（机械设计及理论专业论文）从微动向滑动转变的过渡区磨损特性的研究.pdf

摘要 本文在大量实验的基础上对微动向滑动转变的过渡区的范围以 及影响微动向滑动转变的因素进行讨论。 从微动向滑动转变的过渡区范围受很多因素影响，在本实验条件 下，对位移幅值对磨损系数的关系图的研究表明：在位移幅值为7 5 um 1 2 5 1 - 1m 之间磨损系数有一个突变，小于7 5um 时磨损系数很 小，大于1 2 5pm 时磨损系数较高且呈现出稳定状态。由此到过渡区 范围是7 5um 1 2 5 1 tm 经过微观分析，在磨损过程中，微动和滑动的磨痕形貌出现了很 大的差异，前者的磨痕区域可分为中心严重磨损区和外围的滑移区 两部分，后者的磨痕区域只有一个滑移区。此外，两者所产生的磨 屑的形貌以及在磨痕区域的分布也有所差异。微动产生的磨屑粒度 较小，且有部分驻留在磨痕区域内：而滑动产生的磨屑粒度较大， 内含部分金属颗粒，且几乎全被排出磨痕区域内。 在磨损过程中，微动和滑动磨损表现出不同的磨损特性。在微动 初期，粘着磨损是主要的磨损机制，当微动磨损进入稳定阶段后， 粘着、剥层和磨粒磨损是其主要的磨损机制。而在滑动磨损过程中， 初期出现了粘着现象，随后很快磨粒磨损就成其主要的磨损机制。 关键词微动；滑动：过穗吨受、 a b s t r a c t as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a sb e e nu n d e r t a k e nt or e s e a r c ht h er a n g e o ft h et r a n s i t i o nb e t w e e nf r e t t i n ga n dr e c i p r o c a t i n gs l i d i n ga n dt h e a s s o c i a t e dc h a n g e si nw e a rb e h a v i o rb e f o r ea n da f t e rt h et r a n s i t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h i st e s t ，t h em a po fa m p l i t u d ea g a i n s tk r i n d i c a t e st h a tt h e r ei saf a rl e s sk ra t a m p l i t u d eb e l o w7 5 p m ，a b o v e 12 5 p mt h ek ra p p e a r st ob eh i g h e ra n db eu n r e l a t e dt ot h ea m p l i t u d e o v e raw i d er a n g e b e t w e e n7 5 h ma n d12 5 9 i n ，aa b r u p tc h a n g eo fk r o c c u r s s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h et r a n s i t i o nr a n g e sf r o m7 5 p , mt o 1 2 5 p m t h e r ei sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e a p p e a r a n c e so f f r e t t e da n ds l i d s p e c i m e n sd u r i n gt h ep r o c e s s o fw e a r t h ec o n t a c ta r e ao ft h ef o r m e r i n c l u d e st w or e g i o n s ：s e v e r ed a m a g er e g i o na n ds l i d i n gr e g i o n ，w h i l e t h el a t t e r si n c l u d e s o n l yo n e ：s l i d i n gr e g i o n m o r e o v e r ，t h e a p p e a r a n c e sa n dt h el o c a t i o n so f t h ed e b r i sr e s u l t i n gf r o mf r e t t i n ga n d s l i d i n ga l s oh a v es o m e u n l i k e n e s s i nt h ei n i t i a l s t a g e o f f r e t t i n g ，a d h e s i v e w e a rist h e p r i n c i p a l m e c h a n is mw h i l et h ep r i n c i p a lm e c h a n i s mi n t h e s t e a d ys t a g e a r e a d h e s i o n ，d e l a m i n a t i o na n da b r a s i o n d u r i n gs l i d i n gw e a rp r o c e s s ，a t f i r s ta d h e s i o n o c c u r s ，a f t e r aw h i l ea b r a s i o nt u r nt ob et h em a i n m e c h a n i s m k e y w o r d f r e t t i n g ，s l i d i n g ；t r a n s i t i o n 1 1 微动磨损概述 第一章绪论 1 1 1 微动的基本概念 微动是发生接触表面上极小振幅的运动，微动摩擦学是研究微动 状态下，材料接触表面的破坏机理，以及研究如何减轻这种损伤的 一门新学科“3 。 可根据以下几个特征判断是否为微动损伤幢”： ( 1 ) 具有引起微动的振动源( 包括机械力、电磁场、冷热循环 以及流体运动所引发的振动) 。 ( 2 ) 磨痕具有方向一致的划痕，硬结斑和塑性变形以及微裂纹。 ( 3 ) 磨屑易于聚团，含有大量类似锈蚀产物的氧化物。 根据运动方向的不同，微动可分为以下四类模式：( 1 ) 平移式微动， 这是最普遍的微动方式；( 2 ) 滚动式微动；( 3 ) 径向式微动；( 4 ) 扭动式微 动。 平移式微动是一种最普遍存在的微动方式，目前已有的文献绝大 部分都集中于对这种形式的研究。滚动式、径向式和扭动式微动在工 程领域中也大量存在。而由两种以上的微动形式组合而成的复合微动 也不少见。由于这些问题十分复杂，因而相关的研究工作并不多。 文献中一般把微动分为三种损伤形式：一是微动磨损，这是指接 触表面的相对位移由外界振动所引起的微动模式，试件不受任何预应 力或是承受固定的预应力( 如拉、压、弯曲应力等) ：二是微动疲劳， 这是指接触表面的相对运动是外界交变疲劳应力引起的微动模式；三 是微动腐蚀，这是指在腐蚀介质中发生的微动模式。严格的说，微动 磨损、微动疲劳和微动腐蚀实质上是微动的三种模式，并非是三种不 同的损伤机制，由微动引起的磨损和疲劳( 裂纹的萌生与扩展) 才是 两种基本的破坏机制，而且这两种机制在三种微动模式中均可能存 亘蜜窑湮盔兰塑土塑塞宝兰丝迨塞苤：夏 在。4 3 微动损伤的几种形式不是孤立的，一般情况下它们可能同时存在 并相互影响，只是在具体情况下，各损坏程度不一样。例如不承受交 变应力的部件，虽然在微动作用下表面或亚表面仍可能萌生微裂纹， 但不可能发生疲劳断裂，因此可看作不存在疲劳问题。反之，断裂是 主要危险的部件，磨损就退居第二位了1 。 1 1 2 微动造成的破坏 微动可以从两个不同的方面对部件产生危害。一个是直接的，即 表面磨损。这可能导致零件松动，功率损失或噪音增加，也可能是由 于磨屑聚集造成运动副咬死；另一个是间接的，是由局部反复作用在 表面或来表面层中产生微裂纹，并在反复应力作用下发展成疲劳断 裂，即微动导致的疲劳，其后果是大大降低构件的疲劳强度，有时可 能造成灾难性事故。“。 微动在结构工程中广泛存在，如在机械传动机构( 各种压配合元 件、链接件、螺栓、键、销、联结件、各种齿轮、凸轮等) ，此外， 在人工移植假体、运输工程等系统中，微动也是影响机构寿命的主要 原因之一。 必须指出，虽然在绝大多数情况下应该避免微动作用，但有时微 动也是可利用的。首先，它有消耗能量的作用，这有得于阻尼振动。 如涡轮中的减震阻尼器就是利用的这个原理。其次，当微裂纹刚起源 时，如微动磨损能及时将其除去，则可避免疲劳裂纹的形成。 综上所述，开展微动摩擦学的研究，减轻微动破坏，具有十分重 要的意义。 1 1 3 微动磨损概述 1 1 3 1 微动磨损的特点”“9 从各方面来看，微动磨损接近于往复式滑动磨损，但其区别在于 ( 1 ) 由于振幅小，滑动的相对速度低，例如一个振幅为2 0 um ， 频率为5 0 h z 的微动摩擦副，其平均速度仅为2 m m s 。如此低的速度。 决定了磨损只能是轻微的。 ( 2 )由于振幅小，微动表面的绝大部分总是保持接触，因此 磨屑逸出的机会很少，它们必然对界面的磨损过程发生影响； ( 3 )局部往复运动中，微动界面大都处于高应力状态，表面 和亚表面变形及萌生裂纹要比一般滑动要严重得多。 ( 4 )微动摩擦不同于一般滑动摩擦下氧化往往减轻磨损，微 振摩擦下氧化会加快磨损。 ( 5 )磨擦表面上出现带色的斑点，它是集结者已被压合的粉 状氧化物的点坑，这是判定微动磨损的主要依据，此外还有微裂纹 或小沟槽。铁在空气中自然形成v f e ：0 ，但是铁的磨屑吸收了应变能 因而有较大的化学活性，在界面高温下形成的是口一f e ：0 。，呈红褐色； 氧化铝通常是白色的，但是铝的磨屑是黑色的。 1 1 3 2 微动磨损的表面特征”3 ( 1 ) 在大气环境中钢微动磨损排出的磨屑呈红色，其中有少量 的金属铁。若在挤压接触下，产生的磨屑不能排出，磨屑呈片状， 带有黑色，是一f e 。o 。磨屑中金属的含量与微动磨损及微动副的性 能有关。在较低的频率，较大的振幅，施加较重的载荷时，磨屑中 金属铁的量较多。而硬度高的钢，磨屑多是细的红色粉末。还有研 究指出，微动磨损磨屑的组成与环境气压有关，在1 o 1 0 5 和1 3 1 0 3 帕的气压下，钢的微动磨屑主要是红褐色的一f e 。