哈工大摩擦磨损理论第六章磨损1-金属1

1、 第六章第六章 磨损磨损第一节第一节 概概 述述 第二节第二节 金属的磨损金属的磨损第三节第三节 塑料的磨损塑料的磨损第四节第四节 弹性体的磨损弹性体的磨损第五节第五节 陶瓷材料的磨损陶瓷材料的磨损第六节第六节 近代磨损理论简介近代磨损理论简介 第七节第七节 磨损的计算磨损的计算第八节第八节 耐磨损设计耐磨损设计 材料学材料学物理化学物理化学机械学机械学力学力学纳米科学纳米科学生物医学生物医学摩擦学是摩擦学是交叉学科交叉学科本课程的本课程的学习方法学习方法是以实验科学为基础是以实验科学为基础建立起来的理论建立起来的理论很不完善很不完善课堂讲授（参考资料）课堂讲授（参考资料）课后自学课后自学网上

2、阅读相关文献网上阅读相关文献第一节第一节 概概 述述 一、磨损的定义一、磨损的定义 ： 磨损：磨损：是指任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的是指任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。现象。摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。 磨损的危害：磨损的危害：磨损将造成表层材料的损耗，零件尺寸的变化，直接磨损将造成表层材料的损耗，零件尺寸的变化，直接影响零件的使用寿命和机器的性能。生产中总是力求提高零件的耐影响零件的使用寿命和机器的性能。生产中总是力求提高零件的耐磨性。磨性。 利用磨损为生产服务：利用磨损为生产服务：例如利用磨损

3、原理所进行的加工（如研磨、例如利用磨损原理所进行的加工（如研磨、磨削、抛光等）。磨削、抛光等）。二、磨损的分类与特点二、磨损的分类与特点 类类 型型现现 象象特特 点点举举 例例粘着磨损粘着磨损摩擦副相对运动时，由于接触表面直接摩擦副相对运动时，由于接触表面直接粘着，使接触点表面的材料由一个表面粘着，使接触点表面的材料由一个表面转移到另一表面的现象转移到另一表面的现象发生于无润滑和氧化膜缺少发生于无润滑和氧化膜缺少及滑动速度不大的情况下，及滑动速度不大的情况下，粘着点被剪切破坏粘着点被剪切破坏内燃机铝活内燃机铝活塞壁与缸体塞壁与缸体的摩擦擦伤的摩擦擦伤磨粒磨损磨粒磨损在摩擦过程中，因硬颗粒或凸

4、出物嵌入在摩擦过程中，因硬颗粒或凸出物嵌入，并切割摩擦表面材料使其脱落，并切割摩擦表面材料使其脱落发生于各种压力和滑动速度发生于各种压力和滑动速度下，磨粒作用于表面而破坏下，磨粒作用于表面而破坏农业机械和农业机械和矿山机械零矿山机械零件的磨损件的磨损疲劳磨损疲劳磨损（接触疲劳）（接触疲劳）两接触表面作滚动或重复接触时，由于两接触表面作滚动或重复接触时，由于周期性载荷作用使表面产生变形和应力周期性载荷作用使表面产生变形和应力，并导致裂纹产生和造成剥落，并导致裂纹产生和造成剥落无论有无润滑，表层或次表无论有无润滑，表层或次表层在接触应力反复作用下，层在接触应力反复作用下，而产生麻点剥落而产生麻点剥

5、落齿轮副、滚齿轮副、滚动轴承疲劳动轴承疲劳腐蚀磨损腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应而使材料损失生化学或电化学反应而使材料损失有化学或电化学反应的表面有化学或电化学反应的表面腐蚀破坏腐蚀破坏曲轴轴颈的曲轴轴颈的氧化磨损；氧化磨损；化工设备中化工设备中的零件表面的零件表面微动磨损微动磨损两接触面由于承受周期性的，幅度极小两接触面由于承受周期性的，幅度极小的相对运动使之发生粘着、腐蚀和表面的相对运动使之发生粘着、腐蚀和表面的剥落的剥落通常发生于有微量振动的接通常发生于有微量振动的接触表面上，都伴有腐蚀过程触表面上，都伴有腐蚀过程而产生氧化

6、碎屑，是一种复而产生氧化碎屑，是一种复合式的磨损合式的磨损飞机操纵杆飞机操纵杆花键、销子花键、销子冲蚀磨损冲蚀磨损流体束或含有固态颗粒的流体冲击固体流体束或含有固态颗粒的流体冲击固体表面而造成的磨损表面而造成的磨损 燃气轮机叶燃气轮机叶片遭受石英片遭受石英砂粒的侵蚀砂粒的侵蚀发生在多相流体中，有磨屑发生在多相流体中，有磨屑脱落脱落第二节第二节 金属的磨损金属的磨损 一、粘着磨损一、粘着磨损 当摩擦表面有相对运动时，由于粘结，使接触表面的材料从一个表面转当摩擦表面有相对运动时，由于粘结，使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。移到另一个表面的现象，称为粘着磨损。 当两零件

