磨损问题

2024年2月23日发(作者：一道靓丽的风景线)

第五章 磨损问题

第一节 概述

在作相对运动的两个接触表面之间，存在摩擦和磨损。由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象就称为磨损。

一般来说，有摩擦就会引起磨损。如果设计的机器质量好，在规定的使用期限内，其正常磨损的速度是相当缓慢的，此时的磨损并不影响零件的正常工作。而非正常的磨损是不逊于的，必须设法防止。

随着机器向高速方向发展，磨损的问题就显得更加突出，所以对磨损的研究工作已经引起了各工业化国家的极大注意。

本章将讨论磨损的主要类型、磨损的过程、磨损的原因及其影响因素，磨损的测量以及怎样控制和减少有害的磨损问题。

第二节 磨损的终于要类型

磨损的成因和表现形式是非常复杂的，人们可以从不同的角度对它进行分类。因此，磨损的分类方法很多。我们认为，根据磨损的破坏机理进行分类有利于对磨损现象的正确理解和深入地研究。1957年鲍威尔（Burwell）按照磨损机理将磨损分为四大基本类型，即（1）粘着磨损；（2）磨料磨损；（3）表面疲劳磨损；（4）腐蚀磨损。表5-1列出了这四种类型磨损的基本概念、破坏特点和实例。

除上述四种基本类型的磨损以外，还有一些次要的磨损类型，例如热磨损和侵蚀磨损（包括固体微粒侵蚀、流体侵蚀、气蚀侵蚀和电火花侵蚀）等，因篇幅所限，对于这些次要的磨损类型本书不予讨论。

表5-1 磨损的四种基本类型

类型

粘着磨损

基本概念

由于黏浊作用使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损

由硬颗粒或硬凸起引起的材料破坏，兵分理出磨屑的磨损

破坏特点

粘结点剪切破坏是发展性的，它造成两表面凹凸不平

磨料对摩擦表面进行微观切削，表面有犁沟或划痕

实例

活塞与汽缸壁的擦伤

磨料磨损 犁铧和挖掘机铲齿的磨损

润滑良好的齿轮传动和滚动轴承的点蚀

表面疲劳磨损 摩擦表面材料的微观应力超过材料的疲劳体积受循环变应力，极限，在一定循环次产生重复变形，导致数后即出现疲劳破裂纹的形成，并分离坏，表面呈麻坑状

出微片或颗粒的磨损

以化学或电化学反应为主的磨损

表面腐蚀破坏 腐蚀磨损 化工设备中与腐蚀介质接触的零部件的腐蚀

一、粘着磨损

粘着磨损的基本概念和破坏特点见表5-1，这里仅就粘着的形成级各种破坏类型加以讨论，

由于表面上存在着粗糙度，所以表面间的接触是不连续的，即只有少数几个微凸体产生接触。因此时的实际接触面积很小，故在外载荷作用下，局部压力很高，该压力可超过材料的屈服极限，于是接触点便产生了塑性变形。这时，如果没有表面膜，或者虽有表面膜，但在切向运动时发生了破裂，那么，在常温下也可以产生“冷焊”；另外，在告诉、重载和摩擦产生高温的条件下，表面膜极易破裂，金属之间便直接接触，在接触点局部发生软化或熔

化而产生“热粘着”，形成粘结点。在其后的相对运动中，粘结点被剪切，与此同时又形成新的粘结点，于是就出现了粘结点的形成与剪断的循环，并发生材料的转移，因而出现粘着磨损。

不论摩擦副中有无润滑剂存在，如果保护膜发生破裂，粘着磨损是经常可以见到的。这种磨损形式的破坏性极大，而且磨损的速度很高。

粘着磨损的破坏程度不同，表现为轻微磨损、涂抹、划伤、胶合与咬死等破坏形式，这些破坏形式只要取决于粘结点的强度与两表面基体金属强度之间的关系。

'如果粘结点的剪切强度b低于两表面材料的监测强度a1和b2则剪断发生在界面上，如图5-1（a）所示。此时磨损很小，表面上只有极少的材料转移，而且转移的多是氧化物颗粒，这种情况属于正常磨损的范畴，称做轻微磨损。例如缸套与活塞环间的正常磨损等。

