微动磨损的研究:摩擦表面材料的影响和若干思考
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第28卷第1期2008年1月摩擦学学报TRIBOLOGYVol28,No1Jan,2008材料磨损研究的进展与思考温诗铸(清华大学摩擦学国家重点实验室,北京100084)摘要:阐述了材料磨损理论和抗磨损技术研究的进展,分析了磨损损伤特征和复杂性,着重讨论了磨屑形成机制,指出疲劳机制研究具有重要意义,并就今后材料磨损研究提出了若干建议.关键词:磨损理论;磨屑形成机制;抗磨损技术;进展中图分类号:THll7.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2008)01-0001-05摩擦学是研究摩擦表面或界面行为、损伤与控制的技术学科.材料摩擦学性能通常是指摩擦磨损性能.摩擦是摩擦副表面在相互滑动中发生能量转换,并产生能量损耗的过程;而磨损则是由摩擦副之间力学、物理、化学作用造成的表面损伤和材料剥落.摩擦与磨损密切相关,但并不存在确定的量化关系.由于摩擦磨损现象广泛地存在于各类机械装备,造成巨大的经济损失,因此受到人们极大的关注.摩擦学研究旨在揭示摩擦磨损形成机理及影响因素,进而建立物理模型和数学描述,以及寻求润滑、表面处理等技术,以减少摩擦和控制磨损¨J.因此,摩擦学研究对于国民经济发展具有重要意义.在远古时代人们就意识到磨损的存在和危害,例如卢克里蒂斯(公元前95~55年)曾经指出:“……手指不断摩擦使戒指磨薄.滴水会穿石成孑L.犁头即使是铁的,在犁沟时也会逐渐磨小.我们看到,道路的路石因受行人的践踏而被磨光.城门的青铜雕像右手因受过路旅客的抚摸而被磨薄……但是我们见识浅薄,希望今后有能力去了解在任一时期内什么部分被磨损掉.”由于磨损是造成机械装备失效的重要原因,在摩擦学研究中,人们普遍认识到磨损研究的重要性,并开展了最广泛的研究.然而,因磨损现象的复杂性,迄今为止,在摩擦学基础理论研究方面,可以说针对磨损的研究又是最不完善的.1磨损损伤的特征有关磨损问题的基础研究,无论是实验考察还是理论建模和量化均存在许多困难,这是由于磨损损伤过程所具有的复杂特征造成的.作者认为,磨损的主要特征有:(1)磨损过程中材料剥落过程是发生在摩擦表面间接触微区内的动态过程,产生剧烈的力学作用,并伴随物理化学变化,因此难以直接观测磨屑形成过程.虽然在20世纪60年代,诸如电子显微镜、能谱仪等一大批表面微观分析仪器相继商品化,广泛用于表面微观形貌以及表面层结构和组成分析,推动了磨损机制研究的深入发展∽j,然而,这些仪器只能应用于磨损前和磨损后的静态观察和对比,无法实现磨损过程的在线检测.(2)材料的摩擦磨损性能与其他力学性能不同,它不是材料的固有特性,而是材料在实际摩擦学系统中表现出来的综合性能.换言之,材料的摩擦磨损性能与其所处的条件,包括接触形态、环境状况、运行工况等密切相关,是材料在所处条件下特定的性能.因此,材料摩擦磨损性能对所处条件具有强烈的依赖性”J.(3)与材料其他机械损伤相类似,磨损也主要源于力学作用下的材料强度劣化,然而磨损是特殊的力学问题.其特殊性表现为:外部施加给材料的力学作用是变化的,而且材料承受力学作用的体积和性能也是变化的∞1.因此,磨损过程是时变性很强的随机过程,该过程同时又与环境因素密切相关.(4)现实的磨损总是多种机制共存,而且是交互作用的过程,因此磨损所表现出的外部特征错综复杂.根据当今的摩擦学原理,按照表面作用、表面层基金项目:国家自然科学基金资助项目(50730007,50575123).收稿日期:2007-09-25;修回日期:2007-11-04/联系人温诗铸,e—mail:dpiwsz@mail.tsinIghua.edu.en作者简介:温诗铸,男,1932年生,教授,中国科学院院士,目前主要从事润滑理论、摩擦磨损机理与控制、纳米摩擦学以及微机械学等研究 万方数据2摩擦学学报第28卷变化和破坏形式等3个方面的情况通常可将磨损分为4种典型类型,即磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损和腐蚀磨损.