摩擦磨损与润滑2

第四章磨损原理123磨损的主要类型及研究 磨损的理论研究磨损检测与评定 §4-1概述4.1.1磨损的定义欧洲经济合作和发展组织（OECD）下属的工程材料磨损研究小组，将“磨损”定义为“相对运动的工作表面上材料的逐渐损耗”。美国材料试验协会（ASTM）标准中，给出磨损的定义是：由于一个物体的表面与它相接触的物质间的相对运动而造成的固体表面的损坏，通常有材料的逐渐损失。 磨损是由于机械作用或（和）化学反应，在固体的摩擦表面上产生的一种材料逐渐耗损的现象。这种损耗主要表现为固体表面尺寸和（或）形状的改变。上述定义阐明了磨损的三个主要特征：1.磨损是发生在物体上的一种表面现象。一般由于材料内部裂纹引起的典型的疲劳破坏和断裂不属于磨损的范畴； 2.磨损是发生在物体摩擦表面上的一种现象，其接触表面必须有相对运动。单纯的腐蚀和某些高分子材料表面的老化都是在静止表面上发生化学反应的结果，也不属于磨损的范畴；3.磨损必然产生物质损耗（包括材料转移），而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。因此，不产生材料逐渐损耗的、单纯的塑性变形也不属于磨损的范畴。 4.1.2磨损的基本特性磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象。只要机器零件的磨损量或磨损率在规定使用期限内不超过允许值，就可以认为是一种允许的正常磨损现象。机器零件的典型的磨损过程一般可划分为以下三个阶段：1.跑合磨损阶段:(Running-in)在一定载荷下，摩擦表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐加大，磨损速度开始很快，以后逐渐变慢，跑合后更换润滑油。 2.稳定磨损阶段:(Normal～)已建立弹塑性接触,微观几何形状发生变化,磨损量与时间成正比增加.磨损率基本上保持不变，磨损缓慢。 3.急剧磨损阶段:(Catastrophic～)零件经过长期使用后，配合间隙增大，性能和精度下降，润滑条件恶化，磨损量急剧增长。 磨损不仅是材料本身固有特性的表现，更是摩擦学系统特性的反映。同一种机器零件在不同机器中会产生不同类型或不同程度的磨损。即使在同一台机器中，不同工况也会导致不同程度甚至不同类型的磨损。机件磨损是无法避免的。但如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧烈磨损的到来，是研究者致力的方向。 磨损过程涉及到许多不同的学科领域，由于具有跨学科的性质，至今还很难将它的规律解释清楚。已经有很多学者对磨损进行了大量的研究。如20世纪20年代，汤林森提出了分子磨损的概念，他认为两个粗糙表面在接触摩擦过程中相互接近，而一个表面上的原子被另一个表面俘获的现象就是磨损。霍尔姆在上述基础上作了进一步的发展，他指出摩擦材料的压缩屈服极限σb(即硬度)对耐磨性的影响很大。50年代初，奥贝尔(Oberle)从表层材料的机械破坏着眼，联系“切削”过程来解释磨损，他认为影响磨损的主要因素除硬度H外，还有材料的弹性模量E。处在弹性极限内的，变形越大，机械破坏越少，并提出用模数(m＝E/H×105)来反映材料的耐磨性，m值高则耐磨性好。冯(Feng)提出了机械性质相近的两表面上机械嵌锁作用导致界面上既粘连又犁削的观点。布洛克(Blok)认为软钢表面变得粗糙和发生塑性变形，是由于应力过高而引起的。 拉宾诺维奇认为表面能与材料硬度之比，对于磨损是一个重要因素，它可能影响磨屑的大小。赫鲁晓夫提出了硬质微凸体在软表面上犁沟的模式图。有不少学者通过实验和观测发现，磨损是比原子量级大得多的数量级，大规模地发生着。拉宾诺维奇和阿查德(Archard)分别指出，磨损颗粒大约具有如实际接触斑点直径那样的数量级。拉宾诺维奇提出磨屑呈半球形，阿查德也认为磨屑具有一定的厚度。 在滑动或滚动过程中，表面微凸体反复承载而发生疲劳脱落的现象，有人把它看作是一种磨损，克拉盖尔斯基(Крагельский)提出了形成磨屑的数学模式，木村好次(Kimura)等人的观点也属于这一类。