摩擦学基础知识-磨损

(4) 消耗材料, 造成机械材料的大面积报废。
1.3
研究内容：
(1) 磨损类型及发生条件、特征和变化规律。 (2) 影响磨损各种因素，包括材料、表面形
态、 环境、滑动速度、载荷、温度等。
(3) 磨损的物理模型、计算及改善措施。 (4) 磨损的测试技术与实验分析方法。
1.4
磨损过程的一般规律：
1.磨损过程曲线：典型磨损曲线通常由三种不同 的磨损变化阶段组成。
** 实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才
能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，
硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬
死等情况。
5 粘着磨损的影响因素
(1)摩擦副材料：
a:材料性能：脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高。
**塑性材料粘着结点的破坏以塑性流动为主，发生 在表层深处，磨损颗粒大。 **脆性材料粘着结点的破坏主要剥落，损伤深度较 浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。 **根据强度理论：脆性材料的破坏由正应力引起， 塑性材料的破坏决定于切应力。表面接触中的最 大正应力作用在表面，最大切应力离表面有一定 深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重。
1.2 磨损的危害： (1) 影响机器的质量，减低设备的使用寿命。 如齿轮齿面的磨损，破坏了渐开线齿形，传 动中导致冲击振动。机床主轴轴承磨损，影 响零件的加工精度。 (2) 降低机器的效率，消耗能量。如柴油机 缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。 (3) 减少机器的可靠性，造成不安全的因素。 如断齿、钢轨磨损。
接 触 表 面 力 的 作 用 特 点
两体 磨损 三体 磨损 划伤 磨损 碾压 磨损 凿削 磨损
硬磨料或硬表面微凸体与一 犁铧、水 个摩擦表面对磨的磨损 轮机轮叶
磨粒介于两摩擦表面之间， 齿轮、滑 并在两表面间滑动 动轴承间
磨料的作用应力低于其压溃 犁铧、输 强度，材料表面被轻微划伤 送机溜槽 磨料与表面接触最大压应力 破碎滚筒 大于磨料的压溃强度 球蘑机球 磨料对表面有高应力冲击运 颚式破碎 动，材料表面被凿削 机齿板
添加剂；选用热导性高的摩擦副材料或加强冷却降
低表面温度；改善表面形貌以减少接触 压力等都
可以提高抗粘着磨损的能力。
b:相对滑动速度：载荷一定的情况下，粘着磨损量 随滑动速度的增加而增大。随着相对滑动速度的增 加，表面温度升高，表面生成的氧化膜阻止了金属 间的直接接触，减少了粘着磨损。
c:载荷的影响：
b:材料的互溶性：
？相同金属或互溶性大的材料摩擦副易发生 粘着磨损。 ？异种金属或互溶性小的材料摩擦副抗粘着 磨损能力较高。 ？金属与非金属摩擦副抗粘着磨损能力高于 异体金属摩擦副 。
c: 材料的组织结构和表面处理：
--多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力
高。通过表面处理技术在金属表面生成硫 化物、磷化物或氯化物等薄膜可以减少粘 着效应，同时表面膜限制了破坏深度，提 高抗粘着磨损的能力。
循环不断进行，构成粘着磨损过程。
3五类典型粘着磨损
(1)轻微磨损:
粘着结合强度比摩擦副基体金属抗剪切强度都低， 剪切破坏发生在粘着结合面上，表面转移的材料较 轻微。
(2)涂抹:
粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较 硬金属抗剪切强度。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。
d:材料的硬度： 硬度高的金属比硬度低的 金属抗粘着能力强，表面 接触应力大于较软金属硬 度的1/3时，很多金属将由 轻微磨损转变为严重的粘 着磨损。 e: 表面粗糙度：一般情况下， 降低摩擦副的表面粗糙度能 提高抗粘着能力。
硬度的影响
(2) 外部环境条件： a:润滑条件：在润滑油或润滑脂中加入油性或极压
4 磨粒磨损简化模型计算：
简单的计算方法根据微观切削机理得出，即拉宾诺 维奇 (Rabinowicz)模型: 假定单颗磨粒形状为圆 锥体，半角为θ ，载荷为W，压入深度h，滑动距 离为S，屈服极限σs 。
5 影响磨粒磨损的因素：
(1)硬度因素： 磨料硬度H0与试件硬度H比 值: 当磨料硬度低于试件硬 度, 即H0 ＜ (0.7~1)H不产生 磨料磨损或产生轻微磨损。 当磨料硬度超过试件硬度后， 磨损量随磨料硬度而增加。 若磨料硬度很高将产生严重 磨损，此时磨损量不再随磨料硬度而变化。为了避免磨料 磨损，材料硬度应高于磨料硬度，一般当 H ＞1.3 H0 时 只发生轻微的 磨料磨损。
n 速度指数，一般为2~3，塑性材料波动小，
取2.3~2.4，脆性材料波动较大，取2.2~6.5。
（3）冲击角：
主要与靶材料有关。 塑性材料的磨损开始随冲击角的增加而 增加，当冲击角为20~30度时，磨损量最 大，然后随冲击角继续增大而减小。 脆性材料随冲击角的增大，磨损量不断 增大，当冲击角为90度时，磨损率最大。
第三章 磨损及磨损理论
概述：
1.1定义：摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或
产生残余变形的现象。表面物质运动主要包括机械 运动、化学作用和热作用。
(1) 机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表 面的物理变形。 (2) 化学作用使摩擦表面发生性状的改变。
(3) 热作用使摩擦的表面发生形状的改变。
(4) 其他作用造成各种作用的产生。
（2）磨粒尺寸：一般金属的磨损率随磨粒平均
尺寸的增大而增大，当磨粒尺寸达到一定临 界尺寸后，磨损率不再增大，临界尺寸大约 为80μm。
磨粒尺寸影 响
（3）载荷的影响：磨损率与压力成正比，
但有一转折点，当压力达到或超过临界 压力时，磨损率随压力的增加变的平缓。
