磨料磨损可被定义为物体表面与颗粒或凸起物相对运动引起表面材料损失的现象。它给国民经济和人们的日常生活带来了巨大的损失。其中磨料磨损造成的材料损失在磨损中占50%，其造成的经济损失可达到国民生产总值的1%–4%。它可使机器零件磨损，过早发生失效，甚至发生事故；它因零部件表面损坏，引起噪声、振动或能耗增大；它因零部件磨损，造成频繁停机、更换零部件。
2013年3月2日，香港英皇道478-480号一部电梯四根钢索同时断裂，且紧急刹车系统未能及时启动，发生坠楼事故，轿厢中七人均受重伤。事后调查报告指出，其原因是电梯钢索润滑油不足，造成钢索表面发生磨料磨损，引起磨损部位发生应力集中，导致断裂发生（图1）。
图1 电梯钢索断裂事故
当然，磨损也有有益的一面。生产和生活中人们还会有意识地利用磨损，比如，芯片制造中的抛光工艺，曲面零件或零件内表面的磨料流加工，磨削加工等，都与要籍助于增加磨损效率，达到零件表面光滑化的目的。甚至是我们每天都要做的刷牙，也与磨损相关，牙膏中加入的微尺度磨料，如碳酸钙、磷酸氢钙、焦磷酸钙、二氧化硅、氢氧化铝等，也是为了高效去除附着在牙齿上的污渍，达到清洁口腔的作用。
看来对磨料磨损过程的了解是非常必要的。人们对磨料磨损的认识，可以追溯到我国仰韶文化时期，当时劳动人民在农耕时用到的耕犁（图2），就是在实践指导下，运用到关于磨料磨损的一些规律，加工出磨损既小、又比较省力的犁铧。人们首次对磨料磨损开展规模性研究，应该在1798年，英国乔治三世成立了一个非常有权力的委员会，专门研究当时金币的磨损大的问题。邀请了英国皇家学会的两位会员专门操持此项研究，一位是哈切特，另一位就是著名的卡文迪什。到了二十世纪五十至六十年代，英国的阿洽德和美国的拉宾诺维奇，分别提出了适用于磨料磨损的理论简化模型，开创了磨料磨损理论研究的先河。
图2 仰韶文化时期河南西部出土的石铲犁锄（图片来自网络，如有侵权请联系删除）
迄今为止，科学家和工程师对磨料磨损的认识和理解，进入了新阶段。人们已认识到，磨料磨损是一个系统相关的过程，所谓“没有万能的材料，也没有万能的磨损试验机”，就是对这种思想的一个理性诠释。在工业生产活动中，如何科学合理选择耐磨材料，已成为科学家和工程师们的一个永恒的课题。大量的试验研究表明，在一定范围内，材料的硬度越高，材料的耐磨性一般也越好。是不是一味选择高硬度的材料作为耐磨材料，此结论显然也是靠不住的。因为磨损过程中，被磨表面所承受的载荷还会引起材料产生裂纹，进一步引起材料局部断裂或大体积的剥落，造成比磨损危害更大的损失。综合协调材料硬度和韧性，也是选择耐磨材料需要考虑的另一个重要因素。此外，磨损时磨料的硬度、尺寸、外形、载荷的性质、环境、湿度、材料本身的组织特征等，都是影响材料耐磨性不可忽略的因素。既然如此，通过实验室试验筛选耐磨材料时，必须针对机器零件实际应用的工作状况，设计合适的磨损试验机，再选择合适的试验参数进行磨损实验，通过接近穷举的试验次数，实现对该零件适用的优质耐磨材料的选择。可见，对耐磨材料的实验室优化过程，是非常耗时、费力的。
那么，能不能预先通过理论，实现对材料磨损性能的预测，乃至实现耐磨材料的优化选择呢？这应该是众多科学家和工程师们长期以来的梦想。要解决理论研究的问题，首先应从科学方法论方面开始考虑。前面已经提到，磨料磨损过程是一个复杂系统相关的过程。同时磨料磨损过程还是一个受随机变量控制的过程。要开展理论研究，第一，应将复杂的磨料磨损系统简单化处理，提取关键的影响参数，忽略次要参数；第二，必须通过引入随机过程，从现象抽象出磨料磨损过程的本质。