7、表面接触时，由于表面不平，发生的是点接触。通常摩擦表面当两零件表面接触时，由于表面不平，发生的是点接触。通常摩擦表面的轮廓接触面积是表观接触面积的的轮廓接触面积是表观接触面积的5%15%，实际接触面积只有表观面，实际接触面积只有表观面积的积的0.01%0.1%。 对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达5 000 MPa， 并产并产生生1 000以上的瞬时温度。以上的瞬时温度。 而由于摩擦副体积远大于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下而由于摩擦副体积远大于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几毫秒。降，一

8、般局部高温持续时间只有几毫秒。 润滑油膜、吸附膜或其他表面膜将润滑油膜、吸附膜或其他表面膜将发生破裂，使接触峰点产生粘着，发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动中粘着结点破坏。随后在滑动中粘着结点破坏。 这种粘着、破坏、再粘着的交替过这种粘着、破坏、再粘着的交替过程就构成粘着磨损。程就构成粘着磨损。 1 1粘着磨损机理粘着磨损机理 粘着磨损是在有润滑的条件下，最常见的一种摩损形式。普遍认为，粘着磨损是在有润滑的条件下，最常见的一种摩损形式。普遍认为，磨损的颗粒是在微峰接触点的部位产生的。磨损的颗粒是在微峰接触点的部位产生的。 图图a a）为被磨损表面的原始状况，表面粗糙不平，而且在表层内存在

9、为被磨损表面的原始状况，表面粗糙不平，而且在表层内存在由于加工形成的许多缺陷。由于加工形成的许多缺陷。 图图b b）表示两个摩擦表面相对滑动时，由于摩擦力的作用，在表层产表示两个摩擦表面相对滑动时，由于摩擦力的作用，在表层产生塑性流动（用实线表示），表层内的缺陷不断扩展。在表面接触部位发生塑性流动（用实线表示），表层内的缺陷不断扩展。在表面接触部位发生金属间的粘着。生金属间的粘着。 图图c c）表示表层内的裂缝扩展到表面，金属从表面撕裂下来，形成磨表示表层内的裂缝扩展到表面，金属从表面撕裂下来，形成磨粒。一些表面金属粘着在另一金属表面。粒。一些表面金属粘着在另一金属表面。 图图d d）是磨损后

10、形成的新表面。是磨损后形成的新表面。 1) 低温粘着磨损低温粘着磨损 当摩擦面间的相对滑动速度不大（当摩擦面间的相对滑动速度不大（0.50.5m/sm/s0.6m/s0.6m/s），），表面温度在表面温度在100100150150之间，表面间单位面积上的压力很高时，相互接触的微峰之间之间，表面间单位面积上的压力很高时，相互接触的微峰之间将产生冷焊的粘结点。粘结点的金属由于塑性流动产生明显的硬化，因而将产生冷焊的粘结点。粘结点的金属由于塑性流动产生明显的硬化，因而粘结点的强度大于摩擦副中较软金属的强度。粘结点的强度大于摩擦副中较软金属的强度。 在相对滑动时，软的金属可能从基体上撕脱下来。产生这种

11、粘着磨损在相对滑动时，软的金属可能从基体上撕脱下来。产生这种粘着磨损时，表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化学成分的变化，这时，表层上的金属组织和基体相都没有明显的相变和化学成分的变化，这种粘着磨损称为低温粘着磨损，如图种粘着磨损称为低温粘着磨损，如图6 62 2 a a）、）、图图6 63 3 d d）、）、e e）所示。所示。 图图62 45钢磨损后表层钢磨损后表层Mn、C、Si含量的变化含量的变化a) 低温粘着磨损，载荷低温粘着磨损，载荷500 N，速度速度 0.025m/s图图63 45钢磨损前后钢磨损前后X射线影图射线影图a a）、）、b b）高温粘着磨损后高温粘着磨损后 c

12、 c）高温粘着磨损前高温粘着磨损前 d d）低温粘着磨损前低温粘着磨损前 e e）低温粘着磨损后低温粘着磨损后2) 高温粘着磨损高温粘着磨损 高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大和单位面积上压力很高的情况高温粘着磨损发生在相对滑动速度很大和单位面积上压力很高的情况下，这时微峰接触点上的瞬时温度很高。仅仅在表面很薄的一层金属发生下，这时微峰接触点上的瞬时温度很高。仅仅在表面很薄的一层金属发生软化，被软化的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上，沿着滑动软化，被软化的金属转移到另一个金属表面。在磨损的表面上，沿着滑动方向形成交替的裂口、凹穴。方向形成交替的裂口、凹穴。 表层的金相组织和化学成分均有

