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1、磨损及磨损理论1.1磨损研究的重要性 与与与与摩摩摩摩擦擦擦擦相相相相比比比比，磨磨磨磨损损损损要要要要复复复复杂杂杂杂得得得得多多多多。直直直直到到到到目目目目前前前前磨磨磨磨损损损损的的的的机机机机理理理理还还还还不不不不十十十十分分分分清清清清楚楚楚楚，也也也也没没没没有有有有一一一一条条条条简简简简明明明明的的的的定定定定量量量量定定定定律律律律。对对对对大大大大多多多多数数数数机机机机器器器器来来来来说说说说，磨磨磨磨损损损损比比比比摩摩摩摩擦擦擦擦显显显显得得得得更更更更为为为为重重重重要要要要，实实实实际际际际上上上上人人人人们们们们对对对对磨磨磨磨损损损损的的的的理理理理解解解
2、解远远远远远远远远不不不不如如如如摩摩摩摩擦擦擦擦。对对对对机机机机器器器器磨磨磨磨损损损损的的的的预预预预测测测测能能能能力力力力也也也也很很很很差差差差。对对对对于于于于大大大大多多多多数数数数不不不不同同同同系系系系统统统统的的的的材材材材料料料料，在在在在空空空空气气气气中中中中的的的的摩摩摩摩擦擦擦擦系系系系数数数数大大大大小小小小相相相相差差差差不不不不超超超超过过过过20202020倍倍倍倍，而而而而磨磨磨磨损损损损率率率率之之之之差差差差却却却却很很很很大大大大，如如如如聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯对对对对钢钢钢钢的磨损和钢对钢的磨损之比可相差的磨损和钢对钢的磨损之比可相差的磨损和
3、钢对钢的磨损之比可相差的磨损和钢对钢的磨损之比可相差101010105 5 5 5倍。倍。倍。倍。磨磨磨磨损损损损似似似似乎乎乎乎比比比比摩摩摩摩擦擦擦擦具具具具有有有有更更更更大大大大的的的的复复复复杂杂杂杂性性性性和和和和敏敏敏敏感感感感性性性性。在在在在具具具具体体体体的的的的工工工工作作作作条条条条件件件件下下下下，影影影影响响响响因因因因素素素素是是是是十十十十分分分分复复复复杂杂杂杂的的的的，它它它它包包包包括括括括工工工工作作作作条条条条件件件件、环环环环境境境境因因因因素素素素、介介介介质质质质因因因因素素素素和和和和润润润润滑滑滑滑条条条条件件件件以以以以及及及及零零零零件件
4、件件材材材材料料料料的的的的成成成成分分分分、组组组组织织织织和和和和工工工工作作作作表表表表面面面面的的的的物物物物理理理理、化化化化学学学学、机机机机械械械械性性性性能能能能等等等等，了了了了解解解解影响因素有利于实现对磨损的控制。影响因素有利于实现对磨损的控制。影响因素有利于实现对磨损的控制。影响因素有利于实现对磨损的控制。1.2磨损研究的进展 磨磨损损的的研研究究工工作作开开展展得得较较迟迟，本本世世纪纪50年年代代初初期期在在工工业业发发展展国国家家开开始始研研究究“粘粘着着磨磨损损”理理论论，探探讨讨磨磨损损机机理理。1953年年美美国国的的J.F.Archard 提提出出了了简简
5、单单的的磨磨损损计计算算公公式式，1957年年苏苏联联的的克克拉拉盖盖尔尔斯斯基基提提出出了了固固体体疲疲劳劳理理论论和和计计算算方方法法，1973年美国的年美国的N.P.Suh提出了提出了磨损剥层理论磨损剥层理论。20 20世纪世纪6060年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、年代后，由于电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技俄歇谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大量的综合的应用，使得术、铁谱技术等大量的综合的应用，使得磨损研究在磨损力磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等方面有了较快的发展学、机理、失效分析、
6、监测及维修等方面有了较快的发展。把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像，把磨损试验机直接装在电子显微镜内进行观察和电视录像，了解磨损的动态过程；研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、了解磨损的动态过程；研究磨损的表面，次表面及磨屑形貌、成分、组织和性能的变化，以搞清磨损机理，分析和监测磨成分、组织和性能的变化，以搞清磨损机理，分析和监测磨损过程，从而寻求提高机器寿命的可能途径。损过程，从而寻求提高机器寿命的可能途径。1.31.3磨损定义：磨损定义：磨损是摩擦副相对运动时，在摩擦的作用下，材料表磨损是摩擦副相对运动时，在摩擦的作用下，材料表面物质不断损失或产生残余变形和断裂的现象。面物质