对磨料磨损进行分类，是开展研究工作的前提。如果以磨料的行为来划分磨料磨损，可以将磨料磨损分为二体磨损和三体磨损两类。其中二体磨损主要指磨料间相对固定，在一定的切向力和正压力下，以同样的速度和距离相对于所压入表面滑动，造成压入表面材料的损失。而三体磨损则指磨料间可以相对不固定，在一定切向力和正压力下，以滚动或滑动方式相对于所压入表面运动，造成压入表面材料的损失。
将模型简化，是理论研究开始的第一步。磨料磨损具有的两个特征，一是系统特征，二是随机特征，导致对磨料磨损的研究变得非常复杂。其中最难以把握的是磨料的简化，磨料的尺寸、外形、作用位置和角度都是随机变量，其中磨料外形和尺寸是不能避开的对象。对于二体磨损，可以将磨料简化成带有球端的圆锥体（图3），其中球径和椎体斜度可以表征磨料的尖锐度，椎体的高度可以代表磨料的尺寸。而对于三体磨损，磨料的行为更为复杂，我们则采用椭球体来简化（图4），椭球的长短轴比可用于模拟磨料的尖锐度，椭球的当量直径可用于表征磨料的尺寸。这种简化虽然一定程度上减轻了三体磨损中切削磨损的比重，但无疑使得人们从理论上评价三体磨损创造了可能。
图3 二体磨料磨损球端圆椎体磨料
图4 三体磨料磨损椭球体磨料
第二步，引入随机过程理论。磨料磨损是一个和系统相关的过程，它不像材料的力学性能试验，对某一种试验，如单向拉伸试验、弯曲抗力试验、一次冲击韧性试验等，可以主要抽象为材料本身性质相关的参量。磨料磨损则是与材料、磨料、环境、力作用方式等因素直接相关，不能脱离其中任何一方面去开展研究与评价。这就是在磨料磨损领域“没有万能的材料，也没有万能的磨损试验机”的基本判断。此外，磨料磨损过程还是一个与随机过程相关的现象。如磨料尺寸、外形、作用于表面的角度、位置等，强烈受到随机变量的影响，也是概率相关的变量，图5所示为采用伪随机数方法建立的磨料面。目前已经可以明确指出，对于磨料磨损过程的研究，离不开引入随机过程变量，那些纯粹使用数学分析模型的方法，与磨料磨损的实际情况差距会很大，根本无法实现对材料磨料磨损的精确定量描述，因此，随机变量的引入是一个必然的过程。既然要引入随机变量，计算机数字化模拟就是一个很好的解决方案。要进行计算机模拟，就无法避开使用计算数学方法、概率统计方法、弹塑性力学、接触力学、损伤力学、有限元方法、分子动力学计算方法等其中一些方法。笔者所著科学出版社“磨料磨损”一书，就提供了这样一些解决思路，可供研究者从事类似性质科学研究时参考。
图5 采用伪随机数产生的磨料面
第三，理论研究当然还是离不开实验验证和试验探索性工作。试验探索，是为了启示科学工作者有无未被证实的新现象、新规律。实验验证，是为了验证理论模型或理论计算的正确性，没有被实验验证过的理论只能被当作“假说”。在作者“磨料磨损”书中，笔者设计和制作了不同的实（试）验装置，从简单手动操作的，到数控、光学监视、电磁驱动等，较为复杂的装置，都是为了实现试验探索和实验验证证实性的工作。对年轻科技工作者来说，首先踏踏实实做好实（试）验研究性工作，为后面进行理论创新、立说、著论打下坚实基础，还是非常必要的。
随着科学技术在空间向宏微观两个方向延伸，使用新技术、新思路、新方法开展研究工作，也是科学工作者必备的素质。在宏观领域，对大型工程装备，如盾构机、挖掘机、散料输送设备、粉碎和磨细设备等，其中一些关键磨损部件的综合评价和科学使用，已经变得越来越重要。不是材料越耐磨越好、寿命越长越好，而是要根据设备的维修周期，综合从材料硬度、韧性等诸方面综合考察，从设备合理的维修周期来评价，从设备整体使用全寿命、全工作周期来考虑，从局部的材料科学选择，扩展到设备整体综合评估这个大系统来考虑。在微观领域，如在芯片制造、微机械、微传感器、纳米制造等方面，则又需要深入到原子、分子尺度去开展研究。“磨料磨损”一书就提供了一个很好的方法，即采用分子动力学模拟，研究原子和纳米尺度下材料的磨料磨损行为，如材料的点缺陷、线缺陷（位错）和晶界对磨料磨损过程的响应，对深入理解材料在这样小尺度下与宏观尺度的差异和类同，非常有利于人类对磨料磨损过程的科学认知。
