摩擦與磨損

2024年2月23日發(作者：211院校排名)

表面摩擦與磨損

一、摩擦與磨損的定義

摩擦的定義是:兩個相互接觸的物體在外力的作用下發生相對運動或者相對運動趨勢時,在切相面見間產生切向的運動阻力,這一阻力又稱為摩擦力。磨損的定義是:任一工作表面的物質,由于表面相對運動而不斷損失的現象。

據估計消耗在摩擦過程中的能量約占世界工業能耗的 30%。在機器工作過程中，磨損會造成零件的表面形狀和尺寸緩慢而連續損壞，使得機器的工作性能與可靠性逐漸降低，甚至可能導致零件的突然破壞。人類很早就開始對摩擦現象進行研究，取得了大量的成果，特別是近幾十年來已在一些機器或零件的設計中考慮了磨損壽命問題。在零件的結構設計、材料選用、加工制造、表面強化處理、潤滑劑的選用、操作與維修等方面采取措施，可以有效地解決零件的摩擦磨損問題，提高機器的工作效率，減少能量損失，降低材料消耗，保證機器工作的可靠性。

二、摩擦的分類及評價方法

在機器工作時，零件之間不但相互接觸，而且接觸的表面之間還存在著相對運動。從摩擦學的角度看，這種存在相互運動的接觸面可以看作為摩擦副。有四種摩擦分類方式：按照摩擦副的運動狀態分類、按照摩擦副的運動形式分類、按照摩擦副表面的潤滑狀態分類、按照摩擦副所處的工況條件分類。這里主要以根據摩擦副之間的狀態不同分類，摩擦可以分為：干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦，如圖2－1所示。

圖2-1 摩擦狀態

1、 干摩擦

當摩擦副表面間不加任何潤滑劑時，將出現固體表面直接接觸的摩擦（見圖

2-1a），工程上稱為干摩擦。此時，兩摩擦表面間的相對運動將消耗大量的能量并造成嚴重的表面磨損。這種摩擦狀態是失效，在機器工作時是不允許出現的。由于任何零件的表面都會因為氧化而形成氧化膜或被潤滑油所濕潤，所以在工程實際中，并不存在真正的干摩擦。

2 、邊界摩擦

當摩擦副表面間有潤滑油存在時，由于潤滑油與金屬表面間的物理吸附作用和化學吸附作用，潤滑油會在金屬表面上形成極薄的邊界膜。邊界膜的厚度非常小，通常只有幾個分子到十幾個分子厚，不足以將微觀不平的兩金屬表面分隔開，所以相互運動時，金屬表面的微凸出部分將發生接觸，這種狀態稱為邊界摩擦（見圖 2-1b）。當摩擦副表面覆蓋一層邊界膜后，雖然表面磨損不能消除，但可以起著減小摩擦與減輕磨損的作用。與干摩擦狀態相比，邊界摩擦狀態時的摩擦系數要小的多。

在機器工作時，零件的工作溫度、速度和載荷大小等因素都會對邊界膜產生影響，甚至造成邊界膜破裂。因此，在邊界摩擦狀態下，保持邊界膜不破裂十分重要。在工程中，經常通過合理地設計摩擦副的形狀，選擇合適的摩擦副材料與潤滑劑，降低表面粗糙度，在潤滑劑中加入適當的油性添加劑和極壓添加劑等措施來提高邊界膜的強度。

3 、流體摩擦

當摩擦副表面間形成的油膜厚度達到足以將兩個表面的微凸出部分完全分開時，摩擦副之間的摩擦就轉變為油膜之間的摩擦，這稱為流體摩擦（見圖 2－1c）。形成流體摩擦的方式有兩種：一是通過液壓系統向摩擦面之間供給壓力油，強制形成壓力油膜隔開摩擦表面，這稱為流體靜壓摩擦；二是通過兩摩擦表面在滿足一定的條件下，相對運動時產生的壓力油膜隔開摩擦表面，這稱為流體動壓摩擦。流體摩擦是在流體內部的分子間進行的，所以摩擦系數極小。

4 、混合摩擦

當摩擦副表面間處在邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態時，稱為混合摩擦。在一般機器中，摩擦表面多處于混合摩擦狀態（見圖 2－1d）。混合摩擦時，表面間的微凸出部分仍有直接接觸，磨損仍然存在。但是，由于混合摩擦時的流體膜厚度要比邊界摩擦時的厚，減小了微凸出部分的接觸數量，同時增加了流體膜承載的比例，所以混合摩擦狀態時的摩擦系數要比邊界摩擦時小得多。

三、磨損的分類及評價方法

摩擦副表面間的摩擦造成表面材料逐漸地損失的現象稱為磨損。零件表面磨損后不但會影響其正常工作，如齒輪和滾動軸承的工作噪聲增大，而承載能力降

低，同時還會影響機器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪聲與能耗增大，甚至造成機器報廢。通常，零件的磨損是很難避免的。但是，只要在設計時注意考慮避免或減輕磨損，在制造時注意保證加工質量，而在使用時注意操作與維護，就可以在規定的年限內，使零件的磨損量控制在允許的范圍內，就屬于正常磨損。另一方面，工程上也有不少利用磨損的場合，如研磨、跑合過程就是有用的磨損。