7、不断损失或产生残余变形和断裂的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用。(1)(1)机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面变形。(2)(2)化学作用使摩擦表面发生性状的改变。化学作用使摩擦表面发生性状的改变。(3)(3)热作用使摩擦的表面发生形状的改变。热作用使摩擦的表面发生形状的改变。(4)(4)造成各种磨损的产生其他作用。造成各种磨损的产生其他作用。v定义说明定义说明 磨磨损损并并不不局局限限于于机机械械作作用用，由由于于伴伴同同化化学学作作用用而而产产生生的的腐腐蚀蚀磨磨损损；由由
8、于于界界面面放放电电作作用用而而引引起起物物质质转转移移的的电电火火花花磨磨损损；以以及及由于伴同热效应而造成的由于伴同热效应而造成的热磨损热磨损等现象都在磨损的范围之内；等现象都在磨损的范围之内；定定义义强强调调磨磨损损是是相相对对运运动动中中所所产产生生的的现现象象，因因而而，橡橡胶胶表表面面老老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴；化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴；v定义说明定义说明磨磨损损发发生生在在物物体体工工作作表表面面材材料料上上，其其它它非非界界面面材材料料的的损损失失或破坏，不包括在磨损范围之内；或破坏，不包括在磨损范围之内；磨磨损损是是不
9、不断断损损失失或或破破坏坏的的现现象象，损损失失包包括括直直接接耗耗失失材材料料和和材材料料的的转转移移(材材料料从从一一个个表表面面转转移移到到另另一一个个表表面面上上去去)，破破坏坏包包括括产产生生残残余余变变形形，失失去去表表面面精精度度和和光光泽泽等等。不不断断损损失失或或破破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。1.4 1.4 磨损的危害：磨损的危害：(1)(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，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
10、轴承磨损，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。影响零件的加工精度。(2)(2)降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功降低机器的效率，消耗能量。如柴油机缸套的磨损，导致功率不能充分发挥。率不能充分发挥。(3)(3)减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。减少机器的可靠性，造成不安全的因素。如断齿、钢轨磨损。(4)(4)消耗材料消耗材料,造成机械材料的大面积报废。造成机械材料的大面积报废。1.5 1.5 研究内容：研究内容：v(1)磨损类型及发生条件、特征和变化规律。磨损类型及发生条件、特征和变化规律。v(2)影响磨损各种因素，包
11、括材料、表面形影响磨损各种因素，包括材料、表面形 态、态、环境、环境、滑动速度、载荷、温度等。滑动速度、载荷、温度等。v(3)磨损的物理模型、计算及改善措施。磨损的物理模型、计算及改善措施。v(4)磨损的测试技术与实验分析方法。磨损的测试技术与实验分析方法。表面被磨平，表面被磨平，实际接触面实际接触面积不断增大，积不断增大，表面应变硬表面应变硬化，形成氧化，形成氧化膜，磨损化膜，磨损速率减小。速率减小。斜率就是磨损速率，唯一稳定值；斜率就是磨损速率，唯一稳定值；大多数机件在稳定磨损阶段（大多数机件在稳定磨损阶段（AB段）服役；段）服役；磨损性能是根据机件在此阶段磨损性能是根据机件在此阶段 的表
12、现来评价。的表现来评价。随磨损的增长，磨耗随磨损的增长，磨耗增加，表面间隙增大，增加，表面间隙增大，表面质量恶表面质量恶 化，机件快速失效。化，机件快速失效。1.61.6 磨损过程的一般规律：磨损过程的一般规律：1、磨损过程分为三个阶段、磨损过程分为三个阶段:非典型磨损曲线非典型磨损曲线 2.磨损特性曲线磨损特性曲线典型浴盆曲线典典型浴盆曲线典型浴盆曲线型浴盆曲线1.7 磨损类型磨损类型1、磨损磨损类型类型其其他他磨磨损损类类型型破坏方式破坏方式 基基 本本 特特 征征微动磨损微动磨损磨磨损损表表面面有有粘粘着着痕痕迹迹，铁铁金金属属磨磨屑屑被被氧氧化化成成红红棕棕色色氧氧化化物物，通通常作为
13、磨料加剧磨损。常作为磨料加剧磨损。剥剥 层层破破坏坏首首先先发发生生在在次次表表层层，位位错错塞塞积积，裂裂纹纹成成核核，并并向向表表面面扩扩展展，最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。胶胶 合合表表面面存存在在明明显显粘粘着着痕痕迹迹和和材材料料转转移移，有有较较大大粘粘着着坑坑块块，在在高高速速重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。重载下，大量摩擦热使表面焊合，撕脱后留下片片粘着坑。咬咬 死死黏黏着着坑坑密密集集，材材料料转转移移严严重重，摩摩擦擦副副大大量量焊焊合合，磨磨损损急急剧剧增增加加，摩擦副相对运动受到阻碍或停止。摩擦副相对运动受到
