摩擦学原理(第5章磨损规律)ppt课件.ppt

第五章磨损规律 Wear Characteristics,各种磨损形式有着不同的作用机理：磨粒磨损(Abrasive Wear )主要是犁沟和微观切削作用；粘着磨损(Adhesive Wear )过程与表面间分子作用力和摩擦热密切相关；接触疲劳磨损(Contact Fatigue Wear )是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果；而氧化和腐蚀磨损(Oxidation and Corrosive Wear )则由环境介质的化学作用产生。实际的磨损现象通常不是以单一形式出现，而是以一、两种为主，几种不同机理的磨损形式综合表现的。随着工况条件的变化，实际机械零件的主要磨损形式也会相应改变。图5.1给出了齿轮失效方式随着载荷和速度的变化情况。在这一章中，磨损被视作综合的表面损伤现象，讨论磨损变化规律、影响因素和抗磨措施。,第五章磨损规律Wear Characteristics,图5.1齿轮失效方式failure mode of gear,第五章磨损规律Wear Characteristics,近年来通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了一些磨损理论，它们是磨损计算的基础。磨损计算方法的建立必须考虑磨损现象的特征。而这些特征与通常的强度破坏很不相同。例如摩擦副的实际接触点是离散的和变化的，因而摩擦副承载材料的体积很小并在磨损过程中不断变化。 由此可知：考虑表层材料在磨损过程中的动态特性和破坏特点，以及材料与周围介质的作用等等，对于建立磨损理论及其计算方法具有十分重要的意义，而这一任务的复杂性使得磨损计算至今还不能满足应用的要求。,5.1磨损过程曲线5.1.1 磨损过程曲线,图5.2给出了典型的磨损曲线，它表示磨损量Q随时间T的变化关系。各种磨损曲线通常由表示三种不同的磨损变化过程中三个阶段组成。,图5.2磨损过程曲线,5.1.1 磨损过程曲线,组成磨损曲线的三种磨损阶段为：I磨合磨损(Running-in Wear Process )阶段：磨损率随时间增加而逐渐降低。它出现在摩擦副开始运行时期。II稳定磨损(Steady Wear Process )阶段：摩擦表面经磨合以后达到稳定状态，磨损率保持不变。这是摩擦副正常工作时期。III剧烈磨损(Sharp Wear Process)阶段：磨损率随时间而迅速增加，使工作条件急剧恶化，而导致零件完全失效。,5.1.2 磨合磨损,加工装配后的摩擦副表面具有微观和宏观几何缺陷，使配合面在开始摩擦时的实际接触峰点压力很高，因而磨损剧烈。在磨合过程中，通过接触峰点磨损和塑性变形，使摩擦副接触表面的形态逐渐改善，而表面压力、摩擦系数和磨损率也随之降低，从而达到稳定的磨损率进入正常磨损阶段。按照欧洲经济合作和发展组织（OECD）的工程材料磨损小组的定义，磨合是机械零件在使用初期，改善其适应性、表面形貌和摩擦相容性的过程。可认为是形成表面氧化膜等的化学过程和形变硬化等的冶金过程。,5.1.2 磨合磨损1表面形貌与性能的变化,生产实践中，主要有四种磨合方式，即干摩擦条件下的磨合、普通润滑油中的磨合、添有磨料润滑油中的磨合和电火花磨合。在有润滑油的磨合磨损中，除粘着磨损和磨粒磨损主要机理外，同时还存在化学磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、气蚀磨损和电化磨损等多种复杂机理。在添有磨料润滑油中的磨合中，采用的磨料有微米固体颗粒和纳米固体颗粒，研究人员将微米和纳米固体粉末混合在一起作为磨料，取得了较好的磨合效果。电火花磨合是利用放电原理使运转的摩擦副达到磨合的目的。不同摩擦副结构和性质以及不同磨合工况，其磨合磨损机理的构成都不一样。,1表面形貌与性能的变化,磨合阶段的磨损形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。特别是在表面粗糙度较高，两表面硬度相差较大时，表面微凸体的机械相互作用，硬的微凸体对较软表面的犁削作用，更是磨合初期的主要磨损形式。随着磨合磨损过程的进行，表面粗糙度将发生变化，正常的情况是粗糙度下降，磨粒磨损或微凸体机械作用的磨损逐渐减少，直至进入磨损的持续阶段。