生转化。 在低速低载荷范围（A区），金属表面发生硬化，并降低了粗糙度。在氧化膜的保护下，磨损基本上属于氧化膜的机械磨损。速度和载荷稍高（B区），氧化膜有可能破裂而产生严重的金属转移及磨损

15、。在更高的速度下（C区），由于摩擦热引起氧化及相变硬化，又恢复了氧化膜的保护作用。当速度再提高（D区），由于温度升高，严重的表面软化现象又可以引起严重磨损。速度再高（E区），则又出现氧化膜起主导作用的现象。这两个试验表明了温度对磨损的重要作用。由于金属材料在不同的温度下会产生不同的相转变（组织变化），从而改变了表面的硬度，使磨损不符合前面所说的规律。不过，摩擦副在使用过程中，不允许温升过高，也不应该进入严重磨损区。前面所述的磨损规律还是具有实际应用价值的。3.1.2磨料磨损 硬质颗粒或表面上硬的凸体在摩擦过程中引起的材料脱落称为磨料磨损。磨料磨损包括三种情况：在磨料中工作的零件，磨料对零件表面

16、的作用。如与泥沙接触的犁，推土机的刀片，石油钻探机的钻头（二体磨损）；外来的坚硬颗粒夹在两个摩擦面之间滑动所造成的（三体磨损）。外来的磨料可以是磨损脱落的磨屑，也可以是环境中的灰砂尘土；粗糙而坚硬的表面在较软表面上滑动所造成的。 磨料磨损的分类（见表3.2）表3.2 磨料磨损的分类类型产生条件破坏形式实例凿削式磨料磨损磨料对材料表面产生高应力碰撞（见图3.6）从材料表面上凿削下大颗粒的金属。被磨表面有较深的沟槽挖掘机斗齿，破碎机锤头等零件的表面破坏高应力碾碎式磨料磨损磨料与金属表面接触处的最大压应力，大于磨料的压溃强度（见图3.7）一般金属材料被拉伤，韧性材料产生塑性变形或疲劳，脆性材料发生碎

17、裂或剥落球磨机衬板与钢球，轧碎机滚筒等零件的表面破坏低应力擦伤磨料磨损磨料作用于表面的应力不超过磨料的压溃强度（见图3.8）材料表面产生擦伤（或微小切削痕）。犁铧，运输槽板及机械零件被砂尘污染的摩擦表面图3.6 凿削式磨料磨损图3.7 高应力碾碎式磨料磨损图3.8 低应力擦伤磨料磨损 磨料磨损的机理 a.三种假说 微量切削假说：磨损是由于磨料颗粒在金属表面发生的微量切削；疲劳破坏假说：磨损是由于磨料在金属表面上产生交变的接触应力引起；压痕假说：磨损是由于硬质磨料对塑性材料表面引起压痕，从表面上挤出的剥落物。图3.9 锥状微凸体在软表面上犁沟b.磨料磨损的模型可以将磨料看作是具有锥形的硬质颗粒在

18、软材料上滑动，犁出一条沟，一部分金属被挤到沟的两边，另一部分则磨成磨屑。图3.9所示为锥状微凸体在软表面上犁沟的简图。压入深度为h，锥底直径为2r（即犁出的沟槽宽度）。在垂直方向的投影面积为r2（圆面积），软材料的压缩屈服极限b，法向载荷N。滑动时只有半个锥面（前进方向的锥面）承受载荷。共有n个微凸体。则所受的法向载荷N为：将犁去的体积作为磨损量，如滑动距离为L，则单位滑动距离的磨损量（体积磨损量为Q）w（磨损率）为：水平方向的投影面积为一个三角形。磨损量：QnhrL, 则ka不仅包含了微凸体的形状因素，还包含磨损类型的区别。一般二体磨损（零件在磨料中工作）取较大值；三体磨损（磨粒夹在摩擦面之

19、间）则取较小值。此式与粘着磨损有同样的形式：与法向载荷成正比，与软材料的硬度呈反比。前苏联的研究工作者赫鲁晓夫（.）认为材料硬度是磨料磨损最重要的参数。图3.10表示了体积磨损Q与材料硬度Hm和磨粒硬度Ha之间的关系。图3.10 磨料和材料硬度对磨料磨损的影响QHm1.3Ha 为区,低磨损状态；0.8HaHm1.3Ha 为区，过渡状态；Hm0.8Ha 为区，严重磨损状态。c.磨屑形成机理磨料磨损的过程实质上是材料表面在磨料的作用下局部区域发生变形、断裂的过程。在此过程中，磨料对金属接触表面的作用力，可分解为垂直于表面和平行于表面的两个分力。垂直分力的作用是使磨料压入表面；平行分力的作用是使磨料

