摩擦磨損過程和磨損形式

2024年2月23日發(fā)(作者：采購報告)

摩擦磨損過程和磨損形式

錢洪新

[摘 要]

在機器的運轉過程中,作相對運動的零件之間總是伴隨著摩擦而產生磨損。磨損通常是不希望出現的，它是消極的、不利的。本文闡述了摩擦磨損過程；分析了摩擦的種類和摩擦磨損的四種基本形式；揭示了摩擦磨損的規(guī)律。

[關鍵詞]

摩擦 磨損 摩擦分類 磨損形式 磨損規(guī)律

機器的運轉都是由運動副零件的配合表面相對運動來實現的，而配合表面的相對運動必然伴隨著摩擦而產生磨損。在摩擦過程中，摩擦表面發(fā)生了尺寸、形狀和表面質量的變化稱為磨損。摩擦磨損是發(fā)動機零件最常見的一種損傷形式，是機器縮短使用壽命、喪失工作能力、影響安全可靠工作的主要因素之一。

一、 摩擦磨損過程

摩擦磨損與摩擦表面形貌有關。由于表面粗糙度的存在，兩摩擦表面僅僅是在少數孤立點上發(fā)生接觸，這時，法向載荷便由這些點上發(fā)生接觸。接觸面積越小，法向應力越大。當法向應力超過材料的屈服極限時，接觸點就產生塑性變形。在塑性變形的同時，接觸點處金屬表面上的氧化膜也被壓碎或剪切掉。這時，接觸點金屬分子間相互吸引力增大，有可能相互擴散而熔合在一起。我們把熔合在一起的現象稱為冷焊。當相對運動繼續(xù)進行時，由于剪切而使冷焊點破裂。以后又在接觸點發(fā)生塑性變形、冷焊和破裂，直到真實接觸面積增大到足以支承法向載荷時為止。這時，表面硬度增加了，表面粗糙度也有所提高了。

摩擦磨損過程是一個復雜的過程。當金屬產生塑性變形時，要釋放熱量，因此，在摩擦表面上的溫度要比基體金屬的溫度高得多。當溫度高于再結晶溫度時，因變形而引起的表面強化現象將消失；當溫度繼續(xù)升高時，金屬被軟化，摩擦表面金屬分子相互粘結；當溫度升高到相變溫度，摩擦表面金屬就會產生相變，強度和硬度也大大降低。在摩擦磨損過程中，摩擦表面還要與周圍介質起作用。例如當氧化膜被壓碎或前切后，裸露的金屬表面迅速與氧氣起化學反應，形成新的氧化膜。氧化膜和基體金屬的結合力較弱，容易被壓碎或剪切。另外，空氣中的水分和潤滑油中的硫分均能與摩擦表面起化學反應，產生化合物，加劇摩擦表面的磨損。因此，摩擦磨損過程就是由于機械和化學的

作用，使物質從表面不斷損失或產生殘余變形的過程。

二、 摩擦分類

按摩擦面之間有無潤滑材料及潤滑劑的存在狀態(tài)將摩擦分為干摩擦、邊界摩擦、液體摩擦和混合摩擦。

1、干摩擦

摩擦面之間沒有潤滑劑存在時發(fā)生的摩擦稱為干摩擦。干摩擦的發(fā)生有許多理論解釋，常用的是所謂“粘著—機械嚙合”學說。由于物體之間摩擦面的微觀狀態(tài)是凹凸不平的，摩擦面之間的接觸不發(fā)生在整個接觸面上，摩擦只是發(fā)生在摩擦面之間凸峰與凸峰正好相對的地方，物體之間的正壓力實際上只由占摩擦面很小部分的實際接觸面積承受。由于這些凸峰與凸峰相接觸的點受到相當大的壓力而產生塑性變形，出現了粘著現象，使凸峰與凸峰就好像被“熔焊”在一起。當物體做相對運動時，為了將這些“熔焊”在一起的點撕裂所需要的力，就構成了摩擦力的主要部分。此外，還存在著一個摩擦面上的凸峰正好嵌入另一個摩擦面上的凹谷的情況，當物體做相對運動時，將產生機械嚙合阻力，這是摩擦力的又一個來源。因而物體之間發(fā)生干摩擦時，其摩擦力是“熔焊”點造成 的粘著阻力與“凹凸體”機械嚙合阻力之和。

