（材料加工工程专业论文）摩擦磨损微观组织形貌仿真.pdf

摘要 迄今为止，针对摩擦学中的一些模拟仿真还只是针对宏观的 形貌和性能的分析，对微观组织的模拟还很少。本文根据试验 结果，分析了不同尺寸、形状和分布情况的石墨及不同基体组 织对摩擦磨损形貌和应力场的影响，并且对材料的摩擦机理进 行了分析。 本文分别对h t 2 0 0 、传统球铁、球化良好和球化较差的低碳 球铁等4 种不同材料的磨损机理和耐磨性能进行了研究，并且 对珠光体、贝氏体和索氏体等3 种不同基体组织的耐磨性能做 了比较。最后用a n s y s 对材料的耐磨性能进行了分析和验证。 文章分析了滚动磨损试样的磨损表面特征和耐磨特性，讨论 了石墨、硬度、基体组织等因素对材料耐磨特性的影响。结果 表明：低碳球铁的耐磨性不仅与硬度有关，而且还与材料的石 墨球形状分布，基体组织等方面的因素有关。通过a n s y s 进行 分析可知，球墨铸铁的耐磨性高于灰铸铁：而球铁中石墨球圆 整、分布均匀耐磨性能会相对提高。结果还表明，在3 种不同 的基体组织中，贝氏体的耐磨性能比较好，如果基体组织为珠 光体，则渗碳体各个层片的间距越小材料的耐磨性能越好。 关键词：低碳球铁；耐磨性能；模拟；石墨；基体 a b s t r a c t a c c o r d i n g t os o m es i m u l a t e de m u l a t i o n si nt r i b o l o g y ，s t i l la i ma t t h ea n a l y s i so f m a c r o s c o p i cs h a p el o o ka n dp e r f o r m a n c em e r e l y ， f o rm i c r o s c o p i co r g a n i z a t i o ni m i t a t el o s ev e r ym u c h t h i sp a p e r h a sa n a l y z e di n f l u e n c eo fd i f f e r e n tg r a p h i t e s i z e ，g r a p h i t es h a p e ， g r a p h i t e d i s t r i b u t i o na n dd i f f e r e n t s t r u c t u r e ，f o r t h e c h a n g i n g f r i c t i o nw e a rs h a p el o o ka n ds t r e s ss i t ea c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t e s t i n g a u t h o ra n a l y z e dt h ef r i c t i o nm e c h a n i s m o fm a t e r i a l t h i sp a p e rh a ss t u d i e dw e a r a b i l i t ya n dt h ew e a rm e c h a n i s mo f 4k i n d so fd i f f e r e n tm a t e r i a lh t 2 0 0 ，d u c t i l ei r o nm a i n l ya n d l o w c a r b o nd u c t i l ei r o n a n d3k i n d so fs t r u c t u r e - p e a r l i t e ， b a i n i t ea n ds o r b i t ew a s c o m p a r e d a u t h o r sa n a l y z e d t h e w e a r a b i l i t yo f d i f f e r e n tm a t e r i a l w i t ha n s y s a u t h o rh a v ea n a l y z e dd i f f e r e n c ew e a rs a m p l i n gp r o p e r t ya n d t h ew e a rs u r f a c ef e a t u r e ，a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo f g r a p h i t e ， h a r d n e s sa n ds t r u c t u r eo nm a t e r i a lw e a r r e s i s t i n gp r o p e r t y s h o w a sar e s u l t ：t h ew e a r a b i l i t yo fl o wc a r b o nb a l li r o ni sn o to n l y c o n c e r n i n g o n h a r d n e s s ，d i s t r i b u t i o n o f g r a p h i t e b u to nt h e s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a l s t h r o u g