一．摩擦学的发展历史
摩擦学一词最早是1966年Jost发表的一篇具有划时代意义的报告中提出的，它来源于古希腊词“tribos”，意思是摩擦，词义可译为摩擦科学，与其意思相当的英语词义是摩擦磨损或润滑科学，后者几乎包含了摩擦的全部内容。在词典里，摩擦学的定义是研究相互运动表面之间的相互作用以及相关问题与实践的科学与技术。
摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性、维修等问题的一门学问，这些问题具有重大经济意义，涉及的领域大到太空船，小到家用设备。摩擦表面的相对作用非常复杂，要认识它们需要掌握多门学科知识，例如物理学、化学、应用数学、固体力学、流体力学、热力学、热传导、材料科学、流变学、润滑、机械设计、可靠性分析等。
虽然摩擦学的定名时间相对较晚，而实际上人们了解摩擦学的相关知识却要早于其历史记录时间，例如旧石器时代发明的钻孔或生火钻具就已经安装了川鹿角或骨头制作的轴承；制作陶器的转盘或碾谷物的石辊也使用了一些轴承；罗马附近的尼米湖曾发现了一个公元40年的推力球轴承。
公元前3500年人们就开始利用车轮，这表明我们的祖先那时就知道如何在移动物体时降低摩擦。在搬运铺路或建造纪念碑的巨大石块时，人们利用了减摩技巧，例如用水作为滑橇的润滑剂。公元前1880年埃及人使用滑橇搬运巨大雕像，172人沿着木制轨道拖拉重力约600kN的雕像，一个人站在滑橇上将一种液体(很可能是水)向滑动轨道上喷洒，他可谓是最早的润滑工程师之一。Dowson估计过这个工地的摩擦因数，以每人的拉力为800 N计算，172人的总拉力为172x 800N，物体滑动时此力至少等于摩擦力，因此摩擦因数约为0．23。埃及人在公元前几千年前就会使用润滑脂，曾在一个墓穴里发现了古战车轴承上的残留动物油脂。
在古罗马辉煌之后的一段时间里，军队工程师利用摩擦学原理设计作战机械和防御工事，使他们名声显赫。达芬奇(DaVinci，1452—1519)是文艺复兴时期的工程师和艺术家，他在军事工程方面的天才与他的绘画、雕塑天赋同样出色，他最先提出了摩擦的科学定义。达芬奇推断了矩形物块在平面上的滑动规律，他第一次提出了摩擦因数的概念，认为摩擦因数是摩擦力与正压力之比。可惜他的试验笔记在几百年中都未出版，他的这些工作并没有产生历史影响。直到1699年，法国物理学家阿芒顿(Amontons)研究了两个平面之间的干摩擦之后，再次发现这个摩擦定律”。第一，阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比；第二，摩擦力的大小与接触面积无关。这些发现后来被法国物理学家库仑(coulomb)修正”“，他以发现静电现象而闻名，他补充了第三条摩擦定律，即滑动摩擦力与速度无关，并且对静摩擦和动摩擦做出清晰的区别。
在16世纪，轴承材料有了很大发展。1684年，Hooke把钢轴颈和青铜轴瓦组合为车轮轴承，它比木质轴颈与铁质轴瓦的组合要好得多。伴随着18世纪后叶的工业化，早期石油工业于19世纪50年代出现于苏格兰、加拿大和美国。
牛顿(Newton)1668年提出了粘性流体的基本理论。一直到19世纪后期，人们对轴承的润滑作用才有了科学队识。实际上，人们对流体动力润滑原理的认识，始于1884年Tower的试验研究、1886年雷诺(Reynolds)对其进行的理论解释以及Petroff的相关工作。此后，为了提高新型机械的轴承可靠性，流体动力轴承的理沦及实践就发展得非常快。
相对于摩擦理论和轴承技术的发展而言，磨损研究起步较晚，它基于大量的试验。直到20世纪中期，对磨损进行的研究还比较少。Holm是最早对磨损研究做出实质性贡献的先驱者之一。
工业革命期间(公元1750—1850年)，机械制造业得到快速发展。蒸汽机及随后的铁路工业促进了制造技术的进步，从20世纪初开始，工业的巨大发展推动了摩擦学发展，对摩擦学各方面知识的需求也急速增长。
二．磨 损
1 引言
