本文介绍了摩擦磨损的定义、类型和单位，以及影响摩擦磨损过程的一些重要参数。还介绍了如何根据工程应用或基础研究的目的，选择合适的摩擦学测试方法和测试条件，以模拟实···
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摩擦学是研究相对运动中相互作用表面的科学和技术，包括对摩擦、磨损和润滑的研究。摩擦和磨损是材料摩擦学行为的两个关键方面。与其他测量材料性能的方法一样，摩擦和磨损都是材料暴露于特定条件下的结果。因此，它们并不代表材料的固有特性，而必须在特定的测试条件下进行测量和定义。
磨损可定义为固体表面的损坏，一般涉及材料的逐渐损耗，是由于表面与一种或多种接触物质之间的相对运动造成的。在许多不同的应用中，接触材料都会发生相对运动。在某些情况下，这种运动是有意为之：例如在旋转滑动轴承、活塞在气缸中滑动、自动刹车盘与刹车片相互作用时，或者在通过机械加工、锻造或挤压来加工材料时。这种磨损也可能是无意产生的，例如在某些结构连接处，在振荡载荷作用下，小的周期性位移会造成磨损，这种磨损被称为 "疲劳磨损"。如果存在硬质颗粒，例如作为润滑剂中的污染物，或在磨料加工中有意存在，那么这些颗粒将对由此产生的磨损过程产生深远影响。
摩擦力的定义是：在外力作用下，一个物体相对于另一个物体移动或趋向移动时，在界面上产生的阻力。摩擦力 F 可能与滑动运动有关，也可能与物体的纯滚动运动有关；在某些实际工程应用中，如滚珠轴承中滚珠与滚道之间的接触，或一对配合齿轮齿之间的接触，可能会有涉及滑动和滚动的更复杂的运动。
摩擦系数 μ 是一个无量纲数字，定义为将两个物体压在一起的摩擦力 F 与法向力 N 之比 F/N。动摩擦系数 μk 是指两个物体在宏观相对运动条件下 的摩擦系数，而静摩擦系数 μs 是指两个物体在宏观运动时必须克服的最大摩擦力所对应的摩擦系数。摩擦系数是一种报告摩擦力的简便方法，因为在 许多情况下，F 与 N 在相当大的 N 范围内近似成线性比例。
F = μN
预计 μ 值在很大程度上取决于接触表面的成分、形貌和历史、它们所处的环境以及加载条件的精确细节。虽然已经出版了摩擦系数表，但这些数值只能表示在特定条件小的相对一般数值，仅做参考用。在特定测量条件下的摩擦系数。摩擦系数通常在 0 到 1 的范围内，尽管没有必要这样做的根本原因。μ 的负值可能会被认为是人为的，因为它们是由相关物体之间的粘合力造成的，这种粘合力会产生切向力，而这些物体则受到拉伸法向力的作用，" 摩擦 " 也许不是一个描述这种现象的有用术语；但μ 大于 1 的值在物理上是非常合理的，例如，在汽车轮胎和干燥路面之间的相互作用中，或在某些韧性金属在无氧条件下的滑动中，都会出现这种情况。
摩擦学中有许多专业术语， ASTM 中有详细阐述。国际组织出版了一本包含更多术语及其法、德、意、西、日、阿、葡等语言翻译的书籍。其中一个很有用的术语是 "摩擦学元素"，它指的是在摩擦接触中涉及到的两个或多个固体中的任何一个。
描述磨损时，特别重要的一点是，要明确区分造成磨损的相对运动的性质和材料在磨损中被去除或移位的物理机制。磨损试验的设计目的是产生特定类型的相对运动，这通常会导致不同材料、不同载荷或速度下的不同磨损机理。
图 1 展示了一些可能导致磨损的常见相对运动类型。这些只是理想化的例子，还可以进一步细分。例如，滑动和滚动运动既可以是连续的，也可以是间断的，既可以沿着旋转对体上的同一轨道进行，也可以在连续的新轨道上进行。它们可能涉及恒定的相对速度（连续滑动），也可能涉及变化的速度（例如往复运动，可能具有正弦或线性速度变化）。
在分析摩擦接触中的运动时，还需要考察接触区域相对于接触体表面的运动方式。例如，在图1所示的一个小块体在较大对偶体上滑动的简单情况下，接触区域相对于小块体是固定不变的，小块体处于连续接触状态，而接触区域相对于较大对偶体则沿着其表面移动，因此较大对偶体上的某些区域只在一定时间内发生接触。在图1所示的纯滚动情况下，接触区域相对于两个接触体表面都是移动的，因此两个接触体上的某些区域也是间歇性地发生接触。
图1 涉及摩擦元件相对运动的摩擦接触的例子，以及由颗粒冲击、液体冲击或液体中的空化作用引起的磨损的例子
在多数实际情况下，都存在一层润滑油膜，但在其他一些情况下，以及在许多实验室研究中，滑动或滚动都是在空气中无润滑地进行的。
当接触体表面发生垂直于表面的相对运动时，可能会产生冲击。如果一个较大的对偶体在一个基本上是单点接触的区域上反复冲击，就会导致磨损，同样，如果有大量的小颗粒或者液滴冲击接触体表面，也会导致磨损，这种情况下，冲击点通常分布在接触体表面的一个区域内。另外，当局部压力波动导致液体中产生汽泡或气泡时，如果这些泡沫在靠近固体表面的位置发生破裂，也会导致磨损。
图2 因滑动接触中存在硬质颗粒而造成磨料磨损和划痕损坏的示例
当接触区域中存在小颗粒时，通常这些小颗粒比其中一个运动的接触体更硬，也就是更不易变形，这会导致与纯滑动时不同的磨损过程。图2中示意了滑动接触中存在硬颗粒时常见的几种磨损类型。如果这些颗粒附着在其中一个滑动的接触体上，要么是构成其一部分（例如，在较软的基体中存在硬的离散相，或者是颗粒固定在表面上，就像砂纸一样），要么是嵌入在表面内，那么它们就会在对偶体上拖动，这种过程称为滑动磨粒磨损。这种类型的磨损通常被称为"二体"磨粒磨损，因为这些颗粒实际上相当于构成了两个摩擦学元素中的一个。如果这些颗粒是自由的，并且在滑动的摩擦学元素之间滚动，那么它们与摩擦学元素之间的相互作用就不同，可以称为滚动磨粒磨损；这也被称为"三体"磨粒磨损，因为这些颗粒形成了一个独立的"第三体"，相对于两个滑动的摩擦学元素有自己的运动。用"二体"和"三体"来描述这些条件可能会引起混淆，因为自由颗粒在滑动接触中的运动方式取决于表面的相对硬度和施加的压力，并且即使在接触区域内不同的位置，也可能在滑动和滚动之间变化。有时候也会用"低应力"和"高应力"来描述磨粒磨损的条件，"低应力"指的是磨粒本身在磨损过程中相对完整，"高应力"指的是磨粒经历了大量的断裂。
如果表面损伤是由单个硬凸点或者少数相对较大的凸点造成的，那么通常被称为"刮擦"，刮擦试验可以用来表征材料对这种类型变形的响应。图2中也示意了刮擦。
由于磨损通常与表面材料的脱落有关，所以通常用脱落材料的体积、质量或者磨损后尺寸的变化来量化磨损。这三种方法都可以作为主要的测量手段。
例如，从一个球形端部的针头上磨掉的材料体积，可以通过测量针头上形成的平面区域的直径来计算；更复杂的几何形状上的体积变化，可以通过计算机从磨损前后记录的轮廓曲线之间的差异来得到。
质量损失的测量原理上比较简单，但是在实验上需要精确，以减少误差。
