摩擦磨损测试及考核评价方式资料

1、摩擦磨损测试及考核评价方式一、磨损1.1磨损定义磨损是指摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或产生残余变形的现象。 表 面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用：（1）机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面的物理变形；（2）化学作用使摩擦表面发生性状改变；热 作用是摩擦表面发生形状改变。典型的磨损曲线通常由三部分组成，如图1.1所示。磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加。发生在初始运动阶段，由于表面存 在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度较快。稳定磨损阶段：摩擦表面磨合后达到稳定状态磨损率保持不变。稳定磨损阶 段标志磨损条件保持相对稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。剧烈磨损阶

2、段：工作条件恶化，磨损量急剧增大。该阶段内零件精度降低、 间隙增大，温度升高，产生冲击、振动和噪声，最终导致零部件完全失效。1.2磨损种类按磨损的破坏机理，通常把磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种。（1）粘着磨损当摩擦副相对滑动时，由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂， 被剪切的材 料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。粘 着磨损再细分还有轻微磨损、涂抹、擦伤、划伤和咬死五种。Schematic Adhesive WearAsperhy Coflision图1.1粘着磨损机理(2) 磨料磨损外来的硬料介质进入摩擦副，或摩擦副一个表面比另一个

3、表面硬，在较硬表 面上存在的微凸体，在摩擦过程中对较软表面犁沟或拉槽，引起表面材料的脱落， 这种现象叫做磨料磨损。磨料磨损是一种最常见的磨损，按照磨损机理还可细分 为微观切削、挤压剥落和疲劳破坏三小类。UattKlal Cui AwaySchematic Two-Body Abrasive WearPlastic FlawCuttingSchematic Three-Body Abrasive Wear图1.2二体/三体磨粒磨损机理(3) 化学磨损化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质 中的某些成分发生化学或电化学作用，造成表面材料损失的过程。分为氧化磨损 与特殊介

4、质腐蚀磨损两类。图1.3化学磨损机理(4) 疲劳磨损摩擦接触表面在交变接触压应力作用下，材料表面因疲劳损伤而引起表面脱 落的现象。疲劳磨损有两种基本类型，宏观疲劳磨损和微观疲劳磨损。宏观疲劳 磨损主要是指两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面， 在循环变化的接触应力作 用下，材料疲劳而发生脱落的现象；微观疲劳磨损是滑动接触表面由于微凸体相 互接触使材料发生疲劳而引起的机械磨损现象。此外，疲劳磨损的破坏机理又分 为麻点剥落、浅层剥落、深层剥落。Schematic Contact Fatigue1dEM別c OefcrmAtlDnCrack Formatton and Prapgllon图1.4疲劳磨

5、损机理(5) 冲蚀磨损流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。图1.5冲蚀磨损机理(6) 微动磨损由接触表面之间小幅度的相对切向振动造成的磨损，称为微动磨损。微动磨损是一种复合磨损，包括粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。按照沃特豪斯理论， 微动磨损可分为三个阶段：a.表面产生凸起塑性变形，形成表面裂纹并扩展；b.通过疲劳破坏和黏着点断裂形成磨屑，随后被氧化，陈给继续作用的磨料；c.魔力磨损阶段，加速第一阶段的磨损，表面不断被氧化、磨去，如此循环。Fretting CorrosionSmall Amplltud* Ocintory Rflathe Nodionvy Flnfl

6、Mibic War 00rfVery Fine Maial 61翻（HaftO W4OT DahrJs图1.6微动磨损机理二、磨损试验2.1磨损试验种类磨损试验的目的是研究磨损现象发生的本质， 分析磨损形式和磨损机理，并 正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响。目前经常采用的试验方法可归纳为 下列三类：（1）实验室试件试验根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损试验机上对试件进行实验。由于实验中影响因素和工况参数容易控制，因而实验数据的重复性较高；实验周期短， 实验条件的变化范围宽，可以在短时间内进行比较广泛的实验。 但由于试件实验 的条件与实际工况不完全符合，因而实验结果往往不十分可靠。 因此，

7、试件实验 主要用于各种类型磨损机理和影响因素的研究性实验，以及摩擦副材料、工艺和润滑性能的评定性实验。（2）模拟性台架实验在试件实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件，并在模拟使用条 件下进行台架试验。由于台架试验的条件接近于实际工况， 因此实验结果的可靠 性较实验室试件实验高。同时，通过对实验条件的强化和严格控制， 可以在较短 的时间内获得系统的实验数据，还可以进行个别因素对磨损性能影响的研究。（3）实际使用实验在上述两种实验的基础上，对实际零件进行使用实验。这种实验的真实性和 可靠性最高，但实验周期长、费用高，且实验结果是各种影响因素的综合表现，因而难以对实验结果进行分析。实际使用实

