（机械制造及其自动化专业论文）高温自润滑烧结材料孔隙弯曲模型参数研究.pdf

中文摘要 本文通过对粉末冶金高温自润滑材料孔隙弯曲结构特征及其润滑剂输出特 性的分析，发现在摩擦热的作用下，常规的孔隙弯曲率( i ) 已不适合表征润滑剂从 弯曲孔隙中输出的特性。为了合理表征高温自润滑材料孔隙弯曲结构与其润滑 剂输出特性之间关系，提出折角仅和润滑剂输出角b 两个参数来表征高温自润滑 材料孔隙的弯曲，建立了单弯曲孔隙模型和多弯曲孔隙有限元分析模型。利用 所建立的分析模型以及计算机数值模拟方法，研究了在摩擦热的作用下，自润 滑材料中孔隙弯曲对润滑剂输出影响。研究的主要结论如下： ( 1 ) 润滑剂输出角1 3 不变：在折角仅小于9 0 。和仅大于9 0 。两个范围内，与 之对应的润滑剂输出量和输出趋势按各自的规律变化。对于折角o t t j 、于9 0 。的孔 隙，在润滑剂输出后期，输出量急剧增大；而a 大于9 0 。的孔隙，润滑剂在输出 后期，则输出量急剧减少。 ( 2 ) 以润滑剂输出角d 为9 0 。时的润滑剂输出量j 为基准，j 与润滑剂输出 量l 。在任意p 角时的关系为：j e = j s i n p ，表明润滑剂输出量与输出角成正比。输 出角为直角时，润滑剂输出量为最人值。 ( 3 ) 对于由两单一折孔组成的结构与单一折角的结构，孔隙中的润滑剂向 摩擦表面输出量的趋势相同：对于多折角的结构，与摩擦表面相贯通部分的孔 隙影响润滑剂的输出量及趋势： ( 4 ) 孔隙中润滑剂向摩擦表面输h 特性与摩擦表层相贯通孔的形式相关， 贯通孔为直孔时比折孔更有利于润滑剂的输出，但是，与表层贯通孔相连接孔 为折孔时，有利于存储更多的润滑剂。 关键词：高温，有限元分析，自润滑，输出角，折角 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e dp o r eb e n d i n gs t r u c t u r ea n dl u b r i c a n t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s i nb i g ht e m p e r a t u r es e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l s ，f i n d m gu n d e re f f e c to ff r i c t i o n a lh e a t ， t h ec o n v e n t i o n a lr a t eo fc u r v i n g 国i sn o ts u i t a b l ef o re x p r e s s i n gt h ec h a r a c t e r i z a t i o n o fl u b r i c a n t so u t p u t 丘o mt h eb e n d i n gp o r e f o rr e a s o n a b l ye x p r e s s i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e np o r e sc u r v i n gs t r u c t u r ea n dl u b r i c a t i o no u t p u t , m a d eo u tt ot h ed e f i n eo f f o l d e da n g l ea n do u t p u ta n g l et oe x p r e s st h eb e n d i n gp o r e ，e s t a b l i s h e ds i n g l eb e n d i n g s t r u c t u r e sa n dam u l t i - c u r v e dp o r em o d e lt h e6 n l i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lw i t ht h e e s t a b l i s h e dm o d e la n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d s ，u n d e re f f e c to ff r i c t i o 舱lh e a t ， s t u d i e dt h eb e n d i n gp o r ee f f e c to nt h el u b r i c a n to u t p u ti ns e l f - l u b r i c a t i n gm a t e r i a l s t h em a i nf m d i n g sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) l u b r i c a n to u t p u ta n g l epu n c h a n g e d ：f o l d e da n g l e 伍i nt h er a n g eo