磨損問題

2024年2月23日發(作者：一道靚麗的風景線)

第五章 磨損問題

第一節 概述

在作相對運動的兩個接觸表面之間，存在摩擦和磨損。由于表面的相對運動而使物體工作表面的物質不斷損失的現象就稱為磨損。

一般來說，有摩擦就會引起磨損。如果設計的機器質量好，在規定的使用期限內，其正常磨損的速度是相當緩慢的，此時的磨損并不影響零件的正常工作。而非正常的磨損是不遜于的，必須設法防止。

隨著機器向高速方向發展，磨損的問題就顯得更加突出，所以對磨損的研究工作已經引起了各工業化國家的極大注意。

本章將討論磨損的主要類型、磨損的過程、磨損的原因及其影響因素，磨損的測量以及怎樣控制和減少有害的磨損問題。

第二節 磨損的終于要類型

磨損的成因和表現形式是非常復雜的，人們可以從不同的角度對它進行分類。因此，磨損的分類方法很多。我們認為，根據磨損的破壞機理進行分類有利于對磨損現象的正確理解和深入地研究。1957年鮑威爾（Burwell）按照磨損機理將磨損分為四大基本類型，即（1）粘著磨損；（2）磨料磨損；（3）表面疲勞磨損；（4）腐蝕磨損。表5-1列出了這四種類型磨損的基本概念、破壞特點和實例。

除上述四種基本類型的磨損以外，還有一些次要的磨損類型，例如熱磨損和侵蝕磨損（包括固體微粒侵蝕、流體侵蝕、氣蝕侵蝕和電火花侵蝕）等，因篇幅所限，對于這些次要的磨損類型本書不予討論。

表5-1 磨損的四種基本類型

類型

粘著磨損

基本概念

由于黏濁作用使材料由一表面轉移到另一表面所引起的磨損

由硬顆粒或硬凸起引起的材料破壞，兵分理出磨屑的磨損

破壞特點

粘結點剪切破壞是發展性的，它造成兩表面凹凸不平

磨料對摩擦表面進行微觀切削，表面有犁溝或劃痕

實例

活塞與汽缸壁的擦傷

磨料磨損 犁鏵和挖掘機鏟齒的磨損

潤滑良好的齒輪傳動和滾動軸承的點蝕

表面疲勞磨損 摩擦表面材料的微觀應力超過材料的疲勞體積受循環變應力，極限，在一定循環次產生重復變形，導致數后即出現疲勞破裂紋的形成，并分離壞，表面呈麻坑狀

出微片或顆粒的磨損

以化學或電化學反應為主的磨損

表面腐蝕破壞 腐蝕磨損 化工設備中與腐蝕介質接觸的零部件的腐蝕

一、粘著磨損

粘著磨損的基本概念和破壞特點見表5-1，這里僅就粘著的形成級各種破壞類型加以討論，

由于表面上存在著粗糙度，所以表面間的接觸是不連續的，即只有少數幾個微凸體產生接觸。因此時的實際接觸面積很小，故在外載荷作用下，局部壓力很高，該壓力可超過材料的屈服極限，于是接觸點便產生了塑性變形。這時，如果沒有表面膜，或者雖有表面膜，但在切向運動時發生了破裂，那么，在常溫下也可以產生“冷焊”；另外，在告訴、重載和摩擦產生高溫的條件下，表面膜極易破裂，金屬之間便直接接觸，在接觸點局部發生軟化或熔

化而產生“熱粘著”，形成粘結點。在其后的相對運動中，粘結點被剪切，與此同時又形成新的粘結點，于是就出現了粘結點的形成與剪斷的循環，并發生材料的轉移，因而出現粘著磨損。

不論摩擦副中有無潤滑劑存在，如果保護膜發生破裂，粘著磨損是經常可以見到的。這種磨損形式的破壞性極大，而且磨損的速度很高。

粘著磨損的破壞程度不同，表現為輕微磨損、涂抹、劃傷、膠合與咬死等破壞形式，這些破壞形式只要取決于粘結點的強度與兩表面基體金屬強度之間的關系。

'如果粘結點的剪切強度?b低于兩表面材料的監測強度?a1和?b2則剪斷發生在界面上，如圖5-1（a）所示。此時磨損很小，表面上只有極少的材料轉移，而且轉移的多是氧化物顆粒，這種情況屬于正常磨損的范疇，稱做輕微磨損。例如缸套與活塞環間的正常磨損等。