111剪切面剪切面剪切面222

b'a1b'b2b'a1''

b2ba1

bb2

a1b2 （a） (b) (c)

图5-1 粘结点的剪切

当粘结点的剪切强度比摩擦副中较硬金属若而比较软金属强时，剪切发生在较软材料的浅表层内，如图5-1（b）所示，此时，软材料转移到硬的表面上，形成极薄的一层，称为涂抹。如青铜蜗轮在蜗杆上的涂抹。

加入粘结点的强度高于两表面金属的强度，剪切发生在金属表层以下，如图5-1（c）所示，如果剪切深度不深，表面将出现具有方向性的细微抓痕，即表面上形成沟槽和狭窄条带，则谓之划伤或拉伤，如活塞环与缸套衬的拉伤。

如果有较明显的固相焊合，此时温度较高，粘结点面积较大，内聚性破坏发生在基体金属的较深层，则成为胶合或撕裂，图5-2是细纱机上钢领内跑到的SEM照片，图中显示了粘着撕脱的情况，跑道表面变的凹凸不平。

图5-2 钢领跑道的SEM照片（5000X）

倘若生产严重焊合，此时表面温度高达700℃~1000℃，粘着区的面积相当大，致使粘结点的强度高到不能被剪断，而使摩擦表面间的相对运动停止，则成为咬死，如轴与轴瓦产生的抱轴现象。

总之，粘着磨损的过程时非常复杂的，较软材料多转移到硬的表面上，转移的金属呈颗粒或博片状，经显微硬度等试验表明，这些块状颗粒或薄片的表面有很高的硬度而且晶粒很细。另外有一部分转移材料脱落后形成游离的磨粒，这种磨粒在摩擦副之间将引起磨料磨损。

二、磨料磨损

这种磨损也属于高应力磨损，如轧碎机的滚筒，球磨损的衬板与钢球的磨损等，见图5-4（c）。在轧碎式磨料磨损中，压应力超过了磨料的压溃强度。对于塑性金属零件表面将产生塑性变形成疲劳，而对于脆性材料制造的零件可造成表面层碎裂或剥落。

应当指出，以上三种磨损形式也可同时出现在一个零件上，但其中有一种磨损形式起着主导作用。

三、表面疲劳磨损

表面疲劳磨损是由于表应力效应，使摩擦表面接触区内材料的围观体积反复产生变形，造成积累损伤而导致疲劳裂纹的萌生和扩展，最后使表面分离出粒状或片状磨屑，并留下痘斑状凹坑的一种特殊的破坏形式。当摩擦副的表面粗糙度、材料和润滑等条件都满足要求时，疲劳裂纹通常在表面层以下某处萌生；如果上述条件不能满足要求，则疲劳裂纹一般从表面产生。总之，疲劳裂纹尝尝在材料表层有缺陷的地方发生过，裂纹产生的确切位置受到夹杂物（如氧化物、硫化物和碳化物等）、表面缺陷（刀痕、擦伤、锈斑等）以及孔隙等因素的影响。

不论在滑动摩擦、滚动兼滑动摩擦和纯滚动摩擦条件下，都可以产生表面疲劳磨损。但是，在滚动接触摩擦中，表面疲劳磨损战友更突出的地位。例如，在密封和润滑良好的齿轮传动、凸轮机构和滚动轴承等零部件中，经常发生这类磨损。

表面疲劳磨损的分类方法很多。

1.按照摩擦副的性质可分为

（1）滚动摩擦疲劳磨损

这种情况常发生的润滑充分、密封良好的滚动摩擦表面上，其主要表现为点蚀。

（2）滑动摩擦疲劳磨损

在两表面滑动接触过程中，硬微凸体使表面产生变形，在硬微凸体前面的材料受压，而在其后面的材料受拉，即表面材料受变向载荷，当应力循环次数达到N=106~107时，即开始产生疲劳破坏。与此同时，硬微凸体经过多次接触和变形也会产生疲劳。因此，无论是应表面还是较软的表面均可出现疲劳破坏而产生游离的磨屑。