f l e s st h a n 9 0oa n do fm o r et h a n9 0oc o r r e s p o n d i n g l y , t h el u b r i c a n to u t p u ta n do u t p u tt r e n d s c h a n g ea c c o r d i n gt ot h e i rr u l e s f o ra n g u l a ra l e s st h a n9 0op o r e s t h ep o s t - p e r i o do f l u b r i c a n to u t p u ti n c r e a s e ds h a r p l y ；t h ea n g u l a ram o r et h a n9 0op o r e s t h ep o s t p e r i o d o fl u b r i c a n to u t p u td e c l i n e ds h a r p l y ( 2 ) w h e nl u b r i c a n to u t p u ta n g l epi s9 00 ，u s i n gt h el u b r i c a n to u t p u tj a sa b e n c h m a r k ，t h er e l a t i o n s h i po fja n dt h el u b r i c a n to u t p u tj eo fa n yv a l u e s1 3a n g l e i s ：j e = j s i np ，i ts h o w st h a tt h el u b r i c a n to u t p u ti sp r o p o r t i o n a lt ot h eo u t p u ta n g l ep a s o u t p u ta n g l ei sar i g h t - a n g l e ，t h el u b r i c a n to u t p u ta c h i e v em a x i m u m ( 3 ) f o rab e n d i n ga n g l em o d e l se o m p o s i t e db yt w os i n g l ea n g u l a rs t r u c t u r e sa n d as i n g l ea n g u l a rs t r u c t u r e ，t h eo v e r a l lt r e n d so ft h el u b r i c a n to u t p u tc u r v ea r e a p p r o x i m a t e ；i nt h em u r i - b e n d i n gs t r u c t u r e ，t h ep o r e sw h i c ha r et h r o u g h o u tf r i c t i o n s u r f a c ei m p a c to nl u b r i c a n to u t p u ta n dt r e n d s ( 4 ) t h ep o r ef o r mo ft h r o u g h o u tt h ef r i c t i o ns u r f a c es t r o n g l yi n f l u e n c et h e l u b r i c a n to u t p u t f o rt h el u b r i c a n to u t p u t ，t h es t r a i g h th o l ei sm o r ef a v o r a b l et h a n b e n d i n gh o l e a st h eh o l eo fc o n n e c t i n gw i t ht h es u r f a c e sp o r ei sf o l d e dp o r e ，i tc a n s t o r a g em o r el u b r i c a n ti nal i m i t e dh i g hr a n g e k e y w o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：s e l f - l u b r i c a t i n g ：o u t p u t a n g l e ；f o l d e da n g l e ： l 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：牲导师c ：姆日期逝 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 二战期间，因固体润滑剂具有在极大的温度范围应用，很高的承载能力， 并能在腐蚀环境中不加保护的使用等特点成为摩擦学领域研究的热点。太空研 究领域的展开，如1 9 5 7 年前苏联的人造卫星东方1 号发射成功，促使固体润滑 剂发展到一个新的阶段。