2.2　材料的磨損

磨損就是物體工作表面由于相對運動而不斷損失的現象。它是伴隨摩擦而產生的必然結果，沒有摩擦就談不到磨損。磨損現象復雜，涉及的問題范圍很廣，各種影響因素錯綜復雜，僅對表面做宏觀觀察常常難以徹底認識其機理與規律。磨損之所以受到人們的重視，主要是因為磨損失效導致的損失十分驚人，同時造成的大量的人身傷亡事故。據統計，磨損、斷裂和腐蝕是機械零件失效的三種形式，其中磨損失效是包括航空材料在內的機電材料失效的主要原因，約有70%～80%的設備損壞是由于各種形式的磨損引起的。因此研究磨損機理和抗磨性措施，是有效地節約材料、提高機械使用壽命和安全穩定性的唯一方法，這對我國國民經濟的發展尤其是航天事業的發展具有重要的意義。

磨損問題已成為科學家十分關注的問題之一，關于磨損機理的探究、磨損表面的測試方法以及由磨損衍生的相關學科都得到相應的發展。

目前，對磨損的研究主要有以下幾個方面。

① 磨損發生的條件、特征和規律。

② 磨損的影響因素：摩擦副材料、環境介質、表面形態、速度、載荷、表面溫度、材料轉移等參數。

③ 抗磨損的措施、測試方法、實驗分析。

④ 磨損機理、研究磨損的模型、計算方法和磨損的分形。

為了反映零件的磨損，常常需要用一些參量來表征材料的磨損性能。常用的參量有以下幾種：

① 磨損量　由于磨損引起的材料損失量稱為磨損量，它可通過測量長度、體積或質量的變化而得到，并相應稱它們為線磨損量、體積磨損量和質量磨損量。

② 磨損率　以單位時間內材料的磨損量表示，即磨損率I=dV/dt（V為磨損量，t為時間）。

③ 磨損度　以單位滑移距離內材料的磨損量來表示，即磨損度E=dV/dL（L為滑移距離）。

④ 耐磨性　指材料抵抗磨損的性能，它以規定摩擦條件下的磨損率或磨損度的倒數來表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。

⑤ 相對耐磨性　指在同樣條件下，兩種材料（通常其中一種是Pb-Sn合金標準試樣）的耐磨性之比值，即相對耐磨性ε_w=試樣耐磨性/標樣耐磨性。

目前，出現的磨損分類很多，沒有完全統一的標準，通常情況下，磨損的分類見表2.1。

表2.1　磨損的分類

一個摩擦學系統的磨損形式往往是這幾種磨損形式的綜合作用，一般一段時期以某種磨損形式為主，并伴有其他形式的磨損。

2.2.1　黏著磨損

當摩擦副表面相對滑動時，由于黏著效應所形成的黏著結點發生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損統稱為黏著磨損。

根據黏著點的強度和破壞位置不同，黏著磨損有幾種不同的形式，從輕微磨損到破壞性嚴重的膠合磨損。它們的磨損形式、摩擦系數和磨損度雖然不同，但共同的特征是出現材料的遷移，以及沿滑動方向形成程度不同的劃痕。

（1）輕微黏著磨損

當黏結點的強度低于摩擦副的強度時，往往剪切發生在結合面上。此時摩擦系數不斷增大，但磨損量卻是很小，材料遷移也不顯著。通常情況下在金屬表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂層時發生的磨損屬于黏著磨損。

（2）涂抹磨損

當黏結點的強度高于摩擦副中較軟材料的剪切強度時，小于較硬金屬的強度，破壞將發生在離結合面不遠處軟材料表層內，因而軟材料黏附在硬材料表面上。這種磨損的摩擦系數與輕微磨損差不多，但磨損程度大于輕微黏著磨損。

（3）擦傷磨損

當黏結強度高于摩擦副兩材料強度時，剪切破壞主要發生在軟金屬表層內，有時也發生在硬金屬表層內。遷移到硬材料上的黏著物又充當第二相粒子的作用，使軟材料表面出現劃痕，可見，擦傷主要發生在軟材料表面。

