摩擦学第五章磨损

金属/ 非金属 1.7X10-6 1.7X10-6
润滑良好
润滑极好
10X10-6
3X10-7
2X10-6
1X10-7
0.3X10-6
0.3X10-7
1.7X10-6
3.3X10-7
影响因素：
1）载荷 载荷引起表面塑性变形必然导致温度升高，引起粘着。载荷达到 一临界值可发生胶合的值称为临界载荷。
2）温度 温度升高可引起粘着，使表面膜破坏引起粘着发生的温度称为 临界失效温度。 影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v，其中速 度影响较大，因此有时把pv值作为控制粘着磨损和防止胶合发生的 一个参数。
（4）磨损系数
K WH / Nvt
式中，w—磨损量；H—材料硬度； v—速度；t —时间；N —正压力。 磨损系数表示磨损量与工况之间的关系，当载荷与速度为已知，并可 求出一定工况下的磨损系数时，就可估算磨损量，以预测摩擦学系统的寿 命。也可根据磨损系数来确定磨损类型，因为不同的磨损类型具有不同的 磨损系数。
a
，产生磨屑的概率
k ，则滑动 L 距离磨损体积：
v kN p
2 k F a3 n L 3 3 s
分析
粘着磨损的体积磨损率与法向载荷N (或正压力p)成正比，而与软金属材 料的屈服强度(或布氏硬度HB值)成反比。
当正压力 p
因此，在设计时应保证正压力不超过材料的布氏硬度的三分之一。 体积磨损率随着粘着磨损的磨损系数的增大而增大，而后者主要取决于摩 擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地粘着的趋向。 此外，磨损率与滑动速度无关。
按照磨损程度的不同，粘着磨损可以分为以下五类： 1) 轻微磨损 粘着点的剪切强度比形成该粘着点的任何一方的基体金属的剪切强度 都小(如锡与铁对磨)，磨损发生在粘着点的界面上，材料转移十分轻微， 甚至不产生材料转移。磨合属于这种磨损。
2) 涂抹
粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间 （如铅与钢对磨），剪切破坏发生在较软金属的浅表层内，并使该表层的材 料转移到较硬金属表面上，使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。 例如，重载蜗轮表面的铜涂抹到蜗杆表面上即属此类。
故有:
WV
1 p 3 sy
考虑磨损概率K实际磨损: 滑动距离L总的磨损为:
WV k WV k 1 p 3 sy
WV LWV k
1 pL 3 sy
*粘着磨损的磨损率：
体积磨损率的理论计算式：
Rv K1
p
s
式中，
s
K1
－软材料的屈服强度；ห้องสมุดไป่ตู้
－粘着磨损的磨损系数。它表示一个微突体在全部载荷接触下 滑动，产生一粒磨屑的概率，或产生磨屑的载荷接触的微突体在全部载荷接触 的微突体中所占的百分比。 K 越大，材料磨损越严重。
如：在润滑状况恶化的条件下，柴油机烧轴瓦就是这种磨损的典型例子。
(2) 有两种粘着（焊合）：①冷焊粘着；②热局部焊合粘者。
2、过程：⑴载荷、速度小；[⑵载荷、速度较大]；⑶变形、断裂及材 料转移；⑷新粘着点产生。
一、主要类型
Bowden根据剪断位置并以轴承合金为例进行分类 １、一类：粘着强度小 ２、二类：粘着强度中 ３、三类：粘着强度大 ４、四类：同一材料组合，加工硬化材料，剪断发生在内部，磨损大； 相反，加工软化，粘着部变软，有很好的耐磨性
0-t1
t1-t2
t2-t3
时间
2、磨损不仅是材料本身固有特性的表现，更是摩擦学系统特性的反映。 因此，磨损也具有条件性和相对性。 磨损的这种特性和摩擦很相似，因而也可用类似的表达式来表示，即：
w f ( x, s)
同一种机器零件在不同机器中会产生不同类型或不同程度的磨损。 即使在同一台机器中，不同工况也会导致不同程度甚至不同类型的磨损。 因此，在分析和处理机器零件的磨损问题时，必须全面考虑到该零件所在 的摩擦学系统的特性，才能对其磨损现象作出准确的判断和正确的分析。
FN Ar s
则
Na
s
Fn

L d3
(4)设每次接触损失z个原子，原子体积为 d 3 ，则总的磨损体积V等于：