2 0 世纪6 0 年代超音速飞机r s 一7 0 中多部位应用固体润 滑剂，把固体润滑剂推广到工业应用领域。现代工业等领域的高速发展，对高温、 高速、高负荷等特殊工况下工作的摩擦副材料更高的要求，从而对润滑剂提出了 更苛刻的要求。 固体润滑剂是由固体微粉、薄膜或复合材料物质代替润滑油、润滑脂，隔 离相对运动的摩擦面以达到减摩、耐磨的目的。随着现代工业技术的发展，为 了解决在特殊工况条件下的机械润滑问题，固体润滑材料从其组分的研究到作 用机理、使用方法以及制备工艺等方面都得到迅速发展。 1 1 高温自润滑材料研究概况 高温自润滑材料一般分为金属基a 润滑复合材料、a 润滑合金和自润滑陶 瓷。其制备的方法是粉末冶金法、等离子喷涂法、表山技术、铸造法【卜5 l 。 1 i i 金属基自润滑材料 金属基自润滑材料是以具有支撑负荷和粘结作用的高强度耐热合金作为基 体，将具有减摩作用的固体润滑剂作为分散相，通过一定工艺制备而成的具有一 定强度的复合材料。塑料基a 润滑材料承载能力i 氐1 4 9 5 0 l ，而金属基自润滑材料结 合了金属基体固有的特性和同体润滑剂优良的摩擦学特性，适用于不同的特殊 环境。目前，金属基高温自润滑复合材料的研究趋向于金属基体的合金化、多 元化、弥散强化。常用的合金基体如镍基高温合金、钻基高温合金及n i - c r 基 合金等为耐热合金，而在真空中难熔金属如w 、m o 、n b 及t a 等作为基体材料的 使用效果较好1 6 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 通常根据制备过程中金属相态的不同，金属自润滑材料的制备方法可分为 液相制备法、固相制备法和液固相混合制备法三种【7 l 。金属自润滑材料中基体金 属的性质，固体润滑剂的性质、颗粒尺寸、形状以及其在复合材料中所占的体 积分数，固体润滑剂在金属基体材料中的分布状态和界面的性质、特性，材料 的合成方式等因素决定自润滑材料的摩擦学性能。 金属基体材料合金化引起材料结构，物理机械性能以及减摩性能的变化， 所以，在不同的基体材料或工作环境中应选择不同的合金化元素，以满足基体 材料所需要的物理机械性能。 1 1 2 自润滑合金 对合金组元进行适当调整和优化，使合金在摩擦过程中适时生成氧化物膜 而降低摩擦系数、提高摩擦性能是自润滑合金的摩擦学设计思想。m b p e t e r s o n 和李诗卓 8 , 9 1 等系统研究了合金自生氧化物膜的高温摩擦学特性，并利用其原理 研制了n i - c u - r e 和c o - c u - r e 高温自润滑合金，讨论了其高温减摩机理：自润 滑合金从1 0 0 c 到9 0 0 时，由于摩擦表面形成具有减磨作用的氧化膜而保持较 低的摩擦系数。指出生成氧化物膜的有效润滑条件是：氧化物膜的厚度在0 0 扣l i lm 之间：氧化物膜软且有延性；磨损速率小于氧化速率：氧化物的摩尔体积比 金属的小；热膨胀系数匹配：氧化物由双扩散形成；在金属氧化物界面存在滑 移等。阚存一等【】将活性元素添加到s n i - c r 合金中，与合金元素反应生成不定 比的化合物，促进了合金元素的氧化，进而改善合金的摩擦学性能。李溪滨p m 等通过在n i c r _ c u 基合金中添加脆性的c a f ：后，虽然材料的力学性能稍有下降， 但却提高了材料的摩擦磨损性能。王莹掣1 2 1 利用粉末冶金法改进了铸造n 卜c r s 系合金，结果发现，粉末冶金法制备的合金消除了铸造法的宏观缺陷，降低了 偏析，从而得到了高强度的合金。 大晕实验结果表明，自润滑合金的高温摩擦磨损行为受其表面自生成氧化 膜的影响和控制。自润滑合金材料之间接触表面发生相对运动，低温下的摩擦 会产生擦伤，摩擦系数非常大；当摩擦升温达到合金软化温度时，摩擦系数上 升，达到再结晶温度：当温度继续升高，在自润滑合金的摩擦界面形成氧化膜， 减少摩擦，则摩擦系数开始降低：摩擦膜完全形成时，摩擦磨损显著降低：在 相对运动逐渐停止过程中，即降温过程，当温度降剑一定数值时，缺乏延性的 2 武汉理工大学硕士学位论文 氧化物开始从表面剥落，氧化膜完全取出后，摩擦系数有回到原来的数值。 自润滑合金优良的摩擦学特性和良好的机械性能，使其在工业领域已经广 泛应用。现在自润滑合金应用主要有：齿轮、轴承、干摩擦轴承、轴瓦、垫圈 和密封圈等。 1 1 3 自润滑陶瓷 陶瓷材料因具有高硬度，优良的高温强度、耐磨性及抗化学腐蚀等特性而 受到研究人员重视，并且在工业领域逐渐广泛应用，特别是在高温条件下表现 出来的优良特性，使其具有更广阔的前景。在陶瓷中加入固体润滑剂是实现陶 瓷基自润滑的一条有效途径【l3 1 。选择合适的陶瓷相，同时应兼顾其硬度与耐氧 化性的统一。自润滑陶瓷包括金属陶瓷和陶瓷两大类。 利用金属或合金为粘结相、陶瓷为耐磨相、固体润滑剂为润滑相制备的金 属陶瓷能实现强度、韧性和润滑性的统一。因此，借鉴结构金属陶瓷的配方， 对润滑相进行复配是日前的主要研究方向。王静波等【1 5 】研究了n i w c p b o 系自 润滑金属陶瓷其摩擦产生的化学产物p b w 0 4 是该类材料具有优异摩擦学特性的 主要原因，当直接加入p b w 0 4 时，材料的摩擦学性能也较好。