摩擦磨损过程和磨损形式 钱洪新 [摘要]在机器的运转过程中,作相对运动的零件之间总是伴随着摩擦而产生磨损。磨损通常是不希望出现的，它是消极的、不利的。本文阐述了摩擦磨损过程；分析了摩擦的种类和摩擦 磨损的四种基本形式；揭示了摩擦磨损的规律。 [关键词]摩擦磨损摩擦分类磨损形式磨损规律 机器的运转都是由运动副零件的配合表面相对运动来实现的，而配合表面的相对运动必然伴随着摩擦而产生磨损。在摩擦过程中，摩擦表面发生了尺寸、形状和表面质量的变化称为磨损。摩擦磨损是发动机零件最常见的一种损伤形式，是机器缩短使用寿命、丧失工作能力、影响安全可靠工作的主要因素之一。 一、摩擦磨损过程 摩擦磨损与摩擦表面形貌有关。由于表面粗糙度的存在，两摩擦表面仅仅是在少数孤立点上发生接触，这时，法向载荷便由这些点上发生接触。接触面积越小，法向应力越大。当法向应力超过材料的屈服极限时，接触点就产生塑性变形。在塑性变形的同时，接触点处金属表面上的氧化膜也被压碎或剪切掉。这时，接触点金属分子间相互吸引力增大，有可能相互扩散而熔合在一起。我们把熔合在一起的现象称为冷焊。当相对运动继续进行时，由于剪切而使冷焊点破裂。以后又在接触点发生塑性变形、冷焊和破裂，直到真实接触面积增大到足以支承法向载荷时为止。这时，表面硬度增加了，表面粗糙度也有所提高了。 摩擦磨损过程是一个复杂的过程。当金属产生塑性变形时，要释放热量，因此，在摩擦表面上的温度要比基体金属的温度高得多。当温度高于再结晶温度时，因变形而引起的表面强化现象将消失；当温度继续升高时，金属被软化，摩擦表面金属分子相互粘结；当温度升高到相变温度，摩擦表面金属就会产生相变，强度和硬度也大大降低。在摩擦磨损过程中，摩擦表面还要与周围介质起作用。例如当氧化膜被压碎或前切后，裸露的金属表面迅速与氧气起化学反应，形成新的氧化膜。氧化膜和基体金属的结合力较弱，容易被压碎或剪切。另外，空气中的水分和润滑油中的硫分均能与摩擦表面起化学反应，产生化合物，加剧摩擦表面的磨损。因此，摩擦磨损过程就是由于机械和化学的
表面摩擦与磨损 摘要：简要介绍了摩擦与磨损的定义，摩擦的分类及评价方法；磨损的分类及评价方法；磨损的评价方法；抗摩擦磨损表面强化技术。 关键词：摩擦；磨损；表面 1 引言 摩擦与磨损是自然界存在的普遍现象, 摩擦对人类的生活和生产活动有利有弊, 而磨损却是有百害而无一利。摩擦与磨损对能源及材料的消耗是相当可观的, 据粗略估计, 有 1/3 ～ 1/2的能源消耗于磨损, 而磨损又常常是机器零部件失效的主要原因。 摩擦与磨损是发生在相互接触并相对运动的两个固体表面之间, 因此接触表面的特性, 诸如表面粗糙度及硬度等与摩擦、磨损关系密切。有些表面特性是由材料的本性决定的, 此外, 还可以采用各种方法对材料表面进行改性, 其中表面处理技术中的电镀及复合镀等则是常用的手段。在制备减摩及耐磨镀层时需进行检测, 因此, 有必要对摩擦及磨损的定义、产生原因和测试方法等有一定程度的了解[1]。 2 摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的 30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性[2]。 3 摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以前三种方式介绍分类[3]。 3.1 按摩擦副的运动状态分类
摩擦衬片（衬块）的磨损特性计算 摩擦衬片（衬块）的磨损与摩擦副的材质、表面加工情况、温度、压力以及相对滑磨速度等多种因素有关，因此在理论上要精确计算磨损性能是困难的。但试验表明，摩擦表面的温度、压力、摩擦系数和表面状态等是影响磨损的重要因素。 汽车的制动过程，是将其机械能（动能、势能）的一部分转变为热量而耗散的过程。在制动强度很大的紧急制动过程中，制动器几乎承担了耗散汽车全部动力的任务。此时由于在短时间内制动摩擦产生的热量来不及逸散到大气中，致使制动器温度升高。此即所谓制动器的能量负荷。能量负荷愈大，则摩擦衬片（衬块）的磨损亦愈严重。 制动器的能量负荷常以其比能量耗散率作为评价指标。比能量耗散率又称为单位功负荷或能量负荷，它表示单位摩擦面积在单位时间内耗散的能量，其单位为W/mm2 双轴汽车的单个前轮制动器和单个后轮制动器的比能量耗散率分别为 式中：δ——汽车回转质量换算系数； ma——汽车总质量 v1 v2——汽车制动初速度与终速度，m/s；计算时轿车取v1= 100km/h（27.8m／s）；总质量 3.5吨以下的货车取vl=80km／h