14、阻碍或停止。点点 蚀蚀材料以极细粒状脱落，出现许多材料以极细粒状脱落，出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。研研 磨磨 宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。划划 伤伤低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。凿凿 削削存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成2 2、表面破坏方式及特征表面破坏方式及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。作为磨料加剧磨损。表面存在明
15、显粘着痕迹和材料转移，有较大粘着坑块，在高速重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。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，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。摩擦副相对运动受到阻碍或停止。破坏首先发生在次表层，位错塞积，裂纹成核，并向表面扩展，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。最后材料以薄片状剥落，形成片状磨屑。材料以极细粒状脱落，出现许多材料以极细粒状
16、脱落，出现许多“豆斑豆斑”状凹坑。状凹坑。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。低倍可观察到条条划痕，由磨粒切削或犁沟造成。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。宏观上光滑，高倍才能观察到细小的磨粒滑痕。存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成存在压坑，间或有粗短划痕，由磨粒冲击表面造成3.3.表面破坏方式与机理对应关系表面破坏方式与机理对应关系1.81.8磨损的评定磨损的评定 磨磨损损时时零零件件表表面面的的损损坏坏是是材材料料表表面面单单个个微微观观体体积积损损坏坏的的总总和和。目目前前对对磨磨损损评评定定方方法法还还没没有有统统一一的的标标准准。这这里里主主要要介介绍绍三三
17、种种方方法法：磨磨损损量量、耐磨性和磨损比耐磨性和磨损比。（1）磨损量）磨损量 评评定定材材料料磨磨损损的的三三个个基基本本磨磨损损量量是是长长度度磨磨损损量量Wl、体体积积磨磨损损量量Wv和和重量磨损量重量磨损量Ww。长长度度磨磨损损量量是是指指磨磨损损过过程程中中零零件件表表面面尺尺寸寸的的改改变变量量，这这在在实实际际设设备备的的磨损监测中经常使用。磨损监测中经常使用。体体积积磨磨损损量量和和重重量量磨磨损损量量是是指指磨磨损损过过程程中中零零件件或或试试样样的的体体积积或或重重量量的的改变量。改变量。在在所所有有的的情情况况下下，磨磨损损都都是是时时间间的的函函数数，因因此此，用用磨磨
18、损损率率Wt来来表表示示时时间间的的特特性性。其其它它指指标标还还有有磨磨损损强强度度W(单单位位摩摩擦擦距距离离的的磨磨损损量量，有有人人也也把把它它称称为为磨磨损损率率)，和和磨磨损损速速度度WT(是是指指机机器器完完成成一一单单位位工工作作量量的的磨磨损损量量)。（2 2）耐磨性）耐磨性 材材料料的的耐耐磨磨性性是是指指在在一一定定工工作作条条件件下下材材料料耐耐磨磨损损的的特特性性。材材料料耐耐磨磨性性分分为为相相对对耐耐磨磨性性和和绝绝对对耐耐磨磨性性两两种种。材材料料的的相相对对耐耐磨磨性性是是指指两两种种材材料料A与与B在在相相同同的的外外部部条条件件下下磨磨损损量量的的比比值，
19、其中材料之一的值，其中材料之一的A是标准是标准(或参考或参考)试样。试样。AWA/WB 磨磨损损量量WA和和WB一一般般用用体体积积磨磨损损量量，特特殊殊情情况况下下可可使使用用其它磨损量。其它磨损量。耐耐磨磨性性通通常常也也用用绝绝对对指指标标W-1或或W-1表表示示，即即用用磨磨损损量量或或磨损率的倒数表示。磨损率的倒数表示。W-1=1/W,W-1=1/W 耐耐磨磨性性使使用用最最多多的的是是体体积积磨磨损损量量的的倒倒数数，也也可可用用体体积积磨磨损损率率、体体积积磨磨损损强强度度或或体体积积磨磨损损速速度度的的倒倒数数表表示示。绝绝对对耐耐磨磨性和相对耐磨性的关系是性和相对耐磨性的关系
20、是AWAW1（3 3）磨损比）磨损比 冲冲蚀蚀磨磨损损过过程程中中常常用用磨磨损损比比(也也有有称称磨磨损损率率)来来度度量磨损。量磨损。它它必必须须在在稳稳态态磨磨损损过过程程中中测测量量，在在其其它它磨磨损损阶阶段段中所测量的磨损比将有较大的差别。中所测量的磨损比将有较大的差别。不不论论是是磨磨损损量量、耐耐磨磨性性和和磨磨损损比比，它它们们都都是是在在一一定定实实验验条条件件或或工工况况下下的的相相对对指指标标，不不同同实实验验条条件件或或工况下的数据是不可比较的。工况下的数据是不可比较的。第二节第二节 粘着磨损粘着磨损1 定义定义:当摩擦副相对滑动时当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应由于