0 。，而在较低气压 ( 2 7 帕，1 3 10 “帕气压) 下，主要是黑色的f e 。0 。 铝及其合金微动磨损的磨屑是黑色的，含有一定量的金属铝 ( 2 0 左右) ，其余是氧化铝，用电子衍射分析表明磨屑中的片状颗 粒是立方y 一氧化铝，( 2 1 1 ) 面的方向平行于表面。 ( 2 ) 微动磨损粒子的大小和形状随微动参数，材料的不同而不 同。微动磨损过程中，初始产生的是较大的铁粒子，随后接触面间 被研磨氧化成为细小的粉末粒子。 ( 3 ) 微动还可能产生球形磨屑。这种结构的形成与在局部接触 区的粘着和反复变形有关。 互直窑鋈盔堂巫主丛窒圭兰焦迨塞兰垒夏 ( 4 ) 关于微动参数对磨屑大小和性转的影响，尚缺少系统的研 究。从有的一些结果来看，在较大的微动振幅时磨损粒子较大，较 硬的材料微动磨损磨屑较小。 1 1 3 3 微动磨损的机理 一个完整的微动磨损理论应该对以下现象做出解释。3 ： i 真空或惰性气氛中微动损失较小； i i 微动产生的磨屑主要由氧化物组成； i i i 循环数一定时，低频微动比高频损失大； i v 材料流失量随负荷和振幅而增加； v 低于室温比高于室温的磨损严重； v i 干空气环境比湿空气损伤大： ( 1 ) u h iig 机械化学作用理论” 第一个提出微动磨损模型的是u h l i g 。他认为在通常条件下由两 种因素导致材料损失。一种是化学性质的，一种是机械性质的。由 于相对运动的两表面上凸峰点的摩擦，将氧化层和吸附的气体刮掉， 露出了清洁而活泼的新鲜金属表面，这是机械因素。在每一凸峰点 通过之后，新鲜谨慎将迅速吸附大气中的气体并发生反应，以形成 接近化合比例的氧化物，这就是化学作用，机械和化学作用交替造 成材料损失，因此氧化膜愈厚则磨损量愈大，而在同样的材料和环 境下，氧化物的厚度与新鲜金属暴露的时间即微动频率有关。 但他把氧化作用和机械作用孤立的看待实际上它既未体现磨屑 的作用也看不出滑动振幅对比磨损率的影响因此微动的特点不能 突出，而且他将氧化完全当作有害的因素，忽视了氧化膜能起保护作 用的一面，这显然只能在有限的条件下是正确的。 ( 2 ) f e n g 和r ig h t m ir e 的磨损速率变化理论1 f e n g 和r ig h t m i r e 将微动磨损随着循环数的变化分为四个阶段。 磨损刚开始时，接触表面的大量凸峰迅速被磨掉，重量损失很快， 凸峰磨掉后转入磨粒磨损初期，磨损速率减小，这是初始阶段。过 了磨粒磨损初期，磨粒的作用变得显著，磨损速率变大，即为过渡 阶段的前半期。之后，磨屑集成一定的厚度，磨粒作用减轻，使磨 损速率略有下降，为过渡阶段的后半期。最后的阶段是稳定阶段， 此时磨损速率为常数，磨屑的聚集量和溢出量相等，大致保持一个 恒定的厚度。 他们对微动表面常见的大深坑的形成过程提出了独特的解释，其 模型。当两接触表面的凸峰互相接触时，相对滑动中产生的磨屑落 入凸峰点之间的空隙里，随着磨屑量增加，空隙被填满，磨屑成为 磨粒，变成磨粒磨损过程，在磨粒填充作用下，接触区区域形成一 个小平面，此后磨屑随着磨粒磨损过程而不断增加，最后磨屑开始 流迸邻近的低洼区，并在边缘上溢出。磨损过程中接触区压力发生 变化，由于微动幅值较小，中心区磨粒不易溢出，中心垂直区压力 增加，而边沿由于磨屑外溢作用，压力降低，这样造成了中心的磨 粒磨损比边沿强烈，结果形成接触区中心的深坑。由相同的过程， 可使许多小深坑联结变化成为大深坑。 ( 3 ) 微动第三体理论”2 。”1 1 9 8 4 年，l v i i i c e n t 等提出了一种新的微动第三体理论来解释 微动磨损现象。该理论认为金属间磨损可分为两个过程。一是磨屑 的产生。此阶段的特点是：接触材料发生粘着和塑性变形，产生强 烈的加工硬化和结构变化，微裂纹形成并有磨屑的脱落、碎化和流 动。第二阶段是磨屑的演变阶段( 对钢材料而言) 。在此阶段，磨屑 首先轻度氧化，大小为微米级；此后，磨屑再氧化，大小为1 0 “微 米级，呈褐色；最后磨屑高度氧化，达1 0 1 微米量级，呈红褐色。 第三体理论有明确的力学概念，基于宏观与微观相兼顾的一种 认识。 ( 4 ) 微动图”5 ”。”3 1 9 9 2 年，z h o u 通过大量实验证明每对摩擦副同时存在的材料的 二类微动图。 ( a ) 运行工况微动图。 第一类微动图说明了在不同的运行工况下，三个微动区域( 部 分滑移区、混合区、滑移区) 的分布情况。图中可看到，在极小的 位移或较大的压力下，微动过程处于部分滑移区域；反之，则整个 微动过程处于滑移区域；混全合区域介于二者之间。 f d 图1 1运行工况微动图 ( b ) 材料响应微动图 第二类微动图进一步说明了材料微动损伤机理，相应于第一类 微动图不同区域，在给定听循环次数下微动存在两种破坏方式，一 是微动引起的磨损，一是微动引起的裂纹萌生和扩展。 研究发现，混合区是裂纹快速产生的最危险区域，有超过晶粒 尺寸的裂纹形成，同时伴有较大的表层冷作硬化和少量磨屑；滑移 区经常导致磨损，有大量颗粒剥落形成，在实验剖面常有较多的磨 屑积聚或较深麻坑；而部分滑移区的破坏很轻，通常出现在接触边 缘，在微动斑内不易观测到明显的表面损伤。 