图5-5 粒状磨屑的形态（2500X）

2.根据表面疲劳磨损的发展情况可分为

（1）早起疲劳磨损

新的摩擦副表面开始接触时，接触点很少，表面压强很高，当表面盈利超过材料的疲劳极限时，即出现点蚀。随着磨合的进行，表面粗糙度降低，实际接触面积增大，因而表面应力减小。同时，摩擦过程使材料表面产生冷作硬化效应，从而提高了表面的疲劳强度，最后使白哦面应力小于材料的极限疲劳，于是点蚀停止扩展，这种情况在表面硬度较低而塑性较好的金属摩擦副中较为多见。

（2）破坏性疲劳磨损

实际上摩擦表面的接触是不连续的，载荷分布也不均匀，如果应力很高，即使在磨合之后，表面应力仍然超过材料的极限疲劳，此时，点蚀无法停止，直至表面完美破坏，此情况常见于表面硬度较高而塑性较差和润滑不当的摩擦副中，除此之外，还有按照循环

第三节 磨损过程和磨损的测量

一、磨损的过程

根据磨损的定义，我们可以将磨损看做是导致机械摩擦系统中材料损耗的过程。由于磨损受到很多因素的影响，所以其过程是非常复杂的。实践表明，机械零件的征程磨损过程一般可分为是哪个阶段。

1.磨合阶段

由于加工的新摩擦副表面具有一定的原始粗糙度，所以两表面开始时接触点很少，即实际接触面很小，在一定的载荷和速度下，原始粗糙度逐渐被磨平，当达到平衡粗糙度时，两表面贴合得更好。此时，世界接触面积增大，随后逐渐减慢，最后进入稳定磨损阶段，如图5-6中的oa。

2.稳定磨损阶段

稳定磨损阶段即摩擦副的正常工作阶段，此时其磨损缓慢而稳定。磨损的速度为常数，即磨损量和时间成正比，如图5-6中的ab线段。

磨合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段磨损量ba0IIIIII时间（或摩擦距离）

图5-6 正常磨损过程的三个阶段

3.距离磨损阶段

当磨损达到一定量时，摩擦条件将发生很大的变化。此时温度急剧升高，磨损速度也大大加快，同时机械效率明显降低，精度丧失，并出现异常的噪音和振动，最后导致完全失败失效。如图5-6中，在B点以后即进入此阶段。

△htIII，III

（a）

△hIt

（b）

△hIIIt

（c）

图5-7 磨损过程的特例

此外，磨损过程也会碰到下列特殊情况

（1）II、III阶段无明显界限，剧烈磨损阶段也不明显，如图5-7(a)所示，见于阀门零件的磨损。

（2）磨合阶段和工作开始一段时间内几乎无磨损，当达到疲劳极限后，即产生和急剧磨损，如图5-7（b）所示。例如润滑密封良好的滚动轴承等零部件。

（3）磨合后即进入距离磨损阶段，如图5-7（c）所示，这种情况属磨损规范不当，将使机器很快报废。

上述谈到的磨损过程未涉及到磨损的类型。实际上，不同类型的磨损，其具体的磨损过程各有其特点。例如，粘着磨损的过程时在一定载荷与摩擦力作用下，接触点产生塑性流动，保护膜破裂后发生粘着的。于是出现了粘着——剪切——再粘着——再剪切的U型你换过程，与此同时，还产生磨粒。而磨料磨损的过程时磨粒或硬凸体对金属表面进行微切削，犁沟并使之受到狡辩应力和变形的破坏过程。

又如，表面疲劳磨损的过程时摩擦表面微体积受到循环应变力和摩擦力的作用，因而引起塑性变化和表层硬化，结果导致疲劳裂纹在表层内或表面有缺陷的地方萌生，裂纹扩展形成片状或粒状磨屑。一般这种破坏发动在应力循环次数N=106~107以后。而腐蚀磨损的过程

