摩擦磨損測試及考核評價方式

1、摩擦磨損測試及考核評價方式一、磨損1.1磨損定義磨損是指摩擦副相對運(yùn)動時，表面物質(zhì)不斷損失或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象。表面物質(zhì)運(yùn)動主要包括機(jī)械運(yùn)動、化學(xué)作用和熱作用：(1)機(jī)械作用使摩擦表面發(fā)生物質(zhì)損失及摩擦表面的物理變形；（2）化學(xué)作用使摩擦表面發(fā)生性狀改變；熱作用是摩擦表面發(fā)生形狀改變。典型的磨損曲線通常由三部分組成，如圖1.1所示。磨損量時間 圖1.1 磨損曲線示意圖磨合階段：磨損量隨時間的增加而增加。發(fā)生在初始運(yùn)動階段，由于表面存在粗糙度，微凸體接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨損速度較快。穩(wěn)定磨損階段：摩擦表面磨合后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)磨損率保持不變。穩(wěn)定磨損階段標(biāo)志磨損條件保持相對穩(wěn)定，是零件整個壽命范

2、圍內(nèi)的工作過程。劇烈磨損階段：工作條件惡化，磨損量急劇增大。該階段內(nèi)零件精度降低、間隙增大，溫度升高，產(chǎn)生沖擊、振動和噪聲，最終導(dǎo)致零部件完全失效。1.2磨損種類 按磨損的破壞機(jī)理，通常把磨損分為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損五種。（1）粘著磨損當(dāng)摩擦副相對滑動時, 由于粘著效應(yīng)所形成結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損稱為粘著磨損。粘著磨損再細(xì)分還有輕微磨損、涂抹、擦傷、劃傷和咬死五種。圖1.1 粘著磨損機(jī)理（2）磨料磨損外來的硬料介質(zhì)進(jìn)入摩擦副，或摩擦副一個表面比另一個表面硬，在較硬表面上存在的微凸體，在摩擦過程中對較軟表面犁

3、溝或拉槽，引起表面材料的脫落，這種現(xiàn)象叫做磨料磨損。磨料磨損是一種最常見的磨損，按照磨損機(jī)理還可細(xì)分為微觀切削、擠壓剝落和疲勞破壞三小類。圖1.2 二體/三體磨粒磨損機(jī)理（3）化學(xué)磨損化學(xué)磨損是在摩擦促進(jìn)作用下，摩擦副的一方或雙方與中間物質(zhì)或環(huán)境介質(zhì)中的某些成分發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用，造成表面材料損失的過程。分為氧化磨損與特殊介質(zhì)腐蝕磨損兩類。圖1.3 化學(xué)磨損機(jī)理（4）疲勞磨損摩擦接觸表面在交變接觸壓應(yīng)力作用下，材料表面因疲勞損傷而引起表面脫落的現(xiàn)象。疲勞磨損有兩種基本類型，宏觀疲勞磨損和微觀疲勞磨損。宏觀疲勞磨損主要是指兩個相互滾動或滾動兼滑動的摩擦表面，在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力作用下，材料疲勞

4、而發(fā)生脫落的現(xiàn)象；微觀疲勞磨損是滑動接觸表面由于微凸體相互接觸使材料發(fā)生疲勞而引起的機(jī)械磨損現(xiàn)象。此外，疲勞磨損的破壞機(jī)理又分為麻點剝落、淺層剝落、深層剝落。圖1.4 疲勞磨損機(jī)理（5）沖蝕磨損流體或固體顆粒以一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行沖擊造成的磨損。圖1.5 沖蝕磨損機(jī)理（6）微動磨損由接觸表面之間小幅度的相對切向振動造成的磨損，稱為微動磨損。微動磨損是一種復(fù)合磨損，包括粘著磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。按照沃特豪斯理論，微動磨損可分為三個階段：a.表面產(chǎn)生凸起塑性變形，形成表面裂紋并擴(kuò)展；b.通過疲勞破壞和黏著點斷裂形成磨屑，隨后被氧化，陳給繼續(xù)作用的磨料；c.魔力磨損階段，加速第一階段的

