摩擦与磨粒课件

材料的磨损⒈定义：由于机械作用间或伴有化学或电的作用，物体工件表面材料在相对运动中不断损耗的现象。⒉说明：⑴磨损不仅局限于机械作用⑵强调磨损是相对运动中产生的现象。⑶磨损发生在物体工作表面材料上。⑷磨损是不断损失或破坏的现象。§1磨损的重要性与定义1.按机理一般分为：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损、冲击磨损2.按磨损程度不同的相对的分类：轻微磨损、严重磨损3.表面破坏方式和磨损机理关系简图§2磨损的分类轻微磨损严重磨损点蚀胶合微动磨损凿削式擦伤粘着磨损磨料磨损剥层磨损疲劳磨损电腐蚀磨损腐蚀或氧化磨损表面损坏方式磨损机理表面破坏方式和磨损机理关系简图磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体体积损坏的总和目前磨损的评定方法没有统一标准常见的三种方法：一、磨损量二、耐磨性三、磨损比§3磨损的评定方法评定材料磨损的基本磨损量：长度磨损量Wl：是指零件表面尺寸的改变量体积磨损量Wv：是指零件表面体积的改变量重量磨损量Ww：是指零件表面重量的改变量

磨损量磨损率Wt：表示其时间的特性磨损强度W：表示单位磨擦距离的磨损量磨损速度WT：表示机器完成一个单位工作量的磨损量考虑磨损是时间的函数耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨损的特性分相对耐磨性和绝对耐磨性两种相对耐磨性ε：是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料A是标准（或参考）试样εA=WA/WB--------WA和WB

一般用体积磨损量耐磨性通常也用绝对指标W-1

或W-1.即用磨损量或磨损率的倒数.W-1

=1/W或W-1

=1/W耐磨性使用最多的是体积磨损量的倒数绝对耐磨性和相对耐磨性的关系εA=WA×W-1磨损比冲蚀磨损过程中常用磨损比来度量磨损必须在稳态磨损过程中测量，否则差别过大不论磨损量、耐磨性、磨损比都是在一定的实验条件或工况的相对指标，不同实验条件或工况的数据不可比较。

冲蚀磨损概述冲蚀磨损：是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损可分为：分气固冲蚀、流体冲蚀、液滴冲蚀及气蚀（根据颗粒及其携带介质的不同）。冲蚀磨损现象在生产、生活中普遍存在。造成损失和危害严重，但也有应用其原理对机器零件表面进行清理和强化，如喷砂和喷丸等。国内外研究工作开展较多，本课程主要介绍气体介质携带固体磨粒对材料表面的冲蚀磨损。§1冲蚀磨损理论影响较大的理论有：延性材料的切削磨损理论脆性材料的断裂磨损理论变形磨损理论绝热剪切与变形局部化磨损理论薄片剥落磨损理论一、延性材料的切削理论芬尼（Finnie.I.），1958，物理模型FPα切削几何模型切削过程中作用在磨粒上的接触应力模型模型假设一颗多角形磨粒，质量为m，以一定速度v，冲角α冲击到靶材的表面。理论分析的靶材的磨损体积：m----冲蚀磨粒的质量；v----磨粒的冲蚀速度V----靶材的磨损体积；P-----靶材的流动应力α-----磨粒的冲击角；K-----常数磨粒如一把微型刀具，当它划过靶材表面时，变把材料切除而产生磨损。公式表明：材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方（即磨粒的动能）成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲角α成函数关系。实验研究表明：对于延性材料，多角形磨粒，小冲角的冲蚀磨损，切削模型非常适用；对于不很典型的延性材料（如一般的工程材料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨粒），冲角比较大（特别是冲角=90°）的冲蚀磨损偏差较大。二、脆性材料的切削理论脆性材料在磨料冲击下几乎不产生变形。芬尼等人根据赫兹应力分析，认为是在缺陷的地方产生裂纹裂纹不断扩展而形成碎片剥落。当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲角的增加而增加。当冲角等于90°时，磨损量最大。模型谢尔登（Sheldon）和芬尼，1966，冲角为90°，脆性材料，冲蚀磨损，脆性材料的断裂模型脆性材料（单位重量磨粒）冲蚀磨损量的表达式对球形磨粒：对多角形磨粒：对任一形状磨粒：E为靶材的弹性模量δb为材料的弯曲强度r为磨粒的尺寸v0为磨粒的速度m为材料缺陷分布常数实验表明，几种脆性材料的a和b实验值与理论值基本一致（如玻璃、MgO、石墨等）其中埃文斯（Evans）研究：脆性材料的冲蚀磨损体积V决定于靶材和磨粒的性质，表达式与实验吻合很好。冲蚀速度磨粒尺寸磨粒的密度靶材的断裂韧性靶材的硬度三、变形磨损理论比特（Bitter），1963，提出：冲蚀磨损分为变形磨损与切削磨损；90°冲角下的冲蚀磨损是和粒子冲击时靶材的变形有关。反复冲击产生加工硬化，提高材料的弹性极限，直到应力超过材料的硬度，形成裂纹。从能量角度出发，推导出变形磨损量WD和切削磨损量WC；WD=M（Vsinα-K）2/2εWc=×(Vsinα-2MC(Vsinα-K)2×(Vsinα）1/2C(Vsinα-K)2(Vsinα)1/2Q)M2Q[V2cos2α-K1(Vsinα-K)3/2α＜α0Α＞α0W=WD+WCM为冲击磨粒的质量V为磨粒的速度；α为冲击角；ε为变形磨损系数；Q为切削磨损系数；α0为两式相等时的角度；C、K、K1都为常数该理论设想正确，并得到证实。谢尔登和凯希尔，1972，第一台单颗粒冲蚀磨损实验机，2.5mm，SiC磨料、钢球、玻璃球，直接观察到磨痕形貌，冲击坑边缘的“挤出唇”，并很容易被后冲击的磨粒打掉。四、绝热剪切与变形局部化磨损理论哈青斯，1979，9.5mm，钢球，270m/s，冲击低碳钢发现变形唇。在一个狭窄的带状区域变形非常严重。高速摄影机研究粒子冲击过程，估算冲蚀时材料的应变率高达105~107s-1。高应变率导致很高温升。首先是使变形过程绝热化，其次是变形的局部化将形成绝热剪切带。哈青斯首先把绝热剪切与变形局部化概念引入冲蚀磨损过程中。证明：钛（哈青斯）、铝（克里帝曼）、铜（奎迪耳）、材料熔化现象（尤斯特和布朗）、20钢（中国矿大）、火花现象、熔化的球状磨屑现象（272页照片）现在已经得到普遍承认，一些研究者并提出了相应的数学模型。五、薄片剥落磨损理论莱维及其同事使用分步冲蚀实验法和单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过程。发现不论大冲角（如90°）还是小冲角的冲蚀磨损，由于磨粒的不断冲击，使靶材表面材料不断受到前推后挤，于是产生小的、薄的、高度变形的薄片。形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该表面层由于绝热剪切变形而被加热到（或接近于）金属的退火温度，形成一个软的表面层。在这个软的表面层下面，有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区。这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层薄片的形成起促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面形成的薄片将从材料表面上剥落下来。理论得到许多研究者的赞同和证实。是当前延性材料冲蚀磨损中一种比较有前途的磨损理论。§2影响冲蚀磨损的主要因素一、磨粒的影响⒈磨粒硬度的影响一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数⒉磨粒形状的影响尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产生更大的冲蚀磨损；圆球形磨粒冲蚀时，靶材以犁沟变形为主，多角形的磨粒冲蚀则以切削为主；磨料形状对产生最大磨损的冲角有影响；延性材料产生最大磨损的冲角约为16~30°；但是脆性材料的与磨粒形状关系不大。⒊磨粒尺寸的影响磨粒尺寸很小时，对冲蚀磨损影响不大；随着磨粒尺寸的增加，靶材的冲蚀磨损也增大，当尺寸增大到一定值时，磨损几乎不在增加，这种现象称为“尺寸效应”。磨粒存在的临界尺寸。对于脆性材料，随冲角的增加，冲蚀磨损也增大，当冲角为90°时，达到最大值。但当磨粒尺寸减小到一定程度时，其磨损曲线发生变化，具有延性材料的特征。对于延性材料无上述特征。⒋磨粒破碎的影响磨粒在冲击靶材表面时，会产生大量碎片。这些碎片能除去磨粒在以前冲击时在靶材表面形成的挤出唇或翻皮，增加靶材的磨损。由于碎片造成的磨损称为二次磨损。磨粒未形成碎片时造成的磨损称一次磨损。冲蚀磨损是一次磨损与二次磨损的总和。⒌磨粒嵌镶的影响在冲蚀磨损初期，由于磨粒嵌镶于靶材的表面，因此靶材的磨损量很小，甚至不是产生失重而是增重，即产生负磨损，该阶段称为“孕育期”。一段时间（或冲蚀了一定量的磨粒）之后，当靶材的磨损量大大超过嵌镶量时，才变为正磨损。随冲蚀磨粒数量的增加，靶材的磨损量也稳定增加，该阶段称为稳定（态）冲蚀期。延性材料，尤其是冲角为90°时，磨粒更容易嵌镶于靶材的基体，使靶材表面的性能变坏。脆性材料，尤其是球形磨粒时，难以嵌镶，影响小。二、冲蚀速度的影响因为冲蚀磨损量和磨粒的动能有直接关系，冲蚀速度的影响很大。∈=KvnK是常数，v是冲蚀速度，n是速度指数，一般情况n=2~3，延性材料波动小，n=2.3~2.4，脆性材料波动大，n=2.2~6.5；存在速度门槛值，低于该值不产生冲蚀磨损，只发生弹性变形，该值与磨粒大小相关。三、冲角的影响冲角是指磨粒与靶材表面间的倾角；延性材料的冲蚀磨损开始随冲角增加而增大，当冲角为20~30°时，磨损量最大，之后随冲角增加而减小。脆性材料则随冲角增加，磨损量不断增加，当冲角为90°时，磨损最大。冲角对靶材的冲蚀磨损机制影响很大。低角度冲蚀，磨损机制以微切削和犁沟为主。高角度冲蚀，延性材料起初为凿坑和塑性挤出，多次冲击反复变形和疲劳，引起断裂与剥落。脆性材料在大尺寸磨粒和大冲击能量的垂直冲击下，以产生环行裂纹和脆性剥落为主，往往一次冲击就能使材料流失；但小尺寸磨粒、冲击能量较小时，则具有四、温度的影响一些情况，随着环境温度的升高，冲蚀磨损加剧；某些材料高温下，塑性提高，耐磨性也随之提高，或者在高温下，材料表面可能形成氧化膜，都会使冲蚀磨损量随温度升高而减小。五、靶材的影响⒈宏观硬度的影响⒉加工硬化的影响⒊材料组织的影响§3冲蚀磨损的实验装置几种主要的固体粒子冲蚀磨损实验装置一、真空落下式实验装置二、离心式粒子加速实验装置三、真空旋臂式冲蚀磨损实验装置四、喷射式冲蚀磨损实验装置§4浆体冲蚀磨损液体介质携带固体粒子以一定的角度和速度对材料表面进行冲击，使材料表面产生磨损的现象称为浆体（液体—固体）冲蚀磨损。例如：泥浆泵中泥浆对泵体和叶轮的磨损。研究迄今尚不深入；一般认为冲速不高的浆体冲蚀磨损主要是由其中的固体磨粒造成的。但浆体中液相存在必然有一定影响。与固体粒子冲蚀磨损的差异⒈冲蚀速度和冲蚀角⒉浆体的冲刷作用⒊浆体的冷却作用与固体粒子冲蚀磨损规律的比较⒈冲蚀角和冲蚀磨损率的关系⒉冲蚀速度与速度指数⒊浆体性质对冲蚀磨损的影响⒋靶子材料的影响与固体粒子冲蚀磨损的差异⒈冲蚀速度和冲蚀角⒉浆体的冲刷作用⒊浆体的冷却作用与固体粒子冲蚀磨损规律的比较⒈冲蚀角和冲蚀磨损率的关系⒉冲蚀速度与速度指数⒊浆体性质对冲蚀磨损的影响⒋靶子材料的影响