20、在金属表面上作切向运动，引起表面切向变形和断裂。形成磨屑。由于条件不同，磨屑形成的机理也不同。有三种形式列于表3.3中。表3.3 磨料磨损的磨屑磨屑形式形成条件形成机理塑性磨屑尖锐有棱角的磨料在塑性材料上连续切削。以凿削性磨损为主被削表面塑性变形后留有沟槽，作用力大沟槽深，磨屑呈连续状疲劳磨屑1.磨料硬而棱角不尖锐，压入金属表面，直接形成断屑。凿削性磨损中也有这类磨屑金属被磨料犁皱而不成犁沟。被移动的金属反复疲劳变形形成磨屑2.高应力碾碎性磨损中磨料被金属碾碎，刺入金属表面 磨料以很大的压应力刺入表面，使金属发生变形并前后移动，形成疲劳磨屑3.硬质冲击磨料作用下，金属表面形成凹凸不平的圆坑反复

21、冲击后，圆坑之间的金属多次变形，形成疲劳磨屑脆性磨屑磨料作用在脆性材料上，应力超过材料强度极限脆性材料不发生塑性变形而直接产生裂纹，随后裂纹扩展，形成碎片状磨屑归纳前人的研究，可以认为：对于塑性材料：塑性变形是磨损速率的控制因素；对于脆性材料：断裂是磨损速率的控制因素；图3.11 不同硬度的钢与磨料硬度的关系表面分子作用机理：非常小的磨粒对材料的磨损，磨粒压入深度在表面膜的厚度范围内，虽然看不到塑性变形，但表面膜不断磨损，然后又不断形成。影响磨料磨损的因素a.金属材料硬度的影响 一般来说，材料的硬度越高越好；b.磨料硬度的影响 一般情况下，磨料的硬度越高，金属材料的磨损越大；但超过一定值后，磨

22、损量增加得缓慢了，甚至有所降低。如图3.11所示。c.磨料颗粒大小的影响 一般，金属的磨损量随磨粒平均尺寸的增大而增大，但磨料达到一定临界尺寸后，磨损量保持不变。3.1.3表面疲劳磨损 摩擦副接触表面作滚动或滑动摩擦时，由于周期性载荷，使接触区产生很大的交变应力，导致表面发生塑性变形。在表层薄弱处引起裂纹，逐渐扩展并发生断裂，而造成的点蚀或剥落，称为表面疲劳磨损。表面疲劳磨损的分类a.非扩展性的表面疲劳磨损刚接触时表面间的接触点较少，接触应力较高，很容易就产生小麻点。随着接触面积逐渐扩大，单位面积的实际压应力降低，小麻点就停止扩大。这种现象主要发生在经过加工硬化提高了表面强度的塑性金属表面。b

23、.作用在接触表面上的交变应力较大时，由于材料的塑性稍差或润滑不当，使运动开始初期就发生小麻点，而且在较短的时间内，由小麻点扩展成豆斑状的凹坑。表面疲劳磨损机理表面疲劳磨损，是在摩擦接触面上不仅承受交变压应力，使材料发生疲劳，同时还存在摩擦和磨损，且表面还有塑性变形和温升，因此，情况比一般疲劳更为严重。根据弹性力学的赫兹公式可知，无论是点接触还是线接触，表层最薄弱处是在离表面0.786b处（b为点接触或线接触的接触区宽度的12）。因为这里是最大剪切应力的作用点，最容易产生裂纹。特别是在滚动加滑动的情况下，最大剪切应力的作用点离摩擦表面更近。就更容易剥落产生磨损。对于裂纹产生机理有很多研究：图3.

24、12 表面裂纹示意图a.裂纹从表面产生 在滚动接触过程中，由于外界载荷的作用，表面层的压应力引起表层塑性变形，导致表层硬化，开始出现表面裂纹，如图3.12所示。当润滑油楔入裂纹中（图3.12a）滚动体在运动时又将裂纹的口封住。裂纹中的润滑剂被堵在缝中，形成巨大的压力，迫使裂纹向前扩展。经过多次交变后，裂纹将扩展到一定的深度，形成悬臂状态（图3.12b），在最弱的根部发生断裂，出现豆斑状的凹坑（图3.12c），称为点蚀。这种现象在润滑油粘度低时容易发生。b.裂纹从接触表层下产生 由于接触应力的作用，离表面一定深度（0.786b）的最大剪切应力处，塑性变形最剧烈。在载荷作用下反复变形，使材料局部弱