针对各类磨损可以将材料磨损损伤机制归纳为切削(犁沟)机制、粘着机制和疲劳机制等3种典型机制.从20世纪40年代开始,人们根据特定的工况条件,分别针对各种磨损机制进行了大量的实验研究和分析,建立了相应的理论和磨损公式∞J.然而,正因为是在特定的实验条件下得出的结论,其针对性和局限性较强,不尽适用于其他的工况条件.同时,实际的磨损现象往往又是多种机制综合影响的结果,所以现有的磨损理论普适性较差,磨损基础理论研究落后于工程实践的要求.2磨损理论与磨屑形成机制研究人类研究磨损的规律及其机制以便控制或利用磨损所作的不懈努力,可以追溯到15世纪达·芬奇(1452~1519年)关于材料磨损的实验研究.据1967年在马德里发现的达·芬奇关于滑动轴承磨损研究的手稿记载,轴承磨损随载荷增加而加剧.为了减少磨损,他研制出了一种新型轴承材料,即含30%铜和70%锡的轴承合金。
摩擦材料表面形貌对磨损性能的影响研究随着工业技术的发展,对材料磨损性能的研究越来越关键。
材料的表面形貌在磨损方面发挥着重要的作用。
因为当两个摩擦面之间发生相对运动时,表面粗糙度以及形状会影响磨损的发生和程度。
所以,本文着重探讨摩擦材料表面形貌对磨损性能的影响研究。
I. 背景磨损是机械元件在使用过程中必然会遇到的问题。
随着工业的发展和机械元件的使用量大幅增加,磨损对机械元件的影响也越来越大。
磨损不仅会降低机械元件的寿命,还会造成机械元件的失效,甚至会引起意外事故。
因此,在材料的研究中,研究磨损性能成为一个重要的课题。
II. 磨损机理磨损过程包括磨粒的切削、微观塑性变形、疲劳裂纹扩展和局部化化学反应等多种机理。
磨损的机理可以分为三种类型:磨蚀、疲劳磨损和粘着磨损。
其中,磨蚀是最常见的磨损形式之一。
其机理是当两个物体之间存在相对运动时,表面粗糙度过大会导致摩擦力和摩擦热的增加,最终导致表面的磨损。
III. 表面形貌对磨损性能的影响材料的表面形貌是指网状几何结构非常微小的粗糙的结构,其形态、尺寸以及分布是表面性能的三个关键因素。
表面形貌的粗糙度、形状、分布、界面状态等都会影响磨损性能。
具体地说,表面形貌将影响负荷和摩擦系数。
当两个表面之间的形貌相对应时,压力会更集中,以及摩擦系数会更大,会促进磨损的出现。
例如,一些表面结构复杂的材料表现出了卓越的抗磨损性能,其主要原因是因为细微的表面结构可以减少接触表面积,从而减小摩擦和磨损;或者对表面塑性变形具有抵抗作用,并在表面上形成一个坚硬的保护层,进一步提高磨损性能。
在相同条件下,少量的微缺陷对磨损的影响很大,细微的物理化学反应的影响也是不可忽略的。
因此,表面形貌对磨损性能具有决定性的影响。
IV. 结论本文讨论了表面形貌对材料磨损性能的影响,表面形貌在摩擦、接触、润滑形成的三重条件下能影响磨损现象的发生和进一步发展。
因此,在设计材料表面时,应根据特定的应用需求选择适当的表面形貌,以提高材料的磨损性能。
控制与保护开关中微动磨损原因与分析控制与保护开关,是现代电力系统中必不可少的设备,其具有重要的控制、保护和监测功能。
在运行中,开关内部的各个机构相互协作,以实现稳定、可靠的系统运行。
然而,长时间的使用和恶劣的环境条件,会导致开关内部的微动件发生磨损,影响开关的运行效果和寿命。
因此,对开关中微动件的磨损原因与分析进行研究,对于提高开关运行效率和延长使用寿命具有重要意义。
1.开关中微动磨损的原因开关中微动磨损的原因是多方面的,主要包括以下几个方面:1.1.设计缺陷开关中微动磨损的一个重要原因是设计缺陷。
由于设计不合理或制造工艺不完善,开关微动件可能存在尺寸精度不足、角度不准、制动间隙过大等缺陷,这些缺陷会导致微动件在使用过程中出现不稳定性和摩擦力大的情况,从而引起磨损。
1.2.材料不合理开关中微动磨损的另一个重要原因是材料不合理。
由于微动件的材料选择不当或者制造过程不规范,导致材料本身的性能不佳或者表面处理不好,从而加速了微动件的磨损。