21、粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。2 粘着磨损机理：粘着磨损机理：当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几当摩擦副接触时，接触首先发生在少数几个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷个独立的微凸体上。因此，在一定的法向载荷作用下，微凸体的局部压力就可能超过材料的作用下，微凸体的局部压力就可能超过材料的屈服压力而发生塑性变形，继而使两摩擦表面屈服压力而发生塑性变形，继而使两摩擦表面产生粘着（焊接）产生粘着（焊接）。当微凸体相
22、对运动时，相。当微凸体相对运动时，相互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料互焊接的微凸体发生剪切、断裂。脱落的材料或成为磨屑，或发生转移。如撕断处在焊接的或成为磨屑，或发生转移。如撕断处在焊接的部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接部位，不发生物质的转移。如撕断处不在焊接的部位，则发生物质的转移。的部位，则发生物质的转移。粘着粘着-剪断剪断-转移转移-再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。再粘着循环不断进行，构成粘着磨损过程。粘粘着着磨磨损损(1)(1)轻微磨损轻微磨损: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，剪切破坏发生在粘着
23、结合面上，表面转移的材料较轻微。粘着结合面上，表面转移的材料较轻微。此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。(2)(2)涂抹涂抹:粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度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。，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。这种模式的摩擦系数与
24、轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。v粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。粘着磨损又称擦伤或咬合磨损。v出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，出现条件：相对滑动速度小，接触面氧化膜脆弱，润滑条件差，接触应力大。润滑条件差，接触应力大。根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损一下五种不同的形式一下五种不同的形式（五类典型粘着磨损）（五类典型粘着磨损）：(3)擦伤：擦伤：粘着结合强度比两基本金属的抗剪强度都高。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剪切发生在较软金属的亚表层内或
25、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。痕，硬金属表面也偶有划伤。(4)划伤：划伤：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高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。，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。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。此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使
26、表面温度剧增，极易出现续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。(5)咬死：咬死：粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，粘着区域大，切应力低于粘，粘着区域大，切应力低于粘着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。着结合强度。摩擦副之间发生严重粘着而不能相对运动。Archard(1953年年)提出的粘着磨损计算模型见下图。选取摩擦副之间的粘着结提出的粘着磨损计算模型见下