通过磨合磨损不仅使摩擦副在几何上相互贴服，同时还使表面层的组织结构发生变化，获得适应工况条件的稳定的表面品质。,1表面形貌与性能的变化,磨合过程中粗糙度,值的变化,图5.4表示较硬摩擦副表面磨合前后表面形貌变化。磨合使接触面积显著地增加和峰顶半径增大。,1表面形貌与性能的变化,1表面形貌与性能的变化,图5.5是塑性指数曲线。随磨合时间的延续，经过磨合磨损表面由塑性接触过渡到弹塑性接触，甚至弹性接触状态。,2磨合规范,采用不同的磨合规范可以使磨合时间、磨合磨损量以及磨合后的磨损率有很大的不同。实践证明：良好的磨合能够使摩擦副的正常工作寿命提高12倍。在图5.6中，若以下标0表示的是磨合磨损的物理量；而以下标a表示的为稳定磨损的物理量。令磨损率为单位时间的磨损量，则有：（5.1）总磨损量Q=Q0+Qa，而稳定磨损量Qa=aTa。因此，正常磨损寿命为：（5.2）由此可知：正常磨损寿命Ta随着Q0和a的减小而增加。,2磨合规范,三种磨合规范的磨合曲线,2磨合规范,，良好的磨合还能够有效地改善摩擦副其它性能。如图5.8所示，滑动轴承经磨合后可以改善表面形貌，使轴承临界特性数降低，更利于建立流体动压润滑膜。又如发动机的合理磨合提高了缸套活塞环的表面品质，减少擦伤痕迹，提高密合性，可使发动机的耗油量较一般情况下降达50%。,3提高磨合性能的措施,良好的磨合性能表现为磨合时间短，磨合磨损量小，以及磨合后的表面耐磨性高。为提高磨合性能一般可采取以下措施： 选用合理的磨合规范 选择适当的润滑油和添加剂 采用合适的材料配对 控制制造精度和表面粗糙度,5.2 影响磨损因素5.2.1 材料的减摩耐磨机理,1软基体中硬相承载机理通常认为减摩耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构。例如，锡基巴氏合金的组织是以含锑与锡固溶体为塑性基体，在该软基体上面分布着许多硬的Sn-Sb立方晶体和Cu-Sn针状晶体。在正常载荷作用下，主要由突出在摩擦表面的硬相直接承受载荷，而软相起着支持硬相的作用。由于是硬相发生接触和相对滑动，所以摩擦系数和磨损都很小。又由于硬相被支持在软基体之上，易于变形而不致于擦伤相互摩擦的表面。同时，软基体还可以使硬相上压力分布均匀。当载荷增加时，承受压力增大的硬相颗粒陷入软基体中，将使更多的硬颗粒承载而达到载荷均匀分布。,5.2.1 材料的减摩耐磨机理,2软相承载机理 有人认为材料的减摩耐磨机理在于软相承受载荷。在这类材料中，各种组织的热膨胀系数不同，软相的膨胀系数大于硬相。在摩擦过程中，由于摩擦热引起的热膨胀使软相突起几个油分子的高度而承受载荷。由于软相的塑性高，因而减摩性能良好。3多孔性存油机理粉末冶金材料的孔隙约占1035%。将它放在热油中浸渍数小时后，孔隙中即充满润滑油。当摩擦副相对滑动时，摩擦热使金属颗粒膨胀，孔隙容积减小。而润滑油也膨胀，其膨胀系数比金属大，因而润滑油被溢出表面起润滑作用。,5.2.1 材料的减摩耐磨机理,4塑性涂层机理 近年来，多层材料日益广泛地应用于轴瓦和其它摩擦副。在硬基体材料表面覆盖一层或多层软金属涂层。常用的涂层材料有铅、锡、铟和镉等。由于表面涂层很薄，并具有良好塑性，因而容易磨合和降低摩擦系数。,5.2.2 摩擦副材料性能,根据使用要求不同，摩擦学中的材料可分为：摩阻材料和摩擦副材料两类。摩阻材料用于各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中。对材料主要要求具有较高和热稳定的摩擦系数。而摩擦副材料又分为减摩材料和耐磨材料。一般情况下，材料的减摩性与耐磨性是统一的，即摩擦系数低的材料通常也具有耐磨损性能。 摩擦副材料的选择依据主要是摩擦表面的压力、滑动速度和工作温度。通常对于摩擦副材料的主要技术要求有： 1机械性能:由于摩擦表面的载荷作用和运动中的冲击，材料应具有足够的强度和韧性，特别是抗压能力。此外，疲劳强度也很重要，例如滑动轴承的轴瓦约有60%是由于表面疲劳剥落而失效。金属材料硬度越高，其耐磨性越好。而良好的塑性使摩擦表面能迅速地磨合，塑性低的耐磨材料在受到冲击载荷时容易脆裂。,5.2.2 摩擦副材料性能,2减摩耐磨性能:良好的耐磨材料应具有较低的摩擦系数，它不但本身耐磨，同时也不应使配对表面的磨损过大。所以减摩耐磨性能实质上是相互配对材料的组合性能。良好的磨合性能表现为：在较短的时间内以较小的磨损量获得品质优良的磨合表面。