111剪切面剪切面剪切面222

?b'??a1?b'??b2?b'??a1''

?b2??b??a1

?b??b2

?a1??b2 （a） (b) (c)

圖5-1 粘結點的剪切

當粘結點的剪切強度比摩擦副中較硬金屬若而比較軟金屬強時，剪切發生在較軟材料的淺表層內，如圖5-1（b）所示，此時，軟材料轉移到硬的表面上，形成極薄的一層，稱為涂抹。如青銅蝸輪在蝸桿上的涂抹。

加入粘結點的強度高于兩表面金屬的強度，剪切發生在金屬表層以下，如圖5-1（c）所示，如果剪切深度不深，表面將出現具有方向性的細微抓痕，即表面上形成溝槽和狹窄條帶，則謂之劃傷或拉傷，如活塞環與缸套襯的拉傷。

如果有較明顯的固相焊合，此時溫度較高，粘結點面積較大，內聚性破壞發生在基體金屬的較深層，則成為膠合或撕裂，圖5-2是細紗機上鋼領內跑到的SEM照片，圖中顯示了粘著撕脫的情況，跑道表面變的凹凸不平。

圖5-2 鋼領跑道的SEM照片（5000X）

倘若生產嚴重焊合，此時表面溫度高達700℃~1000℃，粘著區的面積相當大，致使粘結點的強度高到不能被剪斷，而使摩擦表面間的相對運動停止，則成為咬死，如軸與軸瓦產生的抱軸現象。

總之，粘著磨損的過程時非常復雜的，較軟材料多轉移到硬的表面上，轉移的金屬呈顆粒或博片狀，經顯微硬度等試驗表明，這些塊狀顆粒或薄片的表面有很高的硬度而且晶粒很細。另外有一部分轉移材料脫落后形成游離的磨粒，這種磨粒在摩擦副之間將引起磨料磨損。

二、磨料磨損

這種磨損也屬于高應力磨損，如軋碎機的滾筒，球磨損的襯板與鋼球的磨損等，見圖5-4（c）。在軋碎式磨料磨損中，壓應力超過了磨料的壓潰強度。對于塑性金屬零件表面將產生塑性變形成疲勞，而對于脆性材料制造的零件可造成表面層碎裂或剝落。

應當指出，以上三種磨損形式也可同時出現在一個零件上，但其中有一種磨損形式起著主導作用。

三、表面疲勞磨損

表面疲勞磨損是由于表應力效應，使摩擦表面接觸區內材料的圍觀體積反復產生變形，造成積累損傷而導致疲勞裂紋的萌生和擴展，最后使表面分離出粒狀或片狀磨屑，并留下痘斑狀凹坑的一種特殊的破壞形式。當摩擦副的表面粗糙度、材料和潤滑等條件都滿足要求時，疲勞裂紋通常在表面層以下某處萌生；如果上述條件不能滿足要求，則疲勞裂紋一般從表面產生。總之，疲勞裂紋嘗嘗在材料表層有缺陷的地方發生過，裂紋產生的確切位置受到夾雜物（如氧化物、硫化物和碳化物等）、表面缺陷（刀痕、擦傷、銹斑等）以及孔隙等因素的影響。

不論在滑動摩擦、滾動兼滑動摩擦和純滾動摩擦條件下，都可以產生表面疲勞磨損。但是，在滾動接觸摩擦中，表面疲勞磨損戰友更突出的地位。例如，在密封和潤滑良好的齒輪傳動、凸輪機構和滾動軸承等零部件中，經常發生這類磨損。

表面疲勞磨損的分類方法很多。

1.按照摩擦副的性質可分為

（1）滾動摩擦疲勞磨損

這種情況常發生的潤滑充分、密封良好的滾動摩擦表面上，其主要表現為點蝕。

（2）滑動摩擦疲勞磨損

在兩表面滑動接觸過程中，硬微凸體使表面產生變形，在硬微凸體前面的材料受壓，而在其后面的材料受拉，即表面材料受變向載荷，當應力循環次數達到N=106~107時，即開始產生疲勞破壞。與此同時，硬微凸體經過多次接觸和變形也會產生疲勞。因此，無論是應表面還是較軟的表面均可出現疲勞破壞而產生游離的磨屑。

