第三章 磨损及磨损机理

机械零件的磨损机理与疲劳分析引言：机械零件是构成各种机械设备的核心组成部分，其质量和可靠性直接影响着整个设备的性能和寿命。

在机械运动过程中，零件之间的接触和磨擦不可避免地会导致磨损和疲劳，从而降低机械零件的工作效率和寿命。

因此，研究机械零件的磨损机理与疲劳分析成为提高机械设备的性能和寿命的重要课题。

一、磨损机理磨损是机械零件在相对运动过程中表面材料的损失，主要包括磨粒磨损、疲劳磨损和润滑磨损等。

1. 磨粒磨损磨粒磨损是由于杂质等颗粒物进入零件表面的接触区域，与零件表面发生相对滑动而引起的既摩擦又磨损现象。

磨粒磨损会导致零件表面粗糙度增加，磨粒在摩擦接触区域形成凹槽和划痕，进一步加剧磨损。

2. 疲劳磨损疲劳磨损是由周期性应力作用引起的损伤，主要发生在机械零件承受往复或交变载荷的部位。

机械零件在往复运动过程中，由于应力的交变作用，材料表面会出现微裂纹，随着应力的不断作用，微裂纹会逐渐扩展并最终导致零件的疲劳破坏。

3. 润滑磨损润滑磨损是由于润滑油膜的破坏而引起的磨损现象。

当机械零件表面的润滑油膜无法保持稳定时，摩擦接触表面之间的直接接触会增加，摩擦热和摩擦力会增大，从而导致零件表面的磨损加剧。

二、疲劳分析疲劳分析是研究机械零件在循环加载下的疲劳性能和寿命的工程方法。

通过对零件材料的应力应变状态和疲劳强度的分析，可以判断零件在正常工况下的抗疲劳性能，并提出相应的改进措施。

1. 应力分析应力是导致机械零件疲劳破坏的主要因素。

在进行疲劳分析时，需要对零件所受的静态和动态载荷进行分析，计算出零件的应力分布情况，并结合材料的疲劳强度曲线，判断零件是否会发生疲劳破坏。

2. 循环载荷循环载荷是指在零件使用过程中的周期性变化的载荷。

循环载荷下，机械零件会发生应力集中和应力交变，进而引起疲劳裂纹和疲劳破坏。

因此，在疲劳分析中，需要对循环载荷进行精确的统计和计算，以准确评估零件在实际工作条件下的疲劳性能。

3. 疲劳强度分析疲劳强度是指材料在循环加载作用下能够承受的最大载荷水平。

磨损与形貌测量一）磨损机理根据近年来的研究，人们普遍认为按照不同的磨损机理来分类是比较恰当的，通常将磨损划分为四个基本类型：粘着磨损；磨粒磨损；表面疲劳磨损；腐蚀磨损；微动磨损。

虽然这种分类还不十分完善，但它概括了各种常见的磨损形式。

例如：腐蚀磨损是表面和含有固体颗粒的液体相摩擦而形成的磨损，它可以归入磨粒磨损。

微动磨损的主要原因是接触表面的氧化作用，可以将它归纳在腐蚀磨损之内。

还应当指出：在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后住住诱发其它形式的磨损。

例如疲劳磨损的磨屑会导致磨粒磨损，而磨粒磨损所形成的新净表面又将引起腐蚀或粘着磨损微动磨损就是一种典型的复合磨损。

在微动磨损过程中，可能出现粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式。

随着工况条件的变化，不同形式磨损的主次不同。

二）典型的磨损过程（三阶段）1、磨合磨损过程在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小。

2、稳定磨损阶段经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓，该段时间长短反映零件的寿命。

3、剧烈磨损阶段经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效。

三）摩擦表面的形态分析由于摩擦现象发生在表面层，表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，现代表面测试技术已先后用来研究摩擦表面的各种现象。

1、摩擦磨损表面形貌的分析摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。

表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大，并且描绘出表面的轮廓曲线。

再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参数的变化。

目前常用的表面微观形貌分析设备为扫描电子显微镜。

电子扫描的图像清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽(20-20000倍)，检测范围亦较大。

