如前所述,实际摩擦副的表面从微观角度观察是凹凸不平的,在外力作用下真实接触面积会产生较高的应力。在这种高的比压下,材料将发生塑性变形,在显微区域凸起或凹凸不平处发生原子间的吸附黏着,即冷焊现象。随后,在相对运动中黏着处又分离。这种分离是滑动力作用下,在结合处的微区断裂。如果黏着点结合强度比构成摩擦副的材料强度均低,分离就从接触面分开,这时基体内部变形较小,摩擦面较平滑。这种情况称为外部黏着磨损。如果黏着点结合强度比摩擦副其中一种材料的强度高,则从一个部件的表面上撕下金属,并把它转移到另一个部件的表面上。这样,在一个部件的表面上形成微小的凹坑,在另一个部件的表面上则形成微小的凸起,从而又造成进一步的损伤。这时摩擦面显得很粗糙,有明显撕裂痕迹,称为内部黏着磨损。一般情况下是一部分黏着点从外部分开,另一部分从内部分开。
黏着磨损通常用Archard(1953)公式表达[2]:
式中,Wa 表示黏着磨损率;FN 是接触面上的正压力,N;H 为材料硬度值;Ka 表示磨损系数,Ka 不仅与工况有关,也与摩擦副材料有关,相同材料组成的摩擦副通常具有相当高的Ka 值。
根据黏着磨损机理与式(4-4)对黏着磨损可以获得以下规律:
(1)摩擦副间的接触应力越大,越容易发生黏着磨损。
(2)发生黏着磨损与摩擦副的材料密切相关。如果其中一种材料越软,也越容易发生黏着磨损。硬度不同的材料,黏着过程通常是软的材料往硬的材料上粘,因之硬度高的耐磨性要好些。
(3)如果黏着点的结合强度比摩擦副中任一材料剪切强度均高,且黏着区域大,剪切应力低于黏着点结合强度时,摩擦副就会产生咬死而不能运动。不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中经常发生此现象。
接触应力与摩擦速度对材料的黏着磨损量也有很大影响。在摩擦速度不太高的情况下,钢铁材料的磨损量随摩擦速度、接触压力的变化规律见图4-2[3]。
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图4-2 磨损量与摩擦速度、接触压力间的关系
由图4-2 可见,在摩擦速度一定时,磨损量随接触压力的增加而增加。有资料表明,当接触应力超过材料硬度的1/3 时,黏着磨损量急剧增加,会产生咬死现象。
在接触应力一定情况下,黏着磨损量与摩擦速度之间存在极值关系。这是因为随着摩擦速度的增加,磨损机理会发生改变,例如由黏着磨损变为氧化磨损。
从控制材料组织结构角度出发,可以得到一些减轻黏着磨损的定性规律:
(1)脆性材料比韧性材料抗黏着磨损能力强。
(2)相同金属、晶格类型相同或电化学性质相近的金属所组成的摩擦副黏着倾向大。
(3)多相金属比单相金属黏着倾向小;金属中化合物相比单相固溶体黏着倾向小。
(4)周期表中B 族元素与铁不相溶或形成化合物,它们黏着倾向小。而铁与A 族元素组成摩擦副黏着倾向大。
(5)采用表面处理技术如化学热处理(如渗硫等),可降低黏着倾向。
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