时在一定的环境中，摩擦副两表面金属与周围戒指发生反应而生成反应物，两表面进一步摩擦形成裂纹和反应产物被磨损脱落。一旦反应物被磨去，就会暴露出来反应的新表面，于是又开始重复这种磨损的第一阶段。

二、磨损的测量

.磨损的测量方法

磨损的测量方法很多，下面简要介绍几种常用的测量方法。

（1）称重法

常用精密分析天平称量试样或小零件在磨损前后的重量变化来确定其磨损量。此法简便，但不适宜测量具有多个摩擦面的零件和大型零件的磨损量。

（2）法向尺寸测量法

用千分尺（表）、测长仪、万能工具显微镜或者读数显微镜等测量试件（或零件）摩擦表面在磨损前后其法向尺寸的变化来确定其磨损量。

（3）刻痕（或压印）法

试验之前，在试件上刻痕，测量磨损前后刻（印）痕的尺寸变化来去顶其磨损量，例如136°金刚石角锥压头在试件上压出印痕。压痕深度约为对角线长度的1/7，试件磨损后，用显微镜测量压痕对角线的变化即可确定出磨损的厚度。

（4）表面轮廓测量法

用表面轮廓投影仪拍摄零件磨损前后的表面轮廓投影图。然后加以对比来确定零件的磨损量。

（5）磨屑分析法

1）放射性同位素法

先把试件（或零件）进行放射性火花处理，然后进行磨损试验。用放射性计算管理量磨损后零件的放射强度的变化，即可推算出其磨损量，此法精度高，可测出极微量的磨损，但需采取必要防护措施。

2）油中铁含量测定法

定期取出润滑油试样，用沉积法等测定其含铁量，即可以计算出总的磨损量。此法费时二期诶不能单独测量某一零件的磨损量。

此外，还有铁谱分析法和光谱分析法等。前者是将含磨屑的油样在铁谱仪上进行分析，测出磨屑的尺寸大小及其分布，以便预测及其的磨损。后者时利用光谱来分析油样中的金属浓度，以监测机器的磨损。

前三种方法主要适用于试件磨损量的测定，后两种方法主要适用于零件磨损量的测量。

2.测量磨损的常用规范

可用磨损厚度、体积或重量的变化来表示磨损量，通常采用下列几种规范来衡量磨损的程度。磨损量与滑动距离L（或摩擦功率FfL或LAn）之比称为磨损度。

（1） 线磨损度

KL（2） 体积磨损度

KV（3） 重量磨损对

h （5-1）

LV （5-2）

LAn

KW（4） 能量磨损度

WKV

mg/mm3 （5-3）

LAn

KE（5） 相对耐磨性

V3

mm/Nmm （5-4）

FfL

（6） 磨损洗漱

hb （5-5）

hs

K（7） 比磨损量

Wr1 （5-6）

V3

mm/Nmm （5-7）

FnL式中：h——磨损蹭的厚度（mm）；

L—— 滑动距离（mm）；

V——磨掉的材料体积（mm3）；

An——名义接触面积（mm2）；

W——磨掉的材料重量（g或mg）；

——磨损材料的密度（g/mm3）；

Ff——摩擦力（N）；

hs——试箭的磨损量；

hb——标准样块的磨损量；

Fn——法相载荷（N）。

此外，还有时间磨损率，它是磨损量与相应的磨损时间之比。

第四节 影响磨损的主要因素

影响金属磨损的因素非常多，通常可将这些因素归纳为三个方面：（1）力学方面的因素，包括载荷、滑动速度和滑动距离等；（2）材料因素，包括材料的机械性能、化学成分、表面状态、金属的组织结构和冶金相容性等；（3）环境因素，包括周围戒指、温度和湿度等。事实上，硬性磨损的一些因素是相关的，例如，增大载荷会使摩擦力增加，因而导致温度升高。提高滑动速度也可使摩擦表面的温度上升，而温度升高又会影响金属材料的机械性能以及表面膜的形成。又如润滑剂可使摩擦副间的摩擦系数见效，因而使温度降低，这对于减少磨损是有利的。