5、磨損，表面不斷被氧化、磨去，如此循環(huán)。圖1.6 微動磨損機(jī)理二、磨損試驗2.1磨損試驗種類磨損試驗的目的是研究磨損現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)，分析磨損形式和磨損機(jī)理，并正確地評價各種因素對摩擦磨損性能的影響。目前經(jīng)常采用的試驗方法可歸納為下列三類：（1）實驗室試件試驗根據(jù)給定的工況條件，在通用的摩擦磨損試驗機(jī)上對試件進(jìn)行實驗。由于實驗中影響因素和工況參數(shù)容易控制，因而實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性較高；實驗周期短，實驗條件的變化范圍寬，可以在短時間內(nèi)進(jìn)行比較廣泛的實驗。但由于試件實驗的條件與實際工況不完全符合，因而實驗結(jié)果往往不十分可靠。因此，試件實驗主要用于各種類型磨損機(jī)理和影響因素的研究性實驗，以及摩擦副材料、工藝

6、和潤滑性能的評定性實驗。（2）模擬性臺架實驗在試件實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)所選定的參數(shù)設(shè)計實際的零件，并在模擬使用條件下進(jìn)行臺架試驗。由于臺架試驗的條件接近于實際工況，因此實驗結(jié)果的可靠性較實驗室試件實驗高。同時，通過對實驗條件的強(qiáng)化和嚴(yán)格控制，可以在較短的時間內(nèi)獲得系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行個別因素對磨損性能影響的研究。（3）實際使用實驗在上述兩種實驗的基礎(chǔ)上，對實際零件進(jìn)行使用實驗。這種實驗的真實性和可靠性最高，但實驗周期長、費用高，且實驗結(jié)果是各種影響因素的綜合表現(xiàn)，因而難以對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。實際使用實驗通常用于驗證試件實驗和臺架試驗的數(shù)據(jù)，以及作為對零部件摩擦磨損性能的最終考核。2.2常用

7、摩擦磨損試驗機(jī)摩擦磨損試驗機(jī)按摩擦副的接觸形式和運(yùn)動方式可分為：點、線、面接觸；滑動、滾動、滾滑、往復(fù)運(yùn)動。 圖2.1磨損試驗機(jī)的幾種典型形式2.2.1四球式試驗機(jī)由四球組成摩擦副（如圖2.2所示），上球卡在夾頭內(nèi)，下球組固定不動，上球與下球組相接觸。工作時，上球由主軸帶動旋轉(zhuǎn)，通過加載系統(tǒng)向下求組加載，主要用于評定潤滑劑的性能。圖2.2四球式試驗機(jī)原理2.2.2環(huán)塊式試驗機(jī)環(huán)塊式試驗機(jī)主動件一般是標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)圓環(huán)，被動建是被固定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸矩形試塊。通過測量不同載荷下被動試件上出現(xiàn)的條形磨痕寬度以及摩擦副材料間的摩擦力、摩擦系數(shù)，來評定潤滑劑的承載能力以及摩擦副材料的摩擦磨損性能。環(huán)塊式試驗機(jī)通常

8、用于線接觸摩擦副的摩擦磨損試驗。圖2.3環(huán)塊式試驗機(jī)原理圖2.2.3銷盤式試驗機(jī)試驗時，銷固定不動，盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過力傳感器采集試驗過程中摩擦力和載荷的變化、通過位移傳感器對試樣的總磨損進(jìn)行測量。銷盤式試驗機(jī)主要用于在滑動條件下評價材料的摩擦系數(shù)和磨損率，研究工況參數(shù)對材料摩擦性能和磨損機(jī)理的影響，是目前使用最廣泛的摩擦磨損試驗設(shè)備。圖2.4銷盤式試驗機(jī)原理圖三、摩擦磨損試驗考核評價摩擦磨損是一個受多方面因素綜合影響的過程，因此摩擦磨損試驗需要將多種因素綜合起來進(jìn)行評價。目前，摩擦磨損試驗中測量的參數(shù)主要有摩擦系數(shù)、摩擦力、磨損量和摩擦溫度，再結(jié)合磨屑及磨損表面形貌和組成，對材料的摩擦磨損性

