磨損及潤滑-課件-2

1、第第4 4章章 摩擦原理摩擦原理4.1 摩擦的基本特性4.2 簡單的摩擦理論4.3 粘著摩擦理論4.4 滾動摩擦二、摩擦的分類內(nèi) 摩 擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對運(yùn)動的現(xiàn)象。外 摩 擦：在相對運(yùn)動的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。靜 摩 擦：僅有相對運(yùn)動趨勢時(shí)的摩擦。動 摩 擦：在相對運(yùn)動進(jìn)行中的摩擦?；瑒幽Σ粒何矬w表面間的運(yùn)動形式是相對滑動。滾動摩擦：物體表面間的運(yùn)動形式是相對滾動。q “機(jī)械說”產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；q “分子說”產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用；一、摩擦的機(jī)理q “機(jī)械分子說”兩種作用均有。 兩個(gè)相對運(yùn)動的固體表面的摩擦只與接觸表面

2、的作用有關(guān)，而與固體內(nèi)部狀態(tài)無關(guān)，此稱為外摩擦。 液體或者氣體中各部分之間相對移動而發(fā)生的摩擦，稱為內(nèi)摩擦。 而邊界潤滑狀態(tài)下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之間的摩擦，也屬于外摩擦。 外摩擦和內(nèi)摩擦的共同特征是：一物體或一部分物質(zhì)將自身的運(yùn)動傳遞給與它相接觸的另一物體或另一部分物質(zhì)，并試圖使兩者的運(yùn)動速度趨于一致，因而在摩擦過程中發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換。 外摩擦與內(nèi)摩擦的不同特征在于內(nèi)部運(yùn)動狀況。內(nèi)摩擦?xí)r流體相鄰質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度是連續(xù)變化的，具有一定的速度梯度；而外摩擦是在滑動面上發(fā)生速度突變。此外，內(nèi)摩擦力與相對滑動速度成正比，當(dāng)滑動速度為零時(shí)內(nèi)摩擦力也就消失；而外摩擦力與滑動速度的關(guān)系隨工況條件變化，當(dāng)

3、滑動速度消失后仍有靜摩擦力存在。 古典的滑動摩擦理論是通過實(shí)驗(yàn)方法建立的，其基本公式為 fWF (4-1) 式中，F(xiàn) 為摩擦力；W 為法向載荷：f 為摩擦系數(shù)。古典摩擦理論認(rèn)為：摩擦系數(shù)僅取決于材料性質(zhì)，而與表觀接觸面積、滑動速度和載荷大小無關(guān)。 實(shí)踐證明：上述理論具有很大的局限性，只能近似地用于工程計(jì)算。當(dāng)法向載荷較大，使實(shí)際接觸面積接近表觀接觸面積時(shí)，以及極硬材料或極軟材料組成的摩擦副，摩擦力與法向載荷不滿足正比關(guān)系。對于彈性或粘彈性材料的滑動摩擦，摩擦力與表觀接觸面積密切相關(guān)。此外，許多材料的摩擦系數(shù)都隨滑動速度和載荷的大小而變化。 摩擦是兩個(gè)接觸表面相互作用引起的滑動阻力和能量損耗，摩

4、擦現(xiàn)象涉及的因素很多，因而提出了各種不同的摩擦理論，一般可以歸納為三類： 機(jī)械嚙合理論 分子作用理論 機(jī)械分子摩擦理論 早期的理論認(rèn)為摩擦起源于表面粗糙度，滑動摩擦中能量損耗于粗糙峰的相互嚙合、碰撞以及彈塑變形，特別是硬粗糙峰嵌入軟表面后在滑動中形成的犁溝效應(yīng)。 圖4-1是Amonton(1699年)提出的最簡單的摩擦模型。摩擦力為WtgFFfWF 摩擦系數(shù) ，它是由表面狀況確定的常數(shù) 圖4-1 機(jī)械嚙合模型tgf 在一般條件下，減小表面粗糙度可以降低摩擦系數(shù)。但是超精加工表面的摩擦系數(shù)反而劇增。另外，當(dāng)表面吸附一層極性分子后，其厚度不及拋光粗糙高度的十分之一，卻能巨大地減小摩擦力。這些都說明

5、機(jī)械嚙合作用并非產(chǎn)生摩擦力的唯一因素。 人們用接觸表面上分子間作用力來解釋滑動摩擦。由于分子的活動性和分子力作用可使固體粘附在一起而產(chǎn)生滑動阻力，這稱為粘著效應(yīng)。 Tomlinson(1929年)最先用表面分子作用解釋摩擦現(xiàn)象，他提出分子間電荷力所產(chǎn)生的能量損耗是摩擦的起因，他所提出的公式能夠明確指出分子作用對于摩擦力的影響，但不能解釋摩擦現(xiàn)象。 摩擦表面分子吸力的大小隨分子間距離減小而劇增，通常分子吸力與距離的七次方成反比。而接觸表面分子作用力產(chǎn)生的滑動阻力隨實(shí)際接觸面積的增加而增大，但與法向載荷的大小無關(guān)。 根據(jù)分子作用理論應(yīng)得出這樣的結(jié)論，即表面越粗糙，實(shí)際接觸面積越小，因而摩擦系數(shù)應(yīng)越

6、小。顯然，這種分析除重載荷條件外是不符合實(shí)際情況的。 如上所述，簡單的摩擦理論無論是機(jī)械的或分子的摩擦理論都是很不完善的，它們得出的摩擦系數(shù)與粗糙度的關(guān)系都是片面的。在二十世紀(jì)三十年代末期，人們從機(jī)械分子聯(lián)合作用的觀點(diǎn)出發(fā)較完整地發(fā)展了固體摩擦理論。在英國和蘇聯(lián)相繼建立了兩個(gè)學(xué)派，前者以粘著理論為中心，后者以摩擦二項(xiàng)式為特征。這些理論奠定了現(xiàn)代固體摩擦的理論基礎(chǔ)。 Bowden和Tabor等人經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，建立了較完整的粘著摩擦理論，對于摩擦磨損研究具有重要的意義。 Bowden等人(1945年)提出的簡單粘著理論可以歸納為以下的基本要點(diǎn): 摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài)； 滑動摩擦是粘著與滑