下面就影响磨损的一些主要因素分别进行讨论。

金属材料的质量、化学成分和机械性能的影响

材质及其化学成分对磨损有很大影响。例如，钢材中有时含有一些杂质如氧化物（FeO）、硫化物（FeS）等，这些杂质破坏了金属基体的连续性，并引起应力集中，结果导致疲劳裂纹的萌生，加速疲劳磨损。

钢材中的未溶碳化物最好呈直径为0.5~0.6m的球体，并均匀分布，其含量不应唱过6.5%否则容易形成粗晶和条带装组织等缺陷，因而降低表面疲劳强度。固溶体中的含碳量应控制在0.53%左右，含碳量过多，则马氏体变得粗大，材料变脆；含碳量过少，则刚的基体强度和硬度均会降低，同样会引起疲劳强度降低。

另外，微量合金元素碳、磷等可有效地防止金属之间的粘着，从而减少粘着磨损。凿削式磨料磨损的相对耐磨性随着钢材中含碳量的增加而提高，当含碳量为0.8%时，其相对耐磨性达到最大值，超过该值后相对耐磨性又迅速见效。铸铁中含磷量增加，其微动腐蚀磨损量减少。含Ni、Cr、W、Mo的合金抗腐蚀磨损能力强。

影响金属材料磨损的机械竟能主要有塑性、硬度和抗拉强度等。一般而言，脆性材料比塑性材料的抗粘着磨损能力高，硬而熔点高的金属不易产生粘着磨损。硬度对疲劳强度有很大影响。试验表明，齿轮的齿面越硬，其疲劳强度越高；轴承钢的硬度为62HRC时，其抗疲劳磨损能力最大，高于或低于62HRC则疲劳强度都会降低。硬度对磨料磨损的影响最大。通常，金属的硬度Hm越高，其抗磨料磨损性能越高；而磨料的硬度Ha越高，则钢的磨损越大。当Hm>Ha时，材料的磨损很小；当Hm≈1.4Ha，则很少发生磨料磨损；而当Hm

△vIIIIIIHaHmHa

图5-8 磨料硬度Ha对金属磨损体积△V的影响

图5-9 经淬火与回火的钢其相对耐磨性与硬度H的关系

图5-9表示经淬火与回火的刚其相对耐磨性与硬度之间的关系，它是根据完全正常淬火后以不同温度回火的集中钢进行磨料磨损实验的结果绘制的。

此外，碳钢表面从180HV提高到700HV，其微动腐蚀磨损可减少50%。

再者，材料的抗拉强度月底，其抗磨料磨损的能力也就越小。

二、材料的表面状态与表层状况的影响

这里说的材料表面状态主要是指表面粗糙度、表面膜以及表面润滑状态。而表层状况系指渗碳层的厚度等情况。

摩擦副表面的粗糙度对表面疲劳磨损、粘着磨损和微动腐蚀磨损都有影响、以滚动轴承为例，Ra0.4的轴承比Ra0.8的轴承疲劳寿命高2~3倍。Ra0.2的又比Ra0.4的高一倍。一般表面粗糙度小则抗粘着磨损能力强；但是过小的表面粗糙度反而会促进粘着磨损。通常光滑表面比粗糙表面更容易产生微动腐蚀磨损，但超精抛光则可减少这种磨损。

众所周知，表面越干净越容易产生粘着磨损，如果有一层表面膜，就会减少粘着磨损。表面膜包括氧化膜、润滑剂膜和金属膜等。在一般情况下，大多数金属都有一层氧化膜，他可以减少粘着磨损。但是，如果氧化膜受到破坏，则可引起磨料磨损和氧化磨损。