圖5-5 粒狀磨屑的形態（2500X）

2.根據表面疲勞磨損的發展情況可分為

（1）早起疲勞磨損

新的摩擦副表面開始接觸時，接觸點很少，表面壓強很高，當表面盈利超過材料的疲勞極限時，即出現點蝕。隨著磨合的進行，表面粗糙度降低，實際接觸面積增大，因而表面應力減小。同時，摩擦過程使材料表面產生冷作硬化效應，從而提高了表面的疲勞強度，最后使白哦面應力小于材料的極限疲勞，于是點蝕停止擴展，這種情況在表面硬度較低而塑性較好的金屬摩擦副中較為多見。

（2）破壞性疲勞磨損

實際上摩擦表面的接觸是不連續的，載荷分布也不均勻，如果應力很高，即使在磨合之后，表面應力仍然超過材料的極限疲勞，此時，點蝕無法停止，直至表面完美破壞，此情況常見于表面硬度較高而塑性較差和潤滑不當的摩擦副中，除此之外，還有按照循環

第三節 磨損過程和磨損的測量

一、磨損的過程

根據磨損的定義，我們可以將磨損看做是導致機械摩擦系統中材料損耗的過程。由于磨損受到很多因素的影響，所以其過程是非常復雜的。實踐表明，機械零件的征程磨損過程一般可分為是哪個階段。

1.磨合階段

由于加工的新摩擦副表面具有一定的原始粗糙度，所以兩表面開始時接觸點很少，即實際接觸面很小，在一定的載荷和速度下，原始粗糙度逐漸被磨平，當達到平衡粗糙度時，兩表面貼合得更好。此時，世界接觸面積增大，隨后逐漸減慢，最后進入穩定磨損階段，如圖5-6中的oa。

2.穩定磨損階段

穩定磨損階段即摩擦副的正常工作階段，此時其磨損緩慢而穩定。磨損的速度為常數，即磨損量和時間成正比，如圖5-6中的ab線段。

磨合階段穩定磨損階段劇烈磨損階段磨損量ba0IIIIII時間（或摩擦距離）

圖5-6 正常磨損過程的三個階段

3.距離磨損階段

當磨損達到一定量時，摩擦條件將發生很大的變化。此時溫度急劇升高，磨損速度也大大加快，同時機械效率明顯降低，精度喪失，并出現異常的噪音和振動，最后導致完全失敗失效。如圖5-6中，在B點以后即進入此階段。

△htIII，III

（a）

△hIt

（b）

△hIIIt

（c）

圖5-7 磨損過程的特例

此外，磨損過程也會碰到下列特殊情況

（1）II、III階段無明顯界限，劇烈磨損階段也不明顯，如圖5-7(a)所示，見于閥門零件的磨損。

（2）磨合階段和工作開始一段時間內幾乎無磨損，當達到疲勞極限后，即產生和急劇磨損，如圖5-7（b）所示。例如潤滑密封良好的滾動軸承等零部件。

（3）磨合后即進入距離磨損階段，如圖5-7（c）所示，這種情況屬磨損規范不當，將使機器很快報廢。

上述談到的磨損過程未涉及到磨損的類型。實際上，不同類型的磨損，其具體的磨損過程各有其特點。例如，粘著磨損的過程時在一定載荷與摩擦力作用下，接觸點產生塑性流動，保護膜破裂后發生粘著的。于是出現了粘著——剪切——再粘著——再剪切的U型你換過程，與此同時，還產生磨粒。而磨料磨損的過程時磨粒或硬凸體對金屬表面進行微切削，犁溝并使之受到狡辯應力和變形的破壞過程。

又如，表面疲勞磨損的過程時摩擦表面微體積受到循環應變力和摩擦力的作用，因而引起塑性變化和表層硬化，結果導致疲勞裂紋在表層內或表面有缺陷的地方萌生，裂紋擴展形成片狀或粒狀磨屑。一般這種破壞發動在應力循環次數N=106~107以后。而腐蝕磨損的過程