3热学性能:为了保持稳定的润滑条件，特别是在边界润滑状态下摩擦副材料应具有良好的热传导性能，以降低摩擦表面的工作温度。同时，材料的热膨胀系数不宜过大，否则会使间隙变化而导致润滑性能改变。4润滑性能:摩擦副材料与所使用的润滑油应具有良好的油性，即能够形成连接牢固的吸附膜。此外，摩擦副材料与润滑油的润湿性能要好，从而润滑油容易覆盖摩擦表面。,5.2.3 表面品质与磨损,摩擦表面经过加工成形工艺以后具有不同的几何品质即表面形貌，如粗糙度、波纹度、宏观几何偏差和加工痕迹方向等，以及不同的物理品质，如冷作硬化、微硬度和残余应力等。这些都对磨损有重要的影响。1几何品质的影响加工表面的特征是外形轮廓的起伏变化，表面几何品质可以用表面形貌参数来描述。设峰高为H，两峰之间距离为L，根据L/H的大小可分为粗糙度、波纹度和宏观偏差，如图5.9所示。,5.2.3 表面品质与磨损,图5.9加工表面外形轮廓,5.2.3 表面品质与磨损,原苏联科学院机械研究所的学者对表面品质对磨损的影响进行了系统的研究，下面介绍他们得出并得到普遍认可的主要结论。实验研究得出：对于不同的磨损工况条件，表面粗糙度都具有一个最优值HR0，此时磨损量最小，如图5.10所示。这一结论已为许多实验所证实。,图5.10 粗糙度与磨损量,最优粗糙度的存在表明：磨损过程是摩擦副表面之间机械的和分子的联合作用。当表面粗糙度小于最优粗糙度时，磨损加剧是由表面分子作用造成的。而当表面粗糙度大于最优值时，磨损主要是由表面机械作用产生的。,5.2.3 表面品质与磨损,摩擦副所处的工况条件不同，最优粗糙度也不同。在繁重工况条件下，由于摩擦副的磨损严重，因而最优粗糙度也相应增大。如图5.11所示，工况条件包含摩擦副的载荷、滑动速度的大小、环境温度和润滑状况等。,图5.11 不同工况 的值,5.2.3 表面品质与磨损,图5.12说明：不同粗糙度的表面在磨合过程中粗糙度的变化。在一定的工况条件下，不论原有的粗糙度如何，经磨合后都会达到与工况相适应的最优粗糙度。此后，表面粗糙度稳定在最优粗糙度下持续工作。,图5.12磨合中的HR变化与最优粗糙度,5.2.3 表面品质与磨损,表面波纹度对于磨损的影响与粗糙度相类似。此外，波纹度大的表面将使相配合表面的磨合磨损量增加，而磨合后的稳定磨损率却趋于一致。图5.13为巴氏合金试件与不同波纹度钢表面磨合时的磨损曲线。,1：HW=15m，L=3mm；2：HW=10m，L=3mm；3：HW=8.5m，L=2.5mm图5.13巴氏合金与钢对磨损的磨合曲线,5.2.3 表面品质与磨损,摩擦表面的加工痕迹方向影响磨合时间和磨合磨损量，而磨合以后的痕迹方向总是顺着摩擦方向，此后的磨损率与原来的痕迹方向无关。图5.14和图5.15是表面加工痕迹方向对磨损的影响。图中轻微工况是指摩擦表面压力p=14.2MPa和润滑良好的工作状况；繁重工况为p=66MPa和润滑不良的工作状况。,5.2.3 表面品质与磨损,图5.14轻微载工况下的磨损,图5.15繁重载工况下的磨损,5.2.3 表面品质与磨损,由图可知：在同样的工作时间内，轻微工况条件下，痕迹方向相互平行并与摩擦方向一致的摩擦副表面磨合磨损量最小。这是因为轻微工况下表面压力不高而润滑充足，润滑膜易于形成，磨损主要由于粗糙峰的机械作用引起。但是，对于繁重的工作条件，粘着磨损出现的可能性增加，相互交叉的痕迹方向将避免大面积的接触点，从而提高抗磨损性能。通常，机床导轨属于繁重磨损工况，宜采用交叉的痕迹方向。,2物理品质的影响,加工的表面由于切削过程中变形和热的急剧变化而形成表面层特定的物理品质，包含冷作硬化、微硬度和残余应力的分布。表面层物理品质的不同，其磨损性能将有显著的变化。然而，物理品质对磨损的影响往往被人们所忽视，因此研究得还很不充分。在加工冷作硬化过程中，表面的塑性变形促进氧在金属中扩散，形成连接牢固的氧化膜，因而使抗氧化磨损性能提高。表面经冷作硬化后塑性降低，硬度提高，从而减少了粘着磨损，并提高了抗胶合能力。接触疲劳裂纹在表面硬化层中的萌生和扩展必须在较高的应力和更多次应力循环下才能发生，因而冷作硬化可以提高表面疲劳磨损寿命。总的说来，经过冷作硬化的表面对于各类磨损的耐磨性都有一定程度的提高。一般粗加工表面硬化层深度为0.31mm；精车、精铣的硬化层为0.10.2mm；而磨削加工的硬化层只有0.050.1mm。