24材料摩擦磨损与防护

损， ❖带走摩擦热， ❖去除摩擦表面的污染物或磨损产物， ❖保护摩擦表面不受腐蚀等。
１.流体润滑
❖固体摩擦表面之间靠一层充分厚的粘性流 体膜进行润滑，叫流体润滑。
❖在流体润滑状态下，摩擦表面并不直接接 触，而是两表面间的粘性流体分子之间发 生内摩擦。
❖流体润滑的条件是在摩擦表面之间维持 一层足够厚度的流体润滑膜，因此流体 膜内必须存在压力，足以平衡外载荷。
材料表面层原子形成应力场而具有很高的 吸引力，因此，表面会吸附空气、水分和 各种有机物的分子，并被它们所覆盖。
被吸附到表面的活性物质会向表面的裂纹 中渗透，升高裂纹尖端应力，使裂纹进一 步向深处扩展，导致表面强度下降。
（４）污染层： 一般在吸附层的表面还存在污染层，主要
由环境中微粒的沉积及磨损碎屑组成。
所造成的损伤。
（４）腐蚀磨损： 同时受到腐蚀和磨损的综合作用下的材 料表面损伤叫腐蚀磨损。
❖氧化磨损 ❖特殊介质腐蚀磨损
（５）冲蚀磨损： 材料表面受到细小而松散的流动粒子冲 击时而出现的一种磨损形式。 粒子的直径一般小于1mm，冲击速度在 550m/s以下。
（６）微动磨损： 两固体接触表面上因出现周期性小幅振 动所造成损伤的一种特殊的磨损方式。
摩擦痕迹(350X)
一.固体的表面特点与表面的相互接触
固体的摩擦发生在表面，而任何固体表面都 不是完全光滑的。由于切削刀痕、材料的 塑性变形、加工时振动的存在，使零件表 面存在凸凹不平与形状误差，这种表面轮 廓对其摩擦学特征有重要的影响。
１.固体表面的几何形状 零件表面的真实几何形状是由表面形状偏差
磨损主要是微凸体接触区域受损而引起 的，通常发生在重载、高速，特别是产 生大量摩擦热的运动副中。
粘着一剪断一转移一再粘着
举例： 1、真空中洁净的硬钢压在黄铜块上后分开，用 高倍显微镜观察，明显看到分散的黄铜粒嵌 在钢表面。
2、黄铜圆销在旋转的钢制圆盘上滑动，可看到 钢盘表面被涂抹上一层黄铜。如果用显微镜 观察可看到分散的转移特性。
（４）混合摩擦： 介于上述各摩擦之间，即接触表面间同时 出现干摩擦、边界摩擦和流体润滑摩擦的 一种混合摩擦状态。 这是生产实际中最常见的一种摩擦状态。
三、磨损
机械零件磨损的特性
跑合 稳定磨损 剧烈磨损
磨
b
损
a
量
o
时间
磨损的三个阶段
１.磨损过程中摩擦表面的变化
在摩擦过程中，两个物体的表面微凸体相 互接触处会发生弹性变形或塑性变形过程 ，此过程将伴随一连串的物理、化学及机 械性能的变化。
形使其结构发生变化，晶粒细化，形成 变形层。 变形层一般可达几十微米，粗加工时可 深达几百微米。变形层由于硬化作用而 具有较高的硬度。
（２）氧化层： 新加工的零件表面在大气中会很快氧化，在
几秒钟内形成厚度为1~10nm氧化层，高温时 氧化层的形成速度更快。 氧化层的性质与整体材料的性质截然不同。
（３）吸附层：
五、常见的减少磨损的方法
主要办法： ❖改善设计，提高加工和装配质量； ❖使用良好的润滑剂； ❖采用高耐磨材料； ❖对材料进行表面处理。
常用的减少磨损的表面处理方法： 1．电镀：镀铬 2．表面喷涂和堆焊耐磨材料：合金或复合
陶瓷 3．化学热处理 （1）磷化处理 （2）软氮化
