材料磨损与材料性能关系简析！减小摩擦和磨损有哪些措施？
当材料表面之间发生相互接触和滑动时，就会产生摩擦，有摩擦就会产生磨损。对于一种设备，设备的磨损可以造成巨大经济损失。
据有关分析指出，世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件因摩擦导致的磨损失效也占全部失效零件的一半以上。
如果摩擦能够被人为消除，机械设备的发动机、齿轮箱和传动机构等等的效率将会大大提高。如果磨损能够被消除，设备的寿命将大大延长。
但是，摩擦和磨损除了以上负面作用，也存在正面的作用。例如，如没有磨损，铅笔将不能在纸上书写，粉笔也不能在黑板上书写。如果没有摩擦，汽车将无法行驶。
本文论述回顾一些关于摩擦与磨损的知识，相关公式图表内容主要源于《产品设计中的材料选择》一书和学习总结。
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摩擦磨损与材料性能关系
我们知道，摩擦性能并非是某种材料的属性，而是相对滑动的一对材料的属性。当两个表面在法向载荷为Fn情况下相接触，一个表面相对于另一个进行滑动时，会产生一个力Fs，阻碍其运动。
该力与Fn成正比，但与接触面积无关。这意味着，所谓的接触表面并不是完全接触，而是只有一小部分接触，实际接触面积与名义接触面积An无关。因此，摩擦系数μ可以定义为:
下图1为各种干燥、未经过润滑的材料在钢表面滑动的近似摩擦系数。
可以看到一些材料的摩擦系数很高，主要是因为摩擦时发生了粘合，如橡胶在粗糙的混凝土上滑动。
而另一些材料的摩擦系数却较低，如聚四氟乙烯或石墨负载青铜轴承在抛光钢板表面滑动时，摩擦系数仅有0.04。
当材料之间发生相对滑动时，表面会产生磨损。即使一种材料比另一种材料硬许多，两个表面也都会产生磨损。
通常我们将磨损率W（单位㎡）定义为：
实际应用则更多地使用比磨损率（无量纲）：
比磨损率随着压力P=Fn/An的增大而增大。两者的比例关系为：
该比例关系就是磨损率常数ka(单位MPa⁻¹)，可用于衡量材料的磨损性能。在给定压力下，磨损率常数越大，磨损越快。
在设计时，压力P是由设计承载决定的，而材料表面承载静态接触压力的能力可由材料硬度H衡量。因此，最大承载压力Pmax与表面硬度成比例，即Pmax=C×H。由此，根据磨损率常数公式，受压表面的比磨损率可表示为如下关系式：
各类材料的硬度与与磨损率常数如下图：
可以发现，材料的硬度与磨损率常数的乘积为一定值，这表明材料硬度越大，磨损率常数越小。
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摩擦分类与润滑
磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。根据两个表面之间的润滑状态，我们将摩擦分为四种：
①干摩擦：物体的滑动表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属。
②液体摩擦：摩擦表面不直接接触，被油膜隔开。
③边界摩擦：两摩擦表面间有润滑油存在，由于润滑油与金属表面的吸附作用，因而在金属表面上形成极薄的边界油膜，边界油膜的厚度小于1μm，不足以将两金属表面分隔开，所以相互运动时，两金属表面微观的高峰部分将互相搓削，这种状态称为边界摩擦。
④混合摩擦：处于摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态。
不同润滑状态下，即不同摩擦类型的摩擦系数范围如下图：
注：弹性流体动力学润滑（Elastohydrodynamic Lubrication，简称EHL）是一种在高副接触（如齿轮、滚动轴承等）中发生的特殊润滑现象，其核心是利用流体的黏性和弹性变形的协同作用，在高压条件下形成稳定的润滑膜，以减少摩擦和磨损。
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磨损分类与减小磨损的措施
一、磨损分类
摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失，这种现象称为磨损。工程上常利用磨损原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。
