粘着磨损 简介 分类 物理学术语

简介

粘着磨损（adhesive wear）

摩擦偶件的表面经过仔细的抛光，微观上仍是高低不平的。当两物体接触时，总是只有局部的接触。此时，即使施加较小的载荷，在真实接触面上的局部应力就足以引起塑性变形，使这部分表面上的氧化膜等被挤破，两个物体的金属面直接接触，两接触面的原子就会因原子的键合作用而产生粘着（冷焊）。在随后的继续滑动中，粘着点被剪断并转移到一方金属表面，脱落下来便形成磨屑，造成零件表面材料的损失，这就是粘着磨损。

分类

根据粘着点的强度和破坏位置不同，粘着磨损常分为以下几类：

1、涂抹

粘着点的结合强度大于较软金属的剪切强度，剪切破坏发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内，软金属涂抹在硬金属表面，如重载蜗轮副的蜗杆上常见此种磨损。

2、擦伤

粘着点结合强度比两基体金属都强，剪切破坏主要发生在软金属的亚表层内，有时硬金属的亚表层也被划伤，转移到硬表面上的粘着物对软金属有犁削作用，如内燃机的铝活塞壁与缸体摩擦常见此现象。

3、撕脱（深掘）

粘着点结合强度大于任一基体金属的剪切强度，外加剪应力较高，剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处，如主轴一轴瓦摩擦副的轴承表面经常可见。

4、咬死

粘着点结合强度比任一基体强度都高，而且粘着区域大，外加剪应力较低，摩擦副之间的相对运动将被迫停止。

粘着磨损的形式及磨损度虽然不同，但共同的特征是出现材料迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。

不同形式

按照粘着结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有不同的形式：

1、轻微粘着磨损：当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时，剪切发生在界面上，此时虽然摩擦系数增大，但磨损却很小，材料转移也不显著。通常在金属表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发生这种粘着磨损。

2、一般粘着磨损：当粘结点的强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软材料表层内，因而软材料转移到硬材料表面上。这种磨损的摩擦系数与轻微粘着磨损的差不多，但磨损程度加重。

3、擦伤磨损：当粘结点的强度高于两对磨材料的强度时，剪切破坏主要发生在软材料的表层内，有时也发生在硬材料表层内。转移硬材料上的粘着物又使软材料表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软材料表面。

4、胶合磨损：如果粘结点的强度比两对磨材料的剪切强度得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在对磨材料的基体内。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动[1]。

模型及计算

图1 粘着磨损模型

常用Archard模型，如图1所示。假设单位面积上有几个凸起，在压力p的作用下发生粘着，粘着处直径为n，并假定粘着点处的材料处于屈服状 粘结点形成 粘结点破坏态，其压缩屈服极限为σSC，故

p =n·πa2/4·σSC

由于相对运动使粘着点分离时，一部分粘着点从软方材料中拉拽出直径为a的半球，并设此几率为k，当滑动位移为2a时，单位位移产生的体积磨损量为

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

积分上式，且强度与硬度之间有一定关系，则总滑动距离l内的粘着磨损体积为

V =αKpl/H

式中α——系数；

H——材料硬度。

上式表明，粘着磨损体积磨损量与接触压力、滑动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬度）成反比。在其他条件相同时，如摩擦副较软一方的金属材料的σSC较高，则因难于塑性变形、不易粘着转移而使磨损减小。但是，如果σSC（或硬度H）一定时，材料塑性较好，在相同接触压力下可以产生较大塑性变形，使真实接触面积增加，降低了单位面积上的接触压力，也可减小磨损量，即材料的磨损量与其塑性成反比。考虑这一情况，上式可改写为

V =αKpl/σSC·δ

式中 δ——材料的伸长率。

σSC与δ之乘积为材料的韧性，可见，粘着磨损体积磨损量随较软一方材料的压缩屈服强度和韧性增加而减小。其实，从粘着磨损机理来看，增加硬度固然能减小磨损，但在材料韧性增加时，由于延缓断裂过程，所以也能使磨损量减小。