腐蚀磨损§1氧化磨损一、氧化磨损过程二、氧化磨损方程三、氧化膜性质对磨损的影响⒈氧化膜与基体金属的体积比⒉氧化膜硬度H0与金属硬度Hm之比①H0＞＞Hm②H0≈Hm③H0和Hm都很高时，⒊氧化膜的机械性能⒋氧化膜与工作环境的关系一、磨损过程二、影响因素⒈腐蚀介质的性质、温度与零件应力状态的影响⒉材料性质的影响

§2特殊介质中的腐蚀磨损一、电化学腐蚀二、钢铁在含氧水中的腐蚀磨损⒈湿腐蚀⒉电位差是湿氧化的动力⒊氧化率§3电化学腐蚀磨损三、影响因素⒈金属⒉温度一、磨料磨损二、腐蚀三、冲击

§4腐蚀磨料磨损

减摩材料和摩阻材料按工况条件和使用要求摩擦副材料分3大类：耐磨材料、减摩材料、摩阻材料。⑴应具有低而稳定的摩擦系数；⑵减摩材料本身耐磨性要好，且对与之摩擦部件的磨损也要小。此外，要有良好的抗粘着性和良好的磨合性。⑶摩擦副要承受一定负荷，所以要求减摩材料具有一定的抗塑性变形能力、较高的疲劳强度和冲击韧性。§1减摩材料对减摩材料性能的要求⑷应具有一定的熔点，高的导热性和热容量，热膨胀系数小，对油膜的吸附性强，抗腐蚀性好。⑸应具有良好的工艺性能，且生产工艺应简单易行，造价低。对减摩材料性能的要求⑴轴承合金⑵粉末冶金⑶金属塑料⑷金属纤维⑸化学渗减摩层⑹非金属减摩材料按构成物质和制造方法，减摩材料分：①巴氏合金：锡基巴氏合金、铅基巴氏合金②铜基和铝基：铜基轴承合金、铅基轴承合金1.轴承合金§2摩阻材料⑴应有足够而稳定的摩擦系数，静、动摩擦系数之差要小，且摩擦系数基本不随外界条件变化而变化。⑵应具有良好的导热性，较大的热容量，有一定的高温机械强度。⑶应有良好的耐磨性，且不易被划伤摩擦配偶件的表面以及与之严重粘着。磨合性好，在摩擦过程中噪音、振动小。⑷原料来源应充足，工艺简单易行，造价低。一、对摩阻材料性能的要求分为：金属型（铸铁、粉末冶金摩阻材料）非金属型（石棉、橡胶）及半金属型。二、常用金属摩阻材料

接触疲劳磨损主要由于交变接触应力长期作用而引起的表面疲劳剥落现象，称为接触疲劳磨损。接触疲劳磨损失效的主要形式有点蚀和剥落。即在原来光滑的表面上产生深浅不同的凹坑（也称麻点）和较大面积的剥落坑。点蚀坑表面形貌常为“扇形”剥落裂纹一般从亚表层开始，沿与表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落坑。§1接触疲劳磨损理论一、载荷与几何形状的影响二、材料性质的影响⒈表面粗糙度的影响⒉材料硬度和匹配的影响⒊热处理和组织的影响⒋材料冶金质量的影响三、其他因素的影响

