摩擦和磨损

3）擦伤 接点剪切损坏主要发生在较软 金属的浅层内，有时硬金属表面也有擦痕。 接点的粘结强度比两基体金属都高，转移到 硬表面上的粘结物又擦削较软表面。
4）撕脱 撕脱是比擦伤更重一些的粘着 磨损，接点的剪切破坏发生在摩擦副一方或 两方的较深处，接点粘结强度大于任一摩擦 件基体金属的剪切强度。

1）摩擦表面粗糙度

一般来说，降低摩擦副的表面粗糙
度会提高抗粘着磨损能力，但表面过 分光洁可使润滑油在表面的储存能力 下降，反而容易造成粘着磨损。因 此，应当尽可能使摩擦面有吸附物质、 氧化物和润滑剂。有的还可以根据摩 擦副的工作条件，在润滑剂中加入适 当的添加剂。

2）摩擦表面的成份和组织
两体磨粒磨损 三体磨粒磨损 图1－31 磨粒磨损模型示意图
磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有擦伤 或因明显犁皱形成的沟槽。沟槽可能是因磨 粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形、 疲劳破坏或脆性断裂产生的，或是它们综合 作用的结果。
影响磨粒磨损的因素十分复杂，主要有： 磨粒硬度、基体材料机械性能、基体显微组 织等。
c.热致力学性能变化。通过对SiC纤维增强氧 化铝的热弹性应力和摩擦热的理论计算，认 为由于SiC纤维的断裂强度和基材对纤维的紧 固力随温度变化所表现出的不一致性，导致 SiC纤维在不同温度下处于不同的应力状态。 因内此表，现S出iC不f/A同l2的O3失复效合机陶制瓷:当在温不度同低的于温临度界范值围 时，其主要失效形式为纤维断裂;而当温度高 于临界值时，其失效机制为纤维拨出
能定性地反映陶瓷的磨损量与其力学性能的关系。 但是，计算值与实测值相差甚远，这主要是由于它 们都没有涉及陶瓷材料微观结构影响的结果。
(2)显微结构的影响 陶瓷材料是由晶粒和晶界相组成的烧结体， 决定其性能的主要因素是组成和显微结构， 即晶粒、晶界相、气孔或裂纹的组合形态。 研究表明，晶粒的形状与大小、孔隙率和第 二相的形状及其体积分数，以及杂质的分布 和缺陷等都会影响陶瓷材料的摩擦学性能。
边界摩擦
摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦 称为边界摩擦。这层膜叫边界膜，其厚度可从一个 分子层到0.1 mm。边界膜的存在可使摩擦力降低210倍，并使表面磨损显著减少。
流体摩擦
相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩 擦称为流体摩擦。流体可以是液体或气体。当为液 体时称液体摩擦；为气体时称气体摩擦。流体摩擦 时，摩擦发生在流体内部，摩擦阻力决定于润滑油 的粘度。这种摩擦条件具有最小的摩擦系数，从节 能、延长寿命和减少磨损的观点考虑，都是最理想 的条件，摩擦力也与接触表面的状况无关。
图1-30 粘着磨损模型
根据摩擦表面的破坏程度，常把粘着磨损 区分成五类：
1）轻微磨损 接点的剪切损坏基本上发生 在粘着面上，表面材料的转移十分轻微，如 锡基金属在钢上滑动，接点结合强度很低， 往往比摩擦副中任一金属基体的剪切都低。
2）涂抹 接点的剪切损坏发生在离粘着 面不远的较软金属的浅层内，接点的强度比 较硬金属的强度低，但比较软金属的高，使 较软金属粘附并涂抹在较硬金属表面上，从 而成为软金属之间的摩擦与磨损。
成光滑稳定的表面膜，故其摩擦磨损性能优 良；而当气孔率增大时，由于发生晶间断裂 致使表面膜剥落并引发磨粒磨损。有研究表 明，在摩擦应力作用下，气孔之间可能会连 接起来而形成裂纹源。
③晶界相强度及杂质的影响 由于晶粒间各向异性的弹性和热扩散特性，
在摩擦过程中晶界相受到微应力的作用，当晶 界相强度较弱时，容易发生沿晶断裂而使晶粒 被拨出或挤出，从而导致磨粒磨损;相反，当晶 界相强度较高时，陶瓷材料发生的是轻微磨损。
1）磨粒的硬度

