1、第五章第五章 磨損原理磨損原理 一、磨損的定義 磨損是由于機械作用和(或)化學反應(包括熱化學、電化學和力化學等 反應)，在固體的摩擦表面上產生的一種材料逐漸損耗的現象，這種損耗主 要表現為固體表面尺寸和(或)形狀的改變。 第一節第一節 概述概述 磨損的三個主要特征： 1) 磨損是發生在物體上的一種表面現象。材料內部裂紋引起的材料整體疲勞破 壞和斷裂不屬于磨損的范疇； 2) 磨損是發生在物體摩擦表面上的一種現象，其接觸表面必須有相對運動。單 純的腐蝕和某些高分子材料表面的老化都是在靜止表面上發生化學反應(包括氧 化)的結果，也不屬于磨損的范疇； 3) 磨損必然產生物質損耗(包括材料轉移)，而且

2、它是具有時變特征的漸進的動 態過程。因此，不產生材料逐漸損耗的、單純的塑性變形也不屬于磨損的范疇。 二、磨損的基本特性 1、磨損是機器零件在正常運轉過程中不可避免的一種能量耗散的現象。 只要機器零件的磨損量或磨損率在規定使用期內不超過允許值，就可以認為 是一種允許的正常磨損現象。 機器零件典型磨損過程的三個階段 1) 磨合(跑合)階段(0t1) 2) 正常磨損階段(t1-t2) 3) 事故磨損階段(t2-t3) 線性磨損率 0-t1t1-t2t2-t3時間 2、磨損不僅是材料本身固有特性的表現，更是摩擦學系統特性的反映。 因此，磨損也具有條件性和相對性。 磨損的這種特性和摩擦很相似，因而也可用

3、類似的表達式來表示，即： ),(sxfw 同一種機器零件在不同機器中會產生不同類型或不同程度的磨損。 即使在同一臺機器中，不同工況也會導致不同程度甚至不同類型的磨損。 因此，在分析和處理機器零件的磨損問題時，必須全面考慮到該零件所在 的摩擦學系統的特性，才能對其磨損現象作出準確的判斷和正確的分析。 衡量磨損特性的主要參數是磨損率，通常可采用以下三種磨損率： 1、線性磨損率： 2、體積磨損率： 3、重量磨損率： 式中， 磨損厚度； 磨損體積； 磨損重量； 滑動距離； 被磨損的材料的密度。 LlRl/ )/( nv LAVR Vnw RLAwR)/( VwL l *其它參數： （1） 磨損因數 式

4、中， 正壓力； 法向載荷。 pRNLV L /)/( p N （2）磨損度(能量磨損率) 式中，F 摩擦力； f 摩擦系數。 ffNLVFLV/)/()/( （3）耐磨性系數(耐磨性) /1f （4）磨損系數NvtWHK/ 式中，w磨損量；H材料硬度； v速度；t 時間；N 正壓力。 磨損系數表示磨損量與工況之間的關系，當載荷與速度為已知，并可 求出一定工況下的磨損系數時，就可估算磨損量，以預測摩擦學系統的壽 命。也可根據磨損系數來確定磨損類型，因為不同的磨損類型具有不同的 磨損系數。 （5）磨損速率(磨損強度) （6）相對耐磨性 它是標準試樣的磨損率與被測試樣磨損率之比()。 tVI/tWI

5、/ 1、粘著磨損或粘附磨損(Adhesive wear)； 2、磨料磨損或磨粒磨損 (Abrasive wear)； 3、疲勞磨損或表面疲勞磨損(Surface fatigue wear)； 4、腐蝕磨損(Corrosive wear)或摩擦化學磨損(Tribo-chemical wear)。 5、其他。包括侵蝕磨損或沖蝕磨損 (Erosive wear) 和微動磨損 (Fretting wear)等。 三、磨損的分類 實際的磨損現象大都是多種類型磨損同時存在；或磨損狀態隨工 況條件的變化而轉化。 (1) 在摩擦副中，相對運動的摩擦表面之間，由于粘著現象產生材料轉移 而引起的磨損，稱為粘著磨損

6、。 這類磨損一般發生在相互滑動(或轉動)的干摩擦表面上，即在表面上的 某些微突體產生固相焊合，嚴重時還會出現摩擦副完全“咬死”的現象。 如：在潤滑狀況惡化的條件下，柴油機燒軸瓦就是這種磨損的典型例子。 (2) 有兩種粘著（焊合）：冷焊粘著；熱局部焊合粘者。 第二節第二節 粘著磨損粘著磨損 一、定義及其過程 1、定義： 2、過程：載荷、速度小；載荷、速度較大；變形、斷裂及材 料轉移；新粘著點產生。 Bowden根據剪斷位置并以軸承合金為例進行分類 、一類：粘著強度小 、二類：粘著強度中 、三類：粘著強度大 、四類：同一材料組合，加工硬化材料，剪斷發生在內部，磨損大； 相反，加工軟化，粘著部變軟，

