摩擦力和磨损：表面凹凸与黏着的关系

磨损是零部件在相互接触的状态下进行相对运动（滑动、滚动或滑动＋滚动）而引起的一种物理现象。由于零部件间相对摩擦的结果，引起摩擦表面材料有微小部分分离出来，使接触面的尺寸发生变化，导致质量损失，这一现象就称为磨损。磨损一般都意味着在一段时期内重量逐步损失和尺寸变小，所以磨损问题与断裂所造成的问题是不同的。

一切有滑动或滚动接触的机器零件都会发生一定程度的磨损。这类典型的零件有轴承、齿轮、密封圈、导轨、活塞环、齿条、制动器和凸轮。磨损是否构成零件的失效，关键在于磨损是否影响到零件的工作能力。不同的零部件情况有所不同。例如，对于液压阀中精密配合阀柱，哪怕是轻度的抛光型磨损，虽然表面上看不出有什么损伤，但是可能引起严重的泄漏，从而认为发生失效。但是对于岩石破碎机的锤头，尽管表面明显可见有严重的压凹、碰伤，表面金属磨去达几厘米，但仍然能满足使用要求，正常工作。

与其他失效情况一样，发生磨损失效一定是在外加应力作用下发生的，导致磨损发生的外力就是摩擦力，下面对摩擦力产生的原因进行分析[1－2]。

磨损一定是两个固体在接触面相对运动情况下产生的。当一固体的小方块放在一个平面上，小方块于平面在接触面似乎是紧密接触。但真实的表面从微观角度分析一定是凹凸不平的。例如车削加工后的表面微观上看是由许多沟槽组成，磨削加工的表面由浅而平行的U 形沟组成。因此两个物体平面间的实际接触面积（真实接触面积）是大量凹凸不平的微小面积之和。在这些微小面积上，相对的两个表面的凸起点彼此相接触，每一个这种真实接触区的直径为10－3～10－5 in（1 in＝2.54 cm）。

在每一个真实微小的接触区域受到的外加应力，可以近似地用一个光滑圆球放在一光滑的平面上来模拟。因为这种接触是点接触，所以会产生很高的微观应力。

在接触点处的微观应力足以使球和平面都发生弹性变形，这就使得微小接触面积扩大，一直扩大到外加应力减小到稍低于弹性极限为止。可见材料的弹性极限越高，接触面积就越小。

如果在垂直于接触面的方向上施加外力，接触点处的微观应力就会增加，导致接触面积增加。接触面积大约按2/3 次方随载荷增加。如果增加载荷，一旦超过材料的弹性极限，接触点处的表面则发生塑性变形，形成永久凹陷，上下物体表面微小区域可能黏着在一起。

在上述情况下，两个相互接触的固体如果发生平行接触面方向的相对滑动，在表面接触点处将一定产生运动的阻力，这就是摩擦力。

摩擦力是由于摩擦而阻碍相对运动的力，方向平行接触表面与滑动方向一致。

摩擦力有以下特征[2]：

（1）摩擦力是切向运动阻力的度量。根据不同接触情况有下面不同内涵。

（2）如果相互接触的两个物体均是刚体，微小的凹凸部分没有发生变形，摩擦力是将一个物体表面的微凸部分抬高超过另一个物体表面微凸体的作用力。

（3）如果相互接触的两个物体一方较硬而另一方较软，硬的一方其表面凸起的微区就会压入软的一方表面。在滑动时就会对软的一方实现“切削”，在软的一方表面形成犁沟。这时摩擦力就是软金属压入硬度与犁沟截面积的乘积。

（4）如果相互接触的表面发生黏着，摩擦力就是能剪切开两个物体表面微小区域相互黏着的力，也就是使结合的凸起点被剪断并使未结合的点变形所需要的力的总和。

（5）滑动过程中，通过很多微小的结合点在表面之间的形成和被剪断而保持一个稳定的摩擦力。

可见摩擦力的值主要与表面凹凸区高度、塑性变形及黏着相关。

摩擦力的值无疑对于控制磨损量有最直接的关系，下面采用简要模型对其进一步分析[1]。

试验证明：对于很多材料两个接触面之间的摩擦力正比于正压力，且与表观接触面积无关。根据摩擦理论，真实接触面的增加正比于载荷，摩擦力正比于载荷和真实接触面积。如果摩擦力正比于被剪断的微观区域结合处的面积（真实接触面积）总和，则可得到下面的简单关系：

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式中，F 是摩擦力，N；S 是结合点两方中较弱一方材料的剪切强度，N/mm2；A 是真实接触面积，mm2。

依据摩擦的黏着理论，在接触点处发生黏结，摩擦力就等于使结合点剪断所要求的力的总和。真实接触面积反比于较弱材料的硬度，正比于垂直载荷。

式中，A 是真实接触面积，mm2；W 是垂直载荷（或接触力），N；P 是压入硬度（通常用维氏硬度测定），N/mm2。式（4-2）可与式（4-1）结合，可得

式中，S/P＝μ，是摩擦系数。图4-1 所示为作用在一个静止水平面上滑动的物体上的垂直载荷W 和摩擦力F。

图4-1　作用在沿静止水平表面滑动的物体上的垂直载荷与摩擦力之间的关系

从上面分析可以看到另一个重要参数——摩擦系数。

摩擦系数的定义：摩擦力与在摩擦面上的垂直载荷之比。

在上述模型下摩擦系数是较软一方的剪切强度与硬度的比值（μ＝S/P）。上述分析指出了提高耐磨性的基本原则：

（1）如果从材料角度提高一对摩擦副的耐磨性能，应该从提高较软一方的材料性能入手。

（2）从摩擦系数计算公式可见，如果能提高较软一方材料的硬度，同时大幅度降低剪切强度值，则摩擦系数降低，导致摩擦力降低，一定能提高耐磨性能。

在一般情况下，金属或合金的硬度增加，其剪切强度也增加，很难做到高硬度与低剪切强度匹配。为解决这样的矛盾，可通过表面处理技术实现。例如在耐磨电触头中通过镀上一层硬的基底，而基底上又有非常薄的一层金属以获得低的摩擦系数。

天然存在的金属氧化物，一般都降低表面的粘接力，与另一些氧化物相比，这种氧化物是较好的“润滑剂”。例如，淬火钢对淬火钢滑动所产生的摩擦，如果表面是铁的低价氧化物（Fe3O4 或者FeO），其润滑性能优于表面是氧化铁（Fe2O3）的。

一些摩擦副材料的摩擦系数见表4-1。

表4-1　几种摩擦副的摩擦系数μ与磨损系数k