賈金龍，陳祥凱，郭小汝，陳百明※，胡 偉，張振宇

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院材料工程學(xué)院，蘭州 730050；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730050）

0 引言

在機(jī)械設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、離合、停止等操作，必須具備相應(yīng)的具有摩擦功能的機(jī)構(gòu)，而這些機(jī)構(gòu)中起作用的部件稱(chēng)為摩擦副，摩擦副的材料稱(chēng)為摩擦材料。最常見(jiàn)的摩擦副包括各種機(jī)動(dòng)車(chē)輛的制動(dòng)機(jī)構(gòu)和離合機(jī)構(gòu)。只有制動(dòng)、離合機(jī)構(gòu)處在正常的工作狀態(tài)，才能保證機(jī)械設(shè)備的正常安全的使用。摩擦材料在與對(duì)偶的摩擦接觸過(guò)程中，按照是否可以正常工作，將其磨損狀態(tài)分為輕微磨損和嚴(yán)重磨損兩類(lèi)。輕微磨損狀態(tài)下，摩擦副的摩擦因數(shù)低且平穩(wěn)、磨損率小、噪聲低；嚴(yán)重磨損狀態(tài)下，摩擦因數(shù)高且變動(dòng)幅度較大，磨損率急劇升高，其至少比輕微磨損狀態(tài)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，摩擦副發(fā)生咬合甚至失效。因此，摩擦副應(yīng)盡量處在輕微磨損狀態(tài)，以保證機(jī)器設(shè)備安全的工作。為了避免摩擦副進(jìn)入嚴(yán)重磨損狀態(tài)，研究者從磨損形貌、磨屑、摩擦參數(shù)以及溫度等方面進(jìn)行了研究，以揭示從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的外在條件和內(nèi)在機(jī)理，探索預(yù)測(cè)和防止發(fā)生嚴(yán)重磨損的有效方法。對(duì)摩擦材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變研究，最初是從單一的因素開(kāi)始，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，盡管已經(jīng)深入到理論研究，但沒(méi)有統(tǒng)一的定論，本文對(duì)眾多研究文獻(xiàn)進(jìn)行整體梳理與分析，可以基本得出結(jié)論：盡管影響轉(zhuǎn)變的因素較多，但材料的強(qiáng)度在所有因素的共同作用下達(dá)到相應(yīng)極限，就會(huì)發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。

1 輕微磨損與嚴(yán)重磨損的特點(diǎn)

在金屬摩擦材料的磨損過(guò)程中，隨著磨損條件的變化，比如摩擦副之間的相對(duì)滑動(dòng)速度、載荷、溫度等，磨損狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。在輕微磨損狀態(tài)下，材料的磨損率及摩擦因數(shù)較低且平穩(wěn)；而在嚴(yán)重磨損狀態(tài)下，材料的磨損率至少比輕微磨損高一個(gè)數(shù)量級(jí)，摩擦因數(shù)高且變動(dòng)幅度較大，材料發(fā)生嚴(yán)重的遷移甚至失效。因此，工程應(yīng)用中摩擦材料處在輕微磨損狀態(tài)下是設(shè)備正常工作的前提條件，而要盡可能地避免處于嚴(yán)重磨損狀態(tài)。輕微磨損和嚴(yán)重磨損的概念由Archard and Hirst[1]提出，并隨后被應(yīng)用到其他的金屬摩擦材料。J ZHANG和A T ALPAS[2]對(duì)6061 Al合金的輕微和嚴(yán)重磨損磨損形貌特征結(jié)合XRD、EDS檢測(cè)結(jié)果做了概括，如表1所示，其也適合作為其他合金的輕微-嚴(yán)重磨損特征的參考。S Q Wang等[3]對(duì)H21鋼從輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重磨損的機(jī)理研究也得出了與表1中較為相似的結(jié)論。

表1 輕微-嚴(yán)重磨損特征對(duì)比

磨屑的尺寸隨金屬種類(lèi)、對(duì)偶以及摩擦參數(shù)不同而有所區(qū)別，但輕微磨損產(chǎn)生的磨屑尺寸遠(yuǎn)小于嚴(yán)重磨損狀態(tài)產(chǎn)生的磨屑尺寸。除以上輕微磨損與嚴(yán)重磨損的區(qū)別以外，兩者之間最顯著的區(qū)別是輕微磨損在摩擦材料表面形成了較高含量的氧化物，包含氧化物的磨屑形成致密的機(jī)械混合層減輕了摩擦副的直接接觸，從而降低了磨損[4-7]；而嚴(yán)重磨損過(guò)程形成氧化物的數(shù)量較少，也難以形成有效機(jī)械混合層，摩擦副之間的金屬直接接觸導(dǎo)致材料表面有嚴(yán)重的塑性變形產(chǎn)生。