7、有很好的耐磨性 按照磨損程度的不同，粘著磨損可以分為以下五類： 1) 輕微磨損 粘著點的剪切強度比形成該粘著點的任何一方的基體金屬的剪切強度 都小(如錫與鐵對磨)，磨損發生在粘著點的界面上，材料轉移十分輕微， 甚至不產生材料轉移。磨合屬于這種磨損。 一、主要類型 2) 涂抹 粘著點的剪切強度介于形成該粘著點的兩種基體金屬的剪切強度之間 （如鉛與鋼對磨），剪切破壞發生在較軟金屬的淺表層內，并使該表層的材 料轉移到較硬金屬表面上，使后者的表面上被涂抹上薄薄的一層。 例如，重載蝸輪表面的銅涂抹到蝸桿表面上即屬此類。 3) 刮傷 沿滑動方向形成嚴重 的劃痕。剪切破壞發生在較軟 金屬的表層。 4) 膠合

8、 表面局部溫度相當高，粘著點的面積較大，由于粘著點的剪切強度比形成粘 著的任何一方基體金屬的剪切強度都要高（如銅與鋼對磨），故在摩擦副的一方 或雙方的基體金屬上產生較深層的破壞，因而，既有較多的軟金屬轉移到硬金屬 表面上，同時也有部分硬金屬轉移到軟金屬表面上。 5) 咬死 由于粘著點的面積較大，其 剪切強度也相當高，致使摩擦表 面因局部熔焊而停止相對運動。 基本類型 粘著磨損是在固/固界面上產生嚴重滑動摩擦的結果。 粘著磨損的基本物理過程是：粘著剪切再粘著再剪切的循環過 程，或是粘著點的生成消失再生成再消失過程。 在此過程中，磨損主要是以材料轉移的形式表現出來，有時還會出現 少量磨屑。 二、磨

9、損機理 (1)面積 - (2)載荷 - (3)滑動距離為 ，磨損體積為 2 r 2 sy r 2r 3 2 3 r 1、阿恰德模型理論 P F r 3 2 2/31 23 r Vr Wr 22 rn r 2 sy pn r 1 3 sy p V W 1 3 sy p VV Wk Wk 1 3 sy pL VV WLWk 單位滑動距離總的磨損體積為： ; 若n個微突體,總載荷為P, 故有: 考慮磨損概率K實際磨損: 滑動距離L總的磨損為: 則: *粘著磨損的磨損率： 體積磨損率的理論計算式： 式中， 軟材料的屈服強度； 粘著磨損的磨損系數。它表示一個微突體在全部載荷接觸下 滑動，產生一粒磨屑的概

10、率，或產生磨屑的載荷接觸的微突體在全部載荷接觸 的微突體中所占的百分比。 越大，材料磨損越嚴重。 s 1 K 1 K s v p KR 1 Holm認為，互相接觸的兩個表面上，如果不同物體表面上的原 子間的距離m,小于物體本身原子間的距離d時，（圖所示），則不 同原子間將作用有很強的分子力，會產生嚴重粘著，粘著的兩個表 面被拉開時，將要損失一定數量的原子，產生磨損。 2、Holm理論 真實接觸理論。 磨損(過程)量計算： (1)物體上原子a1,在運動過程中分別與物體上b1、b2逐次接 觸，每滑動距離d就與一個新的原子接觸，當滑動L距離時，a1遇到的 原子數L/d; (2)每兩個物體接觸面積為A

11、r，Ar面積上的原子數等于Ar/d2;因之兩 接觸面滑動L距離時，原子總的接觸次數Na等于； Nrs FA 33 3 . r aa s FL V zN dzNd d (4)設每次接觸損失z個原子，原子體積為 ，則總的磨損體積V等于： 3 d 得: N s F VzL 3 n a s FL N d (3)已知 則 3、Archard理論結塊清除理論 Holm是從原子尺度來研究磨損的，研究真實接觸面積上磨損粒子的 產生機理。為了便于分析，Archard發表了新的理論，稱為結塊清除理論， 意思是：由于兩個表面上的凸峰相遇，導致塊狀粒子的損失。 2 r Ana Archard理論的模型 認為真實的接觸

12、面積Ar 是由n個（圖所示）的接觸 點構成。即: 接觸面滑動，接觸面積大小 發生變化，達到圖c所示 （即滑過2a距離）接觸點 完全分開。 由式知 接觸著的某一點，滑過距離時與對偶面上微凸體接觸次數為L/2a； 則接觸面整體滑過L距離總的接觸次數Np為： 2 N r S F Ana 23 222 NN P sS FFLL NnL aaaa 假定磨屑半徑 ，產生磨屑的概率 ，則滑動 距離磨損體積：akL 3 2 33 n p s Fk vkNaL 粘著磨損的體積磨損率與法向載荷N (或正壓力p)成正比，而與軟金屬材 料的屈服強度(或布氏硬度HB值)成反比。 當正壓力 時，會使磨損加劇，產生膠合或咬

