趙軍

摘 要：材料磨損失效問(wèn)題普遍存在，磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，影響國(guó)家工業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。磨損計(jì)算模型研究有助于預(yù)防或控制材料磨損失效，提高機(jī)械可靠性，同時(shí)對(duì)推動(dòng)摩擦磨損領(lǐng)域的發(fā)展有著重大作用。本文對(duì)磨損計(jì)算模型涉及的材料磨損形式、磨損理論及機(jī)理進(jìn)行分析，并展望了磨損計(jì)算模型研究的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：磨損失效;可靠性;磨損計(jì)算模型;磨損理論

中圖分類號(hào)：U455.43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0065-03

Abstract： The problem of material wear failure is widespread， and the economic loss caused by wear is huge， which affects the development of national industry and economy. The study of wear calculation model helps prevent or control material wear failure， improve mechanical reliability， and at the same time play a major role in promoting the development of friction and wear. This paper analyzed the material wear form， wear theory and mechanism involved in the wear calculation model， and prospected the development trend of wear calculation model research.

Keywords： wear failure;reliability;wear calculation model;wear theory

在摩擦磨損研究領(lǐng)域中，磨損計(jì)算模型的發(fā)展比較緩慢。據(jù)Meng和Ludema[1]統(tǒng)計(jì)，過(guò)去40多年所發(fā)表的5 466篇文獻(xiàn)中共包含300多個(gè)磨損計(jì)算模型，且均難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，其原因并不是缺少對(duì)本學(xué)科的深入研究，而是由于摩擦磨損研究領(lǐng)域的復(fù)雜性和特殊性[2]。從磨損計(jì)算模型的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，其可以分為三個(gè)階段，即早期的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p計(jì)算模型、基于接觸力學(xué)機(jī)理的磨損計(jì)算模型、基于材料失效機(jī)理的磨損模型，這些模型大都是基于磨損機(jī)理特征而建立起來(lái)的，但材料在實(shí)際磨損過(guò)程中并非只有一種磨損機(jī)理起作用，而是多種機(jī)理共存，相互作用，并可發(fā)生轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)于如此錯(cuò)綜復(fù)雜的磨損過(guò)程，從單一的磨損機(jī)理出發(fā)建立磨損計(jì)算模型，必然存在不完整性。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，磨損計(jì)算模型研究的重要性日益突出，工程上迫切地需要建立一套有效的磨損預(yù)測(cè)方法來(lái)對(duì)磨損進(jìn)行定量研究，以便減小或控制材料的磨損，提高機(jī)械可靠性。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料學(xué)及物理化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展為磨損計(jì)算模型的研究創(chuàng)造了更多的條件，其中以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的研究方法得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。本文從磨損機(jī)理出發(fā)對(duì)磨損計(jì)算模型的建立過(guò)程進(jìn)行分析，并對(duì)未來(lái)磨損計(jì)算模型研究的發(fā)展趨勢(shì)提出了看法。

1 磨損理論的研究與發(fā)展

弄清磨損理論和表層材料破壞機(jī)理是磨損計(jì)算模型建立的基礎(chǔ)。按照當(dāng)今的磨損機(jī)理，磨損可以分為磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、剝層磨損、能量磨損和腐蝕磨損等。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們要根據(jù)這些磨損形式選用相應(yīng)的磨損計(jì)算模型，對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行磨損的計(jì)算與分析。以下是磨損理論研究過(guò)程中建立的幾種典型磨損理論，為磨損的理論研究奠定了基礎(chǔ)。

1.1 磨粒磨損理論

磨粒磨損主要是磨粒的犁溝作用和微觀切削作用，磨粒磨損過(guò)程中有尖銳棱角的硬質(zhì)磨粒被壓入摩擦表面，兩摩擦表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，該磨粒就像刀具一樣對(duì)材料表面產(chǎn)生微觀切削作用[3]。

1.2 黏著磨損理論

黏著理論認(rèn)為，摩擦表面的接觸實(shí)際上是表面上微凸峰間的接觸，接觸面積小，峰點(diǎn)處于塑性狀態(tài)，摩擦過(guò)程中的瞬時(shí)高溫使兩表面凸峰形成黏結(jié)點(diǎn)，滑動(dòng)過(guò)程中黏著點(diǎn)不斷地?cái)嚅_(kāi)和焊接，最終由凸峰接觸的黏著效應(yīng)導(dǎo)致黏著磨損。

1.3 疲勞磨損理論

疲勞磨損理論認(rèn)為，表面粗糙度和波紋度的存在使摩擦副表面的接觸不是連續(xù)的，摩擦過(guò)程中表面受到周期載荷作用，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，表面就產(chǎn)生疲勞破壞，即疲勞磨損[4]。