2 輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的影響因素

2.1 溫度的影響

Meng[8]研究溫度對(duì)材料磨損轉(zhuǎn)變機(jī)理的影響，其通過(guò)研究認(rèn)為，當(dāng)材料表面溫度達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損——咬合，并構(gòu)建了溫度作用下的材料發(fā)生咬合的轉(zhuǎn)變圖。Chen and Alpas[9]通過(guò)對(duì)AZ91材料的摩擦性能進(jìn)行研究后認(rèn)為，從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變是由材料表面的臨界溫度決定的，由于摩擦產(chǎn)生的熱量使材料表面溫度達(dá)到一個(gè)臨界值的時(shí)候，就出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損狀態(tài)。Liang等[10]通過(guò)對(duì)AZ31合金的摩擦性能進(jìn)行研究后認(rèn)為，材料發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變與材料摩擦表面下的微觀組織及機(jī)械性能的變化有關(guān)，當(dāng)摩擦表面下的微觀組織由于摩擦熱導(dǎo)致重結(jié)晶后，從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象就開(kāi)始產(chǎn)生了。

當(dāng)材料的表面接觸溫度達(dá)到重結(jié)晶溫度時(shí)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損。Bowden和Tabor[11]給出了材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的具體溫度范圍為0.4~0.5倍的熔點(diǎn)溫度。J ZHANG和A T ALPAS[2]通過(guò)對(duì)6061Al鋁合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的機(jī)理研究后得出了發(fā)生嚴(yán)重磨損的具體溫度為（395±10）K，約為6061Al熔點(diǎn)（925 K）的0.42倍，與Bowden和Tabor得出的結(jié)論具有較高的契合度。J ZHANG和A T ALPAS[2]研究并繪制了在不同磨損條件（載荷和滑動(dòng)速度）下材料表面溫度對(duì)6061Al合金的磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖，結(jié)論表明，當(dāng)材料表面溫度超過(guò)395 K時(shí)開(kāi)始從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變。

2.2 載荷、滑動(dòng)速度的影響

除溫度以外，載荷和滑動(dòng)速度是影響材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的重要參數(shù)。兩者對(duì)材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的影響的一般規(guī)律，都是隨著載荷或滑動(dòng)速度增大到一個(gè)臨界值時(shí)輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重磨損。

J ZHANG和A T ALPAS[2]深入研究了載荷、滑動(dòng)速度對(duì)6061Al鋁合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的影響，研究結(jié)果表明，在不同的滑動(dòng)速度下，當(dāng)載荷達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)材料的磨損率急劇上升，即發(fā)生了嚴(yán)重磨損，隨著滑動(dòng)速度的增加，材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的臨界載荷逐漸減小；滑動(dòng)速度對(duì)材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的影響較為特別，隨著滑動(dòng)速度的增加，材料的磨損率逐漸降低到一個(gè)極小值后又逐漸上升。J ZHANG和A T ALPAS認(rèn)為，開(kāi)始是因?yàn)榧庸び不饔?，降低了材料的磨損率，但隨著滑動(dòng)速度的增加，由于摩擦熱的作用導(dǎo)致材料表面溫度升高發(fā)生軟化抵消了加工硬化作用，材料的磨損率進(jìn)一步上升，如果達(dá)到臨界載荷則發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。

鈦合金一直被認(rèn)為具有較差的抗磨損性能，但X X Li等[12]的研究卻有了令人較為感興趣的現(xiàn)象。他們對(duì)TC4和TC11合金在室溫下以及0.75~4 m/s的滑動(dòng)速度范圍內(nèi)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著載荷的增加，只有在2.68 m/s的滑動(dòng)速度下，鈦合金發(fā)生了明顯的從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變；但如果先進(jìn)行在4 m/s的滑動(dòng)速度下的摩擦磨損，然后滑動(dòng)速度轉(zhuǎn)變?yōu)?.68 m/s，則沒(méi)有嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)一步研究分析，本文認(rèn)為，發(fā)生嚴(yán)重磨損，主要是形成的氧化物保護(hù)層被破壞導(dǎo)致，而先進(jìn)行在4 m/s滑動(dòng)速度下的摩擦實(shí)驗(yàn)，則由于已形成的氧化物保護(hù)層，再轉(zhuǎn)變?yōu)?.68 m/s的滑動(dòng)速度時(shí)則不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損。這個(gè)研究對(duì)鈦合金一直被認(rèn)為具有較差的抗磨損性能的認(rèn)識(shí)具有了一定程度的改變，而氧化物保護(hù)層對(duì)提高鈦基材料的抗磨損性能的作用也進(jìn)一步得到新的認(rèn)識(shí)。