最后，磨料磨损过程也不是一味对人类活动都造成有害无利的影响，人们也可以用其有利的一面，如磨削加工、芯片的抛光、磨料流加工等，通过提高材料的流失率，实现高效率的加工和制造。这就是世间事物的两面性，我们要善于“两利相权取其重,两害相权取其轻”，这才是我们应该采取的工程和科学策略。
科学出版社的新书“磨料磨损”（图6），从列举磨料磨损的应用实例开始，重点论述磨损力学、磨料表征、二体磨料磨损原理、三体磨料磨损原理、纳米尺度磨料磨损，以及磨料流加工的基本规律，这些内容是作者几十年来研究成果的归纳和总结。
图6 磨料磨损图书外观
理论上，该书涉及部分力学、物理、材料、计算方法等基础知识在磨料磨损中的应用，如接触力学、疲劳理论、有限元方法、模特卡罗方法、分子动力学等。作者期望运用这些知识对磨料磨损过程的本质有一个初浅的理解，也希望借助该书能够给研究工作者与现场工程师提供新的工作思路和帮助。该书可供从事磨料磨损理论的研究人员、机械设计师、现场工程师参考，也可作为高等院校相关专业研究生的参考用书和教材。
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磨料磨损属于摩擦学范畴，涉及物理、化学、力学、材料与机械多学科的知识。磨料磨损对工农业生产和人类活动除造成巨大的经济和材料损失外，利用其有利的方面，还可帮助人类进行生产和生活。如何抵抗磨损和有效利用磨损，已成为科学家和工程师的一项重要任务。为此，本书从列举磨料磨损的应用实例开始，重点论述磨损力学、磨料表征、二体磨料磨损原理、三体磨料磨损原理、纳米尺度磨料磨损，以及磨料流加工的基本规律。这些内容是作者几十年来研究成果的归纳与总结。理论上，本书涉及部分力学、物理、材料、计算方法等基础知识在磨料磨损中的应用，如接触力学、疲劳理论、有限元方法、蒙特卡罗(Monte Carlo)方法、分子动力学等。作者期望运用这些知识对磨料磨损过程的本质有一个初浅的理解，也希望借助本书能够给研究工作者与现场工程师提供新的工作思路和帮助。
目录速览
前言
第1章 概论 1
1.1 磨料磨损的定义和分类 1
1.2 人类运用和抵抗磨料磨损的简史 3
1.3 磨料磨损的工业应用实例 16
1.4 磨料磨损研究的价值 25
参考文献 28
第2章 磨损力学简介 31
2.1 磨损过程的弹性接触 31
2.2 磨损过程的弹塑性接触 36
2.3 磨损过程的疲劳与损伤 42
参考文献 47
第3章 磨料几何形状的表达 48
3.1 引言 48
3.2 关于磨料特性描述的思考 52
3.3 磨料外形的频域模型 53
3.4 磨料外形频域描述的试验方法 54
3.5 磨料外形频域描述的计算方法 54
3.6 磨料外形频域描述的计算结果和讨论 56
参考文献 59
第4章 二体磨料磨损 61
4.1 材料二体磨料磨损的机理 61
4.1.1 微观切削磨损机理 61
4.1.2 低周疲劳磨损机理 61
4.1.3 微观断裂 (剥落) 机理 63
4.1.4 磨料磨损的影响因素 63
4.2 二体磨料磨损的经典模型 75
4.2.1 Archard模型 75
4.2.2 Rabinowicz的单颗粒切削模型 76
4.2.3 Moore模型 77
4.2.4 Garrison-Garriga模型 78
4.2.5 Zum Gahr模型 78
