第六章 材料的磨损
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6.1.1 摩擦 定义：两个相互接触的物体或物体与介质之 间在外力作用下，发生相对运动，或者具有 相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的 阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻 力称为摩擦力。
6.1.1.1 摩擦力
摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体
相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。 摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称
6.3 磨损的机制
6.3.1 粘着磨损
粘着磨损又称咬合磨损。由于零件 表面某些接触点在高的局部压力下 发生粘合，在相互滑动时，粘着点 又被剪切分开，接触面上有金属磨 屑被拉拽出来，这种过程反复进行 很多次，便导致了表面的损伤。
粘着磨损
6.3.1.1 粘着磨损表面特征
机 件 表 面 有 大 小 不 等 的 结 疤 。
2 浅层剥落
条件：纯滚动或 摩擦力较小 次表层受循环切 应力，裂纹垂直 扩展 深度为0.2-0.4mm
Байду номын сангаас
3 深层剥落
条件：表面硬化层 深度不足 裂纹位于硬化层与 心部交界处 深度>0.4mm
6.4 耐磨性评价
耐磨性：是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一 个明确的统一标准，通常用磨损量表示：磨损量越 小，耐磨性越高。 表示磨损量的方法分为尺寸法和称重法。
6.2 磨损的基本类型
按照磨损的失效机制，磨损一般分为四类：
粘着磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 接触疲劳（麻点疲劳磨损)
6.2.1 磨损类型的转化
磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料特 性下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另 一种损伤机制。
6.2.1 影响磨损的条件
外部条件比如：滑动速度、温度、润滑剂 类型等。 材料特性比如：材料与氧的化学亲和力以 及形成的氧化膜性质、材料的力学性能、 材料的耐热性等。
零件的磨损让我们付出了很多时间和金钱。
衣物的磨损
同学们知道F1赛车的磨损现象吗？
轮胎压痕(SEM 5000X)
摩擦痕迹(350X)
同学们的手机外壳有没有磨损的情况？ 你是怎么防护的啊？
防护
第一节 磨损的基本概念及类型
1、摩擦与磨损的概念 2、磨损的基本类型 △
6.1 摩擦与磨损的概念
6.5.2 磨损试验机示意图
6.5.3 接触疲劳磨损试验机示意图
6.6 提高材料耐磨性的途径
磨损是造成材料损耗的主要原因，也是机件3种 主要失效形式（磨损、腐蚀、断裂）之一，为 此提高机件的耐磨性越来越引起人们的重视。 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。
6.5.1 实验室试验的原理
1)
2)
3)
4)
5) 6)
耐磨试验在摩擦磨损试验机上进行，种类很多，代表性的： 销盘式磨损试验机，是将试样加上载荷压紧在旋转圆盘上，该 法试验速度可调，精度较高； 环块式磨损试验机，试样在圆环外表面做摩擦运动； 往复运动式磨损试验机，试样在静止平面上往复运动，可评定 导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性； 滚子式磨损试验机，可测定材料在滑动、滚动、滚动和滑动复 合摩擦及间歇接触摩擦情况下的磨损； 砂纸磨损试验机，对磨材料为砂纸，简单易行； 快速磨损试验机，旋转圆轮用硬质合金制造，能较快测定材料 的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能。
在摩擦过程中，零件表面还将发生一系列物理、 化学和力学状态的变化:
1、因材料塑性变形而引起表层硬化和应力状态的变化 2、因摩擦热和其它外部热源作用下而发生的相变、淬火、 回火以及再结晶等 3、因与外部介质相互作用而产生的吸附作用
6.1.2.1 磨损过程分为以下三个阶段:
跑合（磨合）阶段
稳定磨损阶段
6.3.2.1 磨粒磨损表面特征
表 面 有 擦 伤 或 因 明 显 犁 皱 形 成 的 沟 槽
6.3.2.2 磨粒磨损模型
此模型可得出：磨粒磨损量与接触压力、滑动距离成正 比，与材料硬度成反比，与硬材料凸出部分或磨粒形状 θ 有关。
6.3.2.3 磨粒磨损影响因素