2.3 對(duì)偶的硬度影響

對(duì)偶材料的硬度一般研究者很少關(guān)注，但其對(duì)材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變的影響卻不容忽視。C C Viáfara和A Sinatora[13]關(guān)于摩擦副硬度對(duì)鋼的磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變研究結(jié)論表明，當(dāng)盤(pán)（工具鋼）的硬度在摩擦過(guò)程中減小的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生具有較低硬度的銷(xiāo)（低合金鋼）從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變；當(dāng)摩擦副的硬度均提高的時(shí)候，主要呈現(xiàn)輕微磨損狀態(tài)。Qiuyang Zhang等[14]研究了Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金（37 HRC）分別與具有不同硬度的AISI52100鋼(30和60 HRC)對(duì)偶的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在與具有較低硬度（30 HRC）的對(duì)偶進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)的情況下，在2 m/s的滑動(dòng)速度下由載荷引起的從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的臨界值為40 N；而與具有較高硬度（60 HRC）的對(duì)偶在4 m/s的滑動(dòng)速度下，其發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界值為50 N。

C C Viáfara和A Sinatora[15]對(duì)低合金鋼（AISI4140）材料（433.5HV）與具有不同硬度的工具鋼（AISIH13）(硬度分別為460HV和525HV）進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，以研究對(duì)偶硬度對(duì)材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變機(jī)理的影響。研究結(jié)果顯示，在相同的摩擦速度和載荷情況下，盡管較軟的對(duì)偶硬度只比較硬的降低了15%，但其發(fā)生了從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變，嚴(yán)重磨損下的磨損率比輕微磨損高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)對(duì)比摩擦實(shí)驗(yàn)前后材料的硬度發(fā)現(xiàn)，與較軟對(duì)偶摩擦的材料，在摩擦實(shí)驗(yàn)后其硬度高于對(duì)偶材料。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，盡管在實(shí)驗(yàn)前對(duì)偶材料的硬度均高于實(shí)驗(yàn)材料，但經(jīng)過(guò)摩擦過(guò)程中的加工硬化，材料的硬度高于較軟對(duì)偶材料但低于較硬對(duì)偶材料，與較硬對(duì)偶材料的摩擦過(guò)程中，材料只發(fā)生彈性變形；而與較軟對(duì)偶材料的摩擦過(guò)程中材料發(fā)生塑性變形，氧化物被大量摩擦脫落，因此難以形成氧化物保護(hù)層，導(dǎo)致發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。這篇研究考慮了在摩擦磨損過(guò)程中摩擦副的硬度的動(dòng)態(tài)變化以及加工硬化作用，而不僅僅只考慮摩擦前的摩擦副相對(duì)硬度，為研究從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變提供了較為全面的研究考量。

2.4 磨屑的影響

在摩擦磨損過(guò)程中，在摩擦副之間產(chǎn)生的磨屑對(duì)輕微磨損與嚴(yán)重磨損之間的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。為了研究磨屑對(duì)輕微磨損與嚴(yán)重磨損（磨合階段）的影響，Hirotaka Kato[16]在摩擦實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)向摩擦副之間添加Fe2O3顆粒，其使用特殊設(shè)計(jì)的摩擦副—銷(xiāo)對(duì)盤(pán)，銷(xiāo)在盤(pán)的凹槽中繞盤(pán)的中心旋轉(zhuǎn)，開(kāi)設(shè)的凹槽可以避免添加的Fe2O3顆粒流失。研究結(jié)果表明，添加粒徑小于0.5μm的Fe2O3顆粒縮短了磨合（嚴(yán)重磨損）期，材料在較短的時(shí)間內(nèi)很快進(jìn)入輕微磨損狀態(tài)。添加的細(xì)小Fe2O3顆粒在摩擦副之間形成了致密的保護(hù)層，避免了摩擦副的直接接觸，有效地降低了磨損。