尺寸变化（例如，针头试样的长度减小，或者轴承间隙变化）的测量原理上也比较简单，但是也容易出现误差，所以需要精密的实验程序。质量变化的测量可能会受到材料转移和氧化的影响；尺寸变化也可能受到热膨胀的影响。这些以及其他方面的实验技术将在5节中讨论。
在某些情况下，两个摩擦学元素都可能会有材料损失，或者发生显著的材料转移，在这种情况下，就需要特别注意如何测量和描述磨损的大小。如果磨损是由单个摩擦学元素表面内部材料的移动引起的，那么它会导致表面形貌发生变化，这种变化可以通过轮廓仪来检测。
当两个表面相互滑动时，发生的磨损量往往随着滑动距离而增加，因此也随着时间而增加。磨损速率可以定义为单位时间或者单位滑动距离内材料脱落或者尺寸变化的速率。由于可能会引起混淆，所以"磨损速率"一词必须明确其含义，并说明其单位。在侵蚀情况下，磨损速率通常用单位时间内质量或体积损失来表示；对于固体颗粒冲击侵蚀，也可以用单位撞击颗粒质量内质量或体积损失来表示。
目前，许多用于滑动磨损的定量模型，其中最简单的一个是由Archard提出的，用于比较不同条件下的磨损率和材料行为。Archard模型导出了如下公式：
Q = KW/H(2)
其中Q是单位滑动距离内因磨损从表面脱落的材料体积；W是施加在表面之间的法向载荷，H是较软表面的压入硬度。许多滑动系统确实显示出磨损与滑动距离的关系接近线性，在某些条件下还显示出磨损率与法向载荷大致成正比。常数K，通常被称为阿尔查德磨损系数，是一个无量纲的数，总是小于1。K的值提供了一种比较不同磨损过程严重程度的方法。公式（2）可以应用于磨粒磨损以及滑动磨损；对于固体颗粒冲击侵蚀，也可以推导出一个类似的公式，从中可以得到K的值。
图 3 在不同摩擦学条件下磨损系数 K 的典型范围：流体动力润滑 (HL)；弹性流体动力润滑 (EHL)；边界膜润滑；非润滑滑动；磨料磨损和侵蚀磨损
图 3 大致显示了不同磨损类型中 K 值的范围。在无润滑的滑动条件下（即所谓的干滑动），K 可以高达 10−2，但也可以低至 10−6。通常，滑动磨损可以分为两种不同的情况，分别称为"严重"和"轻微"。它们不仅有着相差很大的磨损速率（K 通常分别高于和低于 10−4），而且涉及到的磨损机制也截然不同。在金属中，"严重"滑动磨损与相对较大的金属碎屑颗粒有关，而在"轻微"磨损中，碎屑颗粒较细，由氧化物颗粒形成。在陶瓷中，"严重"磨损与脆性断裂有关，而"轻微"磨损则是由于表面材料发生反应（通常是水合）而脱落。
当存在硬质颗粒且磨损过程涉及磨粒磨损（通过颗粒的滑动或滚动）或侵蚀（通过颗粒的撞击）时，K 值最高；这也解释了为什么这些过程也可用于材料加工。
对于实际工程应用而言，无润滑滑动或硬质颗粒磨损所产生的 K 值通常过高，因此在大多数摩擦学设计中，都会使用润滑来降低 K 值。润滑对减少磨损的作用远比对摩擦的作用要大得多，而且减少磨损所带来的寿命延长通常比降低摩擦损失所带来的效率提高要重要得多。如图 3 所示，即使是效果最差的润滑，也能将磨损速率降低几个数量级，而且随着润滑油膜厚度的增加，从边界润滑到弹性流体动力润滑 (EHL)，再到流体动力润滑 (HL)，K 值会迅速下降。在现代汽车发动机的流体动力润滑部件中，K 值低至 10−19 。
给定符号 k 的量 Q/W ( =K/H )，有时也称为"特定磨损率"（英国）或"磨损系数"（美国）。表示 k 的单位通常是 mm3/Nm，表示单位滑动距离（米）单位接触面法向载荷（牛顿）损失的体积（mm3）。这些单位通常用于引用实验测得的磨损速率。值得注意的是，对于维氏硬度 H 为 1 GPa（≈100 HV）的材料，K 的典型值（无量纲）与 k 的典型值相同（单位为 mm3/Nm）。
虽然 k（或 K ）在相当长的时间内实际上是恒定的，在许多滑动磨损的情况下，载荷或滑动速度的变化范围很大，在某些情况下会发生急剧的转变，在相对较小的条件变化下，k 可能会变化 100 倍甚至 1000 倍。这种行为与材料去除的主要机制发生变化有关；因此，根据在不同条件下获得的数据推断磨损数据以预测系统中可能的磨损速率始终是危险的。
为保证摩擦学性能，需进行测试。设计、工艺、产品营销等环节均需数据支持。磨损测试需贯穿产品全生命周期。磨损原因包括设计失效、成本失效、营销失效等。磨损测试可提供磨损机制和材料性能信息，为材料开发提供依据。
摩擦和磨损在大多数工业领域都很重要，但现在人们也越来越关注摩擦学测试在社会需求中的应用。传统上，摩擦和磨损的评估主要涉及采矿和钻探、交通发电厂、发电和机床等领域。现在，人们越来越关注生物医学植入物的摩擦学性能和装饰性表面的降解等问题。近年来，微机电系统（MEMS）的设计和开发也备受关注，摩擦和磨损受这些小型部件的影响很大，阻碍了新设备的开发。
有许多不同的摩擦和磨损测试方法，其规模和复杂程度各不相同。最终的效果证明总是需要对最终产品进行现场测试，但用这种方法来评估几种不同的替代材料或设计变体往往成本过高。此外，这种方法还缺乏对确定磨损过程的参数的控制，因此无法了解磨损机制对负载和速度等重要因素的依赖性。
如图 4 所示，可以将整个产品分解为各个功能要素。这一抽象过程的最后阶段是使用实验室测试来模拟完整产品的特定摩擦学元素。一般来说，从现场试验转向实验室试验可以降低试验成本，提高对影响摩擦和磨损程度的重要因素的控制能力。这样就能设计出测试程序，通过更好地了解摩擦学过程，以经济有效的方式开发材料和摩擦学系统。
图4 摩擦学试验类型示意图
需要进行实验室检测的情况主要有两种。
第一种情况， 在为一般应用领域开发或选择材料时，如果应用的具体条件没有明确规定，就需要对材料的摩擦磨损性能进行试验。在这种情况下，几乎没有任何信息可用于指导选择合适的试验方法和试验参数，事实上，应使用的具体试验并不总是很明确。不过，重要的是要仔细考虑材料的使用方式，以避免不适当的试验导致误导性结果。因此，对于为极有可能发生磨损的应用而开发的材料，不能指望滑动磨损试验提供相关数据。不过，只要能预测可能的磨损模式，就能获得有关材料实际性能的有用信息。
另一种情况 是需要模拟特定的应用。在这种情况下，应更好地确定摩擦接触中的工作条件，这样在设计实验室磨损试验程序时，就可以选择适当的试验和试验参数，以实现对实际应用的正确模拟。当然，在某些情况下，最好的方法是设计和制造一个特定的试验台，以精确再现应用中的条件。但在大多数情况下，可以使用一个成熟的试验，或许对试验参数进行一些调整，以提供与应用的合理匹配。选择这些参数是产生有效试验的关键。
由于通常很难在实验室中实现精确模拟，因此必须检查实验室试验中的磨损机理是否与实际应用中的相同。只有这样，实验室试验才能得出可靠的结果，并预测实际应用中的性能。图 5 显示了这种比较的一个例子，它是通过模拟硬质合金挤压工具磨损的试验得出的。在实验室试验和实际应用中回收的样品中，金属陶瓷磨损表面的特征非常相似，随后的现场试验表明，实验室试验结果与使用中部件的寿命非常吻合。