9、能做出綜合評價。3.1摩擦磨損試驗中的參數(shù)測量3.1.1摩擦系數(shù)或摩擦力測量摩擦系數(shù)或摩擦力的測量有機(jī)械式和電測法兩種方法。機(jī)械式測量原理如圖3.1所示。圖3.1機(jī)械式摩擦力測量原理載荷W通過圓環(huán)1加載到圓環(huán)2上，圓環(huán)間的摩擦力會使下主軸形成一個力矩，使得與主軸相連的砝碼產(chǎn)生偏角，通過測量該偏角，計算得出圓環(huán)間摩擦力矩，最終換算出摩擦力和摩擦系數(shù)。電測法則是利用壓力傳感器將試樣與對磨塊間的摩擦力轉(zhuǎn)換成電信號并導(dǎo)出到測量和記錄儀上。3.1.2磨損量的測量磨損量主要通過磨下材料的質(zhì)量、體積或者磨去的厚度來表示。 （1）磨損失重磨損失重主要采取稱重法，稱量試件實驗前后的質(zhì)量變化來確定磨損量。這種方法

10、較為簡單，應(yīng)用廣泛。常用設(shè)備為精密分析天平，測量范圍0200g，精度為0.1mg。由于測量范圍限制，稱重法只能適用于小試件，且對于磨損失重較小的試樣或多孔材料的測量，誤差很大。除了直接測量試件重量變化外，也可以將潤滑油中所含的磨屑過濾或者沉淀分離出來進(jìn)行稱量的方法，同時還能對磨屑的組成進(jìn)行化學(xué)分析。（2）磨損體積a.放射性同位素法 將摩擦表面經(jīng)放射性同位素活化，使磨損過程中產(chǎn)生的磨屑具有放射性，通過定期檢測潤滑油中放射性強(qiáng)度來換算出磨損量隨時間的變化。放射性同位素法可準(zhǔn)確測量磨損面整體的磨損量，靈敏度可達(dá)10-710-8g，但無法對摩擦表面的磨損分布情況進(jìn)行分析。b.稱重 通過稱量磨損前后試件

11、質(zhì)量變化來換算磨損體積。（3）磨損厚度a.測長法 通過測量摩擦表面法向尺寸在試驗前后的變化來確定磨損量。常用測量儀器有千分尺、千分表、測長儀、測量顯微鏡等。為了便于測量，往往在摩擦表面做出測量基準(zhǔn)，然后按照測量基準(zhǔn)在量度摩擦表面的尺寸變化，目前常用的測量基準(zhǔn)有壓痕法和切槽法兩種。壓痕法：通過事先在試樣表面壓出壓痕，再根據(jù)磨損前后壓痕尺寸變化來計算試樣的磨損量。如磨損實驗前用維氏硬度計壓頭在試樣表面打出壓坑，如圖3.2所示，對比磨損前后對角線長度，則實驗中磨損的深度為h=(d2-d1)/m，考慮彈性變形影響，m數(shù)值應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修正。圖3.2 壓痕法計算磨損厚度原理圖切槽法 與壓痕法類似，用回轉(zhuǎn)刀具

12、刻出月牙形槽，切槽法排除了彈性變形回復(fù)和四周鼓起的影響。根據(jù)幾何關(guān)系，切槽寬度和磨損深度關(guān)系為：h=h0-h1=(1/r±1/R) (l02-l12)/8式中r刀刃回轉(zhuǎn)半徑； R試樣表面曲率半徑，平面時R為，凸面用+，凹面用-。圖3.3 切槽法計算磨損厚度原理圖壓痕法和切槽法只適用于磨損量不大而表面光滑的試件，由于這兩種方法都要局部破壞試件的表層，因此不能用于研究磨損過程中表面層的組織結(jié)構(gòu)變化。b.表面輪廓法當(dāng)磨損厚度不超過表面粗糙峰高度時，可以用表面輪廓儀直接測量磨損前后試件表面輪廓的變化并確定磨損量；當(dāng)磨損厚度超過表面粗糙度時，必須采用測量基準(zhǔn)的方法，如圖3.4所示。圖3.4 表

