人们对于磨损的研究起步很晚,直至20世纪中期成果还很少。随着现代分析方法的进步和成熟,对于磨损的研究才有了实质性的进展,人们提出了磨损定律,与摩擦定律类似,内容为:
① 材料的体积磨损量与滑动距离成正比;
② 材料的体积磨损量与法向载荷成正比;
③ 材料的体积磨损量与较软材料的屈服极限或硬度成反比。
磨屑是在摩擦过程中从表面脱落下来的材料。要真正了解磨损的过程,并进一步研究产生磨损的原因,就必须了解磨屑的形成过程,了解它们的大小、形状和机械性能等与磨损的过程和状态的关系。为此,人们首先通过扫描电子显微镜等现代化仪器观察磨屑,发现磨屑的形状各异,有片状的、卷曲状的、球状的甚至还有类似贝壳状的。此外,还研究了磨屑的显微硬度、相组成和组织。在此基础上,人们提出了各种各样的新理论。有剥层理论、疲劳理论、分子理论以及热波动强度理论等。
(1)磨损的剥层理论 该理论是美国麻省理工学院的苏教授(N.P.Suh)在1937年建立的,主要叙述了薄而长的片状磨屑的形成过程:
① 当互相接触的两表面滑动时,在接触点上产生黏着,划出犁沟。较软表面上的微凸体容易产生塑性变形或被磨掉,就形成了比较光滑的表面。此时,就变成了硬的凸峰与较软的平面的接触,于是凸峰就在平面上犁沟,如此循环变形和磨损。
② 当亚表层继续变形时,便会形成裂纹和空穴,形成裂纹的深度与材料的性能和载荷有关。
③ 当继续施加载荷时,金属会产生进一步的塑性剪切变形,使裂纹之间以及裂纹与空穴之间相互连接与汇合,于是裂纹变大变长,直至裂纹与表面之间的材料断开,因而形成了薄而长的磨损碎片。
(2)磨损的疲劳理论 前苏联的克拉盖尔斯基是最早提出疲劳理论的学者。他的理论认为:
① 由于实际表面存在粗糙度,当两表面相互作用时,其接触是不连续的,各接触点面积之和组成了实际接触面积。
② 两表面在法向力的作用下,实际接触点上便会产生局部应力和局部变形。
③ 当两表面产生相对滑动时,由于摩擦力的作用,接触区表面材料的性能将发生变化;与此同时,表层材料的固定体积会受到交变应力的多次重复作用,因而受到累积损伤,产生疲劳裂纹,最后裂纹扩展,汇合形成磨屑而脱落。