25、化，在最大剪应力处首先出现裂纹，并沿着最大剪应力的方向扩展到表面，从而形成疲劳磨损。如在表层下最大剪应力区附近，材料有夹杂物或缺陷，造成应力集中，极易早期产生疲劳裂纹。c.脱层理论（分层理论）苏（Suh）认为接触的两表面相对滑动，硬表面的峰顶划过软表面时，软表面上每一点都经受一次循环载荷。在载荷的反复作用下，产生塑性变形。塑性变形沿着材料的应力场，扩展到距表面较深的地方，而不是表面上。因此在表面以下，金属出现大量位错，并在表层以下一定距离内将出现位错的堆积，如遇金属中的夹杂或第二相质点，位错遇阻，导致空位的形成和聚集，此处更易发生塑性流动。这些地方往往是裂纹的成核区域（图3.13）。表层发生位

26、错聚集的位置取决于金属的表面能和作用在位错上正应力的大小。一般，面心立方金属的位置比体心立方金属的深。图3.13 塑性流动的位置根据表面下的应力分布状况，裂纹都是平行于表面的。每当裂纹受一次循环载荷，就在同样深度处向前扩展一个短距离，扩展到一定的临界长度时，裂纹与表面之间的材料，由于剪切应变而以薄片形式剥落下来。裂纹产生的深度由材料的性质及摩擦系数所决定。图3.14 赫兹应力分布的调幅现象后来，富基坦（Fujita）等用NiCr渗碳钢作了实验研究，发现裂纹首先在较浅的部位形成，通过反复接触，产生二次裂纹和三次裂纹，脱层的位置加深。然后，裂纹扩展到表面，而使裂纹上方的金属发生断裂。d.微观点蚀概

27、念勃士（Berthe）等提出微观点蚀概念。过去分析点蚀是用宏观的赫兹应力分析法，以为接触面是理想光滑的。而实际上表面是粗糙的，真实接触在粗糙表面的峰顶。表面粗糙度使赫兹应力分布发生调幅现象（图3.14的实线所示。虚线为理想表面的赫兹应力分布曲线）。每个峰顶上的接触应力引起的点蚀称为微观点蚀。这种点蚀大约是宏观点蚀的110左右。而这种微观点蚀往往都是宏观点蚀的起因。表面疲劳磨损的影响因素a.钢材质量含有夹杂物的钢材，在交变应力作用下，最容易发生疲劳磨损；b.钢材表面硬化层的影响表面硬化层可以提高耐疲劳磨损的能力。但是硬化层不能过薄，如果在芯部材料与表面硬化层过渡区，恰逢位错聚集区，则容易造成表层

28、剥落。c.材料表面硬度的影响对于不同类型的摩擦副均有各自的最佳硬度值。如滚动轴承用的钢材，硬度以HR62为最佳（实验结果）。高于或低于此值轴承寿命都将随之降低。对于齿轮材料，一般来说，小齿轮的硬度应该略高于大齿轮的，这样有利于磨合，使接触应力分布均匀。d.表面光洁度的影响作为滚动或滚滑摩擦件而言，表面光洁度应当尽量高些。特别是硬度较高的零件，光洁度更应高些。但光洁度也有一个最佳值。过高的光洁度对提高疲劳磨损寿命的影响不很大。e.润滑的影响润滑油的粘度越高接触部分的压力越接近平均分布，抗疲劳磨损能力越好。3.1.4腐蚀磨损在摩擦过程中，由于机械作用和摩擦表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，共

29、同引起的物质损失，称为腐蚀磨损，也有称其为机械化学磨损。一般情况下，腐蚀磨损处于轻微磨损状态，而在高温潮湿环境或特殊腐蚀介质中，则处于严重磨损状态。通常，材料表面与环境先起化学或电化学反应，然后通过运动机械作用，将反应生成物去掉；也有可能由机械作用产生微细的磨屑，然后再起化学作用。由于介质的性质，介质作用于摩擦面上的状态以及摩擦副材料的不同，腐蚀磨损的状态也不同。大致可以分为以下几类：氧化磨损在大气或有氧环境的磨损过程中，表面生成一层氧化膜，避免了金属之间的直接接触。磨损过程即是氧化物的磨损。氧化磨损最简单的机理：氧化层形成和生长达到一定厚度，将金属摩擦面隔开。经过摩擦氧化层脱落，由于金属表面