少量润滑剂可以形成边界润滑膜，他的作用与氧化膜相类似。除外，它还能限制腐蚀性气体或液体的侵入，从而减轻腐蚀磨损。油膜的厚度对粘着磨损也有一定的影响。例如，边界润滑时的粘着磨损大于动压润滑时的粘着磨损。而且油的品种和性质对磨损也有很大的影响。一般来说，油的粘度越高，则抗疲劳磨损的能力越强。重质润滑油可以减少疲劳点蚀。若油中含水量过多，则会降低疲劳强度，而且增加腐蚀磨损。润滑油可使摩擦系数见效，从

而使磨损降低90%~99%，如其油性好则能提高粘着磨损力的能力；又重加入极压添加剂（如有机氯化物、有机硫化物）则可大大减小粘着磨损。我们知道，油膜可将表面与氧气隔开，因此形成氧化膜的速度会降低；但是润滑油氧化后可生成酸性氧化物，因此会引起腐蚀性磨损。

固体润滑剂膜也可以减少粘着磨损，其中MoS2还可以提高抗疲劳磨损的性能。

此外其它金属膜如Rh、Cr镀膜有很高的耐磨性。以Co、Cr、Fe为基的镀层具有优异的热硬性而且耐腐蚀。In、Pb和Sn等软金属膜则有良好的抗粘着能力。梁歪，对于渗碳钢，提高渗碳层的厚度可以提高抗疲劳磨损能力，如果表层脱碳则会大大降低疲劳寿命。

三、冶金相容性（互溶性）的影响

两种金属在固态时能互相溶解的性能成为冶金相容性或互溶性。金属之间能够互溶则说明其冶金相容性好。互溶性大的材料副，其形成固溶体的倾向和粘着倾向都大。例如，同名金属的亲和能打敏，其互溶性也打（）%的互溶性。因此，其粘着磨损极为严重。而碳素钢与元素周期表中B族元素，如Ge、As、Cd、In、Sn、Sb、Ti、Pb和 Bi的互溶性差，故其钪粘著磨损性能优良。因此选用互溶性差的金属副可以降低磨损度。

四、金属组织结构影响

从警惕结构来看，一般六方晶格金属比体心和面心立方晶体格金属的粘着磨损率低2~3个数量级。这与其微凸体接触点的塑性变形方式不同及其滑动系统的树木有关。通常高原子密度、低表面能的晶粒方向的粘着磨损较轻。

从金属结构看，多相金属比单相金属粘着倾向小；金属中化合物要比单相固溶体粘着倾向小；而单相塑性金属与同名金属或其他单相金属摩擦时容易产生粘着磨损。

研究发现，铸铁中软相铁素体的相对量增加，其微动腐蚀磨损量也增加。而且容易合金化的配合表面之间的微动腐蚀磨损更严重。

五、周围介质和环境湿度的影响

人们发现，钢在工业性气氛中和海洋附近比在一般大气中的腐蚀磨损速度快得多。这是因为钢的腐蚀磨损率随着介质腐蚀性的增强而增大。图5-10所示为钢在四种不同的介质中腐蚀磨损率的比较。

此外介质中含氧量高，金属的氧化磨损会增大。而微动腐蚀磨损则随着相对湿度的提高而减小。

腐蚀磨损率（mg/h）321

图5-10 钢在四种介质中的腐蚀磨损率

1—N2

2—20%H2O

3—0.7%SO2

4—0.7%SO2+20%H2O

六、温度的影响

在磨损过程中，消耗在塑性变形方面的能量至少有90%是以热的形式散失的，这些摩擦热将使温度升高。例如，在磨料磨损中，瞬时温度可高达1000℃，它可使金属材料回火、相变、表面硬度和强度降低，因而促进了粘着磨损的发生。

此外，高温还会英系那个保护膜的形成和润滑剂的性能，使润滑油变质。

试验表明，中碳钢在-150℃其微动腐蚀磨损量最大，随着温度的逐渐上升，其磨损量减小，在50℃~150℃范围内，磨损量则变为常数。而在特殊介质中的腐蚀磨损则随着介质温度的升高而增加。