比如说,开关微动件常用的材料包括硬质合金、不锈钢、铜合金等,如果这些材料的质量不好,或者没有进行合适的表面处理,就会在使用过程中迅速磨损。
1.3.恶劣的工作环境开关中微动磨损的第三个原因是恶劣的工作环境。
开关一般需要在高温、湿度、强酸碱等严酷的环境中运行,这些环境会导致微动件的表面锈蚀、腐蚀等问题,从而影响微动件的精度和可靠性。
1.4.频繁的工作循环开关中微动磨损的第四个原因是频繁的工作循环。
开关常常需要在高频率下进行开关和关断操作,这样就会产生较大的冲击力和摩擦力,加速微动件的磨损。
2.微动磨损的影响开关中微动磨损会影响其正常的工作效率和使用寿命,具体表现如下:2.1.降低精度微动磨损会导致微动件的尺寸发生变化,从而影响其精度。
由于微动件是控制和保护开关的核心组成部分,其精度的下降会直接影响开关的控制和保护性能。
2.2.效率降低微动磨损会增加开关的机械阻力和摩擦力,从而使开关的功率和效率降低。
聚合物及其复合材料的微动磨损行为研究下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。
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粉末冶金非圆齿轮的微动摩擦与磨损行为分析摩擦与磨损是粉末冶金非圆齿轮运行过程中不可忽视的问题。
了解和分析微动摩擦与磨损行为对于齿轮的寿命和可靠性至关重要。
本文将对粉末冶金非圆齿轮的微动摩擦与磨损行为进行详细分析。
1. 粉末冶金非圆齿轮的微动摩擦理论粉末冶金非圆齿轮的微动摩擦是齿轮表面之间的接触滑移所产生的摩擦力。
微动摩擦过程中,表面微观形貌和材料物性会直接影响摩擦性能和磨损行为。
常用的微动摩擦模型包括弹性接触模型、塑性接触模型和接触疲劳模型等。
2. 粉末冶金非圆齿轮的磨损机制粉末冶金非圆齿轮的磨损主要包括疲劳磨损、磨粒磨损和表面磨损等。
疲劳磨损是由于重复加载和接触应力导致的表面损伤。
磨粒磨损是由于颗粒硬度较高的杂质或磨粒对齿面表面的磨损。
表面磨损是由于齿面之间的直接接触引起的材料层剥离、划伤和磨损。
3. 粉末冶金非圆齿轮的材料选择和处理对磨损行为的影响粉末冶金非圆齿轮的材料选择和处理对磨损行为具有重要影响。
适当的材料选择可以提高非圆齿轮的抗磨性能和疲劳寿命。
粉末冶金工艺可以制备出具有良好抗磨性能的材料。
热处理过程可以改善材料的硬度和强度,从而提高非圆齿轮的耐磨性能。
4. 微动摩擦与磨损测试方法为了了解粉末冶金非圆齿轮的微动摩擦与磨损行为,需要开展相应的测试方法。
常用的测试方法包括摩擦磨损试验、磨损机理分析和表面形貌分析等。
通过对不同条件下的磨损试验进行研究,可以获得非圆齿轮摩擦磨损性能的定量分析和对齿轮设计和制造的指导。
5. 提高粉末冶金非圆齿轮的抗磨性能和耐用寿命的途径提高非圆齿轮的抗磨性能和耐用寿命是研究的重点之一。
通过改进材料选择、优化工艺参数和提高表面处理质量等途径可以有效提高非圆齿轮的抗磨性能。
此外,适当的润滑和冷却措施也可以减缓磨损过程,延长齿轮的寿命。
综上所述,粉末冶金非圆齿轮的微动摩擦与磨损行为分析对于提高齿轮的耐磨性能和可靠性具有重要意义。
通过对微动摩擦机理和磨损机制的深入了解,可以为非圆齿轮的设计、制造和维护提供有效的指导,实现更好的性能和寿命。
TC4合金在不同环境介质下的微动磨损行为研究TC4合金是一种由钛、铝、钒等元素组成的钛合金。
随着工程领域对材料性能要求的不断提高,TC4合金作为一种性能优异的材料得到了广泛应用。
然而,随着使用环境的不同,TC4合金会受到微动磨损的影响,从而影响其使用寿命和性能。
为了深入了解TC4合金在不同环境介质下的微动磨损行为,本文通过实验研究了TC4合金在不同介质中的摩擦学性能和磨损机理。
首先,本文通过材料试样的制备和实验测试,获得了TC4合金在不同环境介质下的磨损量数据。
实验结果表明,在湿润环境下,TC4合金的磨损量较大,而在干燥环境下,磨损量较小。
这表明湿润环境对TC4合金的微动磨损行为具有明显的促进作用。