（22.2m/s）；总质量3．5 t以上的货车取v1=65 km／h（18m／s）； t一制动时间，s;按下式计算 j一制动减速度，m/ s2计算时取j=0．6g； A1，A2一前、后制动器材特（衬块）的摩擦面积； β一制动力分配系数，见式（3-12） 在紧急制动到v2=0时，并可近似地认为δ=1，则有 鼓式制动器的比能量耗散率以不大于1.8 W/mm2为宜，但当制动初速度油vl低于式(4-25)下面所规定的v1时，则允许略大于 1.8 W/mm2。轿车盘式制动器的比能量D 耗散率应不大于6．0 W/mm2发比能量耗散率过高，不仅会加快制动摩擦衬片（衬块）的磨损，而且可能引起制动鼓或盘的龟裂。 磨损特性指标也可用衬片（衬块）的比摩擦力即单位摩擦面积的摩擦力来衡量。单个车轮制动器的比摩擦力为 式（4－27）Tf中：Tf一单个制动器的制动力矩； R一制动鼓半径（或制动盘有效半径）
表面摩擦与磨损 一、摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。 二、摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2－1所示。 图2-1 摩擦状态
1、干摩擦 当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦（见图2-1a），工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。 2 、边界摩擦 当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦（见图2-1b）。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。 在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度。 3 、流体摩擦 当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦（见图2－1c）。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。 4 、混合摩擦 当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态（见图2－1d）。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多。 三、磨损的分类及评价方法 摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降
典型黑色金属磨损性能测试实验 史秋月 一、实验目的 1.了解M-2000型摩擦磨损试验机的结构，及材料进行耐磨性测试的意义； 2.掌握滑动摩擦、滚动摩擦及其在不同条件下（干式、湿式、磨粒等）的 实验方法； 3.掌握摩擦磨损性能指标的评估方法； 4.了解典型黑色金属灰铁和球铁在滑动摩擦条件下（干式）的耐磨情况。 二、实验设备 M-2000型摩擦磨损试验机，如图2-1 图2-1 三、实验材料 1.灰铁滑动摩擦试样一对，试样尺寸如附图（a） 2.球铁滑动摩擦试样一对，试样尺寸如附图（a） 四.实验原理与方法 将试样分别装在上下试样轴上，接通电源，双速电动机○1通过三角皮带○3齿12使下试样轴以200转/分（或400转/分）的速度转动；通过轮○4带动下试样轴○ 48的传递。使上试样轴○14以180转/分（或360转/ 47和齿轮○ 蜗杆轴○ 44，滑动齿轮○ 47分）的速度转动。当做滑动摩擦试验时，为使上试样轴不转动，应将滑动齿轮○ 46上。试验时，两试样间的压移至中间位置，齿轮○48必须用销子○22固定在摇摆头○ 19的作用下获得（弹簧中间是一重力传感器），负荷的增大或减少力负荷在弹簧○ 21上即可读出。也可将复合传感器接入25进行调整；负荷的数值从标尺○ 可用螺帽○ 电脑，从显示屏上读出，本实验载荷直接从显示屏上读出。试验的终止条件可由时间或总转速控制。试验结束之后根据不同的方法评估材料的耐磨情况。
五、实验内容 将加工好的滑动摩擦试样装在实验机上，在给定的条件下（干式、滑动摩擦、压力：200N、时间60min）进行试验，试验结束后将试样取下，评估耐磨性能。 根据所选取磨损试验方法的不同以及材料本质的差异，可以选择不同的耐磨性能评定方法，以期获得精确的试验数据，现简单例举下述几种方法以供参考。 1、称重法：采用试样在试验前后重量之差，本表示耐磨性能的方法，由于两试 样之间的摩擦所引起的磨损量，可以采用精度达万分之一的分析天平称量出试样试验前后重量之差非凡获得。试样在磨损前后必须严格进行去油污，烘干后再进行称量否则因残余的没污会影响试验数据的准确性。 计算可按下式进行： W=W0－W1 式中：W—试样的磨损量。 W0—试样在试验前的重量。 W1—试样在试验后的重量。 2、测量直径法：采用试样在试验前后直径的变化大小来表示耐磨性能的方法。 （1）用测微计（或其它测量仪器）测量试样试验前后的直径变化而获得。 （2）本试验机所带小滚轮○6可用来精确测量试样直径试验前后的变化。 测量方法：使用时首先将装有小滚轮○6的支架拆下来装在下试样轴轴承座的小轴（附图）上，在试验前后把试验机各开一分钟或下试样试验前后运转同样转数可得小滚轮转数N1和N2，由此通过下列计算可得到磨损量“S” 如果：D1—试样试验前的直径。 D2—试样试验后的直径。 D0小滚轮○6的直径。 N1—磨损前一分钟内小滚轮○6的转数。
