固体表面的摩擦与磨损原理及优化方案

1.固体表面的摩擦

两个物体表面相互接触或相对运动时就会发生摩擦。因此，摩擦是自然界存在的一种普遍现象。摩擦的最简单的定义是“抵抗两物体接触表面切向相对运动的现象”。摩擦的大小一般用摩擦因数μ来表示（库仑定律），其值等于摩擦力F（切向力）与法向力N（载荷）的比值，即

μ=F/N （7-13）

摩擦因数不仅与固体表面层的属性有关，而且随环境条件、润滑介质、工况参数等一系列因素在很大范围内发生变化。摩擦学实际上是一门包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、失效科学等众多学科的边缘和交叉科学，如图7-2所示。

图7-2 两物体摩擦接触过程及其影响因素（包括几何、材料和能量参数以及微观和纳米尺度与接触条件的改变等）示意图

按照不同的分类标准，摩擦可以分为很多种类型，如表7-1所示。但当某些与摩擦磨损相关的现象发生在不同的尺度上时，摩擦的分类和整体的研究就变得更加复杂。在有些情况下，由于分子或原子的相互作用，剪切发生在纳米尺度上；另一方面，由于微凸体间的碰撞而产生微米级的裂纹；而当我们为了防止接触而采用弹、塑性流体动压润滑时，通常在宏观尺度上计算压力和润滑膜的厚度。观察力和振动时只考虑零部件，而预测效率和寿命时则要从整体机械来研究，因而就产生了多尺度摩擦学的问题。摩擦学的长度尺度代表了区分和理解摩擦学现象相关特性的不同方法，如图7-3所示^[21]。

在这里，我们主要讨论五种不同长度尺度下的摩擦学：

1）纳米摩擦学（分子摩擦学）。包括与分子原子间的相互作用有关的现象，例如范德华力的影响以及相关的原子间的现象，由材料的晶体和成键结构决定。

2）微米摩擦学（微凸体摩擦学）。发生在表面形貌峰端的现象，例如微凸体间的黏着、断裂、弹塑性变形、磨屑形成、表面层形成以及形貌改变等，上述现象在微米尺度上是非常重要的。

3）宏观摩擦学（接触摩擦学）。经常覆盖整个接触区域，例如接触物体间的大范围应力。在高载荷应用场合（例如齿轮、轴承、转子），综合的载荷响应非常重要。宏观尺度的应力影响划痕、刮伤、凹坑等磨损机理。

4）部件摩擦学（分摩擦）。定义、测量与部件间的相互作用有关的典型参数，例如：力矩、力、振动、间隙以及对中性，这些参数将决定其性能。

5）机械摩擦学（整体摩擦）。描述和系统性能有关的现象，这个系统是由零部件组成的机器或是设备系统，主要关注系统的性能、效率、可靠性、寿命预测等指标。

图7-3 机械级、部件级、接触级、微凸体级和分子级的摩擦学过程

表7-1 摩擦分类

图7-4 斯特里贝克曲线图

已有研究表明，无论是什么样的摩擦，对摩擦特性影响最大的因素是液体润滑油的黏度、摩擦副相对运动速度和摩擦副载荷三参数的综合作用。它们之间的关系可用斯特里贝克（Streibeck）曲线表示，如图7-4所示。

由图7-4可以看到，为了便于区分润滑状态，引入参数λ，它为油膜厚度h与表面粗糙度综合值R的比值（λ=h/R）。根据油膜厚度h与两对偶表面粗糙度综合值R的比值关系，可将润滑的类型区分为流体润滑、混合润滑和边界润滑。表面粗糙度综合值可计算而得

式中，R₁与R₂分别为两对偶摩擦副表面的轮廓最大高度。

斯特里贝克曲线根据操作条件，油膜厚度及材料性质将摩擦间的润滑分为流体润滑、混合润滑和边界润滑。

图中，N——两对偶摩擦副载荷（N）；

f——滑动摩擦因数；

μ——液体动力黏度（Pa·s）；

V——相对运动速度（m/s）。

在流体润滑状态下，润滑剂膜厚度h和表面粗糙度综合值R的比值λ约为3以上，典型膜厚h约为1～100μm。对弹性流体动压润滑，典型膜厚h约为0.1～1μm。摩擦表面完全为连续的润滑剂膜所分隔开，由低摩擦的润滑剂膜承受载荷，磨损轻微。

在边界润滑区，比值λ趋于零（小于0.4～1）时，典型膜厚h约为0.05～0.001μm，此状态摩擦表面微凸体接触较多，润滑剂的流体润滑作用减少，甚至完全不起作用，载荷几乎全部通过微凸体以及润滑剂和表面之间相互作用所生成的边界润滑剂膜来承受。

在混合润滑区，即几种润滑状态同时存在时，相当于曲线中间一段，比值λ约为3，典型膜厚h在1μm以下，状态摩擦表面的一部分为润滑剂膜分隔开，承受部分载荷，也会发生部分表面微凸体间的接触，以及由边界润滑剂膜承受部分载荷。

