先进抗磨材料：磨损与失效机理

第2章　材料的磨损及其失效机理

摩擦是自然界里普遍存在的，与人类的生活和生产活动息息相关的一种现象，磨损是摩擦现象造成的结果。材料的磨损失效是最重要的失效形式（腐蚀、疲劳、磨损）之一，如球磨机衬板、磨球、输煤管道、齿轮、轴承、犁铧等的磨损。据统计，能源的1/3～1/2消耗于摩擦磨损，约80%的机器零件失效是由磨损引起的。1966年英国政府委员会首次提出了“摩擦学（tribology）”这一术语，摩擦学是研究相对运动的相互作用表面的科学和技术，它包括摩擦、磨损、润滑三个部分。近40年来，人类对摩擦磨损进行了比较深入和系统的研究，对磨损的基本类型、机理和影响因素有了一定的认识。经过几十年的研究，人们认识到，磨损是一门系统工程，它受诸多因素影响，同一种材料在不同的磨损环境中会呈现不同的磨损形式和机理。而且在一种工况下，几种磨损机理会同时存在，其中某一机理可能起主导作用。

2.1　磨损的定义及其分类

2.1.1　磨损的定义

磨损是个相当复杂的过程，它涉及的知识范围广泛，例如机械、材料、物理、化学等许多学科。在具体情况下，影响磨损的因素很多，包括工作条件（负荷、速度、运动方式等）、润滑状态、环境因素（湿度、温度、周围介质等）、材料因素（化学成分、显微组织、力学性能），零件表面质量及物理化学特性等，其中每个因素的变化都可能影响磨损量，甚至使磨损机制改变。如何确切地描述磨损发生的过程和揭示磨损失效的本质，迄今为止，尚未有一条简明的定量定律及确切统一的磨损定义。

英国机械工程师协会的一个委员会给磨损的定义是：由于机械作用而造成物体表面材料的逐渐损耗。

前苏联克拉盖尔斯基的定义为：由于摩擦结合力反复扰动而造成的材料的破坏。这两种定义中，前者似乎排除了电和化学所产生的作用，后者则过于强调疲劳的作用。

中国的邵荷生教授则认为：由于机械作用、间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象称为磨损，并指出：

（1）磨损并不局限于机械作用，还有由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨损，由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损，以及由于伴同热效应而造成的热磨损等现象都在磨损的范围之内。

（2）特别强调磨损是相对运动中所产生的现象，因而橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴。

（3）磨损发生在运动物体材料表面，其他非表面材料的损失或破坏，不包括在磨损范围之内。

（4）磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移（材料从一个表面转移到另一个表面上去），破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。

两个金属组成的机械零件在正常运行条件下，其磨损过程一般包括三个阶段：磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段（金属的黏着磨损最为明显），如图 2-1所示。

（1）磨合阶段。如图 2-1中所示的OA线段，新的摩擦副表面由于机械加工而造成的表面粗糙，开始时真实接触面积较小，在此阶段中由于相对运动，表面逐渐被磨得平滑，真实接触面积逐渐增大，磨损速率减缓，并进入稳定磨损阶段。新的机器或车辆在正常运行之前都需有一磨合阶段，为零件稳定磨损创造条件。选择合理的磨合规程，采用适当的摩擦副配对材料，使用活性添加剂的润滑油等方法，都能缩短磨合期，磨合结束后应重新换油。

图2-1　磨损过程的三个阶段

（2）稳定磨损阶段。如图 2-1中所示的AB线段，表示稳定缓慢的磨损阶段。此时因接触面积变大，且在前阶段中金属材料由于塑性变形而加工硬化，使零件表面的抗磨性提高。本阶段是零件的正常运行阶段，斜率代表磨损率，横坐标是零件的使用寿命。

（3）剧烈磨损阶段。图 2-1中B点以后磨损急剧增大，机械效率急降，精度丧失，出现振动与噪声，温升增加，最终使零件失效。

2.1.2　磨损的分类

由磨损定义可知，磨损是一种十分复杂的微观动态过程，影响因素甚多，因此关于磨损的分类方法也较多。

（1）按照表面接触性质不同的磨损分类：金属-磨料磨损、金属-金属磨损、金属-液体磨损；

（2）按照环境和介质不同的磨损分类：干磨损、湿磨损、液体磨损；

（3）按照磨损机制不同的磨损分类：磨料磨损、微动磨损、冲击磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、黏着磨损等。其中，磨料磨损在实际工矿中存在的形式最多，产生的材料消耗及其它经济损失最多。磨料磨损不同的存在形式如图 2-2所示。

此外，腐蚀磨损又分为：气蚀腐蚀磨损、微动腐蚀磨损、氧化腐蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损。冲蚀磨损又分为：液滴冲蚀磨损、浆体冲蚀磨损和固体粒子冲蚀磨损。黏着磨损又分为：轻微磨损、咬死、擦伤、撕脱等。