ha n s y sa n a l y s e sw ec a nk n o w t h a tt h e g r a p h i t e i nm a t e r i a lr o u n dw h o l ed i s t r i b u t i o n e v e n m a t e r i a lw e a r a b i l i t yc a nr i s er e l a t i v e l y ，i ft h es t r u c t u r eo fm a t e r i a l i sb a i n i t eb o d yp e r f o r m a n c ei s c o m p a r i s o ng o o d ，i f t h es t r u c t u r e o fm a t e r i a li s p e a r l i t et h ew e a r a b i l i t yw i l lr i s e w i t ht h es m a l l e r s p a c eo f t h ec e m e n i t e k e yw o r d s ：l o w c a r b o nd u c t i l ei r o n ，w e a r a b i l i t y ，s i m u l a t i o n ， g r a p h i t e i i - 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：专7 导乙铎 日期：细洱驴月，妒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 # 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：全考i 茎血论文作者签名：塾照照缝 日 期：! ! ! 生垒皇! 鱼旦 昆i ! l | 理工大学颂士学位论文 第一章绪论 1 1 摩擦和磨损的简介 第一章绪论 金属的摩擦学是一门边缘学科。它是利用金属学的原理和方法研究摩 擦，磨损过程中发生的各种现象，探讨磨损的起因及影响因素，知道设 计时的选材，确定工艺，达到延长机械零件使用寿命的目的。延长机械 零件的使用寿命，具有重大经济意义。当今世界的能源有大约一半是以 不同的形式消耗在克服机械零件对偶表面的相互摩擦上。由于摩擦导 致的磨损是机械设备失效的主要原因之一，在工业发达的国家，国民经 济总产值的一半是用于更换因磨损和类似情况而造成的废品。正是因为 如此，世界上的许多国家都在积极的开展摩擦学的研究与应用”1 。 我国是一个工业比较落后的国家，许多工业产品的质量水平还不够 高，因此，产品的寿命和可靠性能与国外的先进产品比较仍有很大的差 距。许多零件的耐磨性能很差，如机床导轨的硬度低、材质差，因此不 耐磨大修期短，主要原因是表面刮伤。有的工厂设备的刮伤达到6 0 7 0 。我国机床的大修期一般为四年左右，是国外同类机床大修期的一半。 全国拥有机床一百多万台，维修工人约十万，可见提高工件的耐磨性和 可靠性会有多大的经济效益。 人类对摩擦现象早就有认识，并能够用来为自己服务。史前就已经知 道钻木取火。中国约在公元前2 6 0 0 年就有车的出现，当时应用动物的油 脂作为润滑剂已经相当的普遍。我国应用矿物油润滑剂的记载见于公元 3 世纪前后，西汉张华博物志中提到滔泉延寿和高奴有石油，并且 用于润滑。对摩擦学研究比较早的科学家当属l e o n a r d o d a v i n c e ( 1 4 5 2 15 1 9 ) ，他第一个对摩擦提出科学的论断，认识到摩擦力与载 荷成正比而与名义接触面积无关。后来是1 7 世纪的a m o n t o n ，然后是 18 世纪的c o u l o m b 。到c o u l o m b 的时候，他提出机械啮合概念解释干摩 擦，提出摩擦理论，这时摩擦的基本定律就已经成形了。c o u l o m b 提出 了凹凸学说，即摩擦引起的原因是由于表面的凹凸不平，这些凹凸不平 的微小峰谷之间的机械咬合就引起了摩擦。但是与其同时代的 d e s a g u l i e r sj t 在1 7 2 4 年提出了摩擦的分子学说，他发现刚刚切开的铅 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 球在相互压紧时会发生牢固的结合。他认为在摩擦时材料表面也会发生 类似的力。从1 9 6 6 年j o s t 在其著名的报告中提出建立摩擦学这门新学 科以来，摩擦学取得了重大发展尤其是在8 0 年代，世界各国有关的期 刊和学会纷纷改名，有关的国际学术会议也明显增多，国内外研究摩擦 学的机构也像雨后春笋一样地涌现。然而，进入9 0 年代以后，对于摩 擦学的发展前景国外出现了某些悲观的看法，甚至在一定程度上持否 定的态度，如美国国家自然科学基金会的l a r s e n - - b a s s e 认为摩擦学正 处在生死关头，还有人认为摩擦学不是一门独立的学科。于是一些摩擦 学实验室更名，研究人员改行。摩擦学这个术语也从美国国家自然科学 基金会的项目和计划中消失。一门新学科的发展道路往往是曲折的，摩 擦学当然也不例外。1 9 6 6 年在英国建立摩擦学时，就没有立即得到其它 国家有关学者的承认。在相当长的一段时间里，美国和日本的学者仍坚 持采用“润滑”这个术语。