13、明显变化。高温粘着磨损的磨屑呈薄表层的金相组织和化学成分均有明显变化。高温粘着磨损的磨屑呈薄带形，其厚度小于低温粘着磨损的磨屑。图带形，其厚度小于低温粘着磨损的磨屑。图62 b)是高温粘着磨损的表层，是高温粘着磨损的表层，在沿深度方向在沿深度方向h处的化学成分含量百分数的分布情况。图处的化学成分含量百分数的分布情况。图63 a）、）、b）、）、c）是磨损前后是磨损前后45号钢号钢X射线影图，它表明了金属组织在磨损前后的变化情况。射线影图，它表明了金属组织在磨损前后的变化情况。 图图62 45钢磨损后表层钢磨损后表层Mn、C、Si含量的变化含量的变化b ) 高温粘着磨损，载荷高温粘着磨损，载荷5

14、00 N，速度速度4m/s图图63 45钢磨损前后钢磨损前后X射线影图射线影图a a）、）、b b）高温粘着磨损后高温粘着磨损后 c c）高温粘着磨损前高温粘着磨损前 d d）低温粘着磨损前低温粘着磨损前 e e）低温粘着磨损后低温粘着磨损后表表62 粘着磨损的磨损形式、特点粘着磨损的磨损形式、特点磨磨 损损 形形 式式特特 点点举举 例例轻轻 微微 磨磨 损损轻微磨损时，粘结点的强度比两个基体金属的强度都弱。因此，剪轻微磨损时，粘结点的强度比两个基体金属的强度都弱。因此，剪切破坏产生在粘结点上，表面金属材料的转移很轻微，轻微磨损程切破坏产生在粘结点上，表面金属材料的转移很轻微，轻微磨损程度取

15、决于载荷和速度度取决于载荷和速度新机器的跑合，使新机器的跑合，使表面的不平处磨去表面的不平处磨去一点，以利于机器一点，以利于机器正常运转正常运转涂涂 抹抹金属从一个表面离开，并以很薄的一层堆积在另一个表面上。它是金属从一个表面离开，并以很薄的一层堆积在另一个表面上。它是较软的金属涂沫在较硬的金属表面上。产生涂抹时，粘结点的强度较软的金属涂沫在较硬的金属表面上。产生涂抹时，粘结点的强度大于软金属的剪切强度。剪切破坏产生在软金属表面浅层以内大于软金属的剪切强度。剪切破坏产生在软金属表面浅层以内蜗轮表面的铜涂抹蜗轮表面的铜涂抹在蜗杆表面上在蜗杆表面上擦擦 伤伤在金属表面上，沿滑动方向产生的细小抓痕。

16、由于有较硬的凸峰（在金属表面上，沿滑动方向产生的细小抓痕。由于有较硬的凸峰（或较硬的颗粒），且在表面之间有相对滑动时，才产生擦伤。产生或较硬的颗粒），且在表面之间有相对滑动时，才产生擦伤。产生擦伤时，粘结点的强度高于二个基体金属的强度，因此，剪切破坏擦伤时，粘结点的强度高于二个基体金属的强度，因此，剪切破坏发生在金属表层以下较浅的部分，抓痕多发生在较软的金属表面上发生在金属表层以下较浅的部分，抓痕多发生在较软的金属表面上内燃机的活塞和缸内燃机的活塞和缸壁，经常出现擦伤壁，经常出现擦伤现象现象划划 伤伤在摩擦副间产生冷焊，沿滑动方向形成较严重的抓痕在摩擦副间产生冷焊，沿滑动方向形成较严重的抓痕

17、胶胶 合合在摩擦表面上有材料转移，表面被严重撕裂并显得粗糙以及有明显在摩擦表面上有材料转移，表面被严重撕裂并显得粗糙以及有明显的塑性变形。在滑动表面间，由于固相焊合产生局部破坏。胶合时的塑性变形。在滑动表面间，由于固相焊合产生局部破坏。胶合时，表面局部温度相当高，此时，粘结点的面积也较大，其剪切强度，表面局部温度相当高，此时，粘结点的面积也较大，其剪切强度比任一基体金属都高。在剪切破坏时，产生较深的破坏深度比任一基体金属都高。在剪切破坏时，产生较深的破坏深度有时突然产生，危有时突然产生，危害很大。在齿轮传害很大。在齿轮传动、蜗轮传动、活动、蜗轮传动、活塞和汽缸壁之间塞和汽缸壁之间咬咬 死死由于

18、粘结点焊合，致使摩擦面间的相对运动受到阻止或停止。咬死由于粘结点焊合，致使摩擦面间的相对运动受到阻止或停止。咬死往往伴随着表面严重的焊合现象。它是胶合最严重的表现形式。产往往伴随着表面严重的焊合现象。它是胶合最严重的表现形式。产生咬死时，粘结点的强度相当高，粘结区较大，粘结点不能从基体生咬死时，粘结点的强度相当高，粘结区较大，粘结点不能从基体上剪切掉，以致迫使相对运动停止上剪切掉，以致迫使相对运动停止不锈钢螺栓与不锈不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程钢螺母在拧紧过程中中（冷焊、焊合：固体表面直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。焊合包括冷焊及熔焊，熔焊在较高的温度下才产生。）（冷焊、焊合：固

