2.2 材料的磨损
磨损就是物体工作表面由于相对运动而不断损失的现象。它是伴随摩擦而产生的必然结果，没有摩擦就谈不到磨损。磨损现象复杂，涉及的问题范围很广，各种影响因素错综复杂，仅对表面做宏观观察常常难以彻底认识其机理与规律。磨损之所以受到人们的重视，主要是因为磨损失效导致的损失十分惊人，同时造成的大量的人身伤亡事故。据统计，磨损、断裂和腐蚀是机械零件失效的三种形式，其中磨损失效是包括航空材料在内的机电材料失效的主要原因，约有70%～80%的设备损坏是由于各种形式的磨损引起的。因此研究磨损机理和抗磨性措施，是有效地节约材料、提高机械使用寿命和安全稳定性的唯一方法，这对我国国民经济的发展尤其是航天事业的发展具有重要的意义。
磨损问题已成为科学家十分关注的问题之一，关于磨损机理的探究、磨损表面的测试方法以及由磨损衍生的相关学科都得到相应的发展。
目前，对磨损的研究主要有以下几个方面。
① 磨损发生的条件、特征和规律。
② 磨损的影响因素：摩擦副材料、环境介质、表面形态、速度、载荷、表面温度、材料转移等参数。
③ 抗磨损的措施、测试方法、实验分析。
④ 磨损机理、研究磨损的模型、计算方法和磨损的分形。
为了反映零件的磨损，常常需要用一些参量来表征材料的磨损性能。常用的参量有以下几种：
① 磨损量 由于磨损引起的材料损失量称为磨损量，它可通过测量长度、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。
② 磨损率 以单位时间内材料的磨损量表示，即磨损率I=dV/dt（V为磨损量，t为时间）。
③ 磨损度 以单位滑移距离内材料的磨损量来表示，即磨损度E=dV/dL（L为滑移距离）。
④ 耐磨性 指材料抵抗磨损的性能，它以规定摩擦条件下的磨损率或磨损度的倒数来表示，即耐磨性=dt/dV或dL/dV。
⑤ 相对耐磨性 指在同样条件下，两种材料（通常其中一种是Pb-Sn合金标准试样）的耐磨性之比值，即相对耐磨性εw=试样耐磨性/标样耐磨性。
目前，出现的磨损分类很多，没有完全统一的标准，通常情况下，磨损的分类见表2.1。
表2.1 磨损的分类
一个摩擦学系统的磨损形式往往是这几种磨损形式的综合作用，一般一段时期以某种磨损形式为主，并伴有其他形式的磨损。
2.2.1 黏着磨损
当摩擦副表面相对滑动时，由于黏着效应所形成的黏着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为黏着磨损。
根据黏着点的强度和破坏位置不同，黏着磨损有几种不同的形式，从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损。它们的磨损形式、摩擦系数和磨损度虽然不同，但共同的特征是出现材料的迁移，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。
（1）轻微黏着磨损
当黏结点的强度低于摩擦副的强度时，往往剪切发生在结合面上。此时摩擦系数不断增大，但磨损量却是很小，材料迁移也不显著。通常情况下在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生的磨损属于黏着磨损。
（2）涂抹磨损
当黏结点的强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，小于较硬金属的强度，破坏将发生在离结合面不远处软材料表层内，因而软材料黏附在硬材料表面上。这种磨损的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度大于轻微黏着磨损。
（3）擦伤磨损
当黏结强度高于摩擦副两材料强度时，剪切破坏主要发生在软金属表层内，有时也发生在硬金属表层内。迁移到硬材料上的黏着物又充当第二相粒子的作用，使软材料表面出现划痕，可见，擦伤主要发生在软材料表面。
（4）胶合磨损
当黏结点强度比摩擦副两材料的剪切强度高得多，而且黏结点面积较大时，剪切破坏发生在一个或两个材料距表层较深的地方。这时材料两表面都出现严重的磨损，甚至出现了使摩擦副之间咬死而不能相对滑动的现象。
2.2.2 磨粒磨损
由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。例如：犁耙、挖掘机、铲车等的磨损是典型的磨粒磨损；水轮机叶片和船桨等与含有泥沙的水之间的磨损属于磨粒磨损；PTFE与GCr15钢球之间由于PTFE具有自润滑性，磨屑在两个接触面之间起到第二相粒子的作用，形成典型的磨粒磨损。
磨粒磨损有多种分类方法，以力的作用特点来分，可分为以下几种。
（1）低应力划伤式的磨粒磨损
它的特点是磨粒作用于零件表面的应力不超过磨粒的压碎强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。如图2.3所示。
图2.3 低应力划伤式的磨粒磨损
（2）高应力辗碎式的磨粒磨损
特点是磨料与零件表面接触处的最大压应力大于磨粒的压碎强度。生产中球磨机衬板与磨球、破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。如图2.4所示。
图2.4 高应力辗碎式的磨粒磨损
（3）凿削式磨粒磨损
特点是磨粒对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗粒的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。
磨粒磨损还可以以磨损接触物体的表面分类。
① 磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直，常称为冲击磨损。此时，磨粒与表面产生高应力碰撞，在表面上磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落，冲击磨损量与冲击能量有关。如图2.5所示。
图2.5 二体磨粒磨损
② 在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用，这也是一种二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。
③ 外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，称为三体磨粒磨损，通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳，而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。如图2.6所示。
图2.6 三体磨粒磨损
2.2.3 疲劳磨损
所谓的疲劳是指材料在远低于拉伸强度的交变载荷作用下发生破裂的现象。
所谓的表面疲劳磨损是指两个相互滚动或兼滑动的摩擦表面，在交变接触应力的作用下，表面发生塑性变形，在表面局部引起裂纹，裂纹不断扩大并发生断裂，而造成的剥落现象。实际中发生表面疲劳磨损的例子非常多，例如：滚动轴承、凸轮副、齿轮副等表面都能产生表面疲劳磨损。此外摩擦表面粗糙凸峰周围应力场变化引起的微观疲劳现象也属于表面疲劳磨损。
腐蚀磨损就是在摩擦过程中，由于机械作用以及金属表面与周围介质发生化学或电化学反应，共同引起的表面损伤。
根据介质的性质、作用于摩擦表面的状态以及摩擦材料性能，腐蚀磨损分为：氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、气蚀和微动磨损。