通常，按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分，磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损（接触疲劳）四种基本类型。但磨损过程十分复杂，有许多实际表现出来的磨损现象不能简单地归为某一种基本磨损类型，而往往是基本类型的复合或派生，如气蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损等。

粘着磨损是指当两个金属表面在相对运动时，由于局部接触区域的粘着作用，导致材料从一个表面转移到另一个表面的磨损现象。这种磨损通常发生在金属表面具有相似硬度和化学成分的情况下。

粘着磨损一般是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的，例如，内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦副，如不考虑燃气介质的腐蚀性，主要表现为粘着磨损。

粘着磨损的过程主要包括以下几个步骤：

1. 接触和粘着：

• 当两个表面相互接触时，由于局部压力和摩擦热的作用，接触点的温度升高，导致表面材料发生微观的粘着和局部熔化。

• 在高压力区域，原子间的相互作用力使表面材料发生粘着。

• 相对运动和剪切：

  • 在外力的作用下，两个表面发生相对运动，粘着点被拉伸和剪切。

  • 由于相对运动，粘着点破裂，部分材料从一个表面转移到另一个表面，形成磨屑。

• 磨屑的形成和脱落：

  • 被剪切和拉伸的粘着点最终断裂，形成微小的磨屑。

  • 这些磨屑在进一步的相对运动中被带走或残留在表面，导致表面进一步磨损。

 

粘着磨损机理如图2所示。粘着磨损的磨损表面形貌为锥刺、鳞尾、麻点等，如图3所示。 



图2 粘着磨损机理示意图



 图3 粘着磨损的失效形貌

粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。如气缸套与活塞环、曲轴与轴瓦、轮齿啮合表面等，皆可能出现不同粘着程度的磨损。涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。

02
影响粘着磨损的因素

材料特性、法向力、滑动速度以及温度等均对粘着磨损有明显影响。

塑性材料比脆性材料易于粘着；互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；单相金属比多相合金粘着倾向大；化合物比固溶体粘着倾向小；金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属的摩擦副不易粘着。

在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加。试验指出，当接触压应力超过材料布氏硬度的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时甚至会产生咬死现象。因此，设计选材的许用压应力必须低于材料布氏硬度值的1/3，以免产生严重的粘着磨损。

在法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而增加。但达到某一极大值后又随滑动速度增加而减小，如图4所示。这可能是由于滑动速度增加时，接触表面温度升高，材料剪断强度下降，使粘着磨损量增加，而滑动速度过大又使塑性变形不能充分进行而延缓了粘着点的长大，使磨损量减小。



图4 磨损量与滑动速度的关系

03
提高粘着磨损耐磨性的措施

防止或减少粘着磨损须从设计、选材、润滑和加工工艺等方面来综合采取措施。

首先，注意摩擦副配对材料的选择。其基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对；选用表面易形成化合物的材料配对；在受力较小时，选用金属与高分子材料配对等。在滑动轴承中，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。

其次，因为磨损发生在表层，所以最经济有效的方法是提高零件表面的耐磨性，如采用表面热处理、化学热处理、电镀、喷涂、堆焊、表面覆膜技术和离子注入技术等。

此外，控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。降低摩擦副表面粗糙度和摩擦表面温度，改善润滑状态等都可降低粘着磨损量。

 

二、磨料磨损

01
概念

运动的硬颗粒使被摩擦的构件表面产生破损而 分离出磨屑或划伤的磨损现象，称为磨粒磨损，又称磨料磨损。磨粒磨损很少是由一种单一的磨损机制引起的，常常是多种磨损机制的相互作用，并随磨损条件的变化从一种磨损机制转变为另一种磨损机制。



图5 磨粒磨损的四种机制

磨料磨损是最常见的、同时也是危害最为严重的磨损形式。在各类磨损形式中，磨料磨损大约占总消耗的50%。

 

02
磨料磨损的机理和影响因素

 

（1）磨料磨损机理 

磨料磨损可能是磨粒对摩擦表面产生的切削作用、塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映，并以某一损坏方式为主。磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽或磨屑，如图6所示。



