摩擦与磨损

表面摩擦与磨损

一、摩擦与磨损的定义

摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。

据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的 30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。

二、摩擦的分类及评价方法

在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2－1所示。

图2-1 摩擦状态

1、 干摩擦

当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦（见图 2-1a），工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。

2 、边界摩擦

当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦（见图 2-1b）。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。

在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度。

3 、流体摩擦

当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦（见图 2－1c）。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。

4 、混合摩擦

当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态（见图 2－1d）。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多。

三、磨损的分类及评价方法

摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降

低，同时还会影响机器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪声与能耗增大，甚至造成机器报废。通常，零件的磨损是很难避免的。但是，只要在设计时注意考虑避免或减轻磨损，在制造时注意保证加工质量，而在使用时注意操作与维护，就可以在规定的年限内，使零件的磨损量控制在允许的范围内，就属于正常磨损。另一方面，工程上也有不少利用磨损的场合，如研磨、跑合过程就是有用的磨损。

图3-1 零件的磨损曲线

3.1 工程实践表明，机械零件的正常磨损过程大致分为三个阶段：初期磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，如图3-1所示。

1)初期磨损阶段

由图 3－1可见，机械零件在初期磨损阶段的特点是在较短的工作时间内，表面发生了较大的磨损量。这是由于零件刚开始工作时，表面微凸出部分的曲率半径小，实际接触面积小，造成较大的接触压强，同时曲率半径小也不利于润滑油膜的形成与稳定。所以，在开始工作的较短时间内磨损量较大。

2)稳定磨损阶段

经过初期磨损阶段后，零件表面磨损的很缓慢。这是由于经过初期磨损阶段后，表面微凸出部分的曲率半径增大，高度降低，接触面积增大，使得接触压强减小，同时还有利于润滑油膜的形成与稳定。稳定磨损阶段决定了零件的工作寿命。因此，延长稳定磨损阶段对零件工作是十分有利的。工程实践表明，利用初期磨损阶段可以改善表面性能，提高零件的工作寿命。

3)剧烈磨损阶段

零件在经过长时间的工作之后，即稳定磨损阶段之后，由于各种因素的影响，磨损速度急剧加快，磨损量明显增大。此时，零件的表面温度迅速升高，工作噪声与振动增大，导致零件不能正常工作而失效。在实际中，这三个磨损阶段并没有明显的界限。

在机械工程中，零件磨损是一个普遍的现象。尽管，人类已对磨损开展了广泛的科学研究，但是从工程设计的角度看，关于零件的耐磨性或磨损强度的理论仍然不十分成熟。因此，本书仅从磨损机理的角度对磨损的分类作一介绍。

3.2 根据磨损的机理，零件的磨损可以分为：粘着磨损、腐蚀磨损、磨料磨损和接触疲劳磨损。

1)粘着磨损

在摩擦副表面间，微凸出部分相互接触，承受着较大的载荷，相对滑动引起表面温度升高，导致表面的吸附膜（如油膜，氧化膜）破裂，造成金属基体直接接触并“焊接”到一起。与此同时，相对滑动的切向作用力将“焊接”点，即粘着点，剪切开，造成材料从一个表面上被撕脱下来粘附到另一表面上。由此形成的磨损称为粘着磨损。通常多是较软表面上的材料被撕脱下来，粘附到较硬的表面上。零件工作时，载荷越大，速度越高，材料越软，粘着磨损越容易发生。粘着磨损严重时也称为“胶合”。

影响粘着磨损的主要因素；同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高，在一定范围内的表面粗糙度越高抗粘着能力越强，此外粘着磨损还与润滑剂、摩擦表面温度及压强有关。

在工程上，可以从摩擦副的材料选用，润滑和控制载荷及速度等方面采取措施来减小粘着磨损。

2)腐蚀磨损

在机器工作时，摩擦副表面会与周围介质接触，如有腐蚀性的液体、气体、润滑剂中的某种成分，发生化学反应或电化学反应形成腐蚀物造成的磨损，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损过程十分复杂，它与介质、材料和温度等因素有关。响腐蚀磨损的主要因素；周围介质、零件表面的氧化膜性质及环境温度等。 3 )磨料磨损

落入摩擦副表面间的硬质颗粒或表面上的硬质凸起物对接触表面的刮擦和切削作用造成的材料脱落现象，称为磨料磨损。磨粒磨损造成表面成现凹痕或凹坑。硬质颗粒可能来自冷作硬化后脱落的金属屑或由外界进入的磨粒。加强防护与密封，做好润滑油的过滤，提高表面硬度可以增加零件耐磨粒磨损的寿命。粒磨损与摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关。

4)接触疲劳磨损

在接触变应力作用一段时间后，摩擦副表面会出现材料脱落的现象，这称为接触疲劳磨损。接触变应力作用一段时间后造成的材料脱落会不断地扩展，形成成片的麻点或凹坑，导致零件失效。

在实际中，零件表面的磨损大都是几种磨损作用的结果。因此，在机械设计中，一定要根据零件的具体工况，从结构、材料、制造、润滑和维护等方面采取措施提高零件的耐磨性。

影响接触疲劳磨损的主要因素有；摩擦副材料组合、表面光洁度、润滑油粘度以及表面硬度等。

3.3 对磨损的常用评价方法有:磨损量、耐磨性、磨损率

1) 磨损量,由于磨损引起的材料损失量称为磨损量，它可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。

2) 磨损率,以单位时间内单位载荷下材料的磨损量表示。

3) 耐磨性,又称耐磨耗性。指材料抵抗磨损的性能，它以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。材料的耐磨损性能，用磨耗量或耐磨指数表示。