（3）低温渗硫：FeS和FeS2 （4）渗碳与渗硼 （5）化学气相沉积：CVD （6）离子注入：钼离子、硫离子、氮离子
微动磨损主要发生在相对静止的摩擦副 表面，两接触表面无宏观相对运动，只 是在外界变载荷影响下存在微小振幅的 相对震动而引起的磨损。
３.影响磨损的因素
（１）服役条件的影响 ❖载荷：
随载荷增加，实际接触面积增大，摩擦力 增大，摩擦热增加，损伤加速。
❖速度：
若滑动速度的增加未引起摩擦表面温度 的激增，则随滑动速度的增加，摩擦时 间减少，材料来不及变形，从而使磨损 量减少。
（１）表面微裂纹的生成及其破坏作用：
在摩擦过程中，在摩擦表面微凸体区域的 接触应力与温度很高，在该区域的组织发 生变化或熔化。因此在重复性机械应力和 热应力作用下，材料表层将产生微观裂纹 ，并向内部延伸，在某个深度处连接起来 ，最终导致材料从表面上脱落下来。
（２）化学反应过程： 在磨损过程中，磨损过的新鲜材料表面会 与空气和周围介质形成化合物薄膜。
磨料磨损
点蚀
剥层磨损
胶合
疲劳磨损
凿削式擦伤
腐蚀或氧化磨损
微动磨损
电腐蚀磨损
表面破坏方式和磨损机理关系简图
（１）疲劳磨损：
两表面在相对滚动或滑动过程中，在外载 荷引起的交变接触应力作用下，使裂纹在 被磨面的表面或次表面形成、扩展并连通 ，最后剥离下来，形成点蚀或剥落。
（２）粘着磨损： 粘着磨损是指两个相对运动的表面发生 相互焊合，在相互运动过程中焊合表面 产生撕裂而发生的磨损。
B
微凸体互嵌——微凸体不发生变形就 不能产生运动
二.摩擦
定义：两个接触的物体在相互运动过程中 所发生的阻力。 摩擦的大小一般用摩擦系数μ表示，其值等 于摩擦力F（切向力）与法向力N（载荷） 的比值，即μ=F/N。
１.摩擦机理
简单粘着理论：当固体表面相互压紧时，它 们仅在微凸体的顶端相互接触。由于实际接 触面积很小，接触点处的应力往往很高，因 此，接触点处首先开始发生弹性变形，进而 发生塑性变形。 材料的塑性变形使接触面积不断增大，一直 到实际接触面积增至恰好支撑外载荷为止。
A=N/σsy
A—实际接触面积 σsy—材料的压缩屈服极限 N—法向载荷
此式表明摩擦表面的实际接触面积与法向 载荷成正比。
摩擦力：F粘着=Aτb F=Nτb/σsy
摩擦系数可表示为：μ=F/N=τb/σsy
简单粘着理论说明两条摩擦定律：即摩擦 系数与名义接触面积无关；摩擦力和载荷 成正比。
２.摩擦的分类
❖分为流体动压润滑和流体静压润滑。
２.边界润滑
❖如果摩擦表面粘性流体润滑剂的压力不 足以平衡外载，流体膜的厚度减少到分 子级大小，形成流体膜，在一定程度上 起保护摩擦表面的作用，这种摩擦状态 叫做边界润滑。
❖边界膜的厚度很薄，摩擦表面的形貌和 表面性能对润滑状态有很大影响，边界 润滑的摩擦系数高于流体动压润滑，但 比干摩擦的摩擦系数低。
按摩擦副的运动形式可分为滑动摩擦和滚 动摩擦； 按摩擦副的运动状态可分为静摩擦和动摩 擦； 按表面的摩擦状态可分为干摩擦、流体摩 擦、边界摩擦和混合摩擦。
（１）干摩擦： 既无润滑又无湿气的摩擦为干摩擦。 这种摩擦一般发生在制动器、摩擦传动 及纺织、食品、化工机械的部件。 在这些摩擦中，考虑到污染和安全问题 ，润滑剂不允许使用。