 图6 磨粒磨损表面的犁沟和磨屑(SEI)

a)犁沟;b)磨屑

 

当磨料硬度较高且棱角尖锐时，磨料犹如刀具一样，在切应力作用下，对金属表面进行切削。这些切削一般较长而深度较浅。实际上，磨料形状一般比较圆钝，而且材料表面塑性较高，磨料在材料表面滑过后只能犁出一条沟槽来，使两侧金属发生塑性变形而堆积起来，在随后的摩擦过程中，这些被堆积部分又被压平，如此反复地塑性变形，导致裂纹形成而引起剥落。因此，这种磨损实际上是疲劳破坏过程。硬而脆的材料遇到磨粒磨损时，由于磨料不易刺入材料使材料发生塑性变形，更不易被切削，这时材料常常是以脆性断裂、微观剥落的机制发生迁移，宏观上便是发生了磨损。



图7 三种不同形式的磨粒磨损形貌 

（2）影响磨料磨损的因素

 磨料磨损的影响因素很多，十分复杂，还包括了外部载荷、磨料硬度和颗粒大小、相对运动情况、环境介质以及材料组织和性能等。影响磨料磨损的因素有零件材料的内部因素和磨粒等的外部因素。

材料的硬度是影响磨料磨损最大的因素。一般来说材料的硬度（正确地说是材料磨损后的表面硬度）越高，则耐磨性越高。对纯金属和退火钢，耐磨性大致与硬度成正比。经热处理的钢，其耐磨性也随着硬度的提高而提高，只是提高的程度稍低。对于像石英和陶瓷等硬度很高的材料，硬度过高后耐磨性反而下降，这是由于断裂韧度下降，容易发生脆性碎裂使磨损增大。

外部因素中影响较大的是零件材料硬度Hm与磨粒硬度Ha的比值。当Hm/Ha>0.8时，零件材料的耐磨性迅速提高；当Hm/Ha<0.8时，零件材料的耐磨性低。前者称为软磨料磨损，后者称为硬磨料磨损。因此，要提高材料的耐磨性，材料的硬度必须大于磨粒硬度80%，这是选择材料的一个比较关键性问题。

此外，磨料的粒度、几何形状和组成等对磨损也有影响。

03
提高磨料磨损耐磨性的措施

提高零件耐磨料磨损性能的方法，首先是选择材料。对于以切削作用为主要机理的磨粒磨损应增加材料硬度，材料的硬度必须大于磨料硬度80%，可使磨损量减得很小，这是提高耐磨性的最有效措施。如选择中、高碳钢和含铬、锰的合金钢淬火获得马氏体组织，采用高锰钢、普通白口铸铁、合金白口铁、粉末冶金减摩和耐磨材料、金属陶瓷、陶瓷等，都可得到高硬度和高耐磨性。但如果磨料磨损机理是塑性变形，或塑性变形后疲劳破坏（低周疲劳）、脆性断裂，则提高材料韧性对改善耐磨性是有益的。

其次，采用表面热处理和化学热处理，或用硬合金表面堆焊、热喷涂和其他表面涂覆方法，也能有效地提高磨料磨损耐磨性。另外，经常注意工件防尘和清洗，加装防护密封装置等，防止大于1μm磨粒进入接触面也是有效的措施。

三、腐蚀磨损

腐蚀磨损是指摩擦副表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象称为腐蚀磨损。腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损（粘着磨损或磨粒磨损）共存，故又称腐蚀机械磨损。

腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。常见的腐蚀磨损有氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、冲蚀磨损等。

01
氧化磨损

除金、铂等少数金属外，大多数金属表面都被氧化膜覆盖着，纯净金属瞬间即与空气中的氧起反应而生成单分子层的氧化膜，且膜的厚度逐渐增长，增长的速度随时间以指数规律减小，当形成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，随后又再被磨去。如此，氧化膜形成又被除去，工件表面逐渐被磨损，这就是氧化磨损，可见氧化磨损是由氧化和机械磨损两个作用相继进行的过程。

