粘著磨損粘著磨損模型及計算

常用Archard模型，如圖1所示。假設(shè)單位面積上有幾個凸起，在壓力p的作用下發(fā)生粘著，粘著處直徑為n，并假定粘著點(diǎn)處的材料處于屈服狀 粘結(jié)點(diǎn)形成 粘結(jié)點(diǎn)破壞態(tài)，其壓縮屈服極限為σ_SC，故

p =n·πa²/4·σ_SC

由于相對運(yùn)動使粘著點(diǎn)分離時，一部分粘著點(diǎn)從軟方材料中拉拽出直徑為a的半球，并設(shè)此幾率為k，當(dāng)滑動位移為2a時，單位位移產(chǎn)生的體積磨損量為

ΔV/Δl =n·1/2·πa³/6·K·1/2a= nπa²/24·K =Kp/6σ_SC

積分上式，且強(qiáng)度與硬度之間有一定關(guān)系，則總滑動距離l內(nèi)的粘著磨損體積為

V =αKpl/H

式中α——系數(shù)；

H——材料硬度。

上式表明，粘著磨損體積磨損量與接觸壓力、滑動距離成正比，與軟方材料的壓縮屈服強(qiáng)度（或硬度）成反比。在其他條件相同時，如摩擦副較軟一方的金屬材料的σ_SC較高，則因難于塑性變形、不易粘著轉(zhuǎn)移而使磨損減小。但是，如果σ_SC（或硬度H）一定時，材料塑性較好，在相同接觸壓力下可以產(chǎn)生較大塑性變形，使真實(shí)接觸面積增加，降低了單位面積上的接觸壓力，也可減小磨損量，即材料的磨損量與其塑性成反比?？紤]這一情況，上式可改寫為

V =αKpl/σ_SC·δ

式中 δ——材料的伸長率。

σ_SC與δ之乘積為材料的韌性，可見，粘著磨損體積磨損量隨較軟一方材料的壓縮屈服強(qiáng)度和韌性增加而減小。其實(shí)，從粘著磨損機(jī)理來看，增加硬度固然能減小磨損，但在材料韌性增加時，由于延緩斷裂過程，所以也能使磨損量減小。

按照粘著結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和破壞位置不同，粘著磨損有不同的形式：

1、輕微粘著磨損：當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度低于摩擦副兩材料的強(qiáng)度時，剪切發(fā)生在界面上，此時雖然摩擦系數(shù)增大，但磨損卻很小，材料轉(zhuǎn)移也不顯著。通常在金屬表面有氧化膜、硫化膜或其它涂層時發(fā)生這種粘著磨損。

2、一般粘著磨損：當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟材料的剪切強(qiáng)度時，破壞將發(fā)生在離結(jié)合面不遠(yuǎn)的軟材料表層內(nèi)，因而軟材料轉(zhuǎn)移到硬材料表面上。這種磨損的摩擦系數(shù)與輕微粘著磨損的差不多，但磨損程度加重。

3、擦傷磨損：當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于兩對磨材料的強(qiáng)度時，剪切破壞主要發(fā)生在軟材料的表層內(nèi)，有時也發(fā)生在硬材料表層內(nèi)。轉(zhuǎn)移硬材料上的粘著物又使軟材料表面出現(xiàn)劃痕，所以擦傷主要發(fā)生在軟材料表面。

4、膠合磨損：如果粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度比兩對磨材料的剪切強(qiáng)度得多，而且粘結(jié)點(diǎn)面積較大時，剪切破壞發(fā)生在對磨材料的基體內(nèi)。此時，兩表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使摩擦副之間咬死而不能相對滑動。

根據(jù)粘著點(diǎn)的強(qiáng)度和破壞位置不同，粘著磨損常分為以下幾類：

1、涂抹

粘著點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度大于較軟金屬的剪切強(qiáng)度，剪切破壞發(fā)生在離粘著結(jié)合點(diǎn)不遠(yuǎn)的較軟金屬的淺表層內(nèi)，軟金屬涂抹在硬金屬表面，如重載蝸輪副的蝸桿上常見此種磨損。