表面形貌轮廓
微凸体
中线：实体面积=空间面积
Zi
m
m
x 样品长度l
空间
实体
２.材料表面组织结构与物理化学力学性质
零件表面层的组织结构及物化性质与整体材料 不同，导致其与整体材料的力学性质不同。
普通脏污层 吸附层
氧化层 贝氏层 严重变形层
轻度变形层
金属表层的组成
（１）变形层： 切削加工的零件表面由于材料的塑性变
３.润滑材料
（１）液体润滑剂： 矿物油，合成油，水基液体
（２）固体润滑剂： 主要应用于超高温、超低温、超高速、超 高压、高真空等超出润滑油或润滑脂使用 极限的情况下。有石墨、二硫化钼、软金 属等
（３）润滑脂： 润滑脂是由润滑液体稠化而成的、具有 可塑性的润滑剂，在低载荷时，呈固体 性质；当超过某临界负荷时，能够像液 体那样流动。 凡士林。
在磨损过程中，由于温度与压力很高，处 在该区域的润滑介质或摩擦副材料中可能 会分离出氢、碳等原子，材料的表层原子 与这些原子反应而使自身的脆性增加。
（３）润滑剂的作用： 润滑剂决定着磨损的程度。 润滑剂可减少摩擦与降低磨损，但有时 润滑剂渗入材料表面的微裂纹中，由于 楔挤作用可促使裂纹扩大，从而使表面 材料破裂脱落。
（４）摩擦表面间材料的转移：
在摩擦过程中，材料会从一个材料表面 转移到另一个材料表面，通常是塑性大 的材料由于粘着作用而转移到较硬的材 料表面而发生磨损。
２.磨损的分类
按机理一般分为：
粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、接触疲劳磨 损、冲蚀磨损、微动磨损、冲击磨损
表面损坏方式
磨损机理
轻微磨损
粘着磨损
严重磨损
（２）边界润滑摩擦：
相对运动的两表面被很薄的润滑膜隔开 （0.1~1.0×10-3mm），边界膜的存在可 使摩擦系数降低2~10倍，并使表面磨损 显著减少。
（３）流体润滑摩擦：
摩擦表面完全被润滑膜隔开，靠润滑膜 的压力平衡外载荷。
在流体润滑中，摩擦阻力取决于润滑剂 的内摩擦（粘度），这种摩擦状态具有 最小的摩擦系数，在节能、延长寿命和 减少磨损等方面都是最理想的。
若滑动速度增加使摩擦副表面急剧升温 而软化，则会料表面的硬度降低，使实际 接触面积增加，导致粘着磨损倾向上升，当 温度升到一定程度后，将使接触表面局部熔 化焊合，使粘着磨损急剧增加。
温度升高导致摩擦副表面间润滑油氧化甚至 失效，也会加剧磨损。
在高温的服役条件下，应选择石墨、二氧化 钼作为润滑剂。
❖表面粗糙度： 表面越粗糙，摩擦阻力越大，摩擦系数 也越大，摩擦就愈严重。 但表面太光滑又会使接触面积增加和表 面的储油能力下降，从而使磨损增加。 通常许多带有凹沟的平滑表面的耐磨性 较好。
❖表面污染层与润滑膜： 表面污染层在摩擦过程中可降低接触表 面间的粘着倾向，起到减磨润滑作用。 但是，若污染层中含有硬颗粒时，则会 使磨料磨损加剧。
3、巴克莱用单晶体碳化硅与各种金属相摩擦， 第一组球形碳化硅滑块在金属平面滑动；
第二组球形金属滑块在碳化硅平面滑37 动。
（３）磨粒磨损： 硬的颗粒对表面上硬的微凸体在摩擦过 程中引起的材料损失，称为磨粒磨损。 磨粒磨损实质上是材料表面在磨粒作用 下发生塑性变形和断裂的过程。