氧化磨损的磨损速率最小，其值仅为0.1~0.5μm/h，属于正常类型的磨损。氧化磨损的宏观特征是，在摩擦面上沿滑动方向呈匀细磨痕，钢铁氧化磨损产物或为红褐色的Fe₂O₃，或为灰黑色Fe₃O₄。一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用。

02
特殊介质腐蚀磨损

在金属部件与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损，称为特殊介质腐蚀磨损。其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损率较大，磨损痕迹较深。金属表面也可能与某些特殊介质起作用而生成耐磨性较好的保护膜。

为了防止和减轻腐蚀磨损，可从表面处理工艺、润滑材料及添加剂的选择等方面采取措施。

03
冲刷磨损

冲刷磨损是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。松散粒子尺寸一般小于100μm，冲击速度在550m/s以内。根据携带粒子的介质不同，冲刷磨损又分为气固冲刷磨损、流体冲刷磨损、液滴冲刷磨损和气蚀磨损，气固冲刷磨损又称喷砂型冲刷磨损，是最常见的冲刷磨损。



图8 冲刷磨损机理

在冲刷磨损过程中，表面材料流失主要是机械力引起的。在高速粒子不断冲击下，塑性材料表面逐渐出现短程沟槽和鱼鳞状小凹坑（冲蚀坑），且变形层有微小裂纹。



图9 典型韧性材料的冲刷磨损形貌

腐蚀磨损的破坏作用大大超过单纯的腐蚀或磨损。一般金属洁净表面与空气接触后生成氧化膜，多数金属表面氧化膜的厚度为0.01μm。当磨损速度低于氧化膜厚度的增长速度时，氧化和磨损尚不相互促进，膜层可起保护作用。当磨损速度超过氧化速度，腐蚀磨损便变得剧烈。但氧化膜又不宜过厚，否则易于脆性断裂，形成硬的氧化物磨粒，使磨损加速。腐蚀磨损与环境、温度、滑动速度、载荷和润滑条件有关，相互关系极为复杂。如内燃机轴承在湿空气中容易生锈，在润滑剂中工作也常会出现腐蚀磨损。在特殊介质中工作的选矿机械和化工机械等的零件更常出现严重的腐蚀磨损。防止腐蚀磨损应从选材（如用不锈钢和耐蚀合金等）、表面保护处理、降低表面工作温度和选择适当的润滑剂等入手。

 

四、微动磨损

01
微动磨损现象

两个接触物体表面间没有发生宏观的相对运动， 但在载荷作用下产生小振幅相对振动（一般小于 100um）， 接触表面所产生的磨损称为微动磨损。如图10中的紧配合轴，在反复弯曲时，二配合面产生轴向相对滑动，滑动量从配合面内至边缘逐渐增大，约为2~20μm，长期运行后发现配合处轴的表面被磨损，并出现细小粉末状磨损产物。这种在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的复合形式磨损称为微动磨损，有氧化腐蚀现象的微动磨损也称微动磨蚀，在交变应力下的微动磨损称为微动疲劳磨损。



 图10 微动磨损的产生

 

在有振动的机械中，螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。微动磨损的特征是摩擦副接触区有大量红色的Fe₂O₃磨损粉末，如果是铝件，则磨损产物为黑色的。微动磨损时在摩擦面上还常常见到因接触疲劳而形成的麻点或蚀坑。

02
微动磨损的机理

一般认为，微动磨损的机理是，摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应力集中的根源，因而也是零件受动载失效的根源。根据被氧化磨屑的颜色，往往可以断定是否发生微动磨损。如前所述，被氧化的铁屑呈红色，被氧化的铝屑呈黑色，则振动时就会引起磨损。

从以上产生微动磨损的原因分析中可以看出，微动磨损不是单独的磨损形式，而是粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损，甚至还包含着腐蚀作用引起的腐蚀磨损和交变载荷作用引起的疲劳磨损，所以，微动磨损是几种磨损形式的复合，究竟以哪一种形式的磨损为主，要视具体情况而定。