直到8 0 年代，他们才接受摩擦学这个词，将 有关期刊改名。由此可见，在摩擦学建立之初，就已潜伏着摩擦学是不 是一门新学科的危机只不过后来暂时被各国对工业和国民经济各部门 调查出的有关经济损失的惊人数字所掩盖罢了e 3 。 在国际摩擦学界，关于摩擦学是不是一门独立的学科以及它是什么 性质的学科的最新观点是2 0 0 0 年1 月在德国o s t f i l d e r m 举行的第1 2 届 摩擦学国际研讨会上提出的。在大会上，j o s t 提出了摩擦学是“多学科” ( m u l t i d f i ：i r l l i n a r y - o b j e c t ) 的观点3 ，显然，从他1 9 6 5 年创立摩擦学之 初认为摩擦学是一门边缘学科的观点退了一步：而w i n e r 则认为摩擦学 是为了改普形象，人为地组成的“学科群”( d i s c i p l i n a r y - g r o u p ) ，并认为 它只是依附于机械系统的一种必器的重要技术。 通常认为摩擦学孕育于1 9 世纪8 0 年代。即此时摩擦学的研究与开 发开始和现代机器与现代工艺技术相联系。在此期间初步建立了一些 摩擦学原理。其中包括h e r t z 关于弹性应力和接触应力的理论( 1 8 8 2 年) ： p e t r o v ( 俄) a nb e e e h u m t o w ( 英 揭示了工作良好的径向轴承存在液体膜 的现象( 1 8 8 2 年) 。以及r c y n o l d s 建立的科学的润滑理论( 1 8 8 4 年) 等。3 0 多年以后，h a r d y 发现并研究了边界润滑现象( 1 9 2 0 年) 。再过4 0 多年 以后。创立了t r i b o l o g y 这个新术语。正式建立了摩擦学学科( 1 9 6 6 年) 。 磨损是由摩擦引起的、在日常生活国民经济的各个领域中普遍存在的 现象，像冶金矿山，建材工业、电力工业、机械工业、农业机械、国防 昆明理工大学硕士学位论立 第一章绪论 工业啦及航空、航天等等处处存在摩擦，处处都有磨损。材料磨损是两 个以上的物体摩擦表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温度 环境的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。磨损造成机 零件失效的主要原因之一，对机械零件寿命、可靠性有极大的影响。磨 损是摩擦的结果长期以来，人们对摩擦的研究较多，对摩擦的理解和理 论的研究也较透彻，而对磨损的理解和理论研究还远远不够，磨损虽然 是普遍存在现象，但其种类繁多，相互之间的关系十分复杂。 从磨损的特征与结果分析，任何一种磨损都发生在物体的工作表面 上，但不仅物体表面宏观发生变化，而且物体微观组织结构及其性能也 会发生变化，同时会产生一定数量的磨损产物，像机床导轨、各种齿轮、 拖拉机履带板、球磨衬板等等。在运动中都产生磨损，造成材料损耗， 浪费能源，导致机械零件失效，甚至造成露大事教和经济损失。 从物理与化学观点分析，磨损是发生在两物体相对运动的表面，而且 是在很薄的一层工作表面上，在磨损过程中一个重要的特征是机械能转 变为热能，加热与冷却都以非常快的速度进行，_ _ 物体表面具有相当大的 活性和相当高的自由能，材料表面与亚表面的组织与性能同内部是不一 样的。对固体金属来说当温度低时，原予活动披弱，低温变形后，表 面的原子数将不会有多大变化，而在高的温度下，表面原子的活动能力 增强，因此，材料的结构可能会出现粲种程度的_ 墓新调整与改变，结果 是金属性质和能量发生变化。材料表面原子会与环境( 介质) 发生相互 作用，产生物理吸附、化学暇附或化学反应，使= l 孝料表面可能产生加工 硬化层或者形成表面结构，将会影响材料的磨损过程。可以说磨损是一 个动态过程。 从原子与作用力来分析，由于相互接触的两物体表面，其中一物体表 面的原子可能与另一物体表面的原予极靠近，甚至进入斥力场，在相对 运动时，两表面分子就会产生能量损耗。在相对运动中将有些原子进入 斥力场，而有另一些原予将离开斥力场，其变化大小，决定于接触程度， 而其定量数决定于统计学的相率。当两物体充分接近时原子将被排斥而 其自然的趋向是回到它原来的位置上去，然而这是个似乎不可能的假说， 即原子可能被冲击出，并运动得足够远，以至进入相对表面上另一个原 子场内，在这里得到新的平衡位置。也就是说原子可以冲一个物体表面 上被对面的另一物体表面俘获去。按汤姆林逊的著作，这就是磨损的实 昆明理工大学硕士学位论文 第一章结论 质。 磨损过程的研究，相对摩擦来讲起步较晚，对磨损许多问题的研究还 很不够，对磨损的定义和分类尚不统一。但有一点是无疑的，当两个相 对运动的物体表面发生摩擦时，必然产生磨损。这是到处可见的现象。 这一现象，看上去很简单，实际上很复杂，影响因素很多，涉及弹一 塑性力学、金属学、表面物理化学以及材料学等多种学科，虽然经过了 较长时间的大量研究，但迄今为止对磨损机理的研究还很不够，也还没 有一个可靠的简明的定量公式。对一些磨损现象，也许我们懂得它的含 义，但下一个确切的定义又并非易事。下面的几个定义供参考。 ( 1 ) 英国的机械工程师协会所下定义为“由于机械作用而造成的物 体的表面材料的逐渐消耗”。 ( 2 ) 前苏联的克拉盖尔斯基所下的定义为“由于摩擦结合力的反复 扰动而造成的材料破坏”。 ( 3 ) 美国材料实验学会( a s t m ) 标准关于磨损的定义是“由于物体 的表面与相接触的物体间的相对运动造成物体表面的损伤，还常有材料 的逐渐损失”。 ( 4 ) 德国1 9 5 3 年h w a h l 起草的试行标准d 1 n 5 0 3 2 0 中定义为“从技 术意义上来说，磨损应理解为工作物体表面由于机械原因导致小颗粒松 脱而出现的一种不利变化”。在1 9 7 9 年修订d 1 n 5 0 3 2 0 是又定义为“磨损 是一个物体由于机械原因，即与另一个固体的、液体的或气体的配对件 发生接触和相对运动，而造成的表面材料不断损失的过程”。在定义后又 加了三个注 ( 5 ) 1 9 6 9 年制定o e c d 汇编“术语和定义”中，对磨损定义为“磨损 是物件由于其表面相对运动。而承载表面上不断出现材料损失的过程”。 此定义后人们认为通常磨损是有害的，但有时适量的磨损是有益的，如 在磨合过程中。在上述定义中，强调某种作用而忽视了另一些作用，如 第1 个定义强调机械作用，而忽视了电和化学作用，第2 个定义则强调 疲劳的作用。虽然各定义有所区别，不难看出：材料的磨损有三大要素： 第l 材料表面特性，第2 另一物体( 液体、气体和固体) 的接触特性， 即接触方式、力的传递和表面变形等，第3 相对运动。3 ”。 1 2 摩擦磨损的分类 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 摩擦 1 ) 摩擦的分类 8 】 两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或具有相对运动 的趋势时，在接触面问产生切向的运动阻力称为摩擦力。这种现象称为 摩擦。因为它与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状 态无关，所以称为外摩擦。阻碍同一个物体( 如液体或气体) 各个部分 之间相对运动的摩擦称为内摩擦。 摩擦现象在自然界是普遍存在的，只要是有相对运动就会有摩擦的 存在。根据摩擦副的工作条件，可以分为不同类型的摩擦。按摩擦副的 运动状态可以分为静摩擦和动摩擦。按摩擦副的运动形式可以分为滑动 摩擦和滚动摩擦等。 另外，现代机械设备中的摩擦副不少是处于高速、高温、低温、真 空、辐射等特殊的条件下。其摩擦磨损性能也各具特点。因此，也可以 将摩擦分为正常工作条件下的摩擦和特殊工况条件下的摩擦。 古典摩擦定律即阿蒙顿一库仑( a m o n t o n - c o n l u m b ) 摩擦定律，主要 内容如下： ( 1 ) 摩擦力与作用于摩擦面上的法向载荷成正比； ( 2 ) 摩擦力与表观接触面积的大小无关； ( 3 ) 静摩擦系数大于动摩擦系数； ( 4 ) 摩擦力与滑动速度的大小无关； 古典摩擦定律是试验定律，它揭示了摩擦的性质。几百年来，它被认 为是合理的。但是，近代对摩擦的深入研究，发现上述定律与实际情况 有许多不符的地方。例如：第一条当法向压力不大时，对于普通材料， 摩擦力与法向载荷是成正比的。但实际上，摩擦系数不仅与摩擦副材料 性质有关，而且与其他许多因素有关，如温度、表面粗糙度、表面污染 情况等。另外，当压力很大时，使得实际接触面积接近表观接触面积， 以及对极硬材料或极软材料摩擦力与法向载荷不成线性比例关系。第= 条仅仅对有一定屈服点的材料( 如钢铁) 才能成立，而对于弹性材料， 摩擦力与表观接触面积的大小则存在着某种关系。对于很洁净、很光滑 的表面，或承受载荷很大对，由于在接触面间出现强烈的分子吸引力， 故摩擦力与表观接触面积成正比。第四条，对于很多材料，摩擦系数与 5 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 滑动速度有关。 故此对于摩擦和磨损的一些现象用古典的摩擦理论来揭示是行不通 的，还需要在古典摩擦理论的基础上进一步完善和发展。 2 ) 摩擦的起因 揭示摩擦起因的理论主要有：分子吸引理论、机械啮合理论、分子机 械理论、微凸体的相互作用理论以及枯着理论。对于金属摩擦副来说， 粘着理论是比较令人满意的 一、分子吸引理论 摩擦的分子理论是6 a 汤姆林逊( t o m l i n s o n ) 于1 9 2 9 年提出的。 它根据晶体晶格内的原子力的性质，推算出了固体干摩擦的表达式。根 据机械功与原予一原子碰撞总能量消耗相平衡得出摩擦系数u p = a e n 。a p = a e 陵p 。 ( 1 一1 ) 式中p o = p n 。平均排斥力 n 。每行中被排斥的原子数目 e原子与原子碰撞时的总能量损耗算术平均值 p两个表面问的总斥力 e 。晶体内原子问的距离 a概率因子 二、机械啮合理论 当两个凹凸不平的表面接触，凹凸部分彼此交错啮合，在发生相对 运动时，互相交错啮合的凹凸部分就唆阻碍物体的运动。摩擦力就是这 些啮合点的切向阻力的总和。 三、分子机械理论【9 儿1 0 】 克拉益尔斯基提出了分子机械啮合理论。他认为，摩擦力不仅仅取决 于克服两个接触面间的分子作用力，面且还取决于因粗糙面微凸体的掣 沟作用而引起的接触体形貌的畸变。分子相互作用发生在薄膜中，触及 到固体表层几百微米的深度，机械相互作用的过程发生在固体表面厚度 为几十微米和更厚的各层中。由于这两个过程发生的部位不同，因此可 将分子阻力和机械阻力二者近似的相加，即： f = f 。+ f 。