一般磨粒磨损是指磨粒的硬度比材料表面高得
多，但当磨粒的硬度比材料硬度低时，也会发生
磨损，只是磨损量很小而已。因此材料的耐磨性 不仅决定于材料的硬度Hm，而且更主要的是决定 于材料硬度Hm和磨粒硬度Ha的比值。当Hm/Ha
比值超过一定值后，磨损量便会迅速降低。即当
Hm/Ha ≤ 0.5~0.8
摩擦副选用的材料形成固溶体或金属 间化合物的倾向直接和粘着磨损有关。 通常，一对摩擦副的材料应当是形成固 溶体倾向最小的两种材料。要满足这个 要求，应当选用不同的晶体结构材料， 最好选用密排六方晶体结构材料。或者 同时要求摩擦副表面易于形成金属间化 合物，因为金属间化合物具有良好的抗 粘着磨损性能。
(a).
(b) .
图1－32 各种材料的断裂韧性与耐磨性的关系
(a). 断裂韧性对各种材料耐磨性的影响；
(b). 考虑材料硬度和载荷强度影响时断裂
韧性与耐磨性之间的关系
3）基体显微组织

在磨粒磨损时多相材料和磨粒的接触有
重要影响。多相组织中弥散相的体积百分
数，分布特点，弥散相和基体的结合性质，
响，对于脆性较大的材料如工具钢、白口铁、
陶瓷等必须考虑裂纹在犁沟和材料磨损中的
作用。
图1－32a表示断裂韧性对各种材料耐磨 性的影响。图1－32 b表示当考虑材料硬度和 载荷强度影响时断裂韧性与耐磨性之间的关 系。当硬度逐渐下降而断裂韧性逐渐增加 时，耐磨性也逐渐增加，到极大值后，随着 硬度的下降和断裂韧性的增加，耐磨性反而 逐渐下降。峰值的右边材料其耐磨性与断裂 韧性无关，而左边的材料在磨损时必须考虑 到断裂韧性的影响。
相的硬度以及应变硬化能力，应变分布，断
裂和回复对磨粒压痕大小、性质的影响是十
分复杂的。试验表明，当钢中碳化物含量增
加时，钢的磨损量就下降，钢的耐磨性和组
织的关系与钢的流变应力和组织的关系相似。
对钢来说，基体组织对耐磨性的影响顺序是：
铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体逐次递增。
影响陶瓷材料摩擦磨损因素
内部因素 （1）力学性能 （2）显微结构 外部因素 （1）载荷、速度和温度 （2）气氛
1.10.1 摩擦和磨损的概念
1.10.1.1 摩擦
摩擦的最简单的定义就是，“两个接触的 物体，在相互运动时所发生的阻力”。摩擦的 大小一般用摩擦系数m表示，其值等于摩擦 力F（切向力）与法向力N（载荷）的比值。
m=F/N
(1-69)
m有动静区分，m静 > m动
1.10.1.2 磨损
磨损是在摩擦力作用下物体相对运 动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损 伤的现象。磨损和物体的表面状态、材 料的成分、结构、机械性能以及物体表 面之间、表面与环境因素的交互作用有 密切联系。
5）咬死 摩擦副之间粘着面积较大，不 能作相对运动称咬死。粘着强度比任一摩擦 基体的剪切强度都高，粘着区域大，剪切力 低于粘着力。
影响粘着磨损的因素很多，也十分 复杂，概括起来，包括两个方面，其 一是工作条件，包括载荷、速度及环 境因素（如真空度、湿度、温度及润 滑条件等），其二是材料因素，如材 料的成份、组织及机械性能等。从工 程上看，影响粘着磨损的主要因素有：
内部因素
(1)力学性能的影响 陶瓷材料所固有的脆性是导致其磨损的主要原因。
20世纪80年代Evans公式，与陶瓷材料的硬度、断裂 韧性和弹性模量等力学性能与其磨损特性联系起来：
H式为中硬，度V；为磨α损为体与材ห้องสมุดไป่ตู้料；无W关为的载常荷数；；KIEC为为断弹裂性韧模性量；； L为滑行距离。
1.10.3.2 磨粒磨损
磨粒磨损又称磨料磨损或研磨磨损，是 摩擦副的一方表面存在坚硬的细微凸起或在 接触面间存在硬质粒子（从外界进入或从表 面剥落）时产生的磨损。前者称两体磨粒磨 损，如挫削过程；后者称三体磨粒磨损，如 抛光过程。试验发现两体磨粒磨损的磨损率 比三体磨粒磨损大的多。磨粒磨损模型如图1 －31所示。
外部因素
(1)载荷、速度和温度的影响 ①载荷和速度的影响。利用磨损图可描述陶瓷的磨
损行为与载荷和速度的关系。对Y-TZP陶瓷在干摩 擦下的磨损图研究表明，其磨损机制有塑性变形、 脆性断裂和热致断裂。热致断裂的速度临界值Vct: K为热传导系数; α为热膨胀系数; µ为摩擦系数;E 为弹性模量; k为热扩散系数;Z为滑动偶件的宽度。
1.10 材料的摩擦与磨损
凡两相互作用相对运动的表面之间，都 有摩擦与磨损存在。摩擦与磨损之间有内在 联系，摩擦是原因，磨损是结果。摩擦与磨 损自古存在，人们一直力图控制摩擦，减少 磨损。磨损作为材料三种主要失效形式（腐 蚀、磨损和断裂）之一，是工业领域和日常 生活中常用的现象，也是造成材料和能源损 失的重要原因。本节将对摩擦与磨损的基本 概念，磨损方式，磨损实验方法等进行介绍。
摩擦表面热诱导相变密切相关，这种相变是 表面温度的函数，而摩擦表面温度又受环境 温度、滑行速度及摩擦系数的影响。在不同 条件下可能诱发T M相变或T C相变，这两 种相变的影响截然不同。
b.热致化学反应。在摩擦过程中，摩擦升温 和滑行速度的变化可能导致陶瓷表面发生化 学反应，从而影响其摩擦学性能。研究表 明，热致化学反应对陶瓷摩擦磨损性能的影 响主要取决于不同表面膜的生成。这种化学 反应同时依赖于温度和滑行速度等。
表1－7 各种磨损类型所占的比例
序号
磨损类型 百分比 （%）
1
磨料磨损
50
2
粘着磨损
15
3
冲蚀磨损
8
4
微动磨损
8
5
腐蚀磨损
5
6
其他
14
由表1－7可见，在各种磨损类型 中，磨料磨损和粘着磨损占据了最大比 例。
实际工况下，材料的磨损往往不只 是一种机理在起作用，而是几种机理同 时存在，例如，磨料磨损往往伴随着粘 着磨损，只不过是在不同条件下，某一 种机理起主要作用而已。而当条件发生 变化时，磨损也会以一种机理为主转变 为另一种机理为主。
当滑行速度大于Vct时，Y-TZP陶瓷材料将发 生热致断裂。对Al2O3进行的研究表明，其在 干摩擦条件下的磨损行为与载荷及速度的关 系在磨损图上可以概括为极轻微磨损、轻微 磨损和严重磨损3个区，相应的磨损机制分别 为塑性变形、塑性变形与晶粒拨出和晶间断 裂
②温度的影响 a. 热致相变。ZrO2陶瓷的摩擦、磨损行为与
①晶粒尺寸的影响 当晶粒比较细小时，陶瓷材料主要发生塑性
变形和部分穿晶断裂，产生轻微磨损;晶粒比 较粗大时，磨损的主要机制是穿晶断裂，产 生严重磨损。细晶粒陶瓷可以形成比较稳定 的光滑表面膜，因而摩擦系数较小;粗晶陶瓷 因为发生穿晶断裂，表面比较粗糙，所以摩 擦系数较大
②气孔率的影响。 气孔率为5%一7%的TZP陶瓷在室温下容易形
时为硬磨粒磨损，此时增加材料的硬度对其耐磨
性增加不大。当
Hm/Ha ≥ 0.5~0.8
时为软磨粒磨损，此时增加材料的硬度便会迅速
地提高耐磨性。
2）基体材料机械性能