许多参数控制和定义摩擦接触的条件，从而影响磨损和摩擦的结果。表1 列出了一些重要的例子。其中一些参数只适用于特定类型的磨损；例如，磨损或侵蚀颗粒的形状只与磨损或侵蚀过程有关。
表1 影响摩擦学过程的一些重要参数清单
| 参数 | 单位或信息类型 |
|---|---|
| 法向负载 | N |
| 滑动速度 | m/s |
| 摩擦学元素的材质 | 表面和次表面成分和微观结构 |
| 试验环境（包括任何存在的润滑剂） | 摩擦接触周围气体和/或液体的成分、化学和物理特性 |
| 温度 | ℃ |
| 表面之间的相对运动类型 | 轨迹：滑动、滚动、撞击等。 |
| 接触形态（宏观） | 表面形状 |
| 接触形态（微观） | 表面粗糙度 |
| 磨削/侵蚀颗粒 | 磨削/侵蚀颗粒 |
| 接触动力学 | 刚度、阻尼、惯性质量 |
本文仅仅讨论上述因素的某些方面。
实验室试验中，通常只能主动控制几个试验参数。比如法向载荷、相对速度和接触几何形状。其他参数对磨损和摩擦结果也有重大影响。包括润滑剂的存在、试验条件和介质（包括空气、温度和湿度）、试样温度和试验系统的机械动态。这些参数通常在每次试验中保持不变。或者采用特定的控制方法。或者在程序的整个试验序列中使用相同的试验系统。
设计磨损试验时，接触几何形状是一个关键参数。在试验中两个块体表面会发生滑动接触。最理想的情况是测试样品之间实现自对准保形接触。这样标称接触面积和标称接触压力在测试过程中不会发生变化。要实现自对准保形接触，需要精心设计试样及其支架。但这很难做到。所以错位接触的边缘会有较高的初始接触应力。为了避免这种不受控制的不规则几何形状，通常采用受控的不规则几何形状。将一个球形或球面针形的摩擦学元素加载到平面试样上。通常使用的球直径约为 10 毫米。这种方法可以很好地控制初始接触几何形状。但这种方法也有缺点。初始接触应力很高。随后，球或针会迅速磨损，直到产生更大的接触面积。从而导致接触压力大大降低。这种变化可能导致磨损机制从最初的高应力状态转变为随后的低应力、较大接触面积状态。减少这种影响的一种方法是使用一个三尖齿辊。三尖齿辊具有较大的接触半径。虽然初始接触几何形状仍很清晰，但初始接触压力较低。机理变化的可能性较小。
图 5a,b 是实验室模拟和实际应用中磨损表面对比示例的扫描电子显微镜图像。图中显示的是用于生产瓷片的 WC/Co 工具：（a）生产工具磨损的表面；（b）实验室磨损测试后试样磨损的表面。
摩擦学元素之间的温度也会通过改变它们的力学和化学性能来影响摩擦磨损行为。除了这些整体效应外，由于摩擦发热，接触区域的温度也会升高；在接触区域消耗的功率等于μNv，其中μ是摩擦系数，N是法向载荷，v是相对滑动速度。因此，在接触区域的局部温度可能比整体温度高得多。在设计或解释摩擦磨损试验时，需要考虑这个因素。
如第1.3节所述，对接触区域进行润滑也会影响磨损行为，通常不仅影响磨损量，还影响磨损机理。在某些滑动速度、载荷和液体粘度条件下，两个表面之间会形成一个连续的、由流体动力学产生的液体膜，并且磨损率会降低到很低水平，如图3所示。流体动力学液体膜（厚液体膜）的形成有利于低法向压力、高液体粘度和高滑动速度。对于液体膜厚度与摩擦元件表面粗糙度相当的条件，摩擦元件的弹性变形变得重要，液体中的压力足以导致液体的局部粘度显著增加；这就是弹流润滑（EHL）的状态。对于更薄的液体膜（在低速度或高接触压力下），系统进入边界润滑状态，其中摩擦元件表面上的凸起之间会发生明显的相互作用。在这种情况下，液体的化学成分对化学形成的表面膜的性质和发生的磨损有重要影响。
其他降解机制，如化学反应和疲劳，也会对移动接触表面的材料总体损耗产生重大影响。测试环境通常会通过测试材料的化学反应发生相互作用。在磨损腐蚀过程中，摩擦接触体暴露在水介质中，材料的腐蚀与机械过程共同作用，改变了摩擦学元素材料损失。
在大多数情况下，存在正协同作用，因此质量损失大于纯腐蚀或纯磨损单独造成的损失之和。特殊情况下，在负协同作用中，腐蚀会在表面形成一层机械强度更高的层，起到保护表面的作用，从而降低总磨损率。材料的摩擦化学反应也可能发生；例如，陶瓷可与水蒸气反应形成氢氧化物，从而减少摩擦并保护磨损表面。
当金属被加热时，无论是通过温度的整体升高还是摩擦加热，都会发生可观的氧化。起初，这可能会减少磨损，如钢的轻度磨损，但随着温度的进一步升高，弱氧化物的生成可能会增加，以至于磨损率再次增加 。
在许多摩擦学系统中，接触材料的表面会受到交变应力的作用。这些应力可能大到足以在材料中产生和增长疲劳裂纹，从而导致其他磨损过程造成的材料损耗。滚动接触疲劳是某些材料应用中的重要退化机制，本文不讨论。
在制定摩擦学试验计划时，需要根据工程应用的相关性或基础研究的目的，来选择合适的试验条件。在材料开发过程中，可以选择一系列条件来模拟材料实际使用过程中可能遇到的情况。
在试验过程中，需要控制许多因素。这些因素可以分为机械因素（如接触载荷或压力、速度、运动方式和环境条件）和材料因素（如成分、微观结构和初始表面粗糙度）。如果要对所有因素的所有组合进行完整的试验，既耗时又耗钱，而且可能没有必要。通常可以确定一个因素是影响材料反应的"关键"，在这种情况下，可以将其他因素设定为恒定值，并在一系列试验中逐步改变所选因素。这种方法称为参数研究。也可以使用更复杂的统计和实验设计方法，但要注意在设计实验时要考虑到摩擦磨损试验结果中通常存在的变异性。
制图技术可以用于同时改变两个（或多个）因素（通常比参数研究更粗略），并将摩擦和磨损结果绘制成单个点或等值线。然后根据不同的机理划分图上的区域，区域边界可以通过微观观察确定磨损机理，或通过测量瞬时磨损率确定。摩擦和磨损行为的变化表现为磨损率或摩擦系数的突变。制图技术是确定材料整体行为的一种有效方法，因为它能以系统和受控的方式提供有关磨损行为转变位置的信息。但是，在使用制图技术更好地定义了所关注的体系之后，就可以进行更详细的参数研究。
本节将介绍一些常用的摩擦学试验方法，这些方法在许多情况下已经标准化，特别是通过美国材料与试验协会（ASTM）标准化。由于篇幅有限，这里只能做简要介绍。下表列出了主要测试参数、可进行的测量以及与各类测试相关的标准。
| 测试类型 | 测试参数 | 测量 | 标准 |
|---|---|---|---|
| 滑动运动 | 接触载荷、速度、运动方式、环境条件 | 摩擦系数、磨损率、磨损机理 | ASTM G 99 |
| --- | --- | --- | --- |
| 滚动运动 | 接触载荷、速度、滑动量、环境条件 | 摩擦系数、磨损率、磨损机理 | ASTM D 2266 |
| 磨粒磨损 | 接触载荷、速度、运动方式、环境条件、磨粒类型和尺寸 | 磨损率、磨损机理 | ASTM G 65 |