干摩擦是有害的，主要表現在能量的損失（如轉為熱能）和機件的磨損上（如溫度升高導致材料表面抗磨性及強度降低同時有磨屑的產生）。

2、 邊界摩擦

邊界摩擦亦稱為邊界潤滑，是指物體之間摩擦面上存在一層由潤滑劑構成的邊界膜發(fā)生的摩擦。邊界膜的性質是影響邊界摩擦的主要因素，按其形成方式，可分為吸附膜和反應膜兩類。吸附膜是通過物理因素（分子吸引）或化學因素（電子交換產生的化學結合力），使?jié)櫥瑒┲械臉O性分子產生定向排列形成的一層膜；

反應膜則是由含硫、磷、氯等元素的潤滑油添加劑與摩擦表面起化學反應，所生成的新的物質而構成的一層膜。在邊界潤滑作用比較充分，即形成的分子柵有較大的承載能力和長度時，摩擦僅發(fā)生在邊界膜之間，摩擦系數僅與摩擦面的性質（材質、幾何形狀等）和潤滑劑的油性有關，也就是說摩擦系數與摩擦面潤滑劑之間形成極性分子柵的能力和分子柵本身的承載能力有關，而與潤滑油的粘度大小無關。當邊界潤滑作用較差時，某些部位的邊界膜被破壞，造成摩擦面的直接接觸，從而形成干摩擦，使摩擦系數增大。

吸附膜的穩(wěn)定性較差，在一定溫度下，定向排列的極性分子會因熱運動而變得雜亂無章，甚至從摩擦面上脫落下來，使得吸附膜失去承載能力，潤滑作用大大減小。反應膜較吸附膜穩(wěn)定得多，因為在高溫下化學反應的速度加快，更有利于生成新的物質來加強反應膜，所以反應膜適于重載低速和高溫的條件。但是生成反應膜時，一般伴隨著對金屬有腐蝕性。

3. 液體摩擦

液體摩擦亦稱為液體潤滑，當物體之間的接觸面被潤滑油膜完全隔開時，物體相對運動所產生的摩擦叫液體摩擦。液體摩擦時，物體之間的摩擦面沒有直接接觸，其間除了邊界潤滑膜外，還有流動油膜。因此摩擦僅發(fā)生在潤滑油之間，運動阻力僅由潤滑油分子間的吸引力（內聚力）形成，因而摩擦系數很小，一般在0.01～0.001的范圍內。

4. 混合摩擦

混合摩擦亦稱為混合潤滑，是屬于一種不穩(wěn)定的潤滑。它既存在著潤滑油粘度所產生的粘滯阻力，也存在著金屬表面微凸體接觸所產生的摩擦阻力。實際上它是指上述三種摩擦中有兩種摩擦同時存在的情形，可分為半干摩擦和半液體摩擦。半干摩擦是指干摩擦和邊界摩擦同時存在的情形，不充分的邊界摩擦將導致半干摩擦。半液體摩擦是液體摩擦和邊界摩擦同時存在的情形，不充分的液體摩擦會導致半液體摩擦。工業(yè)設備經常處于混合摩擦狀況。

三、摩擦磨損形式

根據摩擦磨損過程的不同特征，磨損可分為粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損四種基本形式。

1、 粘著磨損

摩擦副在法向載荷的作用下，接觸點產生塑性變形，氧化膜被壓碎或剪切，接觸點發(fā)生冷焊。如果運動速度較小而法向載荷較大，摩擦表面溫升很高，金屬軟化或熔化，接觸點金屬就相互粘著在一起。當繼續(xù)運動時，粘著處被剪切，這樣粘著、剪切、再粘著、剪切的過程，就構成粘著磨損。根據剪切部位的不同，粘著磨損又可分為輕微磨損、涂抹、擦傷、撕裂和咬死五種。當剪切發(fā)生在粘著面上，表面轉移的物質極輕微；當剪切發(fā)生在離粘著面不遠的軟金屬淺層內，軟金屬就涂抹到硬金屬表面現象上；當剪彩切發(fā)生在軟金屬的亞表層內，軟金屬表面出現擦傷或拉毛痕跡；當剪切發(fā)生在摩擦副較深處，表面就出現撕裂；當粘著強度比基體金屬剪切強度高，而且粘著區(qū)域大，相對運動

