摩擦学原理(第4章磨损理论)

2 ps e 2E
(4.16)
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式中：ps为材料产生塑性变形时的表面压应力；E为弹性模数。
如果磨屑沿接触圆半径a的平面分离，分离后单位面积的表面能为，则磨屑形成 条件为
2 3 p s2 2 a 2 a 3 2E
(4.17)
1 由弹性接触理论可知：对于金属材料而言， p s H ，其中H为硬度，所以得
(4.6)
对重量磨损率来说，体耐磨性可表示为： E
Aa ds dG
(4.7)
3. 磨损常数
在有些情况下，为了对比不同硬度材料的磨损量， 可采用磨损常数来判定磨损大小，磨损常数K的定 义：
磨损量 硬度 3VH K 法向载荷 滑行距离 NS
式中：N为法向载荷；H为材料的硬度。
(4.8)
4.1.2 磨损分类
磨损测量方法
测量方法
用零件或试件被磨去的绝对重量、体积或沿垂直于运动方向上绝对 线性 尺寸的缩减量作为磨损量都不便于比较。 转换成磨损率，即每单位载荷乘以滑动距离的磨损质量、磨损体积 或线 性磨损尺寸，所用单位的种类及大小视试件的形状、尺寸、 磨损的类 型及所用测量方法而定 磨损量测量方法： 称重法 测量表面轮廓尺寸的变化、压痕法、切槽法 原子吸收光谱法 放射同位素法
nEb k e [ (n 1) 1]
由于形成磨屑需要很多次摩擦，即n>>1，上式可改写为：
ER nEb k e [n 1]
(4.13)
式(4.13)建立了摩擦次数n和磨损所需的能量密度ER与形成磨屑的能量 密度Eb之间的关系。
为了计算线磨损度可将式(4-12)代入式(4-11)。这样
第二篇 磨损理论

各种磨损形式有着不同的作用机理：
磨粒磨损主要是犁沟和微观切削作用； 粘着磨损过程与表面间分子作用力和摩擦热密切相关； 接触疲劳磨损是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩 展的结果； 而氧化和腐蚀磨损则由环境介质的化学作用产生。 接触面的塑性变形常常引起磨损，也就是说变形导致磨损， 化学作用也常能引起磨损。此外，有很多种磨损机理必 须利用机械学、热力学等学科的理论来分析。

为了设计具有足够抗磨能力的机械零件和估算其磨损寿命，还必须 建立适合于工程应用的磨损计算方法。近年来通过对磨损状态和磨 屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了一些磨损理论，它们是 磨损计算的基础。磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征。 而这些特征与通常的强度破坏很不相同。
第四章 磨损机理


4.1 磨损概述 4.1.1 磨损的度量 1．磨损量与磨损率 衡量磨损的大小用磨损量来表示。磨损量一般用摩擦副表 面被磨损的高度h、被磨损的体积V、被磨损的重量G或质 量m来表示。 由于磨损是一个过程，由此通常要判断材料磨损的快慢程 度，常采用移动单位距离产生的磨损量来表示，称为磨损 率。如果磨损过程中的移动距离为s，垂直表面的磨损高 度为h，则平均单位位移的磨损厚度为，称为平均线磨损 率。对于随时间变化的磨损过程，则磨损率用磨损高度对 移动距离的导数来表示，即。线磨损率是一个无单位量。
y dh ds nER
或将式(4.13)代入式(4.14)，得
(4.14)
dh y k e [n 1] ds nEb
(4.15)
以上各系数K、 和 都与摩擦材料的物理性质和组织结构有关，临界摩擦次 数受载荷大小和材料吸收与储存能量能力的影响。此外，摩擦中能量积累能 力还取决于储存体积，后者又与接触峰点的微观几何有关。
磨损强度（磨损率） 单位行程的磨损量。 磨损量h和摩擦行程L用同一单位来表示，则磨损率Ih是个无因次量 比磨损率（Specific wear rate） 单位载荷（N）及摩擦行程（m）的磨损体积（mm3/Nm） 相对磨损率（relative wear rate） 试验材料磨损率与在相同条件下的标准材料磨损率之比。 为了对比不同材料的磨损特性，除了用磨损体积表示磨损的程度外， 规定了以下度量单位： 耐磨性:ε=1/V或 相对磨损量在相同工作条件下与标准材料的磨损量相比得到的比 值，或写成相对耐磨性(relative wear resistance)： εr=ε(试样)/ε(标样)
' Eb Ee [ (n 1) 1]
(4.9)