| 固体颗粒侵蚀 | 接触载荷、速度、撞击角度、环境条件、颗粒类型和尺寸 | 侵蚀率、侵蚀机理 | ASTM G 76 |
滑动运动的摩擦磨损试验的特点是两个试样在摩擦接触中保持连续接触。有两种不同的试验方式。
在许多试验中，相对运动的幅度足够大（通常大于300 μm），因此至少有一个试样上的所有接触点在测试期间的某些时刻是分离的。这与咬合状态不同，在咬合状态下，两个试样上至少有一部分接触区域始终保持接触。在咬合试验中，磨损碎屑被困在两个试样之间的界面上，导致与较大幅度运动的试验不同的行为，在较大幅度运动的试验中，磨损碎屑更容易从接触区域流失。
涉及滑动运动的常见摩擦学试验几何形状如图6所示。最常用的是销盘和往复运动几何形状，但销盘试验通常不适合连续旋转运动，因为许多应用涉及往复运动。这种差异非常重要，因为它会影响磨损界面的残留物和表面的应力历史。微动试验总是采用往复运动几何形状进行；在仪器设计中需要特别注意，因为试验系统的弹性变形可能与所需的试样运动相当，导致控制和测量试样位移困难。
图6 用于涉及滑动运动的摩擦学试验的试验几何示例
有时候会使用球体代替销，在某些情况下也会使用块体（具有较大的接触面积）。需要仔细考虑共形或非共形接触几何形状以及摩擦产生的热量等因素。
摩擦接触通常涉及滚动运动。合适的试验几何形状如图7所示。如果应用与轴承滚道有关，那么可以在部件本身上相对容易地进行实验室测试。这显然适用于滚动轴承应用，但测试几何形状的复杂性意味着它不适合于其他滚动应用。
图7 用于涉及滑动运动的摩擦学试验的试验几何示例
要从根本上了解发生的摩擦和磨损过程十分困难。多年来，四球试验一直被广泛用于测试，特别是在这种几何形状的试验中，测试接触点因摩擦和咬合等机制而失效的最大载荷和速度。然而，这种试验的结果（可能涉及很高的接触压力和摩擦功率损耗）并不容易推广到实际应用中，而且这种方法还缺乏对试验过程中球体的具体运动的控制。
另一方面，在双辊测试中，辊子的运动是受控的，可以调节辊子之间的相对滑动量和轧制速度。辊子的圆柱形边缘有时横截面是平的，但通常也有冠状的。
在磨粒磨损试验中，试样被压在一个旋转的轮子上，轮子上不断有游离的磨粒颗粒。这些试验中的一个重要参数是轮子或其他支撑体的硬度。试验也可以在干燥或不同类型的液体中进行，以模拟存在腐蚀性介质的情况。有些使用旋转轮的试验需要在单次试验中重复使用磨粒（ASTM B 611），而在其他试验中，磨粒会连续通过磨损界面，不会重复使用（如干砂橡胶轮磨损试验，ASTM G 65）。
微尺度磨粒磨损试验是近年来备受关注的一种试验方法，在这种试验中，一个球在有磨粒存在的情况下对着一个平面样品旋转。这种试验特别适用于测定涂层的磨损率。
图8 涉及磨损的试验几何示例
固体颗粒侵蚀试验主要分为两类，一类是颗粒在气体（通常是空气）中撞击试样，另一类是颗粒在液体中移动，通常称为浆液侵蚀。示例见图9。
图 9a-c 涉及固体颗粒侵蚀的试验示例：(a) 气体爆破试验；( b) 离心加速器；(c) 流体喷射钻机
在离心加速器中，侵蚀颗粒沿着转子中的径向管加速，使侵蚀颗粒流与转子外围成一定角度（取决于详细设计），撞击位于转子周围环形区域的一个或多个样品。这种测试的优点是可以同时测试多个不同的样品，但缺点是颗粒撞击样品的角度通常存在一定的不确定性，而且只有送入仪器的部分颗粒能真正撞击样品。某些离心加速器的设计会使颗粒产生明显的旋转，这可能会影响所产生的侵蚀率。在气流喷射试验中，压缩气流（通常为空气）使侵蚀颗粒沿喷嘴加速冲向样品，样品与气流成一定角度。在这种情况下，一次只能测试一个样品。
在浆液侵蚀测试中，可以使用泵使液体流经喷嘴。侵蚀颗粒通过文丘里管系统或悬浮在侵蚀浆液中被吸入喷射器。产生的浆液射流以可控角度对准测试样品。
在所有侵蚀试验中，颗粒撞击速度和侵蚀流对样品的撞击角度都是最重要的变量。
划痕试验最初是用来评价涂层的附着力的。在划痕试验中，一个形状已知的压头在恒定或递增的法向载荷下，与试样相对移动。同时测量阻碍运动的切向力（通常称为摩擦力）和试样发出的声发射信号。当脆性涂层开裂或从基体剥离时，声发射信号通常会急剧增加。
当划痕试验发展起来时，典型的工程涂层的附着力相当差，划痕试验能够提供代表涂层附着力的合理结果。现代涂层的附着力更强，虽然划痕试验仍然是一种非常有价值的涂层测试方法，但结果更难解释，它反映了涂层-基体复合系统对压头运动的复杂响应。
在磨损测试的背景下，划痕试验可以作为一种模拟磨粒磨损的试验；材料对压头划过的反应被视为与硬凸起或磨粒颗粒的反应相类似。可以测量参数如摩擦力和划痕宽度。可以在同一位置或相交位置进行多次划痕，以扩展模型范围。
如1.1节所述，摩擦力的测量就是要测量摩擦力本身。对于一个旋转的部件，有时也需要定义摩擦力矩，它的测量需要结合力和长度的测量。
一个摩擦力测量系统由一个或多个载荷传感器和相应的仪器组成，它们安装在摩擦副之一和摩擦仪的基架之间。一个实用的载荷传感器通常由几个传感器串联而成。例如，作用力会使一个金属梁弯曲，弯曲会改变粘贴在梁表面的应变片的电阻值，而电阻值的变化与作用力成正比。
对于许多类型的载荷测量系统，通常用"载荷元件"来代替"载荷传感器"。 大多数载荷传感器采用某种类型的弹性构件或构件组合。作用力施加到弹性构件上会使其偏转，这种偏转会被第二级传感器检测并转换为输出。输出可以是电信号（如来自应变片或LVDT，即线性变差变压器），或机械指示（如在校准环和弹簧秤中）。然而，最常见的方法是检测纵向和横向应变，当使用应变片时，传感器被称为"应变片式载荷元件"。
应变片式载荷元件是基于一个弹性体，其上粘贴有若干个电阻应变片。弹性体的几何形状和弹性模量决定了由待测力产生的应变场的大小和分布。每个应变片响应于其所在位置的局部应变，并且从这些单个应变测量中确定力的测量值。每个弹性体都设计为测量沿特定方向作用的力，并且不受其他分量（如侧向力）的影响。弹性体所用的材料通常是工具钢、不锈钢、铝或铍铜。材料应该在工作范围内表现出应力（与施加的力成比例）和应变（输出）之间的线性关系，具有低滞回和蠕变。另一个要求是在力循环之间具有高重复性，没有疲劳效应。
应变片所用的材料最常见的是铜镍、镍铬、镍铬钼和铂钨合金。箔式应变片是最广泛使用的类型，因为它具有明显的优势，并且在大多数精密载荷元件中使用。箔式应变片由一层金属箔图案支撑在一层绝缘胶基上，绝缘胶基可以是环氧树脂、聚酰亚胺和玻璃增强的环氧酚醛树脂。它是通过将一层薄的轧制金属箔，厚度为2-5μm，粘贴在一层胶基上，厚度为10-30μm，来制造的。测量网格图案包括端子片是通过光刻法制作的，这个过程类似于印刷电路板的制作。
半导体应变片是由n型或p型硅制成的。半导体应变片的输出大约是金属箔应变片的40到50倍。虽然输出与应变之间不是线性关系，但它们基本上没有蠕变或滞回，并且具有极长的疲劳寿命。由于它们对温度非常敏感，需要仔细匹配应变片并进行高水平的温度补偿。