图2-2　不同存在形式的磨料磨损分类

实际工况中，材料的磨损往往不只是一种机理在起作用，而是几种机理同时存在，只不过是某一种机理起主要作用而已。而当条件变化时，磨损也会发生变化，会以一种机理为主转变为以另一种机理为主。这就要求我们对实际的磨损情况要具体地加以分析，找出主要的磨损方式并分析其主要磨损机理。

不同磨损类型所造成的损失约占总磨损损失的比例如表2-1所示。可以看到，研究磨损，特别是研究磨料磨损材料及其磨损机理，并减少其所产生的损失具有重要的理论研究意义和巨大的工程应用价值。

表2-1　不同磨损类型所造成的损失约占总磨损损失的比例

2.2　磨损的评定方法

目前对磨损的评定方法还没有统一的标准。常用的评定方法有：磨损量、磨损率和抗磨性。在冲蚀磨损中一般用冲蚀磨损率来度量磨损。

（1）磨损量

评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和重量磨损量Ww。长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的磨损监测中经常使用。体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变量。实验室试验中，往往是首先测量试样的重量磨损量，然后再换算成为体积磨损量；也可以通过测量磨痕宽度等，然后计算出磨损体积。对于密度不同的材料，用体积磨损量来评定磨损的程度比用重量磨损量更为合理。

（2）磨损率

在所有的情况下，磨损都是时间的函数。因此，有时也用磨损率6W来表示磨损的特性，如单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。

（3）抗磨性

材料的抗磨性是指一定工作条件下材料抗磨性的特性。材料的抗磨性分为相对抗磨性和绝对抗磨性。

材料的相对抗磨性ε是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料B是标准（或参考）试样，表示为

磨损量WA和WB一般为体积磨损量，特殊情况下可使用其他磨损量。绝对抗磨性通常用磨损量或磨损率的倒数来表示，即

抗磨性使用最多的是体积磨损量的倒数。磨损量和抗磨性的符号和单位见表2-2。

表2-2　磨损量和抗磨性的符号和单位

（4）冲蚀磨损率

冲蚀磨损率＝材料的冲蚀磨损量（重量或体积）/所用的磨料量，单位为g/g 或mm3/g。冲蚀磨损率应在稳态磨损过程中测量。

磨损量、磨损率、抗磨性、冲蚀磨损率都是在一定实验条件下的相对指标，不同实验条件下所得到的值是不可比较的。

2.3　黏着磨损及其失效机理

相互接触的固体表面（都存在微凸体）由于原子、分子力的作用造成接触点间的黏着和焊合。当施加的外力大于焊合点的结合力将两表面拉开时，如果剪切发生在强度较低的固体材料一侧，在强度较高材料的表面将黏附有强度较低的材料，这种现象称为黏着。黏着的材料在以后的滑动中可能辗转于摩擦副的表面之间，如此继续摩擦下去，一部分转移的材料就会因加工硬化、疲劳、氧化或其他原因而从表面脱落下来，形成游离的磨屑，造成零件表面材料的耗失，这就是黏着磨损。因此，黏着磨损实际上是相互接触表面上的微凸体不断地形成黏着结点和结点断裂而导致摩擦表面破坏，并形成磨屑的过程。黏着磨损不仅在干摩擦状态下会发生，而且在边界润滑条件下，以及润滑不当时也会出现。图 2-3是黏着磨损破坏的示意图。

影响黏着磨损的因素很多，也十分复杂，但总括起来可分为两类。一类是摩擦副本身的材质和性能，如材料的成分、组织、性能等；另一类是摩擦副工作的条件，如载荷、速度、环境因素等。

黏着磨损机制包括：

（1）黏着与转移。在较高的载荷作用下，由于法向应力和切向应力的作用，相互接触的金属固体之间会使表面膜破裂，其摩擦副间微凸体表面氧化膜的破裂和金属的塑性流动几乎同时发生，纯净金属间的接触自然存在，因此，黏着磨损不可避免的发生。

（2）磨屑的形成过程。磨屑都是由于微凸体间的相互黏着作用而形成。

图2-3　黏着磨损破坏示意图

2.4　磨料磨损及其失效机理

磨料磨损（abrasive　wear）一般指磨粒或硬的微凸体与材料表面相互作用过程中，造成材料表面损耗的现象或过程。

按磨料对材料的力学作用特点，可把磨料磨损分为：凿削磨料磨损（一般有严重的冲击作用）、研磨磨料磨损（又称高应力磨料磨损，即研磨应力超过被磨矿物的抗压强度，使物料破碎）、刮伤磨料磨损或冲刷磨损（又称低应力磨料磨损）。这一分类法为美国矿业系统普遍使用。在这种分类方法中，仍把冲蚀磨损包括在磨料磨损中。

按磨料相对于被磨损材料的软硬程度，可将磨料磨损分为软磨料磨损和硬磨料磨损。通常是以被磨材料硬度（Hm）和磨料硬度（Ha）的相对比值来大致划分。当Hm/Ha＞0.5～0.8时为软磨料磨损，Hm/Ha≤0.5～0.8为硬磨料磨损。