接下来,本文利用扫描电镜和能谱仪对不同介质下的TC4合金试样进行表面分析。
结果显示,在湿润环境中,试样表面出现了明显的磨损痕迹和氧化物。
这些氧化物可能是湿润环境中的氧气和水分导致的。
与之相比,在干燥环境中,试样表面几乎没有明显的磨损痕迹和氧化物生成。
进一步分析发现,在湿润环境中,试样表面出现了许多微小的磨损颗粒。
这些磨损颗粒可能是由于湿润环境中润滑油和颗粒物的存在,导致摩擦部分产生了微小的磨损颗粒。
这些磨损颗粒的存在会增加试样表面与摩擦副材料之间的接触面积,从而增加了微动磨损的程度。
最后,本文还探讨了TC4合金在不同环境介质下的磨损机理。
在湿润环境中,由于氧化物的生成和磨损颗粒的存在,试样表面的摩擦副材料与氧化物之间的接触面积较大,从而增加了磨损量。
而在干燥环境中,由于没有氧气和水分的影响,磨损量较小。
综上所述,TC4合金在不同环境介质下的微动磨损行为受到介质的湿润程度的影响。
在湿润环境下,磨损量较大并且表面出现了氧化物和磨损颗粒。
而在干燥环境中,磨损量较小且表面几乎没有明显的磨损痕迹。
这些研究结果为优化TC4合金在不同工程环境下的应用提供了理论依据,并对相关领域的研究具有一定的指导意义综上所述,本研究通过对TC4合金在湿润环境和干燥环境中的微动磨损行为进行表面分析,发现湿润环境中试样表面出现了明显的磨损痕迹和氧化物生成,而在干燥环境中磨损量较小且表面几乎没有明显的磨损痕迹。
材料表面涂层对摩擦和磨损的影响机理研究摩擦和磨损是各种机械系统中普遍存在的问题,对材料和设备的性能产生负面影响。
为了解决这一问题,研究人员发现通过在材料表面涂层来改善其摩擦和磨损性能是一种有效的方法。
这种表面涂层技术在工业领域已经被广泛应用,本文将重点探讨材料表面涂层对摩擦和磨损的影响机理。
涂层是通过在材料表面上形成一层覆盖物来提高摩擦和磨损性能的技术。
涂层可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电沉积、溅射等方法进行制备。
涂层材料的选择主要依据于材料的使用环境和要求,如金属、陶瓷、聚合物等。
首先,涂层可以改变材料表面的摩擦特性。
涂层可以利用其固有的滑动特性,降低材料表面与其他物体之间的接触力,从而减小了摩擦系数。
此外,一些涂层材料还具有自润滑的特性,能够在摩擦过程中释放润滑剂,降低了摩擦系数,并减少了摩擦产生的热量。
其次,涂层可增加材料的硬度和耐磨性。
在表面涂层的过程中,涂层材料与基材之间发生化学反应,使涂层与基材形成牢固的结合。
这样,在摩擦和磨损过程中,由于涂层的硬度高于基材,涂层能够承受更大的载荷,减少了材料表面的磨损。
同时,涂层还能够有效减少摩擦表面的接触面积,从而降低了摩擦表面的磨损。
涂层还可以增加材料的抗腐蚀性能。
在某些工作环境中,材料容易受到氧化、腐蚀等侵蚀。
通过在材料表面形成涂层,可以有效隔绝外界环境对材料的侵蚀,提高材料的抗腐蚀性能。
涂层的抗腐蚀性能主要取决于涂层材料的化学稳定性和结构稳定性。
涂层的厚度和结构对摩擦和磨损性能也有重要影响。
较厚的涂层可以提供更好的保护层,延长材料的使用寿命。
然而,过厚的涂层可能导致表面粗糙度增加,反而影响材料的摩擦和磨损性能。
此外,涂层结构的致密性和均匀性也对摩擦和磨损性能起着关键作用。
较致密的涂层结构可以有效减少材料表面的微孔和缺陷,提高摩擦和磨损性能。
此外,涂层的制备工艺和材料的选择也对摩擦和磨损性能有直接影响。
不同的制备工艺会影响涂层的致密性、晶体结构和表面形貌,从而影响材料的摩擦和磨损性能。
表面磨损表面磨损如何影响材料的摩擦特性表面磨损对材料摩擦特性的影响摩擦学旨在研究固体直接接触面之间的相互作用及其对物体运动和能量转换的影响。
而材料表面磨损是影响摩擦学的主要因素之一。
在此文中,我们将讨论表面磨损及其对材料摩擦特性的影响,探索这一现象背后的原因与机制。
1. 表面磨损的原因表面磨损是指材料表面在与其他材料直接接触过程中,由于外力作用下接触面之间的相互摩擦而先后逐渐失去材料表面一定制造精度的过程。
