摩擦学原理磨损规律
摩擦学第五章磨损
金属/ 非金属 1.7X10-6 1.7X10-6
润滑良好
润滑极好
10X10-6
3X10-7
2X10-6
1X10-7
0.3X10-6
0.3X10-7
1.7X10-6
3.3X10-7
影响因素：
1）载荷 载荷引起表面塑性变形必然导致温度升高，引起粘着。载荷达到 一临界值可发生胶合的值称为临界载荷。
2）温度 温度升高可引起粘着，使表面膜破坏引起粘着发生的温度称为 临界失效温度。 影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v，其中速 度影响较大，因此有时把pv值作为控制粘着磨损和防止胶合发生的 一个参数。
（4）磨损系数
K WH / Nvt
式中，w—磨损量；H—材料硬度； v—速度；t —时间；N —正压力。 磨损系数表示磨损量与工况之间的关系，当载荷与速度为已知，并可 求出一定工况下的磨损系数时，就可估算磨损量，以预测摩擦学系统的寿 命。也可根据磨损系数来确定磨损类型，因为不同的磨损类型具有不同的 磨损系数。
a
，产生磨屑的概率
k ，则滑动 L 距离磨损体积：
v kN p
2 k F a3 n L 3 3 s
分析
粘着磨损的体积磨损率与法向载荷N (或正压力p)成正比，而与软金属材 料的屈服强度(或布氏硬度HB值)成反比。
当正压力 p
因此，在设计时应保证正压力不超过材料的布氏硬度的三分之一。 体积磨损率随着粘着磨损的磨损系数的增大而增大，而后者主要取决于摩 擦表面的润滑状况和两滑动金属相互牢固地粘着的趋向。 此外，磨损率与滑动速度无关。
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。磨合属于这种磨损。
《机械设计》第三节-摩擦-磨损-润滑
t
度不会继续改变，所占时
间比率较小
O
时间t
2、稳定磨损阶段
经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦
条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命
3、急剧磨损阶段 经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载振动
→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效
二、磨损的类型
弹性变形
流体摩擦（润滑）
塑性变形
边界膜
边界摩擦（润滑）—最低要求
边界膜 液体
液
混合摩擦（润滑）
边界膜
液体
一、干摩擦
摩擦理论： 库仑公式 Ff f () Fn
新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论
简单粘着理论：
Ff
Ar B
Fn
sy
B
a
n
Ar Ari i 1
f () Ff B Fn sy
（3）条件粘度（相对粘度）—恩氏粘度
3、影响润滑油粘度的主要因素
（1）温度 润滑油的粘度随着温度的升高而降低
粘度指数VI ，35，85，110
（2）压力
p 0 ep
P>10MP时，随P↑→ηP↑
4、配油计算
K v vB vA vB
配油比
1、根据摩擦面间存在润滑剂的状况，滑动摩擦分
为哪几种？ 2、获得流体动力润滑的基本条件是什么？
3、典型的磨损分哪三个阶段？磨损按机理分哪几 种类型？
4、什么是流体的粘性定律？
5、粘度的常用单位有哪些？影响粘度的主要因素是 什么？如何影响？
6、评价润滑脂和润滑油性能的指标各有哪几个？
润滑油压分布
v1
v2
摩擦磨损试验
实验四摩擦学基础实验（1学时）一.实验目的1•通过实验了解不同材料配副摩擦系数的变化及磨损量的不同。
2.掌握摩擦学实验的基本方法及有关仪器设备的使用方法。
二.实验原理1•概述摩擦表面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。
在一般正常工作状态下，磨损可分三个阶段：（1）.跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。
（2）.稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。
（3）•剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动，摩擦温度迅速升高，说明零件即将失效。