( 1 - 2 ) 而f a ta r + bl 式中f 。一摩擦力的分子分量 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 f 。一摩擦力的机械分量 四、粘着摩擦理论】 这一理论是f p 鲍登( b o w d e n ) 和d 泰伯( t a b o r ) 提出的。他们认 为，两种金属表面间的摩擦过程中，会形成大与分子量级的金属接点及 对它的剪切。此外，如果一个表面比另一个表面硬，则较硬的表面的凸 点会在比较软的表面的上犁进一定的深度。摩擦阻力可以用两项的和来 表示，其中一项代表剪切过程，另外一项代表犁沟过程。 1 2 2 磨损 磨损是种普遍存在的现象，凡是两个物体相互接触并且有相对运动 的表面都会发生磨损。磨损是一个复杂的过程，它涉及机械、材料、物 理、化学等许多个学科。在具体的情况下，影响磨损的因素很多，它包 括工作条件、润滑方式、环境因索、零件表面质量及物理化学特性等。 其中每一个因素的改变都可能使磨损量改变，甚至使磨损机制改变。 一般认为，磨损是物体工作表面材料在相对运动中不断损失或破坏的 现象。对磨损的研究现在还不够透彻，分类尚不统一，目前多以破损的 特点把磨损分为四类【1 2 1 ： a 粘着磨损( a d h e s i v ew e a r ) b 磨料磨损( a b r a s i v ew e a r ) c 接触磨损( f a t i g u e w e a r ) d 腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) 在这些磨损形式中，磨料磨损最为普遍，约占磨损事例的5 0 左右。 粘着磨损为次，约占1 5 左右。腐蚀磨损为8 左右。 一 粘着磨损的分类 粘着磨损理论指出：两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下表层发生 塑性变形，表面的污染膜氧化膜破裂，新鲜金属表面裸薅，由于分子力 的作用使两个表面焊合起来。如果外力克服不了焊合点及其附近的接台 力，便发生咬卡：当外力大于这个接合力的时候，外力克服接合力处的 剪切强度，接合处被剪断。若是剪切发生在原来的接触面之间，而且是 发生在强度较低的一方，那时强度较高的材料表面上将粘附软金属，这 样便产生粘着磨损。 粘着磨损可以分为以下几类1 1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 涂抹( s m e a r ) 昆胡理工大学硕士学位论文第一章绪论 剪切发生在离粘着接合点不远的较软的金属的浅层内，软金属涂抹在 硬金属表面上，形成轻微磨损。 ( 2 ) 擦伤( s c r a t c h ) 剪切发生在软金属的亚表层内，有时硬金属表面也有划伤。 ( 3 ) 粘焊( s c u f f i n g ) 粘焊又称为胶合，它是一种固相+ 焊合。以塑性变形为主要起因，分 子吸引造成的冷焊叫第一类胶合。以表面温升为主要原因而引起的热焊 称为第二类胶合，也有人称为热粘着。粘焊中程度较重的称为撕脱 ( g a l l i n g ) 。粘焊中程度较轻的称为却痕( s c o r i n g ) 。 二 磨料磨损韵分类【1 s l 【1 6 】【1 】 当硬颗粒，如岩石、沙粒魂慕孥硬金属碎片，在压力作用下滑过或滚 过材料表面，就产生了磨料磨损。 ( 1 ) 凿削式磨料磨损 由于磨料对材料表面进行商应力碰撞，从材料表面凿削出颗粒状的金 属，被磨表面形成很深钓犁沟。典型的实侧如挖掘机的斗齿，破碎机的 锤头等 ( 2 ) 高应力碾碎式磨料磨损 当磨料与材料表面之闻的接触应力天予磨料的压溃强度时，一般金属 材料表面被拉伤，韧性材料产生靼性变形或疲劳，脆性材料则产生碎裂 或剥落。 碾碎式磨料磨损与凿削是切削机理不同，磨粒在压碎之前几乎没有 滚动和切削的可能。它对被麝表面的主要作用是接触处集中的应力造成 的。对于塑性材料而言，就像打硬度那。样。磨料使材料表面发生塑性变 形，许许多多“压头：对材料表露律用。使之发生不定向流动，最后由 于疲劳而破坏。脆性材料几乎不发生塑性流动，磨损主要是脆性破裂的 结果。 ( 3 ) 低应力擦伤式的磨料磨损 当磨料与材料表面之闻的作用力小于磨料的匝溃强度时，材料表面只 发生微小的划痕( 擦伤) 例如梨铧，运输机械的刮板及与灰尘相接触的 机械零件多承受这种磨损。 三疲劳磨损 在纯滚动或滚动与复合摩擦工况下，表面因受到交变应力的反复作用 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 造成的磨损称为疲劳磨损。 四磨蚀磨损及其它 在摩擦过程中金属与周围介质发生化学或电化学反应，由于摩擦和反 应的综合作用使材料发生尺寸和重量损失的现象称为腐蚀磨损。随着周 围介质的改变，以及它们作用方式的不同，腐蚀磨损可以分为氧化磨损、 微动磨损和气蚀。 ( 1 ) 氧化磨损 绝大多数金属表面都有氧化膜覆盖着，在摩擦时这种薄膜有防止粘着 的作用( 因为氧化膜的结构性能与基体金属不同：它们隔绝了基体金属 的直接接触和焊合) 。当摩擦使它们同时遭到破损时，新鲜金属表面裸露， 如果氧化膜能够迅速愈合，不致使新鲜金属表面的分子互相接合；此时 就不会发生粘着，这种氧化膜就有抗粘着的良好作用，相反，在高真空 的条件下，周围介质含氧量很少，氧化膜破损后不能很快的愈合，金属 的粘着磨损就很严重了。