30、与氧化性介质的反应速度很快。氧化膜从表面磨掉后，又很快形成新的氧化膜。如此周而复始。一般在空气中磨损速率较低，金属表面沿滑动方向产生匀细的磨痕和红褐色片状Fe2O3磨屑,或灰黑色丝状Fe3O4磨屑。在静止状态下，氧化速率由氧或金属离子通过氧化层的扩散速率所决定。在摩擦条件下，这种扩散比较容易进行，说明氧化速率比静止时高。磨合过程中的磨损，几乎完全在氧化膜中进行，而不发生金属粘着和转移。但这并不表示金属不被磨损，高点处氧化膜磨损后，暴露出金属又被氧化不发生金属粘着和转移，但表面上金属微凸体的高点在逐渐削平，不过都是以氧化物的形态被磨掉。在有润滑的环境中，油的氧化物和铁的氧化物起反应生成盐类，脂肪

31、酸与金属形成皂类。在金属磨屑中含有皂类化合物又会催化油的氧化，促使表面氧化而磨损增大。氧的浓度越大，磨损也越大。而某些添加剂如硫化物在没有氧或氧化物的环境中几乎不起极压抗磨作用，只有存在Fe3O4时才能起很好的作用。这是由于在摩擦热的作用下，润滑剂或添加剂在氧化环境中进行摩擦化学反应，起到极压抗磨的效果，说明氧化又能促使反应膜的生成而降低磨损。氢致磨损鲍烈可夫（）等发现，在摩擦表面上氢的浓度有所上升，而使磨损加速，称为氢致磨损。其过程如下：a.氢可能来自材料本身或环境介质（润滑油、水），在摩擦过程中，由于力学和化学的作用，导致氢的析出，并不断地进入摩擦副材料的表面层。b.介质中的氢扩散到金属表

32、面的变形层中，由于温度和应力梯度，使氢在扩散后形成富集。c.由于氢的渗入，使表面变形层出现大量的裂纹源。并在很短的时间内形成非常细小而分散的粉末状磨屑。氢致磨损不同于钢的氢脆现象，它只是在摩擦过程中，碳氢类化合物断裂的C-H吸附在金属表面上，在摩擦过程中引起的。其它腐蚀介质的腐蚀磨损金属摩擦副表面可能与酸、碱、盐等介质起作用。一方面可能生成耐磨性较好的保护膜。但另一方面，随着腐蚀速率的增大，磨损也加快。磨损率通常随腐蚀性增强而变大（磨损率还取决于摩擦过程中的载荷、速度和温升等条件）。如耐磨性保护膜的生成速度大于磨损速度，则磨损率不受介质腐蚀性的影响。即磨损均发生在保护膜中。如磨损率大于保护膜的

33、生成速度，则将发生较为严重的金属磨损。如Ni、Cr等金属在特殊介质下，易形成化学结合力较强、结构致密的钝化膜。因而可减轻腐蚀磨损。W和Mo等在500以上形成保护膜，摩擦系数变小。所以这些是耐高温耐腐蚀的金属材料。而含有Cd、Pb等元素的轴承材料，容易被润滑油中的酸性物腐蚀而生成黑斑，并逐渐扩展成海绵状空洞，并于摩擦过程中形成小块剥落。又如Ag、Cu等元素，在温度不高时，就会与润滑油中的硫化物起作用生成硫化膜，有减磨作用；而在高温下，这层膜破裂,且在摩擦时剥落，磨损明显加大。3.1.5其它磨损以上介绍的为磨损的四种基本类型，但实际中表现出的磨损，常不能单纯地纳入上述四类基本形式。有许多是以上基本

34、类型的转化或复合。如图3.15、16所示随速度及载荷的变化，磨损类型也在变化。这说明，磨损类型可以随工作条件的变化而发生转化。图3.15 磨损随速度转化示意图图3.16 磨损随载荷转化示意图 当滑动速度很低时，主要是氧化磨损，出现Fe2O3的磨屑，磨损率很小。随速度的增大，氧化膜破裂，产生裸露金属的直接接触，转化为粘着磨损，磨损量显著增大。滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜的形成，又转为氧化磨损，磨屑为Fe3O4，磨损率又下降。如滑动速度再增大，将再次转化为粘着磨损。磨损变得十分剧烈而导致失效。 载荷的改变也类似，小载荷时主要是氧化磨损。载荷超过临界值时，磨屑由Fe2O3转为Fe2O3和