得:
3、Archard理论—结块清除理论
Holm是从原子尺度来研究磨损的，研究真实接触面积上磨损粒子的 产生机理。为了便于分析，Archard发表了新的理论，称为结块清除理论， 意思是：由于两个表面上的凸峰相遇，导致块状粒子的损失。
HB 3
时，会使磨损加剧，产生胶合或咬死。
金属的粘着磨损的磨损系数
金属/金属 润滑状况 无润滑 润滑不良 相同
15X10-4 30X10-5 30X10-6 10X10-7
相容 5X10-4 10X10-5
部分相容和 部分不相容 1X10-4 2X10-5
不相容 0.15X10-4 0.5X10-5
Archard理论的模型 认为真实的接触面积Ar 是由n个（图所示）的接触 点构成。即:
接触面滑动，接触面积大小 发生变化，达到图c所示 （即滑过2a距离）接触点 完全分开。
由式知
接触着的某一点，滑过Ｌ距离时与对偶面上微凸体接触次数为L/2a； 则接触面整体滑过L距离总的接触次数Np为：
假定磨屑半径
第五章 磨损原理
第一节 概述
一、磨损的定义 磨损是由于机械作用和(或)化学反应(包括热化学、电化学和力化学等 反应)，在固体的摩擦表面上产生的一种材料逐渐损耗的现象，这种损耗主 要表现为固体表面尺寸和(或)形状的改变。
磨损的三个主要特征：
1) 磨损是发生在物体上的一种表面现象。材料内部裂纹引起的材料整体疲劳破 坏和断裂不属于磨损的范畴； 2) 磨损是发生在物体摩擦表面上的一种现象，其接触表面必须有相对运动。单 纯的腐蚀和某些高分子材料表面的老化都是在静止表面上发生化学反应(包括氧 化)的结果，也不属于磨损的范畴； 3) 磨损必然产生物质损耗(包括材料转移)，而且它是具有时变特征的渐进的动 态过程。因此，不产生材料逐渐损耗的、单纯的塑性变形也不属于磨损的范畴。
5) 咬死
由于粘着点的面积较大，其 剪切强度也相当高，致使摩擦表 面因局部熔焊而停止相对运动。
基本类型
二、磨损机理
粘着磨损是在固/固界面上产生严重滑动摩擦的结果。
粘着磨损的基本物理过程是：粘着－剪切－再粘着－再剪切的循环过 程，或是粘着点的生成－消失－再生成－再消失过程。 在此过程中，磨损主要是以材料转移的形式表现出来，有时还会出现 少量磨屑。
根据磨损程度的不同，磨粒磨损又可分为以下三种类型： 1、擦伤 磨粒作用在表面上的应力较低，使摩擦表面沿滑动方向形成微细 的擦痕。被尘土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出现这种磨损。 2、刮伤 磨粒作用在表面上的应力较高，使脆性材料表面碎裂；而对韧性 材料，则往往表现为摩擦表面产生塑性变形或疲劳破坏。 3、犁沟 在磨粒作用下，较软金属表面因塑性变形而出现较深的沟槽。
1、阿恰德模型理论
P
(1)面积 r 2 2 (2)载荷 r sy (3)滑动距离为 2r ，磨损体积为
F
r
2 3
r3
⑷单位滑动距离总的磨损体积为：
2/3 r 3 1 r 2 ; 若n个微突体,总载荷为P, WV 2r 3
则:
r
2
n r
2
p n r 2 sy
*其它参数：
（1） 磨损因数
V /( NL) RL / p
— 正压力；
式中，
N
p
— 法向载荷。
（2）磨损度(能量磨损率)
＝V /( FL) V /( fNL) / f
式中，F— 摩擦力； f — 摩擦系数。
（3）耐磨性系数(耐磨性)
1/ f /
3) 刮伤 沿滑动方向形成严重 的划痕。剪切破坏发生在较软 金属的表层。
4) 胶合
表面局部温度相当高，粘着点的面积较大，由于粘着点的剪切强度比形成粘 着的任何一方基体金属的剪切强度都要高（如铜与钢对磨），故在摩擦副的一方 或双方的基体金属上产生较深层的破坏，因而，既有较多的软金属转移到硬金属 表面上，同时也有部分硬金属转移到软金属表面上。
二、磨损的基本特性
1、磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象。
只要机器零件的磨损量或磨损率在规定使用期内不超过允许值，就可以认为 是一种允许的正常磨损现象。 机器零件典型磨损过程的三个阶段 1) 磨合(跑合)阶段(0－t1) 2) 正常磨损阶段(t1-t2) 3) 事故磨损阶段(t2-t3)