7、動交替發(fā)生的躍動過程； 摩擦力是粘著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生阻力的總和。 簡單粘著理論的表達(dá)式為： 軟材料受壓屈服極限軟材料剪切強(qiáng)度極限sbWFf（42） 根據(jù)式（4-2）得出的摩擦系數(shù)與實(shí)際結(jié)果不相符合，例如大多數(shù)金屬材料的剪切強(qiáng)度與屈服極限的關(guān)系為 ，于是計(jì)算的摩擦系數(shù) 。事實(shí)上許多金屬摩擦副在空氣中的摩擦系數(shù)可達(dá)0.5，在真空中則更高。為此，Bowden等人又提出了修正理論。sb2 . 02 . 0f 在簡單粘著理論中，分析實(shí)際接觸面積時(shí)只考慮受壓屈服極限 ，而計(jì)算摩擦力時(shí)又只考慮剪切強(qiáng)度極限 ，這對靜摩擦狀態(tài)是合理的。但對于滑動摩擦狀態(tài)，由于存在切向力，實(shí)際接觸面積和接觸點(diǎn)的變形條件都取決于

8、法向載荷產(chǎn)生壓應(yīng)力 和切向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力 的聯(lián)合作用。sb修正的粘著理論為 限硬基體材料受壓屈服極限軟表面膜的剪切強(qiáng)度極sbf（43） 經(jīng)過修正的粘著理論更加切合實(shí)際，可以解釋粘著理論不能解釋的現(xiàn)象。 如圖4-2所示，當(dāng)圓柱沿平面滾動時(shí)，由于接觸區(qū)的變形使得以接觸點(diǎn)為中心的接觸壓力分布不對稱，因而支承面的反力產(chǎn)生偏移。此反力對于接觸點(diǎn)的力矩稱為滾動摩擦力矩。圖4-2 滾動摩擦 滾動摩擦系數(shù)k定義為滾動摩擦力矩與法向載荷之比，即eWFRk（4-4） 由此可知：滾動摩擦系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)不同，它是有量綱的量，常用單位為mm。 另外，也可以用無量綱量即滾動阻力系數(shù) 來表征滾動摩擦的大小。它在數(shù)值上等

9、于滾動驅(qū)動力產(chǎn)生單位距離所作的功與法向載荷之比。若圓柱滾過角度為 ，滾過的距離為 ，而驅(qū)動力作功為 ，則滾動阻力系數(shù)為 RkWFWRFRfr/（4-5） rfRFR Coulomb(1785年)最早用實(shí)驗(yàn)方法得出滾動摩擦定律：滾動阻力系數(shù) 與滾動體半徑R的乘積是一個(gè)常量，也就是滾動摩擦系數(shù)k或者偏心距e為常量。它們的數(shù)值取決于摩擦副的材料性質(zhì)，而與載荷大小無關(guān)。隨后，Dupoit(1837年)提出了修正公式，通常稱為Dupoit定律，即rfDkfr (4-6) 式中，D為滾動體直徑；滾動摩擦系數(shù)k為由材料和表面狀況確定的常量，不隨速度和載荷而變化。 上述滾動摩擦定律可以近似地應(yīng)用于工程計(jì)算。

10、各種滾動運(yùn)動都可以視為以下三種基本滾動形式的組合，這三種滾動形式的表面作用和摩擦機(jī)理各不相同。 自由滾動：圓柱體或球體沿著平面無約束地作直線滾動，這是最簡單的滾動形式； 具有牽引力的滾動：在接觸區(qū)內(nèi)同時(shí)受到法向載荷和切向牽引力的作用，例如摩擦輪傳動； 伴隨滑動的滾動：當(dāng)兩個(gè)滾動體的幾何形狀造成接觸面上的切向速度不相等時(shí)，滾動中必將伴隨滑動，例如向心推力球軸承中球與滾道之間的滾動。 滾動摩擦機(jī)理顯然與滑動摩擦不同。除非接觸面存在很大的滑動，滾動摩擦通常不存在犁溝效應(yīng)，而粘著結(jié)點(diǎn)的剪切阻力也不是滾動摩擦的主要原因。滾動摩擦阻力主要由以下四種因素組成： 微觀滑動：微觀滑動是滾動過程中普遍存在的現(xiàn)象。

11、當(dāng)兩個(gè)彈性模量不同的物體作自由滾動時(shí)，由于接觸表面產(chǎn)生不相等的切向位移，就將有微觀滑動出現(xiàn)。微觀滑動所產(chǎn)生的摩擦阻力占滾動摩擦的較大部分，它的機(jī)理與滑動摩擦相同。 塑性變形：在滾動過程中，當(dāng)表面接觸應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，首先在距表面一定深度處產(chǎn)生塑性變形。隨著載荷增加塑性變形區(qū)域擴(kuò)大。塑性變形消耗的能量表現(xiàn)為滾動摩擦阻力，可以根據(jù)彈塑性力學(xué)計(jì)算； 彈性滯后：滾動過程中產(chǎn)生的彈性變形需要一定能量，而彈性變形能的主要部分在接觸消除后得到回復(fù)，其中小部分消耗于材料的彈性滯后現(xiàn)象。粘彈性材料的彈性滯后能量消耗遠(yuǎn)大于金屬材料，它往往是滾動摩擦阻力的主要組成； 粘著效應(yīng)：滾動表面相互緊壓形成的粘著結(jié)點(diǎn)在滾動中

12、將沿垂直接觸面的方向分離。因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)分離是受拉力作用，又沒有結(jié)點(diǎn)面積擴(kuò)大現(xiàn)象，所以粘著力很小，通常只占滾動摩擦阻力的很小部分。1785年，法國的庫侖用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年，英國的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘附理論。摩 擦種滑動摩擦狀態(tài). 干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。. 邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦。 摩 擦混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)?；旌夏Σ聊苡行Ы档湍Σ磷枇?，其摩擦系數(shù)比

13、邊界摩擦?xí)r要小得多。流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。流體摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)最小，且不會有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于摩擦學(xué)的研究已逐漸深入到微觀研究領(lǐng)域，形成了微納米摩擦學(xué)理論，引發(fā)出許多新的概念，比如提出了超潤滑的概念等。從理論上講，超潤滑是實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)為零的摩擦狀態(tài)，但在實(shí)際研究中，一般認(rèn)為摩擦系數(shù)在0.001量級（或更低）的摩擦狀態(tài)即可認(rèn)為屬于超潤滑。關(guān)于這方面的研究也是目前微納米摩擦學(xué)研究的一個(gè)重要方面，同學(xué)們應(yīng)對此給予關(guān)注。 第第5 5章章 磨損磨損磨粒