時的剪切應力又低于基體金屬的剪切強度，摩擦表面就咬死。

2、 磨粒磨損

摩擦副表面間存在磨粒時，它能使表面層金屬產生部分塑性變形，有時磨粒還會切削表層金屬，使表層產生擦傷和拉毛。表層產生塑性變形后，氧化膜被剪切，因此促進表面金屬繼續(xù)氧化，使氧化磨損速度加快。

磨粒磨損有兩種情況，一是在法向載荷作用下硬顆粒滑過軟表面時，在軟表面上刨出許多溝槽，這叫兩物體的磨粒磨損。若摩擦表面進入硬質顆粒，并從摩擦表面上切下微細切屑，一起在法向載荷的作用下滑過摩擦副表面，這叫三物體磨粒磨損。硬質顆粒可以是磨損產物，也可以是空氣或潤滑油中的雜質。大多數機械在含有污垢和灰塵中工作，屬于第二種磨粒磨損。

3、 表面疲勞磨損

摩擦副的摩擦表面作滾動或滾動與滑動的復合摩擦時，在交變接觸應力作用下，使摩擦表面疲勞而產生裂紋后，分離出碎片、顆粒的現象，稱為表面疲勞磨損。在滑動摩擦副中，盡管兩個零件沒有直接接觸，但摩擦表面仍受到由油膜傳遞的載荷影響，產生應力。其中最大壓應力發(fā)生在表面上，而最大剪切應力則發(fā)生在表層內。當應力超過持久限值，材料就破壞了。

4、 腐蝕磨損

在摩擦過程中，摩擦表面與周圍液體、氣體或汽體發(fā)生以化學或電化學腐蝕為主的磨損，稱為腐蝕磨損。腐蝕產物通常與表面結合不牢，因而繼續(xù)摩擦會使它們分離，這一過程又重復進行。當腐蝕成為磨損的主因時，通常有幾種磨損形式同時發(fā)生。例如，常見的表面膜往往是氧化鐵，從表面脫落后都變成磨料。因此，兩摩擦表面將同時發(fā)生腐蝕磨損和磨粒磨損。

四、磨損規(guī)律

任何一對摩擦副零件，在正常使用條件下，其產生的磨損是有一定規(guī)律的。摩擦磨損一般分為三個階段：第一階段為磨合期。磨合期是摩擦初期改變摩擦表面幾何形狀和表面物理化學特性的過程。在摩合期內，由于表面高低不平，實際接觸表面小，接觸點的壓應力大，磨損較大。如果在兩表面定期注入潤滑油，也往往由于摩擦產生大量熱而使油膜遭到破壞，引起粘著磨損。所以在磨合期運行時，要求載荷和速度小，潤滑油多些。載荷小，接觸點壓應力小，磨損小，因塑性變形產生的熱量也小；潤滑油多，使摩

擦表面獲得較好的潤滑和冷卻，并將磨屑帶走，減少磨粒磨損。如果在磨合期一開始就提高載荷和速度，潤滑油也供應不充分，這時，摩擦表面不僅不能獲得光滑表面，而且越來越粗糙，使配合性質發(fā)生惡化；第二階段為正常磨損期，或者稱為穩(wěn)定磨損期。這個階段，磨損趨于緩慢，因為磨合以后，摩擦表面已比較光滑，冷加工硬化層也逐步形成，表面硬度增加，磨損顯著減少。這時可以承受較大的載荷和較高的速度。但要加強維護保養(yǎng)工作，注意排除某些增加磨損的因素：例如，潤滑油要清潔、供給要充分、冷卻要良好等。使正常磨損階段盡可能延長；第三階段為急劇磨損期，是磨損的最后階段。經長期運行后，不僅使零件摩擦表面幾何形狀發(fā)生較大變化，而且使零件精度和配合性質變壞，產生振動，溫度升高，磨損急劇增加，此時機器應停止運行，進行檢修。否則零件將失去正常工作狀態(tài)，最后導致機損事故。

參考文獻：

許菊若主編，《機械設計》，北京，化學工業(yè)出版社，2005年6月。

大連海運學院船機工藝研究室編，《船機檢修技術》，人民交通出版社，1983年5月。

摘要:文章探討了金屬材料的干滑動摩擦磨損及電接觸滑動摩擦磨損的影響因素,認為材料的摩擦磨損過程相當復雜,尤其在通電條件下摩擦磨損受到載荷、速度、電流、電壓等綜合因素的影響。以期為開發(fā)、生產、應用新材料提供基礎的理論研究和實踐保障。