当摩擦表面之间、润滑剂之间润滑剂的流体润滑作用已经完全不存在，载荷全部由表面上存在的氧化膜、固体润滑膜或金属基体承受时的状态，称为无润滑或干摩擦状态。一般金属氧化膜的厚度在0.01μm以下。

由图7-4可以看到，随着工况参数的改变，可能导致润滑状态的转化，润滑膜的结构特征发生变化，摩擦因数也随之改变，处理问题的方法也有所不同。例如在流体润滑状态下，润滑膜为流体效应膜，主要是计算润滑膜的承载能力及其他力学特征。在弹性流体润滑状态时，还要根据弹性力学和润滑剂的流变学性能，分析在高压力下接触变形和有序润滑剂薄膜的特性。在干摩擦状态下，主要是应用弹塑性力学、传热学、材料学、化学和物理学等来考虑摩擦表面的摩擦与磨损过程。

通常，由于复杂的接触形状（例如粗糙度、磨屑），或是表面材料的不均匀性，或是在加载和滑动条件下的变化，基本的摩擦接触机理会通过复杂的方式联系起来。因此，在不同接触条件下，了解基本的摩擦理论对于分析和控制摩擦磨损是非常重要的。几种主要的摩擦理论如表7-2所示。

表7-2 几种主要的摩擦理论

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2.固体表面的磨损

磨损是摩擦效应的一种表现和结果。由于摩擦，系统的运动学和动力学性质受到影响和干扰，使系统的一部分能量以热量形式发散和以噪音形式消失，此外摩擦效应还伴随着表面材料的逐渐消耗。因此，可以将磨损定义为相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。在某种程度上，磨损和摩擦的不同在于，摩擦在一瞬间发生，而磨损的发生则需要经过表面接触一段时间。在机械零件正常运行过程中的典型磨损，一般可分为三个阶段（参看图7-5）。

1）磨合磨损阶段（磨合过程）。在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，该阶段所占时间比率较小。

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，属正常磨损。

3）急剧磨损阶段。在这个阶段，磨损表面状态发生变化或因存在着硬颗粒，使磨损速率急剧增长。这时机械效率下降，还有可能产生异常噪声或振动，摩擦副温度迅速升高，导致零件失效甚至机器损坏。

图7-5 摩擦副正常磨损过程示意图

磨损与构件所受的应力状态、工作与润滑条件、加工表面形貌、材料的组织结构与性能以及环境介质的化学作用等一系列因素有关。按表面破坏机理和特征，磨损可分为磨料磨损、黏着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。前三种是磨损的基本类型，后两种磨损形式只在某些特定条件下才会发生。各种类型磨损的定义和特征如表7-3所示，实际上大多数磨损是以上述几种磨损形式的复合形式出现的。对各类磨损的评定一般采用在单位磨损时间内的磨损量（体积磨损量、质量磨损量及长度磨损量）来表示。

表7-3 几种主要的磨损类型、定义及其特征

固体表面的摩擦磨损特性与其摩擦磨损机理和摩擦副材料特性有关，因此，了解几种基本的磨损失效机理及其影响因素，对于控制磨损失效是十分必要的。

1）磨料磨损的失效机理及其影响因素。磨料磨损的失效机理包括以微量切削为主的假说、以疲劳破坏为主的假说、以压痕为主的假说以及以断裂为主的假说。

以微量切削为主的假说认为塑性金属同固定的磨料摩擦时，磨屑呈螺旋形、弯曲形等，在金属表面内发生塑性挤压、形成擦痕或切削金属，形成磨屑；以疲劳破坏为主的假说是指金属的同一显微体积经多次塑性变形，小颗粒从表层上脱落下来，同时不排除存在磨料直接切下金属的过程，滚动接触疲劳破坏产生的微粒多呈球形；以压痕为主的假说认为，对塑性较大的材料，磨料在压力作用下压入材料表面，犁耕另一金属表面，形成沟槽，使金属表面受到严重的塑性变形，压痕两侧金属已经破坏，磨料极易使其脱落；以断裂为主的假说针对脆性材料，以脆性断裂为主，认为磨料压入和擦划金属表面，压痕处的金属产生变形，磨料压入的深度达到临界深度时，随压力而产生的拉伸应力足以使裂纹产生，由于裂纹能超过擦痕的边界，所以断裂引起的材料迁移率可能比塑性变形引起的材料迁移率大得多。

总之，磨料磨损机理属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状及尺寸、固定程度、载荷作用下磨料与被磨表面的力学性能以及摩擦副的工作条件有关。如适当减小磨料尺寸及增加材料表面硬度与磨料硬度比可显著改善磨料磨损性能。

2）黏着磨损的失效机理及其影响因素。黏着磨损成因在于固体表面存在微观不平，表面的接触发生在微凸体处，在一定载荷作用下，接触点处发生塑性变形，使其表面膜被破坏，两摩擦表面金属直接接触形成粘结点（固相焊合），摩擦热的产生使接触点处熔化和熔合（热磨损）。由于黏着点与摩擦副双方材料力学性能的差别，当黏着部分脱离时，可能出现外部黏着和内部黏着两种情况。外部黏着是指黏着点的结合强度比摩擦副双方材料的强度低时，从黏着点分界面脱离，基体内部变形小，没有发生明显黏着的现象；而内部黏着则是指黏着点的结合强度比摩擦副的一方强度高时，脱离面发生在原子结合力较弱的金属内部，大块磨粒从基体被撕裂后而导致的黏着磨损。