按环境介质分为干磨料磨损（磨料是干燥的）、湿磨料磨损（磨料是湿的）和流体磨料磨损（气体或液体带着磨料冲刷材料表面造成的磨损，即冲蚀磨损）。对湿磨料磨损和液体冲蚀磨损还可根据液体介质是否具有腐蚀性，再区分出腐蚀磨料磨损和腐蚀冲蚀磨损。按环境温度分为普通磨料磨损和高温下的热磨料磨损。

还可根据磨料与被磨材料的组合方式，将磨料磨损分成两体磨料磨损和三体磨料磨损。两体磨料磨损指磨料与一个材料表面作用导致的材料磨损，包括凿削磨料磨损和刮伤磨料磨损或冲刷磨损（即都表现为切削磨损形式）。三体磨损指两个材料表面碾压磨料时材料表面发生的磨损。工业上遇到的三体磨料磨损多属于高应力磨料磨损。

两体磨料磨损和三体磨料磨损的运动形式及失效方式如图 2-4和2-5所示。可以看到，两体磨料磨损过程中被磨损材料失效主要为切削磨损形式，三体磨料磨损过程中被磨损材料失效不仅存在显微切削磨损，还存在由于滚压引起的疲劳和龟裂失效。

图2-4　两体磨料磨损运动形式及失效方式

图2-5　三体磨料磨损运动形式及失效方式

图2-6和图 2-7分别为两体磨料磨损过程中被磨损材料失效后在扫描电镜（SEM）下的微观形貌。

图2-6　两体磨料磨损失效后显微切削痕迹

图2-7　三体磨料磨损失效后显微切削与滚压痕迹

磨料磨损机理是指磨料颗粒与材料表面相互摩擦作用过程中，材料表面的磨屑从材料表面产生和脱落的方式、本质和规律。

由于材料、磨料及工况条件等组成了一个磨损系统，随着系统中诸参量的变化，如磨料颗粒的形状、软硬、材料的性能、相对滑动速度、接触应力等参量的变化，都会使磨料与材料相互作用特性发生变化，从而使材料的磨损机理，即磨屑形成和材料流失的方式、本质和规律也会有很大的差别。由于磨损系统的复杂性，磨料磨损机理的研究还有很多争论，可以归纳为以下几方面。

图2-8　微切削磨损模型

（1）微切削磨损机理

如图 2-8所示，当一个磨粒在外力作用下与材料表面发生相互作用时，磨粒作用在材料表面上的力P，可分为法向力N和切向力T。法向力使磨粒压入表面，如硬度试验一样，在表面上形成压痕，切向力使磨粒向前推进。

虽然“刀具”，即一般的磨粒大多具有负前角的特征，且大部分磨粒棱角比车床、刨床所用刀具刃口钝得多，因此磨粒切削过程使材料表面产生更大程度的塑性变形，变形部位主要在切槽底部及两侧，但在显微镜下观察，这些微观切屑仍具有机加工中切屑的特征（图 2-9）。微切屑的长宽比一般比较大，常有卷曲现象。

图2-9　两体磨料磨损的表面及磨屑

（2）多次塑变（犁皱或微观压入）导致断裂的磨损机理

对于塑性较好的材料，当磨粒形状较圆钝或者磨粒和被磨材料表面间的夹角（迎角）太小时，磨粒在表面滑过后，往往只犁出一条沟来，如图2-10所示。若磨粒作用于材料，形成犁沟时的全部沟槽体积都被推向两旁和前缘而不产生任何切屑，则称之为犁皱。犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平，也可能使已变形的材料遭到再一次的犁沟或犁皱变形。如此反复塑变，使材料局部不足以承受外力而撕裂脱落，或者使材料因加工硬化或其他强化作用（如形变诱导相变、再结晶等）而变脆，最终剥落而成为磨屑。这种机制产生的磨屑大多呈片块状。

图2-10　塑性材料磨料磨损微犁沟/皱形貌

（3）微观断裂（剥落）磨损机理

磨料磨损时，由于磨粒的压入，大多数材料都会发生塑性变形。但有些材料，特别是脆性材料，塑性变形很小，裂纹扩展导致断裂脱落的机理可能占支配的地位。图2-11所示为脆性材料在磨料磨损过程中表面出现的裂纹。

图2-11　脆性材料在磨料磨损过程中表面出现的裂纹形貌

（4）疲劳导致断裂的磨损机理

这种机理由克拉盖尔斯基（H.B.Kragelsky）提出。他认为，疲劳磨损机理在一般磨粒磨损中起主导作用。这里的疲劳是指应力疲劳，指应力幅不超过材料的弹性极限的重复应力循环引起的一种特殊破坏形式。