磨损是两个相互接触的固体表面在滑动、滚动或冲击运动中的表面损伤或脱落。在大多数情况下，磨损是表面微凸体相互作用而引起的。当发生相对运动时，接触表面材料先产生变形，表面或表面附近的固体材料性能将发生变化，但几乎不引起材料损失；随后，材料从表面剥离，转移到配副表面或者以磨屑形式挣脱表面。对于材料从一个表面转移到另一个表面的情况，虽然有一个表面被磨损使其体积或质量损失，但就界面总体而言，并没有体积或质量的净损失。在材料发生实际损耗之前，一般先产生损伤。磨损一般都被认为是材料发生损耗，但固体材料的变形(通过显微镜可观察到)虽然不引起质量或体积的变化，也能引起磨损。
同摩擦一样，磨损不是材料的固有特性，而是摩擦副的一种系统响应，运行工况影响界面的磨损。有时，人们错误地认为高摩擦因数的界面就有高磨损率，这是不完全正确的。例如，固体润滑材料利聚合物界面虽然有较低的摩擦，但却出现较大的磨损，而陶瓷界面只有中度摩擦，却产生极低的磨损。
磨损有益也有害。铅笔写字、车削、抛光和刨削等都是主动利用磨损的实例，它们都需要对磨损过程进行主动控制。而几乎所有机械的使用过程中都不希望发生磨损，对于轴承、密封、齿轮和凸轮等零件，出现非常少的磨损或表面过度粗糙就需要更换维修。对于一个设计良好的摩擦系统，材料磨损是一个非常缓慢的过程，这个过程是稳定和连续的。在机械运行中，如果磨粒尺寸大于零件的配合间隙，那么磨屑积累及循环将是一个比磨损量更严重的问题。
本章将介绍各种磨损机理、磨粒形态及—些材料的典型磨损数据。
2 磨损机理
磨损源于表面的力学作用或化学作用，摩擦温升将加剧磨损。磨损有六种主要形式：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲击磨损、化学磨损(或腐蚀磨损)、电弧感应磨损，它们的共同特征是从摩擦表面剥离固体材料。其他常见的磨损形式还有微动磨损或微动腐蚀，但它们不是独立的磨损机理，而是粘着磨损、腐蚀磨损和磨粒磨损的复合形式。据估计，工程中有三分之二的磨损是粘着磨损和磨粒磨损。除了疲劳磨损之外，所有磨损机理的材料剥离都是渐进发生的。
一个摩擦副可有一种或多种磨损机理。在大多数情况中，开始的磨损是一种机理引起的，逐渐发展成另一种磨损机理起主要作用，这使磨损失效分析变得更加复杂，一般的分析都是面对零件最终失效的磨损机理，而不是磨损过程中某个阶段的磨损机理。
3 粘着磨损机理
两个固体平面发生滑动接触时，无沦是干摩擦还是润滑摩擦都会产生粘着磨损。粘着起源于界面的微门体接触，滑动使这些接触点产生剪切作用，导致碎片从接触点一侧被剥离，粘着到另一侧的微凸体上。当滑动继续时，转移的碎片从其粘着的表面—卜脱落，又转移到原来的表面上，否则就成为游离的磨粒。经过反复加载和卸载的疲劳作用，有些转移碎片将发生断裂，它们也能成为游离的磨粒。
目前，有多种理论来解释碎片的剥离过程。早期的一种滑动磨损理论认为剪切在初始界面或者某个表面的最薄弱区域上出现，该理论当前仍被承认。在多数情况下，接触界面的粘着强度低于其附近的材料撕裂强度，此时大多数接触点只发生界面剪切而不产生磨损，少数接触点可能出现断裂。
另一种理论认为产生磨损碎片的原因是微凸体接触对表层的连续塑性剪切作用。根据这个理论，表层上的连续塑性剪切将沿着滑移线产生裂纹并扩展，经过一定循环之后，沿着裂纹的扩展轨迹就分离出碎片，这个过程产生的转移碎片呈薄楔形状。由于粘着效应，从一个表面剥离的碎片转移到配副表面上。在后续滑动过程中，上述任何—种机理都能产生更多的碎片，它们可能粘着在生成表面上或者转移到配副表面上，也可能转移到其他已粘着的碎片上，形成一个看似大磨粒的碎片团簇，这种磨粒在任何方向都有大致相等的尺寸。
虽然碎片的粘着行为预示着碎片与转移表面之间有较强的结合力，但最终成为松散磨粒却表明这种结合力仍比较薄弱。形成松散磨粒往往起因于碎片的化学变化，碎片的表面积较大，因而很容易被氧化，这就降低了碎片的粘着强度，使其易于挣脱表面。产生松散磨粒的第二种机理涉及到粘着碎片的残余弹性能。夹在两个表面之间的碎片承受很大的应力，当滑动表面错开时，碎片保留着残余弹性应力，如果弹性能量大于粘着能量，碎片就会挣脱表面而成为松散的磨粒。
在不同的材料配副中，两种材料的磨粒都可能出现，但软材料可能产生更多磨粒，而且磨粒尺寸一般大于硬材料的磨粒。出现硬材料磨粒的原因是材料表面存在缺陷和裂纹，局部区域的强度较低。