,2物理品质的影响,表面层的应力状态对磨损性能有很大的影响。在切削过程中，由于切削变形，刀具与表面的摩擦，切削热引起的相变和体积变化等原因形成表面残余应力。残余应力对于磨损的影响有着不同的实验结论。多数实验结果证明：表面压缩残余应力能提高材料的抗接触疲劳磨损能力，相反地拉伸残余应力将降低疲劳磨损寿命。这一结论可以由接触应力分析中得到解释，即压缩残余应力可以降低表面最大剪应力和等效应力，有时也能降低表层内的最大剪应力。,5.3 磨损的转化5.3.1 磨损的形式,图5.16磨损分类图,（1962年）提出了较全面的磨损分类方法。他将磨损划分为三个过程：表面相互作用、表面层状态变化和破坏阶段。根据每一阶段分类来说明其相互关系，如图5.16所示。,5.3.1 磨损的形式,1表面的相互作用两个摩擦表面的相互作用可以是机械的或分子的两类。机械作用包括弹性变形、塑性变形和犁沟效应。它可以由两个接触表面的粗糙峰而引起，也可以由于两表面间的外界磨粒造成三体磨损而引起。表面分子作用包括相互吸引和粘着效应两种，前者作用力小而后者的作用力较大。,5.3.1 磨损的形式,2表面层的变化图5.17说明在摩擦磨损过程中各种因素的相互关系。在摩擦表面的相互作用下，表面层将发生机械性质、组织结构、物理和化学变化，这是由于表面变形、摩擦温度和环境介质等因素的影响而造成的。,图5.17 摩擦磨损过程图,5.3.1 磨损的形式,3表面层的破坏形式（l）擦伤：表面不平的接触面相对运动时由于粗糙峰的犁沟作用，在摩擦表面产生沿摩擦方向的沟痕和磨粒。（2）点蚀：表层或次表层在接触压应力的反复作用下，由于疲劳而形成的表面凹坑。（3）剥落：金属表面由于变形强化而变脆，在载荷作用下产生微裂纹随后剥落。（4）胶合：表面不平的接触面在相对滑动和载荷的作用下，在接触点发生塑性变形或剪切，摩擦表面温度升高，严重时表层金属会软化或熔化，使接触点产生粘着。然后出现粘着-剪断-再粘着-再剪断的循环过程。因而导致严重磨损。（5）微观磨损：以上各种表面层破坏的微观形式。微观磨损也可以是微动磨损，微动磨损是一种典型的复合式磨损。,5.3.2 粘着与氧化磨损的转化,磨损形式还随工况条件的变化而转化。图a是在载荷一定时改变滑动速度得到的钢对钢磨损量的变化和磨损形式的转化。,5.3.2 粘着与氧化磨损的转化,图b是滑动速度不变而载荷改变时，钢对钢磨损的实验结果。当载荷较小时磨损形式为氧化磨损，磨屑主要是Fe2O3。当载荷达到W0后，磨屑为FeO、Fe2O3和Fe3O4的混合物。载荷超过Wc以后，便出现危害性的粘着磨损。,5.3.2 粘着与氧化磨损的转化,在多数情况下，腐蚀性磨损首先产生化学反应，然后由于摩擦中的机械作用使化学生成物从表面脱落。表面化学生成物的形成速度与被磨掉速度之间存在相对平衡关系，两者相对大小不同产生不同的效果。这里以防止胶合磨损的极压添加剂为例来说明它的不同效果。通常化学反应膜的生成速度遵循Arrhenius定律，即,式中，V为化学反应速度即膜的生成速度；C为润滑油中极压添加剂的浓度；E为表征极压添加剂活性的常数；T为绝对温度K；R为气体常数；K为比例常数。,显然，在稳定工况条件下，腐蚀性磨损的磨损率取决于表面化学生成物的生成速度。由式5.3可知：磨损率与腐蚀介质的浓度成正比，而与温度按指数关系变化。在前面曾经指出：采用极压添加剂降低粘着磨损时，应选择合适的化学活性，即添加剂成分和浓度。,5.3.2 粘着与氧化磨损的转化,图5.19最佳活性位置,图5.19给出了粘着磨损和由极压添加剂引起的腐蚀磨损与添加剂化学活性的关系。粘着磨损的磨损率随化学活性的增加而降低。而腐蚀磨损的磨损率随化学活性按线性增加。因而图中A点是最佳活性，此处磨损率最低。,5.3.2 粘着与氧化磨损的转化,图5.20最佳活性选择,如图5.20，当摩擦副的载荷较大或者油膜厚度较薄时，粘着磨损曲线的位置改变。此时应选择较高的化学活性，最佳活性为B点。增加添加剂的化学活性可以采用提高润滑油中添加剂的浓度，或者选用活性更强的添加剂组成。,5.3.2 粘着与氧化磨损的转化,图5.21极压添加剂浓度的影响,图5.21中两种磨损实验机对极压添加剂的实验结果表明，极压添加剂的抗胶合能力随其浓度而增加，同时添加剂引起的腐蚀磨损也相应增加。,5.3.3 微磨粒磨损中的二体和三体磨粒磨损的转化,如前所述，在磨粒磨损中以二体和多体磨损为主要形式，在实际磨损过程它们可能同时存在并在一定的条件下相互转化。