Ken′ichi Hiratsuka和Ken′ichi Muramoto[17]的研究揭示了磨屑對(duì)材料從輕微磨損與嚴(yán)重磨損之間轉(zhuǎn)變關(guān)系的影響。其設(shè)計(jì)的銷(xiāo)對(duì)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副可以改變空間相對(duì)位置：水平、倒置以及垂直3個(gè)方向，并且可以根據(jù)需要在摩擦過(guò)程中清除磨屑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，清除磨屑的摩擦實(shí)驗(yàn)均發(fā)生了嚴(yán)重磨損，未清除磨屑的實(shí)驗(yàn)均為輕微磨損；而未清除磨屑摩擦副處于水平位置時(shí)由于磨屑不易脫離摩擦副而磨損量最小，如圖1所示。

圖1 摩擦副位置以及磨屑對(duì)材料磨損轉(zhuǎn)變的影響

3 磨損轉(zhuǎn)變圖以及預(yù)測(cè)嚴(yán)重磨損理論研究

為了研究摩擦材料不同磨損狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變以及與影響因素之間的關(guān)系，研究者們繪制了磨損轉(zhuǎn)變圖。這些磨損轉(zhuǎn)變圖通過(guò)繪制載荷、滑動(dòng)速度、溫度等影響因素與磨損狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系，清晰地標(biāo)出不同磨損狀態(tài)的轉(zhuǎn)變界線，為研究材料磨損狀態(tài)與影響因素之間的關(guān)系提供了一種較為清晰的手段。一些研究者[18-20]建立的鎂基材料的磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖在輕微磨損和嚴(yán)重磨損之間給出了明確的分界線。

不同于其他研究者繪出的磨損轉(zhuǎn)變圖，Haibin Zhou等[21]繪制了Fe的含量對(duì)銅基摩擦材料在不同制動(dòng)能量密度下的磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)變圖，如圖2所示?？梢钥闯鲭S著鐵含量的變化，在不同能量密度下銅基材料磨損狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系，為優(yōu)化銅基材料中Fe的含量提供了依據(jù)。從圖中可以看出，F(xiàn)e含量在10%~15%之間時(shí)，銅基材料在不同制動(dòng)能量密度下處在輕微磨損狀態(tài)范圍之內(nèi)，其磨損機(jī)理表現(xiàn)為氧化、剝落、槽溝、粘著磨損。

圖2 不同制動(dòng)能量密度下Fe含量對(duì)銅基材料磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖的影響關(guān)系

S Q Wang等[22]繪制了45鋼、4Cr5MoSiV1鋼、3Cr13鋼以及3Cr3Mo2V鋼在400℃的磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖。不同于其他研究者繪制的轉(zhuǎn)變圖形，S Q Wang等繪制的圖形根據(jù)不同磨損狀態(tài)之間的磨損形貌，對(duì)轉(zhuǎn)變區(qū)域之間的材料磨損形貌變化進(jìn)一步細(xì)分，根據(jù)材料塑性變形程度添加了不同狀態(tài)之間的過(guò)渡區(qū)域，如圖3所示，隨著摩擦參數(shù)如載荷、滑動(dòng)速度等的增加，從輕微氧化磨損區(qū)向轉(zhuǎn)變區(qū)域過(guò)渡，直到塑性擠壓變形區(qū)，最后進(jìn)入到嚴(yán)重磨損區(qū)——咬合區(qū)。材料磨損狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，確實(shí)應(yīng)該具有過(guò)渡區(qū)域，S Q Wang等繪制的磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖更符合實(shí)際轉(zhuǎn)變情形。J ZHANG和A T ALPAS[2]繪制了較為全面的滑動(dòng)速度、載荷、滑動(dòng)距離、溫度對(duì)6061 Al合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的關(guān)系圖，其在輕微和嚴(yán)重磨損區(qū)間也具有過(guò)渡區(qū)域。

圖3 鋼的磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變

盡管磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖對(duì)預(yù)估摩擦副可以安全工作的參數(shù)范圍比較有效，也可以作為選擇抗磨損材料以及適合的對(duì)偶起一定的指導(dǎo)作用，但其對(duì)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，從輕微磨損到嚴(yán)重磨損的之間的載荷以及滑動(dòng)速度范圍才是最重要的。但繪制磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖面臨實(shí)驗(yàn)工作周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)量多、測(cè)量設(shè)備龐雜以及成本較高等問(wèn)題。所以一些研究工作者開(kāi)始對(duì)材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的機(jī)理開(kāi)展了預(yù)測(cè)方面的研究。