13、死。 因此，在設計時應保證正壓力不超過材料的布氏硬度的三分之一。 體積磨損率隨著粘著磨損的磨損系數的增大而增大，而后者主要取決于摩 擦表面的潤滑狀況和兩滑動金屬相互牢固地粘著的趨向。 此外，磨損率與滑動速度無關。 3 HB p 分析分析 潤滑狀況 金屬/金屬 金屬/ 非金屬 相同 相容 部分相容和 部分不相容 不相容 無潤滑 15X10-4 5X10-4 1X10-40.15X10-41.7X10-6 潤滑不良 30X10-5 10X10-5 2X10-50.5X10-51.7X10-6 潤滑良好 30X10-6 10X10-6 2X10-60.3X10-61.7X10-6 潤滑極好 10X1

14、0-7 3X10-7 1X10-70.3X10-73.3X10-7 金屬的粘著磨損的磨損系數金屬的粘著磨損的磨損系數 1）載荷 載荷引起表面塑性變形必然導致溫度升高，引起粘著。載荷達到 一臨界值可發生膠合的值稱為臨界載荷。 2）溫度 溫度升高可引起粘著，使表面膜破壞引起粘著發生的溫度稱為 臨界失效溫度。 影響溫度特性的主要因素是表面壓力p和滑動速度v，其中速 度影響較大，因此有時把pv值作為控制粘著磨損和防止膠合發生的 一個參數。 影響因素：影響因素： 3）摩擦材料 同種材料 相溶性好的材料 材料塑性越高，粘著磨損越嚴重 脆性材料的抗粘著能力比塑性材料高 脆性材料：正應力引起，最大正應力在表面

15、，損傷淺， 磨屑也易脫落，不堆積在表面。 塑性材料：剪應力引起，最大剪應力離表面某一深度， 損傷深。 1 1、合理選擇摩擦副材料 為了避免和減輕粘著磨損，摩擦副宜選用互溶性 小的金屬，即不要選用同種或晶格類型相近的金屬。Pb在Ni、Cr、Fe中的溶 解度很低，是很好的摩擦副材料，但其強度低，所以應選用其合金（如鉛青 銅），或作為表面涂層來使用。在抗粘著能力方面，多相金屬優于單相金屬， 脆性材料優于塑性材料，其粘著破壞的深度較淺。此外，非金屬材料（如高 分子材料、陶瓷等）不易與金屬產生粘著磨損。 三、防止和減輕粘著磨損的措施 2、進行表面處理 采用表面氮化、滲硫、電鍍或采用非金屬涂層，均可 提高

16、摩擦表面抗粘著的能力，可有效地阻止金屬的粘著。 3 3、減小摩擦熱 控制pv值，或加強摩擦表面的冷卻(如對鉆機剎車副摩擦表 面進行水冷)，以消除產生粘著磨損的各種條件。 4、在潤滑劑中加油性添加劑或極壓添加劑 油性添加劑可提高潤滑油在金屬 表面的吸附能力，保持良好的邊界潤滑狀態。極壓添加劑可分解出硫、磷、 氯等活性元素，與金屬表面起化學反應而形成化學反應膜，從而有效地防止 或減輕金屬表面的粘著。 磨粒磨損是指在摩擦過程中，由于摩擦表面上硬的微突體或摩擦界面上的硬 顆粒而引起物體表面材料損耗的一種磨損。這是最常見的一種磨損現象。據統計， 因磨粒磨損而造成的損失約占各類磨損所造成的全部損失的一半。

17、油田設備中許 多零件的磨損都屬于磨粒磨損。 第三節第三節 磨粒磨損磨粒磨損 一、主要類型 由于物體表面硬的微突體使對偶表面產生的磨粒磨損稱為兩體磨粒磨 損(Two-body abrasive wear); 由于摩擦表面上存在自由硬顆粒而產生 的磨粒磨損稱為三體磨粒磨損(Three-body abrasive wear)。 根據磨損程度的不同，磨粒磨損又可分為以下三種類型： 1、擦傷 磨粒作用在表面上的應力較低，使摩擦表面沿滑動方向形成微細 的擦痕。被塵土、灰砂等污染的零件的摩擦表面上常出現這種磨損。 2、刮傷 磨粒作用在表面上的應力較高，使脆性材料表面碎裂；而對韌性 材料，則往往表現為摩擦表面