下面是利用软铁和聚丙烯球，实验条件如表5.1，在无浆料和带有浆料液体中，施加不同的载荷和电流强度，模拟人工关节微磨粒磨损过程，给出实验结果，探讨磨粒磨损转化规律，试验结果的SEM照片如图5.22。,表5.1 实验条件,5.3.3 微磨粒磨损中的二体和三体磨粒磨损的转化,(a) 1N and 0.2 V (b) 4N and 0.2 V (c) 5N and 0.2 V 图5.22软铁微磨损斑点的SEM照片,5.3.3 微磨粒磨损中的二体和三体磨粒磨损的转化,图5.23微磨粒磨损机理图,5.3.3 微磨粒磨损中的二体和三体磨粒磨损的转化,图5.24微磨粒磨损过程转化图,5.3.3 微磨粒磨损中的二体和三体磨粒磨损的转化,当相对硬度越小，表面越容易出现三体磨损，反之则主要是二体磨损 。,图5.25 磨损转化与相对硬度的关系,5.4 非金属摩擦材料5.4.1 金属基复合材料磨损的转化,金属基复合材料的磨损主要是以腐蚀磨损的形式表现的。,图5.26 金属基复合材料的磨损,结合料为金属基体，上面附有陶瓷材料WC涂层。在两者的结合部形成的边界是薄弱环节。当界面产生腐蚀后，附上的材料将被移去，产生磨损。,5.4.1 金属基复合材料磨损的转化,碳酸盐溶解的浆料冲击磨损实验结果表明：在给定的冲击速度下，不同的电压会导致不同的磨损形式。如图5.27a所示，冲击速度为2m/s时，在负压条件下，由于保护效果，无论浆料里的颗粒多少，材料的磨损以腐蚀磨损为主。随着电压增加，腐蚀量增加，在低浆料颗粒的冲蚀下以腐蚀为主，磨损为辅，当颗粒量增加后，磨损的形式转化为磨损为主腐蚀为辅。当冲击速度增加大到4m/s时（图5.27a），腐蚀区域增加，其他区域减少。,5.4.1 金属基复合材料磨损的转化,(a) 冲击速度2 m/s (b) 冲击速度4 m/s图5.27 WC/Co-Cr涂层腐蚀磨损腐蚀转化,5.4.1 金属基复合材料磨损的转化,当在溶液中加入添加剂和增效剂后，磨损区域出现很大改变，如图5.28所示。,(a) 冲击速度2 m/s (b) 冲击速度4 m/s图5.28 WC/Co-Cr涂层腐蚀磨损腐蚀转化图（添加剂与增效剂作用）,5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,润滑条件下的磨损实际上是在润滑剂存在时，表面产生的磨粒磨损问题。由于润滑剂的存在，可以大大减少磨损量，但是由于未达到形成全流体润滑膜的条件，且表面粗糙度的存在，因此并不能完全避免磨损。1表面构形分析 常规的微弹流数值解表明，无论是在滑动或是滚动情况下，即使表面很粗糙，弹流润滑膜仍可以阻止固体表面相互接触。这是因为流体粘度和材料弹性变形随润滑膜压力增大而显著增加，使得在粗糙峰处的压力迫使材料产生足以避免粗糙峰相互接触和碰撞的变形量，因此，不可能产生材料磨损。然而，常规的弹流润滑理论中采用了下面两个造成求解误差的假设： (1)将一般的润滑问题看成一个运动刚性平面和一个不动的弹性曲面的等效问题。 (2)固体材料被看成是完全弹性体。,5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,如果修正前一个假设，弹性变形应当分别加在两个摩擦副表面上。这一构形将与原来的解有显著差异。 对后一假设加以修正就应当考虑固体材料的粘性。粘性的引入使材料不能象常规弹流润滑理论中认为的完全变形，从而将可能导致润滑磨损的发生。,5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,下面以一个运动的光滑表面和一个具有正弦粗糙的静止表面的纯滑动微弹流润滑问题为例，讨论常规的等效解与修正前一个假设的实际解中表面构形上的差异。 假定两摩擦表面材料相同，即E1=E2和1=2。等效解的膜厚形状如图5.29a所示。虽然粗糙峰幅值明显高于计算得到的Hertz区平均膜厚（其中0.562m和h0.119m），但从等效解表明仍有足够厚的润滑膜将两表面分开。特别需要指出的是：从图5.29a中可以看到等效解中，速度平行于表面。这意味着摩擦副间的相对运动不会引起材料间的磨损。图中，b为Hertz接触半径；H为无量纲膜厚，H=h/hH，这里hHb2/R。