影响因素

（1）材料特性。配对材料的相溶性愈大，粘着倾向就愈大，粘着磨损就愈大。一般来说，相同金属或互溶性强的材料组成的摩擦副的粘着倾向大，易于发生粘着磨损。异性金属、金属与非金属或互溶性小的材料组成的摩擦副的粘着倾向小，不易发生粘着磨损。多相金属由于金相结构的多元化，比单相金属的粘着倾向小，如铸铁、碳钢比单相奥氏体和不锈钢的抗粘着能力强。脆性材料的抗粘着性能比塑性材料好，这是因为脆性材料的粘着破坏主要是剥落，破坏深度浅，磨屑多呈粉状，而塑性材料粘着破坏多以塑性流动为主，比如铸铁组成的摩擦副的抗粘着磨损能力比退火钢组成的摩擦副要好。

（2）材料微观结构。铁素体组织较软，在其他条件相同的情况下，钢中的铁素体含量愈多，耐磨性愈差。片状珠光体耐磨性比粒状珠光体好，所以调质钢的耐磨性不如未调质的。珠光体的片间距愈小，耐磨性愈好。马氏体，特别是高碳马氏体中有较大的淬火应力，脆性较大，对耐磨性不利。低温回火马氏体比淬火马氏体的耐磨性好。贝氏体组织中内应力小，组织均匀，缺陷比马氏体少，热稳定性较高，因而具有优异的耐磨性。多数人认为残余奥氏体在摩擦过程中有加工硬化发生，表面硬度的提高可使耐磨性明显提高。不稳定的残余奥氏体在外力和摩擦热作用下可能转化成马氏体或贝氏体，造成一定的压应力，再有，残余奥氏体有助于改善表面接触状态，并能提高材料的断裂韧性，增加裂纹扩展的阻力，这些对耐磨性均为有利。

（3）载荷及滑动速度。研究表明，对于各种材料，都存在一个临界压力值。当摩擦副的表面压力达到此临界值时，粘着磨损会急剧增大，直至咬死。滑动速度对粘着磨损的影响主要通过温升来体现，当滑动速度较低时，轻微的温升有助于氧化膜的形成与保持，磨损率也就低。当达到一定临界速度之后，轻微磨损就会转化成严重磨损，磨损率突然上升。

（4）表面温度。摩擦过程产生的热量，使表面温度升高，并在接触表层内沿深度方向产生很大的温度梯度。温度的升高会影响摩擦副材料性质、表面膜的性质和润滑剂的性质，温度梯度使接触表层产生热应力，这些都会影响粘着磨损。金属表面的硬度随温度升高而下降。因此温度愈高粘着磨损愈大。温度梯度产生的热应力使得金属表层更易于出现塑性变形，因而温度梯度愈大，磨损也愈大。此外，温升还会降低润滑油黏度，甚至使润滑油变质，导致润滑膜失效，产生严重的粘着磨损。

（5）环境气氛和表面膜。环境气氛主要通过影响摩擦化学反应来影响粘着磨损。如在环境气氛中有无氧气存在及其分压力大小，对粘着磨损都有很大影响，在空气中和真空中同种材料的摩擦系数，可能相差数倍之多。各种表面膜都具有一定的抗粘着磨损作用，润滑油中加入的油性添加剂、耐磨添加剂生成吸附膜、极压添加剂生成的化学反应膜，以及其他方法生成的硫化物、磷化物、氧化物等表面膜，都能显著提高耐粘着磨损能力。

（6）润滑剂。润滑是减少磨损的重要方式之一。边界膜的强度与润滑剂类型密切相关。当润滑剂是纯矿物油时，在摩擦副表面上形成的是吸附膜。吸附膜强度较低，在一定的温度下会解吸。当润滑油含有油性和极压抗磨添加剂时，在高温高压条件下会生成高强度的化学反应膜，在很高的温度和压力下才会破裂，因此具有很好的抗粘着磨损效果。

避免的措施

合理的选择配对材料（如选择异种金属），采用表面处理（如表面热处理、喷镀、化学处理等），限制摩擦表面的温度。控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等，都可减轻粘着磨损。