18、產生塑性變形或疲勞破壞。 3、犁溝 在磨粒作用下，較軟金屬表面因塑性變形而出現較深的溝槽。 由于材料類型不同，有以下兩種磨損機理： 1、塑性變形機理 對于一般塑性材料(含金屬)，其磨粒磨損的主要物理過程可分為以下兩種： 1) 犁溝 軟材料在硬微突體或硬顆粒的擠壓下產生塑性變形，向兩邊隆起， 此時，不發生材料脫落。但在發生多次變形后，表層材料脫落而形成二次切 屑。 二、磨損機理 2) 微觀切削 如同金屬加工的刨削過程一樣，在 硬微突體或硬顆粒的切削作用下，材料脫落而 形成一次切屑。 正角 副角 *體積磨損率方程： 按照微切削作用在磨粒磨損的過程中起主導作用的觀點，并將硬材料表面 的微突體轉化為一

19、個圓錐體。 圖中： H為磨粒壓入材料的深度；L為磨粒滑動的距離；為（磨粒）側錐角； a為錐體壓入深度處的半徑。 為材料的屈服強度， 為單個微突體的法向載荷 考慮磨粒運動過程中，只有前部承受壓力 磨粒錐體壓入材料的深度為 s n F Hatg 2 1 3 2 sn aF 單個磨粒滑動L距離產生的磨損體積量 1 2 2 va H La H L 2 3 n s FLtg 體積磨損率方程 2 3 n v s Ftg R 3 n vab s F RK 二、磨損的計算 為了對磨料磨損作出定量的描述。可以 從磨粒入手。把磨粒看做一個錐體。在 載荷Fn作用下插入較軟物體，假定滑動 距離為 ，則磨損體積 為：

20、由圖知 ；又由于錐體向前運 動，外載荷只由錐體前半錐體承 受，根據力的平衡知： 把上述關系式代入可得： dl dw dwh a dl tanah 2 1 2 ns Fa 2 22 nn a ss FFadl dwh a dldlkdl tgtg 根據上式可得出錐體移動單位距離的磨損量為： 式中 -磨料磨損常數 刻槽時取則上式可寫成 式中-軟物體硬度 s H N a F VK H 磨粒磨損的磨損系數Ka不僅和磨粒的幾何形狀有關，形成磨 屑的概率等許多因素有關。 2 nn a ss FFdw vk dltg 2 a k tg 典型的磨粒磨損的磨損系數值。表中的數值是按尖銳的新生磨粒表 面得出，經磨

21、損和粘附后，表中數值一般要下降一個數量級。 磨粒磨損的磨損系數 表面狀態 銼刀新砂紙 游離磨粒 粗拋光 干表面 潤滑表面 5X10-2 1X10-1 1X10-2 2X10-2 1X10-3 2X10-3 1X10-4 2X10-4 磨粒磨損的磨損系數Ka不僅和磨粒的幾何形狀有關，形成磨 屑的概率等許多因素有關。 a K 2、斷裂機理 對于一般脆性材料，如陶瓷、碳化物和玻璃等，當載荷較大而磨 粒較尖銳以及材料的斷裂韌性與硬度之比較低時，材料會出現壓痕斷 裂。顯然，如果材料的斷裂韌性很好，磨損將減輕。一般斷裂機理比 塑性變形機理產生的磨損大得多。 注意：材料發生磨粒磨損往往是上述兩種機理綜合作用

22、的結果，只 是由于材料特性和工況條件的不同，其中一種機理起主導作用，因 此，隨著條件的變化，兩種機理會相互轉化。 其它：磨粒磨損是在摩擦過程中，與磨粒接觸的金屬表面在循環 交變接觸壓應力的作用下產生表面疲勞破壞的結果。 影響磨粒磨損的因素除了摩擦副的工況條件和磨粒磨損的類型 (兩體磨損和三體磨損)之外，還有金屬材料的硬度以及磨粒的硬度與尺寸。 三、影響磨粒磨損的因素 1、金屬材料的硬度 在一般情況下，金屬材料的硬度或金屬的含碳量越高，其耐磨性也 越高。尤其是長期在低應力下工作的零件，宜選用硬度較高的鋼。而在 高應力或沖擊作用下工作的零件，則應選用韌性好、冷作硬化的鋼。 零件工作表面的磨損性能往

23、往比原設計的硬度還要高。例如，當工作 應力高到足以在表面形成冷硬層時，錳鋼的耐磨性反而比工作應力低時 為更高。所以，應當考慮到零件磨損時產生的實際最大硬度，而不僅是 零件工作表面原有的硬度。 2、磨粒的硬度 磨粒硬度 Ha 金屬的磨損體積 根據磨粒硬度和金屬本體硬度 之間的關系，可將磨粒硬度對 磨損的影響分為三個區間 I 低磨損區 當 ，不產生磨粒磨損。 II磨損轉化區 磨損隨磨粒硬度的增高而加劇。 III高磨損區 磨損量不再受磨粒硬度的影響。 HH am HH am 07 . HH am HH am 研究表明，要改善材料抗磨粒磨損的性能， 必須滿足下列條件： HH ma 05 . 當 ，抗磨