4.2.6 Jacobson等的统计模型及Jiang等的修正 79
4.2.7 Halling-Finkin模型 79
4.2.8 Sundararajan的塑变模型 80
4.3 材料力学性能和二体磨料磨损试验 81
4.3.1 单轴拉伸试验 81
4.3.2 单磨料划痕试验 83
4.3.3 销盘二体磨料磨损试验 88
4.4 磨料表面的生成 93
4.4.1 磨料模型的构建 94
4.4.2 磨料参数分布的确定 96
4.4.3 磨料面的生成 102
4.5 磨损因子估计的有限元方法 105
4.5.1 Azarkhin-Boklen脊形貌曲线拟合方程 106
4.5.2 磨料磨损过程的有限元法模拟 109
4.5.3 三维有限元方法模拟结果 112
4.6 材料二体磨料磨损的计算机预测 115
4.6.1 数值计算模型的原理 116
4.6.2 犁沟与变形脊的形貌处理 121
4.6.3 材料线磨损率的计算 123
4.7 考虑磨料统计规律时材料磨损的预测 127
4.7.1 磨损因子fab与压深曲线拟合方程 127
4.7.2 考虑磨料尺寸统计分布的材料二体磨料磨损模拟 128
4.7.3 二体磨料磨损中磨料的“尺寸效应” 133
参考文献 139
第5章 三体磨料磨损中磨料的运动方式 145
5.1 材料三体磨料磨损机理 145
5.2 磨料运动方式的直接观察 147
5.2.1 单颗粒三体磨料磨损的试验装置和试验方法 147
5.2.2 磨料颗粒运动方式的观察及摩擦系数的测定 150
5.3 磨料运动方式的判据 154
5.4 磨料运动方式判据的验证 159
5.5 磨料运动方式的预测 169
5.6 椭球磨料的运动方式 172
5.6.1 接触表面压入区域的等效圆方法 172
5.6.2 对石塚镇夫模型的修正 174
5.6.3 磨损参数对椭球形磨料运动方式的影响 176
5.7 多边形磨料的运动方式 185
5.7.1 基于椭圆截面的多面体磨料外形的构建 185
5.7.2 随机多面体磨料外形的构建 190
5.7.3 多面体磨料表面压入深度的计算 193
5.7.4 多面体磨料运动方式的判定实例 194
参考文献 196
第6章 三体磨料磨损中的塑变和切削磨损 198
6.1 三体磨料磨损的试验规律 198
6.1.1 试验装置和试验方法 206
6.1.2 磨程对磨损的影响 211
6.1.3 金属硬度对磨损的影响 213
6.1.4 磨损面和磨屑形貌观察 214
6.1.5 讨论 218
6.2 三体磨料磨损磨痕的统计规律 219
6.2.1 表面磨痕的统计模型 221
6.2.2 试验装置和试验方法 226
6.2.3 试验参数的确定 229
6.2.4 表面磨痕统计的试验依据 232
6.3 三体磨料磨损中的切削磨损 234
6.3.1 表面粗糙度的影响 234
6.3.2 磨料颗粒尖锐度的影响 235
6.3.3 金属硬度的影响 235
6.3.4 短程磨损中金属切削磨损概率 236
6.4 三体磨料磨损中切削磨损的模拟 238
6.4.1 模拟试验的依据和技术路线 239
6.4.2 模拟过程 240
6.4.3 模拟结果 245
6.5 三体磨料磨损中的塑性变形磨损 248
6.5.1 试验方法 249
6.5.2 试验结果和讨论 249
6.5.3 塑变磨损的数学模型 254
6.6 三体磨料磨损的物理模型 258
6.6.1 磨损物理模型的提出 259
6.6.2 金属硬度与磨损体积关系的解释 260
6.6.3模型的试验验证 262
参考文献 263
第7章 三体磨料磨损的计算机模拟 266
7.1 低周疲劳的基本概念和计算方法 266