耐磨耐蚀材料 题目：耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究 学院：材料科学与工程学院 专业：材料加工工程 指导老师：路阳杨效田 学生姓名：王鹏春 学号： 132080503043 2104年5月1日
耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性探究 摘要：综述了耐磨及减摩材料的基本性能要求，简单阐述了常见的耐磨及减摩材料的成分、组织与性能等和目前耐磨及减摩材料的新进展及方向。最后，论述了耐磨及减摩材料在表面工程技术中的应用形式，及耐磨涂层的发展方向。 关键词: 耐磨材料；减摩材料；耐磨涂层 0前言 众所周知，摩擦磨损特性的探究对国民经济来说，有着非凡的意义。据统计，全世界大约有2/1-3/1的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损是机械设备零件失效的三大原因之一，大约有80%的损坏零件是由于各种磨损形式引起的[1]。为了节约能源和材料，解决因磨损带来的损失显得至关重要，随着技术水平的发展，而其解决措施也变得各种各样，而本文主要从最基础的材料的选择上入手，来综述耐磨及减摩材料的摩擦磨损特性的探究现状及发展方向。 1 耐磨材料 材料的耐磨性通常是指在一定的工作环境下，摩擦副材料在，摩擦过程中抵抗磨损的能力。材料的耐磨性不是材料固有的本性，而是材料性质在一定的摩擦规范、表面状态、环境介质、工件结构、材料配对等某种条件下的体现。因此材料的耐磨性是相对的、有条件的。耐磨材料的一般性要求有以下几点[2]： 1.机械性能方面要有高的抗拉、抗压、抗拉、抗剪切强度；有高的硬度和韧性；有较高的相对延伸率；在摩擦的高温、高压下，机械性能应该稳定。 2.物理、化学性能方面要有良好的导热性，低的热膨胀系数，且各相的线膨胀系数差别要小；合金元素在其内的溶解度要高，分布要均匀；各相间微观电势要小，抗腐蚀性好；各相成分要在较宽的温度、压力范围内保持稳定。 3.金相结构方面金属晶体的滑移系要少；固溶体与强化相要恰当配合；强化相要有高的弥散性，分布要均匀；各相的位向要互相接近。 4.工艺性能方面要有良好的淬透性和机加工性，以及其他必要工艺性能，如铸件的铸造性。
磨损及耐磨材料复习题参考答案 1.固体表面的几何特性通常用（表面波纹度或宏观粗糙度）和（表面粗糙度或微观粗糙度） 来描述。 2.固体表面由于加工过程中的变形及局部加热，表现出不同于基体的物理机械性能，主要 表现在（硬度）、（残余应力）、（组织转变）、（塑性变形）和（微观缺陷）等。 3.固体表面的吸附分为（物理吸附）和（化学吸附）吸附。说明两种吸附的意义（物理吸附 是非常快的可逆过程。被吸附分子保持自己的特性。其与表面的结合属典型的范·德·瓦尔斯力。）（在化学吸附作用下，吸附原子与表面原子（分子）间发生电子交换，相互发生化学作用，从而使吸附表层的结构和化学性质发生变化，形成化合物。）。 4.影响滑动摩擦的主要因素有（金属性质）、（粗糙度）、（温度）、（速度）和（环境气氛与压 力）。 5.摩擦引起的表面效应有（温度效应）、（次表面应力的改变）、（扩散过程的发生）。 6.摩擦后表面的白层组织是由于（塑性流动）、（急冷急热）和（表面反应）三种效应所致。 7.滚动摩擦的机理与模型主要有（微观滑动）、（弹性滞后）、（塑性变形）和（粘着效应）。 8.常见的磨损形式包括（粘着磨损）、（磨料）、（疲劳）、（微动）、（腐蚀）和（冲蚀）。 9.减摩材料主要包括（钢铁）、（非铁合金）和（其他）减摩材料。 10.摩阻材料的主要失效形式为（磨损失效）和（热疲劳开裂）。 11.常见的润滑原理（方式）有那些？说出三种以上常见的固体润滑材料。流体润滑、边界润 滑和固体润滑。石墨、MoS 2、六方氮化硼（h-BN）、原硼酸（H 3 BO 3 ）。 12.说明边界润滑的意义及和流体润滑的差异。所谓边界摩擦（又称边界润滑），是指相对运动的两 表面被极薄的润滑膜(厚度在0.1μm以下)隔开情况下的摩擦。它不同于流体摩擦，因为此时两表面间的摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑剂特性。因而能大幅度提高承载能力，扩大使用范围。。而相对于干摩擦来说，边界摩擦具有较低的摩擦系数和磨损量。 13.解释磨损的实质及磨损与摩擦的关系，简要说明磨损的分类。要点：由于机械作用、间 或伴有化学和电的作用，表面相对运动，使材料发生损耗的现象（4）；摩擦是根源（起因），磨损是结果。有摩擦就有磨损（3）；分类：黏着磨损，磨料磨损，疲劳磨损，微动磨损，冲蚀磨损，腐蚀磨损（3）。 14.材料磨损量包括那些？解释相对耐磨性的含义；固体表面的接触面积分为哪3种？An、 Ap、Ar各表示什么。