35、Fe3O4及FeO的混合物。载荷再高就转化为粘着磨损。 同时，有的磨损状态本身就是多种类型的复合。如边界润滑状态下的磨损，既有干摩擦时的氧化及粘着，又因有润滑剂及添加剂等摩擦化学形成的反应生成物等的作用，磨损状态十分复杂。 微动磨损 两个固体接触表面上，发生周期性小振幅的相对运动产生的磨损，称为微动磨损。微动磨损是一种典型的复合磨损，它涉及粘着、磨料、疲劳和腐蚀磨损等多种类型。在紧固件接触中，由于载荷在一定频率的作用下，使紧固件松动，噪声增大。严重时会因磨屑的聚集而导致摩擦副咬死。微动磨损还会使表面或亚表面层中产生微裂纹，在应力反复作用下发展成疲劳断裂，称为微动疲劳。 微动磨损的发生过程：接触

36、压力使结合面上真实接触的峰顶塑性变形，产生粘着；小振幅振动将粘着接点剪切脱落，露出基体金属表面；脱落的颗粒和新生表面又与氧反应生成以Fe2O3为主的氧化物磨屑。由于振幅很小，磨屑不易离开表面，就停留在表面上起磨料的作用（三体磨料磨损）。同时，又因应力的反复作用，微裂纹可发展成疲劳断裂。如果应力足够大，疲劳会继续扩展，以致完全破坏。这就是微动磨损。 微动磨损的损坏特点：摩擦表面有较集中的凹坑，因为活动区很小，粘着、疲劳均集中在很小的范围内。磨损产物是红褐色的氧化物细颗粒。 冯一鸣（Feng）等将微动磨损随循环次数的变化分成4个阶段，如图3.17所示，OA段为起始摩擦时，由于金属转移和磨损造成曲线

37、上升；AB段为过渡阶段，从剪切脱落转到磨料磨损；到BC段磨料作用下降，磨损速率也下降；最终的CD段是由于磨屑增多，隔开接触表面，使粘着减轻，磨损速率低而稳定的阶段。图3.17 微动磨损失重-循环次数关系曲线微动磨损的机理和影响因素： a.粘着的作用 表面粗糙不平，在凸峰处首先开始接触。虽有氧化膜和吸附物质的保护，但由于小振幅的振动，使其很快就破坏，从而形成金属的冷焊接点。这种接点在法向力和切向力的联合作用下，经过多次反复，会在表面下诱发疲劳裂纹。金属的粘着与摩擦副配对材料有关。同种材料配副中容易发生，配对材料有相同的晶格且原子半径差不多大时，易固溶，易粘着；面心立方晶格的金属比密排六方晶格的容

38、易粘着，因其易滑移，容易形成位错。b.磨屑的作用 在微动磨损的初始阶段，粘着材料可能转移到对摩面上，又可能转移回来。不同材料的配偶中，材料从低硬度一方向高硬度一方的表面转移。在此过程中可能形成几种磨屑：转移材料逐步氧化，被逐出表面而成磨屑；连续转移形成的氧化膜反复疲劳产生磨屑；表面凸峰微切削作用产生的磨屑。这类磨屑主要以金属形式脱离母体，但在不断的微动过程中，被粉碎得越来越细，使之具有极大的化学活性，极易氧化。钢铁的微动磨屑呈红棕色，为Fe2O3，是铁元素的最终氧化物。微动磨损由于界面上有磨屑存在，所以构成三体磨损，对表面的损伤比一般滑动摩擦的高。但如果金属的硬度高、脆性高，则有时氧化物磨屑可

39、以阻止进一步粘着而起到保护表面的作用。甚至到微动后期，磨屑增多，将表面完全隔开，从而减小粘着，对载荷起着缓冲作用，直到完全阻止微动。c.脱层的作用 微动磨损属于低速滑动。苏（Suh）认为，只有应力循环交变的次数很多，才能形成亚表面裂纹。经实验观察，微动形成的片状磨屑是在原位上由金属破裂而成，而不是由粘着从对摩面上转移来的。有人提出了微动磨损的模型：表面破裂亚表面破裂片状磨屑产生微动疲劳裂纹萌生。亚表面裂纹的形成，并不是发生在表面下一定深度处，而是在一个深度范围内，因此，一个部位可以产生多层薄片磨屑。d.氧化的作用 氧化对微动磨损有很重要的影响和作用，故微动磨损常称为微动腐蚀。氧化膜可以减缓磨损