表面磨损的原因有以下几种:1.1 机械磨损机械磨损是指材料表面在接触的瞬间受到较大压力的冲击而产生的变形和疲劳,逐渐会出现裂纹并失去材料表面的一定制造精度的过程。
1.2 粒子磨损粒子磨损是指材料表面与空气中的固体颗粒或者与其他固体材料摩擦接触时,受到颗粒强烈物理作用或者化学反应作用,逐渐失去材料表面的一定制造精度的过程。
1.3 化学磨损化学磨损是指材料表面与其他物质反应的结果,会因化学作用而失去材料表面的制造精度,主要包括材料表面的氧化、腐蚀、脱合、酸碱腐蚀等现象。
2. 表面磨损对摩擦系数的影响表面磨损与摩擦系数的变化相互关联,最终会影响材料的摩擦特性,具体影响如下:2.1 摩擦系数的增加当材料表面磨损后,摩擦系数会随着磨损程度的增加而增加。
这是因为磨损过程中材料表面的几何形状发生了变化,表面的粗糙度增加,表面实际接触面积减小,接触应力增加等因素导致表面摩擦系数的增加。
2.2 摩擦系数的减少表面磨损程度逐渐加剧,表面的材料质量会逐渐降低,材料的表面化学变化也会发生变化,导致材料摩擦系数的降低。
当表面磨损程度逐渐加剧时,表面磨损降低了接触面积的粗糙度,减小表面的接触应力,降低表面的摩擦系数等原因会导致摩擦系数降低的现象出现。
3. 如何降低表面磨损对摩擦特性的影响表面磨损降低了材料的摩擦特性和材料表面制造的精度,为了降低表面磨损对摩擦特性的影响,可以采取以下措施:3.1 修改表面材质通过对表面材料的改变,可以降低表面磨损的程度及速度,从而减少表面磨损对摩擦系数的影响。
材料科学中的摩擦磨损与表面工程摩擦磨损是材料科学中的重要问题之一,涉及到材料的选用、设计和制造等方面。
人类在发展历史中一直在探索如何减少摩擦磨损产生的能量损失和材料损耗,提高材料的性能和使用寿命。
表面工程则是针对材料表面的处理,用以改善其性能、减少摩擦磨损等问题。
本文将介绍摩擦磨损和表面工程在材料科学中的应用和研究进展。
一、摩擦磨损的研究和应用摩擦磨损是指两个物体相互接触,因相对运动而产生的材料损伤。
在实际生产和使用过程中,摩擦磨损会产生能量、材料和财务等多方面的损失,因此研究和应用摩擦磨损是材料科学的重要内容。
常见的摩擦磨损形式包括磨损、划伤、剥落等,其机理一般包括材料的微观形变、断裂和表面疲劳等过程。
在摩擦磨损的应用方面,人们通过研究摩擦磨损的机理,来选择和利用不同材料,以满足各种工程需要。
例如,磁盘驱动器中的读写头和磁盘之间的接触就发生了摩擦磨损,显然需要选择一种抗磨损性能较好的材料,以延长其使用寿命。
同样的,高速列车和航空发动机的制造,也需要对材料的耐磨性能进行特殊设计和选用。
二、表面工程的应用与研究表面工程是通过加工、改性或涂覆等方式对材料的表面结构和组成进行调整,实现对其性能的调控和优化。
表面工程是一种非常有效的方法,可以大幅度提高材料的抗磨损性能、防腐蚀性能、导电性能等。
同时,表面工程还可以制造新型功能材料,例如光电材料、光学材料等。
表面工程的应用范围非常广泛,包括机械制造、航空航天、汽车工程、医疗器械、电子工程等领域。
表面工程是材料科学中较为重要的研究内容之一,其涵盖了化学、物理、材料科学等多个领域,需要综合考虑材料的物理化学性质、表面形貌、组织结构等方面的因素。
常用的表面工程技术包括离子注入、化学镀膜、物理气相沉积等。
三、表面纳米结构的影响和研究表面纳米结构是目前材料科学中较为热门的研究方向之一。
通过研究表面结构和纳米层次的物理性质,人们可以制造出更为优异的材料,并且在磨损、摩擦、润滑等方面取得了一定的突破。
微动磨损的研究:摩擦表面材料的影响和若干思考Hiroki Endo,Etsuo Marui*(日本,岐阜市501-1193,1-1 Yanagido,岐阜大学工学部机械系统工学科)2001年十月10日收稿,2002年5月31修订及收录摘要当在准静态法向力作用下的表面之间循环发生微小的相对切向位移时,将导致微动疲劳和微动磨损。
微动现象的影响因素很多。
在本研究中,用实验的方法观察各种表面材料的组合对微动磨损的影响,然后通过新提出的方法对微动磨损量进行估计。