（4）膠合磨損

當黏結點強度比摩擦副兩材料的剪切強度高得多，而且黏結點面積較大時，剪切破壞發生在一個或兩個材料距表層較深的地方。這時材料兩表面都出現嚴重的磨損，甚至出現了使摩擦副之間咬死而不能相對滑動的現象。

2.2.2　磨粒磨損

由外界硬質顆粒或硬表面的微峰在摩擦副對偶表面相對運動過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現象，稱為磨粒磨損。其特征是在摩擦副對偶表面沿滑動方向形成劃痕。例如：犁耙、挖掘機、鏟車等的磨損是典型的磨粒磨損；水輪機葉片和船槳等與含有泥沙的水之間的磨損屬于磨粒磨損；PTFE與GCr15鋼球之間由于PTFE具有自潤滑性，磨屑在兩個接觸面之間起到第二相粒子的作用，形成典型的磨粒磨損。

磨粒磨損有多種分類方法，以力的作用特點來分，可分為以下幾種。

（1）低應力劃傷式的磨粒磨損

它的特點是磨粒作用于零件表面的應力不超過磨粒的壓碎強度，材料表面被輕微劃傷。生產中的犁鏵，及煤礦機械中的刮板輸送機溜槽磨損情況就是屬于這種類型。如圖2.3所示。

圖2.3　低應力劃傷式的磨粒磨損

（2）高應力輾碎式的磨粒磨損

特點是磨料與零件表面接觸處的最大壓應力大于磨粒的壓碎強度。生產中球磨機襯板與磨球、破碎式滾筒的磨損便是屬于這種類型。如圖2.4所示。

圖2.4　高應力輾碎式的磨粒磨損

（3）鑿削式磨粒磨損

特點是磨粒對材料表面有大的沖擊力，從材料表面鑿下較大顆粒的磨屑，如挖掘機斗齒及顎式破碎機的齒板。

磨粒磨損還可以以磨損接觸物體的表面分類。

① 磨粒沿一個固體表面相對運動產生的磨損稱為二體磨粒磨損。當磨粒運動方向與固體表面接近平行時，磨粒與表面接觸處的應力較低，固體表面產生擦傷或微小的犁溝痕跡。如果磨粒運動方向與固體表面接近垂直，常稱為沖擊磨損。此時，磨粒與表面產生高應力碰撞，在表面上磨出較深的溝槽，并有大顆粒材料從表面脫落，沖擊磨損量與沖擊能量有關。如圖2.5所示。

　　

圖2.5　二體磨粒磨損

② 在一對摩擦副中，硬表面的粗糙峰對軟表面起著磨粒作用，這也是一種二體磨損，它通常是低應力磨粒磨損。

③ 外界磨粒移動于兩摩擦表面之間，類似于研磨作用，稱為三體磨粒磨損，通常三體磨損的磨粒與金屬表面產生極高的接觸應力，往往超過磨粒的壓潰強度。這種壓應力使韌性金屬的摩擦表面產生塑性變形或疲勞，而脆性金屬表面則發生脆裂或剝落。如圖2.6所示。

圖2.6　三體磨粒磨損

2.2.3　疲勞磨損

所謂的疲勞是指材料在遠低于拉伸強度的交變載荷作用下發生破裂的現象。

所謂的表面疲勞磨損是指兩個相互滾動或兼滑動的摩擦表面，在交變接觸應力的作用下，表面發生塑性變形，在表面局部引起裂紋，裂紋不斷擴大并發生斷裂，而造成的剝落現象。實際中發生表面疲勞磨損的例子非常多，例如：滾動軸承、凸輪副、齒輪副等表面都能產生表面疲勞磨損。此外摩擦表面粗糙凸峰周圍應力場變化引起的微觀疲勞現象也屬于表面疲勞磨損。

腐蝕磨損就是在摩擦過程中，由于機械作用以及金屬表面與周圍介質發生化學或電化學反應，共同引起的表面損傷。

根據介質的性質、作用于摩擦表面的狀態以及摩擦材料性能，腐蝕磨損分為：氧化磨損、特殊介質腐蝕磨損、氣蝕和微動磨損。