24、粒磨損的性能將不會 得到更進一步的改善， 可作為低磨粒 磨損率的判據。 am HH3 . 1 HH ma 13 . 磨粒平均直徑 磨損量 3、磨粒尺寸 通常，金屬的磨粒磨損會隨磨粒尺寸的增大而加劇。這可能是由于磨粒 的微切削作用深度增大所致。但磨粒尺寸達到一個臨界值以后，磨損量即保 持不變。可以認為，此時磨粒尺寸增大使接觸應力下降（當法向載荷保持不 變時），因而微切削深度不再增加。 磨粒尺寸的臨界值隨金屬材料而異，對于A3和45號鋼，此值約為90 100m 。 第四節 表面疲勞磨損(疲勞磨損) 兩接觸表面作純滾動或滾動與滑動復合摩擦時，在高接觸壓應力的作用 下，經過多次應力循環后，在其相互作用

25、表面的局部地區產生小塊材料剝落， 形成麻點或凹坑，這種磨損稱為表面疲勞磨損或簡稱疲勞磨損。 一、基本類型 1、點蝕(pitting) 特征：初始裂紋出現在零件表面，表面疲勞破壞逐漸產生，破壞深度 淺，材料以小片脫落，最后在零件表面形成麻點狀小坑。 一般，當表面接觸壓應力較小（小于材料剪切強度的55%），而摩 擦系數較大時，表面疲勞磨損主要表現為點蝕。零件表面質量較差時（如 脫碳、淬火不足、有夾雜物等），尤其如此。 2、剝落(spalling) 當表面接觸壓應力較大（大于材料剪切強度的60%），而摩擦系數較小時， 其初始裂紋往往在表面以下萌生并擴展，疲勞破壞大都突然發生，材料呈片 狀脫落，破壞區

26、較大，這種表面疲勞磨損的形式稱為剝落。 一般滾動軸承常發生這種形式的表面疲勞磨損，其破壞部位大多在軸承 內外圈的滾道和滾動體表面。 類 型 點 蝕 剝 落 特征： 裂紋萌生的部位 剝落過程 磨屑的尺寸和形狀 表面 逐漸發生 小、半球狀或扇形 次表面 突然發生 大、片狀 產生的基本條件： 表面接觸壓應力 摩擦系數 0.11 0.60 小 產生該類磨損的典型零件齒輪球軸承或滾動軸承 r f 產生表面疲勞磨損的基本條件是： 產生滾動摩擦或滑動摩擦或二者兼有的摩擦副，承受了較高的重復接觸應力 （壓應力或剪應力）。 表面疲勞磨損與一般材料疲勞破壞的主要區別是： (1)磨損的產生與摩擦力有關； (2)磨損

27、往往發生在材料的表層或次表層； (3)材料不存在疲勞極限。 在相同工作條件下，同一種零件也有可能會同時出現以上兩種磨損形式。 1、點蝕的物理過程可分為以下三個階段： (1) 微觀裂紋的萌生 在滾動摩擦或滾動與滑動摩擦同時出現時，由于表面接觸剪應力的作用 非常接近表層，在表層產生塑性流變（流變層厚度約0.10.3mm），形成各 向異性的纖維組織。因沿纖維組織方向（即塑性流向）的金屬移動的阻力最 小，當表面剪應力足夠大時，在表面就會產生晶界微裂紋。 二、磨損機理 (2) 裂紋擴展 表面形成微裂紋后，潤滑油進入 其中。而在零件作相對運動的過程 中，潤滑油會被反復壓入裂紋并被 封閉，封閉腔中的油壓增大

28、，迫使 裂紋擴展。 裂紋擴展的尺寸越大，裂紋形成封閉腔內的儲油越多，作用于裂紋內壁 的油壓也越大。在多次重復作用下，裂紋擴大到使表層材料在其危險截面處折 斷并脫落，從而使零件表面形成麻點剝落。 在沒有潤滑油的情況下，由于摩擦表面的摩擦力更大，溫度更高，使表面 材料產生畸變，局部應力增大，從而使接觸表面在高的壓應力、摩擦力和熱應 力等作用下，也會產生點蝕。 (3) 表層疲勞剝落 2、剝落的形成過程(和點蝕相似)，分為三個階段： (1) 裂紋萌生 當表面接觸應力較大而摩擦力較小時，根據彈性理論中的赫芝方程可知， 表層最薄弱處是在表面以下、距表面0.786b的地方，即最大剪應力的作用 點。 由于最大