19、体表面直接接触时的粘着，在任何温度下都可能产生。焊合包括冷焊及熔焊，熔焊在较高的温度下才产生。）3) 3) 粘着磨损的分类：按表面破坏的严重程度粘着磨损的分类：按表面破坏的严重程度 2 2干摩擦条件下的粘着磨损计算干摩擦条件下的粘着磨损计算 1) 粘着磨损现象存在以下三条规律：粘着磨损现象存在以下三条规律：材料磨损量和载荷材料磨损量和载荷 N 成正比关系。成正比关系。材料磨损量和滑移距离材料磨损量和滑移距离 x 成正比。成正比。材料磨损量和较软材料的屈服限材料磨损量和较软材料的屈服限 或者硬度成反比。或者硬度成反比。若磨损量用磨屑的体积若磨损量用磨屑的体积 表示，则表示，则 、 、 和和 之间

20、的关系为之间的关系为 （61）式中式中 C 无量纲常数，它和材料以及表面清洁度有关。无量纲常数，它和材料以及表面清洁度有关。阿查得（阿查得（Achard）从理论上证明了上面的公式。）从理论上证明了上面的公式。 VVNxssNxCVs图64 微峰接触模型 图65 微峰间接触和相对滑移的模型2) 2) 每个触点上产生的磨粒为半球形每个触点上产生的磨粒为半球形，其体积为，其体积为 332r323223rnrnrV若滑移距离为若滑移距离为 ，则总磨损量，则总磨损量 为为 （65）xxVxANxVrsx313则单位滑移距离的磨损量为则单位滑移距离的磨损量为 （65）3) 磨损常数磨损常数k：每一个微峰在

21、每次接触中不一定会产生一个磨粒，产生每一个微峰在每次接触中不一定会产生一个磨粒，产生磨粒的概率百分数为磨粒的概率百分数为k ，其值如表，其值如表63。 考虑磨损常数考虑磨损常数k ，式（，式（65）变为：）变为： （66） 式中式中 相当于式（相当于式（61）中的）中的 值，由此可见阿查得给常数值，由此可见阿查得给常数 值值以更明确的定义。以更明确的定义。sxNxkV33kCC表表63 各种材料组合的各种材料组合的 值值kk材材 料料 组组 合合锌对锌锌对锌1601601010-3-3低碳钢对低碳钢低碳钢对低碳钢45451010-3-3铜对铜铜对铜32321010-3-3不锈钢对不锈钢不锈钢对

22、不锈钢21211010-3-3铜在低碳钢上滑动铜在低碳钢上滑动1.51.51010-3-3低碳钢在铜上滑动低碳钢在铜上滑动0.50.51010-3-3酚醛塑料对酚醛塑料酚醛塑料对酚醛塑料0.020.021010-3-3 值在有限的载荷范围内为常数。当值在有限的载荷范围内为常数。当平均压力平均压力（即载荷除以名义接触面积（即载荷除以名义接触面积）超过钢硬度超过钢硬度 的三分之一时，的三分之一时， 值急剧增大，如图值急剧增大，如图66所示，磨损率也随之所示，磨损率也随之加大。这是因为当压力超过加大。这是因为当压力超过 时，时，将使整个接触面呈现塑性将使整个接触面呈现塑性，因而实际接触，因而实际接触

23、面积不再与载荷成正比。面积不再与载荷成正比。 表层的塑性流动使氧化膜开始龟裂，金属从裂缝中挤出和另一个表面的金表层的塑性流动使氧化膜开始龟裂，金属从裂缝中挤出和另一个表面的金属直接接触，从而增加了磨损率，如图属直接接触，从而增加了磨损率，如图67所示。所示。kHk3H图66 钢（HB223）的磨损常数和平均压力的关系曲线 图67 表面龟裂 3 3影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素 1 1）摩擦副材料组合的影响）摩擦副材料组合的影响 摩擦的相容性：摩擦的相容性：通常，将一定的配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘通常，将一定的配对材料在发生摩擦和磨损时抵抗粘着的性能称为摩擦的相容性。如果摩擦副在工作

24、过程中具有低摩擦、高耐着的性能称为摩擦的相容性。如果摩擦副在工作过程中具有低摩擦、高耐磨度的性能，则摩擦的相容性好，反之则摩擦的相容性差。磨度的性能，则摩擦的相容性好，反之则摩擦的相容性差。 冶金相容性：冶金相容性：两种金属在固态能互相溶解的性能称为金属的冶金相容两种金属在固态能互相溶解的性能称为金属的冶金相容性。金属间能互溶的材料，其冶金相容性好。性。金属间能互溶的材料，其冶金相容性好。 一般来说，相同金属或晶格类型、晶格间距、电子密度、电化学性能一般来说，相同金属或晶格类型、晶格间距、电子密度、电化学性能相近的金属的冶金相容性好；相近的金属的冶金相容性好； 冶金相容性好的金属组合，其摩擦相

