导语

金属磨损是机械工程和材料科学中的一个重要研究领域。金属磨损是指金属表面在摩擦或接触过程中，由于机械或化学作用导致材料逐渐丧失的现象。磨损是影响金属材料使用寿命和性能的关键因素之一。了解磨损的基础知识对于材料选择、设计和维护非常重要。本期内容主要是分享金属磨损的基础知识和影响因素，学习适当的控制措施提高金属部件的使用寿命和性能。

金属磨损概述

金属摩擦表面相互接触过程中，表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸发生改变的现象称为磨损。磨损导致的材料损失可能以磨屑、碎片或颗粒的形式表现出来。在摩擦载荷作用下，金属表面性质（金相组织、物理化学性能、力学性能）和形状的（形貌和尺寸、粗糙度、表面层厚度）会发生变化。

通常磨损过程是一个渐进的过程，正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的。金属磨损研究在材料科学与工程、机械工程和表面工程等领域均有涉及，各个学科的交叉和合作在磨损研究中也显得尤为重要，有助于全面理解和解决磨损问题。但从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视研究材料的磨损。

图1 磨损行为的学科交叉性

金属磨损并非单一的力学过程。引起磨损的原因既有力学作用，也有物理和化学作用，因此，摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动特性（方式和速度）以及工作温度等诸多因素均影响磨损量的大小，所以，磨损是一个复杂的系统过程。 

磨损是材料五类失效模式之一，造成的损失也 是巨大的。据统计，在失效的零部件中，80%以上 是由各种形式的磨损或腐蚀引起的。就一个国家而言，每年因摩擦磨损造成的经济损失一般占GDP的1%以上。

在机械的正常运转中，磨损过程大致可分为三个阶段，如图2所示。

 图2 金属磨损特性曲线

（1）跑合（磨合）磨损阶段 

特点：这一阶段中，磨损速度由快变慢，而后逐渐减小到一稳定值。这是由于新加工的零件表面呈尖峰状态，使运转初期部件的实际接触面积较小，单位接触面积上的压力较大，因而磨损速度较快，如图1中磨损曲线的Oa段。跑合磨损到一定程度后，尖峰逐渐被磨平，磨损速度即逐渐减慢。

（2）稳定磨损阶段 

特点：在这一阶段中磨损缓慢、磨损率稳定，零件以平稳而缓慢的磨损速度进入零件正常工作阶段，如图2中的ab段。这个阶段的长短即代表零件使用寿命的长短，磨损曲线的斜率即为磨损率，斜率越小磨损率就越低，零件的使用寿命就越长。经此磨损阶段后零件进入剧烈磨损阶段。

机制：

磨粒磨损：硬质颗粒或突起在表面滑动或滚动，产生划痕和切削作用。

腐蚀磨损：环境中的化学或电化学反应导致金属表面生成腐蚀产物，这些产物在机械作用下被移除。

疲劳磨损：由于循环应力作用，表面或亚表面材料产生疲劳裂纹，导致材料剥落。

（3）剧烈磨损阶段 

特点：此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。当工作表面的总磨损量超过机械正常运转要求的某一允许值后，零件的磨损加剧，精度下降，润滑状态恶化，温度升高，从而产生振动、冲击和噪声，导致零件迅速失效，如图2中的bc段。

机制：

疲劳裂纹扩展：由于累积的疲劳损伤，裂纹继续扩展并最终导致材料剥落。

磨损产物的堆积：磨损产生的颗粒堆积在接触表面，增加磨粒磨损和粘着磨损的程度。

表面温度升高：摩擦热积累导致表面温度升高，材料软化和氧化加剧，加速磨损。

上述磨损过程中的三个阶段，是一般机械设备运转过程中都存在的。必须说明的是，在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油，这样才能正常地进入稳定磨损阶段。

