摩擦学原理全套教学课件.ppt

摩擦学原理,陈国定,西北工业大学机电学院,目录,1.引言2.摩擦表面形貌和表面接触理论3.固体摩擦理论4.磨损理论及磨损分析设计5.流体动压润滑理论6.静压润滑及气体润滑7.摩擦学分析及设计实例,i,1.1摩擦学科学的概念1.2摩擦学研究及摩擦学设计的学术及工程意义1.3摩擦学研究及设计涵盖的主要内容,1,当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移，即磨损，磨损会导致表面损坏和材料损耗。润滑是降低摩擦和减少磨损的有效手段。摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。这种反方向的研究领域也属于摩擦学的学科范畴。,2,摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界大约有 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失败的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。同时，摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也有重要作用。由于摩擦学对工农生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视，成为近三十年来迅速发展的技术学科，并得到日益广泛的应用。,3,摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例如流体力学、固体力学、流变学、热物理、应用数学、材料科学、物理化学，以及化学和物理学等内容。因此多学科的综合分析是摩擦学研究的显著特点。,4,由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析和实验研究都较为困难，因而理论与实验研究的相互促进和补充是摩擦学研究的另一个特点。随着理论研究的日益深入和实验技术日益先进，目前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观进入微观；由定性进入定量；由静态进入动态；以及由单一学科角度的分析进入多学科的综合研究。,5,从摩擦学研究的范围来看，本课程包含的主要内容有：表面形貌分析处理和表面接触理论；固体摩擦理论；磨损分类及机理；磨损试验和磨损测试；流体动压润滑理论；弹性流体动压润滑理论和部分弹性流体动压润滑理论简介；流体静压润滑分析简介；摩擦学应用实例等。,6,2.1 表面形貌参数2.2 表面形貌的统计参数2.3 表层结构与表面性质2.4 粗糙表面的接触,7,任何摩擦表面都是由许多不同形态的微凸蜂和凹谷组成。表面几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下的摩擦磨损和润滑起着决定性影响，因此，了解和研究表面形貌及其参数是十分有必要的。表面几何特征采用形貌参数来描述。最常用的表面形貌参数是表面粗糙度，它取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。根据表示方法的不同可分为一维、二维和三维的形貌参数。,8,一维形貌通常用轮廓曲线的高度参数来表示，如图2-1，它描绘沿截面方向（X方向）上轮廓高度z的起伏变化。选择轮廓的平均高度线亦即中心线为X轴，使轮廓曲线在X轴上下两侧的面积相等。一维形貌参数种类繁多，最常用的有轮廓算术平均偏差值 和轮廓均方根偏差或称均方根值 或,9,图21 外形轮廓曲线,轮廓算术平均偏差值Ra它是轮廓上各点高度在测量长度范围内的算术平均值，即（21）式中,z(x)为各点轮廓高度;L为测量长度;n为测量点数;zi为各测量点的轮廓高度。,10,轮廓均方根偏差,(2-2),11,应当指出：一维形貌参数不能完善地说明表面几何特征。如图2-2所示，四种表面轮廓的 值相同，但形貌却很不一致，甚至完全相反，如图2-2中的a和b。虽然均方根值 比中心线平均值 稍好一些，但对于图2-2中a和b两个相反的轮廓仍然无法区别。这表明：一维形貌参数不足以阐明表面几何特征与摩擦学特性的关系。,12,图2-2 不同轮廓表面的 和 值,13,坡度 或，它是表面轮廓曲线上各点坡度即斜率 的绝对值的算术平均值 或者均方根值。该指标对于微观弹流润滑效应十分重要。峰顶曲率C 或C，采用各个粗糙峰顶曲率的算术平均值C 或者均方根值C。它对于润滑和表面接触状况都有影响。,14,由于二维形貌参数还不够全面，描述粗糙表面的最好方法是采用三维形貌参数。二维轮廓曲线族：通过一组间隔很密的二维轮廓曲线来表示形貌的三维变化；等高线图：用表面形貌的等高线表示表面的起伏变化。