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应用摩擦学原理合理选择金属材料硬度

作者：李颖芝

来源：《硅谷》2008年第17期

摘要[]分析金属材料的硬度与磨损之间的关系，介绍如何在机械设计中根据摩擦学原理选

择金属材料。

关键词[]硬度磨损机械设计

中图分类号：TH117.1TH122文献标识码：A文章编号：1671－7597(2008)0910005－01

一、前言

磨损是引起机械零件失效的主要原因之一，人们总是希望能够尽量减少磨损。因此，在工

程设计中常采用硬度高的金属材料来提高耐磨性，减少磨损。实际上，有时提高硬度反而会降

低耐磨性、增大磨损。

金属材料的硬度与磨损究竟有什么关系？如何从摩擦学角度正确选择材料的硬度？这是机

械设计中不容忽视的问题。

二、如何根据摩擦学原理合理选择金属材料硬度

磨损是一个物体由于机械的原因，与另一固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对

运动而造成表面材料不断损失的过程。研究磨损，应该分析摩擦系统中各要素与磨损有关的性

质。硬度是材料多方面性质中的一种，指金属材料抵抗摩擦阻力、磨损、侵蚀或塑性变形的能

力。

大量的齿轮跑合试验研究和实践表明，金属材料的硬度与磨损之间的关系是极其复杂的。

它受到磨损形式、运转条件、几何因素、周围环境介质、气候条件、温度，以及材料的其它性

质等多种因素的影响。同一硬度的相同材料，在不同的条件下可能得出完全不同的结论；同一

硬度的不同材料，在相同条件下的耐磨性也很不一样。下面，仅从几种典型的磨损形式来分析

金属材料的硬度与磨损的关系。

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（一）粘着磨损与金属材料的硬度

粘着磨损是摩擦副相对运动时，由于固相焊合，接触表面的材料从一个表面转移到另一个

表面的现象。

根据Holm、Burwell、Strang、Archard等人的先后论证，表面粘着磨损的体积磨损量与滑

动距离、法向载荷成正比，与较软材料的硬度成反比[1]。可用下式表示

式中：--体积磨损量；--磨损系数，它与接触产生的概率，介质、摩擦副的材料等因素有

关；--作用在摩擦副上的法向载荷；--滑动距离；--较软材料的布氏硬度值。

从公式(1)可以知道，高硬度或脆性材料比低硬度或塑性材料的抗粘着能力要高。对于铸

铁，由于石墨有润滑作用，当硬度增高，墨含量减少时，磨损就增加，因而大多数铸铁的粘着

磨损却随硬度升高而增大。

式中，粘着磨损比值与压力的关系，实际上是材料的硬度与许用压力的关系，磨损量一

般随压力的增大而增加，开始增加平缓，超过某一临界值便急剧增加。试验表明，对于钢来

说，当负荷超过其布氏硬度值的时，磨损量猛烈增加。因此，在设计中选择的许用压力必须低

于材料布氏硬度值的才不致产生粘着磨损。

（二）磨料磨损与金属材料的硬度

磨料磨损，是由硬质物体或颗粒的切削或刮擦作用引起表面材科脱落的现象。可分为凿削

式、高应力碾碎式和低应力擦伤式三种形式。由于硬质物体或颗粒可能是中间物质，或者是摩

擦副本身，切削或刮擦作用在单一摩擦行程中就能发生，因此磨损量往往是很高的，在工业

中最常见。

磨料磨损的磨损量可用公式表示如下

（2）

式中；--体积磨损量；--磨料磨损系数；--总的法向载荷；

软材料的硬度。--

从公式(2)可以看出，磨料磨损与粘着磨损有一些相似之处，即磨损量与载荷成正比，与

软材料的硬度成反比。

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對于磨料磨损，在一般情况下，金属材料的硬度越高，耐磨性越好。但随着磨料磨损形式

的不同，磨损与材料硬度之间的关系又有所不同，从经济上考虑，在选择时有如下原则：

在高应力冲击的凿削式磨损时，一般选用淬硬碳素钢。在含碳量低于时，耐磨性随淬硬钢

中含碳量的增长而成比例地上升；在含碳量为时，耐磨性最大；当含碳量超过时，耐磨性反而

急剧下降。

对于低应力擦伤磨料磨损，一般情况下硬度越高越耐磨，选择基体内含VC、TIC、

MO2C等弥散化合物的金属，对提高耐磨性是十分有利的。

对于碾碎式磨损，因为没有冲击，不容易产生冷作硬化，可用耐磨白口铸铁，或用硬度

高、接触疲劳强度高的钢。