蒋阳 3 6 1 等研究了其 制备的石器z t a 自润滑陶瓷基复合材料的摩擦学特性。发现z t a 陶瓷中石景的 含量对摩擦系数有影响：加入适量的石墨能减少摩擦磨损，使材料具有良好的 自润滑性：而当石墨含量过高时，将加剧材料的磨损，使材料摩擦系数增大。 王研军和刘佐民【1 3 l 制备出具有贯通型微孔结构金属陶瓷烧结体，并在烧结体中 浸渍a g - c u - p b - s n 系浸渍型固体润滑剂，制备出新型高温扩散自润滑材料，浸 渍在贳通犁微孔中的浸渍犁固体润滑剂，通过微孔向摩擦表面的扩散、并在高 温摩擦条件下被软化或熔化而形成润滑膜，从而使材料表现出良好的高温自润 滑和耐磨性。k a t s u n i r on i s h i y a m a 4 6 】和s e n d at e t s u y a l 4 7 】等研究了t i b 2 陶瓷的 摩擦特性，存高温下t i b 2 被氧化生成熔点较低的b 2 0 3 ，存高温和摩擦应力场的 作用下b 2 0 3 扩散到摩擦表面，从而降低摩擦系数。 本文研究的高温自润滑材料属于金属基自润滑材料，基体用粉术冶金方法 制备成具有微贯通孔结构多孔材料，再将固体润滑剂熔渗到粉末冶金基体材料 中，形成粉末冶金高温自润滑材料。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 4 高温自润滑材料的应用与发展 高温自润滑材料由于其优越的机械性能和良好的摩擦学特性，使其在高温 摩擦学领域成为研究热点，并且已经在工业领域中得到良好的发展，如在高温、 高速工况下使用的以粉末冶金法制取的n i 基自润滑复合材料，n i - w s 2 和n i - - c a f 2 等以及部分c u 基自润滑复合材料制备的轴承，已经逐步得到应用。特别是航空 航天工业的发展，促使自润滑材料得到相应的迅速发展，如具有低摩擦系数、 良好自润滑性能和低滑动噪声的银基一二硫化物自润滑复合材料，已成功的应用 在外层空间使用的微型轴承上。 以固体润滑剂为组元加入到金属或陶瓷基体中形成高温自润滑复合材料， 是目前大多采用的制备方法。高温自润滑复合材料摩擦学特性取决于摩擦过程 中基体所含固体润滑剂的析出和弥散分布【1 6 】，因此必须注意高温自润滑材料的 强度和润滑性能之间的相关性【1 4 】。 1 2 多孔材料的研究与应用 多孔材料是由连续的固相骨架和孔隙所组成的。按孔隙之问得连通状况， 可分为闭孔和通孔两类，前者含有大量独立存在的孔洞，后者则是连续畅通的 三维多孔结构。多孔材料按其材料性质可分为金属和非金属两大类，也可细分 为多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金属材料3 种不同的类型。孔隙度、 孔形、孔径分布等是描述孔隙结构的主要参数。 随着现代工业的发展，多孔材料研究也随之有了巨大发展。多孔材料的孔 隙形状和孔径的可控性、渗透性、耐温性、抗热性、抗振性，以及可加工性等 特殊性能，使i 兰：逐渐应用于航天航空、石化、医疗、机械、建筑、环保等【4 1 , 4 2 1 领域。由于粉未冶金材料的在工业应用领域的逐步扩人，人们对会属基和陶瓷 基粉末冶金多孔材料的优异特性深入认识和了解，对其性能也提出了更多更新 更高的要求。下血按材料性质介绍多孔材料。 i 2 i 多孔金属材料 多孔金属材料是指一种金属骨架里分布着大量孔洞的金属材料，以多样化 孔隙为特征的广义阻尼材料。多孔材料的孔径根据制备工艺不同，能够实现从 4 武汉理工大学硕士学位论文 毫米量级到微米甚至纳米量级的跃变，因而其微结构具有良好的可设计性，可 根据其在不同领域的需求在制备前对其微细结构进行优化设计及多功能、多学 科的协同设计。多孔金属材料由于具有结构和功能双重属性，发展非常迅速。 日本大阪大学成功开发高强度轻质多孔金属材料，孔隙直径从几微米至几毫米， 孔隙可控，大小比较均匀，呈直孔。对孔隙内壁表面进行氮化处理或渗碳强化 后，比传统烧结金属强度显著提高【1 8 】。多孔金属材料可分为粉末烧结型、金属 纤维型、复合金属丝网型及泡沫型多孔材料f 4 3 _ 彤】。 粉末冶金多孔金属采用粉末冶金方法将金属及合金粉末烧结成的一种具有 可渗透性的功能材料。由于粉末冶金方法根据需要来控制材料孔隙的参数，能 制备出具有合适的孔形貌、孔径、孔隙度，所以大多数研究者都采用此法。烧 结的粉末冶金多孔材料具有各种不同的孔隙率、孔径与孔径分布，孔道纵横交 错，所以其有如下特点h 刀：优良的透过性能。过滤速度大；孔径与孔隙度可以控 制， 过滤精度高、分离效果好，用于仪器、仪表可以精确地控制流体的流动； 强度高、韧性好，适用于高压环境中；抗腐蚀性能好，适用于多种酸、碱等腐 蚀性介质；再生性能好，再生后过滤性能恢复9 0 以上，可重复多次使用等。 金属纤维型多孔金属的孔隙度可达9 0 以卜，全部为贯通孔，塑性和冲击韧 性好，用于许多过滤条件苛刻的行业。最早由美国m e m t e c 公i j 研发，随后比利 时、日本、中国相继建立生产线进行规模生产。 复合金属丝型多孔金属也称为多孑l 金属复合材料，是由不同金属或金属与 非金属复合制造成的多孔体材料。 