f d 图1 - 2 材料响应微动图 微动图的理论对微动研究具有十分重要的意义，使人们更为深 入的理解微动损伤机理，同时提出了在进行微动损伤机理研究时必 须针对相应的区域，否则提出的理论就缺乏全面性哺1 。 1 1 3 4 对微动磨损有影晌的机械因素 影响微动磨损的因素很多，并且各种因素不是简单的迭加，而 是相互影响。这是微动磨损比其它磨损形式更为复杂，更难以认识 和控制的主要原因。下图为微动磨损影响因素的三个主要方面( 图 1 3 ) ： 接触条件： 振幅 负荷 频率 循环次数 试样几何形状 环境条件 温度 湿度 化学性质 润滑剂 动磨损速率和机理 材料性能和表现： 硬度 强度 疲劳性能 氧化和腐蚀性能 裂纹扩展性能 延展性 粘着性能 图卜3 微动磨损影响因素间的相互关系b ( 1 ) 振幅的影响阳1 盯 滑动振幅是最关键的参数，从而受到研究者重视，而进行了大 量的研究。关于导致产生微动磨损的最小微动振幅问题，至今还没 亘妻室追盔堂塑主塑窒塞芏焦迨塞篁! 夏 有定论。一般来说，微动振幅较小时，大部分磨屑保留在接触区， 从而减小金属一金属间的接触，使载荷在整个名义接触面积上更均 匀，有减小微动磨损的作用，表现出有较低的微动磨损率。在微动 振幅较大时，磨屑从接触区排除，金属与金属接触增大，有较高的 磨损率。如果这是磨损率随微动振幅增大发生转折的原因，那么相 应于发生转折的微动振幅与接触的几何形状有关。若经受微动磨损 的接触面形状相似( 如平面一平面) ，为使磨屑从接触区排出要较大 的微动振幅( 与球面一平面接触相比) 。因此研究不同类型几何形状 相接触时的微动磨损与微动振幅间的关系，对于了解微动磨损和为 改善微动磨损提供设计依据都是很有意义的。 ( 2 ) 载荷的影响”1 正向载荷对磨损量的影响曾出现过一些矛盾的结果。过去认为 随着压力增加，磨损量没有明显变化，甚至磨损量随着载荷增加而 减少。这是因为压力增加减少了滑动振幅甚至完全阻止了微动的原 因。当工件或试样接触表面间的微动相对运动是强迫的，且发生在 整个微动接触面上时，微动磨损量与施加的正向载荷间与线性关系。 然而，若压力的增大使发生相对滑移的接触面积减小或是使微 动振幅减小，那么材料的磨损率将下降。 这一事实被利用来改变设计，减小接触面积，从而使面问压力 增大，减小微动磨损。但是若同时发生疲劳破坏时，并不推荐使用 这种方法。因为疲劳裂纹起源于滑移与不滑移的边界，增加压力使 接触滑移边界上的应力集中增高，从而有不利的影响。接触压力( 载 荷) 对微动磨损的影响随着材料硬度的提高而变得不显著。 随着接触压力( 或是装配压力) 的提高，对于在交变应力作用 下的构件，产生微动疲劳裂纹的倾向增大，或是在较低的交变应力 下就产生裂纹。 ( 3 ) 微动频率的影响”3 若根据一定的循环数来评价损伤，则频率越低，损伤越大。频率 影响的实质是化学因素，化学过程与时间有关，频率越低，每次循 环中再生氧化膜有足够时间修复，再生氧化膜越厚，每次除去的材 料也越多。因此可以推论在没有化学反应的惰性环境中，将没有频 率的影响，在氮中实验的结果证明了这点。 亘童窑道盔堂塑主丛窒圭堂丝迨塞篁2 夏 ( 4 ) 循环次数的影响_ ”1 对不同材料和不同的微动参数，微动磨损随微动循环次数的变 化曲线可用下图所示的四种类型表示： 图卜4 微动磨屑产生的体积量与微动循环次数间关系示意图“9 这四种类型曲线的初始阶段有共同的特征，即初始材料较快的 磨损阶段，但材料的迁移率随循环次数增加而下降。这一阶段是金 属间的接触，有较低的接触抗力，较高的摩擦系数，存在有较大的 粘着转移和表面塑性变形。随着氧化物磨屑的形成，进入磨损率保 持不变或下降的阶段( 图卜4 中曲线b 和d ) ，软钢大多有这种特征。 在较大微动振幅时为曲线b ，较低微动振幅时为曲线d 。对于本身硬 度较低，氧化物硬度较高的金属( 如铝) ，表现出有磨损率上升的趋 势( 图卜4 中曲线a 或c ) ，这是由于未被排出接触面的氧化物磨屑 起磨粒作用而加速磨损的结果。 当振幅，频率，负荷等参数固定时，钢的磨损量与循环数成线 性关系，即磨损速率恒定。但在微动开始时有一磨损速率迅速增加 的阶段，这类似滑动磨损中的跑合，实质上是粘着与磨屑的发生和 增长阶段。跑合阶段长短除与材料有关外，也与微动条件有关，条 件激烈，产生磨屑的速度快，跑合阶段就短，反之亦然。在极轻微 的实验条件下，微动开始时，还可观察到一段所谓“潜伏期”。在潜 伏期中，材料完全不受磨损，有的潜伏期可达1 0 循环以上。它实际 是金属上的原始氧化膜破裂之前的阶段，其实潜伏期在激烈条件下 也存在，只是由于时间太短( 有的只几循环) 而难以觉察。 亘匝至亟盍兰塑主堑塞圭堂丝迨塞 蔓! q 亟 ( 5 ) 试样几何形状的影响”“圳 试样的表面接触虽然有多种形式，但总的可以分为三类：平面对 平面，平面对曲面和曲面对曲面，两个相同曲率的曲面配合( 如轴 对轴套) 也应视为平面对平面。几何形状主要从两个方面影响磨损： i 应力分布 平面对平面接触，压力分布均匀，界面上很少出现局部滑动， 表面有均匀的损伤。球面或柱面对平面接触，按赫兹接触理论，压 力呈高斯分布，即使总负荷很小，中心压力也很大。当振幅较低往 往是局部滑动，导致表面不均匀损伤。局部滑动时，中心因无相对 运动，不受损伤，而全面滑动时，情况则相反，由于中心压力最大， 损伤也最严重，使中心部位出现小坑。 