14、磨損與粘著磨損疲勞磨損等磨損檢測與分析 磨損是相互接觸的物體在相對運(yùn)動中表層材料不斷損傷的過程，它是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。磨損問題引起人們極大的重視，這是由于磨損所造成的損失十分驚人。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效主要有磨損、斷裂和腐蝕等三種方式，而磨損失效卻占60-80%。因而研究磨損機(jī)理和提高耐磨性的措施，將有效地節(jié)約材料和能量，提高機(jī)械裝備的使用性能和壽命，減少維修費(fèi)用，這對于國民經(jīng)濟(jì)具有重大的意義。 由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，二十世紀(jì)三十年代以后機(jī)械裝備的磨損問題已成為薄弱環(huán)節(jié)，特別是高速、重載，精密以及特殊工況下工作的機(jī)械對于磨損研究提出了更迫切的要求。同時(shí)，近代其它科學(xué)技術(shù)例如材料科學(xué)

15、、物理化學(xué)、表面測試技術(shù)等的發(fā)展，有助于對磨損機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。 研究磨損的目的在于通過對各種磨損現(xiàn)象的觀察和分析，找出它們的變化規(guī)律和影響因素，從而尋求控制磨損和提高耐磨性的措施。磨損是運(yùn)動副之間的摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。在設(shè)計(jì)或使用機(jī)器時(shí)，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。為此就必須對形成磨損的機(jī)理有所了解。一個(gè)零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段，即： 磨合階段新的零件在開始使用時(shí)一般處于這一階段，磨損率較高。 穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。 劇烈磨損階段屬于零件即將

16、報(bào)廢的階段，磨損率急劇升高。摩 擦2 對磨損的研究開展較晚，20世紀(jì)50年代提出粘著理論后，60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。磨 損 F磨粒磨損也簡稱磨損，是外部進(jìn)入摩擦表面的游離硬顆?；蛴驳妮喞寮馑鸬哪p。F沖蝕磨損流體中所夾帶的硬質(zhì)物質(zhì)或顆粒，在流體沖擊力作用下而在摩擦表面引起的磨損。F微動磨損是指摩擦副在微幅運(yùn)動時(shí)，由上述各磨損機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運(yùn)動。F粘附磨損也稱膠合，當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力發(fā)生“冷焊”后，在相對運(yùn)動時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘附

17、磨損。F疲勞磨損也稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的磨損。磨 損 關(guān)于磨損機(jī)理與分類的見解頗不一致，大體上可概括為： F腐蝕磨損當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運(yùn)動時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。1.按照表面接觸性質(zhì)，可將磨損分為：金屬-磨料磨損、金屬-金屬磨損、金屬-流體磨損三類2.按環(huán)境介質(zhì)，可將磨損分為：干磨損、濕磨損和流體磨損三類。3.根據(jù)摩擦表面的作用，可將磨損分為：機(jī)械磨損、黏著磨損。4.根據(jù)表面破壞方式，可將磨損分為：擦傷、點(diǎn)蝕、剝落、膠合、鑿屑、咬死等類型。1.磨損過程的劃分 根據(jù)磨損的定義和分類，可

18、將磨損劃分為三個(gè)過程。2.磨損過程曲線1.磨合磨損階段 磨合是磨損過程的非均勻階段，在整個(gè)磨損過程中所占的比例很小。其特征是磨損率隨著時(shí)間的增加而降低。（圖中的區(qū)）2.穩(wěn)定磨損階段 摩擦表面經(jīng)磨合后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際接觸面始終不變、磨損率保持不變（圖中的區(qū)），這是摩擦副正常的工作時(shí)期。該階段在整個(gè)磨損過程中所占的比例越大，則表面設(shè)備壽命越長。3.劇烈磨損階段 在穩(wěn)定工作達(dá)到一定時(shí)間后，由于磨損量的積累或者由于外來因素（工況變化）的影響，使摩擦副的摩擦系數(shù)增大、磨損率隨時(shí)間而迅速增加（圖中區(qū)），從而使工作條件急劇惡化而導(dǎo)致完全失效。 磨損分類的目的是為了將實(shí)際存在的各式各樣的磨損現(xiàn)象歸納為幾個(gè)基

19、本類型。合理的分類能夠使研究工作簡化，更好地分析磨損的實(shí)質(zhì)。 磨損分類方法表達(dá)了人們對磨損機(jī)理的認(rèn)識，不同的學(xué)者提出了不同的分類觀點(diǎn)，至今還沒有普遍公認(rèn)的統(tǒng)一的磨損分類方法，其中一種分類為：磨粒磨損；粘著磨損；疲勞磨損；腐蝕磨損；微動磨損。磨損磨損類型類型磨損、摩擦和潤滑的關(guān)系油膜膜油膜膜厚比厚比磨粒磨損 外界硬顆?；蛘邔δケ砻嫔系挠餐黄鹞镌谀Σ吝^程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。例如掘土機(jī)鏟齒、犁耙、球磨機(jī)襯板等的磨損都是典型的磨粒磨損。機(jī)床導(dǎo)軌面由于切屑的存在也引起磨粒磨損。水輪機(jī)葉片和船舶螺旋漿等與含泥沙的水之間的侵蝕磨損也屬于磨粒磨損。 磨粒磨損有以下三種形式： 磨粒移動于兩摩

20、擦表面之間，類似于研磨作用，此稱為三體磨粒磨損。通常三體磨損的磨粒與金屬表面產(chǎn)生極高的接觸應(yīng)力，往往超過磨粒的壓潰強(qiáng)度。這種壓應(yīng)力使韌性金屬的摩擦表面產(chǎn)生塑性變形或疲勞；而脆性金屬表面則發(fā)生脆裂或剝落； 磨粒沿一個(gè)固體表面相對運(yùn)動產(chǎn)生的磨損稱為二體磨粒磨損。當(dāng)磨粒運(yùn)動方向與固體表面接近平行時(shí)，磨粒與表面接觸處的應(yīng)力較低，因此固體表面產(chǎn)生擦傷或微小的犁溝痕跡。如果磨粒運(yùn)動方向與固體表面接近垂直時(shí)，常稱為沖擊磨損。此時(shí)磨粒與表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞，在表面上磨出較深的溝槽，并有大顆粒材料從表面脫落。沖擊磨損量與沖擊能量有關(guān)； 在一對摩擦副中，硬表面的粗糙峰對軟表面起著磨粒作用，這也是二體磨損，它通常是低