要点：W l ，W v 和W w ；ε=w A ∕w B ;(3) An＝a*b, Ap,轮廓接触面积， Ar，实际接触面积(3)； 15.简要说明金属固体表面结构。固体表面的接触具有什么特点？要点：外表层，氧化膜和吸 附膜或污染膜，内表层，加工硬化层，母材(3)。不连续性和不均匀性。 16.古典摩擦定律的基本内容包括哪些？与近代研究主要有哪些差异？摩擦力与作用于摩擦表 面的法向载荷成正比；摩擦力的大小与名义接触面积无关；静摩擦力大于动摩擦力；摩擦力的大小与滑动速度无关；摩擦力的方向总是与接触表面间的相对运动速度的方向相反。近代研究表明，上述定律与实际情况由许多不符之处。例如：摩擦系数实际上是与材料和环境有关的一个综合特性指数；而且，对于某些极硬或软材料摩擦力与法向载荷不呈线性比例关系。对于弹性材料（如橡胶）或粘弹性材料（如某些聚合物），摩擦力与名义接触面积的大小则存在着某种关系；对于很洁净、光滑的表面，或承受载荷很大时，接触表面间出现强烈的分子吸引力，故摩擦力与名义接触面积成正比。粘弹性材
磨损特性 机械零件的磨损过程通常经历不同的磨损阶段，直至失效。如图给出典型的磨损特性曲线(浴盆曲线)： 图磨损特性曲线 图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率。通常在磨合期内，磨损率比较大，并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持不变。直至某一点，斜率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生。对于一些磨损过程，例如滚动轴承或齿轮中发生的表面疲劳磨损，开始时磨损率可能为零，当工作时间达到一定数值后，点蚀开始出现并迅速扩展，磨损率迅速上升，很快发展为大面积剥落和完全失效。 磨损阶段的描述： 1．磨合阶段(I阶段) 又称跑合阶段。新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度。在载荷作用下，由于实际接触面积较小，故接触应力很大。因此，在运行初期，表面的塑性变形与磨损的速度较快。随着磨合的进行，摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，表面应力减小，磨损减缓。 一个崭新的，即加工后未经摩擦的固体表面总具有一定的表面粗糙度和比较尖锐的微凸体尖峰，实际上两个表面之间通过微凸体进入真实接触的面积是很小的。在这些接触着的微凸体之间会产生很大单位面积接触压力，乃至超过材料的
屈服强度，并造成微凸体材料的迁移，以及接触面之间的变形在局部微区产生很高的温度，致使接触面发生熔焊，随即又由于表面之间的相对运动而被撕裂。同时微凸体在相对运动过程中也很容易发生碰撞、折断、划伤。因此在磨合阶段，摩擦副表面的磨损量迅速增加，并达到较高的磨损率。 另一方面由于加工和装配等工况原因，使接触表面之间的间隙不均匀，从而难以形成稳定的油膜，这时的润滑状态处于一种从边界润滑到混合润滑的过度；随着磨合阶段的结束，微凸体不断被磨平，促使它们之间的接触面积不断增大，而单位面积的接触压力随之减小，同时通过一定的磨损之后，摩擦副的间隙趋于均匀，油膜得以建立，即进一步向完全流体动力润滑过度；于是磨损率也随之减小，并向稳定磨损阶段过度。 磨合阶段的轻微磨损为正常运行、稳定运转创造条件。通过选择合理的磨合规程、采用适当的摩擦副材料及合理的加工工艺、正确地装配与调整，使用含有活性添加剂的润滑油等措施能够缩短磨合期。上述磨合阶段最好受到监控，以免造成过度的磨损或磨合不够的情况产生。 2．稳定磨损阶段（II阶段） 经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。它的特点是磨损量与时间成正比增加，间隙缓慢增大。 稳定磨损阶段此时磨损量趋于平缓地增加，而磨损率则由高过度到低，并维持在一个比较稳定的水平上，表明零件摩擦副表面之间已形成较为稳定的油膜，在润滑油充裕的工况下处于一种流体动力润滑状态。流体动力油膜的存在不仅在很大程度上避免了微凸体尖峰受力为大部分表面处于一种比较均匀的受力状态。这对于减小磨损是极为有利的。特别是当油膜厚度大大超过两个接触表面的粗糙度时，摩擦副处于完全流体动力润滑状态；这时微凸体之间几乎不接触，摩擦表面依靠油膜传递压力，故磨损量保持在一个非常低的水平上。稳定磨损阶段是机器设备的正常工作阶段，稳定磨损阶段的长短与机器的工况有关，也与磨合阶段的磨合质量有关。这是因为机器在启动或停止的过程中，也就是摩擦副流体动力油膜建立或消除的过程，其润滑状态也就从边界—混合—完全流体的