薄膜应变片是通过溅射或蒸发在弹性体上形成金属薄膜而制成的。线式应变片主要用于高温传感器。线式应变片的直径通常为20到30μm，用陶瓷材料粘贴在弹性体上。
应变片式载荷元件的额定容量范围从0.1 N到50 MN，典型的总不确定度为满量程的0.02%到1%。容量范围取决于应变片的类型，薄膜应变片具有最高的灵敏度（通常为0.1 N到100 N），其次是半导体应变片（1 N到10 kN），再次是箔式应变片（5 N到50 MN）。
载荷元件的响应可以通过使用一个或多个与纵向应变相一致的应变片和另一组与相反符号的纵向应变或横向应变相一致的应变片来最大化。当电连接成惠斯通电桥时，这还有一个优点，就是可以最小化对所有应变片都起作用的温度效应。电阻值的变化通过测量电桥两端的差分电压来检测（参见图10）。
图 10应变片连接到全桥电路的示例
载荷元件构成了测量链的一部分，需要提供交流或直流激励电压，并对输出信号进行放大和调节，才能使用。整个链都必须纳入校准程序中。
另一种常用的力测量传感器是基于某些晶体材料表现出的压电现象，即在晶体内产生一个与施加的应力成比例的电场。为了使用这种装置，需要一个电荷放大器来提供一个与施加力成比例并且足够大以便测量的输出电压信号。
压电晶体传感器与其他传感技术不同之处在于它们是主动传感元件。传感器不需要电源（尽管放大器需要），而且产生信号所需的机械形变非常小，这使得传感器很刚性，并且在测量系统中具有高频响应而不引入力测量路径的几何变化。为了能够测量拉伸和压缩，压电力传感器通常由一个螺栓预紧。 典型的压电式传感器在10 kN的力下只偏转0.001 mm。由于刚度高，高频响应通常可达100 kHz，使得压电式传感器非常适合动态测量。压电式传感器的额定容量范围从几牛顿到100 MN，典型的总不确定度为满量程的0.3%到1%。虽然压电式传感器非常适合动态测量，但它们不能进行真正的静态测量，因为在电荷放大器中存在一定的电荷泄漏，这会导致即使在恒定施加力的情况下，输出电压也会漂移。
压电式传感器由于其体积小、测量范围宽、结构坚固、抗过载能力强（通常超过满量程的100%）等特点，适用于实验室和工业现场的测量。它们可以在较宽的温度范围内（高达350℃）工作，并且可以组合成多分量传感器（测力计），以测量两个或三个正交方向上的力。
有一些有趣但不太常用的力测量传感器，例如"振动丝传感器"和"陀螺传感器"。前者利用一根拉紧的铁磁丝，使其在横向振动中产生共振。共振频率是丝的张力的衡量，因此也是施加在丝上的力的衡量。它的优点是直接输出频率信号，可以由数字电路处理，省去了模拟-数字转换的需要。
陀螺仪称重传感器利用安装在万向节或框架系统中的陀螺仪的受力敏感性。待测力施加到下部转动轴上，会在内部框架上产生一个力矩，使万向节发生进动。外部万向节完成一圈所需的时间就是施加力的衡量。陀螺仪式载荷元件本质上是一个快速响应的数字传感器，天然不受滞回和漂移的影响。
对于应变片式载荷元件，整个力测量链的输出信号取决于应变片粘贴在其上的弹性体的机械性能，以及用于将应变片（由于弹性体受到弯曲力而引起）的电阻变化转换为与力成比例的可记录电信号的电子电路。其他类型的载荷元件也有类似的考虑。弹性体的设计决定了载荷元件的共振频率。如果待测力的动态特性激发了这个自然频率，那么输出信号就不再与施加力成比例。 图11显示了用高采样率记录的应变片式载荷元件的输出信号；摩擦力是由一对在400℃下以1 m/s滑动的二氧化钛试样产生的。交流信号中占主导地位的分量发生在载荷元件的自然共振频率处，由于摩擦副之间摩擦引起了振动。从这样一个信号中得出摩擦力显然会导致误差。如果采样率太低或者使用具有长时间常数、对快速信号变化进行积分的电子电路时，这种效应仍然会发生，但不会明显。用模拟图表记录仪记录载荷元件的输出通常会滤除这种快速信号变化，并将其积分。
图 11 以高时间分辨率记录的称重传感器摩擦力信号，显示共振频率超强的振动施加在变化较慢的摩擦力上
另一个动态摩擦信号的例子如图12所示。摩擦信号是用压电式传感器测量的，对于一个氮化硅副的一个滑动周期，两个半周期的变化程度不同，表明在这些试验条件下，滑动副倾向于粘滑运动。行为的差异是由于两个方向上构件刚度的差异造成的。对于这样一个系统，不可能定义一个定量的摩擦水平，因为测量信号主要受到弹性传感元件振动的影响，因此与摩擦力不成比例。这种结果只能推断出粘滑运动的倾向。
图 12 氮化硅对偶在往复滑动中一个滑动周期的摩擦力信号，显示了由于系统在两个滑动方向的刚度不同而产生的不对称行为 （r.h. = 相对湿度）
没有校准，就没有可靠的力测量。进行力校准的仪器叫做"力标准机"。一级力标准机可以通过物理原理直接把不确定度追溯到基本单位（质量、长度和时间）。二级力标准机可以通过使用一个已经校准过的力传递标准与一级力标准机进行比较，而力传递标准通常是一个应变片式载荷元件。国际标准ISO 376规定了传递标准的校准和分类方法。
表2列出了一些用于校准沿单一确定轴作用的静态力的力标准机的类型。多分量力传感器的校准原理与之相同，但还要考虑不同轴之间的串扰。动态力的测量要假设静态得到的力传感器灵敏度仍然适用，但也要注意载荷元件的固有频率。力传感器可以在其永久安装位置使用传递标准进行校准，也可以在安装前或需要进一步校准时拆卸。
对于非常小的力，如原子力显微镜（AFM）测量的，需要特殊的校准程序。AFM可以用来测量nN量级的摩擦力。这种力测量机器的校准方法也是利用已知质量在重力作用下产生的力，但最低可达到的不确定度比宏观力要大得多。AFM在被检测表面上扫描一个探针尖端。它像一个恒定接触力的针式轮廓仪，通过使用压电元件（图13）控制携带探针尖端的悬臂梁的弯曲来维持恒定接触力。悬臂梁的弯曲由一个分段光电二极管感测，它测量从悬臂梁背面反射的激光光强。在扫描表面过程中，调整压电驱动电压，使得分段之间（1+2）和（3+4）产生的光电流差保持恒定。恒定光电流意味着恒定梁偏转，相当于恒定力。因此，保持光电流恒定所需的压电电压就是探针尖端当前位置处的地形高度。AFM的高度分辨率可以达到原子尺度。如果扫描方向垂直于悬臂梁的轴线，悬臂梁的扭转就可以反映探针尖端和样品之间的摩擦力。扭转是通过分段（1+3）和（2+4）之间的光电流差测量的。悬臂梁的相关弹簧常数（弯曲和扭转）的校准并不是一个简单的过程。
图 13 利用原子力显微镜测量摩擦力的原理
摩擦镜（triboscopy）是一种能够监测由接触尺寸限制的时间依赖的局部现象演化的技术。利用这种技术，可以通过同时记录空间分辨的电接触电阻和摩擦测量，得到摩擦力的互补图像。这种技术可以揭示摩擦和磨损过程的历史信息。测量电接触电阻时，必须注意保持电感测电流很低，否则可能会影响磨损过程。