1.4 腐蝕磨損理論

簡(jiǎn)單地說(shuō)，腐蝕磨損就是金屬與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，腐蝕和磨損的交互作用是腐蝕磨損過(guò)程中的普遍現(xiàn)象，是機(jī)械和腐蝕共同作用的結(jié)果。

1.5 剝層磨損理論

摩擦?xí)r，硬表面粗糙峰相對(duì)軟表面滑動(dòng)，使軟表面受到循環(huán)載荷的作用，表層內(nèi)產(chǎn)生剪切塑性變形，形成周期性位錯(cuò);當(dāng)剪切變形積累到一定程度時(shí)，表層開(kāi)始出現(xiàn)位錯(cuò)堆積，導(dǎo)致裂紋或空穴的形成，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到臨界值后，就以片狀磨削形式脫落[5]。

1.6 能量磨損理論

摩擦過(guò)程中，大部分的能量以摩擦熱的形式耗散掉，但有9%～16%的能量以勢(shì)能的形式存儲(chǔ)在摩擦副表層材料中，當(dāng)能量累積到臨界值時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)或形成裂紋，最終脫落，導(dǎo)致材料的磨損。

2 常見(jiàn)磨損計(jì)算模型的建立與分類

2.1 磨粒磨損模型

迄今為止，人們已建立了許多磨粒磨損模型，其中以拉賓諾維奇（Rabinowicz）建立的模型為代表，在相關(guān)領(lǐng)域得到較多應(yīng)用。磨粒磨損模型如圖1所示，拉賓諾維奇根據(jù)磨粒磨損的微切削機(jī)理導(dǎo)出磨粒磨損公式。其中，[L]為滑動(dòng)距離;[F]為磨粒所受載荷;[t]為磨粒壓入磨損材料的深度;[θ]為磨粒與磨損面的夾角;[r]為圓錐體磨粒的半徑。磨損體積為：

磨粒壓入深度[t=r·tanθ]，材料硬度與所受載荷的關(guān)系[πr2=FH]，代入式（1），得Rabinowicz方程：

拉賓諾維奇模型的主要不足之處如下：假設(shè)所有的磨粒都參加切削，溝內(nèi)所有的材料都被磨掉，實(shí)際上，只有少數(shù)磨粒參加切削，溝內(nèi)也只有部分材料被磨掉;[K]值只考慮了磨粒的形狀，而沒(méi)考慮磨粒大小、硬度等因素的影響;只考慮了材料硬度因素，而沒(méi)考慮材料其他性能的影響。

2.2 黏著磨損模型

黏著磨損一直作為一種重要的磨損類型，國(guó)內(nèi)外的專家、學(xué)者做了大量研究，其中以Archard模型為代表。

Archard模型理論如圖2所示，假設(shè)黏結(jié)點(diǎn)是半徑為[a]的一些圓，每一黏結(jié)點(diǎn)的接觸面積為[δA=πa2]，當(dāng)接觸點(diǎn)達(dá)到塑性變形狀態(tài)時(shí)，所受的法向載荷為[δF]，即[δF=δA·H=πa2?H]。

假設(shè)每一黏結(jié)點(diǎn)滑動(dòng)距離為[2a]時(shí)產(chǎn)生一個(gè)半徑為[a]的半球形磨屑，則滑動(dòng)[L]距離產(chǎn)生的磨損量[δV]為：

滑動(dòng)過(guò)程中總的磨損量[V=δV]，即

Archard模型的不足之處如下：只考慮了材料硬度，而沒(méi)有考慮材料的其他特性;磨損模型是在一定假設(shè)基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，與實(shí)情況不符;不能普遍適用。當(dāng)磨損的條件發(fā)生變化時(shí)，該模型就不再適用;磨損系數(shù)[K]的確定困難。

盡管Archard模型存在很多不足之處，但仍被認(rèn)為是磨損研究領(lǐng)域中經(jīng)典的公式之一，廣泛應(yīng)用。

2.3 疲勞磨損模型

塑性接觸情況下的疲勞磨損計(jì)算公式如下：

式中，[C]為表征微凸體形狀和材料強(qiáng)化的系數(shù)（無(wú)量綱）;[pa]為名義壓力;[t]和[e0]為摩擦疲勞曲線參數(shù);[β=1/（2V+1）]，[V]為支承面曲線的冪近似函數(shù);[Δ]為表面粗糙度參數(shù)，[Δ=Rmax/rb12]，其中[Rmax]為輪廓最大高度，[r]為微凸體頂部的曲經(jīng)半徑，[b]為支承面曲線參數(shù)（無(wú)量綱）;[HB]為材料布氏硬度。

式中，[σT]為材料屈服極限;[f]為摩擦系數(shù)。

式（5）考慮了表面微觀幾何特性、材料物理、機(jī)械性能等，同樣該公式拋開(kāi)了磨損機(jī)理的本質(zhì)，難以滿足工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