40、。氧化膜有一个临界厚度，大于此厚度才能有效地降低磨损。在高温下，氧化膜厚度明显增加，能牢固地与基体结合，可表现出较强的抗微动磨损的能力。在微动作用下，金属常生成微米量级的釉质氧化膜。它虽是釉质（一般为无定形结构），却有明显的晶型，一般为尖晶石结构。由于其表面光滑，摩擦和磨损明显下降，是一种理想的抗微动磨损的保护膜。冲蚀磨损由流动粒子（固体或液体）反复冲击材料表面造成的破坏，称为冲蚀磨损。如水轮机的叶片、轮船的螺旋桨等受到流体的冲击。流体在高压下形成涡流，产生很多气泡。气泡在高压区溃灭，产生较大的循环冲击力，使零件表面疲劳破坏。加上流体介质的化学与电化学作用，更加速了表面的破坏。受流体冲击的零件

41、，表面先产生麻点，在扩展成泡沫或海绵状空穴，严重时深度可达2mm。这种磨损称为气蚀磨损。是一种有气泡爆破作用的冲蚀磨损。冲蚀或气蚀磨损都可看作是疲劳磨损的一种派生型式。根据冲击粒子的种类，冲蚀磨损可分以下几个类型（如表3.4）所列：表3.4 冲蚀磨损的分类冲蚀类型介质第二相实 例喷砂式冲击固体固体粒子燃气轮机、锅炉管道雨蚀、水滴冲击液体液滴高速飞行器、汽轮机叶片泥浆冲蚀固体粒子水轮机叶片、泥浆泵叶轮气蚀气体气泡水轮机叶片、高压阀门密封面3.2磨损的检测与评定研究磨损要通过各种摩擦磨损试验设备，检测摩擦过程中的摩擦系数及磨损量（或磨损率）。摩擦过程中从表面上脱落下来的材料（磨屑），记录了磨损的发

42、展历程，反映了磨损机理，描述了表面磨损的程度。发生磨损后的表面，同样有着磨损机理、磨损严重程度及其发展过程的记载。因此研究磨屑和磨损后表面上的信息是研究磨损的重要一环。3.2.1摩擦磨损试验机及试验设备磨损试验的目的在于研究各种因素对摩擦磨损的影响，从而合理地选择配对材料，采用有效措施降低摩擦、磨损，正确设计摩擦副的结构尺寸及冷却设施等等。摩擦磨损试验大体上可分为实验室试验，模拟试验或台架试验，以及使用试验或全尺寸试验三个层次。各层次试验设备的要求各不相同。实验室评价设备实验室设备主要用于摩擦磨损的基础研究，研究工作参数（载荷、速度等）对摩擦磨损的影响。可以得到单一参量变化与摩擦磨损过程之间的

43、关系。还可控制试验环境，如加润滑（剂或材料、剂量和组分及润滑方式），周围气氛（惰性气氛、真空、温度、特殊介质），求得特定环境条件下的结果。研究者需要选择合适的试验设备和试验条件：试验设备有各种不同的摩擦形式、接触形式和运动形式，有不同的主变参数（载荷、速度）和可测结果（摩擦系数、磨损）。摩擦形式：有滑动摩擦、滚动摩擦及滚动-滑动混合摩擦；接触形式：有点接触、线接触和面接触；运动形式：有旋转运动和直线运动，又各自有单向和往复两种形式。将这些形式排列组合成不同的试验设备。实验室设备的特点是：a.摩擦副是抽象了的各种不同的摩擦形式、接触形式和运动形式，而不是实际摩擦零件的形式；b.要有定量测定摩擦系

44、数和（或）磨损的装置，以及能定量地显示实验条件：载荷和速度。有的设备和试验方法已经标准化。使用标准化的设备和方法，可以得到可比的试验结果。现介绍几种常用的实验室摩擦试验设备（见表3.5）。表3.5 实验室常用的摩擦试验设备摩擦副对偶实验机名称接触及运动形式可测数据应用范围四球机点接触滑动摩擦旋转运动测量不同载荷与速度下球的磨损，磨斑直径和Pb，Pd值适合于评定润滑油、脂、膏的润滑性及抗磨性各种类型的环-块试验机TimkenMHK-500LFW-1HQ线接触滑动摩擦旋转或摆动测量不同载荷与速度下的动摩擦系数和磨痕宽度液体及半固体润滑剂固体润滑材料干膜润滑剂Skoga磨损试验机线接触滑动摩擦旋转测