泡沫型多孔金属按孔型可分为通孔的多孔金属和闭孔的胞状金属两人类。 泡沫型多孔金属高韧性和低比重的特点，在许多场合下既可以做功能材料，也 可以做结构材料。 1 2 2 多孔非金属材料 多孔非金属材料多指多孔陶瓷材料和泡沫塑料。多孔陶瓷材料一般呈蜂窝 状和泡沫状，其具有高温特性。其孔径南埃级剑毫米级不等，孔隙度范围较人， 约在2 0 至9 5 之间。随着控制材料微细孔水平的提高以及各种新材料、高性能 多孔陶瓷材料的不断出现，多孔陶瓷在机械、生物、医药、巧：保等领域的应用 迅速扩展。通过选择适当材质匹配和制备工艺，可以获得强度高、抗蚀性好、 5 武汉理工大学硕士学位论文 结构均匀的陶瓷多孑l 体【3 7 1 。 泡沫塑料是一种内部含有大量气体孔隙的多孔塑料制品。其在日常生活中 比较常见，主要应用于包装材料和座垫材料等。 1 2 3 多孑l 材料的发展趋势 随着研究的深入，以及不断发现多孔材料表现出的新现象与特异性能，与 之相关的研究也日益引起学术界和产业界的高度重视，其制备方法也得到了很 大的发展，已经基本实现了对孔径、壁厚、孔隙度及部分形貌的控制。而具有 特定孔隙形状和孔道结构的多孔材料制备有待于解决。 在进一步拓展多孔材料的应用领域中，多孔材料具有纳米级微米级的孔径 微细化；更大尺寸的有序多孔材料的制备；各种形式的孔隙结构梯度化；材质 合金化、复合化成为该领域研究的重剧- 9 】。 1 3 金属多孔材料的表征 近年来，随着粉末冶金材料的广泛应用及粉末冶金方法制造金属基固体a 润滑材料，在制备工艺、结构组成等方面具有许多独特的优越性，对粉末冶金 多孔材料的研究得到人们的重视。 采用粉末冶金方法制造金属基多孔材料，将固体润滑剂通过高温熔渗原理 熔渗到粉末冶金多孔材料的微细孔隙中，制成承受较高的载荷、具有自润滑补 偿作用的高温自润滑粉末冶金材料。材料中固体润滑剂在高温扩散、毛细管束 作用和摩擦应力场作用下，在摩擦表面形成润滑膜，达到高温减摩及自润滑的 效果，实现了高温自润滑材料的强度、韧性及自润滑性能的统一。 自润滑烧结材料以粉未冶金烧结体为耐磨基体，通过高温熔渗等方法将固 体润滑剂熔渗至其孔隙中。粉末冶金自润滑材料的孔隙度、彤状、大小及分布、 润滑荆的贮量要受到粉末冶金原料和固体润滑剡粉末的粒度、颗粒形状，以及 使用的造孔剂数量、类型、成形压力、熔渗温度等制备工艺的影响。在制备的 粉末冶金自润滑材料中彤成不同的孔隙形状及结构。孔隙度、孔形、孔径分布 等是描述孔隙性能等的主要参数，直接影响烧结体的强度、高温自润滑介质的 量及其分布。 6 武汉理工大学硕士学位论文 在高温摩擦过程中产生的摩擦热的作用使润滑剂输送到摩擦表面实现自润 滑1 2 0 】，能够有效解决高温摩擦磨损和自润滑问题。对于汗腺式高温自润滑材料， 内部空隙是连通的，孔隙结构影响其高温力学性能和自润滑特性。多孔材料的 孔隙结构特性可分为孔径、孔径分布、孔形及孔通道特性等方面。孔形常可近 似于圆柱形、平板形及细颈瓶状( 或墨水瓶状，细颈处相当于孔间通道) 【2 1 1 。 自润滑材料基体、润滑相颗粒及颗粒的大小和形状均会影响润滑相的变形 和流动。通过分析孔隙结构特征，研究具有良好摩擦学性能的自润滑材料所需 要的孔隙微观结构。有助于指导烧结自润滑的结构设计与制备。下面介绍孔隙 结构方面相关术语的定义。 i ) 弯曲率多孔材料中的孔隙通常为相互连通的复杂网络结构，其孔隙 连通通道是弯曲的，显然，孔隙的弯曲程度将对多孔介质中的传递过程产生影 响。对多孔介质孔隙的这一结构特性用弯曲率表示，通常孔隙弯曲率可表示为： = 0 2 ( 1 _ 1 ) 式中l 。与l 分别为弯曲通道的真实长度和连接弯曲通道两端的直线长度【3 7 1 。分 析知：c o 1 0 0 ( 卜3 ) 若v v 既包含了相互连通的孔隙容积，也包括了滞流( 或死端) 孔隙容积，则是 孔隙总容积v v ，t ，称此孔隙率为绝埘孔隙度或总孔隙度。以巾v t 表示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 由y 。t = 导1 0 耐警1 0 0 ( 1 q ) 式中v s 为多孔介质固体颗粒容积。若孔隙容积是相互连通孔隙容积之和v v 詹，则 称为孔隙度是有效孔隙度，以巾v ，e 表示： 巾酱1 0 耐毯挚1 0 0 ( 1 - 5 ) 式中v s m e 为死端孔隙容积，因此孔隙度一般指有效孔隙度，但为书写方便，直接 以巾= 由表示。 ( 2 ) 面孔隙度巾s 面孔隙度由s 是多孔介质单元上孔隙截面积与总截面积之比。面孔隙度在不 同方向的截面上可能有所不同，故在使用由s 时，应说明其所在截面的法线方向， 所以由v 又称为定向面孔隙度。一般说来，作为一级近似，可认为巾s = 由v 。 ( 3 ) 线孔隙度巾l 在多孔介质中，某一线段中孔隙所占线长和线段总线长的比值。可以简单 证明，巾l 的平均值等于由s ，冈而由l _ 币s = 由v 。 由于在上述分析中作近似后，有由l - 由s = 由v 。本文建立的是二维模型，为 简化计算，选用线孔隙度。 3 ) 孔径及孔径分布孔径和孔径分布是多孔材料的蕈要性质之一，多孔 材料的孔径指材料巾的名义直径，一般都只有平均或等效的意义【2 2 1 。