基体材料力学性能、 基体显微组织、 磨粒硬度
粘着磨损多发生在摩擦副相对滑动速度小、 接触面氧化膜脆弱、润滑较差、接触应力大 的滑动摩擦条件下. 相对运动中相互作用的 当粘着点的结合强度低于两侧材料时，则沿 表面间的摩擦、磨损、 接触面剪断，磨损量小；润滑等物理现象 当粘着点的结合强度高于两侧材料时，剪断 面发生在强度小的材料上，被剪断的材料转 移到强度高的材料上，软材料表面形成凹坑 而硬材料表面形成凸起，磨损加剧。
深层剥落: 这类剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一 般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。
6.3.4.3 接触应力一般出现如下两种情况：
线接触应力：两接触物体在加载前为线接触 （如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触）。 点接触应力：两接触物体在加载前为点接触
（如滚珠轴承）。
线接触应力
z z max 1 y / b
为摩擦系数，以μ表示，即μ=F/P。
μ静 μ μ动
μ静 ＞μ动
6.1.1.2 摩擦的分类 按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦 分为： ①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物 体上滑动时产生的摩擦。 ②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下， 沿接触表面滚动时的摩擦。
6.1.1.3 摩擦的防护与运用
汽车制动器
ε表示所研究材料的耐磨性。
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
6.5 磨损试验方法
磨损实验方法分为实物试验与实验室试验两 类。
实物试验的条件与实际情 况一致或者接近，结果可 靠性高，但实验周期长， 且结果是诸多因素的综合 反映。 周期短、成本低、易于控制 各种影响因素，科研就单个 因素的影响规律及探讨磨损 机制。
2
2
R1 R2 pE b 1.52 ( ) L R1 R2
z max
pE R1 R2 0.418 ( ) L R1 R2
点接触应力 z z max 1 x 2
a
3
2
z max 0.388
pE 2 R
2
6.3.4.4 接触疲劳的过程
1 麻点剥落
条件：滚动加 滑动 最大综合切应 力在表层反复 作用表层产生 裂纹，扩展方 向小于45o 深度0.1-0.2mm
6.3.4.1 接触疲劳的表面特征
痘 状 贝 壳 状 凹 坑
6.3.4.2 接触疲劳类型
根据裂纹起始位置和形态的差异，分为麻点剥落 （点蚀）、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。
麻点剥落: 是指深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落， 裂纹一般起源于表面，剥落坑呈针状或痘状。 浅层剥落: 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。
6.3.2 磨粒磨损
磨粒磨损是指硬的磨粒或凸出物在零件表面的摩 擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。这种磨 粒或凸出物一般指石英，砂土，矿石等非金属磨 料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦 面而形成的磨粒。 根据磨粒或凸出物的来源，磨粒磨损分为两体磨 粒磨损和三体磨粒磨损。前者如挫削过程，后者 如抛光过程。
第六章 材料的磨损性能
任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对 运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。 由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生 变化，直接影响了零件的使用寿命。
同学们 知道吗？
因机件间摩擦磨损要多消耗总能源的 1/3-1/2，并引起不少机件失效。磨 损每年给人类带来上千亿美元的巨额 浪费。
剧烈磨损阶段
6.1.2.2 磨损过程的三个阶段：
表面被磨平， 实际接触面 积不断增大， 表面应变硬 化，形成氧 化膜，磨损 速率减小。
随磨损的增长，磨 耗增加，表面间隙 增大，表面质量恶 化，机件快速失 效。
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（AB 段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。