式4.9 给出的能量密度是根据每次摩擦吸收相同能量的条件得出的，因而 是平均的能量密度。实际上各次摩擦中所吸收的能量并不相同。 根据Tross的研究，磨屑的实际断裂能量密度为平均能量密度的ke倍，且 ke>1。于是实际的形成摩屑的能量为Eb=KE’b，所以
1 磨损率
1）线磨损率Kl 2）体磨损率Kv 3）重量线磨损率KG 4）质量线磨损率Km
KL 磨损高度 h dh 相对滑动距离 s ds
(4.1) (4.2) (4.3)
KV
KG
磨损体积 V dV 相对滑动距离 s ds
磨损材料重量 G dG 相对滑动距离 接触表面积 sAa Aa ds


1．磨粒磨损

磨粒磨损是最普遍的磨损形式之一。磨粒磨损是由 外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物或粗糙峰在 相对运动过程中划伤工作表面而引起表面材料脱落 的现象。在生产中因磨粒磨损所造成的损失占整个 磨损损失的一半左右，因而研究磨粒磨损有着重要 的意义。
2．粘着磨损
由于表面微观不平，当摩擦表面相对滑动时，实际上是微凸体 之间的接触。在相对滑动和载荷的作用下，粘着效应所形成的 粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一 个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损。粘着磨 损的特点是粘结点被剪切破坏。
2．磨屑分离条件
Rabinowicz（1965年）从能量的观点来分析粘着磨损中磨屑的形成。他指 出：磨屑的形成条件应是分离前所储存的变形能必须大于分离后新生表面 的表面能。据此，Rabinowicz 分析了Achard模型中半球形磨屑在塑性变形 和形成粘着结点所储存的能量，得出单位体积的储存能量e为
将磨损分类的主要目的是为了将实际存在的各种各样的磨损现象归纳 为几个基本类型，从而更好地分析磨损规律。早期人们根据摩擦的作 用将磨损分为以下三大类：

1．机械类 由摩擦过程中表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、表面塑性 变形、脆性剥落等，其中磨粒磨损是最普遍的机械磨损形式。 2．分子-机械类 由于分子力作用形成表面粘着结点，再经机械作用使粘着结点剪切所 产生的磨损，这类磨损的主要形式就是粘着磨损。 3．腐蚀-机械类 这类磨损是由介质的化学作用或电化学作用引起表面腐蚀，而摩擦中 的机械作用加速腐蚀过程，它包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。
表4.1磨损类型
分类 磨损机理 1．粗糙峰变形或去除 2．犁沟导致的磨损 3．剥层磨损 主要由材料的机械行为引起的磨损 4．粘着磨损 5．磨料磨损 6．微动磨损 7．固体颗粒冲击引起的磨损 1．腐蚀磨损 2．氧化磨损 主要由材料的化学行为引起的磨损 3．扩散磨损 4．表面层溶解引起的磨损 5、高温下的粘着磨损 磨损常数K（范围） 10-4 10-4 10-4 10-4 10-2~10-1 10-6~10-4
Eb Ee k e (n 1) 1
摩擦功 y s ER ＝ 磨损体积 h
从而得
(4.10)
如果令ER为磨损的能量密度，即磨损单位体积所消耗的能量，则
y dh h ds s ER
(4.11)
式中：y为单位面积上的摩擦力；s为滑动距离；h为磨损厚度； dh/ds为线磨损度。
磨粒磨损---表面有压坑、沟槽、条痕
疲劳磨损---块状、球状、磨屑、表面裂 纹、点坑、 剥层（层状、粗厚磨屑） 粘着磨损----划痕、回火色、锥刺、麻 点、鳞尾、鳞 状磨屑正常磨损的磨屑呈片状 腐蚀磨损------薄膜或微粒 反应生成物、 磨屑呈球状
光谱分析（油样分析） 推断磨损部位 吸收光谱、发射光谱 可分析几十种元 素 只适用小磨 屑<2μm 其他间接方法 振动与噪声、温度、位移
测长法 测量试件在试验前后法向尺寸的变化或者磨损 表面与某基准面距离的变化。这种方法存在误 差。 直接法（称重法）： 用精密分析天平称量试件在试验前后的重量变 化来确定磨损量，测量精度为0.1mg（也有达 0.01mg的电子天平），此法简单且精度较高， 比较常用，适用于小试件且磨损过程中塑性变 化不大的材料。 称质量-----质量磨损小试样，10-5-10-6g
3．疲劳磨损