汗腺式微 孔烧结材料孔隙大小和孔隙周围颗粒尺寸都有一定的分布范围。孔径分布的检 测方法是根据毛细现象，由于液体不润湿多孔材料时，材料表面张力阻止液体 进入孔隙。如果在液体上施加一定压力，就可克服表面张力使液体进入孔隙。 利用测最孔隙吸收的液体体积与外加力的关系可测定多孔材料孔径分布。 王砚军和刘佐民对汁腺微孔烧结体孔结构特征模型进 ，研究f 1 4 l 。研究中汗 腺式微孔烧结体模型假定孔径分布是连续的，其孔隙分布近似于瑞利分布其分 布函数f ( r ) 可表示为： f ( r ) 寺x p ( r 2 2 p 2 ) r o ； ( 卜6 ) 式中，r 为随机变量孔半径的取值；l j 为随机变量r 的均值。 试验表明：汗腺式微孔粉末冶金烧结体的孔隙可认为是连续的圆柱形孔洞。 假设单位体积内孔洞的k 度为l v ，孔洞半径r 为统计变量，在不同的孔洞位置上， 8 武汉理工大学硕士学位论文 r 是统计变化的，而非常数。假设不同圆柱孔的长度分布是连续的，且长度分布函 数l ( r ) 近似于对数正态分布，则孔洞的长度l v 为： l v = fl ( r ) d r ( 1 7 ) 并得出汗腺微孔结构烧结体孔径分布函数表达式： f ( r ) 畚e ( - 邸百o r - ) ( 1 - 8 ) 式中：卜为平均晶粒尺寸，m i l l ； 卜为孔隙平均半径，衄： 卜为比例常数。 4 ) 孔道粗糙度孔道粗糙度用来表示孔道壁凹凸不平的程度。对于烧结 金属粉末多孔材料，孔道的粗糙度主要取决于粉末颗粒表面的粗糙度。粉末颗 粒表面的粗糙度可用颗粒表面不平的高度6 来表示，由这种粉末颗粒组成的多孔 材料，其孔道的表面相对粗糙度可用颗粒表面粗糙度和材料的平均孔径的比值 来表示f 2 3 】： e r ：由(。一，d 1 - 9e= a 【) 式中：e r 为材料孔道的相对粗糙度；d a 为材料的平均孔径。粉末颗粒彤状越不规 则，其孔道的相对粗糙度也越大。同时，减小材料的孔隙度也会导致孔道相对 粗糙度的增加。粉末冶金高温自润滑材料孔道粗糙度越大对润滑剂输出的影响 越大。 1 4 高温自润滑材料的润滑机理 粉末冶金高温金属基固体a 润滑材料的高温摩擦磨损性能取决于基体组织 的性质( 强度、抗氧化性等) 、固体润滑剂( 性质、种类、尺寸、形状、体积分 数等) 以及在摩擦过程所形成的润滑特性，包括膜的忭质、厚度、覆盖程度等2 训。 1 4 1 粉末冶金金属基材 粉末冶金金属基固体自润滑复合材料是由具有一定强度的金属或合金基体 和起减摩作用的固体润滑剂通过粉末冶金的烧结方法制备而成的。在摩擦过程 9 武汉理工大学硕士学位论文 中，基体材料主要起承担载荷、抵抗磨损的作用。金属基体材料合金化导致材 料结构，物理机械性能和减摩性能的变化。采用具有高强度的基体材料来提高 摩擦部件的承载能力；而为了降低摩擦因数，则应该在基体中加入减摩添加剂， 但这样又损害了基体的强度性能。因此，应当根据不同的基体材料的性能和工 作环境选择不同的合金化元素，使基体材料满足所需要的物理机械性能。 难熔金属及其化合物材料能在高温下能保持材料的强度和硬度。在高温、 高滑动速度、并在引起发热以及磨料介质作用的摩擦部件中，难熔金属基体材 料的强度特性要求特别重要，同时它具有极大的耐磨性，常被用来制造在苛刻 条件下工作的摩擦部件。 在铝和其它轻金属基体材料中添加铜、镁等金属而使其具有密度小、高的 比强度等特点，引起了人们研究的兴趣f 2 5 1 。另外，添加适量的硅可以很大程度 上提高铝合金的耐磨性能，降低锅合金的热膨胀系数。 1 4 2 固体润滑剂析出机制 将固体润滑剂是作为组元加入到粉木冶金材料基体中，可明湿改善摩擦材 料的耐磨性。粉末冶金材料基体中含有固体润滑剂，在摩擦表而发生相对运动 时由于摩擦热作用，使基体中的同体润滑剂在相对滑动表面形成一层较为稳定 的润滑膜，并且能够不断向表面补充和提供固体润滑剂，修复被撕裂或破伤的 润滑膜，从而达到润滑和减摩作用。不仪固体润滑剂的摩擦学特性摩擦过程 中所含固体润滑剂的弥散分布、析出1 1 6 4 8 l 和成膜等因素也都影响材料的润滑效果， 因此，必须了解固体润滑剂的析出机制以及固体润滑膜的形成机制以探讨粉末 冶金基体自润滑复合材料的减摩机理。 润滑剂的输出是由于摩擦表面发生相对运动时产生摩擦热，而使材料发生 膨胀及热应力。因此，可以用材料相结构形成的体积膨胀理论解释润滑剂输出 机理。在热应力( 或摩擦温度) 作用下，材料中的各个相均会发生体积膨胀， 导致各个组元之问就会形成应力。固体润滑组元( 见图1 1 ) 将会受到来自材料 基体品粒方面的压力o - ，同时，摹体品粒受到了固体润滑组元品粒的j e 压力0t 。 当0m 与ot 相等时，两应力相互抵消，引起整个体积膨胀，当0m - - 0t t( 固 体润滑剪切应力) 时，固体润滑组元会迁移到摩擦面上，固体润滑组元达到一 定量后，将产生润滑膜。当固体润滑膜将相对运动的表面完全分离时，即为完 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 全固体润滑状态。而当固体润滑膜并未完全在摩擦表面间展开时，则材料的摩擦 性能与表面间润滑膜形成的程度有关【2 4 1 。 