i i 保持磨屑的能力 两平面微动时，在表面上均匀产生磨屑，但中心磨屑不易溢出。 在界面上保留时间较长，接触环境的机会较少，聚集的磨屑有可能 使界面压力升高，加速磨损。也可减少振幅，从而减少磨损。球面 对平面接触，磨屑不易保持，对磨损行为产生的影响比前者小。表 面粗糙度对微动磨损影响的报道很不一致。粗糙表面不光洁表面有 较高的塑性系数，在粗糙峰上将发生某些塑性变形，但加工硬化将 阻止它们完全变扁，以致将由粗糙点的弹性变形吸收较多的切向运 动，再者，粗糙表面易于保持润滑剂，这均有利于减少磨损。温度 较高，粗糙度的影响恰好和上述结果相反，较光洁表面比粗糙表面 磨损要小。 1 2 滑动摩擦磨损概述 1 2 1滑动摩擦理论 滑动是两个接触物体的接触点上具在不同速度时的动摩擦，它是 以滑动摩擦力来表征的，是摩擦磨损中最常见的方式之一，如活塞、 连杆的往复运动等。3 _ 2 “2 “”1 。 一般把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研 究。解释摩擦起因的学说主要有：机械啮合学说、分子学说、分子机 械学说、粘着学说。 ( 1 )机械咬合学说“”。”2 。 早期研究摩擦的学者认为摩擦是由表面粗糙不平的机械互锁作 用引起的。他们认为当两表面相对滑动时，由于粗糙不平的表面在不 平处相互嵌入，因而产生阻抗物体运动的阻力。这一学说能解释表面 愈粗糙摩擦系数愈太的现象。但对于经超精加工的非常光洁表面，摩 擦系数反而增大以及摩擦过程中能量的消耗等问题无法解释。 ( 2 ) 分子引力学说”“2 “2 “2 “。 一些学者认为摩擦力是由接触表面的分子作用引起的。他们根 据分子间存在吸力和斥力的假说，利用分子力与分子间距离的函数关 系，导出了摩擦系数与接触面积成正比的公式。这个学说能解释前述 机械互锁学说所不能解释的问题。但根据这一学说，似乎载荷不大时， 表面愈粗糙，实际接触面积愈小，摩擦力就愈小，这又与实际情况不 相符合。 ( 3 ) 分子一机械学说n “”。2 “2 ”。 这一学说强调摩擦的双重本质，认为两接触表面作相对运动时， 既要克服机械变形的阻力，又要克服分子相互作用的阻力：摩擦力 即是接触面积上分子和机械作用所产生的阻力之和。这一学说考虑 因素较多，能适用于多数材料，特别对实际接触面积较大的情况， 更为符合实际。 ( 4 ) 简单的粘着摩擦理论“。 英国著名学者鲍登和他的学生经过对固体摩擦多年的深入研 究，于本世纪4 0 年代后期提出了摩擦的粘着学说。他们认为两表面 接触时，界面由若干相接触的微凸体组成。在载荷作用下，某些接 触点的压力很大，使这些点发生粘着。当两表面作相对滑动时，粘 着点被切断。如果一个表面比另一表面硬，则较硬的微凸体顶峰还 将在较软的表面上产生犁沟。剪切这些粘着点的力和产生犁沟的力 之和就是摩擦力。 ( 5 ) 变形一粘着一犁沟综合作用的学说”2 1 圳。 苏等人7 0 年代后期形成的关于摩擦起因的学说。他们认为两相对 滑动表面之间的摩擦系数是由微凸体的机械变形、磨粒和表面硬微 堕直窑垄盔主亟主蟹窭生兰焦迨塞篁! ! 基 凸体的犁沟作用和平坦表面的粘着这三者综合作用的结果。 1 2 2 磨损概述 1 2 2 1 基本形式“。2 2 在一定条件下，接触点结合的破坏形式是一定的。即磨损机理是 相同的。但磨损现象包含着许多复杂的过程，而且实际摩擦副的磨损 是多种机理听综合作用，因此对磨损的分类方法存在许多不同观点。 通用的一种分类方法是将磨损机理分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳及 腐蚀磨损。 ( 1 ) 粘着磨损。当摩擦表面相对运动时，由于粘着作用使两表面 的材料由一个表面转移到另一个表面而引起的机械磨损现象。 ( 2 ) 磨粒磨损。由于硬的颗粒可表面硬的凸起物引起材料从其表 面分离出来的现象。通常分为二体磨粒磨损和三体磨粒磨损。 ( 3 ) 疲劳磨损。摩擦表面材料微体积由于重复变形使其发生疲劳 而引起从表面脱落的现象。 ( 4 ) 腐蚀磨损。材料在摩擦过程中与周围介质发生化学反应或电 化学反应而引起的物质从表面上损失的现象。这种磨损同时有两个作 用，即化学作用和机械作用。 1 2 2 2 滑动过程中对磨损有影响机械参数”。”1 ( 1 ) 载荷。载荷是影响磨损的重要因素。压力可使表面产生塑性 变形，并导致表面膜的破裂而粘着。一般说来，粘着磨损量和氧化 磨损量都随着压力增大到某一临界值后而迅速增大。 ( 2 ) 滑动速度。般情况下，滑动速度的提高必然引起摩擦表面 温度的提高，从而引起表面层金属的结构和相的状态的改变，在某 一速度范围内这种改变会使金属的状态和性质发生根本的改变。研 究发现，对于同样的金属在同样的载荷作用下，由于滑动速度不同， 将得到不同的磨损形式。 ( 3 )滑动距离。摩擦一磨损过程中，摩擦表面及表层的形貌、结 构与性能发生变化，反过来也使摩擦副的接触特性、摩擦和磨损特 性发生变化。金属的摩擦一磨损过程是一进程，随时间或磨程而变化。 当发生相对滑动时，接触点的结合受到破坏。接触点结合的不断形 成又不断受到破坏的过程中，由于机械的作用、摩擦所产生的热的 作用以及与周围介质发生的物理或化学作用，使材料表层发生变化， 如发生变形、氧化、软化、强度减弱等现象，结果引起表面的损坏 和材料的脱落”8 。