疲劳磨损与多次变形表层破坏过程之间存在着许多共性，而且两种机理可以同时发生。这两种机理的区别在于作用于金属内部的应力以及相应的表层变形不同。前者作用的应力低于屈服点，而后者的变形破坏过程则在宏观塑性变形条件下进行的。这种材料在超过弹性极限的周期性重复应力作用下的破坏现象，称为低周应变疲劳。磨料磨损时材料的微观局部塑性变形实际上是一种微观应变疲劳导致的材料损伤。这两种机理使材料达到破坏的加载周期数是大不相同的。疲劳破坏过程中表层微观组织的加载周期数高于16，而多次变形过程只有10～100次。

以上是磨料磨损可能出现的几种机理。必须加以说明，即磨料磨损过程中往往有几种机理同时存在，由于磨损时外部条件或内部组织的变化，磨损机理也会相应地发生变化，往往从以一种机理为主转变为以另一种机理为主。在一个确定的磨损系统中，上述各种磨料磨损机理所占的比例随磨料特性、材料性质和其他系统参量的变化而变化。几种机理中，以微切削对材料所造成的磨损最为严重，断裂的影响在某些脆性较大的材料中也相当严重。

材料的磨料磨损抗磨性不是材料的固有属性，而是与它服役的磨损系统中影响磨损的各因素有关。影响材料磨料磨损抗磨性的因素很多，这些因素可分为两类：一是材料的成分、组织结构和由组织所决定的性能，即内部因素；另一类是外部因素，包括磨料特性和磨料与材料相互作用时的接触应力、相对运动速度、环境介质、温度等。抗磨性随着摩擦时的外部条件和材料内在因素的变化而变化。系统各种参量的变化，都会对系统的其他参量产生影响，从而影响材料抗磨性。表2-3表示了磨料磨损系统中影响磨料磨损的各种参数。

表2-3　磨料磨损系统中影响磨料磨损的各种参数

2.5　冲蚀磨损及其失效机理

冲蚀磨损（erosion或erosion-wear）是挟带固体颗粒的腐蚀流体与金属表面由于高速相对运动而引起的金属损坏，微观上失效包括磨损、腐蚀及其相互作用。冲刷磨损包括浆料的冲刷作用、流体（介质）的腐蚀作用以及磨损的相互促进效应，是一个具有复杂多变性和环境依赖性的动态过程。(www.xing528.com)

冲蚀磨损是目前工业生产中普遍存在的失效形式，是许多机器设备、零件损坏报废的重要原因。在工程实际中，浆体冲蚀磨损是常见的，如渣浆泵、水轮机、泥浆泵、固体废料的管道运输等，其过流部件都受到砂浆冲蚀磨损的作用，此外流体输送管道中流体和物料对管道的冲蚀，抛丸机叶片被铁（钢）丸冲蚀，各种排料泵中磨粒对叶轮和泵体的冲蚀，直升飞机的桨叶受雨滴和尘埃颗粒冲蚀，内燃机气缸套的水冷外壁等受流体中气泡的冲蚀等，成语“滴水穿石”描述的也是典型的冲蚀磨损例子。锅炉管道的失效分析表明，在管道事故中约有1/3是由于冲蚀磨损造成的。英国Eyre估计，冲蚀磨损约占工业生产中磨损总量的8%。由此可见冲蚀磨损造成的损失和危害是严重的。

在工业生产中，也可应用冲蚀磨损的原理对机械零件表面进行清理和强化，如喷砂、喷丸处理等。

2.5.1　冲蚀磨损的主要影响因素

冲蚀磨损是一个很复杂的过程，影响因素很多，主要包括：

（1）材料因素，如材料本身的化学成分、组织结构、机械性能（尤指硬度）、表面粗糙度、物化性能、抗蚀性等。

（2）电化学因素，包括腐蚀介质的浓度、温度、pH值、含氧量，各种活性离子的浓度。

（3）介质因素，固相和气相在腐蚀介质中的含量，固相颗粒的粒度、硬度、形状等。

（4）力学因素，过流部件的形状，冲蚀角度、流体的流速流态等也有很大的影响，因为不同的流速、流态是流体对材料表面产生不同的力学效果。

图 2-12是高铬铸铁（Cr15Mo3）在冲蚀角度为0°和90°时冲蚀磨损微观形貌。可以看到，液/固浆料的冲度蚀角为0°时，高铬铸铁材料的冲蚀磨损主要以切削、犁削为主，其表面有明显的划痕和犁削痕。在90°冲蚀角时，磨粒以垂直磨损表面冲击为主，高铬铸铁材料表面以冲蚀坑为主，且发生碳化物颗粒破碎甚至脱落现象，试验材料由于某一试验条件不同，其失效形式即有很大的不同。

图2-12　不同冲蚀角度下高铬铸铁（Cr15Mo3）冲蚀磨损SEM形貌

上述几个方面的因素交织在一起，给冲刷腐蚀磨损问题的研究带来了很大的困难。固体粒子＋液体的冲蚀磨损机理对于了解冲蚀磨损过程，掌握冲蚀磨损的规律，防护和减少冲蚀磨损以及提高材料的使用寿命是十分重要的。到目前为止，人们已提出了许多种冲蚀磨损机理，其中影响最大的有以下三类：