l 一瑟体赫被2 一网体润滑组元晶牧 图1 - 1 自润滑材料组元热应力作用示意图 1 4 3 固体自润滑减摩机理 固体自润滑材料起到降低摩擦与磨损作用的关键是在摩擦表面上生成连续 的、稳定的、分子定向的转移膜，使摩擦表面之间的摩擦变成固体润滑剂之间 的摩擦。 金属基固体自润滑材料当与对偶件接触并相对运动时，开始不存在润滑膜， 摩擦系数较高，其可以写成【2 4 j ： l lm = l m h m( 1 - 1 0 ) 式中：i m ，h m 分别为基体材料的剪切强度，n l 代表无润滑的基体材料的性能。 在磨合过程中，固体润滑膜在摩擦表面间逐步展开，材料的摩擦系数与表面间 润滑膜形成的程度有关。磨合期结束时，在摩擦热作用下转移到摩擦表面的固 体润滑剂微粒达到一定的量，而形成一层连续的、稳定的固体润滑膜。固体润 滑剂晶粒在剪切力的作片j 下定向排列，称之为分子定向的转移膜【3 9 l 。此h 寸，基 体金属的硬度等性质不再明显地影响材料的摩擦学特性，材料的摩擦与磨损主 要受到固体润滑剂本身性质、转移膜生成的连续程度和稳定程度等因素的影响。 对于高温下工作的自润滑材料，在摩擦过程中，由十摩擦材料组织结构的 复杂性( 表面轮廓和形貌、表面结构与表面组成等) ，高温作用外部因素( 环境 武汉理工大学硕士学位论文 气氛、温度、压力、速度等) ，以及固体润滑剂性质( 种类、粒子大小、组成及 配比等) 在相对运动的接触表面对转移膜生产的影响，导致材料的高温摩擦磨 损特性是相当复杂的。金属基固体自润滑材料要选择合适的固体润滑剂和金属 基体成分配比，并加强固体润滑剂转移膜与金属基体之间的粘结力，以利于润 滑膜的稳定，阻止不良的界面反应【2 6 l 。 1 5 本文研究的背景、意义 自润滑材料已大量用于生产生活中，也建立了自润滑材料相关的孔隙模型， 但是建立的孔隙模型大都是直孔，不能反映自润滑材料中孔隙的实际情况。而 弯曲的孔隙对润滑剂输出的有没有影响，怎样影响以及弯曲程度与润滑剂输出 量及趋势的关系，这些方面都不能具体研究。 因此本文建立高温自润滑材料弯曲孔隙结构，研究润滑剂孔隙弯曲角度对 润滑剂输出特性的影响，分析弯曲段孔隙的位置对润滑剂输出的影响，提出理 想孔隙模型。研究不仅可为高温发汗自润滑材料的造孔时结构设计提供理论依 据，而且为该材料的高温工况适应性范围提供试验依据，具有重要的理论意义 和工程价值。 1 6 本文研究的目标和内容 1 6 1 本文研究目标 基于高温a 润滑材料孔隙弯曲结构及其润滑特点，建立汗腺式a 润滑弯曲 孔摩擦热一应力场作用有限元模型：研究高温自润滑材料在热驱动作用f ，从 介观结构上分析高温自润滑材料孔隙弯曲对润滑剂输出的影响，以及分析弯曲 孔隙的合理结构。 奉研究将不仅有助于深入理解高温白润滑材料孔隙折孔结构与润滑作用之 间的相瓦关系。还可为高温发汗自润滑材料的孔隙结构设计提供理论依据，具 有重要的理论意义和工程价值。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 2 本文研究内容 ( 1 ) 对自润滑烧结体材料的现状与存在的问题进行分析研究，初步确定影 响自润滑材料中弯曲孔隙结构参数对润滑性能的影响。 ( 2 ) 建立高温自润滑材料弯曲孔隙的有限元分析模型，基于汗腺式自润滑 材料a n s y s 仿真分析，分析了在摩擦热的作用下，弯曲孔隙中润滑剂输出特性。 ( 3 ) 基于建立的高温自润滑多孔材料结构分析模型，分析弯曲孔隙折角及 润滑剂输出角参数对固体润滑剂输出影响。 ( 4 ) 对高温自润滑材料的弯曲孔隙结构模拟分析，提出弯曲孔隙合理的结 构设计。 1 7 课题来源 本课题由国家自然科学基金项目“高温润滑胞体结构形态研究”项目资助。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章高温自润滑材料孑l 隙弯曲模型建立 2 1 热分析理论 2 1 1 热分析理论基础 热分析是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程可以应用于计算一个系统或部件的温度 分布及其他物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度( 热通量) 等。 也用有限元法计算各节点的温度，并导出其他物理参数 2 7 1 。热分析在工程应用 中有很重要的地位，已广泛应用于物理学、地球科学、生物化学、药学等领域。 在分析高温自润滑材料时，孔隙中润滑剂摩擦受热有两个热传递过程：热 传导和热传递。热传导指两个接触良好的物体之问或一个物体不同部分之问由 于温度梯度引起的内部能鼍交换。粉末冶金自润滑材料与环境之间进行热传导。 熟对流指固体的表面与它周围的流体之间，由于温差的存在而引起的热量交换。 热对流分为两类：自然对流和强制对流。对流一般作为面边界条件施加。摩擦 表面产生摩擦热，摩擦热以热对流形式与粉末冶金材料进行热交换。 将热力学第一定律应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方 程为： 熹( k 舞) + 券b + 急k 篆) + 帏c 詈 c 2 其中：i d t 弓 v x 争v y 争v z 薏， 式中：v x ，v v ，v z 为媒介传导率。 