27、图。选取摩擦副之间的粘着结点面积为以点面积为以a为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为a2假设摩擦副的一方假设摩擦副的一方为较硬材料，摩擦副另一方为较软材料；法向载荷为较硬材料，摩擦副另一方为较软材料；法向载荷W由由n个半径为个半径为a的相同微凸体的相同微凸体承受。承受。3.3.简单粘着磨损计算简单粘着磨损计算(艾查德艾查德 ArchardArchard模型模型)：当材料产生塑性变形时，法向载荷当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限与较软材料的屈服极限y之间的关系：之间的关系：当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。当摩
28、擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。其体积为其体积为(2/3)a3，则，则单位滑动距离的总磨损量单位滑动距离的总磨损量为为:（1）(2)式式(3)是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。是假设了各个微凸体在接触时均产生一个磨粒而导出。如果考虑到微凸体中产生磨粒的概率数如果考虑到微凸体中产生磨粒的概率数K和滑动距离和滑动距离L，则，则接触接触表面的粘着磨损量表面的粘着磨损量表达式为：表达式为：(4)由由(4)式可得粘着式可得粘着磨损的三个定律：磨损的三个定律：材料磨损量与滑动距离成正比：材料磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件适用于多种条件材料磨损量与法向载荷成正
29、比：材料磨损量与法向载荷成正比：适用于有限载荷范围适用于有限载荷范围材料磨损量与较软材料的屈服极限材料磨损量与较软材料的屈服极限y(或硬度或硬度H)成反比成反比 对于弹性材料，对于弹性材料，yH/3，H为布氏硬度值，则式为布氏硬度值，则式(4)可变为：可变为：式中式中K为粘着磨损系数为粘着磨损系数由由(1)和和(2)式，可得：式，可得：(3)右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑动右图为钢制销钉在钢制圆盘上滑动摩擦时的结果。图中示出钢的磨损系摩擦时的结果。图中示出钢的磨损系数随表观压力的变化曲线。数随表观压力的变化曲线。纵坐标为纵坐标为K/H，代表单位载荷、单，代表单位载荷、单位滑动距离的磨损量，横坐标
30、代表平位滑动距离的磨损量，横坐标代表平均接触压力。均接触压力。当压力值小于片当压力值小于片H/3时，磨损率时，磨损率小而且保持不变小而且保持不变(即即K保持常数保持常数)；但当压力值超过但当压力值超过H/3时，磨损量急剧增大时，磨损量急剧增大(K值急剧增大值急剧增大)，这意味着，这意味着在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。对其他金属也有在这样高的载荷作用下会发生大面积的粘着焊连。对其他金属也有类似的情况，只是类似的情况，只是K开始增加时的平均压力值通常比开始增加时的平均压力值通常比H/3稍低而已。稍低而已。在压力值为在压力值为H/3作用下，各个微凸体上的塑性变形区开始发生相作用下，各个
31、微凸体上的塑性变形区开始发生相互影响。当压力值增加到互影响。当压力值增加到H/3以上时，整个表面变成塑性流动区，以上时，整个表面变成塑性流动区，因而实际接触面积不再与载荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦因而实际接触面积不再与载荷成正比，出现剧烈的粘着磨损，摩擦表面严重破坏。表面严重破坏。由于式中的由于式中的K代表微凸体中产代表微凸体中产生磨粒的概率，即粘着磨损系数生磨粒的概率，即粘着磨损系数因此，因此，K值必须按不同的滑动值必须按不同的滑动材料组合和不同的摩擦条件求得材料组合和不同的摩擦条件求得。右表给出了不同工况和摩擦副配右表给出了不同工况和摩擦副配对时的磨损系数对时的磨损系数K值。值。(1
32、)(1)摩擦副材料：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。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材料粘着结点的破坏以塑性流动塑性流动为主，发生为主，发生 在表层深处，磨损颗在表层深处，磨损颗粒大。粒大。*脆性材料粘着结点的破坏主要脆性材料粘着结点的破坏主要剥落剥落，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容，损伤深度较浅，磨损颗粒较小，容易脱落，不堆积于表面。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