（1）由于冲击粒子的切削作用，材料以切削形式脱离表面，即切削磨损；

（2）由于不断冲击时，材料加工硬化最后发生断裂，材料以薄片屑形式从冲击形成的层状表面脱离，即变形疲劳磨损；

（3）由于冲击时表面唇状物或者其它凸起部分发生断裂，材料以簇团屑形式脱离表面。

2.5.2　冲刷磨损与腐蚀的交互作用

在冲刷腐蚀条件下，材料的流失方式有两种：一是以离子形式脱离材料表面，即腐蚀；二是以固体粒子（分子状态）形式脱离材料表面，即冲刷磨损。因此冲蚀磨损总失重ΔW可用下式表示：

式中ΔW、ΔWc′、ΔWe′分别表示冲蚀磨损总失重、腐蚀失重分量和磨损失重分量。

冲蚀磨损失重也可表示为纯磨损失重，纯腐蚀失重和磨损与腐蚀的交互作用之和。即：

式中ΔW、ΔWc、ΔWe、ΔWs分别表示冲刷腐蚀磨损总失重、纯腐蚀失重、纯磨损失重、腐蚀与磨损的交互作用。交互作用又可分为两项，即磨损引起的腐蚀失重增量ΔWec和腐蚀引起的磨损失重增量ΔWec，冲蚀磨损失重中各种分量的关系建立如图 2-13所示。

图2-13　冲蚀磨损与腐蚀失重中各种分量的关系

纯腐蚀失重应为无冲刷条件下的材料的腐蚀失重，一般采用静态腐蚀失重作为纯腐蚀失重。纯冲刷磨损失重应为无腐蚀作用下材料的冲刷失重，有人用阴极保护下的动态失重作为纯冲刷磨损失重，也有用含固量相同的非腐蚀性流体（一般为蒸馏水＋固体）中材料的动态失重代表纯冲刷磨损失重，显然第一种方法更能说明问题。

腐蚀分量目前一般采用动态极化曲线测得。冲刷磨损分量一般由冲刷腐蚀磨损总失重减去腐蚀分量得到，只有Oka曾用一种方法直接测得，他用磁铁收集以粒子形式被冲刷掉的固体颗粒作为冲刷分量。

冲刷磨损与腐蚀间有交互作用，即冲刷与腐蚀的作用是相互的。冈良则研究了冲刷腐蚀的交互作用。结果表明：腐蚀能溶解试样表面的加工硬化层，粗化表面，使得固体颗粒易于刺入试样，从而促进冲刷磨损；冲刷却能减缓腐蚀，原因是冲刷磨损能使冲蚀坑底部形成纤维状结构，暴露出更抗蚀界面。姜晓霞等人则认为冲刷磨损对腐蚀起促进作用，腐蚀严重时对冲刷磨损的促进量也很大，研究同时表明通过控制磨损或腐蚀的一方面，可有效降低总冲蚀磨损的失去量，如提高材料硬度以提高材料的抗磨性能，或改变相组成、增加缓蚀剂以减小化学腐蚀、电化学腐蚀，从而提高材料的抗腐蚀性能，都能有效降低交互作用增量。之所以会出现交互作用增量减缓的结果，原因在于冲刷失重测量方法有问题，如果采用阴极保护下测量冲刷失重就不会出现这样的结果。姜晓霞所采用的试验方法是磨损法，其他方法是否也是如此，还需研究。交互作用大小和冲刷速度的关系一般认为随冲刷速度增大而增大。交互作用与冲刷腐蚀总失重的比率是否也有规律，目前分歧比较大，姜晓霞、郑玉贵、高义民等人做出了交互作用与总失重比值与冲刷速度有规律变化的结果。

分析已有研究工作，总结冲刷腐蚀与磨损的交互作用机制包括两个方面：冲刷对腐蚀的影响和腐蚀对冲刷的影响，概括如下：

（1）冲刷对腐蚀的影响

冲刷能加速传质过程，促进去极化剂如O2达到材料表面，腐蚀产物脱离材料表面，从而加速腐蚀。

冲刷的力学作用使材料钝化膜减薄、破裂或使材料发生塑性变形、应力聚集，局部能量升高，形成“应变差电池”，从而加速腐蚀。

冲刷造成材料表面出现凸凹不平的冲蚀坑，增加了材料的比表面积，即使腐蚀速度维持不变，由于暴露面积增加腐蚀也会加剧。

（2）腐蚀对冲刷的影响

腐蚀粗化材料表面，尤其在材料缺陷等处所出现的局部腐蚀，造成微湍流的形成，从而造成冲刷强度增加。腐蚀弱化材料的晶界、相界，使材料中抗磨的硬化相暴露，突出基体表面，使之易折断甚至脱落，促进冲刷。