§2影响接触疲劳磨损的主要因素§3接触疲劳磨损的检测

金属表面的接触§1接触表面的相互作用

接触位置两个表面相应微凸体高度之和的最大值部分开始接触变形弹塑性变形状态，成对最高的微凸体变形最大粘着作用粘着点---面积小应力大---分子相互作用

机械相互作用以变形和位移适应相对运动

摩擦副分类（按金属焊合性）完全焊合性：Pb-Cu、Zn-Cu、Al-Cu、Cu-Fe、Mg-Al、Mg-Cu；部分焊合性：Cu-Ag、Zn-Fe、Al-Fe、Zn-Al、Zn-Ti、Al-Ti；有限焊合性：Ag-Zr、Pb-Fe、Ag-Fe、Mg-Fe；

机械相互作用发生变形和位移以适应相对运动较硬的材料的微凸体会嵌入较软材料的表面中，较软材料的表面微凸体被压扁和改变形状。

运动方向AB微凸体互嵌——微凸体不发生变形就不能产生运动宏观位移——在运动中硬球A压向较软的表面B时引起材料B的位移§2接触面积

分类：名义接触面积-----------An即接触面积的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定，又称表观接触面积。轮廓接触面积---------Ap即物体的接触面积被压扁部分所形成的面积，与载荷相关。实际接触面积-----------Ar即物体实际接触面积的总和

实际接触面积与所加载荷的关系K为与材料弹性性质和假设的表面结构有关的系数；m依表面接触模型而异；表面接触的形式愈复杂，实际接触面积与载荷愈接近线形关系。两个固体表面接触时，Ar仅为An的很少一部分，一般为0.01~0.1%，而Ap一般为An的5~15%。Ar=KLm理查德Archard实际接触面积与载荷的关系

微凸体等高的情况：假设：粗糙表面、微凸体、半径为R、球面弓形体、载荷影响独立、基准平面xx′、高度相等、单位名义面积的光滑平面。

xx′zd弹性接触

实际接触面积Ai比An小名义接触面积接触半径δ为法向接近量原因：加载时弹性球的侧向变形受到限制。故实际接触面积Ai比An小。

按赫兹理论计算每个微凸体各个微凸体发生相同变形并承受相同载荷Li，当单位面积有n个微凸体，总载荷L为nLi（z-d）为法向接近量Ｅ′综合弹性模量、υ为泊松系数

实际接触面积与载荷的关系塑性接触假设载荷使微凸体在一恒定流动压力p下发生塑性变形，材料作垂直向下的位移而不作水平扩展。则实际接触面积Ar等于名义接触面积2πRδ实际接触面积Ar与载荷成线形关系载荷可表示：§3接触力学

1.接触模型分类：3种球面与球面的接触球面与平面的接触棒与棒的接触

所有金属表面都是由很多微凸体组成，而微凸体可以看作微小的球体，所以平直物体的接触可以看作粗糙球面接触。

1第一、二种模型：车轮、滚动轴承、齿轮接触第三种模型：只适用于微凸体数目较多且彼此大小相近的情况，如机床导轨、锉刀与平面的接触2.接触应力分析

2.1球面与球面的接触假设：两球体接触，半径R1，R2，压力L，表面局部弹性变形，形成半径为a的圆形接触面。LR1R22a接触应力：压力经过接触面传递到第二个表面而在接触面上形成的应力，是一种表面应力。接触面压力分布不均匀，呈椭圆分布。

赫兹假定：（1）材料为完全弹性体（2）表面是光滑的（3）接触物体没有相对滚动（4）接触物体不传递切向力

当两球为钢球时，E1=E2=E，υ1=υ2=0.3综合曲率半径R满足：最大接触应力位于接触圆面的中心；而r=a处，应力为零。

2.2球面与平面的接触令接触两球中的一球半径R2趋于无穷大设圆球面积为R0LO·2a弹性压入面积压缩应力2.3

圆球面与凹球面的接触

在接触两球中，令凹球半径为-R2。可看作球面与凹球面的接触。

最大的剪应力τmax在x=0处，且离表面0.47a的材料内部。如o点。两个钢制圆柱体接触

平均压力q=L/s，s为圆柱体长。

在弹性变形时，最大接触压应力与载荷不成线形关系，而是与载荷的平方根或立方根成正比①应力和载荷成非线形关系；②应力与材料的弹性模量E和泊松系数υ有关

2.5接触应力的特征3种接触情况只是综合曲率半径R的意义不同，起最大接触应力的表达式是完全相同的。而且，最大接触应力是在表面上，位于接触面中心。§4接触变形

球体和平面的接触为例载荷L，半径R的球体，刚性平面，弹性接触，球体弹性变形。

1.变形量：2.实际接触面积：

弹性接触3.平均接触应力：

时由弹性变形进入塑性变形。

当Ｈ－材料布氏硬度4.塑性变形的条件：过渡点：由完全弹性到完全塑性

同除Rs1/2得：Ｒs－微凸体高度均方根5.塑性指数：通常将的倒数称为塑性指数，用ψ表示。ψ－塑性指数（无量纲）Ｅ―综合弹性模量（Ｎ／cm２）Ｈ－材料布氏硬度（Ｎ／cm２）Ｒs－微凸体高度均方根（μm）Ｒ－微凸体曲率半（μm）表面粗糙度Rs增加时，ψ也增大，表示微凸体接触部分容易过渡到塑性变形。ψ<0.6―――完全弹性接触ψ>10―――完全塑性接触0.6≤ψ≤10―――弹性和塑性变形同时存在大多数都属第三种6.依据ψ判断表面接触状态

金属表面特性§1

金属表面几何形状固体的表面性质表面形貌：表面的形状表面组成：表面结构和物理、化学性质微凸体：…凸起的波峰……表面几何形状误差用表面波纹度、表面粗糙度描述1.表面波纹度又称宏观粗糙度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。减少零件实际支承表面面积，在动配合中使零件磨损加剧。波高h：波峰与波谷之间的距离。波距s：相邻两波形对应点的距离。

h/s≈1：40

；s一般1~10mm

表面形貌轮廓微凸体xmm样品长度l中线：实体面积=空间面积空间实体Zi2.表面粗糙度又称微观粗糙度，无明显的周期性波距s较短（约2~800μm）波高h较小（约0.03~400μm

）表面粗糙度越低，则表面越光亮。评定指标：Ra---轮廓算术平均偏差、Rq---轮廓均方根偏差Rz---微观不平度十点高度、Ry---轮廓最大高度。

轮廓算术平均偏差Ra中线m：实体面积＝空间面积

Zi—以中线为起点度量出的廓形高度n—在样品标准长度l内的测量次数l—随粗糙度而定，粗糙度等级不同，l值不同轮廓均方根偏差Rq轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值的平方根Zi大的点比重大，能高度反映粗糙度Ra≈0.8Rq

微观不平度十点高度Rz是在标准长度l内五个最高的轮廓峰高的平均值与五个最低的轮廓谷深的平均值之和

hpi—第i个最高的轮廓峰高hvi—第i个最低的轮廓谷深轮廓最大高度Ry是表面经常出现的微观不平度的最大高度。即在标准取样长度内轮廓顶线和轮廓谷底线之间的距离。一般取若干段，求Ry的平均值，避免出现用R偶然代替

Ry相互换算（在一定程度上）

表面Rq/Ra

Rz/Ra

Ry/Ra

车削磨削研磨随机统计1.10~1.151.18~1.301.30~1.501.254~55~7----

----4~57~147~148.03.表面轮廓高度的分布

以表面轮廓中线为x轴，在标准长度l内，每隔一定距离Δl，测量轮廓图形距参考中线的高度Z1、Z2、……Zi然后求出同一Z值的个数，作为该高度的纵标频数。微凸体高度分布微凸体高度分布曲线表面粗糙度越低，曲线越接近正态分布