,15,图23 二维轮廓曲线族 图24 等高线图,16,切削加工的表面形貌包含着周期变化和随机变化两个组成部分，因此采用形貌统计参数比用单一形貌参数来描述表面几何特征更加科学和反映更多的信息。这就是将轮廓曲线上各点的高度、波长、坡度或曲率等用概率密度分布函数来表示它们的变化，这里主要介绍表面形貌的高度分布函数和自相关函数。,17,以平均高度线为X轴，轮廓曲线上各点高度为z。概率密度分布曲线的绘制方法如下（图25）：由不同高度z作等高线，计算它与峰部实体(X轴以上)或谷部空间(X轴以下)交割线段长度的总和,以及与测量长度L的比值。用这些比值画出高度分布直方图。如果选取非常多的z值，则从直方图可以描绘出一条光滑曲线，这就是轮廓高度的概率密度分布曲线。,18,图25 高度分布曲线,19,切削加工表面的轮廓高度接近于Gauss分布规律。Gauss概率密度分布函数为,=,(2-3),式中，为粗糙度的均方根值，在Gauss分布中称为标准偏差，而 称为方差。概率密度分布曲线所包围的面积应当等于1,即,式(2-4)表示的分布曲线是标准的Gauss分布。而 为概率密度函数，它表示不同高度出现的概率。,故,则（2-3）变为,（2-4),20,理论上Gauss分布曲线的范围由-到+，但实际上在-3 到+3 之间包含了全部情况的99.9%，因此以士3 作为Gauss分布的极限所产生的误差可以忽略不计。应当指出：对于二维形貌参数例如轮廓曲线的坡度和峰顶曲率，也可以用它们的概率密度分布曲线来描述变化规律。,21,切削加工表面形貌的分布曲线往往与标准 Gauss分布存在一定偏差，通常用统计参数表示这种偏差。常用的偏差统计量有偏态s（衡量分布曲线偏离对称位置的指标）和峰态K（表示分布曲线的尖峭程度）。,22,偏态s的定义是,23,（2-5）,将标准的Gauss分布函数式(2-4)代人，求得s=0，即凡是对称分布曲线的偏态值s均为零。非对称分布曲线的偏态值可为正值或负值，如图2-6所示。,图2-6 偏态 图2-7峰态,24,峰态定义为,(2-6),将式(2-4)代入上式求得标准Gauss分布的峰态K=3。而K3的分布曲线称为尖峰态，如图2-7所示。,25,在分析表面形貌参数时，抽样间隔的大小对于绘制直方图和分布曲线有显著影响为了表达相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势。可引用另一个统计参数自相关函数R()。,26,对于一条轮廓曲线来说，它的自相关函数是各点的轮廓高度与该点相距一固定间隔处的轮廓高度乘积的数学期望(平均)值，即,这里，E表示数学期望值。如果在测量长度L内的测量点数为n，各测量点的坐标为，则 为,（2-7）,27,对于连续函数的轮廓曲线，上式可写成积分形式,（2-8）,R()是抽样间隔的函数。当 0时，自相关函数记作，且 方差。因此自相关函数的无量纲形式变为,(2-9),28,图2-8为典型轮廓曲线及其自相关函数。自相关函数可以分解为两个组成部分：函数的衰减表明相关性随 的增加而减小，它代表轮廓的随机分量的变化情况。函数的振荡分量反映表面轮廓周期性变化因素。,图2-8 典型的自相关函数,29,计算实际表面的自相关函数需要采集和处理大量的数据。为简化起见，通常将随机分量表示为按指数关系衰减，而振荡分量按三角函数波动。分析表明：粗加工表面(例如 的粗刨平面)的振荡分量是主要组成部分，而精加工表面(例如 的超精加工平面)的随机分量将是主要的。自相关函数对于研究表面形貌的变化是十分重要的。任何表面形貌的特征都可以用高度分布概率密度函数 和自相关函数 这两个参数来描述。,30,金属表面在切削加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面层由若干层次组成。典型的金属表层结构如图2-9所示。,图2-9 金属表面结构,31,金属基体之上是变形层，它是材料的加工强化层，总厚度为数十微米，由重变形层逐渐过渡到轻变形层。变形层之上是贝氏层(BielbylaYer)，它是由于切削加工中表层熔化、流动，随后骤冷而形成的非晶或者微晶质层。氧化层是由于表面与大气接触经化学作用而形成的，它的组织结构与氧化程度有关。最外层是环境中气体或液体极性分子与表面形成的吸附膜或污染膜。,32,由此可知：金属表层的组织结构随着加工工艺条件而变化。同时，表层的机械性质与基体材料很不相同，金属表层的强化程度、微硬度和残余应力等对于摩擦磨损起着重要的影响。在各种表面性质中，与摩擦学密切相关的主要有表面能、吸附效应和表面氧化等。产生新表面所做的功表现为表面能。液体表面分子由于表面能的作用，有从表面进入内部的趋势，这种使液面自动收缩而减少表面积的力称为表面张力。,33,在加工过程中，金属的新生表面一旦暴露就很快地与大气中的氧形成氧化膜。氧化速度将取决于氧向表层内扩散速度或金属离子透过氧化膜向外的扩散速度。