時在一定的環境中，摩擦副兩表面金屬與周圍戒指發生反應而生成反應物，兩表面進一步摩擦形成裂紋和反應產物被磨損脫落。一旦反應物被磨去，就會暴露出來反應的新表面，于是又開始重復這種磨損的第一階段。

二、磨損的測量

.磨損的測量方法

磨損的測量方法很多，下面簡要介紹幾種常用的測量方法。

（1）稱重法

常用精密分析天平稱量試樣或小零件在磨損前后的重量變化來確定其磨損量。此法簡便，但不適宜測量具有多個摩擦面的零件和大型零件的磨損量。

（2）法向尺寸測量法

用千分尺（表）、測長儀、萬能工具顯微鏡或者讀數顯微鏡等測量試件（或零件）摩擦表面在磨損前后其法向尺寸的變化來確定其磨損量。

（3）刻痕（或壓印）法

試驗之前，在試件上刻痕，測量磨損前后刻（印）痕的尺寸變化來去頂其磨損量，例如136°金剛石角錐壓頭在試件上壓出印痕。壓痕深度約為對角線長度的1/7，試件磨損后，用顯微鏡測量壓痕對角線的變化即可確定出磨損的厚度。

（4）表面輪廓測量法

用表面輪廓投影儀拍攝零件磨損前后的表面輪廓投影圖。然后加以對比來確定零件的磨損量。

（5）磨屑分析法

1）放射性同位素法

先把試件（或零件）進行放射性火花處理，然后進行磨損試驗。用放射性計算管理量磨損后零件的放射強度的變化，即可推算出其磨損量，此法精度高，可測出極微量的磨損，但需采取必要防護措施。

2）油中鐵含量測定法

定期取出潤滑油試樣，用沉積法等測定其含鐵量，即可以計算出總的磨損量。此法費時二期誒不能單獨測量某一零件的磨損量。

此外，還有鐵譜分析法和光譜分析法等。前者是將含磨屑的油樣在鐵譜儀上進行分析，測出磨屑的尺寸大小及其分布，以便預測及其的磨損。后者時利用光譜來分析油樣中的金屬濃度，以監測機器的磨損。

前三種方法主要適用于試件磨損量的測定，后兩種方法主要適用于零件磨損量的測量。

2.測量磨損的常用規范

可用磨損厚度、體積或重量的變化來表示磨損量，通常采用下列幾種規范來衡量磨損的程度。磨損量與滑動距離L（或摩擦功率FfL或LAn）之比稱為磨損度。

（1） 線磨損度

KL?（2） 體積磨損度

KV?（3） 重量磨損對

?h （5-1）

L?V （5-2）

LAn

KW?（4） 能量磨損度

?W??KV

mg/mm3 （5-3）

LAn

KE?（5） 相對耐磨性

?V3

mm/Nmm （5-4）

FfL

??（6） 磨損洗漱

?hb （5-5）

?hs

K?（7） 比磨損量

Wr?1? （5-6）

?V3

mm/Nmm （5-7）

FnL式中：?h——磨損蹭的厚度（mm）；

L—— 滑動距離（mm）；

?V——磨掉的材料體積（mm3）；

An——名義接觸面積（mm2）；

?W——磨掉的材料重量（g或mg）；

?——磨損材料的密度（g/mm3）；

Ff——摩擦力（N）；

?hs——試箭的磨損量；

?hb——標準樣塊的磨損量；

Fn——法相載荷（N）。

此外，還有時間磨損率，它是磨損量與相應的磨損時間之比。

第四節 影響磨損的主要因素

影響金屬磨損的因素非常多，通常可將這些因素歸納為三個方面：（1）力學方面的因素，包括載荷、滑動速度和滑動距離等；（2）材料因素，包括材料的機械性能、化學成分、表面狀態、金屬的組織結構和冶金相容性等；（3）環境因素，包括周圍戒指、溫度和濕度等。事實上，硬性磨損的一些因素是相關的，例如，增大載荷會使摩擦力增加，因而導致溫度升高。提高滑動速度也可使摩擦表面的溫度上升，而溫度升高又會影響金屬材料的機械性能以及表面膜的形成。又如潤滑劑可使摩擦副間的摩擦系數見效，因而使溫度降低，這對于減少磨損是有利的。