2、擦傷

粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比兩基體金屬都強(qiáng)，剪切破壞主要發(fā)生在軟金屬的亞表層內(nèi)，有時硬金屬的亞表層也被劃傷，轉(zhuǎn)移到硬表面上的粘著物對軟金屬有犁削作用，如內(nèi)燃機(jī)的鋁活塞壁與缸體摩擦常見此現(xiàn)象。

3、撕脫（深掘）

粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度大于任一基體金屬的剪切強(qiáng)度，外加剪應(yīng)力較高，剪切破壞發(fā)生在摩擦副一方或兩方金屬較深處，如主軸一軸瓦摩擦副的軸承表面經(jīng)?？梢?。

4、咬死

粘著點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度比任一基體強(qiáng)度都高，而且粘著區(qū)域大，外加剪應(yīng)力較低，摩擦副之間的相對運(yùn)動將被迫停止。

粘著磨損的形式及磨損度雖然不同，但共同的特征是出現(xiàn)材料遷移，以及沿滑動方向形成程度不同的劃痕。

粘著磨損（adhesive wear）

摩擦偶件的表面經(jīng)過仔細(xì)的拋光，微觀上仍是高低不平的。當(dāng)兩物體接觸時，總是只有局部的接觸。此時，即使施加較小的載荷，在真實(shí)接觸面上的局部應(yīng)力就足以引起塑性變形，使這部分表面上的氧化膜等被擠破，兩個物體的金屬面直接接觸，兩接觸面的原子就會因原子的鍵合作用而產(chǎn)生粘著（冷焊）。在隨后的繼續(xù)滑動中，粘著點(diǎn)被剪斷并轉(zhuǎn)移到一方金屬表面，脫落下來便形成磨屑，造成零件表面材料的損失，這就是粘著磨損。

（1）材料特性。配對材料的相溶性愈大，粘著傾向就愈大，粘著磨損就愈大。一般來說，相同金屬或互溶性強(qiáng)的材料組成的摩擦副的粘著傾向大，易于發(fā)生粘著磨損。異性金屬、金屬與非金屬或互溶性小的材料組成的摩擦副的粘著傾向小，不易發(fā)生粘著磨損。多相金屬由于金相結(jié)構(gòu)的多元化，比單相金屬的粘著傾向小，如鑄鐵、碳鋼比單相奧氏體和不銹鋼的抗粘著能力強(qiáng)。脆性材料的抗粘著性能比塑性材料好，這是因為脆性材料的粘著破壞主要是剝落，破壞深度淺，磨屑多呈粉狀，而塑性材料粘著破壞多以塑性流動為主，比如鑄鐵組成的摩擦副的抗粘著磨損能力比退火鋼組成的摩擦副要好。

（2）材料微觀結(jié)構(gòu)。鐵素體組織較軟，在其他條件相同的情況下，鋼中的鐵素體含量愈多，耐磨性愈差。片狀珠光體耐磨性比粒狀珠光體好，所以調(diào)質(zhì)鋼的耐磨性不如未調(diào)質(zhì)的。珠光體的片間距愈小，耐磨性愈好。馬氏體，特別是高碳馬氏體中有較大的淬火應(yīng)力，脆性較大，對耐磨性不利。低溫回火馬氏體比淬火馬氏體的耐磨性好。貝氏體組織中內(nèi)應(yīng)力小，組織均勻，缺陷比馬氏體少，熱穩(wěn)定性較高，因而具有優(yōu)異的耐磨性。多數(shù)人認(rèn)為殘余奧氏體在摩擦過程中有加工硬化發(fā)生，表面硬度的提高可使耐磨性明顯提高。不穩(wěn)定的殘余奧氏體在外力和摩擦熱作用下可能轉(zhuǎn)化成馬氏體或貝氏體，造成一定的壓應(yīng)力，再有，殘余奧氏體有助于改善表面接觸狀態(tài)，并能提高材料的斷裂韌性，增加裂紋擴(kuò)展的阻力，這些對耐磨性均為有利。

（3）載荷及滑動速度。研究表明，對于各種材料，都存在一個臨界壓力值。當(dāng)摩擦副的表面壓力達(dá)到此臨界值時，粘著磨損會急劇增大，直至咬死?；瑒铀俣葘φ持p的影響主要通過溫升來體現(xiàn)，當(dāng)滑動速度較低時，輕微的溫升有助于氧化膜的形成與保持，磨損率也就低。當(dāng)達(dá)到一定臨界速度之后，輕微磨損就會轉(zhuǎn)化成嚴(yán)重磨損，磨損率突然上升。

