摩擦磨损过程和磨损形式

摩擦磨损过程和磨损形式

钱洪新

[摘要]在机器的运转过程中,作相对运动的零件之间总是伴随着摩擦而产生磨损。磨损通常是不希望出现的，它是消极的、不利的。本文阐述了摩擦磨损过程；分析了摩擦的种类和摩擦

磨损的四种基本形式；揭示了摩擦磨损的规律。

[关键词]摩擦磨损摩擦分类磨损形式磨损规律

机器的运转都是由运动副零件的配合表面相对运动来实现的，而配合表面的相对运动必然伴随着摩擦而产生磨损。在摩擦过程中，摩擦表面发生了尺寸、形状和表面质量的变化称为磨损。摩擦磨损是发动机零件最常见的一种损伤形式，是机器缩短使用寿命、丧失工作能力、影响安全可靠工作的主要因素之一。

一、摩擦磨损过程

摩擦磨损与摩擦表面形貌有关。由于表面粗糙度的存在，两摩擦表面仅仅是在少数孤立点上发生接触，这时，法向载荷便由这些点上发生接触。接触面积越小，法向应力越大。当法向应力超过材料的屈服极限时，接触点就产生塑性变形。在塑性变形的同时，接触点处金属表面上的氧化膜也被压碎或剪切掉。这时，接触点金属分子间相互吸引力增大，有可能相互扩散而熔合在一起。我们把熔合在一起的现象称为冷焊。当相对运动继续进行时，由于剪切而使冷焊点破裂。以后又在接触点发生塑性变形、冷焊和破裂，直到真实接触面积增大到足以支承法向载荷时为止。这时，表面硬度增加了，表面粗糙度也有所提高了。

摩擦磨损过程是一个复杂的过程。当金属产生塑性变形时，要释放热量，因此，在摩擦表面上的温度要比基体金属的温度高得多。当温度高于再结晶温度时，因变形而引起的表面强化现象将消失；当温度继续升高时，金属被软化，摩擦表面金属分子相互粘结；当温度升高到相变温度，摩擦表面金属就会产生相变，强度和硬度也大大降低。在摩擦磨损过程中，摩擦表面还要与周围介质起作用。例如当氧化膜被压碎或前切后，裸露的金属表面迅速与氧气起化学反应，形成新的氧化膜。氧化膜和基体金属的结合力较弱，容易被压碎或剪切。另外，空气中的水分和润滑油中的硫分均能与摩擦表面起化学反应，产生化合物，加剧摩擦表面的磨损。因此，摩擦磨损过程就是由于机械和化学的

作用，使物质从表面不断损失或产生残余变形的过程。

二、摩擦分类

按摩擦面之间有无润滑材料及润滑剂的存在状态将摩擦分为干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦。

1、干摩擦

摩擦面之间没有润滑剂存在时发生的摩擦称为干摩擦。干摩擦的发生有许多理论解释，常用的是所谓“粘着—机械啮合”学说。由于物体之间摩擦面的微观状态是凹凸不平的，摩擦面之间的接触不发生在整个接触面上，摩擦只是发生在摩擦面之间凸峰与凸峰正好相对的地方，物体之间的正压力实际上只由占摩擦面很小部分的实际接触面积承受。由于这些凸峰与凸峰相接触的点受到相当大的压力而产生塑性变形，出现了粘着现象，使凸峰与凸峰就好像被“熔焊”在一起。当物体做相对运动时，为了将这些“熔焊”在一起的点撕裂所需要的力，就构成了摩擦力的主要部分。此外，还存在着一个摩擦面上的凸峰正好嵌入另一个摩擦面上的凹谷的情况，当物体做相对运动时，将产生机械啮合阻力，这是摩擦力的又一个来源。因而物体之间发生干摩擦时，其摩擦力是“熔焊”点造成的粘着阻力与“凹凸体”机械啮合阻力之和。