7.2 拉伸试验 269
7.3 使用近似圆球形磨料的三体磨料磨损试验 271
7.3.1 磨料颗粒分布测定试验 271
7.3.2 试验的方法及测量 271
7.3.3 磨料颗粒分布的确定 272
7.3.4 磨料磨损试验 276
7.3.5 试验结果及分析 277
7.4 模拟的基本假设和Monte Carlo方法 283
7.4.1 [0-1]均匀分布的伪随机数的生成和检验 284
7.4.2 正态分布N(μ,σ2)及(a,b)区间均匀分布伪随机数的产生 287
7.4.3 模拟过程的基本假设 289
7.5 关于磨料的Monte Carlo模拟 290
7.5.1 磨料参数的选取及确定 290
7.5.2 打靶法生成磨料面 290
7.6 磨料运动方式及变形脊的确定 293
7.6.1 磨料运动方式的判定 293
7.6.2 滑动磨料颗粒滑动对象的判定 296
7.6.3 滑动磨料的磨损处理 297
7.7 材料塑性变形磨损量的计算 300
7.7.1 滑动磨料塑变疲劳磨损 300
7.7.2 滚动磨料的塑变疲劳磨损 302
7.7.3 磨损量的计算 303
7.8 模拟的基本流程和结果 303
7.8.1 接触计算前的预备工作 304
7.8.2 模拟结果与试验验证 308
参考文献 315
第8章 纳米尺度的磨料磨损 317
8.1 引言：纳米磨料磨损的例子 317
8.2 分子动力学模拟方法简介 320
8.2.1 势函数 320
8.2.2 晶体缺陷识别与可视化方法 322
8.3 纳米尺度的二体磨料磨损 327
8.3.1 模拟假定与原子模型 327
8.3.2 模拟方法与势函数 328
8.3.3 纳米二体磨料磨损中的摩擦 329
8.3.4 纳米二体磨料磨损中的磨损 330
8.3.5 铜纳米晶的二体磨料磨损 331
8.4 纳米尺度的三体磨料磨损 339
8.4.1 磨料运动方式的预测 339
8.4.2 摩擦机理 344
8.4.3 磨损机理 346
8.5 硅材料在纳米尺度下对磨损的响应 347
8.5.1 相识别和表征方法 348
8.5.2 算法的实现 350
8.5.3 纳米压痕中单晶硅的相变 351
8.5.4 纳米磨料磨损中单晶硅的相变 356
8.5.5 单晶硅相变的应力机理与准则 364
参考文献 367
第9章 磨料流加工理论 372
9.1 引言 372
9.2 磨料流加工技术的现状 373
9.2.1 加工介质的影响 373
9.2.2 加工参数的影响 374
9.2.3 AFM理论的研究现状 375
9.3 磨料流加工中影响因素分析 377
9.3.1 试验设备和材料选择 377
9.3.2 试验方案 380
9.3.3 AFM加工效率影响因素 380
9.3.4 加工介质的黏温关系 385
9.3.5 考虑介质黏温关系的磨损量表达式 387
9.3.6 AFM加工过程流场仿真 390
9.4 单向磨料流加工 395
9.4.1 单向AFM试验装置 395
9.4.2 单向短程AFM的试验方法 397
9.4.3 单向短程AFM影响因素分析 399
9.4.4 单向短程AFM流场有限元计算的建立 402
9.4.5 加工介质黏度对流场的影响 413
9.4.6 加工压力对流场的影响 416
9.5 磨料流加工中磨料运动方式的判断模型 419
9.5.1 AFM中磨料滚滑方式的判断 419
9.5.2 磨料滚滑运动方式判断模型的试验验证 424
参考文献 427
本文编辑：王芳
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