33、大切应力离表面有切应力。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，所以一定深度，所以材料塑性越高，粘着磨损越严重材料塑性越高，粘着磨损越严重。4.4.粘着磨损的影响因素粘着磨损的影响因素b:材料的互溶性：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。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。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。一般，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属一般
34、，冶金相溶性好的金属摩擦副，其摩擦相溶性就差，相同金属摩擦副，摩擦互溶性最差。摩擦副，摩擦互溶性最差。c.材料的组织结构和表面处理材料的组织结构和表面处理 金属的组织结构对粘着磨损也有影响，多相金属比单相金属的抗金属的组织结构对粘着磨损也有影响，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高；金属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向小。粘着磨损能力高；金属中化合物相比单相固溶体的粘着倾向小。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薄膜可以减少粘着效应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，同时表面膜限制了破坏深度，提
35、高抗粘着磨损的能力。的能力。d.元素周期表中的元素周期表中的B族元素族元素，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、，如锗、银、镉、铟、锡、锑、铊、铅、铋铋与铁的冶金相容性差与铁的冶金相容性差，抗粘着磨损性能好。而铁与，抗粘着磨损性能好。而铁与A族元素组成的族元素组成的摩擦副粘着倾向大。摩擦副粘着倾向大。e.材料的硬度材料的硬度 硬度高的金属比硬度低的金属抗粘硬度高的金属比硬度低的金属抗粘着能力强着能力强，因为表面接触应力大于较，因为表面接触应力大于较软金属硬度的软金属硬度的1/3时，很多金属将由轻时，很多金属将由轻微磨损转变为严重的粘着磨损。微磨损转变为严重的粘着磨损。载荷的影响载荷的影响 粘着磨
36、损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，如图所粘着磨损一般随法向载荷增加到某一临界值后而急剧增加，如图所示，示，K/H的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系。当载荷值超过材的比值实际上是材料硬度与许用压力的关系。当载荷值超过材料硬度值的料硬度值的1/3时，磨损急剧增加，严重时咬死。时，磨损急剧增加，严重时咬死。因此因此设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的设计中选择的许用压力必须低于材料硬度值的1/3。速度的影响速度的影响 在压力一定的情况下，在压力一定的情况下，粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达粘着磨损随滑动速度的增加而增加，在达到某一极大值后，又随着滑动速度的增加而减少到某一极大
37、值后，又随着滑动速度的增加而减少。上图为摩擦速度不。上图为摩擦速度不太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。太高的范围内，钢铁材料的磨损随摩擦速度、接触压力的变化规律。随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为随着滑动速度的变化，磨损类型由一种形式转变为另一种形式。另一种形式。如图如图(a)所示，当摩擦速度很低时，主要是所示，当摩擦速度很低时，主要是氧化磨氧化磨损，出现损，出现Fe2O3的磨屑，的磨屑，磨损量很小磨损量很小。随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转随速度的增大，氧化膜破裂，金属的直接接触，转化为化为粘着磨损粘着磨损，磨损量显著增大。磨损量显著增大。滑动
38、速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，滑动速度再高，摩擦温度上升，有利于氧化膜形成，又转为又转为氧化磨损氧化磨损，磨屑为，磨屑为Fe3O4，磨损量又减小磨损量又减小。如摩擦速度再增大，将再次转化为如摩擦速度再增大，将再次转化为粘着磨损粘着磨损，磨损，磨损量又开始增加。量又开始增加。图图(b)是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢是滑动速度保持一定而改变载荷所得到的钢对钢磨损实验结果。对钢磨损实验结果。载荷小产生氧化磨损载荷小产生氧化磨损,磨屑主要是磨屑主要是Fe2O3；当载荷达到当载荷达到W0后后,磨屑是磨屑是FeO、Fe2O3 和和Fe3O4的混合的混合物。物。载荷超过载荷超过Wc以后以