引起黏着磨损的根本原因是摩擦区形成的热。因此，凡是能减小摩擦区形成热的因素都会提高抗黏着磨损能力。这些影响因素包括：摩擦副材料的互溶性、工作载荷、滑动速度、接触压力、摩擦表面温度、结构与形状尺寸、是否采用合适的润滑剂及表面膜等。

3）表面疲劳磨损是疲劳和摩擦共同作用的结果，其失效过程可分为两个阶段，即疲劳核心裂纹的形成与疲劳裂纹的发展直至材料微粒的脱落。

对表面疲劳磨损初始裂纹的形成，有下述几种理论，分述如下：

①最大剪切应力理论。该理论认为裂纹的产生一般是由于剪切应力作用下因塑性变形而引起。纯滚动时，最大剪切应力发生在表层下0.786b（b为接触宽度之半）处，即次表层内，在载荷反复作用下，裂纹在此附近发生，并沿着最大剪切应力方向扩展到表面，形成磨损微粒脱落，磨屑形状多为扇形，剥落坑为“痘斑”状坑点。当除纯滚动接触外，还带有滑动接触式时，最大剪切应力的位置随着滑动分量的增加向表层移动，破坏位置随之向表层移动，如图7-6所示。

②油楔理论。油楔理论认为，在滚动带滑动的接触过程中，由于外载荷及表层的应力和摩擦力的作用，引起表层或接近表层的塑性变形，使表层硬化形成初始裂纹，并沿着与表面呈小于45°的夹角方向扩展。当表层有润滑油存在时，形成油楔，裂纹内壁承受很大压力，迫使裂纹向纵深发展（图7-7）。裂纹与表面层之间的小块金属犹如一承受弯曲的悬臂梁，在载荷的继续作用下被折断，在接触面留下深浅不同的麻点剥落坑，深度0.1～0.2mm。

图7-6 表层下剪切应力的分布

1—纯滚动 2—滚动兼有滑动 3—纯滑动

图7-7 表面裂纹发展和润滑油作用示意图

a）润滑油楔入裂纹 b）裂纹扩大 c）微屑脱离母体

③裂纹起源于硬化层与芯部过渡区理论。表层经过硬化处理的零件（渗碳、淬火等），其接触疲劳裂纹往往出现在硬化层与芯部过渡区。这是因为该处所承受的剪切应力较大，而材料的抗剪强度较低。试验表明，只要该处承受的剪切应力与材料的抗剪强度之比大于0.55时，就有可能在过渡区形成初始裂纹。裂纹平行于表面，扩展后再垂直向表面发展而出现表层大块状剥落。

硬化层深度不合理、芯部强度过低、过渡区存在不利的残余应力时，容易在硬化层与芯部过渡区产生裂纹。因此，提高材料的强度和硬度，减少非金属夹杂物特别是脆性夹杂物，改善表面粗糙度、接触精度、润滑油黏度、硬化层微观结构，以及使最大剪切应力尽可能分布在硬化层内，都将提高抗疲劳磨损的能力。

需要指出的是，在基本的摩擦磨损机理中并没有涉及材料转移问题。随着对基本磨损过程研究的深入，磨损的分类方法越来越依赖于材料转移的基本机理，图7-8^[21]示出了基于材料转移的基本摩擦磨损机理的分类方法。由图可以看出，由于磨损时发生了材料转移，接触区的一些碎屑会使接触机理更加复杂，但是两表面间运动摩擦阻力的基本机理仍是基本摩擦磨损机理中提到的黏着、犁削以及迟滞作用。这里的摩擦迟滞作用基于材料的弹性变形，因此某种程度上与犁削作用很相似，只是几何尺寸不同。磨损时材料的分离则主要因为：

1）黏着+断裂。黏性的增加或者剪切力导致表面产生较高的应力和剪切应力以至于它们超过材料的强度，并形成裂纹，最终导致裂纹扩展，材料分离，磨屑形成。

2）磨料+断裂。硬质表面穿过较软的表面使其变形到形成较高的剪切应力，以至于剪切应力超过了材料的强度的程度，从而形成裂纹，最终导致裂纹的扩展、断裂，以及材料分离，磨屑形成。

3）疲劳+断裂。压缩载荷使表面变形，形成较高的应力、应变，当它们超过材料强度后产生裂纹，并导致裂纹扩展以及材料分离，形成磨屑。裂纹扩展发生在多次载荷循环的过程中。

图7-8 与黏着、犁削和迟滞有关的基本摩擦磨损机理以及磨损时的接触机理

上述包括材料转移的磨损失效机理的描述，是一个更为广泛的过程，即从材料内部结构键间结合力的破坏，到裂纹的扩展，最终到磨损以及材料从表面脱落。