2.4 腐蝕磨損模型

腐蝕磨損包括氧化磨損和電化學(xué)磨損兩大類[6]，其中以Quinn提出的氧化磨損計(jì)算模型最為典型：

式中，[W]為磨損率;[a]為微凸峰接觸平均半徑;[v]為滑動(dòng)速度;[p]為載荷;[Ac]為阿累尼烏斯常數(shù);[ξ]為氧化膜臨界厚度;[f]為氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù);[ρ]為氧化膜密度;[R]為普適氣體常數(shù);[Qp]為氧化反應(yīng)的活化能;[T]為微凸峰接觸溫度。

上述公式中包含的變量多，計(jì)算困難，對(duì)實(shí)際應(yīng)用沒(méi)有太大意義，但可以用來(lái)分析各變量對(duì)磨損率的影響。

3 磨損計(jì)算模型的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

磨損表現(xiàn)出來(lái)的統(tǒng)計(jì)特性與材料表面性質(zhì)有著密切的聯(lián)系，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)角度研究磨損規(guī)律，更符合磨損基本特性。近年來(lái)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法建立的磨損計(jì)算模型得到了大量應(yīng)用，在一定程度上滿足了工程應(yīng)用的需求，但也存在局限性，需要確定自變量、因變量間的關(guān)系，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求也很高，由于磨損的復(fù)雜性，有些情況很難直接用函數(shù)關(guān)系式來(lái)描述磨損量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始用人工智能的方法建立磨損模型，其能夠反映樣本所蘊(yùn)含的規(guī)律，特別適用于像磨損這樣的變量多、關(guān)系復(fù)雜或尚不明確的系統(tǒng)[5-7]，但該方法建立的模型沒(méi)有直接的數(shù)學(xué)表達(dá)式，不便于研究各個(gè)因素與磨損的關(guān)系。

疲勞斷裂理論和損傷力學(xué)研究的深入以及分子動(dòng)力學(xué)和計(jì)算力學(xué)的迅速發(fā)展為尋求可靠的磨損預(yù)測(cè)方法和建立精確的磨損模型提供了新的機(jī)遇，利用有限元法、分子動(dòng)力學(xué)以及耗散粒子動(dòng)力學(xué)等方法對(duì)磨損進(jìn)行模擬研究是未來(lái)磨損研究發(fā)展的趨勢(shì)。另外，在納米摩擦學(xué)的推動(dòng)下，磨損將進(jìn)入微尺度研究模式，將在分子、原子的基礎(chǔ)上研究材料的磨損性能，從微觀結(jié)構(gòu)上建立磨損定律和磨損公式。

4 結(jié)論

磨損模型的建立是摩擦磨損研究的重要目標(biāo)之一，良好的磨損模型可對(duì)零件的磨損進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和精確計(jì)算，從而提高機(jī)器的可靠性和壽命，直接關(guān)系到整個(gè)工業(yè)世界的經(jīng)濟(jì)效益。過(guò)去所建立的磨損模型存在很大的缺陷，沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，隨著現(xiàn)代先進(jìn)科技的發(fā)展以及對(duì)磨損本質(zhì)的深入認(rèn)識(shí)，如今所建立的磨損模型比以往的精確、合理，并在相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但這些模型仍存在一定的局限性，還不能完全滿足社會(huì)生產(chǎn)的要求。

磨損模型的研究一直以來(lái)是磨損研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為此，磨損研究人員必須進(jìn)行長(zhǎng)期的、大量的、系統(tǒng)的研究。鑒于磨損模型研究的重要性和迫切性，本文對(duì)磨損計(jì)算模型涉及的材料磨損形式、磨損理論及機(jī)理進(jìn)行淺析，并對(duì)當(dāng)前磨損計(jì)算模型研究的發(fā)展趨勢(shì)提出了看法，為進(jìn)一步建立更全面的磨損理論和精確的磨損模型提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ludema K C.Mechanism-based modeling of friction and wear[J].Wear，1996（200）：1-7.

[2]李娟，夏建中，孫志禮，等.磨損預(yù)測(cè)模型試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2011（5）：117-119.

[3]孫偉春.磨粒磨損研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，2008（2）：71-72.

[4]溫詩(shī)鑄.材料磨損研究的思考與進(jìn)展[J].摩擦學(xué)報(bào)，2008（1）：1-5.

[5]Nam P Suh.An overview of the delamination theory of wear[J].Wear，1996（200）：1-7.

[6]H C Meng，K C Ludema.Wear models and predictive equations：their form and content[J].Wear，1995（181）：443-457.

[7]徐流杰，魏世忠.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)的V9-Cr4-Mo3高速鋼冷軋輥磨損模型[J].摩擦學(xué)報(bào)，2006（6）：541-544.