（4）表面溫度。摩擦過程產(chǎn)生的熱量，使表面溫度升高，并在接觸表層內(nèi)沿深度方向產(chǎn)生很大的溫度梯度。溫度的升高會影響摩擦副材料性質(zhì)、表面膜的性質(zhì)和潤滑劑的性質(zhì)，溫度梯度使接觸表層產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些都會影響粘著磨損。金屬表面的硬度隨溫度升高而下降。因此溫度愈高粘著磨損愈大。溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力使得金屬表層更易于出現(xiàn)塑性變形，因而溫度梯度愈大，磨損也愈大。此外，溫升還會降低潤滑油黏度，甚至使?jié)櫥妥冑|(zhì)，導(dǎo)致潤滑膜失效，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損。

（5）環(huán)境氣氛和表面膜。環(huán)境氣氛主要通過影響摩擦化學(xué)反應(yīng)來影響粘著磨損。如在環(huán)境氣氛中有無氧氣存在及其分壓力大小，對粘著磨損都有很大影響，在空氣中和真空中同種材料的摩擦系數(shù)，可能相差數(shù)倍之多。各種表面膜都具有一定的抗粘著磨損作用，潤滑油中加入的油性添加劑、耐磨添加劑生成吸附膜、極壓添加劑生成的化學(xué)反應(yīng)膜，以及其他方法生成的硫化物、磷化物、氧化物等表面膜，都能顯著提高耐粘著磨損能力。

（6）潤滑劑。潤滑是減少磨損的重要方式之一。邊界膜的強(qiáng)度與潤滑劑類型密切相關(guān)。當(dāng)潤滑劑是純礦物油時，在摩擦副表面上形成的是吸附膜。吸附膜強(qiáng)度較低，在一定的溫度下會解吸。當(dāng)潤滑油含有油性和極壓抗磨添加劑時，在高溫高壓條件下會生成高強(qiáng)度的化學(xué)反應(yīng)膜，在很高的溫度和壓力下才會破裂，因此具有很好的抗粘著磨損效果。

合理的選擇配對材料（如選擇異種金屬），采用表面處理（如表面熱處理、噴鍍、化學(xué)處理等），限制摩擦表面的溫度?？刂茐簭?qiáng)及采用含有油性極壓添加劑的潤滑劑等，都可減輕粘著磨損。

對于“磨損”尚無統(tǒng)一的定義。一般認(rèn)為磨損是物體工作表面材料在相對運(yùn)動中不斷破壞或損失的現(xiàn)象。而對于磨損的分類也有很多方法，若按磨損機(jī)制劃分，可分為磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、接觸疲勞磨損、沖擊磨損、微動磨損等大類。在工業(yè)領(lǐng)域中磨料磨損和粘著磨損在工件磨損失效中占有最大比例，而沖蝕、腐蝕、疲勞、微動等磨損失效方式由于往往產(chǎn)生在一些重要構(gòu)件的運(yùn)行中，故日益受到重視。在工況條件下，往往是幾種磨損形式同時或先后出現(xiàn)，磨損失效交互作用呈現(xiàn)較復(fù)雜的形式。確定工件磨損失效的類型是合理選用或研制耐磨鋼的依據(jù)。另外，零、部件的磨損是一個系統(tǒng)工程問題，影響磨損的因素很多，它包括工作條件（載荷、速度、運(yùn)動方式）、潤滑條件、環(huán)境因素（濕度、溫度、周圍介質(zhì)等）、材料因素（成分、組織、力學(xué)性能）、零件表面質(zhì)量及物理化學(xué)特性等。其中每個因素的改變都可能使磨損量改變，甚至使磨損機(jī)制改變。由此可見，材料因素只是影響工件磨損的因素之一，要提高鋼件的耐磨性需要從特定條件下的摩擦、磨損系統(tǒng)整體著手才會取得預(yù)期的效果。

耐磨鎳基合金是指除承受磨料磨損、粘著磨損及其它類型的磨損外，還要經(jīng)受介質(zhì)腐蝕和高溫氧化作用的一類鎳基合金 。