21、應(yīng)力磨粒磨損。分類類型 特 征實(shí)例 磨料 固定 形態(tài) 自由 磨損磨粒自由松散，可以在表面滑動或滾動，磨粒之間也有相對運(yùn)動。刮板、輸送機(jī)溜槽 固定 磨損磨料固定，在磨損表面作相對滑動，磨料可以是小顆粒，也可以是很大的整體顆粒。采煤機(jī)截齒、挖掘機(jī)斗齒磨料磨損分類及其磨損特征：磨料磨損分類及其磨損特征：接接觸觸表表面面兩體兩體磨損磨損硬磨料或硬表面微凸體與一硬磨料或硬表面微凸體與一個(gè)摩擦表面對磨的磨損個(gè)摩擦表面對磨的磨損犁鏵、水犁鏵、水輪機(jī)輪葉輪機(jī)輪葉三體三體磨損磨損磨粒介于兩摩擦表面之間，磨粒介于兩摩擦表面之間，并在兩表面間滑動并在兩表面間滑動齒輪、滑齒輪、滑動軸承間動軸承間力力的的作作用用特特點(diǎn)

22、點(diǎn)劃傷劃傷磨損磨損磨料的作用應(yīng)力低于其壓潰磨料的作用應(yīng)力低于其壓潰強(qiáng)度，材料表面被輕微劃傷強(qiáng)度，材料表面被輕微劃傷犁鏵、輸犁鏵、輸送機(jī)溜槽送機(jī)溜槽碾壓碾壓磨損磨損磨料與表面接觸最大壓應(yīng)力磨料與表面接觸最大壓應(yīng)力大于磨料的壓潰強(qiáng)度大于磨料的壓潰強(qiáng)度破碎滾筒破碎滾筒球蘑機(jī)球球蘑機(jī)球鑿削鑿削磨損磨損磨料對表面有高應(yīng)力沖擊運(yùn)磨料對表面有高應(yīng)力沖擊運(yùn)動，材料表面被鑿削動，材料表面被鑿削顎式破碎顎式破碎機(jī)齒板機(jī)齒板相相對對硬硬度度硬料磨損硬料磨損磨料硬度大于材料硬度磨料硬度大于材料硬度石英石英- -鋼材鋼材軟料磨損軟料磨損磨料硬度低于材料硬度磨料硬度低于材料硬度 礦石礦石- -鋼鋼磨磨料料特特性性 干磨損

23、干磨損磨料是干燥的磨料是干燥的球磨機(jī)干磨球磨機(jī)干磨濕料磨損濕料磨損磨料含水分，加速磨損磨料含水分，加速磨損球磨機(jī)濕磨球磨機(jī)濕磨流體磨損流體磨損氣或液體帶磨料沖刷表面氣或液體帶磨料沖刷表面泥漿泵等泥漿泵等工工作作環(huán)環(huán)境境一般磨損一般磨損正常條件下的磨料磨損正常條件下的磨料磨損各類機(jī)械各類機(jī)械腐蝕磨損腐蝕磨損腐蝕介質(zhì)中的磨料磨損腐蝕介質(zhì)中的磨料磨損化工機(jī)械等化工機(jī)械等熱料磨損熱料磨損高溫工作下的磨料磨損高溫工作下的磨料磨損沸騰爐等沸騰爐等 磨粒磨損是最普遍的磨損形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)中因磨粒磨損所造成的損失占整個(gè)磨損損失的一半左右，因而研究磨粒磨損有著重要的意義。一般說來，磨粒磨損的機(jī)理是磨粒的犁溝

24、作用，即微觀切削過程。顯然，材料相對磨粒的硬度和載荷起著重要的作用。 目前主要有三種磨粒磨損機(jī)理，即 微觀切削：法向載荷將磨料壓入摩擦表面，而滑動時(shí)的摩擦力通過磨料的犁溝作用使表面剪切、犁皺和切削，產(chǎn)生槽狀磨痕； 擠壓剝落：磨料在載荷作用下壓入摩擦表面而產(chǎn)生壓痕，將塑性材料的表面擠壓出層狀或鱗片狀的剝落碎屑； 疲勞破壞：摩擦表面在磨料產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，使表面材料因疲勞而剝落。磨粒磨損模型：磨粒磨損模型： 簡單的磨粒磨損計(jì)算方法是根據(jù)微量切削假說得出，下圖為磨粒磨損模型。 可以將磨?？醋鍪蔷哂绣F形的硬質(zhì)顆粒在軟材料上滑動，犁出一條溝。粘著磨損 當(dāng)摩擦副表面相對滑動時(shí)，由于粘著效應(yīng)所形成的

25、粘著結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面。此類磨損統(tǒng)稱為粘著磨損。 根據(jù)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和破壞位置不同，粘著磨損有幾種不同的形式，從輕微磨損到破壞性嚴(yán)重的膠合磨損。它們的磨損形式、摩擦系數(shù)和磨損度雖然不同，但共同的特征是出現(xiàn)材料遷移，以及沿滑動方向形成程度不同的劃痕。 按照磨損嚴(yán)重程度，粘著磨損可分為 輕微粘著磨損：當(dāng)粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度低于摩擦副兩金屬的強(qiáng)度時(shí)，剪切發(fā)生在結(jié)合面上。此時(shí)雖然摩擦系數(shù)增大，但是磨損卻很小，材料遷移也不顯著。通常在金屬表面具有氧化膜，硫化膜或其它涂層時(shí)發(fā)生此種粘著磨損； 一般粘著磨損：粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于摩擦副中較軟金屬的剪切強(qiáng)度時(shí)，破壞將發(fā)生

26、在離結(jié)合面不遠(yuǎn)的軟金屬表層內(nèi)，因而軟金屬粘附在硬金屬表面上。這種磨損的摩擦系數(shù)與輕微磨損差不多，但磨損程度加??； 擦傷磨損：當(dāng)粘結(jié)強(qiáng)度高于兩金屬材料強(qiáng)度時(shí)，剪切破壞主要發(fā)生在軟金屬的表層內(nèi)，有時(shí)也發(fā)生在硬金屬表層內(nèi)。遷移到硬金屬上的粘著物又使軟表面出現(xiàn)劃痕，所以擦傷主要發(fā)生在軟金屬表面。 膠合磨損：如果粘結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度比兩金屬的剪切強(qiáng)度高得多，而且粘結(jié)點(diǎn)面積較大時(shí)，剪切破壞發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)金屬表層較深的地方。此時(shí)，兩表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至使摩擦副之間咬死而不能相對滑動。 高速重載摩擦副中，由于接觸峰點(diǎn)的塑性變形大和表面溫度高，使粘著結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和面積增大，通常產(chǎn)生膠合磨損。相同金屬材料組成的摩擦副中，