ΔlZ1Z2ZiZx频率磨削表面轮廓高度分布曲线

-075-05–02500.250.50.75高度z（μ）80604020频率§2支承面积曲线能表示粗糙表层的微凸体的高度分布表示表面磨损到一定程度时，支承面积的大小主要用于计算实际接触面积简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线

llx3x2x1a1a2a3b1b2c1c2c3a1c1a2b2c2a3b3c3理想支承面积曲线轮廓支承长度率tptp=(a+b+c+……)/ltp=Ax/A0tp=bxν(近似逼近支承面积开始的一小段)Ax—距峰顶为x处的支承面积

A0—距峰顶为Ry处的支承面积

x—距峰顶的距离B、ν—支承面积曲线参数，实测或计算获得支承面积曲线即轮廓支承长度率是所有纵坐标分布曲线的累计分布，由于大多数工程表面轮廓高度都接近正态分布支承面积曲线可表示为

Z为从中线开始测量的轮廓高度ψ（z）为轮廓高度分布的概率密度函数轮廓图形的高度层按支承面积大小将轮廓图形分为三个高度层<25%-----为波峰，为最高层25%~75%------为波中，为中间层>75%--------为波谷，为最低层

波峰与摩擦磨损有很大关系波谷与润滑情况下贮油性有关

§3金属的表面结构

金属的晶体结构面心立方晶胞fcc铜、银、金、铝、镍、铅、铑、γ铁、…….体心立方晶胞bcc钒、铌、钼、铬、钡、α铁、α钨……密排六方晶胞hcp镁、锌、镉、锆、α铍、α钛、α钴

表面晶体结构及缺陷

点缺陷肖脱基空位、弗兰克尔空位线缺陷位错---刃型位错、螺型位错、混合位错面缺陷界面

固态金属材料的重要界面表面指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介质的接触面。晶界、亚晶界指多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向不同的两部分晶体之间的界面。相界指晶体内部，结构不同，甚至成分也不同的两部分晶体之间的界面§4表面能与表面张力

表面能大小与晶格类型有关随结合键能增加而增加。根据结合键能可以预计断开一个粘着接点所需的能量。表面自由能指晶体表面的单位面积自由能的增加，J/m2也可以用单位长度的表面张力（N/m）来表示。表面张力作用与表面上，力图使表面缩小。低表面能的晶面暴露在晶体的外表面晶体中各个晶面能不相同密排面的表面能较小（因为层面间距较大）。表面能愈低的面，摩擦也越小。§5金属表面的化学性质

物理吸附由于分子或原子相互吸引而产生的吸附。吸附能力较弱，对温度敏感，热量可使分子脱吸一般能量小于104J/mol。一般是在常温、低速、轻载条件形成。吸附和脱吸是完全可逆

化学吸附

吸附膜与固体表面之间发生电子互换或存在共用电子对。吸附膜与固体表面的结合力强。稳定，不可逆，高温下才脱吸。一般是在中等载荷、中等滑动速度及中等温度下形成。吸附强弱与固体表面和被吸附物质的特性有关。基本是一单层过程。氧化金属表面在加工过程中，新生表面一旦暴露，很快与空气中的氧起化学反应，形成金属氧化膜

Fe2O3Fe3O4FeOFe§6金属表层的组成

普通脏污层---油污或灰尘吸附层----大气中液体或气体分子吸附膜氧化层---金属表面与空气中的氧形成氧化物层。贝氏层---由于急加工中表面熔化和表面分子层的流动。变形层----由于机加工而形成的变质层。普通脏污层吸附层氧化层贝氏层严重变形层轻度变形层金属表层的组成

摩擦§1摩擦的定义及分类一、定义：摩擦力：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力。摩擦：上述现象称为～。外摩擦：摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关，称为～内摩擦：阻碍同一物体（如液体和气体）部分间相对移动的摩擦。二、分类：

1.按摩擦副的运动状态①静摩擦：静摩擦力随作用于物体的外力变化而变化。当外力克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。②动摩擦：一个物体沿另一物体表面相对运动时产生的摩擦。动摩擦力一般小于静摩擦力。2.按摩擦副的运动状态①滑动摩擦：物体接触表面相对滑动时的摩擦。②滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。3.按摩擦副的运动状态①纯净摩擦：摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦。在接触表面产生塑性变形（表面膜破坏）或在真空中摩擦时才发生。②干摩擦：在大气条件下，摩擦表面间没有润滑剂存在时的摩擦。③流动摩擦：相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦。摩擦发生在流体内部，流体可以是液体或气体。④边界摩擦：摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦。该膜称为边界膜，厚度大约为0.01μm或更薄。⑤混合摩擦：属于过渡状态的摩擦。如：半干摩擦，半流体摩擦。半干摩擦：同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦：同时有流体摩擦和边界摩擦的情况4.按摩擦副工作条件①正常工况条件下摩擦②特殊工况条件下摩擦现代机器设备中的摩擦副很多处于高速、低温、真空、辐射等特殊环境下，其摩擦磨损的性能也各具特点。

§2古典摩擦定律二、古典摩擦定律①摩擦力与作用与摩擦面的法向载荷成正比，（库仑定律）②摩擦力的大小与名义接触面积无关③静摩擦力大于动摩擦力④摩擦力的大小与滑动速度无关⑤摩擦力的方向总与接触表面间的相对速度的方向相反。一、历史渊源：古典摩擦定律片面性分析①第一条：当法向压力不大时，对于普通材料，摩擦力与法向载荷成正比，即摩擦系数为常数。实际上，摩擦系数是与材料和环境条件有关的综合特性系数。当法向压力大时，对于某些极硬材料（如钻石）或软材料（如聚四氯乙烯）摩擦力与法向载荷不呈线性比例。②第二条：对于有一定屈服点的材料（如金属）才能成立。对于弹性材料（如橡胶）或粘弹性材料（如某些聚合物），摩擦力与名义接触面积大小有关。对于很洁净、很光滑的表面或承受载荷很大时，接触面间有强烈分子引力，摩擦力和名义接触面积成正比。③第三条：对于粘弹性材料都不适用。粘弹性材料的静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。④第四条：对于很多材料，摩擦系数和滑动速度有关。在15至18世纪还没有出现现代的高速机器。§3滑动摩擦古典摩擦定律是在滑动摩擦的实验基础上提出的。滑动摩擦理论一般把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态。

一、滑动摩擦理论1.机械啮合理论（18世纪以前）观点：摩擦表面凹凸不平，凹凸部分交错啮合，阻碍物体相对运动。摩擦力是所有啮合点的切向阻力的总和。摩擦系数为粗糙斜角θ的正切，表面越粗糙，摩擦系数越大。不适用粗糙度达到表面分子引力发生作用的情况（如超精加工）。1919年哈迪实验：对经过研磨达到凸透镜程度的光洁表面和粗糙加工表面进行摩擦实验，发现前者的摩擦力大，且擦伤痕宽，表面破坏严重。2.分子理论（汤姆林逊假说）观点：在平衡状态时，固体原子间的排斥力和内聚力相中和。但是，当两个物体接触时，一个物体内的原子可能和第二个物体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。此时，两表面分开会造成能量的损失，并以摩擦阻力的形式出现。运动方向x１２３AAe设一表面对另一表面移动x，则机械功为μPx，P为两表面间总力，P=n0P0，其P0为接触点平均斥力，n0为界面接触原子数。E为原子碰撞能量损耗的平均值，设距离x中遭遇次数为n，则总能量损耗为nE，另外，a为概率因子，小于1。