由于金属和氧化物的晶格常数不同，因而阻碍了氧向更深的内部扩散。氧化膜对摩擦摩损的影响与氧化膜的强度有关。通常薄的氧化膜强度高，可以防止粘着发生。而氧化膜厚度增加使膜的强度降低，在摩擦过程中容易脱落而加剧磨损。在摩擦过程中，由于力和热的作用，摩擦表面将发生一系列的变化，这些变化对摩擦磨损性能有很大影响。表面形貌和微观接触状况在摩擦中不断地变化。同时，摩擦表面的吸附膜和氧化膜也将发生破裂、再生和转移。,34,当两个固体表面接触时，由于表面粗糙，使实际接触只发生在表观面积的极小部分上。实际接触面积的大小和分布对于摩擦磨损起着决定性的影响。实际表面上粗糙峰顶的形状通常是椭圆体。由于椭圆体的接触尺寸远小于本身的曲率半径，因而粗糙峰可以近似地视为球体，两个平面的接触可视为一系列高低不齐的球体相接触。如前所述，两个弹性体的接触可以转换为具有当量曲率半径R和当量弹性模量 的弹性球体与刚性光滑平面的接触。,35,下面简要介绍三种接触模型。,1.单峰接触2.理想粗糙表面的接触3.实际粗糙表面的接触,36,图2-10描述了单个粗糙峰接触情况，在载荷W的作用下产生法向形变量，使弹性球体的形状由虚线变为实线所示。显然，实际接触面积是以为a半径的圆，而不是以为e半径的圆。,图2-10 单峰接触,37,根据弹性力学分析可知,（2-10）,从以上关系可得：。于是实际接触面积A为,（2-11）,再根据几何关系得,因此几何接触面积 为,（2-12）,可知：单个粗糙峰在弹性接触时的实际接触面积为几何接触面积的一半。,38,粗糙峰模型除去球体之外，常见的还有圆柱体和圆锥体。圆柱体和圆锥体模型的压力分布出现不定值区域，即在边缘或者中心区域压力趋于无限，因此弹性变形的计算困难。圆柱体模型的实际接触面积保持不变，这与粗糙表面的接触情况不符而圆锥体模型比较接近实际，可用于摩擦磨损计算。,39,理想粗糙表面是指表面为许多排列整齐的曲率半径相同和高度相同的粗糙峰组成，同时，各峰承受的载荷和变形完全一样，且相互不影响，如图211所示。,图2-11 理想粗糙表面的接触,40,如图2-11，粗糙峰在基面以上的最大高度为h，当光滑平面在载荷作用下产生法向变形后，法向变形量为，刚性光滑平面与粗糙面基面之间的距离为d。如果表面上共有n个粗糙峰，每个粗糙峰承受相同的载荷，则由式(2-10)得总裁荷W,实际接触面积为各粗糙峰实际接触面积 的总和，即,再由以上两式消去 可得,(2-13),由此可知:对于弹性接触状态，实际接触面积与载荷的 次方成正比。,41,当表面处于塑性接触状态时，各个粗糙峰接触表面上受到均匀分布的屈服应力。假设材料法向变形时不产生横向扩展，则各粗糙峰的接触面积为几何面积，即。这样,故,（2-14）,式（2-14）表明：对于塑性接触状态，实际接触面积与载荷成正比。,42,在固体摩擦理论研究中，通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系。从理想粗糙表面模型的分析表明：只有塑性接触这一关系才成立，而弹性接触的实际接触面积与载荷的关系却是非线性的，原因在于理想粗糙表面模型过于简化，因此提出了随机粗糙模型。,43,实际表面的粗糙峰高度是按照概率密度函数分布的，因而接触的峰点数亦应根据概率计算。图2-12a为混合润滑下两个粗糙表面的接触情况。两表面粗糙度的均方根值分别为 和，油膜厚度h为中心线之间的距离。它们的接触情况可以转换为个光滑的刚性表面和另一个具有均方根值为 的粗糙的弹性表面相接触，如图2-12b。,44,图2-12 两粗糙表面的接触,45,在图2-12b中，当油膜厚度为h时，只有轮廓高度zh的部分才发生接触。在概率密度分布曲线中，zh部分的面积就是表面接触的概率，即,zh概率,如果粗糙表面的峰点数为n，则接触峰点数m为,各个接触峰点的法向变形量为，由式(2-11)得实际接触面积A为 由接触峰点支承的总载量W为,46,通常实际表面的轮廓高度按照Gauss分布。在Gauss分布中，靠近z值较大的部分近似于指数型分布。若令，计算可得,（2-15）,从以上各关系式可进一步得出WA，Wm。由此可知：两个粗糙表面在弹性接触状态下，实际接触面积和接触峰点数目都与载荷成线性关系。当两表面处于塑性接触状态时，从以上分析则得,（2-16）,即是实际接触面积与载荷为线性关系，而与高度分布函数 无关。,47,综上所述，实际接触面积与载荷的关系取决于表面轮廓曲线和接触状态。当粗糙峰为塑性接触时，不论高度分布曲线如何，实际接触面积都与载荷成线性关系。而在弹性接触状态下，大多数表面的轮廓高度接近于Gauss分布，其实际接触面积与载荷也具有线性关系。,48,3.1 摩擦的基本特性3.2 简单的摩擦理论3.3 粘着摩擦理论3.4 滚动摩擦,49,两个相对运动的固体表面的摩擦只与接触表面的作用有关，而与固体内部状态无关，此称为外摩擦。