2 “3 。 1 3 论文的选题意义与研究内容 1 3 1 问题的提出及研究现状 许多年来，金属微动磨损和滑动磨损都得到了大量的研究，并获 得了许多重要的结论。我们都知道，从摩擦运动幅值的角度来说，当 运动幅值为微米量级时，可称之为微动；反之，当运动幅值很大时， 称之为滑动。然而，究竟幅值低于那一个临界值时可以称为微动，超 过那一个临界值后才能称为往复滑动，即哪一段幅值是试样的运动状 态由微动向往复滑动转变的过渡区，这是一个值得讨论的问题。 在以往的文献中，还没有提到过过渡区这个概念。但在许多研究 所作的实验中，都涉及到随位移幅值与磨损率之间的关系。根据不同 研究者在低碳钢上的实验结果，按比磨损率这个共同标准来比较振幅 的影响，如图1 6 。可看到除一个结果与振幅无关外，其余所有曲线 在5 0 1 5 0pi n 振幅范围内，磨损率增加了两个数量级，说明在这个 范围内确实存在磨损机理的变化”“。 从这些文献看来，随着位移幅值的增大，必然存在一个过渡区， 在此区间试样的运动状态会从微动向滑动转化。但对这个过渡区的摩 擦磨损特性的研究并不多，得到的数据出入也较大。如：v i n g s b o 得 出的值为3 0 0 “m 。“，t o t h 得出的值为5 0 pm ，l e w is 得到的值为 7 0hi n 3 43 ，而o h m a e 得出的值为3 0 0 um 。“( 前述数值均为往复滑移的 峰峰值) 。 亘童窑壅盔堂塑主塑窒皇芏焦迨塞塑! ! 戛 f i 2 悼 鞋 龌 丑 位移幅值( pm ) 图l 一5 不同研究者得到的位移幅值与磨损率的关系示意图“订 有文献指出微动磨损与往复滑动磨损的区别在于“： ( 1 ) 微动状态下，磨损率的增量与振幅的增量成线性关系；而 在滑动状态下，磨损率为一个常量，与滑移的幅值无关。 ( 2 ) 在两种状态下，都会有些氧化的磨屑产生，但在滑动状 态下，磨屑中含有较多的金属微粒。 ( 3 ) 微动状态下，磨屑难以溢出接触区而驻留在接触表面上； 而在滑动状态下，磨屑能很容易的排出接触区，且沿摩擦 方向排歹。 近来也有学者提出一种假定，认为当位移幅值大于赫兹接触区范 围时，即以球对平面接触为例，如果球试件的位移幅值大于赫兹接触 半径的二倍时，此时球试件的运动状态为微动，反之，则为滑动”。 如果这个假定能成立的话，倒的确是个很好的通用准则，但到日前 为止，这个假定还没有得至有力的论据。 1 3 2 论文的研究内容及意义 研究过渡区的摩擦磨损特性有以几个方面的必要性： ( 1 ) 定量确定过渡区的位移幅值范围，研究其磨损机制的变化规 律，具有很重要的科学意义和理论价值。如：从大量文献中发现，微 动时磨损量极小，而进入到滑动后磨损量会急剧增加。那么当位移幅 值处于过渡区附近范围时，采用某些手段将位移幅值减小则可减轻磨 损。 ( 2 ) 为合理选择表面工程技术提供科学依据。不同的磨损机制需 要采取不同的表面工程技术手段。如，当摩擦磨损处于往复滑动状态 时，通常要考虑表面的耐磨性；而处于微动状态时，则主要应考虑接 触疲劳问题。又比如，当运动处于往复滑动时，油或脂润滑通常能有 效的起到减摩作用；而处于微动时，油或脂润滑反而有可能加剧表面 的磨损。 本论文研究的主要内容是： ( i ) 得出g c r l5 对4 5 i t 钢以球对平面方式接触的摩擦副在载荷为 2 0 0 n 、运动频率为5 h z 的条件下从微动向滑动转变的过渡区的范围。 ( 2 ) 当磨损达到稳定状态后，位移幅值对摩擦磨损特性的影响。 即对微动、滑动及过渡区的磨损特性的比较研究。 ( 3 ) 探讨在磨损过程中，处于微动、滑动及过渡区状态下的摩擦 副的磨损特性变化的异同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第二章实验方案及实验结果分析方法 2 1 实验装置简介 本实验在n e n e 电液伺服微动实验机上进行。在标准微动实验 台上进行大位移的摩擦磨损实验会出现的一些问题，如：随实验的进 行，接触面上的压力下降非常的快，这是因为随磨损过程的进行，磨 损量增大，接触面上的间隙增大，从而接触压力减小，以及因试件装 夹的垂向误差而导致的上下滑动摩擦力相差较大等。为此我们对该实 验机进行改进，使装置施加在试件上的法向力由重锤产生。且正确选 用铰轴的配合公差，使之既能相对转动又没有径向间隙。实验装置如 图2 1 所示：在装夹试件时，必须校正实验有钢球和试件的位置精度， 以保证大位移时上下滑动摩擦力基本相等。 l o a dc e l l p i v o t f l a ts p e c i m e n b a l l - s h a p e d s p e c l m 8 1 1 a c t u e t o rr a m 图2 1 试验装置简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 2 实验试样材料简介 实验采用球对平面平移式接触方式。 ( 1 ) 球试样： 试样材料为g c r l 5 ，试样半径为6 0 r a m ，其成分如表2 - l 所示， 性能如表2 - 2 所示。 