27、因?yàn)檎持Y(jié)點(diǎn)附近的材料塑性變形和冷作硬化程度相同，剪切破壞發(fā)生在很深的表層，膠合磨損更為劇烈。 通常摩擦表面的實(shí)際接觸面積只有表觀面積的0.10.01%。對于重載高速摩擦副，接觸峰點(diǎn)的表面壓力有時(shí)可達(dá)5000MPa，并產(chǎn)生1000以上的瞬現(xiàn)溫度。而由于摩擦副體積遠(yuǎn)小于接觸峰點(diǎn)，一旦脫離接觸，峰點(diǎn)溫度便迅速下降，一般局部高溫持續(xù)時(shí)間只有幾毫秒。摩擦表面處于這種狀況下，潤滑油膜、吸附膜或其它表面膜發(fā)生破裂，使接觸峰點(diǎn)產(chǎn)生粘著，隨后在滑動粘著節(jié)點(diǎn)破壞。這種粘著、破壞、再粘著的交替過程就構(gòu)成粘著磨損。粘著磨損機(jī)理粘著磨損機(jī)理 當(dāng)摩擦副接觸時(shí)，接觸首先發(fā)生在少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的微凸體上。因此，在一定的法向載荷

28、作用下，微凸體的局部壓力就可能超過材料的屈服壓力而發(fā)生塑性變形，繼而使兩摩擦表面產(chǎn)生粘著；此后，在相對滑動過程中，如果粘著點(diǎn)的剪切發(fā)生在界面，則磨損輕微；如果剪切發(fā)生在界面以下，則材料就會從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另外一表面，繼續(xù)滑動，一部分轉(zhuǎn)移的材料分離，從而形成游離磨粒。* * 接觸接觸- -塑性變形塑性變形- -粘著粘著- -剪斷粘著點(diǎn)剪斷粘著點(diǎn)- -材料轉(zhuǎn)移材料轉(zhuǎn)移- -再粘著，循環(huán)再粘著，循環(huán)不斷進(jìn)行，構(gòu)成粘著磨損過程。不斷進(jìn)行，構(gòu)成粘著磨損過程。簡單粘著磨損計(jì)算(Archard 模型)上圖為粘著磨損模型，假設(shè)摩擦副的一方為較硬的材料，摩擦副另一方為較軟的材料；法向載荷W由n個(gè)半徑為a的相同微

29、凸體承受。 有關(guān)粘著機(jī)理目前還沒有比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)，但是粘著現(xiàn)象必須在一定的壓力和溫度條件下才會發(fā)生這一認(rèn)識是相當(dāng)一致的。 粘著結(jié)點(diǎn)的破壞位置決定了粘著磨損的嚴(yán)重程度，而破壞力的大小表現(xiàn)為摩擦力，所以磨損量與摩擦力之間沒有確定的關(guān)系。粘著結(jié)點(diǎn)的破壞情況十分復(fù)雜，它與摩擦副和粘結(jié)點(diǎn)的相對強(qiáng)度以及粘結(jié)點(diǎn)的分布有關(guān)。表面疲勞磨損 兩個(gè)相互滾動或者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，由于材料疲勞剝落而形成凹坑，統(tǒng)稱為表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損。除齒輪傳動、滾動軸承等以這種磨損為主要失效方式之外，摩擦表面粗糙峰周圍應(yīng)力場變化所引起的微觀疲勞現(xiàn)象也屬于此類磨損。不過，表面微觀疲勞往往只發(fā)生在磨

30、合階段，因而是非發(fā)展性的磨損。 一般說來，表面疲勞磨損是不可避免的，即便是在良好的油膜潤滑條件下也將發(fā)生。對于發(fā)展性的疲勞磨損應(yīng)保證在正常工作時(shí)間以內(nèi)不致因表面疲勞凹坑的惡性發(fā)展而失效。 表面疲勞磨損的種類： 表層萌生與表面萌生疲勞磨損 表層萌生的疲勞磨損主要發(fā)生在一般質(zhì)量的鋼材以滾動為主的摩擦副。在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，這種磨損的疲勞裂紋發(fā)源在材料表層內(nèi)部的應(yīng)力集中源，例如非金屬夾雜物或空穴。通常裂紋萌生點(diǎn)與表層內(nèi)最大剪應(yīng)力的位置相符合。裂紋萌生以后，首先順滾動方向平行于表面擴(kuò)展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剝落后形成凹坑，其斷口比較光滑。這種疲勞磨損的裂紋萌生所需時(shí)間較短，但裂紋擴(kuò)展速度緩慢。

31、表層萌生疲勞磨損通常是滾動軸承的破壞形式。 表面萌生的疲勞磨損主要發(fā)生在高質(zhì)量鋼材以滑動為主的摩擦副。裂紋發(fā)源在摩擦表面上的應(yīng)力集中源，例如切削痕、碰傷痕、腐蝕或其它磨損的痕跡。這種磨損的裂紋形成時(shí)間很長，但擴(kuò)展速度十分迅速，介質(zhì)與潤滑劑對裂紋擴(kuò)展有影響。 由于表面萌生疲勞破壞坑的邊緣可以構(gòu)成表面萌生裂紋的發(fā)源點(diǎn)，所以通常這兩種疲勞磨損是同時(shí)存在的。84 按照磨屑和疲勞坑的形狀，通常將表面疲勞磨損分為鱗剝和點(diǎn)蝕兩種。前者磨屑呈片狀，凹坑淺而面積大；后者磨屑多為扇形顆粒，凹坑為許多小而深的麻點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)表明：無論是退火鋼或調(diào)質(zhì)鋼、純滾動或滾動兼滑動的摩擦副，點(diǎn)蝕疲勞裂紋起源于表面，再順滾動方向向表