C Liang等[23]通過(guò)鎂基合金的摩擦副表面接觸臨界溫度準(zhǔn)則，即臨界表面動(dòng)態(tài)重結(jié)晶（DRX）溫度，推導(dǎo)出了在不同滑動(dòng)速度下從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的臨界載荷：

式中：FT為臨界轉(zhuǎn)變載荷；TDRX為材料表面層的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶開(kāi)始溫度；T0為散熱流（散熱器）溫度（通常取25℃）；CDRX為與實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及材料重結(jié)晶臨界狀態(tài)性能有關(guān)的常數(shù)；μ為摩擦因數(shù)；v為滑動(dòng)速度。

這個(gè)推導(dǎo)的臨界載荷經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與實(shí)際測(cè)量的材料的轉(zhuǎn)變載荷基本上一致，如圖4所示。這個(gè)對(duì)鎂基材料的臨界轉(zhuǎn)變載荷預(yù)測(cè)公式，是對(duì)金屬材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變研究的有益探索，開(kāi)辟了單純從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖形向材料內(nèi)部機(jī)理研究的新思路。

圖4 AZ31合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的計(jì)算載荷和測(cè)量載荷與滑動(dòng)速度的曲線

Michael Pusterhofer和Florian Grün[24]兩位研究者利用計(jì)算實(shí)驗(yàn)交互法，通過(guò)銷(xiāo)-盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)獲得的實(shí)驗(yàn)?zāi)p數(shù)據(jù)計(jì)算其工作壽命，并將結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際的徑向軸承上預(yù)測(cè)其工作性能（銷(xiāo)—盤(pán)摩擦副與徑向軸承的軸和軸瓦摩擦副的材料相同）。兩位研究者判斷摩擦副開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的依據(jù)就是發(fā)生了輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變或咬合。兩位研究者的工作還有待改進(jìn)，但其研究方法對(duì)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)提供支持以及對(duì)優(yōu)化改進(jìn)摩擦副及其工作特性具有理論意義。Yuan-bo WANG等[25]綜合研究了Mg-10Gd-1.5Y-0.4Zr合金在20~200℃范圍內(nèi)從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的影響因素，結(jié)果表明，盡管輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變受到內(nèi)部動(dòng)態(tài)重結(jié)晶（DRX)以及外部參數(shù)（溫度、載荷、滑動(dòng)速度）的影響，但在載荷恒定（20~50 N)的情況下，材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變存在一個(gè)臨界溫度（185~200℃），超過(guò)臨界溫度后其磨損率急劇上升。Yuan-bo WANG等的研究也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明，材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的影響因素較多，但只要在相應(yīng)溫度下載荷超過(guò)了材料的強(qiáng)度臨界值，就會(huì)發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變。

Ken′ichi Hiratsuka、Ryohei Mariko和Takaaki Tsutsu?mi利用特殊設(shè)計(jì)的摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)石墨與鑄鐵之間的摩擦情況，從滑動(dòng)速度、摩擦副周期性接觸相對(duì)滑動(dòng)（或非摩擦?xí)r間）、空氣濕度3個(gè)方面對(duì)石墨從輕微磨損—嚴(yán)重磨損之間的轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行了研究[26]。在研究過(guò)程中，為了確定單一主參數(shù)的影響，保證其他參數(shù)的恒定。其使用的摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)，摩擦副為石墨環(huán)和鑄鐵環(huán)之間的相對(duì)接觸滑動(dòng)，摩擦副處在一個(gè)密閉的空間中，其內(nèi)的濕度可以調(diào)節(jié)；為了排除摩擦產(chǎn)生的熱量引起溫度的變化的影響，摩擦副之間的相對(duì)接觸摩擦可以在滑動(dòng)一定時(shí)間后停止接觸，并在相應(yīng)時(shí)間后重新接觸開(kāi)始相對(duì)滑動(dòng)，也就是摩擦副周期性接觸相對(duì)滑動(dòng)（或非摩擦?xí)r間）。研究結(jié)果表明，在最低的空氣濕度（0.8%RH）和最短的非摩擦?xí)r間（0.1 s），材料處于嚴(yán)重磨損狀態(tài)；當(dāng)空氣濕度和非摩擦?xí)r間增加超過(guò)臨界值時(shí)，磨損狀態(tài)從嚴(yán)重轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微；當(dāng)非摩擦?xí)r間和空氣濕度增加時(shí)，磨損狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變所需的滑動(dòng)周期逐漸降低。此研究中的非摩擦?xí)r間和滑動(dòng)速度對(duì)磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)變的影響與文獻(xiàn)[2]和[12]中的結(jié)論基本相似，但空氣濕度對(duì)材料磨損狀態(tài)的轉(zhuǎn)變較為新穎，作者認(rèn)為，當(dāng)空氣濕度增加時(shí)，由于物理化學(xué)吸附，水分及其產(chǎn)生的氣體均可以起到潤(rùn)滑作用，從而減輕磨損導(dǎo)致磨損發(fā)生從嚴(yán)重向輕微狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。從Ken′ichi Hiratsuka等的研究來(lái)看，材料磨損狀態(tài)的轉(zhuǎn)變的影響因素較多，而空氣濕度的影響往往被忽略，對(duì)材料磨損狀態(tài)的影響因素研究還需進(jìn)一步深入。H Al-Ma?liki等[27]利用雙盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行火車(chē)輪和鐵軌材料的大量摩擦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果建立一套公式預(yù)測(cè)不同實(shí)驗(yàn)接觸條件下給定材料的輕微和嚴(yán)重磨損率。Al-Maliki等的研究雖然有待深入，但其從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中建立模型用于實(shí)際材料的嚴(yán)重和輕微磨損預(yù)測(cè)思路對(duì)理論研究具有重要意義。