45、定材料在有润滑和无润滑下的磨损各类固体材料液体润滑剂Falex-0试验机线接触（4线）滑动摩擦旋转在固定速度下改变载荷测定承载能力和耐磨寿命液体润滑剂固体润滑膜Hohman A-6型高温试验机线接触（2线）滑动摩擦旋转高温下固体材料的摩擦系数，磨痕宽度环境和试样温度固体润滑材料各种类型的栓-盘（Pin-Disk）试验机真空试验机高温试验机Falex-6型（有多种接触形式）点接触或面接触滑动摩擦旋转在不同载荷与速度下测定材料的摩擦系数和耐磨性（磨痕宽度，线磨损量，质量损失）及环境（真空度或温度）固体材料固体膜粘滑试验机静动摩擦试验机；点接触滑动摩擦直线或往复在极低的速度下测定材料的静摩擦系数和动

46、摩擦系数（粘滑现象）固体膜固体材料液体或半固体润滑剂RFT往复试验机， 面接触滑动摩擦往复直线运动在不同载荷与速度下测定摩擦系数和耐磨性液体润滑剂和固体润滑材料、固体润滑膜SRV微动摩擦试验机摩擦副：面对面接触 圆柱对面线接触 球对面点接触点、面、线接触滑动摩擦往复直线运动在高速往复滑动下测定摩擦系数和磨损液体润滑剂，固体膜，固体润滑材料滚滑类试验机MM-200AMSLERn1=n2为纯滚动n1=0为纯滑动n1n2为滚滑线接触（纯滚或滚滑），面接触（纯滑）旋转运动摩擦力矩磨损固体膜固体润滑材料液体润滑剂轴承PV值试验机面接触滑动摩擦旋转极限PV值温升液体润滑剂固体润滑材料固体膜交叉圆柱试验机点

47、接触滑（滚）动摩擦旋转摩擦系数模拟试验或台架试验设备模拟试验或台架试验设备是专门设计的，可以模拟实际工况的实验室装置（或称台架）。经实验室筛选试验后，将候选材料做成的零件与实际摩擦副的几何结构相似，接触形式相同，在工况条件、环境条件相同或更苛刻的情况下进行试验。这种实验结果，能比较精确地反映出摩擦副的摩擦磨损的过程。但是实际工况的模拟是十分困难的。载荷和速度可以控制，而表面温度的控制就很难实现。因为毕竟不是真实的摩擦副。相似的尺寸并不一定能做到热性能的模拟。因此要达到满意的实验结果，必须精心设计。台架试验的目的，通常是评定被试摩擦副的性能，能否达到规定的指标（一般规定指标都超过使用时的实际要求

48、），如温升、使用寿命、功率消耗等。表3.6中列举了部分模拟试验设备。模拟试验设备通常是根据需要自行设计的非标准设备，只有少数设备为通用的台架。表3.6 模拟或台架试验设备试验机名称说 明简 图滚动轴承试验机用实际的径向轴承或止推轴承作摩擦副，测轴承使用寿命齿轮或涡轮试验机如FZG齿轮试验机，用齿轮作试件，测载荷下齿轮的磨损情况轴-轴套试验机用轴和轴套作试件，测轴承温升，极限PV值凸轮-挺杆试验机用凸轮和挺杆作试件，在模拟发动机工作条件下试验摩擦副的耐磨寿命丝杠-螺母试验装置使螺旋与螺母作相对运动的装置螺栓-螺帽试验装置试验螺栓与螺帽在可测紧固力矩的条件下表面膜的覆盖状态气缸-活塞环试验装置通常

49、用发动机台架进行试验也有专用的活塞环与活塞环槽摩擦的模拟试验机摩擦离合器试验装置模拟离合器摩擦状态的试验装置端面密封试验装置模拟密封件作动密封时的摩擦状态滚动轴承保持架试验装置模拟滚动体与滚道的滚动摩擦和与保持架的滑动摩擦时的受力及运动状态汽车安全带模拟实验装置使用试验（全尺寸试验）用实际部件甚至整机在实际工况条件及环境下进行试验，考查全部参量对整个摩擦磨损润滑系统综合作用的结果。但这种实验结果很难判断单一因素在整个运转过程中的影响程度，也不容易分析造成磨损失效的根本原因。这种实验的目的是确认系统运转的可靠性。通常这种试验是十分昂贵的，只有非常重要的部件才做全尺寸试验。3.2.2磨屑和表面的检