为得剑温度场而求解热传导微分方程，必须已知相应的初始温度条件。粉 末冶金自润滑材料工作时，初始温度条件假设材料所处环境温度为5 0 0 ( 2 。同时 还要知道粉末冶金材料与周周环境之间进i j ：热交换的边界条件。边界条件一般 有三种方式：第类边界条件：已知物体表衄上任意一一点在所有各瞬时的温度， 即t = f ( t ) ，t 为物体表面温度。第类边界条件：已知物体表面卜任意一点的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 法向热流密度，即( q n ) ，n 为物体表面的外法向。第三类边界条件：已知 物体上任意一点在所有各瞬时的对流放热情况。本文假设在相互接触的表面上， 由摩擦产生的摩擦功全部转化为热能，并将此热能以热流密度的形式施加到摩 擦表面。 由于按此边界条件求解上述热传导方程，用函数求解几乎不可能，而采用 有限元法就非常有效。 2 1 2 热分析有限元法 将控制微分方程通过加入上述的不同的边界条件可以转化为等效的积分形 式： j ( p ca t 瞟+ ( v ) t ( l ) t ) + ( l ) t t ( 【d 】( l ) d ) d ( v 0 1 ) o t q 。d s 2 + fa t h f ( t b t ) d s 3 + f0 t ( j f d ( v 0 1 ) ( 2 2 ) r aa a ； 9 一单元体积的热生成； h ，一表面传热系数； 瓦一流体的温度； 6r 一温度的虚变鼍； & 一热通量的施加面积； & 一对流的施加卣积。 将粉末冶金高温自润滑材料模型划分单元，一般2 一d 模犁使用网边形和或 三角形单元划分，3 d 模璎使用四而体、金字塔形或六而体单元划分。 单元内温度函数可以用该单元结点温度插值得到，根据单元类型的不同， 模犁单元内温度变化应包含不同的一次项、平方和混合的以方项。温度变化的 多项式假设能保证在单元内部和单元边界上温度是连续的。 写出以单元节点温度为未知数的多项式： t = ) 7 i ) ( 2 3 ) 式中： 1 一单元形函数： 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 z 卜一单兀节点温度矢量。 由单元节点温度可计算得每个单元的温度梯度和热流： 口) = l r - i s r e ) ( 2 - 4 ) 式中： 口) 一一热梯度矢量； 【b 】= 三) 2 【】。 热流量可以由下式计算： g ) = 【d 】 ) 丁= 【d 】【曰】 乃) = 【d 】 口) ( 2 5 ) 式中：【d 】材料的热传导属性矩阵。 将假设的温度变化多项式代入积分方程，可得： l o c r 矽( v o ，) 之) + l pc r n d ( v o 枞之 + l 【b 】r 【。】【j 6 f 】d ( v o 吼乏) = 9 d ( 足) + 砧哆 ) d ( 岛) 一_ ) ) 乃 d ( s ) + l q 9 0 4 时折用人小变化对润精剂输h ；量 和趋势的影响不大( 图33 中o = 1 6 6 。、d = 1 3 9 5 。、a = 1 2 9 。) ：在折角a q 2 ，所以 q l q ： 1 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 由式( 3 一1 0 ) 知：在磨合期，直孔能够比折孔能更快输出润滑剂，迅速满 足润滑条件。 2 不同孔隙结构的比例组合 假设在磨合期形成润滑膜所需要润滑剂量为q m ，则根据直孔和折孔结构的 不同输出速率，可以直孔和折孔所占的比例进行分配。若直孔所占的比例为a ， 折孔为l - a ，则摩擦表面初次形成润滑膜的润滑剂量为： q m - - - - - - v ln l t + v 2 n 2 t ( 3 11 ) - - - v 1t m a 巾。n r 2 + v 2 t i n ( 1 一a ) 巾。肠r 2 则由式( 3 一1 1 ) 可以得到： a ：! 业：竺竺尘：!( 3 1 2 ) a = 一 lj lzj y l - - v 2 式中：v 1 为直孔每孔输出平均速率； v 2 为折孔每孑l 输出平均速率； r 为孔隙半径； 由孔隙率； 1 1 1 为材料摩擦面的面积： t 为润滑剂输出量为q m 时所需时间。 由式( 3 1 2 ) 可以计算出存规定的时间t 内，摩擦表面形成体积为q m 的润滑膜 时，直孔孔隙在材料中占的比例。 以销盘摩擦磨损试验为例，销试样为自润滑材料，计算在销试样表叫快速 形成润滑膜所需要的直孔比例。假设在磨合初期形成润滑膜时问为t = 2 4 0 s ，摩擦 表面轮廓形状为理想的球形微凸体模型，材料的而孔隙度为2 0 ，销的半径为 r = 4 * 1 0 3pm ，其摩擦面积为m = 5 0 2 4 1 0 7i jm 2 ，则材料中孔个数为 n = o 2 * ( r r ) 2 = 8 1 0 5 。在磨合期销的表面粗糙度约为1 6um ，则设表面球形微凸 体半径为r = 2l zm 。由于一般金属固体润滑剂膜厚通常在0 1 。l