这就是氧化磨损。 ( 2 ) 微动磨损 摩擦表面的相互作用往复运动，其振幅在1 r a m 以下的干摩擦磨损称 为微动磨损。这种磨损形式多发生在紧固连接而又承受振动的零件上。 ( 3 ) 气蚀 气蚀发生在零件与液体接触并由相对运动的情况下，是一种破坏性很 大的磨损形式。当液体与材料表面接触时，如局部压力低于其蒸发压， 那里便产生气泡。气泡运动至高压处，高压使气泡破裂，瞬时产生极大 的冲击力，这种气泡形成与破裂多次在材料表面重复，零件表面可能发 生疲劳，表面物质逐渐脱落，形成麻点状、泡沫状、海绵状的磨损痕迹， 这种磨损现象常发生在水轮机叶片，船舶的螺旋桨上。 ( 4 ) 氢致磨损 摩擦介质中或者金属内部的氢在摩擦时使之在金属表面富集，在表 面变形层内同时出现大量裂痕源，然后形成细碎的蘑屑，这是一种值的 深入研究的磨损形式。 世界上对摩擦磨损的认识和研究早就已经开始，对微观组织对耐磨 性能的影响的研究也已经开展，但是对于微观组织在摩擦过程中的变形 应力场的模拟还很少见到报道。 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 a n s y s 简介1 8 1 a n s y s 程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化、融结构、热、 流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛的应 用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、 国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工业、地矿、水利、 日用家电等一般工业及科学研究。 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡， 目前是世界c a e 行业最大的公司。a n s y s 软件的最初板与今天的版本相 比有很大的区别，它仅仅提供了热分析及线性结构分析的功能，是一个 批处理程序，只能在大型计算机上使用。2 0 世纪7 0 年代，非线性、予 结构及更多的单元类型的加入；2 0 世纪7 0 年代末，图形技术和交互操 作方法的应用使的a n s y s 程序法得到了很大的改善，前后处理技术进入 了一个崭新的阶段。最新版本的a n s y s 推出了动力分析( l d - d y n a ) 、 概率设计系统( p d s ) 、计算流体动力学功能以及多物理场功能均作了很 大的改进与提高。 a n s y s 的主要技术特点如下： 数据统一：使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前 后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 强大的建模功能：具备三维建模能力，仅仅依靠a n s y s 的g u i 就可 以建立各种复杂的几何模型。 强大的求解功能：提供了各种求解器，用户可以根据要求选择核是 的求解器 强大的非线性分析功能：a n s y s 具有强大的非线性分析功能，可以进 行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 智能网格的划分：a n s y s 根据模型的特点自动生成有限元网格 可以实现多场耦合功能：a n s y s 可以实现多物理场耦合分析，研究各 物理场阅的相互影响 提供了与其他程序接口：a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分 析软件的接口程序，可实现数据共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n 、 a l g o r a f e m 、i - d e a s 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、p a r a s o l i d 等。 良好的用户开发环境：a n s y s 开放式的使用户可以利用a p d l 、u i d l 、 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 和u p f s 对其进行二次开发。 1 4 选题意义 ( 2 ) 正如前面第一部分文献综述所提到的那样，前人已经对摩擦 和磨损作了大量的研究工作，并且也对形貌进行了部分的研 究，但那只不过是针对宏观的形貌研究，对磨损微观形貌的 模拟还鲜见报道。本课题是针对不同基体组织、不同石墨球 大小、不同石墨形态和不同石墨分布的工件进行研究。分析 其应力场和变形情况。这是前人所没有做过的工作。 通过本次研究的模拟结果可以对磨料磨损的机理有一个更 加深入地探讨，能够观察到摩擦过程中基体组织的变形情况 和应力场的分布情况，这样可以对摩擦机理的研究有一定的 启示作用。 1 5 试验的可行性分析 ( 1 )因为本次研究前人从未涉及过的，所以研究方案，试验方法 还有待进行进一步的探索。 ( 2 ) 在用a n s y s 进行模拟的过程中会涉及到不同基体组织的机械 和力学性能，比如纯铁索体，纯渗碳体的力学性能，有一些 基体组织的性能可能会查不到，只能找一些性能相近的材料 的性能参数进行替代。 ( 3 ) a n s y s 是功能强大的有限元分析软件，其强大的图形处理功 能和分析功能是本次试验的成功成为可能。 1 6 预期目标 ( 1 ) 用a n s y s 进行工件微观形貌的模拟，并且根据模拟验证一些 在摩擦过程中出现的现象，并且对与不同材料磨料磨损的摩 擦机理进行进一步的探讨。利用a n s y s 对不同微观组织形貌 的工件在摩擦过程中的受力状况进行模拟分析，根据模拟验 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 证一些在摩擦过程中出现的现象，探讨不同在材料磨料磨损 时的摩擦机理和规律。 将滚动摩擦的试验结果和模拟结果进行比较和验证。争取使 模拟结果和试验结果基本吻合。 对磨料磨损的有一个更加深入的认识。 对摩擦磨损和其微观形貌的模拟有一个深刻的认识，并且能 够发表有较高水平的论文1 2 篇。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章试验内容及方法 第二章试验内容及方法 2 1 试验方案设计 本次试验简化试验方案设计如下所示： l 确定材料的成分，浇 i 注得到试样 l 对试样进行退火处理 l以便于机加工 l机加t i 进行淬火，正火，调 i质及等温淬火 磨床加工 进行滚动摩擦磨损 试验得出试验数据 拍摄扫描电镜照片及 金相照片 图2 - 1 工艺路线图 昆明理工大学硕士学位论文 第二章试验内容及方法 2 2 试样的制备 2 2 1 试样的浇注 试样制备采用手工造型，造型6 箱，如图2 2 所示每一箱可以得到 两个圆片形试样和两个圆柱形试样。浇注系统采用了压边浇口，中间的一 个圆柱为压边浇口，下面的两个圆柱和圆片为所需要的试样。这种浇注 系统的补缩效果好。可以得到质量比较好的铸件。 图2 2 浇冒系统的设计 本次试验将研究不同金属基体，不同石墨球形状、大小对铸铁磨损形 貌的影响规律，分析试样经过滚动摩擦试验后表面形貌的差异。本文选 用了灰铸铁、传统球墨铸铁、球化良好和球化效果较差的低碳球墨铸铁 等4 组试样进行对照。各组试样的化学成分如下表： 昆明理工大学硕士学位论文 第二章试验内容及方法 材料名称 c s i m n 状态 h t 2 0 03 21 8o _ 8正常 传统球铁 3 52 8o 6 正常 低碳球铁( 球 1 52 4 o 4 正常 化效果好) 低碳球铁( 球 1 5 2 40 4 半球化 化效果差) 表2 1 滚动摩擦磨损试样主要化学成分 图2 - 3h t 2 0 0 图2 4 传统球铁 图2 5 球化良好低碳球铁图2 - 6 球化较差低碳球铁 从图2 6 中可以看到h t 2 0 0 试样的石墨形状为片状，代表石墨形状 极差的一种类型，通过对h t 2 0 0 摩擦形貌和球型石墨的摩擦形貌作一个 对比，能在一定程度上说明石墨形状对摩擦形貌的影响。传统球铁石 墨球比较圆整，机械性能和低碳球墨铸铁相似，但是石墨球的尺寸比低 碳球铁大，通过和低碳球墨铸铁耐磨性能的对比来说明石墨球大小对摩 擦磨损形貌的影响。 低碳球墨铸铁的石墨球细小且分布均匀，其耐磨性能良好，通过对其 摩擦形貌观测可以对摩擦机理进行探讨。球化效果良好和球化效果差的 低碳球墨铸铁耐磨性能的对比，可以得出球化效果和石墨球分布对滚动 昆明理工大学硕士学位论文 第二章试验内容及方法 摩擦磨损形貌的影响。经过热处理得到石墨大小和分布一致但金属基体 组织和硬度不同的试样，这就能够对比不同基体组织和硬度对摩擦形貌 的影响。 试验原材料选用生铁和废钢，生铁为球铁专用生铁q 1 2 ，废铜采用轧 材废料2 0 4 钢。使用的孕育剂和球化剂为西安生产的孕育剂和球化剂， 用该孕育剂和球化剂来进行球化和孕育处理。各种原材料的化学成分及 配料如下2 0 1 1 2 1 l ： 名称 生铁 废钢硅铁锰铁稀土镁 成分 c ( )4 3 3o 2 s i ( ) 1 2 6o 2 67 54 0 m n ( )0 2 0 56 0 s ( ) 0 0 4 o 0 4 p ( ) 正火。 3 4 摩擦磨损试验结果 试样使用万分之一的物理分析天平来称重，天平的精度非常高。在称 重前应先用丙酮和酒精把试样清洗干净。 实验前重量实验后重量实验失重( r a g ) z q t 7 2 5 1 8 97 2 5 1 5 93 o d q t 7 2 4 8 4 17 2 4 8 2 12 0 t q t 7 2 5 2 6 87 2 5 2 6 30 5 z b c7 5 7 3 7 97 5 7 3 5 12 8 d b c7 5 6 2 1 27 5 6 2 0 8o 4 t b c 7 5 9 3 6 87 5 9 3 5 41 4 z g c7 4 6 9 l o7 4 6 8 8 72 3 d g c7 4 5 9 3 47 4 5 9 2 7o 7 t g c7 4 6 2 5 47 4 6 2 3 91 5 z h t7 5 7 7 1 7 7 5 7 6 0 41 1 3 d h t7 1 7 1 4 8 7 1 7 0 9 85 o t h t 7 z 7 0 0 77 2 6 9 0 5 1 0 2 3 - 3 试样的摩擦磨损试验结果 在试验的过程中，通过观察摩擦力矩的变化知道上下试样的受力情 况和观察磨损过程的稳定性情况，特别是在试样的预磨阶段。通过这一 观察，可调节预加力的大小。