32、層內(nèi)擴(kuò)展，并形成扇形的疲勞坑。鱗剝疲勞裂紋始于表層內(nèi)，隨后裂紋與表面平行向兩端擴(kuò)展，最后在兩端斷裂，形成沿整個(gè)試件寬度上的淺坑。 85表面疲勞磨損的機(jī)理： 最大切應(yīng)力理論表面疲勞磨損的機(jī)理可以用赫茲公式來解釋。在赫茲接觸中，最大切應(yīng)力產(chǎn)生于離表面一定距離的下層，如右圖所示，由于滾動的結(jié)果，在最大切應(yīng)力處的材料首先出現(xiàn)屈服而塑變，隨著外載荷的反復(fù)作用，材料在此處首先出現(xiàn)裂紋，并沿最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展到表面，最后形成疲勞破壞，以顆粒形式分離出來，并在摩擦表面留下痘斑狀凹坑，稱為點(diǎn)蝕(凹坑小而深)?；蛞憎[片狀從表面脫落下來，稱為剝落(凹坑大而淺)。 油楔理論 對于滾動兼有滑動的接觸表面，因同時(shí)存在接觸

33、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，使得接觸應(yīng)力增大，實(shí)際最大切應(yīng)力十分接近表面，故在摩擦表面上容易產(chǎn)生塑性變形而形成微觀裂紋。 有時(shí)雖然摩擦副的表而剪應(yīng)力并不大，但因表面缺陷、高溫或脫碳等原因，使表面局部變?nèi)?，也容易在表面形成裂紋。若滾動方向與裂紋方向一致，則當(dāng)滾動體接觸到裂紋口處，將把裂口封住，裂紋中的潤滑油不能往外跑，從而使裂紋的兩內(nèi)壁承受巨大的擠壓力，于是迫使裂紋與表面呈3045傾角向外擴(kuò)張。在已形成微裂紋的表面，當(dāng)有潤滑油時(shí)，由于毛細(xì)管作用，微裂紋吸附潤滑油，使得裂紋的尖端處形成油楔，如圖(a)所示。此過程經(jīng)歷若干周次，裂紋由表面向內(nèi)層擴(kuò)展到定深度，起始裂紋口也張大到一定寬度，那么裂紋上部的金屬像一個(gè)

34、懸臂梁承受彎曲。在隨后的加載運(yùn)轉(zhuǎn)若干周次就會突然折斷，使這里的金屬剝離，最后在接觸表面留下一個(gè)深淺不等的麻點(diǎn)剝落凹坑，一般剝落深度為0.1-0.2 mm。 在摩擦過程中，摩擦力促使表面金屬流動，因而疲勞裂紋往往有方向性, 即與摩擦力方向一致。如圖所示，主動輪裂紋中的潤滑油在對滾中被擠出，而從動輪上的裂紋口在通過接觸區(qū)時(shí)受到油膜壓力作用促使裂紋擴(kuò)展。由于油的壓縮性和金屬的彈性，油壓傳遞到裂紋尖端將產(chǎn)生壓力降。 因此，若滾動方向與裂紋方向相反，則當(dāng)滾動體接觸到裂紋時(shí)，裂紋中的潤滑油被擠出來,如圖中的主動輪，裂紋內(nèi)不會產(chǎn)生很大的擠壓力，因而裂紋擴(kuò)展緩慢，工作壽命長。 微觀點(diǎn)蝕磨損理論微觀點(diǎn)蝕理論認(rèn)為

35、：裂紋產(chǎn)生的位置實(shí)際上較之最大切應(yīng)力理論確定的位置更靠近表面。因?yàn)樽畲笄袘?yīng)力理論是用宏觀的赫茲接觸應(yīng)力來分析的，這種分析以接觸區(qū)表面理想光滑，接觸應(yīng)力成橢圓分布為前提的。如圖所示的光滑表面應(yīng)力分布線。這樣所決定的點(diǎn)蝕應(yīng)稱為宏觀點(diǎn)蝕。但是，真實(shí)表面是粗糙的，接觸發(fā)生在微凸體的峰處，即表面粗糙度使赫茲接觸應(yīng)力分布發(fā)生調(diào)幅現(xiàn)象，如圖所示。微凸體每個(gè)峰點(diǎn)進(jìn)入接觸都產(chǎn)生一個(gè)微觀應(yīng)力分布，這種由接觸表面峰點(diǎn)作用所引起的點(diǎn)蝕稱為微觀點(diǎn)蝕。微觀點(diǎn)蝕和宏觀點(diǎn)蝕雖然都是與最大切應(yīng)力的區(qū)域相對應(yīng)，但微觀點(diǎn)蝕的最大切應(yīng)力更接近表面，且裂紋深度比宏觀點(diǎn)蝕淺得多(約淺20倍)。試驗(yàn)證實(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，已產(chǎn)生的微觀點(diǎn)

36、蝕可以誘發(fā)二次裂紋、三次裂紋，裂紋依次向縱深擴(kuò)展可以形成宏觀點(diǎn)蝕。這是宏觀點(diǎn)蝕形成的一種機(jī)理。對用赫茲理論米解釋點(diǎn)蝕產(chǎn)生的觀點(diǎn)作了很大修正。腐蝕磨損 摩擦過程中，金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的表面損傷，稱為腐蝕磨損。常見的有氧化磨損和特殊介質(zhì)腐蝕磨損。 當(dāng)金屬摩擦副在氧化性介質(zhì)中工作時(shí)，表面所生成的氧化膜被磨掉以后，又很快的形成新的氧化膜，所以氧化磨損是化學(xué)氧化和機(jī)械磨損兩種作用相繼進(jìn)行的過程。 氧化磨損的大小取決于氧化膜連結(jié)強(qiáng)度和氧化速度。 氧化磨損的磨屑呈暗色的片狀或絲狀。片狀磨屑是紅褐色的 ，而絲狀磨屑是灰黑色的 。有時(shí)用磨屑的這些特征來判斷氧化磨損。 干摩擦狀態(tài)下容易產(chǎn)生氧