50、测和评定磨屑的检测 磨屑的形状、大小及数量，磨屑的成分和组织，都可以作为推断曾经发生过的磨损过程和判断磨损严重程度的依据。 磨屑是磨损机理的重要判据之一。一般金属摩擦副在磨合阶段从表面上脱落下来的磨屑，通常，其组分为氧化物，大小和表面微凸体相近。说明在磨合阶段，较高的微凸体顶端被迅速碾平，使承载面积增大。同时表面材料在磨合过程中被加工硬化，使磨损转入平缓的稳态阶段。 摩擦过程中常随着载荷和速度的变化以及温升的影响，磨损机理发生转化。从各阶段的磨屑组分（如Fe屑、Fe2O3或Fe3O4屑）就可以证明这种转化过程。磨屑的形状也是判断磨损机理的证据之一。如粘着磨损的开始阶段，磨屑为半球形。薄片形磨屑

51、证明了苏的脱层理论。在滚动摩擦中，如球状磨屑增多则预示着将出现灾难性失效。细丝状的磨屑（犹如切削过程中形成的切屑），这种磨屑一般是由磨料磨损的微切削过程产生的。但是，不能凭磨屑这个单一的特征来确证磨损机理。因为磨损机理还与材料配对、润滑状况、环境条件等因素有关。磨屑的检测工具，常用的有光学显微镜，扫描电子显微镜（SEM），透射电镜（TEM）等，可检测其形状和尺寸。对油样的光谱分析可检测润滑油中磨屑的数量和组分。X射线荧光分析（RFA），发射光谱分析(ES)，X射线衍射技术等可用于检测少量磨屑的金属元素含量。用放射性同位素示踪技术检测磨损量的精度极高。并可做到不停机条件下随时提供磨损发展的信息。

52、图3.18 铁谱仪原理简图使用铁谱技术（ferrography），将摩擦副中的磨屑从润滑油中分离出来，在铁谱仪（见图3.18）上通过一个梯度磁场的作用，按粒度大小依次沉淀在玻璃基片（谱片）上（磁场大的地方吸住的磨屑粒度大）。沉积了磨屑微粒的谱片，用显微镜进行观测和分析。谱片上沉积的微粒包括钢铁、有色金属、氧化铁（氧化物）、油中变质的物质、聚合物微粒以及各种污染微粒。依靠其各自的特征可以识别。表3.7中列出了各种磨屑的识别。 表面的检测 磨损前后的表面状态、晶体结构、化学组成与原子状态都发生了很多变化。从其变化中可以找出摩擦过程中发生了些什么。所以检测表面是摩擦学研究的重要内容。 a.表面几何形

53、貌及粗糙度的检测各种表面形貌仪，包括触针式测量仪，电子探针，接触式表面轮廓仪（含模拟计算和数字计算），超精表面形貌仪等等。b.表面分析技术，利用各种表面分析仪器进行观测。表面分析仪器可分两大类：表3.7 磨屑形貌的识别磨屑来源形状尺寸和大小磨损情况的判断钢铁磨损的磨屑长15m，厚（0.151）m，长厚比（103）：1，薄片状连续不断的正常磨损钢铁的切削磨屑呈切削状（螺旋、圆圈或曲线）大磨粒长（25100）m，宽（25）m小磨粒长（10）m，宽1m硬表面的锐边、凸起切削软表面；油中磨料嵌入软表面，切削硬表面滚动轴承疲劳磨损扁平片状，长100m，长厚比10：1裂纹剥落，属正常点蚀磨损层状磨屑，极薄

54、，表面有空穴、孔洞等缺陷长（2050）m，长厚比约30：1剥落的磨屑粘在表面上，进一步受碾压形成球状磨粒，直径15m产生于裂纹内部，由片状磨屑经内表面相对揉搓形成齿轮滚滑复合磨损磨屑扁平，长厚比（410）：1齿轮节圆处滚动疲劳的点蚀磨屑尺寸约（100102）m，有金属及氧化物，白色反射光下呈黄蓝色齿轮节圆两侧滑动区的粘着磨损磨屑氧化铁磨屑红色磨屑，反射白光下呈桔黄色，反射偏振光下呈深橙黄色。为顺磁性Fe2O3油中含水分锈蚀形成扁平磨屑，白色反射光下呈灰色，白色透射光下呈淡暗红褐色。为顺磁性Fe2O3润滑不良引起Fe3O4Fe2O3和FeO的混合物，为细小的蓝色和橙黄色的斑点润滑严重不足，伴随高温形成有色金属磨屑Cu桔黄色，Pb-Sn白光下呈黑色。用加热分析判断Al,Cr,Ag,Ti,Cd,Mg,Mo等白色金属表3.8 各类显微镜的功能显微镜放大倍数及最佳分辨率主要成像信息试件要求主要功能