液体或者气体中各部分之间相对移动而发生的摩擦，称为内摩擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦。,50,外摩擦和内摩擦的共同特征是：一物体或一部分物质将自身的运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物质，并试图使两者的运动速度趋于一致，因而在摩擦过程中发生能量的转换。外摩擦与内摩擦的不同特征在于内部运动状况。内摩擦时流体相邻质点的运动速度是连续变化的，具有一定的速度梯度；而外摩擦是在滑动面上发生速度突变。此外，内摩擦力与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时内摩擦力也就消失；而外摩擦力与滑动速度的关系随工况条件变化，当滑动速度消失后仍有静摩擦力存在。,51,古典的滑动摩擦理论是通过实验方法建立的，其基本公式为,(3-1),式中，F为摩擦力；W为法向载荷：f为摩擦系数。古典摩擦理论认为：摩擦系数仅取决于材料性质，而与表观接触面积、滑动速度和载荷大小无关。实践证明：上述理论具有很大的局限性，只能近似地用于工程计算。当法向载荷较大，使实际接触面积接近表观接触面积时，以及极硬材料或极软材料组成的摩擦副，摩擦力与法向载荷不满足正比关系。对于弹性或粘弹性材料的滑动摩擦，摩擦力与表观接触面积密切相关。此外，许多材料的摩擦系数都随滑动速度和载荷的大小而变化。,52,摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗，摩擦现象涉及的因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论，一般可以归纳为三类：机械啮合理论 分子作用理论 机械分子摩擦理论,53,早期的理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中能量损耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹塑变形，特别是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。图3-1是Amonton(1699年)提出的最简单的摩擦模型。摩擦力为,摩擦系数，它是由表面状况确定的常数,图3-1 机械啮合模型,54,在一般条件下，减小表面粗糙度可以降低摩擦系数。但是超精加工表面的摩擦系数反而剧增。另外，当表面吸附一层极性分子后，其厚度不及抛光粗糙高度的十分之一，却能巨大地减小摩擦力。这些都说明机械啮合作用并非产生摩擦力的唯一因素。,55,人们用接触表面上分子间作用力来解释滑动摩擦。由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生滑动阻力，这称为粘着效应。Tomlinson(1929年)最先用表面分子作用解释摩擦现象，他提出分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因，他所提出的公式能够明确指出分子作用对于摩擦力的影响，但不能解释摩擦现象。,56,摩擦表面分子吸力的大小随分子间距离减小而剧增，通常分子吸力与距离的七次方成反比。而接触表面分子作用力产生的滑动阻力随实际接触面积的增加而增大，但与法向载荷的大小无关。根据分子作用理论应得出这样的结论，即表面越粗糙，实际接触面积越小，因而摩擦系数应越小。显然，这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。,57,如上所述，简单的摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都是很不完善的，它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面的。在二十世纪三十年代末期，人们从机械分子联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论。在英国和苏联相继建立了两个学派，前者以粘着理论为中心，后者以摩擦二项式为特征。这些理论奠定了现代固体摩擦的理论基础。,58,Bowden和Tabor等人经过系统的实验研究，建立了较完整的粘着摩擦理论，对于摩擦磨损研究具有重要的意义。,59,Bowden等人(1945年)提出的简单粘着理论可以归纳为以下的基本要点:摩擦表面处于塑性接触状态；滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。,60,简单粘着理论的表达式为：,（32）,根据式（3-2）得出的摩擦系数与实际结果不相符合，例如大多数金属材料的剪切强度与屈服极限的关系为，于是计算的摩擦系数。事实上许多金属摩擦副在空气中的摩擦系数可达0.5，在真空中则更高。为此，Bowden等人又提出了修正理论。