25、容性就差，即磨损增大。冶金相容性好的金属组合，其摩擦相容性就差，即磨损增大。 例如，铅、锡、铜和铟与铁的冶金相容性差，因此这四种材料可作为例如，铅、锡、铜和铟与铁的冶金相容性差，因此这四种材料可作为滑动轴承耐磨材料的基础金属。滑动轴承耐磨材料的基础金属。 影响粘着磨损的主要因素有，载荷、添加剂、摩擦副材料的组合、速影响粘着磨损的主要因素有，载荷、添加剂、摩擦副材料的组合、速度和温度等。载荷和添加剂对粘着磨损的影响在第五章中已有初步介绍，度和温度等。载荷和添加剂对粘着磨损的影响在第五章中已有初步介绍，这里主要介绍其它因素对粘着磨损的影响。这里主要介绍其它因素对粘着磨损的影响。 B族元素：族元素：

26、 有人曾用碳素钢和有人曾用碳素钢和3838种金属元素进行粘着摩擦试验。试验结果表明，属种金属元素进行粘着摩擦试验。试验结果表明，属于元素周期表中的于元素周期表中的B B族元素，与铁的冶金相容性差或不相溶，能形成化合物族元素，与铁的冶金相容性差或不相溶，能形成化合物的元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅和铋的抗粘着磨损性能好。的元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅和铋的抗粘着磨损性能好。 金属组织结构：金属组织结构： 多相金属多相金属比单相金属、比单相金属、金属间化合物金属间化合物比单相固溶体的粘着倾向小。比单相固溶体的粘着倾向小。 熔点高熔点高、再结晶温度高的金属抗粘着性好。、再结晶温度高

27、的金属抗粘着性好。 脆性材料脆性材料比塑性材料粘着倾向小，因此，塑性材料比脆性材料容易产生比塑性材料粘着倾向小，因此，塑性材料比脆性材料容易产生粘着磨损。塑性材料破坏在表层深处、磨粒大，脆性材料破坏发生在表层浅粘着磨损。塑性材料破坏在表层深处、磨粒大，脆性材料破坏发生在表层浅处、磨粒细小。处、磨粒细小。 非金属：非金属： 金属与非金属材料（如石墨、塑料等）组成的摩擦副，比同时用金属组金属与非金属材料（如石墨、塑料等）组成的摩擦副，比同时用金属组成的摩擦副粘着倾向小。成的摩擦副粘着倾向小。 表表65 为常用纯金属与钢铁摩擦副的粘着磨损性能为常用纯金属与钢铁摩擦副的粘着磨损性能金属金属与与FeFe

28、的互溶性的互溶性（% %）与钢的与钢的抗粘着抗粘着性性与铁的与铁的抗粘着抗粘着性性金属金属与与FeFe的互溶性（的互溶性（% %）与钢的抗与钢的抗粘着性粘着性与铁的抗与铁的抗粘着性粘着性BeBe0.050.05差差差差CuCu4 4良或可良或可良良C C1.71.7良良良良ZnZn* *0.00090.00090.00280.0028可可良良MgMg0.0260.026可可优优GeGe化合物化合物优优差差AlAl* *0.030.03可可良良AgAg* *0.00040.00040.00060.0006优优优优SiSi* *4 45 5差差差差CdCd* *0.00020.00020.0004

29、0.0004优或可优或可良良CaCa不不 溶溶差差良良SnSn* *化合物化合物优优优优TiTi6.56.5差差可可SbSb* *化合物化合物优优优优CrCr100100差差差差TeTe* *化合物化合物良良优优FeFe100100差差可可TaTa7 7差差可可CoCo100100差差差差W W32.532.5可可差差NiNi100100差差差差AuAu* *3434差差优优* *为为B B族元素，共族元素，共2222种元素种元素图610 摩擦系数和相对滑动速度的关系 2 2）相对滑动速度的影响相对滑动速度的影响 在速度较小的范围内（小于在速度较小的范围内（小于5m/s时）时）, 当相对滑动速

30、度从零增大超过某一定当相对滑动速度从零增大超过某一定值后，碳素工具钢的磨损率随着速度的继续增加而急剧下降。磨损表面的轮廓最值后，碳素工具钢的磨损率随着速度的继续增加而急剧下降。磨损表面的轮廓最大高度大高度Ry和摩擦系数和摩擦系数f也都随着速度的提高而降低，如图也都随着速度的提高而降低，如图6 69 9、6 61010、6 61111。 产生上述现象的产生上述现象的原因原因是：随着相对滑动速度的增加，表面温度升高，在表面是：随着相对滑动速度的增加，表面温度升高，在表面形成一层形成一层氧化膜氧化膜或非晶形粉状氧化物，它阻止金属间的直接接触，从而减少粘着或非晶形粉状氧化物，它阻止金属间的直接接触，从