6.3.1.2 粘着磨损模型示意图
此模型反映配对材料粘着力大小，决定于摩擦条件和 摩擦副材料。
阿查得估算法：
pn
d
4
2
3 sc
pL W K 3Hv
W为磨损量，K粘着磨损系数，L为滑动距离， Hv为软材料硬度
6.3.1.2 影响粘着磨损的因素
脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高
金属性质越是相近,构成摩擦副时磨损 也越严重 摩擦速度一定时粘着磨损量随法相力 增大而增大 法相力一定时粘着磨损量随摩擦速度 的增加先增后减 表面粗糙度影响
尺寸法：用摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为 线磨损量；也可用体积来表示，称为体积磨损量； 称重法：用精密天平分析试样试验前后质量的变化， 称为重量磨损量。
由于上述磨损量是摩擦行程或时间的函数， 因此，也可用比磨损量表示其磨损特性，单 位为mg/m，或mg/s。 为与习惯概念一致，还常用磨损量的倒数或 相对耐磨性表征。
＊减小零件使用时的磨损是我们学习材料磨损性能的最终目的。
薛群基院士
从事润滑失效研究，现为兰州化学物理研究所所 长，固体润滑国家重点实验室学术委员会主任，亚洲 摩擦学理事会主席，是我国材料摩擦学和摩擦化学领 域的主要学术带头人之一
6.1.2 摩损 定义：磨损是在摩擦的作用下，发生在材料 表面的局部反复进行的变形与断裂。
6.6.2 减轻磨粒磨损的主要措施
6.6.3提高接触疲劳抗力的措施 6.6.4 非金属材料的磨损特性
6.3.3 腐蚀磨损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反 应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而
造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了
两个过程：腐蚀和机械磨损。
6.3.4 接触疲劳
接触应力概念：两物 体相互接触时，在表 面上产生的局部压力 叫做接触应力。
接触疲劳也称麻点疲劳磨损，是指滚动轴承 、齿轮等类型的零件，在接触应力长期反复 作用下，表面局部区域出现小片或小块状材 料剥落而引起的磨损，属于一种表面疲劳现 象。
6.6.1 减轻粘着磨损的主要措施
合理选择摩擦副的材质保证充分的润滑条件 等都是非常重要的，边界润滑膜与氧化膜都 能限制金属微凸体的直接接触、抑制接点的 生长。在摩擦表面上，一两个分子层的润滑 剂可使磨损急剧下降。
固体润滑是降低粘着作用的有效手段尤其在 真空条件下石墨、二硫化钼及铟等表面膜对 粘着磨损的抑制作用是很有效的。 同时可利用各种表面处理改善摩擦副的抗粘 附作用。近年来，应用广泛的有表面热处理、 表面化学处理、表面化学热处理、电镀、渗 镀、喷镀、离子镀、离子注入等。
6.1.1.1 摩擦力
摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体
相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。 摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称
6.3 磨损的机制
6.3.1 粘着磨损
粘着磨损又称咬合磨损。由于零件 表面某些接触点在高的局部压力下 发生粘合，在相互滑动时，粘着点 又被剪切分开，接触面上有金属磨 屑被拉拽出来，这种过程反复进行 很多次，便导致了表面的损伤。
粘着磨损
6.3.1.1 粘着磨损表面特征
机 件 表 面 有 大 小 不 等 的 结 疤 。
2 浅层剥落
条件：纯滚动或 摩擦力较小 次表层受循环切 应力，裂纹垂直 扩展 深度为0.2-0.4mm
Байду номын сангаас
3 深层剥落
条件：表面硬化层 深度不足 裂纹位于硬化层与 心部交界处 深度>0.4mm
6.4 耐磨性评价
耐磨性：是指材料抵抗磨损的性能，迄今还没有一 个明确的统一标准，通常用磨损量表示：磨损量越 小，耐磨性越高。 表示磨损量的方法分为尺寸法和称重法。
6.2 磨损的基本类型
按照磨损的失效机制，磨损一般分为四类：
粘着磨损 磨粒磨损 腐蚀磨损 接触疲劳（麻点疲劳磨损)
6.2.1 磨损类型的转化
磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料特 性下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另 一种损伤机制。
6.2.1 影响磨损的条件
外部条件比如：滑动速度、温度、润滑剂 类型等。 材料特性比如：材料与氧的化学亲和力以 及形成的氧化膜性质、材料的力学性能、 材料的耐热性等。
