磨损的预测
Wear Prediction
摩擦磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。国外统计资料显示，摩擦消耗掉全世界30%的一次性能源，约有80%的机器零部件因磨损而失效[1,2]。发达国家每年因摩擦磨损造成的损失占国内生产总值（GDP）的5%～7%。我国是制造大国，其损失比例更高。据不完全统计，我国每年由于摩擦磨损造成的经济损失达上万亿元[3]。与摩擦相比，磨损较为复杂。迄今为止磨损的机理还不十分清楚，且没有一条简明的定量定律。对于大多数机器，磨损比摩擦显得更为重要，实际上人们对磨损的理解远不如摩擦，对机器磨损的预测能力也较差。对于大多数不同系统的材料，在空气中的摩擦系数大小相差不超过20倍，而磨损率之差却大得多，如聚乙烯对钢的磨损率和钢对钢的磨损率之比可达105倍，磨损比摩擦具有更大的复杂性和敏感性[4]。
关于磨损的研究工作开展得也相对较晚，20世纪50年代初期，在工业发达国家开始提出“黏着磨损”理论，探讨磨损机理。20世纪60年代后，电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇电子能谱仪以及电子衍射仪等微观分析技术的发展，推动了对各种磨损现象在微观尺度的检测分析和微观机理的深入探求。利用这些手段，可以分析和监测磨损的动态过程，研究磨损过程中表面/次表面及磨屑形貌、成分组织和性能的变化，揭示磨损的机理，从而有助于寻求提高机器寿命的可能途径。然而，工程设计中目前还没有行之有效的磨损定量预测模型，只能采用条件性计算，主要是因为磨损涉及的影响因素较多，包括工况条件、摩擦配副材料的组织成分、表面的物化性质、力学性能等，导致磨损发生的机理存在较大差异。目前关干材料磨损的经典理论包括[5]：
（1）1937年，Tonn提出磨粒磨损的经验公式；
（2）1946年，Holm在研究电接触中首次提出黏着磨损的概念并认为磨损量正比于滑动距离；
（3）1953年，Archard在其建立的黏着磨损理论中，提出了简单的磨损计算公式，指出磨损量与滑动距离和载荷成正比，与摩擦副中软材料的屈服极限或硬度成反比；
（4）1957年，克拉盖尔斯基提出了固体疲劳理论和计算方法；
（5）1965年，Rabinowicz从能量的观点分析黏着磨损中磨屑的形成，提出最小磨屑尺寸的计算公式；
（6）1973年，Suh提出了磨损剥层理论，提出磨损量与载荷、滑动距离成正比，而不直接与材料的硬度相关。
此外，关于磨损计算，还有IBM磨损计算方法、组合磨损计算方法等。近年来，还有一些基于有限元以及分子动力学等的预测方法、基于疲劳力学和断裂力学的预测理论。
然而，这些预测模型和计算公式多数为经验或半经验性，有些公式（如疲劳理论公式）相当复杂，许多参数也缺乏准确的数据，应用上存在局限性。迄今为止，尚缺少接近工程实际的磨损定量计算方法和手段，可以用于高效准确地预测磨损过程，进而控制磨损量。
事实上，磨损预测的难点不仅局限在磨损总量的预测，更难在需要定量预测磨损发生的部位、磨损引起的表面几何形状和组织结构与性能的动态变化，这就需要解决如何建立磨损与摩擦界面微观形貌、几何轮廓变化之间的物理和数学模型、磨粒生成和演化的物理及数学模型以及伴随磨损过程发生的表面化学成分演变（如吸附膜、摩擦化学反应膜的生成及去除）、亚表层微观组织结构的演化（如塑性变形、晶粒细化、非晶化等）的定量关系，这些数理模型必然涉及跨越分子尺度、晶粒尺度、粗糙峰尺度和摩擦副乃至摩擦系统宏观尺度的建模问题，需要解析从亚纳米尺度至宏观尺度下表面结构和组织演化的细节，现有的连续性模型或离散模型都难以胜任，任务十分复杂和艰巨。例如，黏着磨损的磨屑尺寸有多大这个基本问题至今仍有很大争议，Archard认为磨屑尺寸与单个粗糙峰的真实接触区大小相等；Rabinowicz则从伴随单个磨屑产生导致表面能增大的观点提出磨屑尺寸不可能小于临界尺寸公式预测的大小（对大多数金属材料，在无表面吸附膜或反应膜时在微米量级）[6]；近年来，日本学者Mishina[7]等利用原子力显微镜对金属黏着转移的微粒尺寸进行测量，得出黏着转移的颗粒基本单元尺寸是纳米量级，转移后的这些磨屑单元在后续摩擦过程中脱落和团聚而形成了微米尺度的磨屑；Aghababaei等[8]的分子动力学模拟计算结果则支持Rabinowicz提出的黏着磨屑存在最小临界尺寸的观点。在实验研究方面，由于在线实时高分辨测量表面微观形貌、化学成分和组织结构动态演化非常困难，对磨损表面的细观、微观表征不得不在磨损实验结束后离线进行，对磨损的演化进程只能停留在“推测”的水平，离精准预测的目标还存在很大的差距。
磨损预测对于零部件的寿命评估、失效分析具有重要的工程意义，而其内在的机理研究具有重要的科学意义。因此，开展磨损的预测研究，将有效地节约材料和能量，提高机械设备的使用性能，延长使用寿命，减少维修费用，这对于国民经济具有重大的意义。
参考文献
[1] Dasic P. International standardization and organizations in the field of tribology.Indusrtrial Lubrication and Tribology, 2003, 5(6): 287-291.
[2] Jost H P. Tribology micro and macro economics: A road to economic savings. World Tribology Congress III, 2005: 1-18.
[3] 谢友柏,张嗣伟.摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究.北京:高等教育出版社,2009.
[4] 何奖爱.材料磨损与耐磨材料.沈阳:东北大学出版社,2001.
[5] 温诗铸,黄平.摩擦学原理.3版.北京:清华大学出版社,2008.
[6] Robinowicz E. Friction and Wear of Materials. 2nd ed. New Jersey: John Wiley & Sons, 1995.
[7] Mishina H. Surface deformation and formation of original element of wear particles in sliding friction. Wear, 1998, 215: 10-17.
[8] Aghababaei R, Warner D H, Molinari J. Critial length scale controls adhesive wear mechanisms.Nature Communications, 2016, 7: 11816.
撰稿人：孟永钢1、王文中2、雒建斌1、解国新1
1清华大学、2北京理工大学