成分c ( ) s i ( )m n ( )c r ( )n i ( ) g c r l 5 1 00 2 50 3 0 2 50 2 0 表2 - 1g c r l5 主要化学成分表 os ( m p a )ob ( m p a ) h r c e ( g p a ) q ! ! i! z q l 2 q q q 2 三! - l 一 表2 - 2g c r l 5 的主要机械性能表 ( 2 ) 平面试样 材料为4 5 撑钢，调质处理，试样尺寸为1 0 m m x l o m m x 2 5 m m 。其 成分如表2 3 所示，性能如表2 4 所示。 堕坌里( 兰! 坚兰f 墅211 1 墅2 4 5 #0 4 2 0 5 0 0 5 0 0 8 0 0 17 o 3 7 表2 - 34 5 # 钢主要化学成分表 表2 44 5 # 钢的主要机械性能表 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 对磨损过程所采用的实验方法的讨论 对磨损过程的实验有两种可选实验方案：一种是采用精确的定位 装置，在每进行到预定的循环次数后，将试件取下分析，随后再将试 件装夹回原定位置。在原有的循环次数上叠加进行下一步的实验。另 一种是在不同的位置进行不同循环次数的实验。这两种方法各有利 弊，前一种理论上可保证实验在原有磨痕上进行，因而破坏位置相同。 可完全模拟磨损的过程，但需要精准的定位装置。而后一种方式简单 方便。但由于在不同位置进行实验，可能会有不同的初始条件并且损 伤位置也可能不同。但经几次试验后发现，按第一种方案进行处理时 出现了问题。在每经过一个不同的循环次数后，必须将试件取下清洗， 才能观测到试样的表面形貌，但这样就会将已产生的磨屑清除掉，而 磨屑对整个实验起到关键性的作用，这样必将对实验结果有极大的影 响。因而最终选择了第二个方案，并在实验中注意将相近循环次数的 实验放在同一试样块上进行以尽量消除试样个体对实验结果的影响。 2 4 实验条件及实验结果分析方法简介 2 4 1 实验条件： ( 1 ) 实验条件： 根据参考文献的数据及实验装置的实际情况，初拟定实验参数为： 法向力p = 2 0 0 n 位移幅值为4 5um 一3 0 0um 频率为5 h z 循环次数为1 0 次3 0 0 0 0 次 球试样为购买的材料为g c r l 5 的滚珠轴承钢球，平面试样为自制 的4 5 # 钢块，经手工研磨并机械抛光。实验前试样均用酒精和丙酮清 洗，以去除试样表面的粘附层。 亘壹奎堕盔堂塑主堡窒圭堂焦堡塞 釜! ! 夏 ( 2 ) 赫兹接触半径的计算： 根据赫兹弹性理论，球对平面的接触半径为： a = 1 1 0 9 浮( 2 - 1 ) 其中 r 是球的半径为3 0 m m 。 e 是弹性模量为2 0 5 g p a 。 p 是法向压力为2 0 0 n 。 计算得：日= 3 4 0 6 7ui l l 2 4 2 实验结果分析方法简介 实验结束后，通过光学显微镜观测分析磨痕及磨屑的形貌并用数 码相机进行拍照。 显微观察完毕后用超声波清洗试件，用t a l y s u r f 6 轮廓仪测量磨 痕纵横方向的轮廓线，以求出磨损量。 2 4 3 平面试样磨损量的测量与计算 通常，由于微动磨损量很小，测定非常困难，因而所得结果的误 差较大。对于有较大振幅或有足够磨损量的实验，可以采用高精度的 天平称量出磨损失重，然而对于极微量的磨损( 如球对平面的微动磨 损) 来说，用称重法很难得到精确的磨损失重，这就使实验结果难以 进行相互比较。对于这篇论文所做的实验来说，由于过渡区的界定主 要是根据不同位移幅值下磨损量的变化来确定，因而磨损量的测定方 法显得尤为重要。 对球对平面接触方式微动实验来说，由于微动振幅比球的几何尺 寸小得多，微动磨损面的几何尺寸对球的半径来说是个极小量，因而 可以认为平面上的磨损面的曲率远大于磨损面的不平度。如图2 2 所 示 3 8j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 当球在平面上沿y 方向往复微动时，平面的磨损面为一双曲面， 其中，y o z 面的曲率半径为r 1 ，x o z 面的曲率半径为r 2 ，磨斑呈椭圆 形。 如图2 2 ，将x y z 坐标系的原点平移到( 0 ，0 ，r t h ) 处建立新 的坐标系x y z ，如此则半径为r 2 的圆在x 0 z 面上的曲线方程为： x 2 + ( z + r l r 2 ) 2 = r 2 2( 2 2 ) 摩方向 j 犀搛力h 、。 k 2 z j o l 汐。j0 图2 - 2 平面磨斑的纵向截面图m y 使它绕x 轴旋转并再平移回到原x y z 坐标系后所得的旋转曲面方 程为： l 5 _ _ ；弋：j _ x 万一( r ，一r2 ) f + x 2 = r ； ( 2 3 ) 当z = 0 时，则式( 2 3 ) 就表示平面上磨斑边缘曲线方程。 则平面的磨损体积为： y 。= 4 r d xr ，y ) l d y ( 2 4 ) 由于微动磨损的振幅很小，平面上的磨斑在x o y 面上的投影可以 对于平面上的磨斑有a = d 。2 ，b = d 。2 。为了近似计算方便，将椭圆变 看作椭圆，满足方程：x 2 ，a 2 + y 2 b 2 = l 。