耐磨性是材料抵抗外部磨损的性能，这是一个系统性质。迄今为止，还没有一个统一的、意义明确的耐磨性指标，表征金属的耐磨性需要综合使用各种磨损测试方法和分析技术，包括磨损试验、磨损量测量和表面分析等。

（1）磨损测试方法

可通过磨损试验机、磨粒磨损试验、腐蚀磨损试验等评估材料的耐磨性能。

（2）磨损量

在规定条件下，经过规定时间的磨损后，样品表面的损耗程度称为磨损量(W)。磨损量可通过测量长度、体积或质量的变化而得到，并相应称它们为线磨损量、体积磨损量和质量磨损量。

若测量单位摩擦距离、单位压力下的磨损量等，则称为比磨损量。磨损量越小，耐磨性越高。

（3）耐磨性

磨损量的倒数称为耐磨性，即ε=1/W。ε值越大，材料的磨损抗力越大。

（4）相对耐磨性

指在同样条件下，标准试样（Pb-Sn合金）的磨损量与被测试样磨损量的比值称为相对耐磨性。相对耐磨性的倒数称为磨损系数。

（5）磨损表面分析

可选择光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析、X射线衍射等仪器设备了解磨损过程中材料的变化和机理。

ASTM G99：销-盘磨损试验标准。

ASTM G65：干砂橡胶轮磨损试验标准。

ASTM D4172：四球磨损试验标准。

ISO 20808：陶瓷材料的球-盘磨损试验标准。

金属的磨损类型

通常，按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分，磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损（接触疲劳）四种基本类型。但磨损过程十分复杂，有许多实际表现出来的磨损现象不能简单地归为某一种基本磨损类型，而往往是基本类型的复合或派生，如气蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损等。

一、粘着磨损

粘着磨损是指当两个金属表面在相对运动时，由于局部接触区域的粘着作用，导致材料从一个表面转移到另一个表面的磨损现象。这种磨损通常发生在金属表面具有相似硬度和化学成分的情况下。

粘着磨损一般是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m/s）时发生的，例如，内燃机中的活塞环和缸套衬这一运动的摩擦副，如不考虑燃气介质的腐蚀性，主要表现为粘着磨损。

粘着磨损的过程主要包括以下几个步骤：

接触和粘着：

当两个表面相互接触时，由于局部压力和摩擦热的作用，接触点的温度升高，导致表面材料发生微观的粘着和局部熔化。

在高压力区域，原子间的相互作用力使表面材料发生粘着。

相对运动和剪切：

在外力的作用下，两个表面发生相对运动，粘着点被拉伸和剪切。

由于相对运动，粘着点破裂，部分材料从一个表面转移到另一个表面，形成磨屑。

磨屑的形成和脱落：

被剪切和拉伸的粘着点最终断裂，形成微小的磨屑。

这些磨屑在进一步的相对运动中被带走或残留在表面，导致表面进一步磨损。

粘着磨损机理如图2所示。粘着磨损的磨损表面形貌为锥刺、鳞尾、麻点等，如图3所示。 

图2 粘着磨损机理示意图

 图3 粘着磨损的失效形貌

粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。如气缸套与活塞环、曲轴与轴瓦、轮齿啮合表面等，皆可能出现不同粘着程度的磨损。涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。

材料特性、法向力、滑动速度以及温度等均对粘着磨损有明显影响。

塑性材料比脆性材料易于粘着；互溶性大的材料（相同金属或晶格类型、点阵常数、电子密度、电化学性质相近的金属）组成的摩擦副粘着倾向大；单相金属比多相合金粘着倾向大；化合物比固溶体粘着倾向小；金属与非金属组成的摩擦副比金属与金属的摩擦副不易粘着。

在摩擦速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而增加。试验指出，当接触压应力超过材料布氏硬度的1/3时，粘着磨损量急剧增加，严重时甚至会产生咬死现象。因此，设计选材的许用压应力必须低于材料布氏硬度值的1/3，以免产生严重的粘着磨损。