29、剪應力的反復作用，微裂紋首先在該點產生，裂紋的方向與零 件相對運動的表面平行。 0.786b 2b r (2) 裂紋擴展 隨著循環作用次數的增加，微裂紋逐漸擴展，并產生與表面垂直或傾斜 的分枝裂紋。 (3) 表層脆斷剝落 隨著分枝裂紋的進一步擴展并互相交織在一起，在裂紋包圍的地區引起 脆斷而剝落。 對于滲碳淬火的滾動接觸零件，當滲碳層的深度不夠大時，其初始裂紋往 往發生在硬化層與心部交界的過渡區。 max 1 2 1 2 *表面疲勞磨損的磨損率方程： s sfv N KR 3 n Ksf 1010 36 是表面疲勞磨損的磨損系數，它與 材料發生疲勞破壞的應力循環次數 成反 比， 。 sf K

30、三、影響表面疲勞磨損的因素 1、軸承鋼的性能與質量 鋼中非金屬的脆性夾雜物（氧化物、氮化物和硅酸鹽等）在交變應 力作用下，易與基體材料分離而形成空穴。當空穴棱邊尖角處產生的應 力集中超過材料的彈性極限后，會產生較大的塑性變形，導致材料硬化， 從而產生裂紋。為此，必須改善鋼錠的冶煉方法，進行凈化處理,這是降 低鋼中夾雜物含量的根本措施。 此外，軸承鋼中碳化物含量太多、粒度太大、形狀不規則和分布不勻也 會引起材料組織和性能的不均勻和應力集中，從而降低材料抵抗表面疲 勞磨損的能力。因此，適當降低軸承鋼中的含碳量，充分的鍛造，采用 合理的球化退火工藝，以減少鋼中碳化物的含量，并使片狀及網狀碳化 物變成

31、球狀，以降低硬度，改善組織，減少淬火缺陷，這也是提高零件 壽命的重要措施之一。 滲碳層一般具有較高的強度和耐磨性，其深度直接影響滾動接觸零件內 部剪應力的分布，以及剪應力與材料剪切強度二者比值的變化。合理選擇滲 碳層深度，將使最大剪應力落在高強度的滲碳層內，從而可大大提高零件的 壽命。 max 1 2 1 2 2、滲碳鋼的性能與質量 式中， 滲碳層深度，mm； 接觸部位的相對曲率半徑，mm； 最大接觸應力，MPa。 滲碳層的維氏硬度。 tR H V 0 3 1. m a x t R max HV *通常，可用下式確定滲碳層的合理深度： 材料心部的剪切強度也不可太低，否則，會增大剪應力與材料剪切

32、強度 之比值，易在滲碳層與心部的過渡區產生疲勞裂紋，以至早期出現深層疲勞 剝落。尤其是在熱處理不當時(如零件尺寸過大、加熱保溫時間過短、材料淬 透性差和冷卻劑不良等)，會在心部形成強度過低的索氏體或鐵素體組織，從 而使零件的壽命降低。因此，只有合理增大零件的心部硬度，才能充分發揮 材料強度的潛力，以有效地提高零件表面的抗疲勞磨損的能力。 潤滑油的粘度愈低，愈易滲入裂縫，加速裂紋的擴展。根據 彈性流體動壓潤滑理論，潤滑油的粘度越高，接觸壓力的分布就越均 勻，零件抗疲勞磨損的能力也就越高。因此，必須嚴格控制潤滑油的 含水量。而適當地在潤滑油中加入固體潤滑劑(如MoS2)，也可改善零 件表面抗疲勞磨

33、損的性能。 3、潤滑油的粘度 4、零件的表面粗糙度 零件的表面粗糙度越小，其壽命越長。 以滾動軸承為例，表面粗糙度參數，即輪廓算術平均偏差值Ra 等于 （0.160.32）m的軸承壽命比Ra 等于（0.320.63）m的軸承的壽命 高23倍；而Ra 等于（0.080.16）m的軸承壽命又比Ra 等于（0.16 0.32）m的軸承的壽命長一倍。但是，軸承的Ra 超過（0.040.08）m 后，對其壽命影響甚微。 腐蝕磨損是金屬表面在摩擦過程中與周圍介質發生化學反應或電 化學反應而產生的一種磨損。 由此可見，產生腐蝕磨損的必要和充分條件是具有在腐蝕性介質 的環境下的摩擦表面。實際上，這是腐蝕與磨損

34、綜合作用的一種非常 復雜的磨損形式。 第五節 腐蝕磨損(摩擦化學磨損) 一、腐蝕磨損的類型 按周圍介質的不同，腐蝕磨損可分為以下兩種類型： 1、氧化磨損 當摩擦副受到空氣中或潤滑劑中氧的作用時，會在金屬表面形成氧化膜， 這種氧化物被磨掉的現象就是氧化磨損。 通常，在輕載低速的條件下，氧化膜主要由Fe2O3 組成；在重載 高速情況下，氧化膜主要是Fe3O4。 因氧化膜的生成速度隨時間按指數規律下降， 因此，如磨損速度 小于氧化速度，則氧化膜對零件表面起保護作用（如鋁合金表面的韌 性氧化鋁膜）；反之，則表面磨損加劇。在高溫和潮濕環境中以外， 氧化磨損一般都比較緩慢。 因此，氧化磨損的磨損機理就是氧