Jian An,Zhijia Yu,Hongfei Duan等[28]對(duì)Ti-6Al-4V合金在不同的速度范圍（0.2 m/s，0.8 m/s，2.0 m/s）和載荷范圍內(nèi)（10~240 N）從輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變條件和機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明了鈦合金的轉(zhuǎn)變機(jī)理盡管與速度和載荷有關(guān)系，但其轉(zhuǎn)變主要是在外部參數(shù)的作用下的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)如動(dòng)態(tài)結(jié)晶、表面塑性變形、表面氧化以及氧化物的性質(zhì)等綜合作用的結(jié)果，其研究分析表明鈦合金摩擦機(jī)理轉(zhuǎn)變的復(fù)雜特點(diǎn)。Y B Wang,Liang Li和J An[29]研究了Mg-10.1Gd-1.4Y-0.4Zr合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的機(jī)理，并利用理論推導(dǎo)計(jì)算了合金在0.5~4.0 m/s的范圍內(nèi)從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的載荷，結(jié)果與實(shí)際轉(zhuǎn)變的載荷基本吻合，其也通過(guò)研究合金摩擦表面下的組織結(jié)構(gòu)與合金發(fā)生磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變的外在載荷和滑動(dòng)速度之間的關(guān)系，說(shuō)明合金發(fā)生從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的主要原因是在各種因素的綜合作用下材料的溫度達(dá)到了重結(jié)晶溫度導(dǎo)致的。Wei Sun、XihuaXuan、LiangLi等[30]利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算研究了Mg97Zn1Y2鎂合金從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的機(jī)理，通過(guò)計(jì)算不同滑動(dòng)速度下從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的臨界載荷，其與實(shí)際的轉(zhuǎn)變載荷較為相符。

4 結(jié)束語(yǔ)

摩擦材料從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的機(jī)理一直是研究的熱點(diǎn)，通過(guò)研究其轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)理并應(yīng)用到工程實(shí)際中對(duì)提高摩擦副的壽命和機(jī)器設(shè)備的安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)關(guān)于從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的機(jī)理的文獻(xiàn)進(jìn)行回顧，對(duì)研究特點(diǎn)總結(jié)如下。

（1）包含氧化物的磨屑形成的致密機(jī)械混合層是摩擦副處于輕微磨損的重要特征，嚴(yán)重磨損狀態(tài)下不存在高含量的氧化物磨屑以及其形成的機(jī)械混合層。

（2）摩擦參數(shù)如速度、載荷、對(duì)偶硬度等綜合作用下，材料溫度達(dá)到臨界值——約為0.4~0.5倍材料熔點(diǎn)，材料將發(fā)生嚴(yán)重磨損。

（3）磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變圖有利于有限數(shù)量的摩擦材料的參數(shù)范圍選擇或選材，開(kāi)展從輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的理論綜合研究以尋求適合大多數(shù)材料磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)理具有工程實(shí)際意義。