实验中使用四个薄板试样试样,通过估计微动磨损大小,微动磨损量和磨痕的横截面积形状确定表面材料对微动磨损的影响,分别是机械制造用钢,铝合金,硬质合金和Sialon陶瓷。
1.引言微动总是在微小的切向位移在准静态法向力作用下的表面之间循环作用时发生。
微动损伤(现象)有两种模式。
一种是伴随着裂纹同时产生的微动疲劳,另一种是材料通过耐磨机械装置损失的微动磨损。
据报道,在微动方面有三种接触情况尤为突出,对应于切向作用力和微动振幅[1,2]。
在整个接触面持续粘着的情况下,微动振幅很小,这时发生氧化和磨损的表面损伤。
当切向力和微动振幅是变得稍大时,在接触区域会看见混合区和滑移区。
当表面之间的相对运动大小大于接触区域的大小时,就产生了有序往复滑动磨损[3]。
微动磨损受多种因素的影响,如材料构成的摩擦副的性能[4],法向力和微动频率[5],润滑状态[6,7],磁场[8]和表面处理[2,9]。
事实上影响微动磨损的因素很多,使得对微动磨损现象的充分认识变得困难。
Mindlin等人对微动磨损的接触情况进行了详细检测[10]。
此外,近年来,已提出用力学模型来比拟微动磨损循环[11]。
在本研究中,微动磨损是在轴承钢球和各种薄板试样之间被观察。
被检测的平面试样的材料有碳钢,铝合金,硬质合金和Sialon陶瓷。
2.实验仪器和步骤图1为微动磨损的实验装置。
该设备在以往的研究中常被使用[12],因此,这里就简短的解释一下。
微动磨损的研究:摩擦表面材料的影响和若干思考Hiroki Endo,Etsuo Marui*(日本,岐阜市501-1193,1-1 Yanagido,岐阜大学工学部机械系统工学科)2001年十月10日收稿,2002年5月31修订及收录摘要当在准静态法向力作用下的表面之间循环发生微小的相对切向位移时,将导致微动疲劳和微动磨损。
微动现象的影响因素很多。
在本研究中,用实验的方法观察各种表面材料的组合对微动磨损的影响,然后通过新提出的方法对微动磨损量进行估计。
实验中使用四个薄板试样试样,通过估计微动磨损大小,微动磨损量和磨痕的横截面积形状确定表面材料对微动磨损的影响,分别是机械制造用钢,铝合金,硬质合金和Sialon陶瓷。
1.引言微动总是在微小的切向位移在准静态法向力作用下的表面之间循环作用时发生。
微动损伤(现象)有两种模式。
一种是伴随着裂纹同时产生的微动疲劳,另一种是材料通过耐磨机械装置损失的微动磨损。
据报道,在微动方面有三种接触情况尤为突出,对应于切向作用力和微动振幅[1,2]。
在整个接触面持续粘着的情况下,微动振幅很小,这时发生氧化和磨损的表面损伤。
当切向力和微动振幅是变得稍大时,在接触区域会看见混合区和滑移区。
当表面之间的相对运动大小大于接触区域的大小时,就产生了有序往复滑动磨损[3]。
微动磨损受多种因素的影响,如材料构成的摩擦副的性能[4],法向力和微动频率[5],润滑状态[6,7],磁场[8]和表面处理[2,9]。
事实上影响微动磨损的因素很多,使得对微动磨损现象的充分认识变得困难。
Mindlin等人对微动磨损的接触情况进行了详细检测[10]。
此外,近年来,已提出用力学模型来比拟微动磨损循环[11]。
在本研究中,微动磨损是在轴承钢球和各种薄板试样之间被观察。
被检测的平面试样的材料有碳钢,铝合金,硬质合金和Sialon陶瓷。
2.实验仪器和步骤图1为微动磨损的实验装置。
该设备在以往的研究中常被使用[12],因此,这里就简短的解释一下。
球形试样夹在两个相同的平板试样之间,被直接放置在压电驱动器上。
动态扩展和压电驱动器收缩在球形试样之间垂直的振动导致微小的往复位移(微动振动)。
微型电脑产生的控制电压为0~5伏,通过放大器放大120倍。
压电驱动器所产生的位移程度的是通过这一电压被控制的。
由于试样之间的接触摩擦,压电驱动器上的负载量改变,所以,压电驱动器的扩展和收缩程度也改变。
从这个扩展和收缩的变化,可估计出摩擦的概要或摩擦系数[12]。
两个平面试样被固定在平台上,它可以靠导线和导轨横向平移。