37、化磨損。施加潤滑油可以減小表面氧化作用，氧化層較薄，因而提高抗氧化磨損能力。但有些潤滑油能促使氧化膜從表面脫落。32OFe43OFe86 對于在化工設(shè)備中工作的摩擦副，由于金屬表面與酸、堿、鹽等介質(zhì)作用而形成腐蝕磨損。 腐蝕磨損的機(jī)理與氧化磨損相類似，但磨損痕跡較深，磨損量也較大。磨屑呈顆粒狀和絲狀，它們是表面金屬與周圍介質(zhì)的化合物。 由于潤滑油中含有腐蝕性化學(xué)成分，滑動軸承材料也發(fā)生腐蝕磨損，它包括酸蝕和硫蝕兩種。除了合理選擇潤滑油和限制油中含酸和含硫量之外，軸承材料是影響腐蝕磨損的重要因素。87 微動磨損 兩個(gè)表面間由于振幅很小的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損或微動腐蝕磨損。 在載荷作用

38、下，相互配合表面的接觸峰點(diǎn)形成粘著結(jié)點(diǎn)。當(dāng)接觸表面受到外界微小振動，雖然相對滑移量很小，通常為0.05mm，不超過0.25mm,粘著結(jié)點(diǎn)將被剪切。隨后剪切面逐漸被氧化并發(fā)生氧化磨損，產(chǎn)生紅褐色 的磨屑堆積在表面之間。此后氧化磨屑起著磨料作用，使接觸表面產(chǎn)生磨粒磨損。 由此可見，微小振動和氧化作用是促進(jìn)微動磨損的主要因素。而微動磨損是粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損三種磨損形式的組合。32OFe88 氣蝕 氣蝕是固體表面與液體相對運(yùn)動所產(chǎn)生的表面損傷，通常發(fā)生在水泵零件、水輪機(jī)葉片和船舶螺旋槳等表面。 當(dāng)液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸發(fā)壓力時(shí)，將在固體表面附近形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣

39、體也可能析出而形成氣泡。隨后當(dāng)氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的地方時(shí)，氣泡便潰滅，在潰滅瞬時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫。固體表面經(jīng)受這種沖擊力的多次反復(fù)作用，材料發(fā)生疲勞脫落，使表面出現(xiàn)小凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀。嚴(yán)重的氣蝕可在表面形成大片的凹坑，深度可達(dá)20 mm。 氣蝕的機(jī)理是由于沖擊應(yīng)力造成的表面疲勞破壞。但液體的化學(xué)和電化學(xué)作用加速了氣蝕的破壞過程。89 為了設(shè)計(jì)具有足夠抗磨能力的機(jī)器或者正確地估算機(jī)械零件的磨損壽命，必須建立適合于工程應(yīng)用的磨損計(jì)算方法。近代通過對磨損狀態(tài)和磨屑分析以及對磨損過程的深入研究，提出了一些有關(guān)磨損的物理模型和磨損理論，它們是磨損計(jì)算的基礎(chǔ)。 磨損計(jì)算的建立必須考

40、慮磨損現(xiàn)象的特征，而這些特征與通常的強(qiáng)度破壞很不相同。例如摩擦副的實(shí)際接觸點(diǎn)是離散的和變化的，因而摩擦副承載材料的體積在磨損過程中不斷變化。又如摩擦表面的材料性能在磨損過程中不斷變化，因而材料的破壞形式也將不斷改變。此外，在強(qiáng)度計(jì)算中關(guān)于材料性質(zhì)均勻和各向同性的假設(shè)對磨損計(jì)算將不再適用。 由此可知：考慮表層材料在磨損過程中的動態(tài)特性和破壞特點(diǎn)，以及材料與周圍介質(zhì)的作用等等，對于建立磨損理論及其計(jì)算方法具有十分重要的意義。而這一任務(wù)的復(fù)雜性使得磨損計(jì)算至今還不能滿足應(yīng)用的要求。90磨損實(shí)驗(yàn)?zāi)p測量與分析91 磨損實(shí)驗(yàn)的目的是為了對磨損現(xiàn)象和本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評價(jià)各種因素對摩擦磨損性能的影響，從

41、而確定符合使用條件的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。 由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)方法和裝置種類繁多，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又是有條件性的，往往難以進(jìn)行比較。所以人們提出摩擦磨損實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化問題，以便統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)規(guī)范和測量方法。近年來，實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化已得到越來越多國家和組織的重視。 摩擦磨損性能是多種因素影響的綜合表現(xiàn)，因而必須嚴(yán)格地控制實(shí)驗(yàn)條件才可能得出可靠的結(jié)論。92 目前通常采用的實(shí)驗(yàn)方法可以歸納為下列三類，即 實(shí)驗(yàn)室試件實(shí)驗(yàn) 根據(jù)給定的工況條件，在通用的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上對試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)中影響因素和工況參數(shù)容易控制，因而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性較高。實(shí)驗(yàn)周期短，實(shí)驗(yàn)條件的變化范圍寬，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行比較廣泛

42、的實(shí)驗(yàn)。 但由于試件實(shí)驗(yàn)的條件與實(shí)際工況不完全符合，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不十分可靠。 試件實(shí)驗(yàn)主要用于各種類型磨損機(jī)理和影響因素的研究性實(shí)驗(yàn)，以及摩擦副材料、工藝和潤滑劑性能的評定性實(shí)驗(yàn)。93 模擬性臺架實(shí)驗(yàn) 在試件實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所選定的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)際的零件，并在模擬使用條件下進(jìn)行臺架試驗(yàn)。由于臺架試驗(yàn)的條件接近于實(shí)際工況,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同時(shí),通過實(shí)驗(yàn)條件的強(qiáng)化和嚴(yán)格控制,可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),還可以進(jìn)行個(gè)別因素對磨損性能影響的研究。94 實(shí)際使用實(shí)驗(yàn) 在上述兩種實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對實(shí)際零件進(jìn)行使用實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性最好。但是實(shí)驗(yàn)周期長,費(fèi)用大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是各種影

43、響因素的綜合表現(xiàn),因而難以對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。通常這種方法用于檢驗(yàn)前兩種數(shù)據(jù)的一種手段。 以上三類實(shí)驗(yàn)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的要求選擇其中一種或幾種。95 實(shí)踐表明:摩擦磨損實(shí)驗(yàn)方法和條件不同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別很大。所以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能地模擬實(shí)際工況條件,其中主要的有:滑動速度和表面壓力的大小和變化、表面層的溫度變化、潤滑狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)條件和表面接觸形式等等。對于高速摩擦副的磨損實(shí)驗(yàn),溫度影響則是主要問題,應(yīng)當(dāng)使試件的散熱條件和溫度分布接近于實(shí)際情況。在低速摩擦副的實(shí)驗(yàn)中,由于磨合時(shí)間較長,為了消除磨合對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,可以預(yù)先將試件的摩擦表面磨合,以便形成與使用條件相適應(yīng)的表面品質(zhì)。對于