35、化膜的形成、破壞、再 生與再破壞的周而復始的過程。 當摩擦副受到酸、堿或海水等腐蝕介質的作用時，或在高溫條件下潤滑 劑中的硫、磷、氯等元素與金屬表面發生化學反應時，會在零件表面生成化 學反應膜，這種表面膜在摩擦過程中不斷被除去的現象，即為化學腐蝕磨損。 其磨損機理則是化學反應膜的不斷產生、破壞、再生與再破壞的過程。 2、化學腐蝕磨損 含鎘、鉛等元素的滑動軸承易被潤滑油中的酸性物質腐蝕，在表面上生 成小黑點，并在摩擦過程中形成小塊剝落。含銅的軸承材料與潤滑油中的硫 生成硫化銅膜，在高溫時易在摩擦過程中破裂、剝落。化學腐蝕磨損的磨損 速度一般都比氧化磨損快。 二、腐蝕磨損的一般物理過程 1、 第一

36、階段 固體(1)和固體(2)與環境中的腐蝕介質發生化學或電化學反應，形成 反應膜。如果環境溫度升高，將使反應加劇。 固體(1) 和(或)硬顆粒 固體(2) 環境(3) B A A 2、第二階段 固體(1)和固體(2)發生相對運動，在機械力的作用下，使反應膜破裂并 產生磨屑，而在反應膜破裂的瞬間，所露出的新鮮表面又將進入上述第一階 段。 實際上，在整個磨損過程中還會發生腐蝕與磨損的交互作用，而且在上 述第二階段往往伴隨有磨粒磨損或粘著磨損。 腐蝕磨損的磨損率方程也可寫成下列形式： 式中， 為腐蝕磨損的磨損系數，它與反應膜的臨界厚度以 及接觸狀態等因素有關。 一般在 的范圍之內。 s cv N K

37、R 3 c K 62 1010 1、腐蝕介質 一般酸性介質的腐蝕性較強，而堿性介質的腐蝕性較弱。 如45號鋼在含有酸性介質H2SO4和HCl的砂漿中，其腐蝕磨損量是 在堿性介質NaOH中的1416倍，即使在腐蝕性較弱的NaCl中，其腐蝕 磨損量也是在NaOH中的1.63.6倍。 介質濃度對腐蝕磨損的影響十分復雜，往往因材料而異。 三、影響腐蝕磨損的因素 2、緩蝕劑 由于在腐蝕磨損中，機械作用主要是通過影響電極反應的陽極過程， 增加陽極溶解速度，促使材料腐蝕。而在腐蝕介質中添加緩蝕劑，可在陽 極上形成鈍態的保護膜，以抑制陽極過程。 3、溫度 溫度升高對金屬腐蝕磨損會產生兩種相互矛盾的效應： 1)

38、 提高化學反應速度，從而增加腐蝕速度； 2) 降低氧溶解度，從而降低腐蝕速度。 因此，在靜態腐蝕條件下，腐蝕速度隨溫度的升高會出現一個極大值。 而如果消除氧的影響，腐蝕速度隨溫度增加而增加，并呈線性關系。 溫度 腐 蝕 深 度 當相互接觸的兩個固體表面以小振幅(一般小于100)振動而相互 作用時，就會產生這種磨損現象。 微動磨損主要是上述四種基本磨損機理綜合作用而形成的一種 磨損形式。 它一般發生在軸頸、螺栓聯接、鍵槽和花鍵等配合較緊的零件 上，以及金屬密封和離合器中。這種磨損會在零件的工作表面產生 疲勞裂紋和微小的半球狀麻點。 第六節 微動磨損 一、磨損機理 微動磨損的磨損過程一般可分為三個

39、階段： 1、周期性微幅振動產生的接觸變形，一方面導致零件工作表面上 氧化膜的生成破壞再生再破壞的磨損過程（氧化磨損）；另一方 面，在固體表面之間同時產生粘著剪切再粘著再剪切的磨損過程 (粘著磨損)。 2、上述兩種磨損過程所產生的磨屑(以Fe2O3為主)，在零件不斷發 生微幅振動的條件下，產生冷作硬化，它們不僅會對零件表面產生微 切削和研磨作用（磨粒磨損），而且還使零件表面在循環交變接觸壓 應力的作用下產生裂紋，最后導致疲勞剝落或脆性破壞(表面疲勞磨 損)。 3、上述磨損過程所產生的微動磨屑又進一步促使第一階段磨損的發展。 *微動磨損的體積磨損率可用下式表示： s fv N KR 3 式中， 微