零件的磨损让我们付出了很多时间和金钱。
衣物的磨损
同学们知道F1赛车的磨损现象吗？
轮胎压痕(SEM 5000X)
摩擦痕迹(350X)
同学们的手机外壳有没有磨损的情况？ 你是怎么防护的啊？
防护
第一节 磨损的基本概念及类型
1、摩擦与磨损的概念 2、磨损的基本类型 △
6.1 摩擦与磨损的概念
6.5.2 磨损试验机示意图
6.5.3 接触疲劳磨损试验机示意图
6.6 提高材料耐磨性的途径
磨损是造成材料损耗的主要原因，也是机件3种 主要失效形式（磨损、腐蚀、断裂）之一，为 此提高机件的耐磨性越来越引起人们的重视。 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。
6.5.1 实验室试验的原理
1)
2)
3)
4)
5) 6)
耐磨试验在摩擦磨损试验机上进行，种类很多，代表性的： 销盘式磨损试验机，是将试样加上载荷压紧在旋转圆盘上，该 法试验速度可调，精度较高； 环块式磨损试验机，试样在圆环外表面做摩擦运动； 往复运动式磨损试验机，试样在静止平面上往复运动，可评定 导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性； 滚子式磨损试验机，可测定材料在滑动、滚动、滚动和滑动复 合摩擦及间歇接触摩擦情况下的磨损； 砂纸磨损试验机，对磨材料为砂纸，简单易行； 快速磨损试验机，旋转圆轮用硬质合金制造，能较快测定材料 的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能。
在摩擦过程中，零件表面还将发生一系列物理、 化学和力学状态的变化:
1、因材料塑性变形而引起表层硬化和应力状态的变化 2、因摩擦热和其它外部热源作用下而发生的相变、淬火、 回火以及再结晶等 3、因与外部介质相互作用而产生的吸附作用
6.1.2.1 磨损过程分为以下三个阶段:
跑合（磨合）阶段
稳定磨损阶段
6.3.2.1 磨粒磨损表面特征
表 面 有 擦 伤 或 因 明 显 犁 皱 形 成 的 沟 槽
6.3.2.2 磨粒磨损模型
此模型可得出：磨粒磨损量与接触压力、滑动距离成正 比，与材料硬度成反比，与硬材料凸出部分或磨粒形状 θ 有关。
6.3.2.3 磨粒磨损影响因素
基体材料力学性能、 基体显微组织、 磨粒硬度
粘着磨损多发生在摩擦副相对滑动速度小、 接触面氧化膜脆弱、润滑较差、接触应力大 的滑动摩擦条件下. 相对运动中相互作用的 当粘着点的结合强度低于两侧材料时，则沿 表面间的摩擦、磨损、 接触面剪断，磨损量小；润滑等物理现象 当粘着点的结合强度高于两侧材料时，剪断 面发生在强度小的材料上，被剪断的材料转 移到强度高的材料上，软材料表面形成凹坑 而硬材料表面形成凸起，磨损加剧。
深层剥落: 这类剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一 般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。
6.3.4.3 接触应力一般出现如下两种情况：
线接触应力：两接触物体在加载前为线接触 （如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触）。 点接触应力：两接触物体在加载前为点接触
（如滚珠轴承）。
线接触应力
z z max 1 y / b
为摩擦系数，以μ表示，即μ=F/P。
μ静 μ μ动
μ静 ＞μ动
6.1.1.2 摩擦的分类 按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦 分为： ①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物 体上滑动时产生的摩擦。 ②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下， 沿接触表面滚动时的摩擦。
6.1.1.3 摩擦的防护与运用
汽车制动器
ε表示所研究材料的耐磨性。
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
6.5 磨损试验方法
磨损实验方法分为实物试验与实验室试验两 类。
实物试验的条件与实际情 况一致或者接近，结果可 靠性高，但实验周期长， 且结果是诸多因素的综合 反映。 周期短、成本低、易于控制 各种影响因素，科研就单个 因素的影响规律及探讨磨损 机制。
2
2
R1 R2 pE b 1.52 ( ) L R1 R2
z max
pE R1 R2 0.418 ( ) L R1 R2
点接触应力 z z max 1 x 2
a
3
2
z max 0.388
pE 2 R
2
6.3.4.4 接触疲劳的过程
1 麻点剥落
条件：滚动加 滑动 最大综合切应 力在表层反复 作用表层产生 裂纹，扩展方 向小于45o 深度0.1-0.2mm