,5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,（a） 等效弹流润滑变形 （b） 实际弹流润滑变形图5.29 等效解与实际解的弹流接触变形的差异,如果将弹性变形相应分配到两个摩擦副表面，上述情况将发生变化。这时动、静表面的构形按下式计算,静上面,动表面,虽然膜厚的表达式仍为h=z1z2，但是润滑区内间隙形状出现了波动，如图5.29b。此时，运动速度不再与任何表面平行，即使表面间存在一层较厚的润滑膜，但是由于变形后的两表面相互嵌入，润滑磨损将可能发生。,5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,2表面材料粘弹性模型及其变形 实际上任何材料变形都需要一定的时间，这就是说材料具有粘性。当变形时间远小于加载时间时，材料的粘性可以忽略不计。但是当加载时间与变形时间相当或很短时，不考虑材料的粘性将可能引起较大偏差。点线接触摩擦副的加载时间通常都很短。,图5.30Kelvin-Voigt粘弹性模型,KelvinVoigt模型的变形由弹性项和粘性项共同控制。在变形初期，由于速度较大粘性项起主要作用。在变形后期，弹性项成为主要因素。总变形被限制在经典弹性模型的数值内，即极限值为弹性模型中的总变形,5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,KelvinVoigt模型的应变与时间的关系式如下,(5.6),式中：0为弹性模型中的总应变，t为时间；为迟滞时间，G，其中为表面材料的粘度，G为剪切弹性模量。,式5.6给出了应变与时间的关系。由于变形是应变的积分，因此为方便起见而又不会带来实质的偏差原则下，通常用了类似的公式来描述变形与时间的关系。如果弹性模型中的总变形为0，则变形随时间的变化公式为,(5.7),5.4.2 润滑条件下的磨粒磨损,如果粗糙度的波长为，两摩擦表面的相对滑动速度为u，则一个运动的粗糙峰需要经过的时间滑过一个静止的粗糙峰，如图5.29b。当时，则粗糙峰在1时间内的变形将不完全。如图 5.29b所示的算例中，如果摩擦副的材料是钢，则在加载时间内变形无法实现。所以运动粗糙峰有可能与静止粗糙峰碰撞，这时在润滑条件下的磨损就会发生。,3润滑磨损模型,如果实际解的粗糙峰的高度超过润滑膜厚度，由于两摩擦表面是相互嵌入和材料的不完全变形，则润滑磨损将可能发生。基于上述论点，设一个粗糙峰以速度u滑过静止表面，并假设： (1)粗糙峰运动引起的磨损只发生在静止表面上； (2)粗糙峰和静止表面均为粘弹性体； (3)按式(5.4)计算表面弹性变形。 下面将先给出磨损发生的条件，再建立相应的磨损模型,3润滑磨损模型,(1) 润滑磨损准则 如果是粗糙度的波长、0是粗糙峰总变形高度，则运动的粗糙蜂从静止粗糙峰边缘到其中心所需时间为：。在此期间材料的变形可按下式计算 （5.8） 当变形后的粗糙峰高度仍然高于润滑膜厚度即，则润滑磨损将会发生。将式5.8代入这一不等式，可以得到润滑磨损发生时膜厚、粗糙峰高度、粗糙度波长、相对滑动速度和迟滞时间等五个参数的关系,(5.9),3润滑磨损模型,(2) 润滑磨损模型 在干摩擦条件下，锥形粗糙峰对平面的磨损公式可表达为 式中：h为粗糙峰高度；为圆锥角；W为载荷；H为材料硬度；k为磨损系数。 如果用udt代替位移增量ds，润滑磨损公式可类似地写成(5.10) 式5.10应用的条件是润滑磨损发生的式5.9必须首先满足。式5.10表明，磨损量不再与载荷、材料硬度相关，而润滑膜厚度h0、粗糙度波长、相对滑动速度u以及材料粘度即迟滞时间等影响润滑磨损。,(3) 润滑磨损的计算与实验,这里给出利用式5.10计算的润滑磨损算例8，即静止光滑平面和转动的粗糙圆环线接触摩擦副的润滑磨损问题。虽然磨损是一个非稳态过程，但为了方便起见这里采用了准稳态求解整个磨损过程，即在每一步磨损后求解弹流润滑膜压力及膜厚按稳态解出，再利用它们计算下一步的磨损量。此外还假设：当粗糙峰滑过接触区时，材料的磨损仅发生在光滑平面上，粗糙表面不发生磨损。计算工况如下：E221MPa R=0.02 m u1 m/s 0=0.05 Pas计算表明变形后的粗糙峰高度为初始中心膜厚的1.1倍，因此大于膜厚的粗糙峰部分在滑动过程中都将被磨损掉。这里的磨损量是在考虑了弹性变形之后得到的。下一步的弹流润滑求解是在前一步磨损后的构形下得到的。