苏(Suh)等人提出了由于应力重复作用和应变累积而引起材料转移的观点，他指出磨屑呈细片状而不是呈半球形，同时认为材料的整体性能(硬度)不是控制磨损的因素。 关于磨损现象的解释，不同的论点都从某一角度描述了磨损某一方面的状况。还难以解释千变万化的磨损现象。随着表面微观分析仪器及电子计算技术的发展，人们对磨损的研究也由宏观进入亚微观，进而进入微观研究；由静态到动态，由定性到定量。但至今仍不能算很完善。本章主要讨论金属材料的磨损，关于非金属材料的磨损问题将稍加讲解。表征磨损特性的主要参数是磨损率，通常可采用以下三种磨损率。（1）线性磨损率（2）体积磨损率（3）重量磨损率 RL?h/Lh—磨损厚度；RV??V/LAn?V—磨损体积；RW??W/LAn??RV?W—磨损重量 4.1.3磨损的分类布维尔提出的按磨损机理的分类方法，即将磨损划分为以下几种类型：（1）粘着磨损或粘附磨损（Adhesive wear）；（2）磨料磨损或磨粒磨损（Abrasibewear）（3）疲劳磨损或表面疲劳磨损（Surface fatigue wear）（4）腐蚀磨损（Corrosive wear）或摩擦-化学磨损（Tribo-chemical wear）（5）其他，包括侵蚀磨损或冲蚀磨损（Erosive wear）和微动磨损（Fretting wear） §4.2粘着磨损摩擦副相对运动时，由于接触点上的固相焊合，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象称为粘着磨损。破坏特点：粘着点剪切破坏是发展性的，它造成两表面凹凸不平。4.2.1磨损机理接触-塑性变形-表面膜（包括油膜）破裂-粘着（冷焊）-剪断接点-再粘着的循环过程。磨损主要是以材料转移的形式表现出来，有时还会出现少量磨屑。 4.2.2主要类型按照磨损程度的不同，粘着磨损可以分为以下五类：1.轻微磨损粘着点的剪切强度比形成该粘着点的任何一方的基体金属的剪切强度都小（如锡与铁对磨），磨损发生在粘着点的界面上，材料转移十分轻微，甚至不产生材料转移。粘着结合处强度比摩擦副的两基体金属都弱2.涂抹粘着点的剪切强度介于形成该粘着点的两种基体金属的剪切强度之间（如铅与钢对磨），剪切破坏发生在较软金属的浅表层，并使该表层的材料转移到较硬金属表面上，使后者的表面上被涂抹上薄薄的一层。粘着结合处强度大于较软金属的剪切强度3.刮伤沿滑动方向形成严重的划痕，剪切破坏主要发生在较软金属的表层。粘着结合处强度比两金属基体都高，转移到硬面上的粘着物质又拉削软金属表面4.胶合表面局部温度相当高，粘着点的面积较大，由于粘着点的剪切强度比形成粘着的任何一方基体金属的剪切强度都要高，故在摩擦副的一方或双方的基体金属上产生较深层的破坏。粘着结合处强度大于任一基体的剪切强度，剪切应力高于粘着结合强度5.咬死由于粘着点的面积较大，其剪切强度也相当高，致使摩擦表面因局部熔焊而停止相对运动。粘着结合处强度比任一基体金属的剪切强度都高，而且粘着区域大，剪切应力低于粘着结合强度 4.2.3粘着磨损规律1.阿查德（Archard）的磨损量计算式Rv?KadNL3?bKad-粘着磨损的磨损系数，它表示一个微凸体在全部载荷接触下滑动时，产生一粒磨屑的概率， Rv?KadNL3?b⑴磨损量与滑动距离成正比；⑵磨损量与法向载荷成正比，而与表观面积无关；⑶磨损量与较软材料的压缩屈服极限（硬度）成反比；⑷滑动速度大体上对磨损量没有影响。缺陷？2.吉本（Yoshimoto）与筑添（Tsukizoe）的计算式 1NRV?tg?L6?bN考虑了几何性质的因素—tgθ3.罗厄（Rowe）对阿查德方程的修正罗厄考虑了表面膜的影响 RV?km?N?b?1????L122Rv?KadNL3?bRV?k?NL?b k’-被定义为磨损系数。与接触产生的概率、摩擦副的材料、几何性质、表面膜的破损程度等因素有关。4.威尔士（Welsh）的研究考虑了温度的影响。⑴温度在T1以下时，磨屑基本上是氧化物，属于轻磨损；⑵温度超过T1，进入严重磨损，特征是磨屑由金属之间焊合后再剪断而产生的，表明此时表面上在轻载时建立的氧化膜破裂，磨损由亚表层的塑性变形造成。粘着磨损的特征