6.3.4.1 接触疲劳的表面特征
痘 状 贝 壳 状 凹 坑
6.3.4.2 接触疲劳类型
根据裂纹起始位置和形态的差异，分为麻点剥落 （点蚀）、浅层剥落、深层剥落三种主要类型。
麻点剥落: 是指深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落， 裂纹一般起源于表面，剥落坑呈针状或痘状。 浅层剥落: 其剥落深度一般为0.2-0.4 mm。
6.3.2 磨粒磨损
磨粒磨损是指硬的磨粒或凸出物在零件表面的摩 擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。这种磨 粒或凸出物一般指石英，砂土，矿石等非金属磨 料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦 面而形成的磨粒。 根据磨粒或凸出物的来源，磨粒磨损分为两体磨 粒磨损和三体磨粒磨损。前者如挫削过程，后者 如抛光过程。
第六章 材料的磨损性能
任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对 运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。 由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生 变化，直接影响了零件的使用寿命。
同学们 知道吗？
因机件间摩擦磨损要多消耗总能源的 1/3-1/2，并引起不少机件失效。磨 损每年给人类带来上千亿美元的巨额 浪费。
剧烈磨损阶段
6.1.2.2 磨损过程的三个阶段：
表面被磨平， 实际接触面 积不断增大， 表面应变硬 化，形成氧 化膜，磨损 速率减小。
随磨损的增长，磨 耗增加，表面间隙 增大，表面质量恶 化，机件快速失 效。
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（AB 段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。
6.3.1.2 粘着磨损模型示意图
此模型反映配对材料粘着力大小，决定于摩擦条件和 摩擦副材料。
阿查得估算法：
pn
d
4
2
3 sc
pL W K 3Hv
W为磨损量，K粘着磨损系数，L为滑动距离， Hv为软材料硬度
6.3.1.2 影响粘着磨损的因素
脆性材料的抗粘着能力比塑性材料高
金属性质越是相近,构成摩擦副时磨损 也越严重 摩擦速度一定时粘着磨损量随法相力 增大而增大 法相力一定时粘着磨损量随摩擦速度 的增加先增后减 表面粗糙度影响
尺寸法：用摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为 线磨损量；也可用体积来表示，称为体积磨损量； 称重法：用精密天平分析试样试验前后质量的变化， 称为重量磨损量。
由于上述磨损量是摩擦行程或时间的函数， 因此，也可用比磨损量表示其磨损特性，单 位为mg/m，或mg/s。 为与习惯概念一致，还常用磨损量的倒数或 相对耐磨性表征。
＊减小零件使用时的磨损是我们学习材料磨损性能的最终目的。
薛群基院士
从事润滑失效研究，现为兰州化学物理研究所所 长，固体润滑国家重点实验室学术委员会主任，亚洲 摩擦学理事会主席，是我国材料摩擦学和摩擦化学领 域的主要学术带头人之一
6.1.2 摩损 定义：磨损是在摩擦的作用下，发生在材料 表面的局部反复进行的变形与断裂。
6.6.2 减轻磨粒磨损的主要措施
6.6.3提高接触疲劳抗力的措施 6.6.4 非金属材料的磨损特性
6.3.3 腐蚀磨损
腐蚀磨损是摩擦面和周围介质发生化学或电化学反 应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而
造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了
两个过程：腐蚀和机械磨损。
6.3.4 接触疲劳
接触应力概念：两物 体相互接触时，在表 面上产生的局部压力 叫做接触应力。
接触疲劳也称麻点疲劳磨损，是指滚动轴承 、齿轮等类型的零件，在接触应力长期反复 作用下，表面局部区域出现小片或小块状材 料剥落而引起的磨损，属于一种表面疲劳现 象。
6.6.1 减轻粘着磨损的主要措施
合理选择摩擦副的材质保证充分的润滑条件 等都是非常重要的，边界润滑膜与氧化膜都 能限制金属微凸体的直接接触、抑制接点的 生长。在摩擦表面上，一两个分子层的润滑 剂可使磨损急剧下降。
固体润滑是降低粘着作用的有效手段尤其在 真空条件下石墨、二硫化钼及铟等表面膜对 粘着磨损的抑制作用是很有效的。 同时可利用各种表面处理改善摩擦副的抗粘 附作用。近年来，应用广泛的有表面热处理、 表面化学处理、表面化学热处理、电镀、渗 镀、喷镀、离子镀、离子注入等。