,61,在简单粘着理论中，分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限，而计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，这对静摩擦状态是合理的。但对于滑动摩擦状态，由于存在切向力，实际接触面积和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生压应力 和切向力产生的剪应力 的联合作用。,62,修正的粘着理论为,（33）,经过修正的粘着理论更加切合实际，可以解释粘着理论不能解释的现象。,63,如图3-2所示，当圆柱沿平面滚动时，由于接触区的变形使得以接触点为中心的接触压力分布不对称，因而支承面的反力产生偏移。此反力对于接触点的力矩称为滚动摩擦力矩。,图3-2 滚动摩擦,64,滚动摩擦系数k定义为滚动摩擦力矩与法向载荷之比，即,（3-4）,由此可知：滚动摩擦系数与滑动摩擦系数不同，它是有量纲的量，常用单位为mm。另外，也可以用无量纲量即滚动阻力系数 来表征滚动摩擦的大小。它在数值上等于滚动驱动力产生单位距离所作的功与法向载荷之比。若圆柱滚过角度为，滚过的距离为，而驱动力作功为，则滚动阻力系数为,（3-5）,65,Coulomb(1785年)最早用实验方法得出滚动摩擦定律：滚动阻力系数 与滚动体半径R的乘积是一个常量，也就是滚动摩擦系数k或者偏心距e为常量。它们的数值取决于摩擦副的材料性质，而与载荷大小无关。随后，Dupoit(1837年)提出了修正公式，通常称为Dupoit定律，即,(3-6),式中，D为滚动体直径；滚动摩擦系数k为由材料和表面状况确定的常量，不随速度和载荷而变化。上述滚动摩擦定律可以近似地应用于工程计算。,66,各种滚动运动都可以视为以下三种基本滚动形式的组合，这三种滚动形式的表面作用和摩擦机理各不相同。自由滚动：圆柱体或球体沿着平面无约束地作直线滚动，这是最简单的滚动形式；具有牵引力的滚动：在接触区内同时受到法向载荷和切向牵引力的作用，例如摩擦轮传动；伴随滑动的滚动：当两个滚动体的几何形状造成接触面上的切向速度不相等时，滚动中必将伴随滑动，例如向心推力球轴承中球与滚道之间的滚动。,67,滚动摩擦机理显然与滑动摩擦不同。除非接触面存在很大的滑动，滚动摩擦通常不存在犁沟效应，而粘着结点的剪切阻力也不是滚动摩擦的主要原因。滚动摩擦阻力主要由以下四种因素组成：微观滑动：微观滑动是滚动过程中普遍存在的现象。当两个弹性模量不同的物体作自由滚动时，由于接触表面产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑动摩擦相同。,68,塑性变形：在滚动过程中，当表面接触应力达到一定值时，首先在距表面一定深度处产生塑性变形。随着载荷增加塑性变形区域扩大。塑性变形消耗的能量表现为滚动摩擦阻力，可以根据弹塑性力学计算；弹性滞后：滚动过程中产生的弹性变形需要一定能量，而弹性变形能的主要部分在接触消除后得到回复，其中小部分消耗于材料的弹性滞后现象。粘弹性材料的弹性滞后能量消耗远大于金属材料，它往往是滚动摩擦阻力的主要组成；粘着效应：滚动表面相互紧压形成的粘着结点在滚动中将沿垂直接触面的方向分离。因为结点分离是受拉力作用，又没有结点面积扩大现象，所以粘着力很小，通常只占滚动摩擦阻力的很小部分。,69,磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程，它是伴随摩擦而产生的必然结果。磨损问题引起人们极大的重视，这是由于磨损所造成的损失十分惊人。根据统计，机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀等三种方式，而磨损失效却占60-80%。因而研究磨损机理和提高耐磨性的措施，将有效地节约材料和能量，提高机械装备的使用性能和寿命，减少维修费用，这对于国民经济具有重大的意义。由于科学技术的迅速发展，二十世纪三十年代以后机械装备的磨损问题已成为薄弱环节，特别是高速、重载，精密以及特殊工况下工作的机械对于磨损研究提出了更迫切的要求。同时，近代其它科学技术例如材料科学、物理化学、表面测试技术等的发展，有助于对磨损机理进行更深入的研究。研究磨损的目的在于通过对各种磨损现象的观察和分析，找出它们的变化规律和影响因素，从而寻求控制磨损和提高耐磨性的措施。,70,磨损分类的目的是为了将实际存在的各式各样的磨损现象归纳为几个基本类型。合理的分类能够使研究工作简化，更好地分析磨损的实质。磨损分类方法表达了人们对磨损机理的认识，不同的学者提出了不同的分类观点，至今还没有普遍公认的统一的磨损分类方法，其中一种分类为：磨粒磨损；粘着磨损；疲劳磨损；腐蚀磨损；微动磨损。