腐蚀有时使材料表面产生松软的产物，它们容易在冲刷力作用下剥离，并会溶解掉材料表面的加工硬化层，降低其疲劳强度，从而促进冲刷。

此外，液-固双相流过流部件冲蚀磨蚀过程中涉及到的流体力学参数包括流体运动局部速度矢量、流体对试验材料表面的剪切应力、压力变化、粒子碰撞的角度、速度等，都对材料表面的损伤产生直接影响，材料在工业运行中的失效最终是因为受力大小不同而表现为破坏程度不同，材料冲蚀磨损表面实际受力大小的测试方法因其影响参数的多变性和复杂性，目前还是国内外学者研究的焦点，测试结果的评定标准也在探索之中。

2.6　腐蚀磨损及其失效机理

在腐蚀环境中，摩擦表面因磨损和腐蚀共同作用出现的材料流失现象称为腐蚀磨损（corrosive　wear），其特点是腐蚀和磨损同时对材料表面起作用。根据腐蚀介质的性质，一般将腐蚀磨损分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损两大类。

石油、化工、机械、水利、电力、矿冶、交通、建材、农机等部门的设备和机件，不仅受到严重磨损，而且往往还同时受到环境介质的腐蚀，例如，我国煤矿井下水中通常含有腐蚀性介质CO、CO2、H2S、SO2等条件构成了恶劣的腐蚀工况。腐蚀和磨损的交互作用，加速设备和机件的破坏失效。

材料的腐蚀磨损性能不是材料的固有属性，而是与工况条件等因素有关的一个系统的特性，只有在特定条件下才能确定材料的腐蚀磨损性能。

腐蚀与磨损存在交互作用。腐蚀与磨损的交互作用失重率大量研究工作表明，腐蚀磨损造成的材料流失往往大于单纯腐蚀和单纯磨损两者的代数和。这是由于材料腐蚀与磨损之间存在交互作用（协同作用），即腐蚀加速磨损，磨损促进腐蚀，从而加速材料的流失。其材料的腐蚀磨损交互作用机理为：

（1）磨损加速腐蚀。磨损加速腐蚀首先表现在载荷或速度对腐蚀介质中工件腐蚀电位的影响。磨损加速腐蚀还表现在：磨损破坏或减薄材料表面的钝化膜或清洁材料表面使裸露出新鲜的金属；磨损使材料表面产生弹塑性变形，增加位错、空位等缺陷，甚至产生裂纹，增加材料表面活性而降低抗蚀性，使这些部位优先被腐蚀；对腐蚀介质的搅动加速了传质过程，使工件表面迅速补充新的腐蚀介质，加速腐蚀过程；磨损使材料表面产生切削、犁沟、变形和剥落，增加材料表面积和表面粗糙度，导致腐蚀加速；磨损使材料表面或表层产生内应力，在腐蚀条件下产生各种应力腐蚀等。

（2）腐蚀加速磨损。腐蚀加速磨损最直观的现象是，材料表面因腐蚀产生的疏松、孔洞及腐蚀产物，易于被磨损掉而增加材料的流失量；腐蚀使金属材料表面粗糙，晶界、相界被腐蚀，基体或第二相被腐蚀溶解都会破坏材料的完整性、均匀性，甚至降低材料的结合强度，使之易于被磨损掉而加速材料的流失；产生形变硬化的金属材料，表面硬化层易腐蚀掉或减薄，裸露出未形变硬化或形变硬化程度较小、硬度较低的表面层，从而加速材料的磨损；金属材料腐蚀溶解过程是通过单原子台阶迁移而导致晶体溶解的，而单原子台阶可以作为新的位错源，在摩擦力的作用下，这些因腐蚀而形成的表面附加位错源将会运动，导致材料塑性变形易于进行而加速磨损；某些金属材料在特定的腐蚀介质中会产生脆性（环境致脆）而加速磨损，如铁合金和高强钢的氢脆等。

2.7　疲劳磨损及其失效机理

齿轮、滚动轴承、凸轮等机器零件在滚动、滑动或复合运动时，由于接触区循环应力的长期作用而引起表面疲劳剥落的现象，称为疲劳磨损或接触疲劳磨损。

疲劳磨损失效的主要形式是点蚀和剥落，即在原来光滑的接触表面上产生深浅不同的凹坑（也称麻点）和较大面积的剥落坑。

疲劳磨损是一种非常普遍的磨损形式，各种磨损形式可归结为四种最基本的机制，即疲劳磨损、磨料磨损、黏着磨损及腐蚀（摩擦化学）磨损。各种复杂的磨损现象不外乎是这四种基本机制的单独的或综合的表现。