在法向力一定时，粘着磨损量随滑动速度增加而增加。但达到某一极大值后又随滑动速度增加而减小，如图4所示。这可能是由于滑动速度增加时，接触表面温度升高，材料剪断强度下降，使粘着磨损量增加，而滑动速度过大又使塑性变形不能充分进行而延缓了粘着点的长大，使磨损量减小。

图4 磨损量与滑动速度的关系

防止或减少粘着磨损须从设计、选材、润滑和加工工艺等方面来综合采取措施。

首先，注意摩擦副配对材料的选择。其基本原则是配对材料的粘着倾向应比较小，如选用互溶性小的材料配对；选用表面易形成化合物的材料配对；在受力较小时，选用金属与高分子材料配对等。在滑动轴承中，选用淬火钢轴与锡基或铝基轴瓦配对。

其次，因为磨损发生在表层，所以最经济有效的方法是提高零件表面的耐磨性，如采用表面热处理、化学热处理、电镀、喷涂、堆焊、表面覆膜技术和离子注入技术等。

此外，控制摩擦滑动速度和接触压应力，可使粘着磨损大为减轻。降低摩擦副表面粗糙度和摩擦表面温度，改善润滑状态等都可降低粘着磨损量。

二、磨料磨损

运动的硬颗粒使被摩擦的构件表面产生破损而 分离出磨屑或划伤的磨损现象，称为磨粒磨损，又称磨料磨损。磨粒磨损很少是由一种单一的磨损机制引起的，常常是多种磨损机制的相互作用，并随磨损条件的变化从一种磨损机制转变为另一种磨损机制。

图5 磨粒磨损的四种机制

磨料磨损是最常见的、同时也是危害最为严重的磨损形式。在各类磨损形式中，磨料磨损大约占总消耗的50%。

（1）磨料磨损机理 

磨料磨损可能是磨粒对摩擦表面产生的切削作用、塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映，并以某一损坏方式为主。磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽或磨屑，如图6所示。

 图6 磨粒磨损表面的犁沟和磨屑(SEI)

a)犁沟;b)磨屑

当磨料硬度较高且棱角尖锐时，磨料犹如刀具一样，在切应力作用下，对金属表面进行切削。这些切削一般较长而深度较浅。实际上，磨料形状一般比较圆钝，而且材料表面塑性较高，磨料在材料表面滑过后只能犁出一条沟槽来，使两侧金属发生塑性变形而堆积起来，在随后的摩擦过程中，这些被堆积部分又被压平，如此反复地塑性变形，导致裂纹形成而引起剥落。因此，这种磨损实际上是疲劳破坏过程。硬而脆的材料遇到磨粒磨损时，由于磨料不易刺入材料使材料发生塑性变形，更不易被切削，这时材料常常是以脆性断裂、微观剥落的机制发生迁移，宏观上便是发生了磨损。

图7 三种不同形式的磨粒磨损形貌 

（2）影响磨料磨损的因素

 磨料磨损的影响因素很多，十分复杂，还包括了外部载荷、磨料硬度和颗粒大小、相对运动情况、环境介质以及材料组织和性能等。影响磨料磨损的因素有零件材料的内部因素和磨粒等的外部因素。

材料的硬度是影响磨料磨损最大的因素。一般来说材料的硬度（正确地说是材料磨损后的表面硬度）越高，则耐磨性越高。对纯金属和退火钢，耐磨性大致与硬度成正比。经热处理的钢，其耐磨性也随着硬度的提高而提高，只是提高的程度稍低。对于像石英和陶瓷等硬度很高的材料，硬度过高后耐磨性反而下降，这是由于断裂韧度下降，容易发生脆性碎裂使磨损增大。

外部因素中影响较大的是零件材料硬度Hm与磨粒硬度Ha的比值。当Hm/Ha>0.8时，零件材料的耐磨性迅速提高；当Hm/Ha