载荷
冲蚀磨损
1. 定义：流体或固体颗粒以一定的速度和角

量急剧增大。精度降低、间隙增大，温 度升高，产生冲击、振动和噪声，最终 导致零部件完全失效。
非典型磨 损曲线
2. 磨损特性曲线----浴盆曲线
典型浴 盆曲线
1.5 磨损、摩擦和润滑的关系
油膜 膜厚 比
磨损类型
2.1磨损
类型
2.2 表面破坏方式及特征
破坏方式
微动磨损 剥 层
基
本
特
征
磨损表面有粘着痕迹，铁金属磨屑被氧化成红棕色氧化物，通 常作为磨料加剧磨损。 破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展， 最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。
相 对 硬 度 磨 料 特 性 工 作 环 境
硬料磨损 软料磨损 干磨损 湿料磨损 流体磨损 一般磨损 腐蚀磨损 热料磨损
磨料硬度大于材料硬度 磨料硬度低于材料硬度 磨料是干燥的 磨料含水分，加速磨损 气或液体带磨料冲刷表面 正常条件下的磨料磨损 腐蚀介质中的磨料磨损 高温工作下的磨料磨损
石英-钢材 矿石-钢 球磨机干磨 球磨机湿磨 泥浆泵等 各类机械 化工机械等 沸腾炉等
(1)
磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加。 出现在初始运动阶段，由于表面存在粗糙 度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨 损速度快。
(2)稳定磨损阶段：摩擦表面磨合后达到稳
定状态，磨损率保持不变。标志磨损条 件保持相对稳定，是零件整个寿命范围 内的工作过程。
(3) 剧烈磨损阶段：工作条件恶化，磨损
当载荷增大到某一临界 值后，粘着磨损量会急 剧增加。右图是四球机
磨痕直径的变化，当载
荷达到一定值时，磨痕
直径迅速增大，此载荷
称为胶合载荷。
d:表面温度：
温度主要导致摩擦表面： (1)表面性质发生变化：如硬化、相变或软化。 (2)表面膜变化：破坏表面膜，导致氧化膜或 其它形式化合物膜形成。 (3)润滑剂的性质发生变化：油膜氧化或热降 解，油膜离析，分子链位向消失。一般情况 下，温度升高，材料硬度下降，在不考虑其 它因素的作用时，摩擦表面容易产生粘着磨 损。
胶
咬 点 研 划 凿
合
死 蚀 磨 伤 削
表面存在明显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速 重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。
黏着坑密集，材料转移严重，摩擦副大量焊合，磨损急剧增加， 摩擦副相对运动受到阻碍或停止。 材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑”状凹坑。 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。 低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。 存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成
(3)擦伤：
粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。 剪切发生在较软金属的亚表层内或硬金属的亚表 层内，转移到硬金属上的粘着物使软表面出现细 而浅划痕，硬金属表面也偶有划伤。
(4)划伤：
粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高， 切应力高于粘着结合强度。剪切破坏发生在摩擦 副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。
磨粒磨损
1 定义: 摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷 摩擦表面引起材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面 互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。 2 磨料磨损分类及其磨损特征： 分类 类型 特 征 实例
磨料 固定 形态 自由 磨损 固定 磨损 磨粒自由松散，可以在表面 刮板、输 滑动或滚动，磨粒之间也有 送机溜槽 相对运动。 磨料固定，在磨损表面作相 采煤机截 对滑动，磨料可以是小颗粒，齿、挖掘 也可以是很大的整体颗粒。 机斗齿
（3）变形磨损理论：
比特1963年提出：该理论把冲蚀磨损分为变
形磨损和切削磨损。认为90度冲角下的冲蚀 磨损与粒子冲击靶材的变形有关，1972年， 谢尔登和凯希尔利用单颗粒冲蚀磨损实验证 实。
（4）薄片剥落理论： 莱维等人提出：认为冲蚀磨损时，形成薄 片的大应变出现在很薄的表面层中，该表 面由于绝热剪切变形而被加热到金属的退 火温度，于是形成了一个软的表面层，其 下面有一个由于材料塑性变形而产生的加 工硬化区，该区的形成对表面层薄片的形 成有促进作用，在反复的冲击和挤压变形 作用下，材料表面形成薄片而剥落。
3 磨粒磨损机理
(1) 微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面， 而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面 剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕。 (2) 挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面 而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或 鳞片状剥落碎屑。 (3) 疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触 力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。