关于疲劳磨损产生的原因和机理，一直是个有争议的问题，这里介绍几种比较重要的疲劳磨损机理。

（1）由表面疲劳裂纹扩展导致点蚀

这个机理最早是由韦（S.Way）提出的。他认为，点蚀疲劳裂纹产生的起始位置首先出现在接触表面。润滑油由于接触压力而产生的高压油波，快速进入表面裂纹，对裂纹壁产生强大的液体冲击。同时上面的接触面又将裂纹口堵住，使裂纹内的油压进一步增高，于是裂纹便向纵深扩展。裂纹与表面之间如同悬臂梁一样受到弯曲作用，当其根部强度不足时，就会折断，在表面形成小坑，这就是“点蚀”。

（2）由亚表面疲劳裂纹扩展导致剥落

凡凯梯西（V.C.Venkatesh）和拉曼抗逊（S.Ranmathan）等认为，点蚀裂纹起源主要发生在接触表面下的最大切应力处。最大切应力的作用是使次表层上的位错运动，位错在夹杂物或晶界等障碍处堆积，引起应力集中。由于位错的滑移，形成空穴，空穴集中形成空洞，最后成为裂纹。裂纹产生后，在载荷的反复作用下，裂纹不断扩展，最后折向表面，形成点蚀。

（3）微点蚀机理

图2-14　宏观剥落坑与微观点蚀

物体因滚动与滑动时，接触表面上有许多大小和高度不同的微凸体。当每个凸峰进入接触时，都产生了一个微观的赫兹应力分布。该应力叠加在宏观接触应力上，产生应力调幅现象，可能在比宏观最大接触应力更靠近表面处产生较大应力，并导致微观点蚀（如图2-14）。该机理由伯斯（O.Berthe）等人提出。微观点蚀是否出现，与微凸体的大小、形状、载荷及润滑条件有密切关系。以后的研究工作也证明微观点蚀的出现常是一般点蚀的起源，从而从底部诱发出二次裂纹向纵深扩展，最终导致宏观剥落。

疲劳磨损的失效过程是在接触元件上形成疲劳裂纹源以及裂纹源的扩展，致使接触元件表面出现点蚀和剥落，最后导致大面积剥落而失效。因而凡是影响裂纹萌生和扩展的因素，都会对疲劳磨损产生影响。影响疲劳磨损的主要因素包括载荷与几何形状、材料性质及组织以及其他环境因素（如润滑剂）对于接触疲劳磨损也有一定的影响。

2.8　微动磨损及其失效机理

微动磨损（fretting　wear）是指两表面之间由于存在很小振幅（微米级）的相对振动而产生的表面损伤。如果在微动磨损过程中，表面之间的化学反应起比较大的作用，则可称为微动腐蚀磨损（fretting　corrosion），直接与微动磨损相联系的疲劳损伤称为微动疲劳磨损（fretting　fatigue）。这三种损伤形式常常是相互关联的，可以通称为微动损伤（fretting　damage）。

微动损伤通常发生在紧配合的轴颈等配合处，例如，受振动影响的花键、键、螺栓、螺钉以及佛钉等联接件接合面，联轴器、板弹簧及压缩弹簧的接触表面，安全阀及调节器的接触表面，液压装置中的活塞，某些片式摩擦离合器内外摩擦片的接合面，电气触点等。

微动磨损的表现形式为擦伤、金属黏附、凹坑或麻点（通常由粉末状的磨屑、氧化屑或腐蚀产物所填满）、局部磨损条纹或沟槽以及表面微裂纹。在受微动磨损的表面上，发生有黏着、微切削以及常伴有氧化和腐蚀的微区疲劳损伤。随着受载条件、材料性质、环境介质等情况不同，其中一种破坏形式可能起主导作用。当振动应力足够大时，微动磨损处会成为疲劳裂纹的核心，导致疲劳破坏。

微动磨损不仅改变零件的形状、恶化表面层质量，而且使尺寸精度降低、紧配合件的配合变松，还会引起应力集中，形成微观裂纹，导致零件疲劳断裂。在接触器中，由于微动磨损形成氧化物磨屑而可能导致信号畸变和电阻增高。假体生物材料之间的微动磨损，可能使有害离子进入人体造成中毒。

材料的磨损机理通常并不是以一种形式出现，很多磨损机制是由多种磨损形式（如切削、冲刷、研磨等）混合形成，这是因为材料的磨损本身就是一个十分复杂的动态过程。材料的耐磨性不是材料固有的属性，而是摩擦学系统中的一个参量。所以材料的耐磨性只是针对某一特定摩擦学系统而言。摩擦学系统中任一参数变化，都会引起磨损机理和磨损性能的变化。

微动磨损条件下物理化学过程非常复杂，制定通用的预防方法是不现实的。应依据具体摩擦副涉及的磨损机理和影响因素，采取适当的措施。可以采取的防护措施有：优化结构设计、使用液体润滑剂减轻微动磨损、摩擦副材料的选择、表面强化处理及涂层等都能有效地减少微动磨损。

2.9　摩擦磨损试验机

前已述及，材料的耐磨性与材料的强度、硬度不同，它不是材料的固有特性，而是在一定条件下物理和化学特性的综合表现，若条件改变材料的耐磨性也随之改变，故材料的耐磨性是相对的、有条件的。

