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第六章粘着磨损 AdhesiveWear 一 概述1 定义 摩擦副表面相对滑动时 由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切和断裂 被剪切的材料脱落成磨屑 或由一个表面迁移到另一个表面的现象称为粘着磨损 2 粘着磨损的分类 根据粘结点的强度和破坏位置不同 粘着磨损有几种不同的形式 从轻微磨损到破坏性严重的胶合磨损 它们的磨损形式 摩擦系数和磨损度虽然不同 但共同的特征是出现材料迁移 沿滑动方向形成程度不同的划痕 1 轻微粘着磨损 粘结点的强度低于摩擦副两金属的强度时 剪切发生在结合面上 此时 虽然摩擦系数增大 但是磨损却很小 材料迁移也不显著 粘结点的强度高于摩擦副中较软金属的强度时 破坏将发生在离结合面不远处的软金属表层内 软金属粘附在硬金属表面上 其摩擦系数与轻微磨损差不多 但磨损程度加剧 2 一般粘着磨损 涂抹 3 擦伤磨损 粘结点的强度高于两金属材料强度时 剪切破坏主要发生在软金属表层内 有时也发生在硬金属表层内 迁移到硬金属上的粘着物又会使软金属表面被划伤 擦伤主要发生在软金属表面 4 胶合磨损 粘结点的强度比两金属的剪切强度高得多 而且粘结点面积较大时 剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方 两表面都出现严重磨损 甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动 二 粘着磨损的机理 实际接触面积 表观面积的0 01 0 1 表面压力 5000Mpa 瞬时温度 1000 持续几毫秒 润滑油膜 吸附膜或其他膜都将发生破裂 使接触峰顶产生粘着 随后 在滑动中粘着点又被破坏 就形成粘着 破坏 再粘着的交替过程 形成粘着原因的几种说法 Bowden等人认为粘着是接触峰顶的塑性变形和瞬时高温使材料熔化而产生的焊合 苏联人认为粘着是冷焊的作用 不必达到熔化温度即可形成结点 也有人认为粘着是摩擦表面分子的作用 共同的看法 粘着现象必须在一定的压力和温度条件下才会发生 粘着磨损的计算模型 每个粘结点的载荷 滑动2a距离的体积磨损量 磨损体积 1953年Archard提出的模型 ks 粘着磨损常数 影响粘着磨损常数ks的因素 摩擦类型 润滑情况 Archard计算模型的不足之处在于 完全忽略了金属变形的物理特性及有关材料学的变化 在数学表达式中使用了一些假设 有些过于粗糙 不尽合理 对不同条件下的金属磨损过程没能提供确切的说明 摩擦温度 滑动距离 Holn模型木村模型笹田 直模型Bucky模型 三 胶合计算准则 判断胶合发生的观点表面形貌 摩擦温度达到临界值作为判据 摩擦系数突然增大并大幅度变化 胶合磨损的发生不仅取决于润滑油膜的破裂 而且与摩擦表面上化学反应膜的形成情况有关 樊瑜瑾等人通过测量摩擦过程中表面温度 摩擦力和油膜的变化以及表面反应膜的形成情况 探讨了油润滑下GCr15与45号钢发生胶合的条件 实验表明 滑动速度对胶合的发生有很大影响 在较低速度下 油膜破裂后能够生成化学反应膜防止胶合发生 只有当表面温度过高 使反应膜失效后才会发生胶合 在中等速度下 油膜破裂后能够生成化学反应膜 此时胶合发生是由于反应膜的磨损率大于它的生成速率引起的 在较高的速度下 一旦油膜破裂很难形成化学反应膜 立即发生胶合 胶合前的温度和摩擦力都较低 1 pmaxvs c准则 1953年 美国Almen提出的准则 pmax Hertz最大应力 vs 相对滑动速度 c 实验常数 用于初步计算 计算结果比较粗略 数据离散达到50 通常高速重载和润滑不良的摩擦副易发生胶合磨损 目前提出的各种胶合计算准则尚属半经验计算 缺少足够而准确的数据 因此还不能有效地普遍应用 1963年 Borsoff等人提出的准则 指数n的数据从 l到2取值 3 瞬时温度准则 1980年Wilson提出齿轮胶合磨损中齿面温度的分布和变化 准则 Block认为胶合的产生是由于表面局部瞬时温度达到临界值引起的 并提出判断准则 Akin就钢表面线接触摩擦副提出的简化式 Block推导线接触摩擦副瞬时温升公式 胶合临界温度表面本体温度局部瞬时温升 实践证明 瞬时温度准则与指数型准则所得的计算结果十分相近 在高速滑动条件下 瞬时温度准则相当于n 2 3时的指数型准则 临界温度 未淬火钢齿轮 淬火钢齿轮 定义 齿轮表面上的点通过齿面接触区所需的时间 胶合发生时 有如下关系 4 胶合因子准则 单位长度载荷pe c时 可以忽略c 此时的计算结果与指数型准则相近似 四 影响粘着磨损的因素 1 摩擦副材料特性的影响 材料脆性程度的影响 脆性材料抗粘着磨损的能力比塑性材料高 材料塑性越高 粘着磨损越严重 互溶性的影响 互溶性大的摩擦副抗粘着磨损能力弱 互溶性小的摩擦副抗粘着磨损能力高 B族元素与铁生成摩擦副的粘着倾向小 A族元素与铁生成摩擦副的粘着倾向大 表面热处理有利于提高抗粘着能力 表面膜限制了磨痕深度 而提高抗粘着能力 2 表面温度的影响 在接触点附近形成半球形的等温面 各接触点的等温面汇合成共同的等温面 表面温度使润滑油膜失效 温度梯度引起材料性质的改变和破坏形式的变化 1965年Rabinowicz采用放射性同位素方法测量金属迁移量 发现 当表面温度达到临界值 约80 时 磨损量和摩擦系数都急剧增加 3 表面载荷的影响 苏联学者 提出 表面压力达到一个临界值 并经过一段时间后才会发生胶合 四球试验证明 当载荷达到一定值时 磨痕直径会骤然增大 四球试验机 各种材料的临界载荷随滑动速度增加而降低 这说明温度对胶合的发生起着重要作用 试验证明 将试件浸入油中加热 当载荷低于临界值而使油温升高并不能发生胶合 单纯的温度升高不会产生胶合 一般都是载荷与温度的共同作用 百顺 petronplus 抗磨护理剂的四球试验 按GB3142 82试验标准对其进行四球极压性能试验 测取最大无卡咬负荷 4 滑动速度的影响 粘着磨损随滑动速度的增大而增加 达到一定值时 磨损率发生显著变化 Kehl 凯尔 Sliebel 西比尔 效应 影响温度特性的主要因素是表面压力p和滑动速度v 其中v的影响更大 因此 限制pv值是减少粘着磨损和防止胶合的有效方法之一 5 表面粗糙度的影响 表面粗糙度愈低 抗粘着能力愈大 但过高的降低表面粗糙度 因不利于润滑剂的储存 又会促使粘着的发生