机械运动中的摩擦与磨损分析一、引言机械运动中的摩擦与磨损是一个广泛存在于各类设备与机械系统中的问题。

摩擦与磨损不仅会降低机械设备的效率，还会导致设备寿命的缩短，甚至引发设备故障。

因此，对于机械运动中的摩擦与磨损进行深入分析与研究具有重要意义。

二、摩擦与磨损的概念及影响因素1. 摩擦是指两个固体在接触表面上相互抵抗相对运动的力。

摩擦力的大小与接触面的粗糙度、物体质地以及表面润滑状况等因素相关。

2. 磨损是指固体表面因摩擦力或其他力的作用而磨掉一部分材料的现象。

磨损也与材料的硬度、接触面的负荷和速度等因素密切相关。

三、摩擦与磨损的分类与机理1. 滑动摩擦与磨损：两个物体表面在相对滑动时发生的摩擦和磨损。

滑动摩擦和磨损的机理主要是表面间的摩擦力和相互作用力集中在局部点上，使材料发生破坏。

2. 滚动摩擦与磨损：当两个物体在相互滚动时，由于接触点的轮廓不断改变，从而形成滚动摩擦，并引起表面磨损。

四、摩擦与磨损的预防与控制方法1. 优化设计：通过合理的材料选择、表面润滑处理以及接触面的几何形状设计，最小化摩擦与磨损的产生。

2. 润滑剂的使用：使用润滑剂可以减少物体表面之间的直接接触，从而降低摩擦和磨损。

润滑剂的选择应根据具体情况进行，常见的润滑方式包括干润滑、液体润滑和固体润滑等。

3. 表面处理技术：通过表面镀覆、喷涂、化学处理等方式对接触表面进行改性，提高表面的硬度、润滑性和抗磨性能。

4. 定期维护与保养：对机械设备进行定期保养和维护，及时更换磨损部件，增加机械运行的可靠性和寿命。

五、摩擦与磨损的测量和评估方法1. 摩擦力的测量：可以通过力传感器、压电传感器等装置来测量物体之间的摩擦力大小。

2. 磨损量的评估：可以通过测量设备表面的几何形状变化、重量损失、材料组织的变化等指标来评估磨损量。

六、案例分析：汽车发动机摩擦与磨损问题以汽车发动机为例，介绍摩擦与磨损在工程中的应用。

在发动机中，摩擦与磨损是一个重要的研究方向。

磨损的类型磨损机理表面疲劳磨损形成及影响因素磨损实际是接触表面随着时间增加和载荷作用损伤的累积过程。

自然界中不论机械零件，还是人造关节都存在着磨损。

可以说，磨损无处不在。

它直接影响着机器的运转精度和寿命。

据统计,每年全世界生产总值的近五分之二被摩擦磨损消耗掉了。

因此，开展系统的摩擦学设计，尽量减少或消除磨损，对人类具有重大意义。

前苏联学者进一步较全面地提出了区分磨损类别的方法。

他将磨损分为三个过程，依次为表面的相互作用两体摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的。

机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应，可以是两体表面的粗糙峰直接啮合引起的，也可以是夹在中间的外界磨粒造成的。

表面分子的作用包括相互吸引和粘着，前者作用力小于后者。

表面层的变化在表面摩擦的作用下，表面层将发生机械的，组织结构的及物理的和化学的变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响造成的。

表面层的塑性变形会使金属冷作硬化而变脆，反复的弹性变形会使金属出现疲劳破坏。

摩擦热引起的表面接触高温可以使表层金属退火软化，而接触后急剧冷却将导致再结晶或固溶体分解。

外界环境的影响主要表现为介质在表层的扩散，包括氧化和其他化学腐蚀作用，因而会改变金属表面层的组织结构。

表面层的破坏形式有擦伤、点蚀、剥落、胶合、微观磨损。

近年来的研究普遍认为, 按照不同的机理对磨损来进行分类是比较恰当的。

通常可将磨损划分为个基本类型粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。

虽然这种分类还不十分完善, 但概括了各种常见的磨损形式。

磨损机理通常从机理上可以把磨损分为粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，侵蚀磨损，腐蚀磨损和热磨损等。

粘着磨损相对运动的表面因存在分子间的吸引而在表面的微观接触处产生粘着作用，当粘着作用的强度大于材料内部的联接强度时，经过一定周期的接触就会产生磨损。

粘着磨损的磨损度常常是压力的函数，低压软表面或高压下都会产生严重的粘着磨损。

对于可以认为是同类材料的摩擦副表面，磨损常数趋于较大值，因为粘着作用的实质是原子或分子间产生了融合。

第三章 磨擦、磨损及润滑（一）教学要求掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程和机理及润滑的类型及润滑剂类型。

（二）教学的重点与难点摩擦副基本性质和典型磨损过程（三）教学内容§3—1 摩擦摩擦——两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动的切向阻力，——这种现角叫磨擦磨损——由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。

使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏→精度、可靠性↓效率↓直至破坏润滑——减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。

摩擦学（Tribology ）——包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、工程热物理学等学科，是一门边缘和交叉学科。