下面就影響磨損的一些主要因素分別進行討論。

金屬材料的質量、化學成分和機械性能的影響

材質及其化學成分對磨損有很大影響。例如，鋼材中有時含有一些雜質如氧化物（FeO）、硫化物（FeS）等，這些雜質破壞了金屬基體的連續性，并引起應力集中，結果導致疲勞裂紋的萌生，加速疲勞磨損。

鋼材中的未溶碳化物最好呈直徑為0.5~0.6?m的球體，并均勻分布，其含量不應唱過6.5%否則容易形成粗晶和條帶裝組織等缺陷，因而降低表面疲勞強度。固溶體中的含碳量應控制在0.53%左右，含碳量過多，則馬氏體變得粗大，材料變脆；含碳量過少，則剛的基體強度和硬度均會降低，同樣會引起疲勞強度降低。

另外，微量合金元素碳、磷等可有效地防止金屬之間的粘著，從而減少粘著磨損。鑿削式磨料磨損的相對耐磨性隨著鋼材中含碳量的增加而提高，當含碳量為0.8%時，其相對耐磨性達到最大值，超過該值后相對耐磨性又迅速見效。鑄鐵中含磷量增加，其微動腐蝕磨損量減少。含Ni、Cr、W、Mo的合金抗腐蝕磨損能力強。

影響金屬材料磨損的機械竟能主要有塑性、硬度和抗拉強度等。一般而言，脆性材料比塑性材料的抗粘著磨損能力高，硬而熔點高的金屬不易產生粘著磨損。硬度對疲勞強度有很大影響。試驗表明，齒輪的齒面越硬，其疲勞強度越高；軸承鋼的硬度為62HRC時，其抗疲勞磨損能力最大，高于或低于62HRC則疲勞強度都會降低。硬度對磨料磨損的影響最大。通常，金屬的硬度Hm越高，其抗磨料磨損性能越高；而磨料的硬度Ha越高，則鋼的磨損越大。當Hm>Ha時，材料的磨損很小；當Hm≈1.4Ha，則很少發生磨料磨損；而當Hm

△vIIIIIIHaHmHa

圖5-8 磨料硬度Ha對金屬磨損體積△V的影響

圖5-9 經淬火與回火的鋼其相對耐磨性?與硬度H的關系

圖5-9表示經淬火與回火的剛其相對耐磨性與硬度之間的關系，它是根據完全正常淬火后以不同溫度回火的集中鋼進行磨料磨損實驗的結果繪制的。

此外，碳鋼表面從180HV提高到700HV，其微動腐蝕磨損可減少50%。

再者，材料的抗拉強度月底，其抗磨料磨損的能力也就越小。

二、材料的表面狀態與表層狀況的影響

這里說的材料表面狀態主要是指表面粗糙度、表面膜以及表面潤滑狀態。而表層狀況系指滲碳層的厚度等情況。

摩擦副表面的粗糙度對表面疲勞磨損、粘著磨損和微動腐蝕磨損都有影響、以滾動軸承為例，Ra0.4的軸承比Ra0.8的軸承疲勞壽命高2~3倍。Ra0.2的又比Ra0.4的高一倍。一般表面粗糙度小則抗粘著磨損能力強；但是過小的表面粗糙度反而會促進粘著磨損。通常光滑表面比粗糙表面更容易產生微動腐蝕磨損，但超精拋光則可減少這種磨損。

眾所周知，表面越干凈越容易產生粘著磨損，如果有一層表面膜，就會減少粘著磨損。表面膜包括氧化膜、潤滑劑膜和金屬膜等。在一般情況下，大多數金屬都有一層氧化膜，他可以減少粘著磨損。但是，如果氧化膜受到破壞，則可引起磨料磨損和氧化磨損。