44、未經(jīng)磨合的試件,通常不采納最初測量的幾個(gè)數(shù)據(jù),因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)可能不穩(wěn)定。96 一般使用最多的是通用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),它主要用來研究在不同速度、載荷和速度條件下各種材料和潤滑劑的性能,也可以用來進(jìn)行各種磨損形式的機(jī)理研究。 圖4-1為通用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)所采用的試件接觸情況和運(yùn)動方式。試件之間的相對運(yùn)動方式可以是純滑動、純滾動或者滾動伴隨滑動。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)機(jī)的試件采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,也有是在往復(fù)運(yùn)動的。97圖4-1 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)的形式98 試件的接觸形式可以分為面接觸、線接觸和點(diǎn)接觸三種。通常面接觸試件的單位面積壓力只有80100MPa,常用于磨粒磨損實(shí)驗(yàn)。線接觸試件的最大接觸壓力可達(dá)到10001500MP

45、a,適合于接觸疲勞磨損實(shí)驗(yàn)和粘著磨損實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)接觸試件的表面接觸壓力更高,最大可達(dá)到5000MPa,適用于需要很高接觸壓力的實(shí)驗(yàn),例如膠合磨損或高強(qiáng)度材料的接觸疲勞磨損實(shí)驗(yàn)。99 機(jī)械零件的磨損量可以用磨下的重量、體積或者表面的磨損厚度來表示。磨損重量和磨損體積是整個(gè)磨損表面的總和，所以不能反映磨損沿摩擦表面的分布情況。 磨損量的測量是評定機(jī)械零件設(shè)計(jì)的合理性、材料和潤滑劑性能，以及研究磨損機(jī)理的重要指標(biāo)。常用的磨損測量方法有稱重法、測長法、表面輪廓法、壓痕或切槽法。100 稱重法是用稱量試件在實(shí)驗(yàn)前后的重量變化來確定磨損量。通常采用精密分析天平稱重。由于測量范圍的限制，稱重法適用于小試件，對于

46、微量磨損的摩擦副需要很長的實(shí)驗(yàn)周期。如果摩擦過程中試件表層產(chǎn)生較大的塑性變形，試件的形狀雖然變化但重量損失不大，此時(shí)稱重法不能反映表面磨損的真實(shí)情況。 101 測長法是使用精密量具、測長儀、萬能工具顯微鏡，或其它非接觸式測微儀測量試件在實(shí)驗(yàn)前后法向尺寸的變化，或者磨損表面與某基準(zhǔn)面距離的變化。 測長法可以測量磨損分布情況。但是這種方法存在誤差，例如測量數(shù)據(jù)包含了因變形所造成的尺寸變化，接觸式測量儀器的測量值受接觸情況和溫度變化的影響等。 102 表面輪廓法是用表面輪廓儀測量磨損前后表面輪廓的變化來確定零磨損量，即磨損厚度不超過表面粗糙峰高度的磨損。 為了保證準(zhǔn)確地描繪磨損前后相同部位的輪廓，需

47、要通過顯微鏡和試件上的定位基準(zhǔn)確定測量位置。 輪廓法可以記錄表面輪廓在磨損過程中的變化和磨損分布。但是輪廓法測量手續(xù)復(fù)雜，被測零件的形狀和尺寸受量程范圍的限制。103 壓痕或切槽法是人為地在摩擦表面上壓痕或者切槽作為測量基準(zhǔn)，用基準(zhǔn)尺寸沿深度變化的規(guī)律度量磨損厚度。如果在摩擦表面上不同部位布置基準(zhǔn)，可以測量磨損沿表面的分布。 切槽法測磨損與壓痕法十分相似，但是切槽法排除了彈性變形回復(fù)和四周鼓起的影響 。雖然由于切削中的彈性變形和間隙等因素造成槽形幾何誤差，但一般不超過5%，所以測量精度比壓痕法高。 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，因而不能

48、用于研究磨損過程中表面層的組織結(jié)構(gòu)變化。 104 應(yīng)當(dāng)指出：上述各種磨損測量方法的共同缺點(diǎn)是測量時(shí)必須拆卸機(jī)器，所以操作復(fù)雜。此外，測量磨損量隨時(shí)間變化時(shí)，則磨損工況條件將因每次拆裝而改變，而沉淀法或化學(xué)分析法和放射性同位素法可以避免上述缺點(diǎn)。105 沉淀法或化學(xué)分析法是將潤滑油中所含的磨屑經(jīng)過過濾或者沉淀分離出來，再用稱重法測量磨屑重量。 另外也可以采用定量分析化學(xué)的方法測量潤滑油中所含磨屑的組成和重量，這不僅可以測量各種磨損元素的重量，還可以根據(jù)材料使用情況來判斷磨損的部位。 如果定期地從潤滑系統(tǒng)中取出油樣進(jìn)行測量，這兩種方法都可測量磨損量隨時(shí)間的變化。但是它們測量的是整個(gè)表面的總磨損量，

49、無法確定摩擦表面的磨損分布。此外，潤滑油的合理取樣是保證測量精度的關(guān)鍵。106 放射性同位素法是將摩擦表面經(jīng)放射性同位素活化，則在磨損過程中落入潤滑油中磨屑也具有放射性。因此定期地測定潤滑油的放射性強(qiáng)度，就可以換算出磨損量隨時(shí)間的變化。107 由于摩擦學(xué)現(xiàn)象發(fā)生在表面，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，現(xiàn)代表面測試技術(shù)已先后用來研究摩擦表面的各種現(xiàn)象，這其中包括采用表面輪廓儀和電子顯微鏡分析表面形貌的變化。 108 摩擦過程中表面形貌的變化可以采用表面輪廓儀和電子顯微鏡來進(jìn)行分析。 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)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。 采用透射電鏡和反射電鏡可以研究摩擦表面和亞表面的破壞特性、表面氧化膜的形貌。但由于它們只能作復(fù)型檢測，檢測范圍有限、測量誤差大和操作不便，目前已逐漸被掃描電子顯微鏡替代。 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，檢測范圍亦較大，甚至可以直接測量小型零件的摩擦表面。109 在大型機(jī)組或者重要的機(jī)械系統(tǒng)中，要求在