结论：表明摩擦系数与摩擦副材料本身的性质有关。3.分子机械理论（1939年，克拉盖尔斯）观点：摩擦不仅取决于两个接触面间的分子作用，还取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌畸变。

分析：分子相互作用发生在极表层中，可触及到固体表层几百微米的深度。机械相互作用发生在固体本身厚度为几十微米和更厚的各层中。由于两者发生部位不同，可以把分子阻力和机械阻力近似相加。结论（摩擦分量的可加性已得到实验验证）分子分量和机械分量所占比率取决于载荷、表面粗糙度和波纹度、机械性能、摩擦副的分子特性及接触条件。比值可在很大范围变化。表面粗糙度或载荷增加，机械分量增大。流变性能表现愈突出，机械分量越大。对于十分光滑表面，其变形分量很小，机械分量可以忽略不记（在弹性接触情况下）分子机械理论既适用于干滑动摩擦，也适用于边界摩擦。推论4.粘着摩擦理论（鲍登和泰伯

）观点：两金属表面在摩擦过程中，会形成大于分子量级的金属接点，并在接点处发生剪切。此外，如果一个表面比另一个表面硬，则较硬表面的凸点会在较软表面上产生犁沟。因此，摩擦阻力可用剪切过程和犁沟过程两项之和表示。分析：在无润滑情况下，大多数金属的犁沟项与剪切项相比很小，可忽略。当金属表面相互压紧时，它们仅在微凸体顶端接触，实际接触面积很小，接触着的微凸体上压力很高，引起塑性变形。塑性流动使接触面积增大到实际接触面积能支承载荷为止。①简单粘着摩擦理论σy—金属屈服应力

Ar—实际接触面积

L—法向载荷结果：由于金属间紧密接触区发生牢固粘着，接点发生冷焊。摩擦力等于实际接触面积与接点材料的乘积；摩擦系数为接点材料剪切强度与材料屈服强度的比值。摩擦力与表观接触面积无关；摩擦力与法向载荷成正比。表明：认为材料是理想弹塑性体，忽略加工硬化影响。可取τ=τ0（临界剪切应力）而σy与τ0为两种金属中较软者得出：推论：对于大多数金属，τ0/比值相差不多，σy=5τ0在硬金属上镀覆一层软金属可降低摩擦系数（因为，载荷有母材承担，对应σy剪切发生在镀覆软金属层，对应τ0、μ值较小。）②修正的粘着摩擦理论Ⅰ、粘着接点长大现象：在滑动时，因切向力作用，材料的屈服是σ和τ的合成，当逐渐加大到τy，粘着点发生塑性流动，使接触面积增大产生接点增大。Ar=A+ΔA（实际接触面积）

如：在高真空里洁净金属表面严重粘着，理论摩擦系数与实际实验数据不符。说明：真空中，洁净表面摩擦，由于切向力作用，粘着接点增大，实际接触面积增加，因而摩擦系数增大。举例：假定：⑴实际接触面积是由塑性变形决定的；⑵两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开；⑶摩擦力是剪切膜所需的力。Ⅱ、污染膜的影响结果：τf为界面污染膜的剪切强度；σy为金属本体的屈服强度某些情况，由于表面污染膜的破坏，金属与金属直接接触，界面的有效剪切强度介于较软金属表面剪切强度和表面污染膜的剪切强度之间。故摩擦系数决定于金属对金属和金属对污染膜摩擦时实际接触面积所占比例。摩擦副在空气中，大多数金属表面被薄的氧化膜所覆盖。当剪切力τ0达到污染膜剪切强度τf，表面膜被剪断，摩擦副开始滑动。结论与简单摩擦理论中的软金属膜在硬基体上的摩擦系数表达式一致。讨论说明：当硬金属粗糙表面在软金属表面滑动时，硬金属上的微凸体可能压入软金属表面使之产生塑性变形，并划出沟槽。此时，摩擦力中的犁削项是主要项。在磨粒磨损过程中，是摩擦力主要分量。Kp：由于摩擦时犁沟前方材料的压皱和积聚，使A2大大增加。同时，考虑各向同性假设的不完全性等误差，在μp前加以系数Kp。一般随相对硬度的减小，系数Kp随之增大。

Ⅲ、犁沟分量ddFA1A2滑动方向金属圆锥：载荷支承面积：沟槽面积：假定：塑性屈服的金属各向同性，屈服压力为σy，则载荷摩擦阻力因而，有犁沟引起的摩擦系数μp为二、影响滑动摩擦的因素1.金属性质2.粗糙度3.温度4.速度5.表面膜Ⅰ、同一或类似的金属或有可能形成固溶合金的金属，摩擦较严重。Ⅱ、不同金属或低亲和力的金属组成的摩擦副摩擦系数较低。Ⅲ、单相合金的性质象纯金属，摩擦性能一般与主要组元相似。Ⅳ、多相合金（如Cu-Pb轴承合金）情况较复杂，当含少量软相时，摩擦系数较低，原因是软相能涂抹在合金表面充当润滑剂。1.金属性质Ⅰ、非常粗糙表面出现高的摩擦系数。因为滑动时，一个表面必须越过另一表面的驼峰Ⅱ、非常光滑表面的摩擦系数更大。因为真实接触面积增大，表面间分子作用加强。2.粗糙度粗糙度μⅠ、温度升高两金属摩擦副的可焊性增加，强度降低，表面氧化。Ⅱ、高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决于其高温强度、可焊性以及所形成的表面膜Ⅲ、一般金属摩擦副的摩擦系数随温度升高而下降，但变化不大。（金-金摩擦副不同）3.温度1882年，德国学者，弗兰克，μ0——静摩擦系数，v——速度，c——常数。克拉盖尔斯基等人，0.004~25m/s，0.0008~0.17Mpa，摩擦实验：⑴当速度增大，摩擦系数通过一个最大值。⑵当压力增大，该最大值对应于最小的速度值。4.速度金属表面常覆盖有氧化膜、吸附气体膜及其他形式的污染膜。Ⅰ、有润滑的摩擦系数均小于无润滑的摩擦系数。Ⅱ、表面存在各种薄膜时，膜的剪切强度一般小于金属，同时摩擦发生在膜内，使摩擦表面不易发生粘着，使摩擦系数降低。Ⅲ、膜的厚度对摩擦系数影响很大。摩擦系数随氧化膜厚加大而增大。5.表面膜§4滚动摩擦F0ORO1沿平面滚动的物体计算简图一、基本概念一类传递很大切向力，如机车主动轮。另一类传递较小的切向力，通常称为“自由滚动”。1.无滑动滚动（纯滚动）转过角度φ后，轮轴相对于基础移动了Rφ2.瞬时旋转轴过O1点而垂直与轮子的滚动平面的轴3.驱动力矩F0力的作用线与瞬时旋转轴相距一段非零的距离形成力对O1点的力矩。数值上等于滚动阻力距。4.滚动摩擦系数Ⅰ（mm）5.滚动摩擦系数Ⅱ（无量纲）轮子转过角度Δφ，驱动力作功：Ａφ＝Ｆ0RΔφ=MΔφ而轮子所走过距离Δs=RΔφ