少量潤滑劑可以形成邊界潤滑膜，他的作用與氧化膜相類似。除外，它還能限制腐蝕性氣體或液體的侵入，從而減輕腐蝕磨損。油膜的厚度對粘著磨損也有一定的影響。例如，邊界潤滑時的粘著磨損大于動壓潤滑時的粘著磨損。而且油的品種和性質對磨損也有很大的影響。一般來說，油的粘度越高，則抗疲勞磨損的能力越強。重質潤滑油可以減少疲勞點蝕。若油中含水量過多，則會降低疲勞強度，而且增加腐蝕磨損。潤滑油可使摩擦系數見效，從

而使磨損降低90%~99%，如其油性好則能提高粘著磨損力的能力；又重加入極壓添加劑（如有機氯化物、有機硫化物）則可大大減小粘著磨損。我們知道，油膜可將表面與氧氣隔開，因此形成氧化膜的速度會降低；但是潤滑油氧化后可生成酸性氧化物，因此會引起腐蝕性磨損。

固體潤滑劑膜也可以減少粘著磨損，其中MoS2還可以提高抗疲勞磨損的性能。

此外其它金屬膜如Rh、Cr鍍膜有很高的耐磨性。以Co、Cr、Fe為基的鍍層具有優異的熱硬性而且耐腐蝕。In、Pb和Sn等軟金屬膜則有良好的抗粘著能力。梁歪，對于滲碳鋼，提高滲碳層的厚度可以提高抗疲勞磨損能力，如果表層脫碳則會大大降低疲勞壽命。

三、冶金相容性（互溶性）的影響

兩種金屬在固態時能互相溶解的性能成為冶金相容性或互溶性。金屬之間能夠互溶則說明其冶金相容性好。互溶性大的材料副，其形成固溶體的傾向和粘著傾向都大。例如，同名金屬的親和能打敏，其互溶性也打（）%的互溶性。因此，其粘著磨損極為嚴重。而碳素鋼與元素周期表中B族元素，如Ge、As、Cd、In、Sn、Sb、Ti、Pb和 Bi的互溶性差，故其鈧粘著磨損性能優良。因此選用互溶性差的金屬副可以降低磨損度。

四、金屬組織結構影響

從警惕結構來看，一般六方晶格金屬比體心和面心立方晶體格金屬的粘著磨損率低2~3個數量級。這與其微凸體接觸點的塑性變形方式不同及其滑動系統的樹木有關。通常高原子密度、低表面能的晶粒方向的粘著磨損較輕。

從金屬結構看，多相金屬比單相金屬粘著傾向小；金屬中化合物要比單相固溶體粘著傾向小；而單相塑性金屬與同名金屬或其他單相金屬摩擦時容易產生粘著磨損。

研究發現，鑄鐵中軟相鐵素體的相對量增加，其微動腐蝕磨損量也增加。而且容易合金化的配合表面之間的微動腐蝕磨損更嚴重。

五、周圍介質和環境濕度的影響

人們發現，鋼在工業性氣氛中和海洋附近比在一般大氣中的腐蝕磨損速度快得多。這是因為鋼的腐蝕磨損率隨著介質腐蝕性的增強而增大。圖5-10所示為鋼在四種不同的介質中腐蝕磨損率的比較。

此外介質中含氧量高，金屬的氧化磨損會增大。而微動腐蝕磨損則隨著相對濕度的提高而減小。

腐蝕磨損率（mg/h）321

圖5-10 鋼在四種介質中的腐蝕磨損率

1—N2

2—20%H2O

3—0.7%SO2

4—0.7%SO2+20%H2O

六、溫度的影響

在磨損過程中，消耗在塑性變形方面的能量至少有90%是以熱的形式散失的，這些摩擦熱將使溫度升高。例如，在磨料磨損中，瞬時溫度可高達1000℃，它可使金屬材料回火、相變、表面硬度和強度降低，因而促進了粘著磨損的發生。

此外，高溫還會英系那個保護膜的形成和潤滑劑的性能，使潤滑油變質。

試驗表明，中碳鋼在-150℃其微動腐蝕磨損量最大，隨著溫度的逐漸上升，其磨損量減小，在50℃~150℃范圍內，磨損量則變為常數。而在特殊介質中的腐蝕磨損則隨著介質溫度的升高而增加。