式中a 和b 均为椭圆的半轴长 换成圆来计算，得l = d 。d ，2 。 亘童奎堕查茎堡主婴窒圭兰焦笙塞 篁! ! 夏 近似将磨痕看作球形，其曲率半径为r r = ( 一+ h2 ) ( 2 )( 2 - 5 ) 则平面的磨损体积v 。为： = 石h 2 ( 3 r 一 ) 3( 2 6 ) 在具体计算时，先用t a l y s u r f6 轮廓仪在顺摩擦方向和垂直摩擦 方向上均测量四到五次，取其中宽度最大的磨痕轮廓作为平面试件的 椭圆形磨痕的长轴和短轴处的轮廓，并计算这两条轮廓线的平均深度 作为h ，r 值则由磨痕的长短轴( 即轮廓线的宽度) 来求得，从而可 计算出平面试件的磨损体积。测量位置如图2 3 所示。图中点划线为 测量位置。 + 一l 摩擦方向 t 图2 - 3 表面轮廓测量示意图 第三章 过渡区摩擦磨损特性的研究 3 1 对磨损的稳定状态的讨论 3 1 1 微动磨损过程 ( 第 用 段 微 动 磨 损 失 重 循环披数 图3 - 1 微动磨损随循环数变化曲线【2 6 各阶段的特征和转化温度随材料及微动参数( 载荷、滑移振幅、 频率) 、环境气氛( 介质、温度) 等的变化而不同。且随磨损过程的 进行，材料的表面状态和接触特性都发生变化，前一阶段的磨损将 影响后阶段过程的进行。 经过一定的循环次数后，微动磨损失重几乎呈直线增加然后达 一一 到了稳态阶段。这时磨屑的溢出和生成达到平衡。许多学者认为： 微动是相对运动速度较低的滑动，它符合剥层理论中提到的假设， 故在考虑粘着，磨粒磨损机制的同时应该注意剥层理论的作用。磨 屑呈片状离开母材表面是剥层理论的重要依据，这在微动摩擦面上 或刚溢出的磨屑中得到了证实。大量实验观察表明，微动磨屑主要 是呈薄片形状脱离母体，但裂纹是否首先在亚表面形成尚难确定。 稳态阶段的特点为： i 界面产生的磨屑和溢出的磨屑相平衡； j i 磨损量与时间或循环数成线形关系； i i i 磨痕和磨屑形貌不再随时间变化。 3 1 2 滑动磨损过程 金属的摩擦一磨损过程是一进程，随时间或磨程而变化。摩擦一磨 损过程中，摩擦表面及表层的形貌、结构与性能发生变化，反过来也 使摩擦副的接触特性、摩擦和磨损特性发生变化。对大多数金属零件 的磨损量与运转时间( 磨程) 的典型关系曲线如图3 2 所示 磨 损 量 时间或磨程 图3 2 磨损量与工作时间的关系 图中可看到磨损过程大致可分为三个阶段，分别是：跑台阶段、 稳定磨损阶段、急剧磨损阶段。 ( 1 ) 跑合阶段：在载荷作用下，摩擦表面上的微凸体的形状发生变 化，真实接触面积逐渐加大，直至相对稳定。此时，摩擦表层 发生塑性变形和加工硬化。磨损率初始很大随后减小直至进入 稳定。 ( 2 ) 稳定磨损阶段：摩擦副经过跑合后，进入稳定磨损阶段。这时， 在摩擦条件不变的情况下，摩擦的实际接触面积保持( 动态平 衡) ，即一些摩擦结点因磨损而破坏，又生成一些新的摩擦结点， 单位面积上的实际接触压力保持一定( 动态平衡) ，磨损率趋于 稳定。 ( 3 ) 急剧磨损阶段：随着磨损过程的进行，摩擦副的几何尺寸发生较 明显的变化。产生大量的磨屑，零件摩擦表面及表层发生严重的 变形，摩擦副的尺寸精度严重下降，摩擦条件发生很大变化，出 现振动严重发热等现象，使磨损速率升高，摩擦副被急剧磨损， 直至报废”。 3 1 3 磨损的稳定状态 从总体上讲，稳态阶段才是材料磨损的主要阶段，由它来评价材 料的耐磨性。比较微动和滑动的磨损过程，当它 f r 达到稳定状态时， 都具有一个共同的特点，那就是体积磨损量与滑动距离或循环次数 成线性关系，即磨损率趋于稳定。 由于磨损系数与位移幅值的关系是界定摩擦副的运动状态从微 动向滑动转变的最重要的因素，由于当磨损进入稳定状态后，磨损系 数才达到稳定，此时对不同的位移幅值下的磨损，才具有可比性。 3 2 位移幅值对摩擦特性的影响 对微动来说，位移幅值是影响摩擦特性的最大因素，由微动的运 行工况图可以看出，随着位移幅值的增大，微动过程会从部分滑移区 向混合区、滑移区转化。而这三种状态的摩擦特性差别很大。但对本 论文所作的实验来说，从所得到的摩擦特性三维图来看，见图3 3 ， 对不同的位移幅值，摩擦力一位移曲线的形状极为相似，呈平行四边 形。也就是说，当摩擦副处于微动的滑移区、过渡区及滑动这三种不 同的运动状态下，位移幅值对摩擦力一位移曲线几乎没有影响。 ( c ) 6 5 9 m 亘直塞塑盔兰巫主巫窒圭主丝丝塞 篁2 1 夏 ( e ) 75 a m ( g ) 12 5 m ( h ) 15 0 9 m ( i ) 2 0 0 m 卫谴蜜亘盔兰堡塑窒圭茎丝迨塞 釜兰夏 图3 3 摩擦特性三维图 从摩擦系数一循环次数图( 图3 4 ) 来看，由图可见，由于金属 表面有污染膜的存在，摩擦过程的初始阶段摩擦系数较低，随着循 环次数的增多，表面污染膜破坏，部分金属表面直接接触，表面间 的摩擦力上升。 比较不同位移幅值的摩擦系数曲线，可见当位移幅值超过12 5um 后，摩擦系数曲线十分相似。而在l0 0um 以下摩擦系数曲线有较大 差异。 ( a ) n u m b e ro fc y c l e ( b ) n u m b e ro fc y c l e col。s芑luo薯oo co嚣e芑