金属的氧化磨损与其氧化的速度V有关，而氧化速度是温度T的指数函数，即aVexp()，式中a是常数。

T七、载荷的

载荷是影响磨损的重要因素。压力可使表面产生塑性变形，并导致表面膜的劈裂而粘着。一般说来，粘着磨损量和氧化磨损量都随着压力增大到某一临界值后而迅速增大。例如，当压力超过金属材料硬度的1/3时，其粘着磨损量急剧增加，严重时会产生咬死。图5-11是粘着磨损度与压力的关系曲线。

10-4磨损度（mm3/m）10-510-610-710-810-91101001000载荷（N）

图5-11 黄铜对工具钢的粘着磨损度与载荷的关系

磨料磨损的线磨损度与压力的关系可用下式表示：

KLkps

式中：k——系数；

p——名义压力；

s——屈服压力；

滑动距离一定时，微动腐蚀磨损的磨损量随着载荷的增大而增加，但超过某一最大值后又不断减小。

八、滑动速度与滑动距离的影响

六方晶格金属的磨损度随着滑动速度的提高而减小。压力一定是，磨损的类型和磨损量都磨损量都随着滑动速度而改变，如图5-12所示。

磨损量2112滑动速度

图5-12 磨损量与滑动速度的关系

1—氧化磨损 2—粘着磨损

在压力不变的条件下，粘着磨损量随着滑动速度的提高而增大，达到一最大值后，又随滑动速度的增大而减小。

此外，提高滚动速度和润滑油的流速，还可以提高摩擦表面的疲劳强度。

微动腐蚀磨损还受滑动距离（振幅）的影响。例如，在给定的循环次数的前提下，当振幅小于7m时，其磨损很小，当振幅超过70~100m时，金属材料微动腐蚀磨损的体积与振幅成正比。

除上述影响磨损的主要因素外，还有很多其他因素也对磨损有一定的影响。例如，材料的弹陆稹量、摩擦系数、极限应力和疲劳特性等都对磨料磨损有定的影响。磨料磨损的磨损量还随磨料粒度的增大而增大，到临界尺寸后，其磨损量变为定值。又如，机械零件的尺寸大小对其疲劳磨损也有影响；振动的频率对微动磨损亦有某些影响等等。因篇幅所限，不再详述。

第五节 当代磨损理论简述

近些年来，许多工业化国家非常重视对磨损产物的研究，特别是从微观的角度进行了深入细致的研究。这是因为，要真正了解磨损的过程，并进一步研究磨损的机理，就必须弄清楚磨屑是怎样形成的；其尺寸、形状和机械性能等于磨损过程和磨损状态究竟有什么关系。为此，人们首先通过扫描电子显微镜等现代化研究手段对磨屑进行了观察，发现磨屑的形状有片状、卷曲状、贝壳状和球状四类。此外，还研究了磨屑的显微硬度、相组成和组织。经测试发现，磨屑的显微硬度比两摩擦表面高许多。同时还用垫子衍射法研究了20℃时在空气黄总形成的磨屑，实验是在销一环试验机上进行的，法向载荷Fn62N、滑动速度

Vc0.44m/s、滑动距离L1000m。经分析得知，45钢的磨屑是由a—Fe、a—Fe2O3、

—Fe2O3和—Fe2O3·H2O四种组成的。另外，对磨屑的分析观察还发现，它具有两个区域，一是亮区，在该区发现有秋装碳化物聚集，其显微硬度很高，亮区又称为白层组织；另一是暗区，此区呈涡流状组织，这说明其塑性变形相当严重，在这个区域内，球状碳化物很少，其显微硬度较亮区低。

为了解释磨损现象的共同本质，人们提出了各种各样的新理论。例如，磨损的剥层理论、磨损的疲劳理论、磨损的能量理论、磨损的分子理论和磨损的热波动强度理论等等。本节只对前三种理论进行简要介绍。