金屬的氧化磨損與其氧化的速度V有關，而氧化速度是溫度T的指數函數，即aV?exp(?)，式中a是常數。

T七、載荷的

載荷是影響磨損的重要因素。壓力可使表面產生塑性變形，并導致表面膜的劈裂而粘著。一般說來，粘著磨損量和氧化磨損量都隨著壓力增大到某一臨界值后而迅速增大。例如，當壓力超過金屬材料硬度的1/3時，其粘著磨損量急劇增加，嚴重時會產生咬死。圖5-11是粘著磨損度與壓力的關系曲線。

10-4磨損度（mm3/m）10-510-610-710-810-91101001000載荷（N）

圖5-11 黃銅對工具鋼的粘著磨損度與載荷的關系

磨料磨損的線磨損度與壓力的關系可用下式表示：

KL?kp?s

式中：k——系數；

p——名義壓力；

?s——屈服壓力；

滑動距離一定時，微動腐蝕磨損的磨損量隨著載荷的增大而增加，但超過某一最大值后又不斷減小。

八、滑動速度與滑動距離的影響

六方晶格金屬的磨損度隨著滑動速度的提高而減小。壓力一定是，磨損的類型和磨損量都磨損量都隨著滑動速度而改變，如圖5-12所示。

磨損量2112滑動速度

圖5-12 磨損量與滑動速度的關系

1—氧化磨損 2—粘著磨損

在壓力不變的條件下，粘著磨損量隨著滑動速度的提高而增大，達到一最大值后，又隨滑動速度的增大而減小。

此外，提高滾動速度和潤滑油的流速，還可以提高摩擦表面的疲勞強度。

微動腐蝕磨損還受滑動距離（振幅）的影響。例如，在給定的循環次數的前提下，當振幅小于7?m時，其磨損很小，當振幅超過70~100?m時，金屬材料微動腐蝕磨損的體積與振幅成正比。

除上述影響磨損的主要因素外，還有很多其他因素也對磨損有一定的影響。例如，材料的彈陸稹量、摩擦系數、極限應力和疲勞特性等都對磨料磨損有定的影響。磨料磨損的磨損量還隨磨料粒度的增大而增大，到臨界尺寸后，其磨損量變為定值。又如，機械零件的尺寸大小對其疲勞磨損也有影響；振動的頻率對微動磨損亦有某些影響等等。因篇幅所限，不再詳述。

第五節 當代磨損理論簡述

近些年來，許多工業化國家非常重視對磨損產物的研究，特別是從微觀的角度進行了深入細致的研究。這是因為，要真正了解磨損的過程，并進一步研究磨損的機理，就必須弄清楚磨屑是怎樣形成的；其尺寸、形狀和機械性能等于磨損過程和磨損狀態究竟有什么關系。為此，人們首先通過掃描電子顯微鏡等現代化研究手段對磨屑進行了觀察，發現磨屑的形狀有片狀、卷曲狀、貝殼狀和球狀四類。此外，還研究了磨屑的顯微硬度、相組成和組織。經測試發現，磨屑的顯微硬度比兩摩擦表面高許多。同時還用墊子衍射法研究了20℃時在空氣黃總形成的磨屑，實驗是在銷一環試驗機上進行的，法向載荷Fn?62N、滑動速度

Vc?0.44m/s、滑動距離L?1000m。經分析得知，45鋼的磨屑是由a—Fe、a—Fe2O3、

?—Fe2O3和?—Fe2O3·H2O四種組成的。另外，對磨屑的分析觀察還發現，它具有兩個區域，一是亮區，在該區發現有秋裝碳化物聚集，其顯微硬度很高，亮區又稱為白層組織；另一是暗區，此區呈渦流狀組織，這說明其塑性變形相當嚴重，在這個區域內，球狀碳化物很少，其顯微硬度較亮區低。

為了解釋磨損現象的共同本質，人們提出了各種各樣的新理論。例如，磨損的剝層理論、磨損的疲勞理論、磨損的能量理論、磨損的分子理論和磨損的熱波動強度理論等等。本節只對前三種理論進行簡要介紹。