在大多数情况下，仅仅给出一个摩擦系数是不够的。从图12和图14中的例子可以看出，它们描述了单次实验过程中摩擦的变化。至少，应该指定所有相关的试验和系统参数。表1提供了一个通用的指导，表3和表4提供了更具体的参数列表。
图14 在线测量氧化铝陶瓷球在氧化铝圆盘上连续滑动时的线性磨损（球相对于圆盘的总位移）和摩擦力的示例
表3涉及滑动运动的摩擦学试验
表4 涉及滚动运动的摩擦学试验
磨损量可以用直接量或间接量来表示。
间接量通常用于机械寿命的技术评估和实际工程中。例如：
磨损限制寿命（例如用于切削刀具：h, d, 零件数）
磨损限制吞吐量（例如用于磨料物料或物体在管道中流动：零件数, m3, kg）
直接磨损量指定了磨损体表面物质的质量、几何尺寸或体积的变化。例如：
磨损量：
质量损失（kg）
线性尺寸变化（m）
体积损失（m3）
磨损抗力 = 1/(磨损量) (m−1, m−3, kg−1)
磨损速率=(磨损量)/(滑动距离或时间) (m/m, m3/m, kg/m, m/s, m3/s, kg/s)
磨损系数，或比（或归一化）磨损速率（有时也称为磨损因子）= (磨损速率)/(正压力) (m3 N−1m−1)。
这些量通常是由质量损失、尺寸变化或体体积损失等主要测量结果推导出来的，但也可以使用其他方法。
这种磨损量化方法的灵敏度相对较低。它只适用于磨损率较高的情况，即在测试时间足够的情况下，测试样品（重量不超过0.5 kg）的质量损失至少达到1 mg左右。对于那些由于其他原因（如某些聚合物的吸水或失水，或高温下金属的氧化）而导致质量变化显著的材料，必须特别注意确保测量到的质量变化确实与摩擦学过程有关，而不是由于其他现象造成的。使用一些不受磨损但在其他方面与摩擦元件相同条件下暴露的对照样品，可能有助于消除这些影响，并纠正天平校准的长期漂移。
称量的准确性可能受到天平的准确性或灵敏度（尤其是在重量较大的摩擦元件的情况下）、两次称量之间湿度的变化或颗粒或碎屑的附着或脱落等因素的限制。材料迁移和磨损过程中的氧化常常使测量到的质量值难以解释，并有时会导致对磨损行为的错误解释。 有时会用体积损失率来表示磨损，为了将质量损失转换为体积损失，必须知道被磨损材料的密度。对于均质的体材料，这通常不会造成问题，但如果是从涂层或经过表面处理的层中发生磨损，那么相关密度可能不太准确。
由于磨损引起的线性尺寸变化通常在摩擦试验期间在线连续测量。这比通过中断试验来进行测量有优势，因为这样可以获得关于试验期间磨损连续演变的信息，并通过检测线性磨损率的变化，了解主导磨损机制的变化。 在大多数情况下，测量两个摩擦元件之间安装夹具之间的距离的变化。这意味着只能得到两个元件线性磨损贡献之和。材料从一个摩擦元件转移到另一个摩擦元件可能导致误解。例如，在经常使用的球或针沿圆盘表面滑动的试验装置中，从圆盘转移到球上的材料会改变它们之间的距离。根据圆盘上磨损或磨损与转移之比，测量到的距离可以减小、消除或增加。最后一种情况可能发生在从圆盘上较大磨损区域上被磨掉的大部分材料转移到球或针上较小磨损区域的情况下。图14显示了这种行为的一个例子，对于氧化铝球在氧化铝圆盘上滑动。在大约3500 s的滑动过程中，样品间距离稳定增加，系统似乎表现出"负"磨损。这是因为磨损碎屑在接触区域内积累。然后，磨损碎屑的团聚颗粒突然脱落，导致负的总位移，随后又有更多的碎屑积累。摩擦力也发生变化，这与表面相互作用的性质发生变化有关。
在某些情况下，一个或两个摩擦元件的磨损会导致接触局部几何形状发生显著变化。图15显示了这种行为的一个例子。随着钢球上的磨损，接触面积逐渐增大，而以两个摩擦元件之间距离变化为依据的磨损率随时间迅速下降，尽管与之相关的体积磨损率变化较小。在这个实验中，摩擦力也发生了很大的变化。
图15 在线测量金刚石涂层圆盘上往复运动钢球的线性磨损（钢球相对于圆盘的总位移 W1）和摩擦力 ( f ) 的示例
对于在线测量线性尺寸或位移变化的方法，常用的有电感式或电容式传感器。电感式传感器可以达到1μm的分辨率，电容式传感器可以达到纳米级的分辨率。这两种类型的传感器及其相关的电子电路都存在一定的温度漂移和有限的带宽（在该带宽内能够满足重复性、分辨率和准确性的规范）。然而，在大多数情况下，由于试样、夹具和仪器机械结构中温度变化引起的尺寸变化比传感器系统本身造成的测量误差更大。电容式位移传感器需要相对清洁的环境：测量间隙中的灰尘、水、油或其他介质会影响测量信号。电感式传感器系统通常更便宜，也更不受环境影响。
在摩擦磨损试验中，如果已知材料的密度，可以根据质量损失来计算体积损失。但是，正如5.2节所述，密度可能存在不确定性，特别是对于涂层或表面处理过的试样。原则上，也可以根据尺寸变化来计算体积损失。在许多情况下，这种方法比测试前后称量试样更准确。
对于球-盘、销-盘或块-环等几何形状的试验，当磨损只发生在两个摩擦元件之一时，这种情况尤其如此。例如，在球-平板配置的往复滑动试验中，可以推导出相对简单的方程来计算球的磨损体积Wv,b：
其中，总线性磨损为
因此，
如果磨损只发生在平板上（即球的磨损体积为零），则平板的磨损体积Wv,d为：
其中，平面磨损为
因此，
因为在往复滑动试验中，∆x远大于da。
其中，符号的定义如下：
Wv,b：球的磨损体积
Wv,d：平板的磨损体积
Wv,tot=Wv,b+ Wv,d：总磨损体积
dp：球上磨痕的直径，与滑动方向平行
da：球上磨痕的直径，与滑动方向垂直
Wq：平面磨损（板）
W1：总线性磨损
∆x：运动行程
R：球的半径
这个方程可以将体积磨损的变化与连续测量的线性磨损的变化联系起来。
通常情况下，两个摩擦元件都会发生磨损。在这种情况下，可以使用"混合规则"：
其中，ɑ和β分别描述了球和平板对磨损的贡献。
然而，在试验之前并不知道ɑ和β的值，并且它们可能在试验过程中发生变化。因此，在线从尺寸变化测量体积磨损通常不如离线从磨痕尺寸测量体积磨损准确。
使用划痕仪、激光轮廓仪或白光干涉仪测量体积磨损的方法在大多数情况下比在线测量尺寸变化的方法更准确。使用这些方法，可以测量试验前后的三维轮廓，并通过相减得到磨损体积。这种方法的前提条件是能够正确地对齐两个轮廓。对于在一个方向上延伸的磨痕（例如在线性往复或旋转的摩擦元件中形成的磨痕），可以沿着磨痕进行线扫描，并根据得到的二维横截面轮廓和磨痕长度计算磨损体积（图16）。然而，如果磨痕的深度不比表面粗糙度大得多，这种方法可能会导致较大的误差。
图16 6 通过测量平面上磨损痕的横截面，确定平面试样在球对平面几何形状滑动测试后的磨损量的示例。上图显示的是往复滑动产生的线性磨损痕的末端，下图显示的是轮廓仪在其代表性位置上的轨迹
在球-平板往复滑动试验中，如果通过划痕仪测量了磨痕的横截面积Wq，可以根据下式计算球的磨损体积Wv,b：
其中，R*是球的磨损区域的半径。这个值可以根据平板上磨痕的轮廓计算得到：
平板的磨损体积为：