第三节 磨粒磨损
磨粒磨损是指在摩擦过程中，由于摩擦表面上硬的微突体或摩擦界面上的硬 颗粒而引起物体表面材料损耗的一种磨损。这是最常见的一种磨损现象。据统计， 因磨粒磨损而造成的损失约占各类磨损所造成的全部损失的一半。油田设备中许 多零件的磨损都属于磨粒磨损。
一、主要类型 由于物体表面硬的微突体使对偶表面产生的磨粒磨损称为两体磨粒磨 损(Two-body abrasive wear); 由于摩擦表面上存在自由硬颗粒而产生 的磨粒磨损称为三体磨粒磨损(Three-body abrasive wear)。
实际的磨损现象大都是多种类型磨损同时存在；或磨损状态随工 况条件的变化而转化。
第二节 粘着磨损
一、定义及其过程 1、定义：
(1)
在摩擦副中，相对运动的摩擦表面之间，由于粘着现象产生材料转移 而引起的磨损，称为粘着磨损。 这类磨损一般发生在相互滑动(或转动)的干摩擦表面上，即在表面上的 某些微突体产生固相焊合，严重时还会出现摩擦副完全“咬死”的现象。
1
2、Holm理论 ——真实接触理论。
Holm认为，互相接触的两个表面上，如果不同物体表面上的原 子间的距离m,小于物体本身原子间的距离d时，（图所示），则不 同原子间将作用有很强的分子力，会产生严重粘着，粘着的两个表 面被拉开时，将要损失一定数量的原子，产生磨损。
磨损(过程)量计算： (1)Ⅰ物体上原子a1,在运动过程中分别与Ⅱ物体上b1、b2……逐次接 触，每滑动距离d就与一个新的原子接触，当滑动L距离时，a1遇到的 原子数L/d; (2)每两个物体接触面积为Ar，Ar面积上的原子数等于Ar/d2;因之两 接触面滑动L距离时，原子总的接触次数Na等于； (3)已知
衡量磨损特性的主要参数是磨损率，通常可采用以下三种磨损率： 1、线性磨损率：
Rl l / L
Rv V /( LAn )
2、体积磨损率：
3、重量磨损率：
Rw w /( LAn ) RV
w
－磨损重量； L －滑动距离；
式中，l －磨损厚度； V －磨损体积；

－被磨损的材料的密度。
3）摩擦材料 同种材料 相溶性好的材料 材料塑性越高，粘着磨损越严重
脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高 脆性材料：正应力引起，最大正应力在表面，损伤浅， 磨屑也易脱落，不堆积在表面。 塑性材料：剪应力引起，最大剪应力离表面某一深度， 损伤深。
三、防止和减轻粘着磨损的措施 1、合理选择摩擦副材料 为了避免和减轻粘着磨损，摩擦副宜选用互溶性 小的金属，即不要选用同种或晶格类型相近的金属。Pb在Ni、Cr、Fe中的溶 解度很低，是很好的摩擦副材料，但其强度低，所以应选用其合金（如铅青 铜），或作为表面涂层来使用。在抗粘着能力方面，多相金属优于单相金属， 脆性材料优于塑性材料，其粘着破坏的深度较浅。此外，非金属材料（如高 分子材料、陶瓷等）不易与金属产生粘着磨损。 2、进行表面处理 采用表面氮化、渗硫、电镀或采用非金属涂层，均可 提高摩擦表面抗粘着的能力，可有效地阻止金属的粘着。 3、减小摩擦热 控制pv值，或加强摩擦表面的冷却(如对钻机刹车副摩擦表 面进行水冷)，以消除产生粘着磨损的各种条件。 4、在润滑剂中加油性添加剂或极压添加剂 油性添加剂可提高润滑油在金属 表面的吸附能力，保持良好的边界润滑状态。极压添加剂可分解出硫、磷、 氯等活性元素，与金属表面起化学反应而形成化学反应膜，从而有效地防止 或减轻金属表面的粘着。
（5）磨损速率(磨损强度)
I＝V / t
（6）相对耐磨性
I W / t
它是标准试样的磨损率与被测试样磨损率之比(％)。
三、磨损的分类
1、粘着磨损或粘附磨损(Adhesive wear)； 2、磨料磨损或磨粒磨损 (Abrasive wear)； 3、疲劳磨损或表面疲劳磨损(Surface fatigue wear)； 4 、 腐 蚀 磨 损 (Corrosive wear) 或 摩 擦 － 化 学 磨 损 (Tribo-chemical wear)。 5、其他。包括侵蚀磨损或冲蚀磨损 (Erosive wear) (Fretting wear)等。 和微动磨损