40、動磨損的磨損系數。 其數值主要取決于界面的潤滑狀況。對于 無潤滑的表面， ； 對于潤滑不良和潤滑良好的表面， 的數 值可分別采用相應的粘著磨損的磨損系數的數 值。 f K 4 10 f K f K 二、影響因數 1、作用力影響 循環次數的影響：磨粒體積隨之增加 磨損率隨著時間減少。 （A、C軟材料,B、D振幅較大,振幅較小） 振幅的影響：隨滑動振幅增加而增加。 法向載荷的影響：載荷增加磨損量增加， 達到一定時候反會減少。（接觸面振動） D A B C 循環數 磨料體積 磨料體積 振幅 調質鋼 淬火鋼 載荷 磨料體積 2、環境影響 外部介質的影響：真空中磨損量低， 因粘著點來回遷移不脫落。磨損量

41、隨表 面濕度增加而降低。 溫度的影響：隨溫度增加降低，溫度 較高時（150 0c）氧化加劇，磨損急速 降低。 材料副的影響:不同材料副微動磨損 不同 磨料體積 磨料體積 相對濕度 溫度 1、應區分由“力控制”(部分滑移)和由“位移控制”(滑移發生在 整個接觸界面上，滑移幅值為常量)這兩種微動磨損，對于前者應 增大摩擦系數或增大法向載荷以減小滑移幅值；對于后者，則應減 小摩擦系數和法向載荷，以減小磨損。 三、預防微動磨損的一般性原則 2、改進設計，消除引發微動的相對運動；減少應力集中等。 3、采用噴丸處理和合適的表面涂層等表面處理技術。 4、在兩接觸面間插入墊片，如用軟金屬片或低彈性模量的聚合物

42、 薄片將兩表面隔離，靠墊片的塑性或彈性變形來吸收微動。 5、在接觸界面上加無腐蝕性的潤滑劑。 第七節 沖蝕磨損 沖蝕或浸蝕(侵蝕)磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊表 面時出現破壞的一類磨損現象 一、類型 微粒流沖蝕、流體沖蝕、氣蝕和點火花沖蝕等磨損 由沖角： 1、沖擊侵蝕 2、磨粒侵蝕 由介質： 1、噴沙沖蝕； 2、雨滴、水滴沖蝕； 3、泥漿沖蝕； 4、氣蝕 二、沖蝕原理 微切削，塑性變形，疲勞破壞；脆性斷裂 1、脆性沖蝕-脆性材料 2、延性沖蝕 （1）切削理論 （2）變形理論 （3）局部熔化理論 （4）巴哈第爾現象學理論 二、影響因數 1、沖擊顆粒硬度 2、沖擊顆粒尺度 3、沖擊顆粒形

43、狀 4、沖擊速度 5、沖角影響 6、被沖擊材料硬度 一、研究磨損理論的重要性 以上各節都是把某一種磨損現象作為單一的、獨立的磨損形式進 行介紹，這是為了便于深入認識和分析該類磨損的特征、特性及其產 生與發展的規律性。然而，這也反映了摩擦學的研究工作基本上還只 是孤立地對各類特定的磨損機理進行分析與研究的現狀。為了更好地 控制及預防各種磨損，這些研究工作都是十分必要的，并且也取得了 不少進展。但是，必須充分認識到磨損是一種十分復雜的現象，其復 雜性主要表現在以下兩個方面： *第八節 磨損理論簡介 1) 磨損現象的綜合性。 這包括兩層意思，其一是在實際的摩擦副中，往往是多種形態的 磨損同時發生，并

44、且相互影響；其二是即使是某一種形態的磨損現象， 也往往是機械的、化學的、電化學的、熱化學的以及力化學的多種效 應綜合作用的結果。 2) 磨損現象的不穩定性。 這不僅表現在它的時變特征和漸進的動態過程，而且還表現在對它所在的 摩擦學系統中，各種因素作用的響應。因此，外部或內部條件的任何一種變 化（甚至是微小的變化），既會引起量的變化（磨損增加或減少），也會引 起質的變化，包括某一種形態的磨損在多種磨損形態共存中各自所占的比重， 以及各種形態的磨損之間的相互作用與相互轉化。 磨損現象的這種復雜性往往是使室內試驗的結果難于應用于工程 實際的主要原因之一，為此，必須從本質上深入研究磨損機理，以建 立能綜合闡明磨損發生與發展規律性的統一的磨損理論，否則，就不 可能期望在磨損的預防與控制上取得根本性的突破。 二、磨損理論的研究進展 嚴格地說，到目前為止，還沒有一種完善的磨損理論能闡 明各種形態的磨損現象的共同本質及其發生與發展的普遍規律。 下面僅簡要介紹這方面的研究進展情況。 這是最早提出的一種磨損理論。這種理論認為磨損是摩擦副中 界面上一側的微凸體推壓并切掉另一側微凸體的現象，即把