（如图4.1）S跑合摩擦行程（时间〉图4.1磨损三个阶段的示总图机件磨损是无法避免的。
但是如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧烈磨损的到來，是研究者致力的方向。
伯韦尔（Bunvell）根据磨损机理的不同，把粘着磨损，磨粒磨损、腐蚀磨损和表面疲劳磨损列为磨损的主要类型，而把表面侵蚀，冲蚀等列为次要类型。
这些不同类型的磨损，可以单独发生，相继发生或同时发生（称为复合磨损形式）。
2磨损的检测与评定研究磨损要通过各种摩擦磨损试验设备，检测摩擦过程中的摩擦系数及磨损量（或磨损率）。
摩擦过程中从表面上脱落下来的材料（磨屑），记录了磨损的发展历程，反映了磨损机理，描述了表面磨损的程度。
发生磨损后的表面，同样有着磨损机理、磨损严重程度及其发展过程的记载。
因此研究磨屑和磨损后表面上的信息是研究磨损的重要一环。
2.1摩擦磨损试验机磨损试验的目的在于研究各种因素对摩擦磨损的影响，从而合理地选择配对材料，采用有效措施降低摩擦、磨损，正确设计摩擦副的结构尺寸及冷却设施等等。
摩擦磨损试验大体上可分为实验室试验，模拟试验或台架试验，以及使用试验或全尺寸试验三个层次，各层次试验设备的要求各不相同。
（1）实验室评价设备实验室设备主要用于摩擦磨损的基础研究，研究工作参数（载荷、速度等）对摩擦磨损的影响。
可以得到单一参量变化与摩擦磨损过程之间的关系。
摩擦学中的磨损机理研究
摩擦学中的磨损机理研究摩擦学是机械工程领域的一个重要分支，它研究的是物体在相对运动过程中所产生的摩擦和磨损现象，以及如何减少这些现象对机械装置的影响。
其中，磨损是摩擦学中一个非常重要的现象，对于机械装置的稳定性、寿命和优化设计都有着重要的影响。
因此，研究摩擦学中的磨损机理具有非常重要的意义。
1. 磨损机理的基本概念磨损是指机械装置在运动中的各个部件之间摩擦相互作用的结果，导致表面材料不断受到磨损，最终导致机械部件的寿命减少。
磨损机理研究的核心问题是要找到磨损过程中的关键因素，并由此导出可控制或减少磨损的方法。
磨损机理的研究范围涉及关键表面、运动方式、材质选择等各种因素。
2. 磨损机理的分类根据磨损过程产生的原因，磨损机理可以分为若干类别。
受力磨损是由于材料表面受到疲劳或压力等作用，导致表面损坏发生。
磨粒磨损是由材料表面摩擦沙粒、微小颗粒等硬质物质导致的表面磨损现象。
化学磨损是由于化学反应产生的腐蚀作用等导致表面逐渐损坏。
电化学磨损是由于表面与介质中的电解质在电化学过程中对表面的腐蚀作用产生的磨损现象。
最后，磨损机理也可以根据磨损过程产生的不同阶段来分类，如初始阶段、稳态阶段和失耗阶段等。
3. 磨损机理的影响因素磨损机理的产生受到多种因素的影响，不同因素的影响程度也不同。
例如，工作环境中的温度变化、表面材料的硬度、表面粗糙度、润滑剂的添加和压力等因素都会对磨损机理的产生产生重要的影响。
其他因素也可能影响磨耗的发生，如表面清洁度、紊流、润滑剂的粘度、温度和化学成分等。
4. 磨损机理的研究现状对于磨损机理的研究一直是摩擦学研究的重点，许多研究人员致力于解决这个问题。
研究方法包括试验、实验模拟和数值仿真等。
例如，试验可以直接模拟各种不同的工作环境来研究磨损机理的产生机理。
实验模拟利用不同材料的样品来模拟磨损过程，通过比较和分析不同材料的磨损性能来深入了解磨损机理产生和发展的规律。
数值仿真则可以通过计算机模拟磨损过程来评估磨损机理的影响因素及其作用程度。
磨损及磨损理论
粘着结合强度比两基体金属的抗剪强度都高，切应力高于粘着结合强度。 剪切破坏发生在摩擦副金属较深处，表面呈现宽而深的划痕。
此时表面将沿着滑动方向呈现明显的撕脱，出现严重磨损。如果滑动继 续进行，粘着范围将很快增大，摩擦产生的热量使表面温度剧增，极易出现 局部熔焊，使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。 这种破坏性很强的磨损形式，应力求避免。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查， 轮胎压痕(SEM 5000X) 联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
1.6
磨损过程的一般规律：
1、磨损过程分为三个阶段:
表面被磨平， 实际接触面 积不断增大， 表面应变硬 化，形成氧 化膜，磨损 速率减小。
随磨损的增长，磨耗 增加，表面间隙增大， 表面质量恶 化，机件快速失效。
斜率就是磨损速率，唯一稳定值； 大多数机件在稳定磨损阶段（AB 段）服役； 磨损性能是根据机件在此阶段 的表现来评价。
（3）磨损比
冲蚀磨损过程中常用磨损比(也有称磨损率)来度 量磨损。
Hale Waihona Puke 材料的冲蚀磨损量（g或μ m 3） 磨损比＝ 造成该磨损量所用的磨料量（g）
它必须在稳态磨损过程中测量，在其它磨损阶段 中所测量的磨损比将有较大的差别。 不论是磨损量、耐磨性和磨损比，它们都是在一 定实验条件或工况下的相对指标，不同实验条件或 工况下的数据是不可比较的。
当材料产生塑性变形时，法向载荷W与较软材料的屈服极限σy之间的关系：
（1）
当摩擦副产生相对滑动，且滑动时每个微凸体上产生的磨屑为半球形。 其体积为(2/3)πa3，则单位滑动距离的总磨损量为:
摩擦磨损基本原理
4.犁沟效应
犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑 动中推挤软金属，产生塑性流动并划出一条沟槽。 犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损 和檫伤磨损中，为主要分量。
硬金属表面的粗糙峰由许多半角为θ 的圆锥体组成，在法向载荷作用下，硬 峰嵌入软金属的深度为h，滑动摩擦时， 只有圆锥体的前沿面与软金属接触。 接触表面在水平面上的投影面积A =πd2/8； 在垂直面上的投影面积S=dh/2。 如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限为σs，于是 法向载荷W和犁沟力Pe 分别为
定律三：摩擦系数与滑动速度无关。虽然对于金属材料基 本符合，而对粘弹性显著的弹性材料，摩擦系数则明显与滑 动速度有关。
特别注意：在古典摩擦定律中，摩擦系数µ是一个常数。 大量的试验指出，很难确定某种摩擦副固定的摩擦系数， 仅在一定的环境(湿度温度等)和工况(速度和载荷等)下，对 于一定的材质的摩擦副来说，µ才有可能是一个常数。如在 正常的大气环境下，硬质钢摩擦副表面的µ为0.6，但在真 空下，其µ可达到2.0。 因此，通过摩擦试验测得试样的摩擦系数时，必须注明 试验条件，否则所得的试验数据没有意义。
a.金属的整体机械性质：如剪切强度、屈服极限、硬度、弹 性模量等，都直接影响摩擦力的粘着项和犁沟项。 b. 晶态材料的晶格排列：在不同晶体结构单晶的不同晶面 上，由于原子密度不同，其粘着强度也不同。如面心立方晶 系的Cu的(111)面，密排六方晶系的Co的(001)面，原子密度 高，表面能低，不易粘着。
对金属间的摩擦而言，主要是粘着作用，其次是“犁沟”作用。 而材料的弹性变形引起的能量消耗很小，因而对总摩擦阻力的 影响很小，故可忽略不计，因此摩擦阻力可用下式表达：
F = F 剪 + F犁
机械摩擦与磨损
机械摩擦与磨损摩擦是物体之间接触表面相对运动时产生的力的阻碍，常常引起能量损耗和磨损。
机械摩擦和磨损是一个广泛研究的领域，涉及到材料科学、工程学和物理学等多个学科。
本文将探讨机械摩擦与磨损的原理、常见磨损机制以及减少磨损的方法。
一、机械摩擦和磨损的原理机械摩擦力的产生主要是由于不同物体之间的相互作用力和物体表面形状的不规则性。
当两个物体之间存在相对运动时，它们表面原子之间的接触力导致了摩擦力的产生。
这一过程中，表面的微小凸起和凹陷随着相对运动被磨损，导致能量损耗和材料表面的物质消耗。
二、常见的磨损机制1. 粘着磨损：当两个物体相对运动时，表面原子之间的吸引力会导致粘着现象，使得物体表面材料被剥离或形成痕迹。
2. 疲劳磨损：循环加载和卸载会导致材料发生应力变化，造成表面微裂纹的扩展和最终的磨损。
3. 磨粒磨损：在摩擦过程中，杂质和硬颗粒被夹在物体表面之间，造成局部的损伤和表面磨损。
4. 腐蚀磨损：在特定环境中，例如润滑剂失效或者氧化性环境下，腐蚀会导致材料表面的腐蚀和磨损。
三、减少磨损的方法1. 润滑：通过在摩擦表面施加润滑剂，可以降低表面之间的接触力，减少摩擦和磨损。
2. 表面处理：表面涂层、氮化和硬质合金等技术可以增强材料的抗磨损性能，减缓磨损过程。
3. 设计优化：通过改变物体的几何形状和表面纹理，可以减少摩擦力的发生和磨损的产生。