博士入学考试 名词解释 粗糙度：评定加工过的材料表面由峰、谷和间距等构成的微观几何形状误差的物理量。 固体润滑：利用固体所具有的减摩作用的润滑方法。 固体润滑材料：为了防止相对运动中的表面损伤，并降低摩擦与磨损而使用的薄膜或粉状固体。 滑动磨损：两个相对滑动物体公共接触面积上产生的切向阻力和材料流失的现象。 自由磨料磨损和固定磨料磨损：两者皆为磨料磨损，自由磨料磨损磨料保持自由状态，而固定磨料磨损磨料保持固定状态。 耐磨性和相对耐磨性：材料的耐磨性是指一定条件下材料耐磨性的特性；相对耐磨性是指两种材料在相同的外部条件下磨损量的比值。 微切削和微犁沟：微切削是磨料(磨粒或硬突起)从被磨损表面切削下微切屑的磨料磨损过程；在相对滑动中，硬颗粒或两表面中硬微突体使较软表面塑性变形而形成犁痕式的破坏。 问答题 1.简述摩擦的概念和分类。 摩擦：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，就会发生摩擦。 摩擦学：摩擦学是研究相对运动互作用表面的科学与技术，它包括材料的摩擦、磨损和润滑三个部分。 分类： (1)按摩擦副表面的润滑情况分： 干摩擦：物件间或试样间不加任何润滑剂时的摩擦。 边界摩擦：两接触表面间存在一层极薄的润滑膜，其摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑特性。 流体摩擦：由流体的黏滞阻力或流变阻力引起的内摩擦。 半干摩擦：部分干摩擦，部分边界摩擦。半流体摩擦：部分边界摩擦，部分流体摩擦。 (2)按摩擦副的运动形式分： 滑动摩擦：当接触表面相对滑动或具有相对滑动趋势时的摩擦。 滚动摩擦：当物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦。
.2 电磨损试验装置的研制 2.1 试验装置研制背景 电刷是电机中极为重要的部件, 它在电机的固定部件与旋转部件之间传导电流, 在直流电机或交流整流子电机中还起换向作用。现代工业要求电机朝高速、小型化方向发展, 这就要求电刷工作电流大、磨损速率小、摩擦系数小、具有高的比强度、比模量和良好的润滑耐磨性, 一定的导电、导热性, 而在各类耐磨、减磨材料中得到应用。但目前国内外有关金属基复合材料摩擦磨损性能的研究, 大都在机械磨损条件下进行的,施加的摩擦压力很大，对通电状态下的电磨损, 特别是电流强度变化对电刷耐磨性的影响和小压力工作条件下磨损的研究报道较少。考虑到电刷的实际工作状况,本文将制得的银一石墨复合材料电刷, 在模拟电机实际工作条件下, 研究复合电刷材料在不通电的纯机械磨损和通人不同电流强度的电磨损条件下的磨损性能, 并对其电磨损机理进行了初步探讨。 2.2 试验装置整体构造和原理 2.2.1 试验装置结构特点 2 4 7 8 6 5 3 1 1.对磨环 2.对磨环螺母 3.电刷支架 4.刷握 5.电刷 6.施压弹簧 7.支架螺母 8.导线 图1 磨损实验装置结构原理示意图
9 9.底座 图2 磨损试验装置结构结构示意图 电磨损实验装置主要由动力系统、磨损测试系统、电刷支架固定及加载系统组成，其结构原理示意图如图1，2所示。 如图采用的电磨损实验装置系统主要包括以下几大部分： (1) 动力系统 采用三项异步电动机作为动力装置，型号为JW-5024,功率为60W,标准工作电压380V,额定工作电流0.33A，频率50Hz，绝缘等级为E级，转速为1400转/分。 (2) 电刷支架固定系统及加载系统 如图2所示，u行铁片与电机底座用螺丝固定，电机底座采用球墨铸铁，目的就是为了减少电机的震动，增加工作稳定性和可靠性，降低工作噪音。 (3) 磨损测试系统 主要由电刷和对磨环构成，电刷与对磨环相接触（如图1所示），利用对磨环的转动，小弹簧对电刷施加压力，使电刷稳定磨损。
磨损特性曲线2 机械零件的磨损过程通常经历不同的磨损阶段，直至失效。如图给出典型的磨损特性曲线(浴盆曲线)： 图磨损特性曲线 图中的纵坐标表示单位时间的磨损量，称磨损率。通常在磨合期内，磨损率比较大，并是递降的。然后进入一个较长时间的稳定期，磨损率较小并保持不变。直至某一点，斜率陡升，这预兆着磨损急剧增大，失效即将发生。对于一些磨损过程，例如滚动轴承或齿轮中发生的表面疲劳磨损，开始时磨损率可能为零，当工作时间达到一定数值后，点蚀开始出现并迅速扩展，磨损率迅速上升，很快发展为大面积剥落和完全失效。 磨损阶段的描述： 1．磨合阶段(I阶段) 又称跑合阶段。新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度。在载荷作用下，由于实际接触面积较小，故接触应力很大。因此，在运行初期，表面的塑性变形与磨损的速度较快。随着磨合的进行，摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，表面应力减小，磨损减缓。 一个崭新的，即加工后未经摩擦的固体表面总具有一定的表面粗糙度和比较尖锐的微凸体尖峰，实际上两个表面之间通过微凸体进入真实接触的面积是很小的。在这些接触着的微凸体之间会产生很大单位面积接触压力，乃至超过材料的屈服强度，并造成微凸体材料的迁移，以及接触面之间的变形在局部微区产生很