干摩擦是有害的，主要表现在能量的损失（如转为热能）和机件的磨损上（如温度升高导致材料表面抗磨性及强度降低同时有磨屑的产生）。

2、边界摩擦

边界摩擦亦称为边界润滑，是指物体之间摩擦面上存在一层由润滑剂构成的边界膜发生的摩擦。边界膜的性质是影响边界摩擦的主要因素，按其形成方式，可分为吸附膜和反应膜两类。吸附膜是通过物理因素（分子吸引）或化学因素（电子交换产生的化学结合力），使润滑剂中的极性分子产生定向排列形成的一层膜；

反应膜则是由含硫、磷、氯等元素的润滑油添加剂与摩擦表面起化学反应，所生成的新的物质而构成的一层膜。在边界润滑作用比较充分，即形成的分子栅有较大的承载能力和长度时，摩擦仅发生在边界膜之间，摩擦系数仅与摩擦面的性质（材质、几何形状等）和润滑剂的油性有关，也就是说摩擦系数与摩擦面润滑剂之间形成极性分子栅的能力和分子栅本身的承载能力有关，而与润滑油的粘度大小无关。当边界润滑作用较差时，某些部位的边界膜被破坏，造成摩擦面的直接接触，从而形成干摩擦，使摩擦系数增大。

吸附膜的稳定性较差，在一定温度下，定向排列的极性分子会因热运动而变得杂乱无章，甚至从摩擦面上脱落下来，使得吸附膜失去承载能力，润滑作用大大减小。反应膜较吸附膜稳定得多，因为在高温下化学反应的速度加快，更有利于生成新的物质来加强反应膜，所以反应膜适于重载低速和高温的条件。但是生成反应膜时，一般伴随着对金属有腐蚀性。

3. 液体摩擦

液体摩擦亦称为液体润滑，当物体之间的接触面被润滑油膜完全隔开时，物体相对运动所产生的摩擦叫液体摩擦。液体摩擦时，物体之间的摩擦面没有直接接触，其间除了边界润滑膜外，还有流动油膜。因此摩擦仅发生在润滑油之间，运动阻力仅由润滑油分子间的吸引力（内聚力）形成，因而摩擦系数很小，一般在0.01～0.001的范围内。

4. 混合摩擦

混合摩擦亦称为混合润滑，是属于一种不稳定的润滑。它既存在着润滑油粘度所产生的粘滞阻力，也存在着金属表面微凸体接触所产生的摩擦阻力。实际上它是指上述三种摩擦中有两种摩擦同时存在的情形，可分为半干摩擦和半液体摩擦。半干摩擦是指干摩擦和边界摩擦同时存在的情形，不充分的边界摩擦将导致半干摩擦。半液体摩擦是液体摩擦和边界摩擦同时存在的情形，不充分的液体摩擦会导致半液体摩擦。工业设备经常处于混合摩擦状况。

三、摩擦磨损形式

根据摩擦磨损过程的不同特征，磨损可分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损四种基本形式。

1、粘着磨损

摩擦副在法向载荷的作用下，接触点产生塑性变形，氧化膜被压碎或剪切，接触点发生冷焊。如果运动速度较小而法向载荷较大，摩擦表面温升很高，金属软化或熔化，接触点金属就相互粘着在一起。当继续运动时，粘着处被剪切，这样粘着、剪切、再粘着、剪切的过程，就构成粘着磨损。根据剪切部位的不同，粘着磨损又可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕裂和咬死五种。当剪切发生在粘着面上，表面转移的物质极轻微；当剪切发生在离粘着面不远的软金属浅层内，软金属就涂抹到硬金属表面现象上；当剪彩切发生在软金属的亚表层内，软金属表面出现擦伤或拉毛痕迹；当剪切发生在摩擦副较深处，表面就出现撕裂；当粘着强度比基体金属剪切强度高，而且粘着区域大，相对运动