4. 材料选择：选择具有高硬度和耐磨损特性的材料，可以有效地延长材料的使用寿命。
5. 磨损监测与维护：定期监测机械设备的磨损状况，及时进行维护和更换磨损部件，以减少不必要的磨损。
结论机械摩擦和磨损是工程和科学研究中一个重要的问题。
通过了解磨损的原理和机制，以及采取有效的减少磨损的方法，可以延长材料的寿命，提高设备的效率，并减少资源的浪费。
在未来的研究中，我们还需要进一步探索新的材料和技术，以应对不同工况和环境下的磨损问题。
摩擦力学的磨损特性分析
摩擦力学的磨损特性分析摩擦力学是研究摩擦行为和力学性质的学科。
在实际应用中，摩擦力学对于磨损特性的分析有着重要的意义。
本文将通过对摩擦力学的磨损特性进行分析，探讨其在实际应用中的重要性和应用前景。
1. 摩擦力学的概念和基本原理摩擦力学是研究摩擦行为的力学学科，涉及到摩擦力的产生机制，摩擦副的特性以及与其相关的磨损现象。
基于阿基米德原理和牛顿第三定律，摩擦力学通过摩擦系数、压力和相对运动速度等参数对摩擦行为进行描述和定量分析。
2. 磨损现象与机理磨损是摩擦力学中重要的研究对象，它指的是物体表面因为相对运动而损失材料的现象。
磨损可以通过磨损模式进行分类，常见的磨损模式包括磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等。
不同的磨损模式有不同的机理，因此对于摩擦力学的磨损特性进行分析需要考虑这些不同的机理。
3. 摩擦力学的磨损特性分析方法在摩擦力学的磨损特性分析中，常用的方法包括实验测试、数值模拟和理论分析等。
实验测试可以通过模拟实际工况来获取实际磨损情况的数据，数值模拟则可以通过计算机仿真来预测磨损行为。
理论分析则是通过建立摩擦力学的数学模型和方程进行分析，从而得到磨损特性的定量描述。
4. 摩擦力学的磨损特性在实际应用中的重要性摩擦力学的磨损特性对于实际应用具有重要的意义。
在机械工程领域，磨损是机械零部件寿命的重要影响因素。
通过对磨损特性的分析和评估，可以选择适当的材料和润滑方式，延长机械零部件的使用寿命。
在摩擦学中，对于摩擦材料的选择和摩擦副的设计也需要考虑磨损特性，以确保正常工作和可靠性。
5. 摩擦力学的磨损特性分析的应用前景随着科学技术的发展，摩擦力学的磨损特性分析得到越来越广泛的应用。
在材料科学中，通过对摩擦力学的磨损特性进行分析，可以设计和合成具有良好磨损性能的新材料。
在工程应用中，通过对摩擦副的优化和润滑方式的改进，可以提高机械系统的效率和可靠性。
总结：摩擦力学的磨损特性分析是研究摩擦行为和力学特性的重要方面。
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使工作条件急剧恶化，而导致零件完全失效。
5.1.2 磨合磨损
• 加工装配后的摩擦副表面具有微观和宏观几何缺陷，使配合面在开始摩 擦时的实际接触峰点压力很高，因而磨损剧烈。在磨合过程中，通过接 触峰点磨损和塑性变形，使摩擦副接触表面的形态逐渐改善，而表面压 力、摩擦系数和磨损率也随之降低，从而达到稳定的磨损率进入正常磨 损阶段。按照欧洲经济合作和发展组织（OECD）的工程材料磨损小组 的定义，磨合是机械零件在使用初期，改善其适应性、表面形貌和摩擦 相容性的过程。可认为是形成表面氧化膜等的化学过程和形变硬化等的 冶金过程。
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
• 各种磨损形式有着不同的作用机理：磨粒磨损(Abrasive Wear )主要是 犁沟和微观切削作用；粘着磨损(Adhesive Wear )过程与表面间分子作 用力和摩擦热密切相关；接触疲劳磨损(Contact Fatigue Wear )是在循 环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果；而氧化和腐蚀磨损 (Oxidation and Corrosive Wear )则由环境介质的化学作用产生。
• 实际的磨损现象通常不是以单一形式出现，而是以一、两种为主，几种 不同机理的磨损形式综合表现的。
• 随着工况条件的变化，实际机械零件的主要磨损形式也会相应改变。图 5.1给出了齿轮失效方式随着载荷和速度的变化情况。在这一章中，磨 损被视作综合的表面损伤现象，讨论磨损变化规律、影响因素和抗磨措 施。
图5.5是塑性指数曲线。 随磨合时间的延续， 经过磨合磨损表面由 塑性接触过渡到弹塑 性接触，甚至弹性接 触状态。