13、面輪廓法兩種測量基準(zhǔn) 圖3.4中a是利用未磨損表面作為基準(zhǔn)，b是事先在表面開設(shè)一楔形槽，根據(jù)磨損親后楔形槽寬B和b的數(shù)值計算磨損厚度h。3.2摩擦溫度摩擦?xí)r，接觸表面溫度高度和分布情況對摩擦磨損性能影響很大，因此在摩擦磨損試驗過程中經(jīng)常對摩擦表面的摩擦溫度進(jìn)行測量，測溫方式主要有熱電偶和遠(yuǎn)紅外輻射測溫兩種。3.3磨屑分析對磨損產(chǎn)物磨粒的成分和形態(tài)的分析，不僅是研究磨損機(jī)理的主要方法之一，也是工程上對磨損進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)控的重要手段。3.3.1 SEM形貌及成分分析利用掃描電子顯微鏡對磨粒形貌、大小進(jìn)行觀察，總結(jié)磨粒隨磨損條件的變化規(guī)律，分析磨粒形成原因；利用SEM上安裝的EDS能譜儀對磨粒成分進(jìn)行

14、分析。 圖3.5 高錳鋼磨粒的SEM圖片3.3.2光譜分析法光譜分析法是利用組成物質(zhì)的原子在一定條件下能發(fā)射具有各自特征光譜的性質(zhì)，用來分析潤滑油中的金屬含量。每種元素都有各自的特征光譜，并且每種元素所發(fā)射的特征光譜強(qiáng)度與其含量有關(guān)，因此可通過對潤滑油中磨屑進(jìn)行光譜分析，確定磨屑所含的化學(xué)成分及含量。圖3.6 光譜分析光譜分析法具有極高的靈敏度和準(zhǔn)確度，且分析速度很快，經(jīng)常用于鐵路機(jī)車和船舶柴油機(jī)以及航空發(fā)動機(jī)的磨損檢測。3.3.3鐵譜分析法分析式鐵譜儀的結(jié)構(gòu)原理如圖3.6a所示：從運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦機(jī)械系統(tǒng)的潤滑劑中提取一定量的油樣，經(jīng)過能促進(jìn)磨損微粒沉淀的特殊溶劑稀釋后，由低流量泵送至并流過透明基

15、片。基片安裝在略微傾斜的斜面上，磁力場呈梯度分布，因此潤滑油中的微粒在經(jīng)過基片時，被磁力吸附在基片上并按大小分布?；系哪チ＝?jīng)過去油和固定處理后，便制成了鐵譜圖。圖3.6b為一典型鐵譜片，其中沉積的顆粒表現(xiàn)為沿玻璃片中間的一條暗帶。ab 圖3.6 鐵譜分析儀結(jié)構(gòu)原理及典型鐵譜片a. 鐵譜分析儀結(jié)構(gòu)原理 b. 典型鐵譜片 鐵譜技術(shù)對磨粒的識別與分析主要分為定性分析和定量分析兩種方式。定性鐵譜分析：利用光學(xué)顯微鏡對鐵譜片上沉淀的磨粒進(jìn)行形貌、尺寸大小和成分分析，建立磨損狀態(tài)類型與磨損顆粒形態(tài)的相互關(guān)系，判別摩擦副的磨損程度以確定失效情況和磨損部位。定量鐵譜分析：通常先采用鐵譜光密度計來測量鐵譜片