,(3) 润滑磨损的计算与实验,（a） 计算磨损表面（b） 实验磨损表面图5.31磨损形状的对比,图5.31a给出了第10和25次滑动后弹流解膜厚曲线。从图中可以看出：随磨损过程的发展，润滑区不断增大。初期的磨损形状如同弹流润滑解中的膜厚形状，其颈缩现象明显可见。但随着磨损量的增加，磨损区成了抛物线状。这实际就是圆环在接触区的附近未发生变形时的形状。,(3) 润滑磨损的计算与实验,图5.31b是采用环块磨损实验机对计算的实验验证结果。可以看出，磨损表面形状与计算结果相似，表明了上述分析是合理的。 为了进一步揭示润滑磨损特性，对于润滑磨损与工况条件的相关性进行了计算和实验验证。实验表明，根据材料粘弹性模型分析润滑磨损是可行的。图5.32是部分实验结果。,图5.32润滑磨损与滑动速度的关系,5.5磨损计算5.5.1 IBM磨损计算方法,首先将磨损划分为零磨损和可测磨损两类。零磨损的厚度不超过表面原始粗糙度高度，而可测磨损是指厚度超过表面粗糙度的磨损。通过大量的实验表明：为了保证摩擦副在一定的时间内处于零磨损状态，必须满足以下条件(5.11) 这里，max为机械零件所受的最大剪应力；s为剪切屈服极限；为系数，它与材料、润滑状态和工作期限等有关。 在IBM计算方法中以行程次数表示磨损寿命。一个行程表示的滑动距离等于沿滑动方向摩擦副相接触的长度。通常选定行程次数N=2000来确定零磨损系数。此时，系数以0表示，因为在这段时间以内将能较稳定地显示出磨损的特性。实验得出：当行程次数N=2000时，对于流体润滑状态0= l；干摩擦状态0= 0.2；边界润滑时，0= 0.2或0.54；润滑油中含有活性添加剂时，可采用0=0.54。,5.5.1 IBM磨损计算方法,参照金属材料疲劳曲线的关系，可以建立保证零磨损条件下行程次数与最大剪应力之间的关系式(5.12)采用式（5.12）预测摩擦副保证零磨损的寿命时，需将工作时间折算成行程次数。式中剪切屈服极限s可以由图5.33的经验关系曲线来确定。,图5.33 剪切屈服极限,5.5.1 IBM磨损计算方法,对于可测磨损， IBM的科技人员提出的计算模型是：磨损量是每次行程内磨损所消耗的能量和行程次数这两个变量的函数。这种磨损中变量之间的关系可用下列微分方程式表示：(5.13)式中，Q为可测磨损量；E为每次行程中磨损所消耗的能量；N为行程次数。,5.5.1 IBM磨损计算方法,可测磨损可以按照两种类型来进行计算： 1A型磨损 这种磨损的能量消耗量在磨损过程中维持不变。它主要出现在干摩擦和重载荷条件下的磨损，或者存在严重的材料转移和擦伤磨损。对于A型磨损，可以将式（5.13）简化为 (5.14)这里，c为该磨损系统的常数，其数值通过实验测定。,2B型磨损 此种磨损每改变一次行程消耗于磨损的能量也随之改变，它出现在有润滑或者轻载荷条件下的磨损，通常属于疲劳型的磨损。 对于这种磨损，式（5.14）可写为 (5.15) 这里，s为每一行程中的滑动距离。 将式5.14或式5.15积分后即可求得磨损量与行程次数的关系。,5.5.2 组合磨损计算方法,提出了相互滑动摩擦副的磨损计算。他把磨损分为表面磨损和组合磨损。表面磨损是摩擦表面在垂直表面方向的尺寸变化，在通常情况下表面磨损厚度分布不均匀。组合磨损是由于互相配合表面在摩擦过程中的磨损所造成两个表面相互位置的变化。 组合磨损计算的基本原则就是根据机械零件工作性能确定相配合表面所允许的位置变化量，即组合磨损量，然后由组合磨损量计算机械零件的磨损寿命。,5.5.2 组合磨损计算方法,下面扼要地介绍组合磨损计算的要点： 1首先按照实际工况条件确定摩擦副的磨损曲线和相应的磨损率，如图5.2所示。通常的磨损计算只考虑图5.2中a和b两种情况。对于正常工作的机械零件而言，稳定磨损所占的时间最长，因此以稳定磨损的时间作为零件的实际磨损寿命。如前所述，稳定磨损中的磨损率保持不变。若以磨损厚度h表示磨损量，t表示时间，则线磨损率定义为(5.16) 实验表明：式5.16对以磨粒磨损为主的摩擦副是适用的，对于除接触疲劳磨损之外的其它磨损形式也可以近似地采用。,5.5.2 组合磨损计算方法,2根据实验方法确定线磨损率与工况参数之间的关系。通常认为磨损率主要取决于表面压力p和滑动速度v，即(5.17) 其中，K为工况条件系数，与材料、表面品质和润滑状态等因素有关。例如在一般润滑条件下青铜与钢摩擦时，选取青铜K=3.35、钢K=0.92；m和n分别为表面压力和滑动速度对磨损率的影响指数，它们的数值根据工况条件不同将在0.61.2间变化。 