图10 微动磨损的损伤过程

OA:  由于金属转移和初始磨损造成曲线迅速上升；

AB:  从剪切到磨粒参与磨损, 使曲线第二次向上弯曲； 

BC:  磨粒作用下降，从而减缓材料损失； 

CD:  最后达到稳定的磨损率。





图11 微动磨损不同阶段的损伤过程

03
提高抗微动磨损的措施

滚压、喷丸和表面化学热处理都能使表层产生压应力，从而有效地提高微动磨损与疲劳的抗力。就材料来说，选择抗粘着磨损能力大的，其抗微动磨损的能力也较强；硬度高的材料具有良好的抗微动磨损性能，但微动疲劳性能就较差。为减少微动磨损和微动疲劳，在界面间加入非腐蚀性润滑剂或采用垫衬改变接触面的性质，如蒸汽锤锤杆和锤头配合处插入软铜片作垫衬，螺纹联接加装聚四氟乙烯垫圈也可减小微动磨损，都可收到良好的效果；对压配合件可用卸载槽以减少应力集中；再如增大紧配合的过盈量，实际上过盈量超过25~30μm就可防止微动磨损的出现。

金属的接触疲劳

一、接触疲劳现象

接触疲劳又称表面疲劳磨损或疲劳磨损，是工件（如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等）表面在接触压应力的长期反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象。

接触疲劳的宏观特征是接触表面出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也叫点蚀或麻点磨损。有的凹坑很深，呈“贝壳”状，有疲劳裂纹发展线的痕迹存在，图12是GCr15钢接触疲劳失效的表面形貌。

齿轮、轴承、钢轨与轮箍的表面经常出现接触疲劳破坏。在刚出现少数麻点时，一般仍能继续工作，但随着工作时间的延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，例如齿轮，此时啮合情况恶化，磨损加剧，发生较大的附加冲击力，噪声增大，甚至引起齿根折断。由此可见，研究金属的接触疲劳问题对提高这些机械零件的使用寿命有着重大的意义。



 图12 接触疲劳表面形貌(SEI)

二、影响接触疲劳寿命的因素

接触疲劳寿命首先取决于加载条件，特别是载荷大小。此外，还与许多其他因素有关，这里仅简叙其中若干有代表性的因素。接触疲劳是轴承和齿轮常见的失效形式，下面介绍的影响因素主要是针对这两类工件的。

1


内部组织状态



（1）非金属夹杂物

钢在冶炼时总存在非金属夹杂物等缺陷，钢中的这些夹杂物的种类、数量、形状、尺寸和分类等都对疲劳寿命产生影响。轴承钢中的塑性夹杂物（硫化物）对寿命的影响较小，球状夹杂物（钙硅酸盐和铁锰酸盐等）次之，脆性夹杂物（氧化物Al₂O₃、氮化物、硅酸盐等）呈棱角尖锐形分布时对接触疲劳寿命危害最大。这是由于脆性夹杂物尖角处的应力集中及它们跟基体交界处的弹塑性变形不协调而引起应力集中，使脆性夹杂物的边缘部分极易形成为裂纹，降低接触疲劳寿命。

 

（2）马氏体含碳量的影响

轴承钢中马氏体组织中含碳量对其寿命有较明显的影响。图13是轴承钢中马氏体含碳量与接触疲劳寿命的关系图。从图看出，马氏体中碳的质量分数在0.5％附近寿命最高，低于或高于这个量，寿命都急剧降低。因为钢中马氏体含碳量增加，脆性就增多，并使奥氏体含量相应增多，疲劳寿命降低。若含碳量过低，就降低钢的基体强度和硬度，从而减弱了基体抗疲劳磨损的能力。



 图13 马氏体中碳质量分数与接触疲劳寿命的关系

 

（3）马氏体及残余奥氏体级别

因工艺不同，渗碳钢淬火可以得到不同级别的马氏体和残留奥氏体。若残留奥氏体越多，马氏体针越粗大，则表层有益的残余压应力和渗碳层强度就越低，易产生裂纹，故降低接触疲劳寿命。

 