8、验通常用于验证试件实验和台架试验 的数据，以及作为对零部件摩擦磨损性能的最终考核。2.2常用摩擦磨损试验机点、线、面接触；滑动、摩擦磨损试验机按摩擦副的接触形式和运动方式可分为: 滚动、滚滑、往复运动。LnU14贏迄动扎图2.1磨损试验机的几种典型形式2.2.1四球式试验机由四球组成摩擦副（如图2.2所示），上球卡在夹头内，下球组固定不动， 上球与下球组相接触。工作时，上球由主轴带动旋转，通过加载系统向下求组加 载，主要用于评定润滑剂的性能。上理懺输图2.2四球式试验机原理2.2.2环块式试验机环块式试验机主动件一般是标准旋转圆环，被动建是被固定的标准尺寸矩形试块。通过测量不同载荷下被动试件上

9、出现的条形磨痕宽度以及摩擦副材料间的 摩擦力、摩擦系数，来评定润滑剂的承载能力以及摩擦副材料的摩擦磨损性能。 环块式试验机通常用于线接触摩擦副的摩擦磨损试验。223销盘式试验机试验时，销固定不动，盘做旋转运动，通过力传感器采集试验过程中摩擦力 和载荷的变化、通过位移传感器对试样的总磨损进行测量。销盘式试验机主要用 于在滑动条件下评价材料的摩擦系数和磨损率，研究工况参数对材料摩擦性能和 磨损机理的影响，是目前使用最广泛的摩擦磨损试验设备。图2.4销盘式试验机原理图三、摩擦磨损试验考核评价摩擦磨损是一个受多方面因素综合影响的过程，因此摩擦磨损试验需要将多种因素综合起来进行评价。目前，摩擦磨损试验中

10、测量的参数主要有摩擦系数、 摩擦力、磨损量和摩擦温度，再结合磨屑及磨损表面形貌和组成，对材料的摩擦磨损性能做出综合评价。3.1摩擦磨损试验中的参数测量3.1.1摩擦系数或摩擦力测量摩擦系数或摩擦力的测量有机械式和电测法两种方法。机械式测量原理如图3.1所示。图3.1机械式摩擦力测量原理载荷W通过圆环1加载到圆环2上，圆环间的摩擦力会使下主轴形成一个 力矩，使得与主轴相连的砝码产生偏角， 通过测量该偏角，计算得出圆环间摩擦 力矩，最终换算出摩擦力和摩擦系数。电测法则是利用压力传感器将试样与对磨块间的摩擦力转换成电信号并导 出到测量和记录仪上。3.1.2磨损量的测量磨损量主要通过磨下材料的质量、体

11、积或者磨去的厚度来表示。(1) 磨损失重磨损失重主要采取称重法，称量试件实验前后的质量变化来确定磨损量。这种方法较为简单，应用广泛。常用设备为精密分析天平，测量范围0200g,精度为0.1mg。由于测量范围限制，称重法只能适用于小试件，且对于磨损失重较 小的试样或多孔材料的测量，误差很大。除了直接测量试件重量变化外，也可以将润滑油中所含的磨屑过滤或者沉淀 分离出来进行称量的方法，同时还能对磨屑的组成进行化学分析。(2) 磨损体积a.放射性同位素法将摩擦表面经放射性同位素活化，使磨损过程中产生的磨屑具有放射性，通过定期检测润滑油中放射性强度来换算出磨损量随时间的 变化。放射性同位素法可准确测量磨

12、损面整体的磨损量，灵敏度可达10-710-8g，但无法对摩擦表面的磨损分布情况进行分析。b.称重通过称量磨损前后试件质量变化来换算磨损体积(3) 磨损厚度a.测长法通过测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。常用测量仪器有千分尺、千分表、测长仪、测量显微镜等。为了便于测量，往往 在摩擦表面做出测量基准，然后按照测量基准在量度摩擦表面的尺寸变化，目前常用的测量基准有压痕法和切槽法两种。压痕法：通过事先在试样表面压出压痕，再根据磨损前后压痕尺寸变化来计 算试样的磨损量。如磨损实验前用维氏硬度计压头在试样表面打出压坑，如图3.2所示，对比磨损前后对角线长度，则实验中磨损的深度为/h=(d2

13、-d1)/m，考虑弹性变形影响，切槽法与压痕法类似，用回转刀具刻出月牙形槽，切槽法排除了弹性变形回复和四周鼓起的影响。根据几何关系，切槽宽度和磨损深度关系为：2 2/h=ho-hi=(1/r 1/R) (lo -li )/8式中r刀刃回转半径；R试样表面曲率半径，平面时 R为，凸面用+，凹面用-切梢法暉一在平面上 b襁凸面上C從凹面卜图3.3切槽法计算磨损厚度原理图压痕法和切槽法只适用于磨损量不大而表面光滑的试件，由于这两种方法都要局部破坏试件的表层，因此不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构变化。b.表面轮廓法当磨损厚度不超过表面粗糙峰高度时，可以用表面轮廓仪直接测量磨损前后 试件表面轮廓的