高的温度，致使接触面发生熔焊，随即又由于表面之间的相对运动而被撕裂。同时微凸体在相对运动过程中也很容易发生碰撞、折断、划伤。因此在磨合阶段，摩擦副表面的磨损量迅速增加，并达到较高的磨损率。 另一方面由于加工和装配等工况原因，使接触表面之间的间隙不均匀，从而难以形成稳定的油膜，这时的润滑状态处于一种从边界润滑到混合润滑的过度；随着磨合阶段的结束，微凸体不断被磨平，促使它们之间的接触面积不断增大，而单位面积的接触压力随之减小，同时通过一定的磨损之后，摩擦副的间隙趋于均匀，油膜得以建立，即进一步向完全流体动力润滑过度；于是磨损率也随之减小，并向稳定磨损阶段过度。 磨合阶段的轻微磨损为正常运行、稳定运转创造条件。通过选择合理的磨合规程、采用适当的摩擦副材料及合理的加工工艺、正确地装配与调整，使用含有活性添加剂的润滑油等措施能够缩短磨合期。上述磨合阶段最好受到监控，以免造成过度的磨损或磨合不够的情况产生。 2．稳定磨损阶段（II阶段） 经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。它的特点是磨损量与时间成正比增加，间隙缓慢增大。 稳定磨损阶段此时磨损量趋于平缓地增加，而磨损率则由高过度到低，并维持在一个比较稳定的水平上，表明零件摩擦副表面之间已形成较为稳定的油膜，在润滑油充裕的工况下处于一种流体动力润滑状态。流体动力油膜的存在不仅在很大程度上避免了微凸体尖峰受力为大部分表面处于一种比较均匀的受力状态。这对于减小磨损是极为有利的。特别是当油膜厚度大大超过两个接触表面的粗糙度时，摩擦副处于完全流体动力润滑状态；这时微凸体之间几乎不接触，摩擦表面依靠油膜传递压力，故磨损量保持在一个非常低的水平上。稳定磨损阶段是机器设备的正常工作阶段，稳定磨损阶段的长短与机器的工况有关，也与磨合阶段的磨合质量有关。这是因为机器在启动或停止的过程中，也就是摩擦副流体动力油膜建立或消除的过程，其润滑状态也就从边界—混合—完全流体的
MM1000系列型摩擦磨损性能试验设备 由西安顺通机电应用技术研究所研制成功的我国最新型全自动化控制的惯性系列摩擦磨损性能试验机，己在国内的摩擦材料领域得到了普及应用和配置。 全自动控制的系列摩擦磨损性能试验机应用现代工业控制技术和计算机应用技术从主机的结构、动力源、采集值、测试技术、应用瞬间值的采集技术即提取同一瞬间的压力值和扭矩值计算出该瞬间的摩擦系数等相关的测试值，提高了测试数据的精度等级及准确性，实现了测试数据的可靠性和重复性。它集机、电、气技术和传感器技术、变频调速技术、现代工业控制技术、计算机应用技术为一体，成功的实现了摩擦材料性能测试自动化，涉入全部摩擦材料领域。在实现全自动控制的工艺过程时全部按照国标、行标、（企标）的工艺路线和模拟实际工况试验条件设置进行，制作出符合企业生产、科研院所、大专院校进行摩擦材料生产、研究、配方工艺、质量控制和新材料研制、开发的专业检测设备。应用现代先进的科学技术,提供科学的试验方法和准确的测试数据使该试验机具备了小样试验机和整片1：1台架试验功能。它保持了与产品工况的一致性，又保持了与台架试验的一致性。保持与路试、航试有稳定的对应关系，应用小样试验的跟踪工艺性强，满足了快速变化的试验步骤，为企业赢得了时间，节约了资金。 全自动控制的系列摩擦磨损性能试验机应用了小样缩比模拟制动惯性试验原理，建立了模拟制动的试验方法，应用了全自动控制技术，实现了实验室条件下小样缩比模拟制动试验的功能。应用了多元相似原理模拟实际工况完成了（惯性制动）热冲击刹车试验的功能. 该检测设备不但具备了髙速、髙压、低速、低压、变速、变压、变温等技术条件下的测试功能，完成了摸拟飞机、坦克、火车、汽车、轨道列车等重载大惯量等制动工况进行的摩擦材料的摩擦、磨损、热负荷、及可靠性的试验研究要求，以材料可承载的最大负荷完成各种试验项目和极限试验功能；对于全部试验参数的采集频率高、采集精度高、采集速度快、采集数量大都较之所有试验机、试验台无以比拟的，实现采控一体采集信号，能与计算机通讯完成数据的转存和试验机的监测系统。全系统在全自动控制实验过程中有安全警示、有过载保护能力，以专用控制程序完成全系统控制指令，试验参数任意设置，测试数据随机采集，测试软件参数完全放开可设置，试验曲线坐标随试验条件变化，在整亇制动曲线中反映出实验全过程绘制的七条曲线并记录其任一瞬间的压力、转速、扭矩、温度值，即可计算出这一状态下的.动、静摩擦力矩；动、静摩擦系数、；摩擦功、；
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 损 量 图1.1 磨损曲线示意图 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。
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。
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。