31、而减少粘着磨损。另一方面由于磨损。另一方面由于表层金属软化表层金属软化使摩擦系数降低，磨损亦随之减少。使摩擦系数降低，磨损亦随之减少。图611 Ry值和相对滑动速度的关系图69 磨损率和相对滑动速度的关系 pv值与摩擦副传递的功率成正比，也就是与摩擦损耗的功率成正比，值与摩擦副传递的功率成正比，也就是与摩擦损耗的功率成正比，摩擦过程中这些能量产生的热使表面温度升高。摩擦过程中这些能量产生的热使表面温度升高。 产生的热量在接触表面间不是均匀分布的，大部分的热量产生在表面产生的热量在接触表面间不是均匀分布的，大部分的热量产生在表面接触点附近，形成了半球形的等温面。接触点附近，形成了半球形的等温面。

32、 摩擦热产生于最外层的变形区，因此表面温度最高，摩擦热产生于最外层的变形区，因此表面温度最高， 表面温度可使润滑膜失效。表面温度可使润滑膜失效。 3）温度的影响）温度的影响 现象现象 影响温度特性的主要因素影响温度特性的主要因素是表面压力是表面压力p和滑动速度和滑动速度v，其中速度的影响，其中速度的影响更大，限制更大，限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法。 从下图中可以看出：当表面温度达到临界值从下图中可以看出：当表面温度达到临界值(约为约为80)时，磨损量和时，磨损量和摩擦系数都将急剧增加。摩擦系数都将急剧增加。 实验数据实验数据 耐热钢

33、：耐热钢： 一般而言，一般而言，金属随温度增高其硬度下降金属随温度增高其硬度下降。因此，在没有其它因素影响。因此，在没有其它因素影响的情况下，摩擦表面的粘着现象和磨损率随硬度降低而增加，即温度改变的情况下，摩擦表面的粘着现象和磨损率随硬度降低而增加，即温度改变摩擦副材料的性能，从而使摩擦副材料的性能，从而使磨损随温度的增加而增加磨损随温度的增加而增加。 例如，例如，高温运转的轴承材料高温运转的轴承材料通常采用耐热和硬度高的金属，其目的是通常采用耐热和硬度高的金属，其目的是为了降低温度的作用，从而减少磨损。为了降低温度的作用，从而减少磨损。 润滑剂：润滑剂： 温度升高将改变润滑剂的性能，若摩擦副

34、采用润滑油润滑时，当温度温度升高将改变润滑剂的性能，若摩擦副采用润滑油润滑时，当温度升高超过某一临界温度时，将引起润滑油变质，使润滑油失去了减少粘着升高超过某一临界温度时，将引起润滑油变质，使润滑油失去了减少粘着和磨损的作用，从而影响磨损。和磨损的作用，从而影响磨损。 因此在高温摩擦时，往往采用石墨和二硫化钼之类的固体润滑剂。因此在高温摩擦时，往往采用石墨和二硫化钼之类的固体润滑剂。 温度影响的后果温度影响的后果 相同金属相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。粘着磨损。 异性金属异性金属或者互溶性小的材料组成的

35、摩擦副抗粘着磨损的能力较高。或者互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损的能力较高。 金属和非金属金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异性金属组成材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异性金属组成的摩擦副。的摩擦副。 多相金属多相金属比比单相金属单相金属的抗粘着磨损能力高。的抗粘着磨损能力高。 表面处理表面处理，金属表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜将减少粘，金属表面上生成硫化物、磷化物或氯化物等薄膜将减少粘着效应，同时表面膜也限制了破坏深度，从而提高了抗粘着磨损能力。着效应，同时表面膜也限制了破坏深度，从而提高了抗粘着磨损能力。 1） 摩擦配副摩擦配副 4 4抗粘着磨损抗粘着磨损

36、胶合胶合是最严重的磨损形式，出现在高速重载和润滑不良的场合，如齿是最严重的磨损形式，出现在高速重载和润滑不良的场合，如齿轮轮蜗杆传动、滚动轴承和滑动轴承等摩擦副。蜗杆传动、滚动轴承和滑动轴承等摩擦副。 被磨损表面凹凸不平，有时磨痕深达被磨损表面凹凸不平，有时磨痕深达0.2 mm，表面材料堆积，使摩擦系，表面材料堆积，使摩擦系数很高而且不稳定，并出现摩擦副数很高而且不稳定，并出现摩擦副“抱死抱死”、“咬死咬死”等现象。等现象。 胶合磨损一旦发生就很严重，往往在几十亳秒内就导致摩擦副完全失效，胶合磨损一旦发生就很严重，往往在几十亳秒内就导致摩擦副完全失效，所以应尽量避免。所以应尽量避免。 2） p

37、v准则准则 pv准则准则形式简单，常用在非流体润滑的滑动轴承等零件的设计中，作形式简单，常用在非流体润滑的滑动轴承等零件的设计中，作为选择抗胶合材料的依据。为选择抗胶合材料的依据。 但是其数据离散范围较大，有时达到但是其数据离散范围较大，有时达到50%，因此准确性较差。，因此准确性较差。 式中，式中，p为为Hertz最大应力；最大应力；v为相对滑动速度。为相对滑动速度。 根据工况条件根据工况条件pv在在3.21031.5105 MPams之间变化。之间变化。 pvpv二、磨粒磨损二、磨粒磨损 磨粒磨损：磨粒磨损： 在摩擦面之间的固体磨粒对摩擦表面或者硬的固体磨粒对摩擦表面产在摩擦面之间的固体磨

