粘着磨损综述

粘着磨损及影响因素的研究

摘要：粘着磨损是磨损的失效基本类型之一,本文根据材料的表面状态和内部

结构阐述了影响粘着作用的机理和因素并给出了一些实用的克服粘着磨损的措施。

关键词：粘着磨损；摩擦副；粘着力；吸附膜；氧化膜

1 引言

磨损是材料和零件的主要失效形式之一，每年给人类带来上千亿美元的巨额浪费。而粘着磨损是一种最常见的的磨损形式，它在摩擦学的研究和应用中有非常重要的地位和作用。世界上技术先进的国家都为粘着磨损的研究及对策投入了大量的财力和人力[1]。

粘着磨损按程度分为涂抹、擦伤、粘焊和咬卡等几种。许多零件、工具的报废和失效都和粘着磨损有关。如轴承、凸轮、蜗轮、齿轮、量具、刃具、模具。真空环境的粘着磨损已成为空间技术的核心问题。另外，工作在气态、液态和侵蚀介质中的原子能反应堆及其他承受重载的机械装备也不能摆脱粘着磨损。由此可见，研究粘着磨损对国民经济各部门都具有重要的意义，特别对尖端技术更具有突出的作用[2]。

2 粘着磨损的产生及理论分析

2.1 粘着磨损的产生

粘着磨损是由摩擦表面的引力作用引起的。界面上的分子使接触表面形成粘着耦合，粘着作用使摩擦副表面或亚表层产生破坏，摩擦力剧增，摩擦变得迅猛而强烈，其中粘着力的大小与摩擦表面的清洁程度、吸附层及润滑状态有关。法向应力、切向应力、温度、变形的作用使摩擦表面的隔离层（润滑层、污染层、吸附层及氧化膜）发生破坏[3]。

2.2 粘着磨损的形式

粘着磨损的形式取决于粘着的强度和表面下材料的强度等条件，如果粘着强度比摩擦副两基体金属的强度都弱，剪切将发生在界面上，这时磨损极小；如果粘着强度大于基体金属的强度，则剪切将发生在离界面的金属表层内，金属将从一个表面转移到另一个表面上，形成粘着磨损。粘着磨损按金属转移程度不同分为以下几种形式[4]。

(1) 轻微磨损。当粘着强度比摩擦副的两基体金属抗剪强度都弱时，剪切将发生在粘着的界面上，这时表面材料转移极少，磨损很少，但摩擦系数将增大。金属表面上有氧化膜时，常发生这类粘着磨损。

(2) 涂抹。当粘着强度大于摩擦副中较软一种金属的强度时，剪切将发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内, 使软金属涂抹在金属表面上。

(3) 擦伤。当粘着强度比两基体金属抗剪强度均大时，剪切主要发生在较软一种金属的亚表层内，有时也发生在硬金属的亚表层内，转移到硬面上的粘着物又刮削软金属表面，使软金属表面产生划痕，有时硬金属表面也有划伤。

(4) 咬合。当粘着强度比两基体金属抗剪强度大得多时，剪切将发生在摩擦副金属的较深处，表面将沿滑动方向呈现明显撕脱，出现严重磨损，滑动继续进行，粘着范围很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现局部熔焊，使摩擦副咬死，不能相对滑动，这种形式破坏性很大。

(5) 划伤。当粘着强度比两基体金属强度都高，切应力高于粘着结合强度，剪切破坏发生在摩擦副一方或双方金属较深处，表面呈现宽而深的划痕[5]。

2.3 粘着学说

对于粘着现象的解释众说纷纭，赫姆等人认为，粘着是相互接触的滑动表面由于摩擦作用, 一侧表面原子被对方表面的原子捕捉的现象；鲍登等人认为是表面局部高压引起塑性变形和瞬时高温，使接触的峰顶材料熔化而发生焊合的现象；赫罗绍夫等人则认为粘着是冷焊的作用, 不一定达到熔化温度。定程度时，支撑面积曲线的变化情况也不一样。支承面积曲线在研究摩擦磨损时非常有用[6]。