摩擦学一词最早是1966年Jost发表的一篇具有划时代意义的报告中提出的，它来源于古希腊词“tribos”，意思是摩擦，词义可译为摩擦科学，与其意思相当的英语词义是摩擦磨损或润滑科学，后者几乎包含了摩擦的全部内容。在词典里，摩擦学的定义是研究相互运动表面之间的相互作用以及相关问题与实践的科学与技术。
摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性、维修等问题的一门学问，这些问题具有重大经济意义，涉及的领域大到太空船，小到家用设备。摩擦表面的相对作用非常复杂，要认识它们需要掌握多门学科知识，例如物理学、化学、应用数学、固体力学、流体力学、热力学、热传导、材料科学、流变学、润滑、机械设计、可靠性分析等。
虽然摩擦学的定名时间相对较晚，而实际上人们了解摩擦学的相关知识却要早于其历史记录时间，例如旧石器时代发明的钻孔或生火钻具就已经安装了川鹿角或骨头制作的轴承；制作陶器的转盘或碾谷物的石辊也使用了一些轴承；罗马附近的尼米湖曾发现了一个公元40年的推力球轴承。
公元前3500年人们就开始利用车轮，这表明我们的祖先那时就知道如何在移动物体时降低摩擦。在搬运铺路或建造纪念碑的巨大石块时，人们利用了减摩技巧，例如用水作为滑橇的润滑剂。公元前1880年埃及人使用滑橇搬运巨大雕像，172人沿着木制轨道拖拉重力约600kN的雕像，一个人站在滑橇上将一种液体(很可能是水)向滑动轨道上喷洒，他可谓是最早的润滑工程师之一。Dowson估计过这个工地的摩擦因数，以每人的拉力为800 N计算，172人的总拉力为172x 800N，物体滑动时此力至少等于摩擦力，因此摩擦因数约为0．23。埃及人在公元前几千年前就会使用润滑脂，曾在一个墓穴里发现了古战车轴承上的残留动物油脂。
在古罗马辉煌之后的一段时间里，军队工程师利用摩擦学原理设计作战机械和防御工事，使他们名声显赫。达芬奇(DaVinci，1452—1519)是文艺复兴时期的工程师和艺术家，他在军事工程方面的天才与他的绘画、雕塑天赋同样出色，他最先提出了摩擦的科学定义。达芬奇推断了矩形物块在平面上的滑动规律，他第一次提出了摩擦因数的概念，认为摩擦因数是摩擦力与正压力之比。可惜他的试验笔记在几百年中都未出版，他的这些工作并没有产生历史影响。直到1699年，法国物理学家阿芒顿(Amontons)研究了两个平面之间的干摩擦之后，再次发现这个摩擦定律”。第一，阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比；第二，摩擦力的大小与接触面积无关。这些发现后来被法国物理学家库仑(coulomb)修正”“，他以发现静电现象而闻名，他补充了第三条摩擦定律，即滑动摩擦力与速度无关，并且对静摩擦和动摩擦做出清晰的区别。
在16世纪，轴承材料有了很大发展。1684年，Hooke把钢轴颈和青铜轴瓦组合为车轮轴承，它比木质轴颈与铁质轴瓦的组合要好得多。伴随着18世纪后叶的工业化，早期石油工业于19世纪50年代出现于苏格兰、加拿大和美国。
牛顿(Newton)1668年提出了粘性流体的基本理论。一直到19世纪后期，人们对轴承的润滑作用才有了科学队识。实际上，人们对流体动力润滑原理的认识，始于1884年Tower的试验研究、1886年雷诺(Reynolds)对其进行的理论解释以及Petroff的相关工作。此后，为了提高新型机械的轴承可靠性，流体动力轴承的理沦及实践就发展得非常快。
相对于摩擦理论和轴承技术的发展而言，磨损研究起步较晚，它基于大量的试验。直到20世纪中期，对磨损进行的研究还比较少。Holm是最早对磨损研究做出实质性贡献的先驱者之一。
工业革命期间(公元1750—1850年)，机械制造业得到快速发展。蒸汽机及随后的铁路工业促进了制造技术的进步，从20世纪初开始，工业的巨大发展推动了摩擦学发展，对摩擦学各方面知识的需求也急速增长。
二．磨 损
1 引言