38、粒对摩擦表面或者硬的固体磨粒对摩擦表面产生微切削和刮擦作用引起的机械磨损称为生微切削和刮擦作用引起的机械磨损称为磨粒磨损磨粒磨损。 磨粒来源：磨粒来源： 磨粒可以是从摩擦面上脱落下来的磨屑，由于它在摩擦面间被反复辗磨粒可以是从摩擦面上脱落下来的磨屑，由于它在摩擦面间被反复辗压而硬化，形成硬度很高的磨粒；也可以是来自外界的异类物质，如环境压而硬化，形成硬度很高的磨粒；也可以是来自外界的异类物质，如环境中的硬质灰尘、砂粒等。中的硬质灰尘、砂粒等。 一些机械的零件直接与矿石、砂和岩石等接触的部位也会产生磨粒磨一些机械的零件直接与矿石、砂和岩石等接触的部位也会产生磨粒磨损。损。 1 1磨粒磨损的机理磨

39、粒磨损的机理 1 1） 关于磨粒磨损的机理有三种假说：关于磨粒磨损的机理有三种假说： 微切削假说微切削假说：认为磨粒磨损是由磨粒的认为磨粒磨损是由磨粒的尖峰对金属表面的微切削造成的。这一假说的尖峰对金属表面的微切削造成的。这一假说的实验根据是，磨粒磨损的磨屑中有相当一部分实验根据是，磨粒磨损的磨屑中有相当一部分和切削加工中的切屑一样成卷屑状。和切削加工中的切屑一样成卷屑状。 擦痕擦痕（犁沟）（犁沟）假说假说：认为磨粒在较软的认为磨粒在较软的金属表面犁出沟槽，形成擦痕。在擦痕两侧的金属表面犁出沟槽，形成擦痕。在擦痕两侧的金属受到破坏，当和其他磨粒再次接触时金属金属受到破坏，当和其他磨粒再次接触时

40、金属脱落而成磨屑。脱落而成磨屑。 疲劳假说疲劳假说：认为磨损是由于认为磨损是由于磨粒使金属表面产生循环接触应力磨粒使金属表面产生循环接触应力和变形，使其疲劳破坏所引起的。和变形，使其疲劳破坏所引起的。 实际上，以上三种因素都可能实际上，以上三种因素都可能同时存在。这是因为，如果磨粒要同时存在。这是因为，如果磨粒要对金属起切削作用，磨粒要具有一对金属起切削作用，磨粒要具有一定的刀刃切削角度才行。定的刀刃切削角度才行。磨粒多次碾压产生疲劳磨粒多次碾压产生疲劳 据有关文献报导，只有据有关文献报导，只有10% 10% 的磨损量是由微切削造成的。其余的磨的磨损量是由微切削造成的。其余的磨损量是由磨粒对表

41、面的犁沟作用和磨粒多次对表面冲击产生的疲劳而引损量是由磨粒对表面的犁沟作用和磨粒多次对表面冲击产生的疲劳而引起的。起的。 2 2） 磨粒磨损的磨粒磨损的计算计算 磨粒磨损的磨损体积磨粒磨损的磨损体积Vx和载荷和载荷N、滑移距离滑移距离x成正比，和材料的硬度成正比，和材料的硬度H成反比。其关系为成反比。其关系为 （6 61010）式中式中 k k0 0磨粒磨损常数。磨粒磨损常数。HNxkVx0 相对耐磨性：相对耐磨性： 磨粒的研磨能力不稳定磨粒的研磨能力不稳定，因此对实验结果无法进行比较。所以采用了因此对实验结果无法进行比较。所以采用了标准试件和实验材料试件在滑移距离和载荷均相同的条件下同时进行

42、实验，标准试件和实验材料试件在滑移距离和载荷均相同的条件下同时进行实验，并用标准材料试件的线磨损量并用标准材料试件的线磨损量 和实验材料试件的线磨损量和实验材料试件的线磨损量 的比值的比值 表示材料的耐磨性能，表示材料的耐磨性能， 称为相对耐磨性。即称为相对耐磨性。即 Hll00lHl 3 3）磨粒磨损的磨粒磨损的分类分类： 根据磨损件相互位置分，磨粒磨损有二体磨粒磨损及三体磨粒磨损两根据磨损件相互位置分，磨粒磨损有二体磨粒磨损及三体磨粒磨损两种形式，如图种形式，如图6 61212所示。所示。 二体磨粒磨损：二体磨粒磨损：可以是可以是低应力低应力的磨损，如图的磨损，如图6 612 12 a a

