耐磨性实验报告 如何评价材料的耐磨性

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耐磨性字面意思就是耐受磨损的性能。只要界面之间存在运动，接触，就存在磨损的问题。材料的耐磨性，关乎材料的使用寿命。因而耐磨性成为结构材料或是功能材料作为运动部件选材的关键因素。上至航空航天，国防军工，下至车来车往，穿鞋穿袜，都涉及材料的耐磨性。对于材料性能研究，尤其是金属材料，耐磨性的评价也是尤为重要。

摩擦学是一门专门研究材料的摩擦磨损性能的学科。在评估材料的摩擦学性能上，会有两个重要考察指标：摩擦系数，磨损率。

摩擦磨损试验

摩擦系数主要是法向力与摩擦力的比值，用于描述界面的摩擦情况，磨损是指材料界面在摩擦过程中材料的损失。摩擦过程实际就是界面接触过程，在相互运动中存在摩擦，发热，甚至化学反应，相变，乃至电学性能变化的一个复杂界面系统。

而耐磨性会被用来评估材料的服役寿命，因为磨损越严重，材料损失越严重，从而加重原本材料的形体尺寸，甚至表面的化学成分，结构的改变。因而大多材料希望有好的耐磨性能，保持材料界面原有属性，从而保证服役更长时间。进而产生了选材过程对材料耐磨性能的评价的必要。

耐磨性的评估，其实就是对于材料在各实际应用中，对于材料界面的完整性的评估，简单说就是磨损严重还是轻微。针对评价的目标，自然就产生了各种评价方式。

根据磨损的不同形式会有一下几种分类。磨粒磨损（界面粗糙，凸起的相互挤压，变形，硬的粒子在配偶副界面刮擦产生沟槽，重复硬质点对软质点的刮擦）；黏着磨损（摩擦过程中，软质被挤压变形，在界面产生附着，增大摩擦力，阻碍界面运动）；疲劳磨损（在重复的摩擦过程中，材料产生疲劳，形成裂纹，局部材料的疲劳裂解，进而导致材料的丢失。）化学磨损（在一些特殊的工作条件下，如有大量热产生，有腐蚀性介质，高湿高温，高压下同时伴随着机械运动产生的磨损）。在实际的摩擦磨损过程中，会伴随着不同的磨损形式同时作用于材料界面并产生破坏。

1.通过材料质量损失进行评估。

通过对比材料在使用前后的质量损失的多少评估材料的耐磨性能的优劣。使用前后质量相差越少，就说明耐磨性能越好，反之亦然。比如两种不同的不锈钢制备成相同部件，进行相同环境的摩擦磨损，实验后对比两者与实验前的质量损失。损失多的较损失少的耐磨性能就更差。进而可以预测评估耐磨性能好的材料使用寿命长，也就是更加耐用。

2.通过对比磨痕的形貌特征。

磨痕，摩擦后在界面产生的形貌。对于摩擦后材料的界面会因材料变形，损失产生特定的痕迹。因而可以采用表面轮廓仪，AFM（原子力显微镜）或是其他测表面形貌三维形貌的方法（比如扫扫描CT）。通过特定的测试仪器就能快速的把界面摩擦后的形貌进行分析。磨痕深，且宽，材料损失大，一般认为耐磨性差。根据磨痕的深度宽度，可以测出磨损的体积，进行量化的对比，也就更加清晰的比较材料的耐磨性。

磨痕形貌磨痕二维三维轮廓

3.形貌，质量差异不大，对比界面化学成分变化分析。

通过质量，形貌都没有办法区分，可以通过摩擦后界面的成分变化进行评估。化学成分的确定可以通过对磨痕进行EDS分析，电子扫描探针，或是XPS分析，Raman 图谱，红外等。通过化学成分的分析确认摩擦过程发生的化学反应。比如氧化反应，根据界面的氧元素含量的对比，或者生成的氧化物，或者是一些不饱和键的多少，确定发生化学反应的程度，进而分析界面材料的稳定性。在形貌，质量差异不大，界面成分保留越完整，发生的成分变化越少，则说明该材料的耐磨性更加的优。（其实这更加能证明耐腐蚀性的强弱，很多材料的界面评估也是会采用耐磨耐腐一同评估）

Raman 分析XPS分析

4.材料硬度与弹性模量比值的对比

硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标，体现为抵抗局部变形的抗力大小。因而一般而言，材料的硬度高则其耐磨性就越强。不同含碳量的碳钢的硬度不同，一般高碳钢相比于低碳钢的硬度要高，因而可以在一定程度认为，高碳钢的耐磨性比低碳钢好。但同时有些也要对比材料的弹性模量。弹性模量指的是材料原子间结合的强度，体现为材料的刚度。在摩擦学的研究中，通常会考虑硬度与弹性模量的比值来衡量材料耐磨性的大小。

5.对于材料表面存在防护涂层的，进行防护涂层的耐磨性及粘附力评估

很多材料为了增强使用寿命，保护界面不被破坏，就会在材料的表面构建防护涂层。例如金刚石薄膜涂层，石墨烯薄膜涂层，氮化钛薄膜涂层，类金刚石薄膜涂层，聚四氟乙烯涂层，二硫化钼涂层，氮化硼涂层等。这些涂层相比于基材，都具有较强的耐受性，耐磨耐腐蚀性能。因而对于这类特殊结构材料耐磨性评估，主要是对于涂层的耐磨性评估，及涂层与基材的结合力（粘附力）共同评估。涂层把基材与基材的接触变成了涂层间，或是涂层与基材的接触。对于高耐磨的硬质涂层，同时涂层与基材具有强的结合力，则材料的耐磨性能是较优的。

6.材料自身结构的对比。（与5点有些类似的地方）

对于有些特殊结构的材料，会产生特别的性能。比如二硫化钼，石墨，这类材料都是层状结构，层与层间的结合力为范德华力，这种力很弱，直接导致了材料层与层可以进行滑移，这也就是自润滑性能。因而这种材料在摩擦过程中，摩擦系数小，不会进行界面凸起间的切割，挤压，因而可以认为自润滑材料可以为基材提供好的耐磨性。

当然，材料耐磨性的评估还有很多方法，但在科研中还是最常用摩擦磨损试验进行测量，对磨痕进行分析，通过磨损率来鉴定材料的耐磨性的强弱。

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