基体材料机械性能对耐磨性的影响主要
包括材料的弹性模量、表面硬度和韧性等。
一般来说，相对耐磨性与材料的弹性模量、
表面硬度成正比。至于韧性对耐磨性的影
1.10.3 磨损方式
1.10.3.1 粘着磨损
粘着磨损又称咬合磨损，是最常见的一 种磨损形式。当一对摩擦副的两个摩擦表面 的显微凸起端部相互接触时，即使法向负载 很小，但因为凸起端部实际接触的面积很 小，所以接触应力很大。当接触应力大到足 以使微凸体的材料发生塑性变形时，如果接 触区适应性好，在摩擦界面上很可能形成粘 着点。当摩擦面发生相对滑动时，粘着点在 剪切力作用下变形以致断裂，使材料从一个 表面迁移到另一个表面。粘着磨损模型见图 1-30所示。
1.10.2 摩擦和磨损的类型
1.10.2.1 摩擦的类型
摩擦主要有干摩擦、边界摩擦、流体摩 擦和滚动摩擦等几种类型。
干摩擦
在大气条件下，摩擦表面间名义上没有 润滑剂存在时的摩擦叫做干摩擦。这种摩擦 常用于不能使用润滑剂的制动器、摩擦传动 和纺织、食品、化工机械的部件，以及在高 温条件下工作的机械部件。
滚动摩擦
在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时 的摩擦，叫做滚动摩擦。滚动摩擦比滑动摩 擦小得多（至少小10倍）。但同样是一个很 复杂的现象，涉及接触力学、物理和化学问 题。
1.10.2.2 磨损的类型
因为磨损是一种十分复杂的微观动态过 程，所以磨损的分类方法也较多。目前是以J. T. burwell和C. D. Strang提出的按照磨损机 理的分类方法。即将磨损分为：磨料磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损及微动磨损 等，英国的T. S. Eyre曾对工业领域中发生的 各种磨损类型所占的比例作了大致的估计。 但是，他没有将疲劳磨损专门考虑为一种磨 损类型。