实验证明磨粒磨损的线磨损度与表面压力成正比，而与滑动速度无关，即(5.18) 于是(5.19) 所以磨粒磨损的指数m=n=1，线磨损率可简化写成,5.5.2 组合磨损计算方法,3确定组合磨损与两个配合表面磨损量之间的关系。 由于摩擦表面的磨损通常以垂直表面的磨损厚度表示，而组合磨损则以两个配合表面因磨损后的位置变化来度量，因此必须根据机械零件的几何结构来确定两种磨损之间的关系。 如图5.34所示圆锥推力轴承。轴颈1和轴承2表面的磨损厚度分别为h1和h2，而磨损以后引起的相对位置变化是轴向位移，该轴向位移量即是组合磨损量H。,5.5.2 组合磨损计算方法,图5.34 圆锥止推轴承磨损,根据几何形状可以推出表面磨损与组合磨损之间的关系式,5.5.2 组合磨损计算方法,图5.35是块式制动器的磨损情况。两个配合表面磨损以后也产生轴向位移，造成瓦块与圆盘之间的松动，从而影响制动力矩。此时的组合磨损量H与表面磨损量h1和h2的关系式与式（5.21）相同，不过的数值随各点位置而变化。,图5.35 块式制动器磨损,5.5.2 组合磨损计算方法,图5.36 平面止推轴承磨损,4根据机械零件的工作性能和使用要求，选定组合磨损的极限数值。,5磨损寿命计算。这里以图5.36所示的平面推力轴承为例说明磨损寿命的计算方法。,在轴向载荷W作用下，轴颈以转速n转动。若以磨粒磨损为主要磨损形式，由式（5.20） 半径为的任意点处的线磨损率为,(5.22),5.5.2 组合磨损计算方法,由于组合磨损量H=hl+h2，因而组合磨损率为(5.23)即 (5.24)上式说明：当轴颈旋转时，平面推力轴承的表面压力沿半径方向按双曲线规律分布。轴承总承载量W为 (5.25)所以 (5.26),5.5.2 组合磨损计算方法,组合磨损量H与磨损时间T之间的表达式为(5.27)此外，不难得出轴颈和轴承表面的磨损厚度分别为(5.28) 由上式知h1和h2与无关，所以平面推力轴承的表面磨损分布是均匀的。在式5.27中，若H以极限数值代入，则求得的T表示该推力轴承的磨损寿命。 对于图5.34所示的圆锥推力轴承，可以采用类似的方法进行分析。由于为常数，由式5.21可以推得如图5.34所示，选定OY坐标轴，则摩擦表面上任意点的滑动速度为,5.5.2 组合磨损计算方法,轴颈和轴承表面的线磨损率分别为所以 由上式可知：圆锥推力轴承的表面压力沿母线方向按双曲线规律分布。为了确定值，需求得载荷W与表面压力p之间的关系，即,5.5.2 组合磨损计算方法,其中将p代入上式，积分得于是组合磨损量与磨损时间的关系式为,5.5.3 磨合磨损计算,对磨合阶段的磨损，可考虑两表面的微凸体相挤压，并发生塑性屈服，其体积为，假设每滑动距离，即从这一体积中产生磨损粒子，那么磨损率正比于，从而有： （5.30）这里是比例常数，负号是考虑体积磨失，对上式积分有：或 （5.31）,5.5.3 磨合磨损计算,B是积分常数。在S=0时，潜在磨损体积，滑动距离S后粘结剩余体积为。那么滑动距离磨损的体积为，即：或 （5.32）现在考虑表面上有半球形顶部的微凸体，在载荷作用下位移，压下量，接触面积，那么在载荷作用下潜在的磨损体积为。而或，和为软材料的屈服应力和硬度，磨损体积体积或 （5.33）,5.5.3 磨合磨损计算,按这一简化的模型，可得跑合过程中的磨损率为： （5.34）磨损率将随摩擦距离的增加而下降，直到磨合后进入磨损持续态，才有一定的磨损率。 在磨合阶段，摩擦表面的摩擦系数，磨损系数及表面结构，都向磨损的持续态过渡。而这一过程决定于工作状态，初始表面形貌，润滑，材料参数和其他环境因素。在磨合过程中，摩擦系数和磨损系数从一开始的和向持续态的和过渡，也是近似按指数函数关系随摩擦距离变化，在某一滑动距离时的瞬时值分别为： （5.35）,5.5.3 磨合磨损计算,（5.36）式中为磨合的滑动距离。对于有效的边界润滑情况，的长短是千米数量级，但不考虑流体膜承载和滑动副几何尺寸误差的情况。对于客车汽缸套，其磨合磨程相当于行车1000千米。对于转速为1800转/分钟的直齿圆柱齿轮，相应于运转一天。提高工作强度可缩短磨合磨程，有时甚至是在接近滑动表面可能发生损伤的情况下进行，以缩短磨合期。用低的速度可减弱流体膜的形成，从而增加工作强度，同时又能防止过高的摩擦热。,