磨损的类型磨损机理表面疲劳磨损形成及影响因素

2024年2月23日发(作者：教师节活动主题)

磨损的类型磨损机理表面疲劳磨损形成及影响因素

磨损实际是接触表面随着时间增加和载荷作用损伤的累积过程。自然界中不论机械零件，还是人造关节都存在着磨损。可以说，磨损无处不在。它直接影响着机器的运转精度和寿命。据统计,每年全世界生产总值的近五分之二被摩擦磨损消耗掉了。因此，开展系统的摩擦学设计，尽量减少或消除磨损，对人类具有重大意义。

前苏联学者进一步较全面地提出了区分磨损类别的方法。他将磨损分为三个过程，依次为表面的相互作用两体摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的。机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应，可以是两体表面的粗糙峰直接啮合引起的，也可以是夹在中间的外界磨粒造成的。表面分子的作用包括相互吸引和粘着，前者作用力小于后者。

表面层的变化在表面摩擦的作用下，表面层将发生机械的，组织结构的及物理的和化学的变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响造成的。表面层的塑性变形会使金属冷作硬化而变脆，反复的弹性变形会使金属出现疲劳破坏。摩擦热引起的表面接触高温可以使表层金属退火软化，而接触后急剧冷却将导致再结晶或固溶体分解。外界环境的影响主要表现为介质在表层的扩散，包括氧化和其他化学腐蚀作用，因而会改变金属表面层的组织结构。

表面层的破坏形式有擦伤、点蚀、剥落、胶合、微观磨损。

近年来的研究普遍认为, 按照不同的机理对磨损来进行分类是比较恰当的。通常可将磨损划分为个基本类型粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。虽然这种分类还不十分完善, 但概括了各种常见的磨损形式。磨损机理通常从机理上可以把磨损分为粘着磨损，磨粒磨损，表面疲劳磨损，侵蚀磨损，腐蚀磨损和热磨损等。

粘着磨损

相对运动的表面因存在分子间的吸引而在表面的微观接触处产生粘着作用，当粘着作用的强度大于材料内部的联接强度时，经过一定周期的接触就会产生磨损。粘着磨损的磨损度常常是压力的函数， 低压软表面或高压下都会产生严重的粘着磨损。对于可以认为是同类材料的摩擦副表面，磨损常数趋于较大值，因

为粘着作用的实质是原子或分子间产生了融合。值的大小也取决于金属的晶格结构。对于平行六面体晶格，由于存在无数个易于滑移的平面，所以值较小对于其他型式晶格的金属值则较大。

磨粒磨损

磨粒磨损指硬金属表面的粗糙峰嵌入软金属而在软金属表面形成的犁沟效应，磨粒磨损有种形式外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，称为三体磨损磨粒沿一个固体表面相对运动而产生的磨损，称为二体磨粒磨损一对磨擦副中硬表面粗糙峰对软表面起磨粒作用，也属于二体磨损，通常为低应力磨粒磨损。

表面疲劳磨损

两个相互滚动或者滚动兼滑动的摩擦表面, 在循环变化的接触应力作用下,

因材料疲劳剥落而形成凹坑。此类磨损统称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。表面疲劳磨损往往成为齿轮传动、滚动轴承等的主要失效方式。

腐蚀磨损：零件表面在摩擦的过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现的物质损失。

微动磨损：两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（小于100μm），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损

粘着磨损和磨粒磨损，都起因于固体表面间的直接接触。如果摩擦副两对偶表面被一层连续不断的润滑膜隔开，而且中间没有磨粒存在时，上述两种磨损则不会发生。但对于表面疲劳磨损来说，即使有良好的润滑条件，磨损仍可能发生。因此，可以说这种磨损一般是难以避免的。

磨损机理表面疲劳磨损形成的原因，按照疲劳裂纹产生的位置，目前存在两种解释。 (1)裂纹从表面上产生。摩擦副两对偶表面在接触过程中，由于受到法向应力和切应力的反复作用，必然引起表层材料塑性变形而导致表面硬化，最后在表面的应力集中源（如切削痕、碰伤、腐蚀或其它磨损的痕迹等）出现初始裂纹，该裂纹源以与滚动方向小于45°的倾角由表向内扩伸。当润滑油楔入裂纹中后，若滚动体的运动方向与裂纹方向一致，当接触到裂口时，裂口封住，裂纹中的润滑油则被堵塞在裂纹内，因滚动

使裂纹内的润滑油产生很大压力将裂纹扩展，经交变应力重复作用，裂纹发展到一定深度后则成为悬臂梁形状，在油压作用下材料从根部断裂而在表面形成扇形的疲劳坑，造成表面疲劳磨损，这种磨损称为点蚀。点蚀主要发生在高质量钢材以滑动为主的摩擦副中，这种磨损的裂纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速。

滚动接触疲劳磨损要经过一定的应力循环次数之后才发生明显的磨损，并很快形成较大的磨屑，使摩擦副对偶表面出现凹坑而丧失其工作能力；而在此之前磨损极微，可以不计。这与粘着磨损和磨粒磨损从一开始就发生磨损并逐渐增大的情况完全不同。因此，对滚动接触疲劳磨损来说，磨损度或磨损率似乎不是一个很有用的参数，更有意义的是表面出现凹坑前的应力循环次数。

一般情况下，材料抗疲劳磨损能力随表面硬度的增加而增强，而表面硬度一旦越过一定值，则情况相反。

在接触应力一定的条件下，表面粗糙度值越小，抗疲劳磨损能力越高；当表面粗糙度值小到一定值后，对抗疲劳磨损能力的影响减小。如滚动轴承，当表面粗糙度值为Ra0.32mm时，其轴承寿命比Ra0.63mm时高2～3倍,Ra0.16mm比Ra0.32mm高1倍，Ra0.08mm比Ra0.16mm高0.4倍，Ra0.08mm以下时，其变化对疲劳磨损影响甚微。如果触应力太大，则无论表面粗糙度值多么小，其抗疲劳磨损能力都低。此外，若零件表面硬度越高，其表面粗糙度值也就应越小，否则会降低抗疲劳磨损能力。

接触表面的摩擦力对抗疲劳磨损有着重要的影响。通常，纯滚动的摩擦力只有法向载荷的1％～2％，而引入滑动以后，摩擦力可增加到法向载荷的10％甚至更大。摩擦力促进接触疲劳过程的原因是：摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加了裂纹产生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉应力会促使裂纹扩展加速。