一、滚动摩擦机理1.微观滑动①雷诺（1876）接触面积上存在有滑动摩擦力作用的滑移区是引起滚动阻力的原因之一。弹性常数不同的两个物体赫兹接触时，若两物体一起自由滚动，作用在每一个物体的压力一般在两表面上引起的切向位移不等，导致界面微观滑移。A132B硬的圆柱体在弹性平面上滚动加载后圆柱体在橡胶中压入一条沟槽压缩引起的伸长在1处比2、3处要大在滚动过程中，A、B表面伸长不同，B是弹性体，伸长大；A弹性差，表面伸长小。则A、B的界面由于伸长的差异而发生滑动。②希思柯特型滑移AA’Lβ当一个球在槽型滚道内滚动时，接触面积为椭圆形。球滚动时的瞬时转动中心为瞬时轴线AA’接触区内个接触点的线速度不同，导致滑移发生存在三个滑移区：接触区中央部分，滑移方向与滚动方向相反；但两侧与滚动方向相同。实验表明：研究球半径与槽半径的比值RB/RG>0.8时，希思柯特型滑动所造成的摩擦损失较大RB/RG=0.5~0.6时，摩擦损失达到最小值继续减小，则由于接触压力增大，使摩擦阻力增大。如果槽和球的曲率半径小于20%，则由滑移引起的阻力要比滞后损失大。材料受力变形时，在弹性范围内，如果将应变放大，常发现加载线和卸载线不重合，加载线高于卸载线。应力应变加荷线

卸荷线Δr2.弹性滞后定义：加载时用于变形的功大于卸载时材料放出的功，有一部分功被材料吸收的现象。弹性滞后回线：加载线和卸载线所围成的封闭回线。所包围的面积，表示材料在一次应力循环中以不可逆方式吸收的能量。1952，泰伯，滚动摩擦的弹性滞后理论：例如：圆柱在平面滚动（移动单位距离后）接触区压力分布：接触区前部压力引起的力矩：前部材料压缩所作弹性功：滚动摩擦力：α以载荷L来表示：滚动摩擦系数：泰伯认为：微观滑移对滚动摩擦阻力影响较小；弹性滞后损失是滚动摩擦阻力主要原因。总之，在弹性范围内滚动，滚动摩擦由弹性滞后现象和微观滑移引起的。⑴滚动接触材料应力状态与单向拉伸不同。所以，圆柱滚动时弹性滞后损失系数α约为简单拉伸实验测得的α的3倍。⑵弹性滞后损失与变形速率有关。在低速情况下，接触区后部材料有充分时间恢复变形，接触区压力基本是对称分布，所以滚动摩擦阻力小；在高速情况下，滚动摩擦阻力增大。说明：默温—约翰逊，金属间滚动阻力，塑性变形机理：金属物体滚动接触时，若接触压力超过一定数值，将产生屈服。3.塑性变形自由滚动的圆柱体：球体在平面上滚动：泰伯，近似解法；滚动阻力主要由球体前方的塑性变形造成的。半径越大，接触面积和弹性变形越小，F愈小。4.粘着作用滚动摩擦副：产生粘着，粘着接点在分离时其方向垂直于界面，没有接点增大现象。滑动摩擦副：产生粘着，粘着接点在分离时其方向与界面相切，有接点增大现象。滚动摩擦的粘着力：主要是较弱的范德华力滚动摩擦系数小于干滑动摩擦的原因：

滚动摩擦副没有接点增大现象滚动摩擦的接点在分离时，仍有污染膜存在。摩擦副的结构形式、摩擦副的材料的不同匹配等都会影响滚动摩擦。材料副愈硬，球直径愈大，滚动摩擦阻力越小。随载荷增加，滚动摩擦阻力也增大。三、滚动摩擦的影响因素其中n=1.7~1.85m=1.5~1.6D滚子直径、F稳定摩擦力、L载荷。D不变，F和L呈函数关系。L不变，F和D呈函数关系§5边界摩擦一、基本概念与特点⒈定义：又称边界润滑，是指相对表面运动的两个表面被很薄的润滑膜（厚度在0.1μm以下）隔开，两表面间的摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑剂的特性。⒉特点：⑴具有较低的摩擦系数，μ在0.03～0.10之间；⑵两表面不直接接触，减少零件磨损延长使用寿命。⑶能大幅度提高承载能力，扩大使用范围。13.边界膜：边界润滑中起润滑作用的膜。吸附膜：润滑剂的极性分子吸附在摩擦表面上所形成的边界膜。反应膜：摩擦表面与氧及润滑油添加剂中的硫、磷、氯等元素发生化学反应形成膜。物理吸附膜化学吸附膜化学反应膜氧化膜边界膜反应膜吸附膜一、边界摩擦机理⒈摩擦阻力来源于边界膜分子的相互作用。2.摩擦阻力的大小，由润滑油的特性决定，受边界膜附着强度和侧向粘着强度影响。3.当边界润滑中边界膜起主要作用时，a值较小，摩擦力近似表示为：二、影响边界摩擦的主要因素1.边界膜本身性能①链长：一般随链长增加，摩擦系数下降，并达到某一定值。极性分子中碳原子数增加，链长增加，摩擦系数下降。②油性：润滑油在工作面上形成边界膜的能力。反映润滑油的吸附能力。摩擦系数愈小，油性愈好；反之，油性愈差。③分子膜厚度：分子膜层数增加，摩擦系数下降，但幅度减小，最后保持一稳定值。2.温度：各种吸附膜都有一定的临界温度，超过临界温度，吸附膜将发生失向、散乱或脱吸，使润滑失效。3.速度：对于速度非常低的情况下①对于吸附膜，摩擦系数随速度增加而下降，最后保持一定值。②对于化学反应膜，摩擦系数随速度增加而增加，最后保持某一稳定值4.载荷：除载荷极大或极小情况外，一般摩擦系数不受载荷的影响。