2.4 粘着的理论学说

由于目前还没有完善粘着磨损的理论，所以还不能用计算的方法预计摩擦时粘着力的大小，但粘着作用力不但与材料的弹性变形和塑性变形有关，而且还与真实接触面积的总和有关，因为表面力就作用在这些接触处。

在某些情况下粘着作用的程度与固体表面能有关，即与形成新表面所必须的功有关。

表面的 Er 的近似值可用下面的方程式计算：

Er =（E |Ya）

其中E——弹性模量

Ya——相互作用的表面的间距

A——原子间的力的作用半径

而粘着能E a 可以认为是将两个相互接触的物体分开的能量

E a= E r1+ E r2—E k

其中E r1、E r2 ——1、2 物体的表面能

E k—现存界面引起的接触能量[7]

常见几种金属的晶体点阵中，密堆六方点阵金属的粘着倾向较面心立方点阵、体心立方点阵要小些。合金元素对钢材粘着作用的影响不突出，有些常存杂质（碳和硫）可使粘着作用减轻。复合材料的晶须方向对粘着作用有一定的影响，当晶须方向垂直于滑动方向时，粘着磨损较小，摩擦副的近表层变形和磨损将促进保护层的破坏。

对粘着磨损而言，接触点处的剪切强度是一个极为重要的变量，它与中间膜的状态、材

料的强度、脆性及塑性有关。当滑移发生在界面时，粘着磨损很轻微，如果接触处的粘着结合强度，高于材料强度断裂将在强度较低的材料内部发生，这就是所谓的内聚力破坏[8]。2.5 粘着磨损的基本定律

由于不能精确考虑各种摩擦副的材料特性、表面膜、润滑状态等因素影响, 因此不能确切定量计算, 但得出了粘着磨损的基本定律:

(1) 磨损的体积与滑动距离成正比；

(2) 磨损的体积与载荷成正比；

(3) 磨损的体积与较软的一种材料的屈服极限( 或硬度) 成反比[9]。

然而, 当载荷增大到某一临界值时, 磨损急剧增大,这说明载荷增大时, 实际接触面积增大, 而接触点的压强并不增大; 当平均压力大于δs时, K 值急剧增大, 整个面积发生塑性变形, 实际接触面积不再随载荷的增加而增大, 因此, 磨损急剧增大。除上述粘着机理外, 还有一些学说。有的认为转移首先是由于材料疲劳使其粒子从固体表面分离出来,然后再粘附到相对表面上去; 也有人认为在温度和应力作用下, 原子从一种材料扩散到另一种材料中去。

3 影响粘着磨损的因素

3.1 摩擦副材料特性的影响

两个金属表面发生粘着, 首先和他们形成的固溶体特性有关。由固溶性大的材料组成的摩擦副, 粘着倾向大, 结合点比较牢固; 反之则粘着倾向小, 结合点易于被切开。一般来说, 相同金属或晶格类型, 晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属, 互溶性大, 容易发生粘着, 反之发生粘着倾向小。也有些金属, 虽然互溶,但它们之间可形成金属化合物, 因此也不容易发生粘着。多相金属由于组织不连续, 所以比单相金属粘着倾向小; 金属与非金属组成的摩擦副比金属组成的摩擦副粘着倾向小; 脆性材料的抗粘着性能比塑性材料好,塑性材料的粘着破坏多发生在离表面一定深度处, 磨屑颗粒在, 表面粗糙[10][11]。

3.2 压力的影响

粘着磨损一般当压力增大到某一数值时会急剧增大。当压力超过ds 时, 磨损急剧增大, 严重时发生咬死。这种转变是由于表面温度和沿深度的温度梯度影响分子间的相互作用以及相接触的微凸下的塑性区相互作用引起的。轻载时, 相接触的微凸体下的塑性区相互独立, 重载时相互作用。若表层完全呈塑性, 则发生剧烈磨损[12]。

3.3 温度影响

摩擦过程产生的热量, 使表面温度升高。表面温度对磨损影响主要有:

(1)使摩擦材料性质发生变化；

(2)表面膜形成；