圖3-1 零件的磨損曲線

3.1 工程實踐表明，機械零件的正常磨損過程大致分為三個階段：初期磨損階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段，如圖3-1所示。

1)初期磨損階段

由圖 3－1可見，機械零件在初期磨損階段的特點是在較短的工作時間內，表面發生了較大的磨損量。這是由于零件剛開始工作時，表面微凸出部分的曲率半徑小，實際接觸面積小，造成較大的接觸壓強，同時曲率半徑小也不利于潤滑油膜的形成與穩定。所以，在開始工作的較短時間內磨損量較大。

2)穩定磨損階段

經過初期磨損階段后，零件表面磨損的很緩慢。這是由于經過初期磨損階段后，表面微凸出部分的曲率半徑增大，高度降低，接觸面積增大，使得接觸壓強減小，同時還有利于潤滑油膜的形成與穩定。穩定磨損階段決定了零件的工作壽命。因此，延長穩定磨損階段對零件工作是十分有利的。工程實踐表明，利用初期磨損階段可以改善表面性能，提高零件的工作壽命。

3)劇烈磨損階段

零件在經過長時間的工作之后，即穩定磨損階段之后，由于各種因素的影響，磨損速度急劇加快，磨損量明顯增大。此時，零件的表面溫度迅速升高，工作噪聲與振動增大，導致零件不能正常工作而失效。在實際中，這三個磨損階段并沒有明顯的界限。

在機械工程中，零件磨損是一個普遍的現象。盡管，人類已對磨損開展了廣泛的科學研究，但是從工程設計的角度看，關于零件的耐磨性或磨損強度的理論仍然不十分成熟。因此，本書僅從磨損機理的角度對磨損的分類作一介紹。

3.2 根據磨損的機理，零件的磨損可以分為：粘著磨損、腐蝕磨損、磨料磨損和接觸疲勞磨損。

1)粘著磨損

在摩擦副表面間，微凸出部分相互接觸，承受著較大的載荷，相對滑動引起表面溫度升高，導致表面的吸附膜（如油膜，氧化膜）破裂，造成金屬基體直接接觸并“焊接”到一起。與此同時，相對滑動的切向作用力將“焊接”點，即粘著點，剪切開，造成材料從一個表面上被撕脫下來粘附到另一表面上。由此形成的磨損稱為粘著磨損。通常多是較軟表面上的材料被撕脫下來，粘附到較硬的表面上。零件工作時，載荷越大，速度越高，材料越軟，粘著磨損越容易發生。粘著磨損嚴重時也稱為“膠合”。

影響粘著磨損的主要因素；同類摩擦副材料比異類材料容易粘著；脆性材料比塑性材料的抗粘著能力高，在一定范圍內的表面粗糙度越高抗粘著能力越強，此外粘著磨損還與潤滑劑、摩擦表面溫度及壓強有關。

在工程上，可以從摩擦副的材料選用，潤滑和控制載荷及速度等方面采取措施來減小粘著磨損。

2)腐蝕磨損

在機器工作時，摩擦副表面會與周圍介質接觸，如有腐蝕性的液體、氣體、潤滑劑中的某種成分，發生化學反應或電化學反應形成腐蝕物造成的磨損，稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損過程十分復雜，它與介質、材料和溫度等因素有關。響腐蝕磨損的主要因素；周圍介質、零件表面的氧化膜性質及環境溫度等。

3 )磨料磨損

落入摩擦副表面間的硬質顆粒或表面上的硬質凸起物對接觸表面的刮擦和切削作用造成的材料脫落現象，稱為磨料磨損。磨粒磨損造成表面成現凹痕或凹坑。硬質顆粒可能來自冷作硬化后脫落的金屬屑或由外界進入的磨粒。加強防護與密封，做好潤滑油的過濾，提高表面硬度可以增加零件耐磨粒磨損的壽命。粒磨損與摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有關。

4)接觸疲勞磨損

在接觸變應力作用一段時間后，摩擦副表面會出現材料脫落的現象，這稱為接觸疲勞磨損。接觸變應力作用一段時間后造成的材料脫落會不斷地擴展，形成成片的麻點或凹坑，導致零件失效。

在實際中，零件表面的磨損大都是幾種磨損作用的結果。因此，在機械設計中，一定要根據零件的具體工況，從結構、材料、制造、潤滑和維護等方面采取措施提高零件的耐磨性。

影響接觸疲勞磨損的主要因素有；摩擦副材料組合、表面光潔度、潤滑油粘度以及表面硬度等。

3.3 對磨損的常用評價方法有:磨損量、耐磨性、磨損率

1) 磨損量,由于磨損引起的材料損失量稱為磨損量，它可通過測量長度、體積或質量的變化而得到，并相應稱它們為線磨損量、體積磨損量和質量磨損量。

2) 磨損率,以單位時間內單位載荷下材料的磨損量表示。

3) 耐磨性,又稱耐磨耗性。指材料抵抗磨損的性能，它以規定摩擦條件下的磨損率或磨損度的倒數來表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。材料的耐磨損性能，用磨耗量或耐磨指數表示。