磨料磨损§1磨料磨损的定义与分类1.定义：一般是指硬的磨粒或凸出物在与机器零件表面相互接触过程，使表面材料发生损耗的一种现象或过程。磨粒或凸出物一般指非金属，如石英砂、矿岩等；也可能是金属磨屑。磨粒磨损机理目前尚不清楚。2.分类Ⅰ美国矿业系统，艾弗莱，矿山机械受力特点凿削式磨料磨损高应力研磨式磨料磨损低应力划伤式磨料磨损分类Ⅱ艾弗莱，1975，磨料磨损的性质纯流体冲蚀冲击冲蚀：指流体所带的固体颗粒对金属表面进行冲击。冲刷磨损：指平行流体的硬颗粒的低应力磨料磨损。切削式磨料磨损：高应力研磨磨料磨损凿削式磨料磨损冲刷腐蚀磨损分类Ⅲ磨料的固定状态自由磨料固定磨料分类Ⅳ磨损接触的物体表面两体磨料磨损三体磨料磨损还有许多不同的分类方法§2磨料磨损的简化模型拉宾诺维奇Rabinowicz,《材料的摩擦与磨损》；简化的磨料磨损模型迁移体积tSθ假定:单颗圆锥形磨粒在载荷ΔL作用下,压入较软材料中,并在切向力作用下,在表面滑动了ΔS距离,犁出一条沟槽。法向载荷被磨材料硬度压痕直径沟槽的截面积沟槽深度被迁移的沟槽体积磨粒的形状系数单位滑动距离材料的迁移：表明：单位滑动距离材料的迁移与磨沟的宽度平方或与磨沟的深度平方成正比假如把所有作用的磨粒相加，则磨损率为：各圆锥形磨粒tgθ的平均值简化的磨料磨损方程式表明：磨损量与载荷及滑动距离成正比；磨损量与磨损材料的硬度成反比。方程式与阿查德磨损方程基本相同；（阿查德磨损方程）根据阿查德磨损方程，磨料磨损系数Kabr为：简单的磨料磨损方程也可写作：1、三体磨料磨损系数要小于两体磨料磨损，三体磨料磨损过程中磨粒大约90%时间在滚动，故磨损较小（可能原因）；2、Kabr=0.96×tgθ，是理论值，只考虑磨粒的形状系数，并假设所有磨粒都参加切削，同时犁出的沟槽体积都成为磨屑；3、磨损过程影响因素很多，如载荷、硬度、运动情况、环境等，应用时应加以修正。补充说明：§3磨料磨损机理是指零件表面和磨料发生摩擦接触的磨损过程；亦指从表面产生和脱落磨屑的过程；磨料磨损机理迄今尚不十分清楚，存有争论；综述如下：一、微观切削磨损机理磨粒作用在零件表面的力，分法向力和切向力；法向力使磨粒压入表面，形成压痕；切向力使磨粒向前推进，如形状与位向适当时，磨粒对表面进行切削，形成切屑；切削的宽度和深度很小，故切屑也很小；微观观察表明：切屑具有机加工中切屑特征，即：长宽比较大，切屑一面较光滑，另一面具有滑动的台阶或卷曲现象。微观切削磨损是材料表面磨损的主要机理；磨料和表面接触时发生切削的概率不大；磨粒形状成圆钝时，或犁沟的过程中磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向时，或磨粒和表面间夹角太小，或表面材料塑性很高时，磨粒沿表面滑过后只犁出一条沟，把材料推向两边或前面，不形成切屑；对于松散的自由磨粒，大约90%以上的磨粒，发生滚动，只能压出印痕；二、多次塑变导致断裂的磨损机理（犁皱或微观压入）当磨粒滑过表面时，除了切削外，大部分磨粒只把材料推向前面或两旁。这些材料受到很大的塑性形变，却没有脱离母体，同时在沟底及沟槽附近的材料也受到较大的变形。犁沟时一般可能有一部分材料被切削而形成切屑，一部分则未被切削而形成塑变，被推向两侧和前缘。若犁沟时全部的沟槽体积被推向两旁和前缘而不产生任何一次切屑时，称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平;也可能使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形;如此反复塑变，导致材料的加工硬化或其它强化作用，终于剥落而成为磨屑。磨屑呈块状或片状；显微观察可看到，经反复塑变和碾压后的层状折痕和表面上一些台阶、压坑及二次裂纹；材料多次塑性变形的磨损是因为多次变形引起材料晶格的残余畸变，同时达到材料不破坏其间联系而无法改变其形状的极限状态。即达到材料不可能在继续变形和吸收能量。塑性变形降低了材料应力重新分配的能力，故有些截面（当外力不变时）由于应力集中使之逐渐由塑性变为脆性状态。三、疲劳磨损机理疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用；疲劳是指重复应力循环引起的一种特殊破坏形式，其应力幅不超过材料的弹性极限。疲劳磨损是由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的。其特征是材料在强化过程进展的同时，过程的速度强烈地决定于周围的介质以及介质对强化的作用。标准的疲劳过程常有潜伏期，在此期间材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏。当进一步发展时，在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。低周应变疲劳：材料在超过其弹性极限的周期性重复应力作用下产生的破坏现象。扩大了“疲劳”的含义。克拉盖尔斯基、维洛格拉洛夫、吉宁巴乌姆等关于疲劳磨损的研究论断存有异同。四、微观断裂（剥落）磨损机理

磨损时，磨粒的压入对于有些材料（特别是脆性材料）其断裂机理可能占支配地位；当断裂发生时，压痕四周外围的材料会被磨损剥落，即磨损系数Kabr大于1，磨损量也大。莫尔（Moore）磨损量公式单位面积上的磨损量单位面积上的载荷磨粒的平均直径材料的断裂韧度材料的硬度脆性材料的实际体积磨损决定于由断裂机理、微观切削和塑性变形机理所产生的综合磨损；各种机理的平衡，取决与平均压痕深度和产生断裂的临界压痕深度tc；临界压痕深度tc：指尖锐的压头在压入材料表面时，随载荷的增加弹塑性压入深度逐渐增加，达到因压入而产生的拉伸应力使裂纹萌生并围绕压入的塑性区扩展。劳恩（Lawn）等人提出：莫尔实验指出高的Kc/H值将趋于低磨损；有些机理及其细节需要进一步研究；磨料磨损过程中不只是一种机理而常有几种机理同时存在，以某种为主要，随外部、内部条件变化而相应变化。磨料一般是指天然矿物、岩石、泥沙；土壤和人工制作的一定尺寸的矿物，为粒状或无定形固体；大小从微米或亚微米到很大尺寸的矿岩；硬度从很软的石膏到很硬的金刚石；磨料的硬度是决定磨料磨损性关键的因素。§4磨料及其磨损性能一、磨料的形状尖锐的、多角形的磨料比圆而钝的磨料磨损快；当载荷和硬度等条件相同时，磨损率决定于磨料与材料表面夹角的正切平均值；Θ越大，正切平均值越大，磨损率越大；二、迎角α指磨料和材料表面接触时和表面间的夹角。不同材料的临界迎角α0是不同的，在30°~90°之间变化；一般地说，摩擦系数增大，钢的硬度增大，都会使临界迎角减小，即容易产生切屑。固定磨料和自由磨料的迎角分布是不同的；迎角可根据磨损状态的概率统计计算，根据迎角分布的概率和临界迎角，可以计算出切屑形成的概率。三、磨粒大小材料磨损量与磨粒大小有关，一般是随着磨粒直径的增大而增大，直到达到某一临界尺寸后就不再增大，而这种影响对非金属材料来说比金属更大些。若载荷增大，粒径超过临界尺寸后，磨粒的大小对磨损仍有影响，不过影响略小。临界尺寸大致在80μm左右，与材料成分、性能、预冷加工、速度与载荷等有关。四、磨粒的形状与大小的综合作用五、磨粒硬度一般磨料的硬度比材料表面高很多，但当磨料的硬度低于材料硬度时，也会发生磨损，但磨损量小；Hm/Ha≤0.5~0.8为硬磨料磨损Hm/Ha≥0.5~0.8为软磨料磨损六、磨料的其他性能七、磨料的磨损性一般是指磨料破坏零件或刀具的能力，与磨料本身特性及其与零件表面层接触应力的大小及方向有关。⒈矿物和岩石磨料磨损性的测定方法⒉各种矿物和岩石的磨料磨损性⒊已破损磨料的磨损性§5外部摩擦条件对磨料磨损的影响一、载荷二、滑动距离三、磨料和材料表面的相对速度四、热和温度五、腐蚀环境和水蒸汽

一、材料的成分二、材料的微观组织⒈基体组织⒉基体中的第二相①中间金属化合物的沉淀析出相②碳化物：软基体中、硬基体中⒊夹杂物⒋晶界⒌内缺口⒍各向异性§6材料的内部因素对磨料磨损的影响⒈硬度⒉断裂韧性⒊弹性模数⒋真实切断抗力⒌抗拉强度

三、材料的机械性能一、磨料与被磨材料表面的相对硬度变化对方程的修正二、材料磨损时的变形和断裂特征对方程的修正

⒈塑性变形机理

⒉断裂机理§6磨料磨损模型的讨论三、磨损时材料塑变特性和加工硬化对简化方程的修正四、磨料磨损时材料内的局部裂纹扩展对简化方程的修正五、根据磨料磨损时磨屑形成的三种机理（微观切削、微观犁皱、微观裂纹）对简化方程的修正

耐磨材料一、高锰钢的化学成分与铸态组织二、高锰钢的热处理⒈加热⒉加热温度和保温时间⒊冷却§1高锰钢三、高锰钢的加工硬化和耐磨性⒈细化晶粒①变质处理②控制浇注温度③控制铸件凝固速度④悬浮浇注