一、磨损的剥层理论

磨损的剥层理论是没过麻省理工学园的教授苏（）与1973年建立的。这一新理论是以金属的位错理论为基础的，它分析了亚表层金属的塑性变形与断裂行为。

该理论叙述了导致薄而长的片状磨屑形成的过程，其要点如下：

1.当接触的量表面滑动时，法向力和切向力是经接触点的粘着与犁沟作用传递的。较软表面上的微凸体容易产生塑性变形或被磨去，结果形成了比较光滑的表面。此时的接触情况变成了硬的凸峰与较软平面的接触，于是前者在后者上面犁沟并使平面上每一接触点都经受着循环载荷。

另外，硬微凸体在平面上是加的曳引力使表面产生周期性的塑性变形和错位运动，并且使变形和错位不断积累。

2.当亚表层继续变形时，在错位堆积的应力作用下，裂纹和空穴便在亚表层形成核心，形成裂纹的深度与材料的性能和受载情况有关。图5-13是钢领跑道上亚表层所产生的裂纹。

图5-13 细砂机钢领亚表层上形成的裂纹

3.当继续是加载荷时，金属产生进一步的塑性剪切变形，而使裂纹之间以及裂纹与空穴之间相互连接与汇合，于是裂纹在接近表面的平行方向扩展，当扩展到临界长度时，裂纹与表面之间的材料被剪断，因而形成了薄而长的磨损碎片。

在低速滑动下试验的结果与上述理论基本一致，它能从微观角度解释诸如粘着磨损、疲劳磨损和微动腐蚀磨损的许多现象，但不能解释在告诉下的磨损现象。

二、磨损的疲劳理论

表面疲劳是由循环变应力作用引起的一种破坏形式。当应力幅小鱼材料的弹性极限时，即在弹性接触条件下，达到其疲劳破坏的循环次数一般要超过106；如果应力大于材料的弹性极限，即在塑性接触条件下，其应力循环次数只需几次或十几次即可发生破坏，因此，这种破坏常称为地循环次数疲劳破坏。

苏联的克拉盖尔斯基是提出磨损疲劳理论最早的学者。他的理论认为：

1.由于实际表面存在着粗糙度，当二表面相互作用时，其接触时不可连续的，各接触点之和组成了其实际接触面积；

2.两表面在法向力作用下，实际接触点上便会产生局部应力和局部变形；

3.当两表面产生相对滑动时，由于摩擦力的作用，接触区表面材料的性能将发生变化；

与此同时，表层材料的固定体积会受到交变应力的多次重复作用，因而使之受到积累损伤，结果导致微观体积内产生疲劳裂纹，最后裂纹扩展，汇合形成磨屑而脱落。

该理论不仅适用于疲劳磨损，而且也可以用来分析磨料磨损和粘着磨损。另外，这种理论不仅可以应用于金属材料，而且还可以应用于某些非金属材料（如石墨、橡胶等）。

三、磨损的能量理论

磨损的能量理论首先是由弗利舍尔（er）提出来的。他认为能量的转化是产生磨损的主要原因，磨损现象与材料的断裂能量之间有一定的关系。

摩擦副运动时要产生摩擦力，而摩擦力是由各种外部条件（如法向载荷、滑动速度以及热过程等）参与到相互接触的元素（如表面微凸体、亚表层和介质等）中去，并不断相互作用而引起的。

输入到摩擦副的能量一定大于它输出的能量，其差值即是摩擦所消耗的能量。对金属材料而言，摩擦力所做功的主要部分消耗在塑性变形上，并以热的形式散失。而摩擦功的一小部分（约占总摩擦功的9~16%）则以潜在内能的形式积蓄在材料中，它表现为结晶的错位。为了使磨屑与基体材料分离，必须在材料的一定体积内积累足够的内能。当能量达到临界值时，该体积内的材料即发生塑性流动或形成裂纹，此时内能减小，经过多次这样的临界循环作用后，当积蓄的能量超过材料结合键的能量时，于是表面产生破坏，磨屑脱落，形成磨损。

磨屑形成过程所消耗的能量称之为断裂能量。事实上它只占全部吸收能量的百分之几。

用此理论可以分析磨料磨损和腐蚀磨损。

上述三种磨损理论，实际仍有某些不足之处，尚需进一步研究。