在磨痕形状已知的情况下，例如在球形切削磨损试验中产生的磨痕（图17），也可以根据磨痕直径和球半径来计算磨损体积，其中球半径在试验过程中可以认为不变。磨痕直径可以用划痕仪或光学显微镜测量。
图17 在涂层试样上进行球压碎试验所产生的磨损疤痕示例（光学显微照片）；氮化钛涂层与钢基体之间的边界清晰可见。典型的磨损疤痕直径为 1-2 毫米
对于非常小的磨损量，可以用放射性核素（或放射性示踪剂）技术实时测量，例如在内燃机运行过程中。在开始磨损试验之前，一个或两个摩擦元件（如内燃机中的活塞环和缸套）表面的非常薄的层被加速器产生的重离子辐射激活。由于只有薄层被激活，所以只需要简单的辐射防护措施。在发动机运行过程中，来自激活摩擦元件的磨损颗粒是放射性的，并被输油系统带到滤清器上。一个靠近滤清器的γ-射线探测器测量辐射强度，如图18所示。这个强度随着试验时间的增加而增加，与磨损量成正比。如果两个摩擦元件（如活塞环和缸套）含有不同的合金元素，激活会产生这些元素的放射性同位素，它们发射具有不同特征能量的γ-射线。在这种情况下，可以分别在线测量每个摩擦元件的磨损量，而不仅仅是它们的总和。
图 18 用放射性核素测量法测定内燃机磨损的原理
在金属摩擦元件之间进行摩擦试验时，测量电接触电阻可以提供关于反应层（如氧化物）形成和消除的信息，其中一个接触伙伴需要绝缘。特殊的装置涉及到绝缘和嵌入试样中的导电线或传感器，可以用来检测磨损极限。
正如4节所述，在信号记录中使用的电子电路的滤波效应，以及数字信号记录中的采样率，可能会给动态摩擦力信号的测量引入误差。在传感器系统的共振频率下激发的振动可能会叠加在摩擦力信号上，导致测量到的摩擦力发生变化，而在没有传感器系统的情况下，这种变化是不存在的。这些振动也会影响系统的磨损速率。在摩擦力信号非常不稳定的情况下，必须谨慎地解释摩擦力测量结果；从这样的试验中推导出一个唯一的摩擦系数是有问题的。在电子记录系统中使用过低的带宽可能会掩盖摩擦力的动态特性，例如由粘滑行为导致的摩擦力。
试样制备过程中涉及到的操作，特别是试样清洁，可能对摩擦和摩擦元件的磨损有重大影响。表面加工和抛光通常涉及到使用切削液或润滑剂与试样接触，这些液体必须通过彻底的清洁程序去除。通常需要使用一系列合适的溶剂进行超声波清洗，才能获得足够干净的表面。
在外部载荷非常低的情况下进行摩擦测量时，必须考虑到"本征"粘附力，如范德华力或毛细力，在解释测量到的摩擦力时。
在摩擦试验过程中发生的材料转移也可能导致对结果的错误解释，无论是对于摩擦还是磨损。因此，分析磨损区域以检查发生了哪些过程是很重要的。图14所示的例子涉及到了磨损颗粒的转移、聚集和压实，这不仅影响了磨损速率，也影响了摩擦。
在摩擦试验中测量到的磨损速率通常与所用设备的机械设计高度相关，并且其适用性对于其他摩擦系统可能是可疑的。如果在不合适的试验时间后得到了试验结果，那么这些结果可能是具有误导性的。图19给出了一个钢/钢滑动副对的例子。如果在10万次循环后停止试验，那么从试验中推断出来的磨损速率对于干燥（7%相对湿度）和湿润（约100%相对湿度）条件都是相同的。只有更长时间的试验才能揭示出在这个系统中磨损速率实际上与周围大气中湿度强烈相关。大气湿度是一个经常不受控制的参数，尽管它已知会影响一些系统，特别是陶瓷的摩擦行为。图20显示了湿度对两种陶瓷摩擦行为的影响，对于"冬季"（低湿度）和"夏季"（高湿度）条件，结果非常不同。
图 19 在周围空气相对湿度不同的情况下，随着滑动循环次数的增加（往复运动），钢/钢耦合磨损量的变化示例
图20 案例：大气湿度对两种陶瓷材料摩擦学行为的强烈影响。在相对湿度为 5% 和 50% 的空气中，100Cr6 钢球在 SiC 和 Si3N4 盘上往复滑动时的具体磨损率和平均摩擦系数
在"冬季"条件下，钢/碳化硅副对的比磨损率比钢/氮化硅副对的高出十二倍多，而在"夏季"湿度较高的情况下，钢/碳化硅副对的比磨损率约为钢/氮化硅副对的十分之一。相比之下，摩擦系数的差异则很小。
在往复滑动试验中，滑动长度和每个循环的周期会影响磨损速率，如果与环境（例如氧气或水蒸气）发生反应的话。类似的效应也可能发生在旋转盘或环上的连续滑动中。对于这些类型的试验，磨痕表面暴露在大气中的时间，与另一个摩擦元件脱离接触的时间，取决于摩擦元件的详细几何形状和相对运动的运动学。
从摩擦试验中推导出来的比磨损率k也需要谨慎解释。这个量被定义为磨损体积除以滑动距离和法向力。在较高法向力下的比磨损率因此可能低于较低法向力下的比磨损率，尽管总磨损量是相同的或更高的。这可能发生在一个系统可以承受一定极限的载荷而不改变损伤或磨损速率的情况下。
加速摩擦试验，通过增加载荷（或压力）或速度，例如为了估计部件寿命，有可能遇到磨损机理的转变，从一个相对低磨损到一个高磨损的状态。基于这样一个加速试验来预测系统的磨损行为可能会导致一个甚至两个数量级的误差。通过"磨损制图"可以提供更可靠的信息。
摩擦和磨损结果变化的一个原因是试样的不均匀性。材料性能可能在试样上不同位置有所变化，而涉及到较大区域的摩擦元件的试验通常比只涉及到较小区域的试验更具有重复性。例如，微动试验通常比涉及到连续滑动的试验显示出更低的重复性，因为在球-平板微动试验中，具有非常小幅度运动，在材料上靠近一个缺陷或者在一个基本无缺陷区域上可能会有不同的结果。然而，在连续滑动试验中，材料的反应往往会在更大区域内平均化。
磨损表面和磨损颗粒的观察可能有以下几个目的：
研究实验过程中或实际应用中部件寿命期间的磨损演变；
比较实验室试验产生的特征与实际应用中观察到的特征；
识别磨损机理；
-（通过研究颗粒）识别实际应用中颗粒的来源。
用于表面观察的试样在清洁度上可能有很大差异。一种极端情况是在非常干净的实验室条件下制备和测试的试样，甚至可能在超高真空下，另一种极端情况是从在肮脏条件下运行的重型机械上回收的试样。在真空条件下或在受控气氛下进行摩擦试验后，试样可以直接通过一个传输口移动到一个真空室中进行仪器检测（例如用扫描电子显微镜或下面6.2节描述的各种表面分析技术），而不暴露在空气中。在一些实验中，摩擦试验可以在一个真空系统内进行，以便在实验过程中或实验结束后立即进行成像和表面分析。
然而，大多数摩擦试验（以及大多数材料的摩擦应用）都发生在空气中，大气中氧气和有时湿度的存在通常在磨损过程中起着重要作用。进一步暴露试样于干燥空气中可能对表面膜影响不大，尽管应该避免钢试样发生任何显著的腐蚀，比如将它们放在干燥器中。
在外部载荷非常低的情况下进行摩擦测量时，必须考虑到"本征"粘附力，如范德华力或毛细力，在解释测量到的摩擦力时。
在摩擦试验过程中发生的材料转移也可能导致对结果的错误解释，无论是对于摩擦还是磨损。因此，分析磨损区域以检查发生了哪些过程是很重要的。图14所示的例子涉及到了磨损颗粒的转移、聚集和压实，这不仅影响了磨损速率，也影响了摩擦。