两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在周期性 载荷的作用下，接触区产生很大的变形和应力，工 作一段时间后，由于疲劳而形成裂纹和材料剥落而 形成凹坑，称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。
4．腐蚀磨损
摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表 面损伤称为腐蚀磨损。常见的有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。 氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、微动磨损和气蚀等具有共同特点 是：表面与周围介质的化学反应起着重要作用。需要指出：在本 节中，读者需要区分腐蚀磨损和腐蚀的不同。腐蚀磨损是指一对 具有相对滑动或滚动的摩擦副表面工作中产生的材料损失。腐蚀 仅仅是单一部件的材料损失。
体积磨损测量
放射性同位素测量法
在进行摩擦磨损试验前，试件需先经 过放射性同位素使之带有放射性，测 量磨粒的放射性计量或活化试件的放 射性强度下降量，即可定量的换算出 磨损量。 表面活化 小件 活塞环------照射 重量磨损 磨屑 大件嵌入活化小圆柱体-----测线磨损量 低能量放射性同位素 Co55 、Co56 、 Co57、 Fe59、Cr51
4.2.1 磨粒磨损的形式 磨粒磨损有二体和多体磨粒磨损 两种形式： 1．二体磨粒磨损 一个磨粒相对一个固体表面运动而 产生的磨损称为二体磨粒磨损（如 图4.3a所示）。当磨粒运动方向与固 体表面接近平行时，磨粒与表面接 触处的应力较低，固体表面产生擦 伤或微小的犁沟痕迹。如果磨粒运 动方向与固体表面接近垂直时，常 称为冲击磨损。此时，磨粒与表面 产生高应力碰撞或冲击，在表面上 磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料 从表面脱落。冲击磨损量与冲击能 量有关。
磁塞法（magnetic plug）
在润滑系统上装有磁塞装置捕集发动机和齿轮传动单元的磨屑，监测其 “健康”状况。所得的磨屑尺寸从约100 μm到3－4 mm。 一般从润滑剂中捕集到的磨屑尺寸在1－100 μm。
铁谱分析
磨粒磨损或犁沟作用-----磨屑具有螺旋状 或卷曲状 棒状磨屑来自加工刀纹上掉下来丝状磨屑 灾难破坏 混入了较硬的磨粒、切屑异常磨损磨粒切割
Km
磨损材料质量 m dm 相对滑动距离 接触表面积 sAa Aa ds
(4.4)
2．耐磨性

有时为了判断材料的耐磨性大小，也可以采用耐 磨性E来衡量。耐磨性为磨损率的倒数。
对线磨损率来说，线耐磨性表示为：
E
ds dh ds dV
(4.5)
对体积磨损率来说，体耐磨性可表示为： E
由于ER是磨损单位体积所需要的能量，而Ee是摩擦一次材料单位体积所吸 收的能量，需经过n次才形成磨屑，于是
ER nEe
考虑到接触峰点处产生变形的体积即储存能量的体积Vd比被磨 掉的体积Vw大，若令 Vw ,因而可得
Vd
ER
将式(4.10)代入式(4.12)，则得
ER
nEe

(4.12)
4.1.3 能量磨损理论

1．能量磨损率 在Fleisher分析过程中，引入了能量密度的概念。它表示材料单位体积 内吸收或消耗的能量。假设Ee为表面摩擦一次时材料所吸收的能量密 度，Ek为每次摩擦中转化为形成磨屑的能量密度，则
Ek Ee
这里系数 用以考虑并非全部吸收的能量转化为形成磨屑。
如果经n次摩擦才产生磨屑，那么在磨屑产生前的（n-l）次摩擦中转 化为磨损的全部能量为：Ek(n-1)。而最后一次摩擦中所吸收的能量 Ee全部消耗于磨屑脱离表面。所以磨屑形成所需的全部能量密度Eb’ 为：
a
54 E kE a 2 2 或 H H
3
(4.18)
系数K应根据磨屑的形状来确定。 事实上，在摩擦过程中表面还存在其它形式的能量，因而磨屑的尺寸在未达到 式(4.18)之前就已经与表面分离。所以，式(4.18)中的a值应当作为磨屑的最大 尺寸，即 kE (4.19)
H2
4.2 磨粒磨损