（4）未溶碳化物和带状碳化物

轴承钢中碳化物含量多少及其粒度、形状和分布均对接触疲劳寿命有很大影响。碳化物数量太多，颗粒粗大，形状不规则，分布不均匀，都会引起组织和性能的不均匀和应力集中等，从而造成接触疲劳寿命降低。通过适当的热处理，使未溶碳化物颗粒趋于小、少、匀、圆，对于提高轴承钢接触疲劳寿命是有利的。

带状碳化物之间的马氏体碳含量较高，故脆性较大且易成为接触疲劳裂纹源，从而降低接触疲劳寿命。

2


表面硬度与心部硬度



对于轴承研究表明，在一定硬度范围内，接触疲劳寿命随表层硬度的提高而延长，当表面硬度超过一定值后，再提高硬度，接触疲劳寿命反而会降低。如图14所示，硬度在62HRC左右寿命最高，低于或高于这个硬度范围，其寿命均有较大的降低。



 图14 表面硬度与接触疲劳寿命的关系

对于渗碳件而言，如果心部硬度太低，则表面硬度梯度太陡，易在过渡区内形成裂纹而产生深层剥落。因此，适当提高心部硬度，才能充分发挥材料强度潜力，有效提高接触疲劳寿命。实践表明，渗碳齿轮心部硬度值以35~40HRC为宜。

 

3


表面硬化层深度



为防止表层产生早期麻点或深层剥落，渗碳的齿轮需要有一定的硬化层深度。最佳硬化层深度t推荐值为



 式中 m—模数

           B—接触面半宽

4


外部因素的影响



 

（1）表面粗糙度与接触精度 减少表面冷、热加工缺陷，降低表面粗糙度，提高接触精度，可以有效地增加接触疲劳寿命。接触应力大小不同，对表面粗糙度要求也不同。接触应力低时，表面粗糙度对接触疲劳寿命影响较大；接触应力高时，表面粗糙度影响较小。

 

（2）硬度匹配 两个接触滚动体的硬度匹配恰当与否，会直接影响接触疲劳寿命。例如，ZQ-400型减速器小齿轮与大齿轮的硬度比保持1.4~1.7的匹配关系，可使承载能力提高30%~50%。

 

此外，两个接触滚动件的装配质量及它们之间的润滑情况也影响接触疲劳寿命。

预防金属腐蚀措施

预防金属腐蚀可以从多个方面入手，涵盖了材料选择、表面处理、设计优化、润滑管理和环境控制等方面。以下是几个主要的预防措施：

1. 材料选择

• 耐蚀性能：选择具有良好耐蚀性的金属材料，如不锈钢、铜合金、铝合金等，根据具体环境条件选择合适的材料。

• 抗氧化能力：考虑材料的抗氧化能力，特别是在高温或氧化性环境中的应用，选择耐高温合金或抗氧化表面涂层材料。

2. 表面处理

• 防腐涂层：在金属表面涂覆具有防腐性能的涂层，如环氧树脂涂层、聚氨酯涂层、热浸镀锌等，形成有效的防护层。

• 阳极保护：对于某些金属，如铝合金，在其表面形成氧化层可以提供一定程度的防腐保护。

3. 设计优化

• 减少潮湿环境接触：优化设备和结构设计，尽量减少金属表面暴露在潮湿或腐蚀介质中的时间和条件。

• 减少应力集中：设计时避免尖锐边角和应力集中区域，以减少腐蚀的发生和扩展。

4. 润滑管理

• 合适的润滑剂：选择适合的润滑剂，形成有效的润滑膜，减少金属表面的直接接触和磨损，同时防止腐蚀介质侵蚀。

• 定期维护：定期检查和更换润滑剂，保持润滑系统的清洁和润滑效果。

5. 环境控制

• 控制湿度和温度：控制环境中的湿度和温度，尤其是在暴露在潮湿或高温环境中的金属部件。

• 防止腐蚀介质：采取隔离措施或使用防护罩、涂层等方法，避免腐蚀介质直接接触金属表面。

6. 其他措施

• 定期检测和维护：定期进行腐蚀检测和监测，及时发现和处理潜在的腐蚀问题。

• 教育和培训：对工作人员进行腐蚀防护的培训，提高其对腐蚀防护工作的重视和能力。