磨损过程大致可分为三个阶段：磨合磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，如下图所示：
按照磨损的机理及零件表面磨损状态的不同，我们把磨损分为：
① 磨粒磨损
该类磨损是由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用引起。比如，在沙尘环境中工作的机械设备，沙尘颗粒进入摩擦副之间造成的磨损。
② 粘着磨损（胶合）
是指材料粘着作用引起的磨损，按程度不同分为：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。在一些重载的齿轮传动中，如果润滑不良，齿面容易发生粘着磨损。这种磨损需通过合理的选择配对材料，采用表面处理，限制摩擦表面的温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等来减轻磨损。
③ 疲劳磨损（点蚀）
此类磨损是两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。这类磨损需要合理的选择材料及材料的硬度，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂或减小摩擦面的粗糙度值等，可以提高抗疲劳磨损的能力。
④ 腐蚀磨损
是指在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象。
实际上大多数的磨损都是以上述四种磨损形式的复合形式。那如何有效减小磨损呢？
二、减小磨损的一些措施
通常减少磨损可以从正确选用材料、进行有效的润滑、采用适当的表面处理、改进结构设计、正确的使用维修与保养等多方面入手。
① 合理选材
首先，材料选择需匹配性能需求。选择材料时，应根据设备的工作条件（如载荷、速度、温度、环境介质等），选择硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强的材料。例如，加工硬材料时选用硬质合金刀具，高温环境下使用陶瓷或高温合金材料。
此外，材料选择还需考虑材料兼容性，确保摩擦副材料之间具有良好的兼容性，避免因材料间的化学反应、电位差等导致腐蚀磨损或粘着磨损。
②优化结构设计
结构设计需考虑降低接触应力。通过增大接触面积、合理分布载荷等方式，减少单位面积上的压力，从而降低磨损风险。比如采用更大的轴承、增加支撑点或优化部件的几何形状。
此外，结构设计时需避免微动磨损。对于可能存在微幅振动或相对位移的部件，设计时应尽量减少接触面的相对运动，或采用防微动磨损的结构，如增加阻尼、使用弹性垫片等。
对于高速、高负荷的设备，结构设计还需致力于改善散热条件。设计良好的散热通道或冷却系统，可及时带走摩擦产生的热量，防止因温度升高导致材料性能下降，加剧磨损。
③ 润滑材料与润滑方式
前面已经提到，润滑可以减小摩擦，当然也就减小了磨损。对于一种设备，应当选择合适的润滑剂。可根据设备的工作条件和摩擦副材料，选择粘度合适、润滑性能良好的润滑油、润滑脂或固体润滑剂。比如重载低速设备选用高粘度润滑油，高温环境选用耐高温润滑脂。
使用润滑方式降低摩擦和磨损需确保设备润滑充分。这需要采用合理的润滑方式，如油浴润滑、压力润滑、喷雾润滑等，保证润滑剂能够均匀、及时地到达摩擦表面，形成有效的润滑膜。
④ 表面处理与强化
可通过喷涂、电镀、化学镀、气相沉积等方法，在摩擦表面形成一层耐磨、耐腐蚀的涂层，如硬质合金涂层、陶瓷涂层、镀铬层等，可提高表面的硬度和耐磨性，从而降低磨损。
此外，对金属材料进行淬火、回火、渗碳、渗氮等热处理，可改变材料表面的组织结构和性能，提高硬度、强度和耐磨性，也能提高耐磨性。
采用喷丸、滚压、磨削等机械加工方法，也能对摩擦表面进行强化处理，提高表面的硬度和疲劳强度，减少磨损。
⑤ 正确使用与维护
磨损关系到设备使用寿命，减小设备磨损也需要从使用和维护上下功夫。如规范操作，避免超载、超速、频繁启停等不当操作，从而减少对设备的冲击和磨损。
定期检查与维护，及时发现和处理磨损问题，如磨损程度、润滑情况、紧固件的松动等，对磨损严重的部件及时进行修复或更换。
对于有灰尘、杂质、水分等容易进入摩擦表面的情况，还应采取措施避免磨粒磨损和腐蚀磨损 可采取密封、防尘、防腐等防护措施。
好了，由于篇幅问题，下期咱们来看看ANSYS中如何做磨损仿真分析。