39、后,便转入危害性的便转入危害性的粘着磨损粘着磨损。表面温度的影响表面温度的影响 表层温度特性对于摩擦表表层温度特性对于摩擦表面的相互作用和破坏影响很大。面的相互作用和破坏影响很大。表面温度升高可使润滑膜失效，表面温度升高可使润滑膜失效，使材料硬度下降，摩擦表面容使材料硬度下降，摩擦表面容易产生粘着磨损。易产生粘着磨损。如图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达如图为温度对胶合磨损的影响，可以看出，当表面温度达到临界值到临界值(约约80)时时,磨损量和摩擦系数都急剧增加。磨损量和摩擦系数都急剧增加。影响温度特性的主要因素是表面压力影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度和滑动速度v，
40、其中，其中速度的影响更大，因此限制速度的影响更大，因此限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合值是减少粘着磨损和防止胶合发生的有效方法发生的有效方法。润滑油、润滑脂的影响润滑油、润滑脂的影响 在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油在润滑油、润滑脂中加人油性或极压添加剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。膜强度，能成倍地提高抗粘着磨损能力。油性添加剂油性添加剂是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属表面是由极性非常强的分子组成，在常温条件下，吸附在金属表面上形成边界润滑膜，防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。上形成边界润滑膜，
41、防止金属表面的直接接触，保持摩擦面的良好润滑状态。极压添加剂极压添加剂是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应，生是在高温条件下，分解出活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下而引起的粘着现象。而引起的粘着现象。1.磨损量与滑动距离成正比：磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件。适用于多种条件。2.磨损量与载荷成正比：磨损量与载荷成正比：适用于有限载荷范围。适用于有限载荷范围。3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比：磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成正比：*
42、实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才实际上，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，能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，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。起的咬死等情况。三条粘着磨损规律：三条粘着磨损规律：第三节第三节 磨粒磨损磨粒磨损1 1 定义定义:外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起在摩擦过程中引起表面材料脱落表面材料脱落的现象的现象,称为磨粒磨损。称为磨粒磨损。磨粒磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表
43、面。是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。分类分类类型类型 特特 征征实例实例 磨料磨料 固定固定 形态形态 自由自由 磨损磨损磨粒自由松散，可以在表面滑动或磨粒自由松散，可以在表面滑动或滚动，磨粒之间也有相对运动。滚动，磨粒之间也有相对运动。刮板、输送刮板、输送机溜槽机溜槽 固定固定 磨损磨损磨料固定，在磨损表面作相对滑动，磨料固定，在磨损表面作相对滑动，磨料可以是小颗粒，也可以是很大磨料可以是小颗粒，也可以是很大的整体颗粒。的整体颗粒。采煤机截齿、采煤机截齿、挖掘机斗齿挖掘机斗齿磨料磨损根据不同的分类方式可分为不同的种类型：磨料磨损根据不同的分类方式可分为不同的种类型：例如：例如：掘
44、土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是典型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也是典型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也会引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含会引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋桨等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。2 磨料磨损分类及其磨损特征：磨料磨损分类及其磨损特征：接接触触表表面面两体两体磨损磨损硬磨料或硬表面微凸体与硬磨料或硬表面微凸体与一个摩擦表面对磨的磨损一个摩擦表面对磨的磨损犁铧、水犁铧、水轮机轮叶轮机轮叶三体三体磨损磨损磨粒介于两摩擦表面之间，磨粒介于两摩擦表面之间，并