一、提高高锰钢质量的途径⒉消除钢中的碳化物①控制铸态组织中的碳化物②采用正确的热处理工艺⒊提高冶炼质量二、高锰钢的改型及提高耐磨性的措施⒈高锰钢的合金化⒉适当降低锰碳比⒊沉淀强化处理§2低合金耐磨钢一、低合金耐磨钢的优点⒈较高的硬度与耐磨性⒉良好的韧性和脆断抗力⒊高的脆透性⒋良好的工艺性⒌较好的经济性二、碳及合金元素的作用⒈碳⒉锰⒊硅⒋铬⒌钼⒍镍⒎硼⒏钛、钒、铌⒐稀土元素§3高铬合金白口铸铁§4其他合金白口铸铁§5陶瓷材料按成分和用途，陶瓷材料一般分为：⑴普通陶瓷⑵特种陶瓷⑶金属陶瓷

一、陶瓷的性能⒈机械性能①硬度②刚度③强度④塑性⒉热性能⒊化学稳定性⒋导电性二、常用陶瓷材料⒈氧化物陶瓷：氧化铝⒉非氧化物陶瓷：碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。

三、金属陶瓷⒈氧化物基金属陶瓷：⒉碳化物基金属陶瓷①硬质合金：WC、TiC、TaC等为主体，Co为粘结剂。②钢结硬质合金：WC、TiC等为硬质相，且含量少（约30%）以各种合金钢或高速钢粉末为粘结剂。

§5耐磨材料的选用

微动磨损§1微动磨损的定义及特点§2微动磨损机理一、影响因素⒈力学因素①载荷循环数②相对滑动振幅③法向载荷④频率§3影响微动磨损的因素和防护方法⒉环境因素①气氛（包括湿度）②温度⒊材料因素

⒈设计⒉表面处理及涂层⒊润滑⒋表面加工硬化⒌材料的选择

二、减少微动磨损的措施

粘着磨损⒈定义：实际上是相互接触表面上的微凸体不断地形成粘着接点和接点断裂而导致摩擦表面破坏并形成磨屑的过程。最常见的磨损形式，如一固体材料在另一固体材料表面上滑动或压入其表面后被拉开时。以小颗粒状形式、存在粘附和反粘附现象§1粘着磨损的特点与分类举例：1、真空中洁净的硬钢压在黄铜块上后分开，用高倍显微镜观察，明显看到分散的黄铜粒嵌在钢表面。2、黄铜圆销在旋转的钢制圆盘上滑动，可看到钢盘表面被涂抹上一层黄铜。如果用显微镜观察可看到分散的转移特性。3、巴克莱用单晶体碳化硅与各种金属相摩擦，第一组球形碳化硅滑块在金属平面滑动；第二组球形金属滑块在碳化硅平面滑动。⑴轻微磨损⑵涂抹⑶擦伤（胶合或咬合）⑷撕脱（或咬焊）⑸咬死

2.根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损区分为5类：§3粘着机理

两洁净金属表面相互接触会形成强的金属接点；当表面粗糙的两固体，在法向压力作用下相互接触时，一小部分微凸体的顶峰受到很大压应力，当达到了流动压力时，就发生塑性变形。当表面洁净时，两固体表面的粒子随着距离的缩短，将先后出现物理和化学键，当两表面上有成片的粒子相结合，就形成凸体桥，即接点。齐曼Ziman胶体模型：金属中的自由电子云类似于粘结液，能够把金属表面上靠得很近的正离子结合起来，形成金属键，粘着强度基本决定于界面上的电子密度。如果两固体的内聚功不同，而粘着功的大小又介于两者之间，则断裂将发生在内聚功较小的固体内。影响固体间的粘着的两个主要因素：一个是表面上的氧化膜或其他污染膜；往往会被表面变形，特别是剪切应力所破坏，显露出新鲜表面而被粘着；另一个是弹性应力恢复效应。接触区接点在形成过程中被强烈的加工硬化，当载荷卸除后，界面发生弹性变形，此时周边的连接桥处于拉应力状态，由于延性不足而被拉断，所以只有一部分接点被保留下来；对于大多数金属（即使完全净化的表面），由于弹性应力恢复效应，在卸除法向载荷之后，粘着面积比预计的值小的解决措施？可在卸载前通过接点退火，使加工硬化后微凸体桥的延性增加，获得很大的法向粘着。当法向载荷存在时，对试样施加切向应力，由于法向和切向应力复合的结果，使接触面积增大，粘着点增大。结晶表面间的结晶位向影响粘着：具有完全配合的位向，很容易发生粘着；位向失配时，必须提供能量才能使界面形成强固粘着；能量可以是热量或塑性变形功；（如：低温比高温需要更多的塑变才能形成界面间强固粘着。）金属晶体结构（如密排面、滑移方向）影响界面上塑性变形，所以对粘着也有很大影响。一般滑移系增加，滑移概率增加，开始易滑移，位错形成位错接点后阻碍滑移，易焊合，微凸体加工硬化后难断开，使粘着增大。材料间的溶解度和互溶性影响粘着：38种金属对钢在真空中实验：溶解度极小或者和铁组成金属化合物的材料不易粘着；原因：接点的形成和生长与在原子范畴内发生扩散有关。虽然时间较短，但微凸体接触瞬间，温度很高，使接点能够生长。上述理论也适用于非金属材料间及非金属材料与金属间的粘着作用：粘着的本质：例如：两片洁净的铜表面被压紧在一起，微凸体上原子靠近，甚至靠近到本身原子间的距离程度，此时无法区分界面上原子属于那边，所以界面间的力就和其基体内部原子力具有相同性质。但由于相遇铜晶格间的错配，界面总有缺陷，使接触区粘着变弱；塑性流动和热扩散可以使缺陷消除，同时界面就不存在了。接触区的粘着强度相当于材料本身强度。粘着的本质：对于异类合金可以应用如上推理；若不形成合金，则界面力可能为两金属内部原子力的平均值如（铟-金），若形成合金则相互作用性质比较复杂。强固粘着是原子间力的结果，可以看作是整个固体内部的原子力处理；如果实践中没发现强固粘着，则主要是由于粘染膜和弹性应力恢复效应影响。§4粘着磨损的模型和定律一、粘着磨损的发生1）界面比滑动表面中任一金属都弱，则剪切发生在界面上，并且磨损极小。（如锡-钢）2）界面比滑动表面中一金属强而弱于另一个，则剪切发生在较软金属表层上，并且磨屑粘附到硬金属表面上。（如铝-钢）3）界面比滑动表面中一金属强，偶而也强于另一个，则较软金属明显转移到硬金属上，偶而也会撕下硬金属。（如铜-钢）4）界面比滑动表面中任一金属都强，则剪切发生在界面不远处。（如同种金属间滑动）上述情况磨损量相差很大！由于界面为截面积最小处，且存在大量缺陷，故强度较低，断裂一般发生在界面处。实验表明，材料副在滑动中形成大磨屑的少于接点总数的5%。磨屑形成过程的图解格林伍德Greenwood和泰伯Tabor用不同金属与塑料的两维模型说明微凸体及其剪切。指出：某些情况，特别是接点平面与滑动方向不平行时，将形成粘附磨屑。由于原始表面粗糙或在滑动过程中变粗糙，使不平行性一定存在。芬恩Feng：若接点与滑动方向平行，在滑动过程中使接点变粗糙，则切屑易形成。较硬材料也会形成磨屑：大多数情况磨屑发生在较软金属内部且形成较多、较大的磨屑；事实证明，较硬材料也会形成磨屑可能是较硬材料内部也有局部的低硬度区，同时较软材料表面也存在高硬度区，所以使较硬材料形成磨屑。二、粘着磨损的原子模型（汤姆林逊模型）原子俘获而生的磨损：摩擦表面十分接近时，原子相互排斥，被排斥原子不仅回到原来位置，另一方面一个原子也