为了探索和验证摩擦学中一些问题的机理以及有关影响因素，人们必须掌握摩擦学的测试技术和分析方法，因此摩擦学把试验研究和理论放在同等的重要地位。试验研究的目的包括两个方面：（1）研究性的摩擦磨损试验。主要研究摩擦磨损现象的规律性，了解探讨摩擦磨损现象的机理，以及影响摩擦磨损的有关参数等。一般说来这种方法没有固定模式，根据研究的日的来确定；（2）应用性的摩擦磨损试验。就是要将试验的结果直接应用于生产实践。在实验室条件下，如何确定影响摩擦磨损的主要因素也是较为复杂的问题，因为摩擦、磨损本身就是复杂的，而且影响它的因素也较多。稍许改变某一因素，可导致磨损量成倍的增加，即使在同一时间、同一因素对不同的磨损形式产生的影响也不同，而且各因素有时相互关联，是很难把它们完全区分开来。

这里介绍几种磨损试验机。

（1）以磨料磨损试验研究为例

①松散磨料类磨料磨损试验，如砂槽式三体磨料磨损试验机，如图 2-15所示。

②固定磨料类磨料磨损试验，如销盘式两体磨料磨损试验机，如图 2-16所示。

图2-15　三体磨损试验装置原理

图2-16　销盘磨损试验装置简图

③其他类型磨料磨损试验，如干砂-橡胶轮式两体磨料磨损试验机；动载式冲击磨损试验机等等。

（2）以冲蚀磨损试验研究为例

①转盘式液/固双相流冲蚀磨损试验机（西安交通大学铸造及耐磨材料研究所与济南试金集团共同研制的MMG-200冲刷腐蚀磨损试验机），试验装置及结构组成如图 2-17所示，冲刷腐蚀磨损试验机冲刷腐蚀摩擦学系统工作原理示意图见2-18所示。

1.冲刷腐蚀罐2.铂电极3.防腐螺母4.升降丝杆5.加热器6.挡沙板7.辅助电极8.刮沙板9.腐蚀罐升降架10.弹簧11.试样12.试样固定盖13.铜柱14.试样盘15.参比电极16.上盖起吊架17.上盖起吊螺钉18.鲁金毛细管19.上盖20.主轴21.压环22.导向柱23.盐桥24.下轴承25.乳胶管26.主轴座27.绝缘套28.铜环29.碳刷30.旋转主轴
图 2-17　转盘式冲刷腐蚀磨损试验装置示意图

图2-18　转盘式冲蚀磨损试验机冲刷腐蚀磨损摩擦学系统

②喷射式气/固双相流冲蚀磨损试验机，典型的气/固高速冲蚀磨损试验系统如图 2-19所示。该系统由双螺杆固体颗粒加料器、加料量控制和计量子系统、高温燃气供应子系统：由气源、燃烧室及燃料供应等部分组成、氧化铁颗粒加料段、气固两相流混合和粒子加热段、两相流加速段、材料试件冲蚀特性试验段以及旋风分离器和冷却部件组成的排出子系统共八个部分组成，可进行不同冲蚀速度、不同冲蚀角度、不同固体颗粒硬度粒径等试验参数下的试验研究。

图2-19　气/固高速冲蚀磨损试验系统

（3）以高温磨损试验研究为例

由于高温氧化和磨损的交互作用，加速零部件失效破坏，因此，存在对高温氧化磨损工况引起零件失效和破坏的主要原因（或失效机理）认识不足，同时，也缺乏可靠的用于评估材料高温氧化磨损交互作用的试验装置和一套科学的试验方法，最终选材大都带有片面性和盲目性。

近年来，西安交通大学张安峰、邢建东等人研制了一台高温氧化三体磨损试验机，其摩擦学系统构成如图 2-20所示。该试验机在原先的设备基础上增设冷却系统，试样矩形槽设有倒角，有利于磨粒进入磨面。该试验机的主要性能参数：试验温度室室温-1100℃；气氛中氧分压可调范围0～0.02MPa；主轴转速30r/min， 60r/min，90r/min；载荷范围：0～70N；磨料流量范围2～60g/min。

图2-20　高温磨料磨损摩擦学系统构成

高温氧化磨损试验机发展趋势包括：①研制更完善、更先进的高温氧化磨损试验机是研究耐热耐磨材料的基础和必备前提。②对高温氧化磨损工况，高温氧化和磨损的交互作用是研究的核心。建立某些体系中高温氧化和磨损等主要参数的定量公式是追求的目标。③试验过程中，试样需要不断装卸、称重、测试，因此进一步改进试样形状及试样装夹结构是一大难题。④测定高温气氛成分，尤其是测定氧化性气体含量，显得非常重要。在这样的高温气氛中，对测试元件性能提出苛刻要求。⑤用微机自动控制实验过程，用计算机对实验数据的采集、处理、打印是追求的另一个目标。