如果力矩的变化范围很大，说明预加的力 过大，需要减少，待上下试样运转平稳之后再增加，直到平稳，又再增 加，直到加到1 0 0 0 n 。下面介绍一下滚动摩擦磨损过程中摩擦系数的计 算。 摩擦系数的计算公式如下： f = p ( f r ) ( 3 - 1 ) 式中：厂一一摩擦系数 口一一摩擦力矩( n m m ) f 一一所加的力，f = 1 0 0 0 n ( n ) 矗一一试样的半径，r = 2 0 m m ( r a m ) 试验中所测得摩擦力矩一般为1 5 3 0 n m m ，因而代入上式得到试验中 得摩擦系数在o 0 5 o 1 5 之间。 一滚动摩擦磨损接触应力的计算 相互滚动的表面接触处应力的性质和数值可以用赫兹公式来求得。 在滚动磨损时，最大应力在接触面上，但是最大剪应力却在离表面一定 距离的亚表面上。 图3 7 是圆柱滚动接触和应力示意图c 2 8 。 最大赫兹应力的数值可由下式求得： 仃。= 0 4 1 $ x “p x ) ( r o ) ) 1 7 2 式中：p 一载荷，在本试验中p = 1 0 0 0 n 嚣 昆明理工大学硕士学位论文 第三章试验结果及分析 e o = 2 e t e z ( e 。+ + e ：) ，在本试验中e 。= e ：= 2 0 1 0 5 m p a ( 该数据 在m t st e s t s t a r6 1 0 试验机上测出) ，所以e 。= 2 0 1 0 5 m p a r o = 10 r a m 因此： l 试样接触宽度( m m ) ，本试验l = 1 0 m m ， r 一当量曲率半径，r o = r 1 r 2 ( r l + r 2 ) ，r 1 = r 2 = 2 0 m m ，所以 = 0 4 1 8 x ( ( 1 0 0 0 x 2 o x l 0 6 ) ( 1 0 x 1 0 ) 1 7 2 = 5 9 1 1m p a 由此可见，本试验中滚动摩擦接触应力是较大的 3 5 扫描电镜分析结果 图3 8 正火处理球化效果好的低碳球铁( z g c ) 磨屑在基体组织上的犁沟 昆明理工大学硕士学位论文第兰章试验结果及分析 图3 - - 9 等温淬火处理球化效果差的低碳球墨铸铁( d b c ) 磨屑在基体上的犁沟 图3 一1 0 调质处理球化效果好的低碳球墨铸铁( t g c ) 磨屑在羞体的犁沟 昆明理工大学硕士学位论文 第三章试验结果及分析 图3 一l l 等温处理球化效果好的低碳球墨铸( d g c ) 7 磨损过程中石墨不圆整部位出现裂纹 图3 1 2 等温处理传统球铁( d q t ) 磨损过程中球铁中出现的裂纹 昆明理工大学硕士学位论文 第三章试验结果及分析 图3 1 3 正火处理球化效果好的低碳球墨铸铁( z g c ) 磨损过程中在石墨的边缘部位出现裂纹 图3 1 4 正火处理灰铁( z h t ) 犁沟通过片状石墨 一3 2 昆明理工大学硕士学位论文 第三章试验结果及分析 图3 1 5 调质处理球化效果好的低碳球墨铸铁( t g c ) 石墨的变形 图3 1 6 调质处理球化效果好的低碳球墨铸铁( t q t ) 镶嵌在石墨中的磨屑 昆明理工大学硕士学位论文 第三章试验结果及分析 图3 1 7 正火球化效果好的低碳球墨铸铁( z q t ) 镶嵌在变形石墨中的磨屑及石墨的变形 图3 一1 8 等温淬火h t 2 0 0 ( d h t ) 基体在摩擦过程中产生的碎裂情况 - 3 4 昆明理工大学硕士学位论文 第三章试验结果及分析 图3 1 9 正火球化效果差的低碳球铁( z b c ) 在摩擦过程中材料产生的撕裂现象 3 6 试验结果及分析 3 6 l 石墨对摩擦磨损性能的影响 ( 1 ) 灰铁耐磨性能分析 从表3 - 3 中的数据可以看到灰铁的耐磨性能最差，其次为传统球铁 球化效果差的低碳球铁、球化效果好的低碳球铁的耐磨性能比较好。这 是由于灰铁的石墨形状最为不规则，从金相照片3 4 可以发现其石墨形 状为片状。片状的石墨可以近似的看作一个裂纹，如图3 一1 4 为正火处 理的灰铁( z h t ) ，在摩擦的过程中片状石墨的尖角部分会产生应力集中， 容易产生裂纹的扩展，造成基体的大变形和脱落。另外由于灰铁的强度 较低，韧塑性几乎为零，在摩擦过程中基体变形，磨屑容易在基体组织 上产生犁沟，在产生犁沟同时基体会发生碎裂和脱落的现象如图3 1 8 ， 试样磨损量很大，因此灰铁的磨损量在这四种材料当中是最大的。 ( 2 ) 传统球铁耐磨性能分析 从表3 2 可知，传统球铁耐磨性能好于灰铸铁，比低碳球铁要差， 这是因为传统球铁与灰铸铁相比石墨球圆整度要好的多，相同基体组织 的两种材料在摩擦的过程中球铁的石墨球边缘部分不易产生应力集中和 裂纹，另外传统球铁的力学性能( 硬度，韧性等) 要比灰铸铁好的多， 而球铁力学性能比灰铁好在很大程度上也是由于其石墨球形状，综合以 昆明理工大学硕士学位论文 箱三章试验结果及分折 上各种性能的比较，可以得到传统球铁的耐磨性能要比灰铸铁好的结论。 摩擦变形后的石墨边缘部分在外力作用下会产生应力集中，从而成为裂 纹发源地，所以变形后球铁耐磨性能就会变差，另外在变形过程中如果 材料的韧性不好就可能产生裂纹，在裂纹尖角部位会有比较大的应力集 中，导致裂纹扩展和基体脱落，使其磨损量变大。传统球铁在试验过程 中磨损量要比低碳球铁大t 这是因为传统球铁中的石墨坑要比低碳球铁 大，在摩擦过程中更容易造成磨屑在石