43、）。）。犁铧、运犁铧、运输机槽板等零件的破坏属于此类。此时，磨粒对金属材料表面的应力不超输机槽板等零件的破坏属于此类。此时，磨粒对金属材料表面的应力不超过磨粒的压溃强度，因此，金属材料表面产生拉伤或微小的切削痕迹。过磨粒的压溃强度，因此，金属材料表面产生拉伤或微小的切削痕迹。 二体磨粒磨损也可以是二体磨粒磨损也可以是凿削式凿削式磨粒磨损，如图磨粒磨损，如图6 612 12 b b）。）。挖掘机斗挖掘机斗齿、破碎机锤头零件的破坏，都属此类。此时，磨粒对材料表面产生高的齿、破碎机锤头零件的破坏，都属此类。此时，磨粒对材料表面产生高的冲击应力，使金属表面的材料被磨粒冲击，磨出较深的沟槽，并有大颗粒冲

44、击应力，使金属表面的材料被磨粒冲击，磨出较深的沟槽，并有大颗粒的材料从表面脱落下来。的材料从表面脱落下来。图612 二体及三体磨粒磨损示意图 图612 二体及三体磨粒磨损示意图 三体磨粒磨损：三体磨粒磨损：多属于多属于高应力碾碎式高应力碾碎式磨粒磨损，磨粒磨损，如图如图612 c）。）。如如腭式破碎机，轧碎机的滚筒式球磨机的衬板与钢球之间的磨损。腭式破碎机，轧碎机的滚筒式球磨机的衬板与钢球之间的磨损。 磨粒与金属表面接触处产生较高的压应力，此种压应力大于磨粒的压磨粒与金属表面接触处产生较高的压应力，此种压应力大于磨粒的压溃强度，金属表面被拉伤。溃强度，金属表面被拉伤。 对于对于韧性的金属韧性的

45、金属材料，可以产生表面塑性变形式疲劳。材料，可以产生表面塑性变形式疲劳。 对对于脆性的金属于脆性的金属材料，则产生碎裂式剥落。材料，则产生碎裂式剥落。 2 2影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素 1 1） 摩擦副材料性质的影响摩擦副材料性质的影响 若用若用铅锡合金铅锡合金作为标准试件，对作为标准试件，对各种纯金属和退火钢各种纯金属和退火钢进行实验所得出进行实验所得出的相对耐磨性的相对耐磨性 和它们的硬度和它们的硬度HBHB有正比例关系。有正比例关系。 图图6 61313为工业纯金属与退火钢磨粒磨损时相对耐磨性与材料硬度的为工业纯金属与退火钢磨粒磨损时相对耐磨性与材料硬度的关系曲线。关系曲线。

46、图613相对耐磨性与材料硬度的关系曲线 图图6 61414是根据全部是根据全部正常淬火后以不同温度回火正常淬火后以不同温度回火的几种钢进行磨粒的几种钢进行磨粒磨损实验所得的结果绘制的。图中磨损实验所得的结果绘制的。图中曲线曲线1 1是退火钢的曲线是退火钢的曲线。所有经过热。所有经过热处理的钢，由实验得出的曲线全都分布在曲线处理的钢，由实验得出的曲线全都分布在曲线1 1的右侧。的右侧。 如果硬度提高同一数值如果硬度提高同一数值 ，退火钢相对耐磨性的提高要比经淬火，退火钢相对耐磨性的提高要比经淬火和回火的钢大得多，即和回火的钢大得多，即 。产生这些现象的原因和经热处理以。产生这些现象的原因和经热处

47、理以及冷作硬化后产生的残余应力有关。及冷作硬化后产生的残余应力有关。 0H图 614经淬火和回火的钢的相对耐磨性和硬度的关系 在一般情况下，金属材料在一般情况下，金属材料硬度硬度越高，耐磨性越好越高，耐磨性越好, , 因此，一般通过提因此，一般通过提高材料的硬度来提高其耐磨性。高材料的硬度来提高其耐磨性。 纯金属纯金属及未经热处理的钢，其抗磨粒磨损的相对耐磨性与它们的硬度及未经热处理的钢，其抗磨粒磨损的相对耐磨性与它们的硬度成正比。成正比。 经过经过热处理热处理的钢，其耐磨性随硬度的增加而增加，但比未经热处理的的钢，其耐磨性随硬度的增加而增加，但比未经热处理的钢，相对耐磨性增加得缓慢。钢，相对

48、耐磨性增加得缓慢。 钢中钢中含碳量含碳量及碳化物生成元素的含量越多，其耐磨性越大。及碳化物生成元素的含量越多，其耐磨性越大。 2 2）磨粒的硬度和尺寸的影响磨粒的硬度和尺寸的影响 磨粒硬度磨粒硬度: : 只有当磨粒的硬度超过被磨材料的硬度时才可能产生磨粒磨损只有当磨粒的硬度超过被磨材料的硬度时才可能产生磨粒磨损。从式。从式（6 61010）可看出，如果载荷）可看出，如果载荷N N 和滑移距离和滑移距离x x不变，则磨损量不变，则磨损量V Vx x和硬度和硬度H H 的的乘积为一常数乘积为一常数C C ，即即 V Vx xH H = = k k0 0Nx= CNx= C 图图6 61515为中等硬度磨粒作用下的为