第18卷第5期高分子材料科学与工程V o l.18,No.5 2002年9月POLYM ER M ATERIALS SCIENCE AN D EN GIN EERING Sept.2002橡胶摩擦磨损特性的研究进展 吕仁国,李同生,刘旭军 (中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000) 摘要:综述了近年来橡胶材料摩擦学的研究进展,论述了橡胶摩擦磨损的特点,讨论了影响橡胶摩擦学性能的各种因素,诸如物理力学性能、温度、溶胀、改性等。并针对橡胶摩擦磨损的研究现状及其发展前景,提出了今后值得重视的研究发展方向。 关键词:橡胶;摩擦磨损;影响因素 中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2002)05-0012-04 橡胶是非常重要且用量很大的工业材料之一,据不完全统计,2000年我国橡胶总消耗量将达220万吨,摩擦学性能是橡胶制品的一项非常重要的指标,例如橡胶轮胎的耐磨性能、刹车性能和行车效率、密封件的耐磨性等[1]。提高橡胶制品的耐磨性和使用寿命,可以在节约能源、材料、润滑剂等方面带来相当可观的经济效益和社会效益。因此,许多学者对此产生兴趣[2],橡胶摩擦磨损研究成为当今材料摩擦学研究的热点之一。 本文概括了近年来国内外橡胶摩擦磨损的研究进展,重点对橡胶摩擦磨损的特点和影响因素进行论述,并提出今后值得重视的研究发展方向。 1 橡胶摩擦的特点 橡胶是一种弹性模量很低、粘弹性很高的材料,因此橡胶的摩擦具有不同于金属和一般聚合物的特征。橡胶与刚性表面在滑动接触界面上的相互作用力包括粘着和滞后两项,而其摩擦力也正是由这两部分组成[3]: F=F a+F h(1)式中,F a——粘着摩擦力;F h——滞后摩擦力。 粘着摩擦起因于橡胶与对偶面之间粘着的不断形成和破坏[4],滞后摩擦则是由表面微凸体使滑动橡胶块产生周期性变形过程中能量的耗散引起的[5]。 当橡胶在坚硬光滑的表面上滑动时,摩擦力主要表现为粘着摩擦,根据弹性体摩擦的粘着理论,可以得出粘着摩擦力F a为[6]: F a=K1S(E′/p V)ta n W (V<1)(2)式中,K1——常数;S——滑动界面的有效剪切强度;p——正压力;E′——储能模量;tan W——损耗角正切(粘弹性参数)。显然,橡胶的粘着摩擦与材料的损耗角正切ta n W成正比。 润滑剂的存在可以阻止橡胶与对偶间的直接接触,使粘着摩擦成分大大降低,滞后摩擦起主要作用。根据弹性体滞后摩擦的松弛理论,可得出滞后摩擦力为[6]: F h=K2(p/E′)n tan W (n≥1)(3)式中,K2为与几何形状因子有关的常数。滞后摩擦力也与ta n W成正比,所不同的是,滞后摩擦力与变形程度因子(p/E′)n成正比。由此,橡胶的摩擦力可表示为: F=[K1S(E′/p V)+K2(p/E′)n]tan W(4) 2 橡胶磨损的特点 金属和塑料磨损表面的特征是磨痕与摩擦方向平行,而橡胶磨损表面的磨痕却垂直于摩擦方向,并且,磨痕在橡胶表面形成山脊状突 收稿日期:2000-10-18;修订日期:2001-02-20 作者简介:吕仁国,男,24岁,硕士生.
摩擦磨损与耐磨材料 姓名：李英杰 班级：材控13-2 学号：201301021048
Cr—Mn-N奥氏体一铁素体不锈钢的空蚀 1、概述： （1）空蚀原理：抛光表面在空蚀气泡溃灭作用下产生空蚀凹坑，随后叠加并扩展，表面出现塑性变形，产生加工硬化和应力，但表面易发生塑性流变，对高应变速率不敏感，所以空蚀孕育期长，空蚀扩展较慢，抗空蚀性能较好。空蚀发生时材料表面会产生疲劳裂纹并向内部扩展，引发疲劳断裂和脱落，之后裂纹继续向材料内部扩展，导致进一步破坏。空蚀发生后表面粗糙度明显变大【1】。 （2）研究历程：为了减轻水轮机过流部件的空蚀损伤，过去的几十年里在材料科学与工程领域，人们一直致力于开发具有抗空蚀损伤高性能的新材料，其中从60 年代发展起来的 Cr-Ni—MO系不锈钢就具有比传统材料更好的抗空蚀性[l] 由于这些 Cr-Ni-Mo 系不锈钢含有较多稀缺的金属镍,成本很高，而且抗含沙河流中泥沙磨损的性能也不理想，故开发价格低廉 (无镍或低镍) 且性能优异的水轮机过流部件用不锈钢具有极其重要的实际意义．早在 2O 世纪 3O 年代初期一些国家就开始了Cr—Mn-N不锈钢代镍的探索性研究，并列入国家标准[2]．Cr-M n-N系列不锈钢在化工、石油以及制药等工业中如今已经部分代替Ni-Cr 不锈钢．为了降低现有水轮机用 Cr-Ni-Mo系不锈钢的成本和提高抗多相流损伤的性能，我国及国外的一些研究者也将目光转向了 Cr-Mn—N系列不锈钢，并开展了该类不锈钢的抗空蚀和冲刷腐蚀等多相流损伤的研究工作，已取得了一定的成果，展示了其作为水轮机用金属材料的良好前景[2,4-7]。 2、实验研究： 0Cr13Ni5M o不锈钢热处理工艺为 1000 ℃正火，500 ℃回火，组织为回火马氏体 Cr—Mn—N 奥氏体一铁素体不锈钢为锻后固溶态．根据两种钢材的化学成分和硬度． Cr—Mn—N奥氏体一铁素体不锈钢组织中铁素体体积含量为19％．实验设备为美国 M isonix 公司生产的 X12020 型超声振荡空蚀实验机，该设备的振动频率为20 kH z峰一峰振幅为60 m，试样的前端即受到空蚀破坏的表面直径为 19．1 m m ，试样的后端加工成螺纹，用来将试样固定在设备的变幅杆上．为了减轻腐蚀因素的影响，选择蒸馏水为实验介质．实验介质放在冷