用于表面观察的试样在清洁度上可能有很大差异。一种极端情况是在非常干净的实验室条件下制备和测试的试样，甚至可能在超高真空下，另一种极端情况是从在肮脏条件下运行的重型机械上回收的试样。这些特征带来了特殊的挑战，因为一方面它们可能会遮盖或混淆磨损表面的观察，但另一方面，如在磨损颗粒的情况下，它们可能会提供有关磨损过程的额外信息。虽然每种情况可能会带来个别问题，但是可以提供一些通用的指导原则。试样应该在试验设备或机器停止后尽快取出，以避免可能发生的额外腐蚀，这可能是由于系统在高温运行后冷却到露点以下而导致水分凝结所致。有机润滑剂可以用有机溶剂去除，而视觉和低倍率光学检查应该能够显示任何明显的固体杂质。腐蚀产物可能不容易与磨损颗粒区分开来，而且在许多情况下，磨损颗粒实际上是基体材料与环境发生化学反应的结果；但是任何局限在磨损区域内外的颗粒更有可能是由于磨损过程产生的，而不是分布在试样上更广泛区域内的材料，后者可能是一般腐蚀的产物。在准备表面时，必须在去除多少颗粒以便观察材料表面之间找到一个平衡点。用乙醇、异丙醇或丙酮等溶剂在温和的超声波浴中清洗，并用热风干燥，应该能够得到一个足够干净的表面进行显微观察，但这样的过程可能会去除颗粒，而这些颗粒可以提供有关磨损机理的宝贵信息。有时可以通过仔细地过滤溶剂来回收这些颗粒，并在过滤器上观察颗粒，或者进一步对其进行分类，例如通过铁谱法。
复制涉及到通过将复制介质铸造或模压在表面上，并然后移除它来保存试样表面形貌。仔细地实验技术和使用合适的复制介质可以得到优异的结果，并且能够在亚微米级别上再现表面特征。复制可以使诸如扫描电子显微镜和下面6.2节描述的各种表面分析技术应用于现场中大型摩擦接触区域，从这些区域中无法切割出常规样品，或者难以进入。它还可以在磨损试验期间以一定的时间间隔对同一试样的同一区域进行一系列记录，显示表面特征的演变，因为它是一种非破坏性技术。在试验过程中建立一个同一区域的复制"库"，可以让研究者在试验序列结束后详细地研究那些只有在最后才被认为是特别感兴趣的特征的演变。
对照实验可以提供保证，证明在试样上观察到的现象不是由于试样制备方法引入的人为因素所致。
有时候，只看样品表面是不够的，还要研究靠近表面的亚表面材料，才能了解磨损机制。亚表面区域的表面硬度也可以用微观或纳米压痕法测量。
样品横截面可以用金相或陶瓷学技术制备，然后用显微镜观察。但是，在摩擦学中，我们关注的区域都在表面或者非常接近表面，所以要特别注意保护这些区域，不要在制备过程中损坏它们。保护表面的方法有：在金属样品上涂金属涂层（比如电镀镍），或者在切割样品前用含硬填料（比如碳或玻璃纤维或陶瓷颗粒）的硬嵌入树脂包裹样品。然后把样品垂直于磨损表面切割，打磨和抛光。保护材料和样品本身要有相近的打磨和抛光速率，这样才能得到平整的横截面表面。陶瓷材料很难用这种方法保护，但可以把两个同样的陶瓷样品夹在一起，让磨损表面相互接触，然后把这个复合样品嵌入和切割，这样就能保护边缘。
锥形切割也是一种研究近表面微结构的方法，它可以减少抛光时在靠近表面产生的伪影。这种方法是沿着与表面成一定角度的方向切割和抛光一个截面。比如，在一个与表面成5.7◦角度切割的截面上，距离样品边缘10μm就相当于从表面以下1μm（因为tan (5.7◦) ≈ 0.1）。
聚焦离子束（FIB）铣削是一种强大的技术，它可以垂直于磨损表面切割样品，然后用扫描电子显微镜（SEM）观察近表面区域，或者作为制备透射电子显微镜（TEM）样品的第一步。它可以在很小的尺度上进行，并且可以在铣削前用SEM仔细选择区域，这样就可以研究与特定表面区域相关的亚表面特征。
我们通常会对磨损表面进行成像，来评价它们的表面形貌，并了解磨损机理。但有时候，光靠成像是不够的，还要知道近表面材料的局部化学成分和微结构，以及亚表面缺陷，如裂纹或孔隙。所以我们需要用一系列技术来研究摩擦学表面和亚表面区域。这些技术提供的信息、准确性和尺度（横向和纵向）都不一样。
表5列出了一些常用的技术和它们的特点。这些技术包括成像技术和微观分析方法。分辨率和灵敏度的数值只是相对性能的近似，它们之间通常有权衡。
扫描电子显微镜（SEM）是一种常用的检查摩擦副表面的技术。它可以根据不同的成像模式，显示表面的几何和化学信息。比如，次级电子检测能反映表面形貌，背散射电子能反映平均原子序数。立体成像是一种特殊的技术，它需要拍摄同一区域两个小角度倾斜的图像，然后通过软件处理，得到定性的三维信息或定量的表面形貌参数。这种方法是对传统的表面粗糙度测量方法的补充，传统方法是用针尖或光学手段测量表面高度。原子力显微镜（AFM）能探测最细微的表面形貌特征。
低真空和环境扫描电子显微镜（ESEM）对于受污染和导电性较差的样品很有用。它们是摩擦学调查中常见的样品。离子沟道对比（ICC）是聚焦离子束（FIB）显微镜中的一种技术，它能显示相组成和变形程度。FIB还能切割样品表面下的断面，进行显微观察。
表5 表面分析测试技术对比
磨损碎屑的检查有特殊的问题，首先要获得有代表性的样本。润滑系统中可以用铁谱法分离和分级磁性碎屑。铁谱法是让含有磨损碎屑的悬浮液在磁场梯度中流动，颗粒会按大小分离和分布。然后可以用光学或扫描电子显微镜检查颗粒，进行化学分析，并表征其大小和形状。光学方法（如激光光散射）常用于测定颗粒大小分布。有些自动化系统可以评估和描述磨损碎屑中的颗粒形状，并与磨损机制相关联。显微镜和微区分析方法也适用于磨损碎屑和摩擦副表面。
扫描电子显微镜（SEM）是一种常用的检查摩擦副表面的技术。它可以根据不同的成像模式，显示表面的几何和化学信息。比如，次级电子检测能反映表面形貌，背散射电子能反映平均原子序数。立体成像是一种特殊的技术，它需要拍摄同一区域两个小角度倾斜的图像，然后通过软件处理，得到定性的三维信息或定量的表面形貌参数。这种方法是对传统的表面粗糙度测量方法的补充，传统方法是用针尖或光学手段测量表面高度。原子力显微镜（AFM）能探测最细微的表面形貌特征。
低真空和环境扫描电子显微镜（ESEM）对于受污染和导电性较差的样品很有用。它们是摩擦学调查中常见的样品。离子沟道对比（ICC）是聚焦离子束（FIB）显微镜中的一种技术，它能显示相组成和变形程度。FIB还能切割样品表面下的断面，进行显微观察。
磨损碎屑的检查有特殊的问题，首先要获得有代表性的样本。润滑系统中可以用铁谱法分离和分级磁性碎屑。铁谱法是让含有磨损碎屑的悬浮液在磁场梯度中流动，颗粒会按大小分离和分布。然后可以用光学或扫描电子显微镜检查颗粒，进行化学分析，并表征其大小和形状。光学方法（如激光光散射）常用于测定颗粒大小分布。有些自动化系统可以评估和描述磨损碎屑中的颗粒形状，并与磨损机制相关联。显微镜和微区分析方法也适用于磨损碎屑和摩擦副表面。
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