一、磨損的剝層理論

磨損的剝層理論是沒過麻省理工學園的教授蘇（）與1973年建立的。這一新理論是以金屬的位錯理論為基礎的，它分析了亞表層金屬的塑性變形與斷裂行為。

該理論敘述了導致薄而長的片狀磨屑形成的過程，其要點如下：

1.當接觸的量表面滑動時，法向力和切向力是經接觸點的粘著與犁溝作用傳遞的。較軟表面上的微凸體容易產生塑性變形或被磨去，結果形成了比較光滑的表面。此時的接觸情況變成了硬的凸峰與較軟平面的接觸，于是前者在后者上面犁溝并使平面上每一接觸點都經受著循環載荷。

另外，硬微凸體在平面上是加的曳引力使表面產生周期性的塑性變形和錯位運動，并且使變形和錯位不斷積累。

2.當亞表層繼續變形時，在錯位堆積的應力作用下，裂紋和空穴便在亞表層形成核心，形成裂紋的深度與材料的性能和受載情況有關。圖5-13是鋼領跑道上亞表層所產生的裂紋。

圖5-13 細砂機鋼領亞表層上形成的裂紋

3.當繼續是加載荷時，金屬產生進一步的塑性剪切變形，而使裂紋之間以及裂紋與空穴之間相互連接與匯合，于是裂紋在接近表面的平行方向擴展，當擴展到臨界長度時，裂紋與表面之間的材料被剪斷，因而形成了薄而長的磨損碎片。

在低速滑動下試驗的結果與上述理論基本一致，它能從微觀角度解釋諸如粘著磨損、疲勞磨損和微動腐蝕磨損的許多現象，但不能解釋在告訴下的磨損現象。

二、磨損的疲勞理論

表面疲勞是由循環變應力作用引起的一種破壞形式。當應力幅小魚材料的彈性極限時，即在彈性接觸條件下，達到其疲勞破壞的循環次數一般要超過106；如果應力大于材料的彈性極限，即在塑性接觸條件下，其應力循環次數只需幾次或十幾次即可發生破壞，因此，這種破壞常稱為地循環次數疲勞破壞。

蘇聯的克拉蓋爾斯基是提出磨損疲勞理論最早的學者。他的理論認為：

1.由于實際表面存在著粗糙度，當二表面相互作用時，其接觸時不可連續的，各接觸點之和組成了其實際接觸面積；

2.兩表面在法向力作用下，實際接觸點上便會產生局部應力和局部變形；

3.當兩表面產生相對滑動時，由于摩擦力的作用，接觸區表面材料的性能將發生變化；

與此同時，表層材料的固定體積會受到交變應力的多次重復作用，因而使之受到積累損傷，結果導致微觀體積內產生疲勞裂紋，最后裂紋擴展，匯合形成磨屑而脫落。

該理論不僅適用于疲勞磨損，而且也可以用來分析磨料磨損和粘著磨損。另外，這種理論不僅可以應用于金屬材料，而且還可以應用于某些非金屬材料（如石墨、橡膠等）。

三、磨損的能量理論

磨損的能量理論首先是由弗利舍爾（er）提出來的。他認為能量的轉化是產生磨損的主要原因，磨損現象與材料的斷裂能量之間有一定的關系。

摩擦副運動時要產生摩擦力，而摩擦力是由各種外部條件（如法向載荷、滑動速度以及熱過程等）參與到相互接觸的元素（如表面微凸體、亞表層和介質等）中去，并不斷相互作用而引起的。

輸入到摩擦副的能量一定大于它輸出的能量，其差值即是摩擦所消耗的能量。對金屬材料而言，摩擦力所做功的主要部分消耗在塑性變形上，并以熱的形式散失。而摩擦功的一小部分（約占總摩擦功的9~16%）則以潛在內能的形式積蓄在材料中，它表現為結晶的錯位。為了使磨屑與基體材料分離，必須在材料的一定體積內積累足夠的內能。當能量達到臨界值時，該體積內的材料即發生塑性流動或形成裂紋，此時內能減小，經過多次這樣的臨界循環作用后，當積蓄的能量超過材料結合鍵的能量時，于是表面產生破壞，磨屑脫落，形成磨損。

磨屑形成過程所消耗的能量稱之為斷裂能量。事實上它只占全部吸收能量的百分之幾。

用此理論可以分析磨料磨損和腐蝕磨損。

上述三種磨損理論，實際仍有某些不足之處，尚需進一步研究。