45、在两表面间滑动并在两表面间滑动齿轮、滑齿轮、滑动轴承间动轴承间力力的的作作用用特特点点划伤划伤磨损磨损磨料的作用应力低于其压磨料的作用应力低于其压溃强度，材料表面被轻微溃强度，材料表面被轻微划伤划伤犁铧、输犁铧、输送机溜槽送机溜槽碾压碾压磨损磨损磨料与表面接触最大压应磨料与表面接触最大压应力大于磨料的压溃强度力大于磨料的压溃强度破碎滚筒破碎滚筒球蘑机球球蘑机球凿削凿削磨损磨损磨料对表面有高应力冲击磨料对表面有高应力冲击运动，材料表面被凿削运动，材料表面被凿削颚式破碎颚式破碎机齿板机齿板相相对对硬硬度度硬料磨损硬料磨损磨料硬度大于材料硬度磨料硬度大于材料硬度石英石英-钢材钢材软料磨损软料磨损磨料
46、硬度低于材料硬度磨料硬度低于材料硬度 矿石矿石-钢钢磨磨料料特特性性 干磨损干磨损磨料是干燥的磨料是干燥的球磨机干磨球磨机干磨湿料磨损湿料磨损磨料含水分，加速磨损磨料含水分，加速磨损球磨机湿磨球磨机湿磨流体磨损流体磨损气或液体带磨料冲刷表面气或液体带磨料冲刷表面泥浆泵等泥浆泵等工工作作环环境境一般磨损一般磨损正常条件下的磨料磨损正常条件下的磨料磨损各类机械各类机械腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀介质中的磨料磨损腐蚀介质中的磨料磨损化工机械等化工机械等热料磨损热料磨损高温工作下的磨料磨损高温工作下的磨料磨损沸腾炉等沸腾炉等3 磨粒磨损机理磨粒磨损机理(1)(1)微观切削微观切削：磨粒作用在零件材料表面上的力
47、，可分磨粒作用在零件材料表面上的力，可分为法向力和切向力。法向力将磨粒压入摩擦为法向力和切向力。法向力将磨粒压入摩擦表面，如硬度试验一样，在表面上形成压痕。表面，如硬度试验一样，在表面上形成压痕。切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与位切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与位向适当时，磨粒就象刀具一样，对表面进行向适当时，磨粒就象刀具一样，对表面进行剪切、犁皱和切削剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕，产生槽状磨痕.不过这种不过这种切削的宽度和深度都很小，因此产生的切屑切削的宽度和深度都很小，因此产生的切屑也很小。也很小。磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计,在生产中因在
48、生产中因磨粒磨磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右,因而研究磨粒磨损因而研究磨粒磨损有着重要的意义。关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：有着重要的意义。关于材料磨粒磨损主要有以下几个假设：(1)(1)微观切削微观切削 虽虽然然切切削削时时“刀刀具具”，即即一一般般的的磨磨粒粒，大大多多具具有有负负前前角角的的特特征征，切切屑屑变变形形也也较较大大些些，但但在在显显微微镜镜下下观观察察，这这些些微微观观切切屑屑仍仍具具有有机机加加工工中中切切屑屑的的特特征征。这这些些切切屑屑一一般般长长宽宽比比较较大大，切切屑屑的的一一面面较较光光滑滑，而而另另一一
49、面面则则有有滑滑动动的的台台阶阶，有有些些还还有有卷卷曲现象。曲现象。微微观观切切削削是是材材料料磨磨粒粒磨磨损损的的主主要要机机理理。在在三三体体磨磨料料磨磨损损中中也会发生微观切削作用。也会发生微观切削作用。但但是是，磨磨粒粒和和表表面面接接触触时时发发生生切切削削的的概概率率不不是是很很大大，虽虽然然在在某某种种条条件件下下切切削削磨磨损损量量占占总总磨磨损损量量的的比比例例很很大大。但但当当磨磨粒粒形形状状较较圆圆钝钝时时，或或在在犁犁削削过过程程磨磨粒粒的的棱棱角角而而不不是是棱棱边边对对着着运运动动方方向向时时，或或磨磨粒粒和和被被磨磨材材料料表表面面间间的的夹夹角角(迎迎角角)太
50、太小小时时，或或表表面面材材料料塑塑性性很很高高时时，往往往往磨磨粒粒在在表表面面滑滑过过后后，只只犁犁出出一一条条沟沟来来，把把材材料料推推向向两两边边或或前前面面，而而不不能能切切削削出出切切屑屑来来，特特别别是是松松散散的的自自由由磨磨粒粒，大大概概有有9090以以上上的的磨磨粒粒发发生生滚滚动动接接触触，只只能能压压出出印印痕痕来来，而而形形成成犁犁沟沟的的概概率率只只不不过过1010，这这样样切切削削的的可可能能性性就就更更少了。少了。还还有有一一种种情情况况，如如冲冲击击角角较较大大的的冲冲蚀蚀磨磨损损以以及及球球磨磨机机磨磨球球对对磨磨料料冲冲击击时时，往往往往在在表表面面上上形