14、变化并确定磨损量；当磨损厚度超过表面粗糙度时，必须采用测 量基准的方法，如图3.4所示。图3.4表面轮廓法两种测量基准图3.4中a是利用未磨损表面作为基准，b是事先在表面开设一楔形槽，根 据磨损亲后楔形槽宽B和b的数值计算磨损厚度h03.2摩擦温度摩擦时，接触表面温度高度和分布情况对摩擦磨损性能影响很大， 因此在摩 擦磨损试验过程中经常对摩擦表面的摩擦温度进行测量，测温方式主要有热电偶 和远红外辐射测温两种。3.3磨屑分析对磨损产物一一磨粒的成分和形态的分析，不仅是研究磨损机理的主要方法 之一，也是工程上对磨损进行预测和监控的重要手段。3.3.1 SEM形貌及成分分析利用扫描电子显微镜对磨粒形

15、貌、大小进行观察，总结磨粒随磨损条件的变 化规律，分析磨粒形成原因；利用SEMI安装的EDS能谱仪对磨粒成分进行分析。图3.5高锰钢磨粒的SEM图片3.3.2光谱分析法光谱分析法是利用组成物质的原子在一定条件下能发射具有各自特征光谱的性质，用来分析润滑油中的金属含量。 每种元素都有各自的特征光谱，并且每种元素所发射的特征光谱强度与其含量有关,因此可通过对润滑油中磨屑进行光谱分析，确定磨屑所含的化学成分及含量EJFP UHTfe图3.6光谱分析光谱分析法具有极高的灵敏度和准确度， 且分析速度很快，经常用于铁路机 车和船舶柴油机以及航空发动机的磨损检测。3.3.3铁谱分析法分析式铁谱仪的结构原理如

16、图 3.6a所示：从运转的摩擦机械系统的润滑剂 中提取一定量的油样，经过能促进磨损微粒沉淀的特殊溶剂稀释后，由低流量泵送至并流过透明基片。基片安装在略微倾斜的斜面上，磁力场呈梯度分布，因此 润滑油中的微粒在经过基片时，被磁力吸附在基片上并按大小分布。 基片上的磨 粒经过去油和固定处理后，便制成了铁谱图。图3.6b为一典型铁谱片，其中沉积的颗粒表现为沿玻璃片中间的一条暗带。補容器I ！ I一 二一图3.6铁谱分析仪结构原理及典型铁谱片a.铁谱分析仪结构原理 b.典型铁谱片铁谱技术对磨粒的识别与分析主要分为定性分析和定量分析两种方式。定性铁谱分析：利用光学显微镜对铁谱片上沉淀的磨粒进行形貌、尺寸大

17、小和成 分分析，建立磨损状态类型与磨损颗粒形态的相互关系， 判别摩擦副的磨损程度 以确定失效情况和磨损部位。定量铁谱分析：通常先采用铁谱光密度计来测量铁谱片上不同位置上磨粒沉积物 的光密度，从而求得磨粒的尺寸、大小分布以及微粒总量。所谓光密度是指透射 过透明铁谱片的光强度与透射过含有磨粒的铁谱片的光强度之比，与磨屑的覆盖面积成正比，通过光密度值可以推算铁谱片上磨屑量。一般在铁谱片上55mm（大 磨粒沉积处）和49mm（小磨粒沉积处）两处测量磨粒的光密度，以 Al和As分别表 示大、小磨粒光密度的读数。通过测出铁谱片上大、小磨粒的光密度，由此确定 大磨粒和小磨粒的相对含量。在磨粒分析方面，铁谱和

18、光谱分析各有所长：铁谱法能将磨粒按照尺寸大小 排列，并反映出颗粒的形状、磨损的性质，但进一步定性定量分析存在困难；光谱法能够区别磨粒中元素的成分以及含量，但对于大于2um的微粒即失去检测能力。因此，在分析磨粒时最好将光谱和铁谱法结合使用，相互补充。3.4磨损表面分析由于摩擦磨损发生在表面层，因此表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律 和机理的关键，目前已有多种现代表面测试技术用于研究摩擦表面的各种现象。 3.4.1摩擦磨损表面形貌分析磨损过程中表面形貌的变化可以采用表面形貌仪和扫描电子显微镜来进行 分析。通过对比磨损前后试样表面形貌的变化， 研究和分析磨损形成规律，推断出磨损形貌的形成原因及磨损

19、机理图3.7表面形貌仪和SEM拍摄的磨痕照片表面形貌仪包括探针式轮廓仪、白光干涉仪和激光共聚焦显微镜。表面轮廓 仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大, 并且描绘出表面的轮廓曲线。再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参 数的变化。白光干涉仪和激光共聚焦显微镜则是利用光学原理，对磨损表面形貌 进行逐层扫描，获得磨损表面的三维形貌，并可对获得的三维形貌进行多种测量。 扫描电镜能够直接观察摩擦表面的形貌及其在摩擦过程中的变化。电子扫描的图 象清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽（ 20-20000 倍），甚至可以直接 测量小型零件的摩擦表面。3.4.2 磨损表面结构分析 金属表面在摩擦磨损过程中表层结构的变化通常采用衍射技术来分析,常用的有电子衍射法和 X 射线衍射法。电子衍射的