金属丝通过滑轮在平台之间被拉伸,平台被施加静负载张力。
一个球形试样悬挂在两个相同的平面试样之间,通过这个机械装置,在试样之间可应用一个不变的法向力。
钢板弹簧结构的两个传感器被固定在平台上,用来衡量试样之间的直线往复滑动运动。
图2通过微动周期来显示微动振幅的变化。
压电驱动器输入电压的波形是正弦波,幅值和频率分别为360 V和20 Hz。
法向力是66 N。
图中,显示了轴承钢球形试样和碳钢板试样这种情况的结果。
微动振幅在前3000个微动周期时迅速降低。
在此之后,振幅变化渐渐变小。
近似地,其他微动条件和材料组合也被认可的有相同的趋势。
对这一现象的一些考虑是在摩擦系数的基础上进行的。
在图2的瞬间状态,微动循环次数的增加就认为是摩擦系数的迅速增加。
在过渡状态中清除接触表面残余薄膜导致这一增长。
因此,在下面的实验中,微动循环次数定为50000,那里的微动振幅几乎不变。
球面试样是一个直径为20 mm的轴承球。
平面试样材料的差别很大。
平面试样的大小是一个35 mm×35 mm的正方形,厚度为10 mm。
这四种测试材料是机器使用的碳结构钢(含0.55% C和HV250),硬质合金(WC-Co硬质合金,含16% Co和HV1230),铝合金(Al-Mg-Si合金,含0.7%Mg和0.4%Si和HV80)和Sialon陶瓷(含49.8%Si,9.6%Al,5.7%O和34.9%N,和HV1500)。
所有平面试样的表面粗糙度约为1 μm R a。
这种球形试样优于平面试样,且它的表面粗糙度小于0.1 μm R a。
在钢球试样和平板试样表面充分润滑后进行实验。
微动磨损试验后,通过压缩空气除去小的磨损颗粒,并对磨痕形状进行观测。
3. 微动磨损量的测量微动磨损量非常小,因此很难直接精确的测量。
出于这个原因,在许多情况下,假设磨痕作为一个简单的几何形状来估计微动磨损量。
为获取微动磨损量,一项特别的技术被提出,即摩擦材料之一的无线电激活。
微动磨损量很可能通过对许多横截面构造的三维测量和数值积分而获得。
然而,这种技术是冗长乏味,并不适合实际应用。
随后,为获得微动磨损量,我们在表面截面的最小尺寸和数值积分的基础提出了一种新的技术。
磨痕的横截面轮廓通过用共焦激光扫描传感器测量而获得。
横截面轮廓决定于测量的方向。
图3(a)显示的是一个平板试样的表面轮廓模型。
这个表面轮廓通过微动磨痕的中心向微动振动的方向测量。
图的上半部分显示,从上面看,磨痕的整体形状是一个近似长轴为a和短轴为b的椭圆。
在发生微动磨损之前的表面高度(Y=0)和中央轴(x=0)的基础上,磨痕横截面轮廓的测量近似于函数y=f(x)。
横截面轮廓的右半部分转换在y轴方向上,从右半部分轮廓获得的磨损量V1表达如下:梯形公式的数值计算用定积分。
通过表面轮廓上的两个相邻点(x i,y i)和(x i+1,y i+1),横截面轮廓近似梯形。
得到图4中梯形阴影部分Si如下:图4右边显示围绕中心轴旋转的磨损量V1如下:图4中横截面轮廓阴影的右半部分得到的磨损量计算如下。
系数b/a是必要的,因为从上面看磨痕是一个在微动振动方向有长轴的椭圆。
从同一横截面轮廓的左半部分获得磨损量V2和V3,从横截面轮廓的垂直短轴获得V4,估计微动磨损量V通过这些基本磨损量的平均值得到,如下:图4对于球形试样而言,同样的过程,使用实验前原始试样轮廓和实验后磨痕横断面轮廓之间的区别,可以估算磨损量。
通过测微器指示数与置于表面轮廓中的反映检测器的图像相结合测量磨痕的主轴和短轴的大小。
为确定所提出的方法的准确性,在一些典型案件中,通过16个独立的横截面轮廓等角间隔(π/16 rad)衡量及其数值积分来估计磨损量。
在此之后的结果与先前所提出的方法的估计值相比。
可以确定,用方程(5)估计磨损量与那些通过这个棘手的方法估计磨损量相符,但精度前者优于后者7%。
在微动磨损情况中两个试样之间的相对位移小,从接触区完全去除磨粒是不可能的。
因此,由于磨粒附着的影响,本文所提出的方法对实际的磨损量估计不足。