關鍵詞:金屬材料;摩擦磨損;材料干滑動;電接觸滑動摩擦高導、耐磨、耐蝕性材料的大量需求使得在研究、開發(fā)新材料時,它的摩擦磨損特性也備受關注。摩擦學是研究做相對運動的相互作用表面及其有關理論和實踐的科學和技術,是一門綜合性學科,其中電接觸摩擦磨損更加復雜。摩擦磨損是受多種非線性、強耦合因素作用的過程。通常,摩擦和磨損過程受到摩擦副、潤滑濟、工作參數、環(huán)境和工作歷史等許多因素的影響。

一、干滑動摩擦磨損機理

干滑動摩擦磨損是一種特殊的摩擦磨損形式。

摩擦副材料具有高的耐磨性、高而穩(wěn)定的摩擦系數,較高的力學性能及優(yōu)良的其他使用性能。在摩擦初期,摩擦面附近的溫度梯度很大,而遠離摩擦面處溫度低,同時溫度梯度較小。干滑動摩擦條件下,摩擦副的摩擦表面由于摩擦熱的介入,處于非常高的溫度。材料的干摩擦行為中,摩擦系數的高低與摩擦過程中所發(fā)生的三種現象有關:(1)滑動表面光滑區(qū)域的粘著;(2)磨粒和硬質粗糙對對偶面造成的犁削;(3)粗糙表面的變形。對于不同的滑動條件、摩擦副材料和工作環(huán)境,三種過程對摩擦系數的影響是不同的。

一般來說,犁削和粗糙表面的變形對總的摩擦系數的影響要比粘著的影響大。當受電弓滑板工作在粉塵、風沙較大條件時,砂粒等硬顆粒附著在滑板或導線上進入接觸面,將導致磨粒磨損的產生。(1)磨粒對表面產生犁溝作用或稱微切削、劃傷表面;(2)磨粒壓入表面,因擠壓作用使表面材料塑性變形而脆化,從而在滑動時形成鱗片狀的剝落屑。

影響材料干滑動摩擦磨損行為的因素有:1.載荷的影響。載荷對復合材料的磨損特性有很大的影響,載荷的增加使摩擦生熱顯著增加,使基體有蠕變軟化的趨勢,有利于微裂紋的擴展。同時,載荷增大易于發(fā)生嚴重粘著磨損,磨損量增加。

在摩擦過程中,載荷作用下基體次表層的塑性變形,使位錯滑移和聚集,產生了許多空位和微裂紋,使表層組織變的疏松,結構發(fā)生軟化。軟化層的形成將嚴重削弱合金的耐磨性。

在載荷小于10N時,材料呈現出比基體合金更低的磨損率。這表明,磨損過程中發(fā)生了材料的轉移過程。在載荷為10～95N時,材料的磨損表面形貌都具有嚴重塑性變形的特征,大量的塑性流變導致了摩擦層的形成。剝層磨損是主要的磨損機制。

2.速度的影響。滑動速度對干滑動摩擦磨損的影響也較大。在小于1.2m/s的滑動速度下,磨損機制被描述為疲勞磨損,相應的表面出現裂紋,磨損碎片很小。摩擦表層覆蓋一層摩擦層,在這樣的低滑動速度下,增強物對磨損率的影響不明顯,在高的滑動速度下,磨損過程發(fā)生轉變,這與摩擦層的破裂有關。

隨著滑動速度向臨界速度的增加,磨損率降低。這一臨界速度取決于施加載荷、熱擴散系數和磨損表面的硬度。

3.溫度場的影響。影響摩擦溫度場的主要因素為摩擦條件與摩擦副材料。隨著摩擦速度與接觸正壓力乘積的增大,表面溫度與溫度梯度直線上升。因此,在干滑動摩擦條件下,摩擦熱所引起的摩擦溫度場是影響摩擦學行為的主要因素之一。另外,在干滑動摩擦過程中,一次摩擦過程,摩擦副經歷一次由低溫向高溫,又由高溫向低溫的轉變,這種溫度循環(huán)在摩擦副中產生相當大的熱應力。電車線材料的干滑動摩擦磨損行為受到載荷、溫度、速度、環(huán)境、材質等多因素的影響,因此電車線材料的摩擦磨損機制十分復雜,而且研究條件具有很大的局限性,因此要趕上和達到國際領先水平,還需研究者作大量的工作。