摩擦 内摩擦——发生在物质内部外摩擦——两个相互接触表面之间的摩擦接运动状态——摩擦 静摩擦——仅有相对滑动趋势时的摩擦动摩擦本节只讨论金属摩擦副的滑动摩擦根据摩擦面间存在润滑剂的状况，干摩擦 ——最不利滑动摩擦 边界摩擦（边界润滑） ——最低要求流体摩擦（流体润滑） ——如图3-1所示混合摩擦（混合润滑） ——最理想各种状态下的摩擦系数见表3-1，图3-2为摩擦特性曲线p v f /ηλ=-的关系。

一、干摩擦——两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦而实际上，即使很洁净的表面上也存在脏污膜和的氧化膜，∴实际f 比在真空中测定值小很多。

摩擦理论：①库仑公式 n f fF F =（n F —法向力）——至今沿用机理：②机械摩擦理论→认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦力为啮合点问切向阻力的总和，表面越粗糙，摩擦力就越大。

但不能解释光滑表面间的摩擦现象——表面愈光滑、接触面越大，f F 越大，且与滑动速度V 有关。

③新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论—常用简单粘着理论：如图3-3所示，摩擦副真实接触面积Ar 只有表现接触面积A 的百分之一和万分之一，)10000~100/(A Ar =，∴接触面上压力很大，很容易达到材料的压缩屈服极限sy σ→产生塑性流动→接触面↑，∴n F ↑应力并不升高 ∴sy nF Ar σ= （3-1）接触点塑性变形后→脏污膜遭破坏，容易使基本金属产生粘着现象→产生冷焊结点→滑动时，先将结点切开，设结点的剪切强度极限为B τ，则摩擦力为B sy nB r f F A F τστ== （3-2） ∴金属摩擦系数syB n fF F f στ== （3-3） B τ 两接触金属中较软者的剪切强度——剪切发生在软金属站界面的剪切强度极限B f f B ττττ<<=,（脏污表面）——剪切发生在结点金属上 sy σ——较硬的基本材料的压缩屈服极限∵大多数金属sy B στ/很相近，∴f 很相近∴降低摩擦系数的措施：在硬金属基体表面涂覆一层极薄的软金属（使）sy σ取决于基体材料，B τ取决于软金属。

磨损与形貌测量一）磨损机理根据近年来的研究，人们普遍认为按照不同的磨损机理来分类是比较恰当的，通常将磨损划分为四个基本类型：粘着磨损；磨粒磨损；表面疲劳磨损；腐蚀磨损；微动磨损。

虽然这种分类还不十分完善，但它概括了各种常见的磨损形式。

例如：腐蚀磨损是表面和含有固体颗粒的液体相摩擦而形成的磨损，它可以归入磨粒磨损。

微动磨损的主要原因是接触表面的氧化作用，可以将它归纳在腐蚀磨损之内。

还应当指出：在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后住住诱发其它形式的磨损。

例如疲劳磨损的磨屑会导致磨粒磨损，而磨粒磨损所形成的新净表面又将引起腐蚀或粘着磨损微动磨损就是一种典型的复合磨损。

在微动磨损过程中，可能出现粘着磨损、氧化磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式。

随着工况条件的变化，不同形式磨损的主次不同。

二）典型的磨损过程（三阶段）1、磨合磨损过程在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小。

2、稳定磨损阶段经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓，该段时间长短反映零件的寿命。

3、剧烈磨损阶段经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效。

三）摩擦表面的形态分析由于摩擦现象发生在表面层，表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，现代表面测试技术已先后用来研究摩擦表面的各种现象。

1、摩擦磨损表面形貌的分析摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。

表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大，并且描绘出表面的轮廓曲线。

再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参数的变化。

目前常用的表面微观形貌分析设备为扫描电子显微镜。

电子扫描的图像清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽(20-20000倍)，检测范围亦较大。

第三章磨损及磨损机理概述物体摩擦外表上的物质，由于外表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〕机件磨损是无法防止的。

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，例如相互作用外表的相对运动方式(滑动，滚动，往复运动，冲击)，载荷与速度的大小，外表材料的种类，组织，机械性能和物理-化学性能等，各种外表处理工艺，外表几何性质(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，他认为两个粗糙外表在接触摩擦过程中相互接近，而一个外表上的原子被另一个外表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，他指出摩擦材料的压缩屈服极限σb(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(m＝E/H×105)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外表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)认为软钢外表变得粗糙和发生塑性变形，是由于应力过高而引起的。

拉宾诺维奇认为外表能与材料硬度之比，对于磨损是一个重要因素，它可能影响磨屑的大小。