2．磨合规范
• 采用不同的磨合规范可以使磨合时间、磨合磨损量以及磨合后的磨损率 有很大的不同。实践证明：良好的磨合能够使摩擦副的正常工作寿命提
高1~2倍。 • 在图5.6中，若以下标0表示的是磨合磨损的物理量；而以下标a表示的
5.1.2 磨合磨损
1．表面形貌与性能的变化
• 生产实践中，主要有四种磨合方式，即干摩擦条件下的磨合、普通润滑 油中的磨合、添有磨料润滑油中的磨合和电火花磨合。在有润滑油的磨 合磨损中，除粘着磨损和磨粒磨损主要机理外，同时还存在化学磨损、 疲劳磨损、冲蚀磨损、气蚀磨损和电化磨损等多种复杂机理。在添有磨 料润滑油中的磨合中，采用的磨料有微米固体颗粒和纳米固体颗粒，研 究人员将微米和纳米固体粉末混合在一起作为磨料，取得了较好的磨合 效果。电火花磨合是利用放电原理使运转的摩擦副达到磨合的目的。
为稳定磨损的物理量。令磨损率为单位时间的磨损量，则有：
•
dQ
dT
a tg
（5.1）
• 总磨损量Q=Q0+Qa，而稳定磨损量Qa=aT知：正常磨损寿命TTa a随1着a (QQ0和Q0 a) 的减小而增加。（5.2）
2．磨合规范
三种磨合规范的磨合曲线
2．磨合规范
• 由此可知：考虑表层材料在磨损过程中的动态特性和破坏特点，以及材 料与周围介质的作用等等，对于建立磨损理论及其计算方法具有十分重 要的意义，而这一任务的复杂性使得磨损计算至今还不能满足应用的要 求。
5.1 磨损过程曲线
5.1.1 磨损过程曲线
• 图5.2给出了典型的磨损曲线，它表示磨损量Q随时间T的变化关系。各 种磨损曲线通常由表示三种不同的磨损变化过程中三个阶段组成。
• 不同摩擦副结构和性质以及不同磨合工况，其磨合磨损机理的构成都不 一样。
1．表面形貌与性能的变化
• 磨合阶段的磨损形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。特别是在表面粗糙度 较高，两表面硬度相差较大时，表面微凸体的机械相互作用，硬的微凸 体对较软表面的犁削作用，更是磨合初期的主要磨损形式。随着磨合磨 损过程的进行，表面粗糙度将发生变化，正常的情况是粗糙度下降，磨 粒磨损或微凸体机械作用的磨损逐渐减少，直至进入磨损的持续阶段。
，良好的磨合还能够有效地改善 摩擦副其它性能。如图5.8所示， 滑动轴承经磨合后可以改善表面 形貌，使轴承临界特性数降低， 更利于建立流体动压润滑膜。又 如发动机的合理磨合提高了缸套 活塞环的表面品质，减少擦伤痕 迹，提高密合性，可使发动机的 耗油量较一般情况下降达50%。
3．提高磨合性能的措施
• 良好的磨合性能表现为磨合时间短，磨合磨损量小，以及磨合后的表面 耐磨性高。为提高磨合性能一般可采取以下措施：
• 选用合理的磨合规范 • 选择适当的润滑油和添加剂 • 采用合适的材料配对 • 控制制造精度和表面粗糙度
5.2 影响磨损因素
图5.2 磨损过程曲线
5.1.1 磨损过程曲线
• 组成磨损曲线的三种磨损阶段为： • I．磨合磨损(Running-in Wear Process )阶段：磨损率随时间增加而逐
渐降低。它出现在摩擦副开始运行时期。 • II．稳定磨损(Steady Wear Process )阶段：摩擦表面经磨合以后达到
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
图5.1 齿轮失效方式 failure mode of gear
第五章 磨损规律 Wear Characteristics
• 近年来通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了 一些磨损理论，它们是磨损计算的基础。
• 磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征。而这些特征与通常的强 度破坏很不相同。例如摩擦副的实际接触点是离散的和变化的，因而摩 擦副承载材料的体积很小并在磨损过程中不断变化。
• 通过磨合磨损不仅使摩擦副在几何上相互贴服，同时还使表面层的组织 结构发生变化，获得适应工况条件的稳定的表面品质。
1．表面形貌与性能的变化
Ra
磨合过程中粗糙度Ra 值的变化
1．表面形貌与性能的变化
图5.4表示较硬摩擦副 表面磨合前后表面形 貌变化。磨合使接触 面积显著地增加和峰 顶半径增大。
1．表面形貌与性能的变化