二、電接觸滑動摩擦磨損機理

摩擦和磨損過程受到摩擦副、潤滑濟、工作參數、環(huán)境和工作歷史等許多因素的影響。材料的強度或者說材料對外載荷的響應與溫度、載荷作用速度、材料的應變量、應變速率和應變歷史等都有密切關系。尤其在通電狀況下,其摩擦和磨損過程更加復雜。另外,材料還要受到電流、電壓等多因素的影響。磨損包括粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、表面疲勞,還有侵蝕、氣蝕和沖鑿等。由此得出材料磨損量與行程成正比,與載荷成正比,與較軟材料的屈服應力或硬度成反比。磨損都是由于較硬表面將較軟材料犁出溝槽所致。一種情況是粗糙而堅硬的表面貼著較軟的表面滑動。另一種情況是磨損是由于游離的堅硬粒子在兩摩擦表面之間滑動所致。粘著磨損和磨粒磨損的機理有賴于固體的直接接觸,它們所產生的磨損型式在摩擦一開始就是發(fā)展性的,當兩滑動表面通過微凸體實現接觸時,就會發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損,并且微凸體可以互相穿過,而使一方或雙方微凸體發(fā)生塑性變形。

如果在兩表面間發(fā)生電火花,就會造成以去除和析出金屬的形式出現的永久損壞。影響摩擦磨損過程的因素很多,且存在復雜的非線性相互作用。

Dobromiski列出微動過程主要影響因素有28種,而Meng認為滑動摩擦過程的影響因素和常數有100個之多。因此摩擦磨損機理的研究相當復雜。

影響電接觸滑動摩擦磨損行為的因素有:1.電流的影響。載電流摩擦磨損是指處于電場中的材料及摩擦副,在電流通過條件下,材料及摩擦副的摩擦磨損行為。

研究發(fā)現,載流條件下摩擦副在摩擦過程中的熱,主要來自三個方面:電弧熱、摩擦熱、電流產生的熱。由于電流的存在,試驗過程中不僅有摩擦熱,還增加了電弧熱和電流產生的熱。因此比無電流干滑動條件下單純的摩擦熱大,摩擦表面溫度高,摩擦嚴重,表面粗糙度增加,從而引起真實接觸面積增大摩擦系數升高,同時使摩擦表面局部溫度急劇升高而氧化。

電流對載流鉻青銅/純銅摩擦配副的摩擦系數有影響。電流的存在增大了摩擦系數,且隨著速度的增加有電流條件下摩擦副的摩擦系數下降的趨勢比無電流時的緩慢。在電場條件下由于硬質相的出現,在摩擦面上出現了磨粒磨損,表現為摩擦面上出現的犁溝。

在強電流作用下,當弓網間發(fā)生瞬時離線時,將產生嚴重的拉電弧現象,造成受電弓滑板和接觸導線表面燒傷而使接觸狀況惡化。電流通過導體產生熱效應,機械摩擦和接觸電阻所產生的表面溫度,實際接觸粗糙峰上的瞬時閃溫,都導致材料組織和性能發(fā)生變化,從而嚴重影響了材料的摩擦磨損性能。

2.電壓的影響。在直流電壓的作用有利于添加劑在金屬表面形成化學吸附膜和化學反應膜,從而造成摩擦系數的下降。對Al2O3/Cu施加反向電壓和正向電壓:表明正向電壓作用下的摩擦系數比反向電壓的大,同時外加電場的存在能顯著地增加摩擦副的摩擦系數。當電壓接通時,摩擦副的摩擦系數比電壓斷開時高出約133%,說明外加電壓的存在是造成摩擦系數增大的原因。即摩擦系數隨之增大,電壓斷開時摩擦系數隨之減小。

三、結論

金屬材料的摩擦磨損過程受到多方面因素的影響,其干滑動摩擦磨損行為受到載荷、速度、溫度場等的影響較大。但是在通電狀況下,其滑動摩擦磨損行為更加復雜,還要受到電流及電壓(電磁場)等的綜合影響。

參考文獻

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