4. 微动磨损的特性4.1 磨痕的大小图5所示,当法向力为66 N时,磨痕的大小和微动振幅之间的关系。
用长轴和短轴的平均值来代表磨痕的大小。
在硬质合金,碳钢和Sialon陶瓷的情况下,球形试样和平板试样磨痕的大小均随着微动振幅的增大几乎呈线性增加。
按硬质合金,Sialon陶瓷,碳钢的顺序,磨痕逐渐增大,平板试样的硬度也依次增大。
然而,球形试样和平板试样之间并没有发现差异。
在本实验中较硬的硬质合金和Sialon陶瓷材料中也会产生微动磨损。
有趣的是,很容易得到这些平板试样产生的磨痕的大小与在轴承钢球试样产生的磨痕的大小相同。
但是,在图5中并不包括磨痕深度的信息。
铝合金平板试样的磨痕的尺寸是非常大的。
磨痕的大小首先随着微动振幅的增加迅速增加,之后增加的速度变小。
平板试样(铝合金)比球形试样(轴承钢)产生的磨痕要大。
这相当于严重的磨粒粘附。
不论平面试样的材料,磨痕的大小一般随着法向力的增加而增加。
微动磨痕的椭圆(长轴比短轴)比约为 1.2,由于试样材料或微动条件的不同而有截然不同。
该椭圆比随着微动振幅的增加而略有增加。
当微动幅度很小且很难看到一个明清晰的磨痕时,摩擦系数就小且小于0.5。
摩擦系数随着微动幅度的增加而增加,大小约为0.8。
平板试样的材料并不非常影响摩擦系数的大小和特点。
4.2 磨损量图6-9中所示为每种平板试样材料采用上文所提方法估算的磨损量。
硬质合金平板试样的情况下(图6),磨损量非常小且法向力和微动振幅的影响目前尚不清楚。
当法向力为66 N且微动振幅大时,平板试样的磨损量似乎是负的。
这种情况可能是由于微小的磨粒粘着在试样表面所造成。
碳钢平板试样的磨损量随着微动振幅的增加而增加是一种趋势(图7)。
平板试样的磨损量随着法向力的增加而增加,但法向力对球形试样磨损量的影响不显著。
可见铝合金和Sialon陶瓷平板试样有着完全不同的趋势。
几乎所有铝合金平板试样所测得的磨损量都是负的(图8)。
当法向力大时,磨损程度是显著的。
这可能是通过以下机制所导致的。
来自平板试样(铝合金)的磨粒在微动振动作用下被氧化而产生的。
然后它粘着在平板试样表面,接着试样表面增厚。
实际上,试验后用肉眼可观察到许多白色的氧化铝粘着在平板试样表面。
对于轴承钢球来说,在微动振幅小于30 μm时磨损量也为负的,当微动振幅变大时磨损量变成正的。
当微动振幅很小时,平板试样上脱落的磨粒被氧化,而且其中有些再次粘着在试样表面。
另一方面,当微动振幅变得很大,球形试样表面被粘着在平板试样表面的硬的氧化铝磨伤。
从而得到了这种趋势。
Sialon陶瓷平板试样的磨损量非常小。
法向力和微动振幅对其没有明显的影响(图9)。
球形试样的磨损量随着法向力和微动振幅的增大而稳定地增加。
如上所述,碳钢球试样的微动磨损有明显的不同,决定于平板试样材料。
4.3 微动磨痕的形状和若干思考图10-13所示的是每个平板试样材料的微动磨痕的形状。
磨痕的估计通过在相对微动振动的方向用仪表测量上述表面轮廓。
图10-13(a )部分是平面试样上的磨痕,(b )部分是那些法向力为66 N 的球形试样上的磨痕。
微动振幅有三个不同层次的改变。
靠能量色散谱仪分析向前传输的附着物质,讨论以下附着在试样表面上的物质。
就硬质合金平板试样来说,图10中显示在碳钢球形试样上一些明显的微动磨痕。
从这个磨痕的形状,可以证实,来自球形试样的磨粒附着在硬质合金平板试样上,其表面上升。
这是负的磨损现象。
这一发现证实了图6的结果。
从图11中显示碳钢平板试样的结果,在平板试样和球形试样上,人们认识到微动磨损的一个明显进步。
就是在平板试样和球形试样上结合同样的材料的情况。
在平板试样表面上看到的是一个单调的凹磨痕。
球形试样上形成一个典型环形微动磨痕。
微动振幅为56 μm 时,这是非常明显的。
也就是说,球形试样中央部分的微动磨损进展是缓慢的,表明有几种磨粒附着在那。
起初接触发生部分滑动区,并且部分滑动可以解释小环形微动磨痕的形成。
在此之后,在接触地区发现有严重下滑的形势,且在球形试样的接触边缘积聚了磨粒。
结果,在边缘的接触压力增加。