16、上不同位置上磨粒沉積物的光密度，從而求得磨粒的尺寸、大小分布以及微粒總量。所謂光密度是指透射過透明鐵譜片的光強(qiáng)度與透射過含有磨粒的鐵譜片的光強(qiáng)度之比，與磨屑的覆蓋面積成正比，通過光密度值可以推算鐵譜片上磨屑量。一般在鐵譜片上55mm(大磨粒沉積處)和49mm(小磨粒沉積處)兩處測量磨粒的光密度，以AL和AS分別表示大、小磨粒光密度的讀數(shù)。通過測出鐵譜片上大、小磨粒的光密度，由此確定大磨粒和小磨粒的相對含量。 在磨粒分析方面，鐵譜和光譜分析各有所長：鐵譜法能將磨粒按照尺寸大小排列，并反映出顆粒的形狀、磨損的性質(zhì)，但進(jìn)一步定性定量分析存在困難；光譜法能夠區(qū)別磨粒中元素的成分以及含量，但對于大于2u

17、m的微粒即失去檢測能力。因此，在分析磨粒時最好將光譜和鐵譜法結(jié)合使用，相互補(bǔ)充。3.4磨損表面分析 由于摩擦磨損發(fā)生在表面層，因此表層組織結(jié)構(gòu)的變化是研究摩擦磨損規(guī)律和機(jī)理的關(guān)鍵，目前已有多種現(xiàn)代表面測試技術(shù)用于研究摩擦表面的各種現(xiàn)象。3.4.1摩擦磨損表面形貌分析磨損過程中表面形貌的變化可以采用表面形貌儀和掃描電子顯微鏡來進(jìn)行分析。通過對比磨損前后試樣表面形貌的變化，研究和分析磨損形成規(guī)律，推斷出磨損形貌的形成原因及磨損機(jī)理。 圖3.7 表面形貌儀和SEM拍攝的磨痕照片表面形貌儀包括探針式輪廓儀、白光干涉儀和激光共聚焦顯微鏡。表面輪廓儀是通過測量觸針在表面上勻速移動，將觸針隨表面輪廓的垂直運(yùn)

18、動檢測、放大，并且描繪出表面的輪廓曲線。再經(jīng)過微處理機(jī)的運(yùn)算還可以直接測出表面形貌參數(shù)的變化。白光干涉儀和激光共聚焦顯微鏡則是利用光學(xué)原理，對磨損表面形貌進(jìn)行逐層掃描，獲得磨損表面的三維形貌，并可對獲得的三維形貌進(jìn)行多種測量。掃描電鏡能夠直接觀察摩擦表面的形貌及其在摩擦過程中的變化。電子掃描的圖象清晰度好，并有立體感，放大倍數(shù)變化范圍寬（20-20000倍），甚至可以直接測量小型零件的摩擦表面。3.4.2磨損表面結(jié)構(gòu)分析金屬表面在摩擦磨損過程中表層結(jié)構(gòu)的變化通常采用衍射技術(shù)來分析,常用的有電子衍射法和X射線衍射法。電子衍射的穿透力小，散射厚度僅為0.11nm，可用來進(jìn)行薄層的摩擦表面分析，如研究金屬的粘著磨損和摩擦副材料遷移現(xiàn)象；X射線穿透能力較強(qiáng)，散射層厚度可達(dá)1100um，常用來分析較厚的摩擦表面的結(jié)構(gòu)，如研究發(fā)動機(jī)活塞環(huán)與缸套表面摩擦磨損后晶體尺寸的變化，單晶鐵板在磨料磨損后由鐵向鐵的轉(zhuǎn)變以及潤滑油添加劑在金屬表面的潤滑機(jī)理等。3.4.3磨損表面化學(xué)成分分析摩擦磨損表面化學(xué)元素的組成與分布特點可用能譜分析（EDS）和X射線電子能譜分析（XPS）來進(jìn)行分析處理。能譜分析是利用X射線照射試件表面使表面受到激發(fā)而產(chǎn)生光電子和俄歇電子，然后測量和分析這些電子的能量，確定表面的化學(xué)成分；XPS是通過X射線輻射樣品，使樣品原