第29卷 第3期摩擦学学报Vol.29 No.3 2009年5月Tribol ogy May,2009 TA2表面磁控溅射CN x/S i C薄膜的纳米 压痕与摩擦磨损性能 许晓静,卓刘成,夏登福,韦宝存,郝欣妮 (江苏大学先进成形技术研究所,江苏镇江 212013) 摘 要:采用室温磁控溅射技术在工业纯钛(T A2)表面制备出氮化碳/碳化硅(C N x/Si C)双层薄膜,Si C为中间层. 研究了C N x薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.试验结果表明:C N x薄膜的纳米硬度(H)为15.80GPa,杨氏弹性模量(E)为130.88GPa,硬度与弹性模量比值(H/E)为0.121;与<4mm的氮化硅球对摩,在载荷1.96N、室温Kokubo人体模拟体液条件下,CN x薄膜的磨损速率为10-6mm3/(m?N)级,摩擦系数约为0.124,磨损后薄膜未出现裂纹和剥落.分析表明,薄膜具有的良好抗磨性能与其H/E高、抗腐蚀性强以及摩擦系统摩擦系数低相一致. 关键词:钛基材;薄膜;纳米压痕;摩擦磨损;磁控溅射 中图分类号:TG174.4文献标识码:A文章编号:1004-0595(2009)03-0256-05 钛金属具有比强度高、生物相容性好等特性,在医学、航空航天等领域具有广阔的应用前景.但其高摩擦系数和较差的抗磨损性能,致使其应用受到了制约. 氮化碳(CN x)薄膜作为碳基薄膜材料中的新成员,其所具有的优良的抗摩擦磨损性能、高化学稳定性以及优异的生物相容性等[1-5],使其成为医学材料领域的研究热点.研究表明,碳基薄膜与金属基材之间的黏附力较低,因此通常碳基薄膜的制备过程中均采用中间层以提高界面黏附. 本文采用磁控溅射技术在钛(T A2)表面制备CN x/Si C双层薄膜(Si C为中间层),对CN x薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能进行了试验研究和分析讨论. 1 实验部分 钛(T A2)基材的名义化学成分(质量分数,%)为:0.15O,0.05N,0.05C,<0.015H,<0.3 Fe,<0.15Si,其余为Ti.基材经砂纸磨平、抛光后用丙酮进行超声波清洗.采用JGP560CV I型超高真空多功能磁控溅射仪制备薄膜.靶材为高纯Si C和高纯石墨(Gr),靶材直径为60mm.溅射薄膜前,在进样室中对基材和靶材进行反溅清洗15m in,以去除表面杂质.采用射频(RF)磁控溅射技术在基材表面沉积Si C薄膜.采用直流(DC)反应(R)磁控溅射技术在Si C薄膜表面沉积CN x薄膜.薄膜的制备参数列于表1. 表1 薄膜溅射的试验参数 Table1 D epositi on param eters of f il m s Fil m system s CN x/Si C Si C Fil m category Si C CN x Si C Backgr ound p ressure/Pa2.5×10-52.5×10-52.5×10-5 Substrate te mperature Room Te mp. Room Te mp. Room Te mp. Magnetr on s puttering technol ogy RF DC-R RF Working gas(A rgon)p ressure/Pa 2.0 1.2 2.0 A rgon gas mass fl ow rate/scc m652565 N itr ogen gas mass fl ow rate/sccm/75/ Power/W200150200 Ti m e/m in120120240 Target-substrate distance/mm707070 采用带有X射线能谱仪(E DS)的JE OL JS M-7001F型场发射扫描电子显微镜(SE M)观察微观薄膜形貌.采用纳米压痕仪(美国Hystri on公司产原位纳米力学测试系统)(针尖为Berkovich金刚石三 收稿日期:2008-07-16; 修回日期:2008-12-26; 联系人:许晓静,e-mail:xjxu67@https://www.doczj.com/doc/6e4947168.html, 基金项目:江苏大学优秀学术青年骨干培养对象基金资助(1211110001);江苏省摩擦学重点实验室基金资助(kjs mcx06005).作者简介:许晓静(1967-),男,博士,教授,博士生导师,目前主要从事先进材料制造与性能表征及摩擦学方面的研究.