磨损是两个相互接触的固体表面在滑动、滚动或冲击运动中的表面损伤或脱落。在大多数情况下，磨损是表面微凸体相互作用而引起的。当发生相对运动时，接触表面材料先产生变形，表面或表面附近的固体材料性能将发生变化，但几乎不引起材料损失；随后，材料从表面剥离，转移到配副表面或者以磨屑形式挣脱表面。对于材料从一个表面转移到另一个表面的情况，虽然有一个表面被磨损使其体积或质量损失，但就界面总体而言，并没有体积或质量的净损失。在材料发生实际损耗之前，一般先产生损伤。磨损一般都被认为是材料发生损耗，但固体材料的变形(通过显微镜可观察到)虽然不引起质量或体积的变化，也能引起磨损。
同摩擦一样，磨损不是材料的固有特性，而是摩擦副的一种系统响应，运行工况影响界面的磨损。有时，人们错误地认为高摩擦因数的界面就有高磨损率，这是不完全正确的。例如，固体润滑材料利聚合物界面虽然有较低的摩擦，但却出现较大的磨损，而陶瓷界面只有中度摩擦，却产生极低的磨损。
磨损有益也有害。铅笔写字、车削、抛光和刨削等都是主动利用磨损的实例，它们都需要对磨损过程进行主动控制。而几乎所有机械的使用过程中都不希望发生磨损，对于轴承、密封、齿轮和凸轮等零件，出现非常少的磨损或表面过度粗糙就需要更换维修。对于一个设计良好的摩擦系统，材料磨损是一个非常缓慢的过程，这个过程是稳定和连续的。在机械运行中，如果磨粒尺寸大于零件的配合间隙，那么磨屑积累及循环将是一个比磨损量更严重的问题。
本章将介绍各种磨损机理、磨粒形态及—些材料的典型磨损数据。
2 磨损机理
磨损源于表面的力学作用或化学作用，摩擦温升将加剧磨损。磨损有六种主要形式：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲击磨损、化学磨损(或腐蚀磨损)、电弧感应磨损，它们的共同特征是从摩擦表面剥离固体材料。其他常见的磨损形式还有微动磨损或微动腐蚀，但它们不是独立的磨损机理，而是粘着磨损、腐蚀磨损和磨粒磨损的复合形式。据估计，工程中有三分之二的磨损是粘着磨损和磨粒磨损。除了疲劳磨损之外，所有磨损机理的材料剥离都是渐进发生的。
一个摩擦副可有一种或多种磨损机理。在大多数情况中，开始的磨损是一种机理引起的，逐渐发展成另一种磨损机理起主要作用，这使磨损失效分析变得更加复杂，一般的分析都是面对零件最终失效的磨损机理，而不是磨损过程中某个阶段的磨损机理。
3 粘着磨损机理
两个固体平面发生滑动接触时，无沦是干摩擦还是润滑摩擦都会产生粘着磨损。粘着起源于界面的微门体接触，滑动使这些接触点产生剪切作用，导致碎片从接触点一侧被剥离，粘着到另一侧的微凸体上。当滑动继续时，转移的碎片从其粘着的表面—卜脱落，又转移到原来的表面上，否则就成为游离的磨粒。经过反复加载和卸载的疲劳作用，有些转移碎片将发生断裂，它们也能成为游离的磨粒。
目前，有多种理论来解释碎片的剥离过程。早期的一种滑动磨损理论认为剪切在初始界面或者某个表面的最薄弱区域上出现，该理论当前仍被承认。在多数情况下，接触界面的粘着强度低于其附近的材料撕裂强度，此时大多数接触点只发生界面剪切而不产生磨损，少数接触点可能出现断裂。
另一种理论认为产生磨损碎片的原因是微凸体接触对表层的连续塑性剪切作用。根据这个理论，表层上的连续塑性剪切将沿着滑移线产生裂纹并扩展，经过一定循环之后，沿着裂纹的扩展轨迹就分离出碎片，这个过程产生的转移碎片呈薄楔形状。由于粘着效应，从一个表面剥离的碎片转移到配副表面上。在后续滑动过程中，上述任何—种机理都能产生更多的碎片，它们可能粘着在生成表面上或者转移到配副表面上，也可能转移到其他已粘着的碎片上，形成一个看似大磨粒的碎片团簇，这种磨粒在任何方向都有大致相等的尺寸。
虽然碎片的粘着行为预示着碎片与转移表面之间有较强的结合力，但最终成为松散磨粒却表明这种结合力仍比较薄弱。形成松散磨粒往往起因于碎片的化学变化，碎片的表面积较大，因而很容易被氧化，这就降低了碎片的粘着强度，使其易于挣脱表面。产生松散磨粒的第二种机理涉及到粘着碎片的残余弹性能。夹在两个表面之间的碎片承受很大的应力，当滑动表面错开时，碎片保留着残余弹性应力，如果弹性能量大于粘着能量，碎片就会挣脱表面而成为松散的磨粒。
在不同的材料配副中，两种材料的磨粒都可能出现，但软材料可能产生更多磨粒，而且磨粒尺寸一般大于硬材料的磨粒。出现硬材料磨粒的原因是材料表面存在缺陷和裂纹，局部区域的强度较低。