,71,磨粒磨损与粘着磨损疲劳磨损等磨损检测与分析,72,外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。例如掘土机铲齿、犁耙、球磨机衬板等的磨损都是典型的磨粒磨损。机床导轨面由于切屑的存在也引起磨粒磨损。水轮机叶片和船舶螺旋浆等与含泥沙的水之间的侵蚀磨损也属于磨粒磨损。,73,磨粒磨损有以下三种形式：磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，此称为三体磨粒磨损。通常三体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，往往超过磨粒的压溃强度。这种压应力使韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳；而脆性金属表面则发生脆裂或剥落；磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应力较低，因此固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。如果磨粒运动方向与固体表面接近垂直时，常称为冲击磨损。此时磨粒与表面产生高应力碰撞，在表面上磨出较深的沟槽，并有大颗粒材料从表面脱落。冲击磨损量与冲击能量有关；在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用，这也是二体磨损，它通常是低应力磨粒磨损。,74,磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计，在生产中因磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右，因而研究磨粒磨损有着重要的意义。一般说来，磨粒磨损的机理是磨粒的犁沟作用，即微观切削过程。显然，材料相对磨粒的硬度和载荷起着重要的作用。,75,目前主要有三种磨粒磨损机理，即 微观切削：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕；挤压剥落：磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面挤压出层状或鳞片状的剥落碎屑；疲劳破坏：摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落。,76,当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。此类磨损统称为粘着磨损。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，以及沿滑动方向形成程度不同的划痕。,77,按照磨损严重程度、粘着磨损可分为 轻微粘着磨损：当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。通常在金属表面具有氧化膜，硫化膜或其它涂层时发生此种粘着磨损；一般粘着磨损：粘结点的强度高于摩擦副中较软金属的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软金属表层内，因而软金属粘附在硬金属表面上。这种磨损的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧；擦伤磨损：当粘结强度高于两金属材料强度时，剪切破坏主要发生在软金属的表层内，有时也发生在硬金属表层内。迁移到硬金属上的粘着物又使软表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软金属表面。,78,胶合磨损：如果粘结点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。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。高速重载摩擦副中，由于接触峰点的塑性变形大和表面温度高，使粘着结点的强度和面积增大，通常产生胶合磨损。相同金属材料组成的摩擦副中，因为粘着结点附近的材料塑性变形和冷作硬化程度相同，剪切破坏发生在很深的表层，胶合磨损更为剧烈。,79,通常摩擦表面的实际接触面积只有表观面积的0.10.01%。对于重载高速摩擦副，接触峰点的表面压力有时可达5000MPa，并产生1000以上的瞬现温度。而由于摩擦副体积远小于接触峰点，一旦脱离接触，峰点温度便迅速下降，一般局部高温持续时间只有几毫秒。摩擦表面处于这种状况下，润滑油膜、吸附膜或其它表面膜发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动粘着节点破坏。这种粘着、破坏、再粘着的交替过程就构成粘着磨损。,80,有关粘着机理目前还没有比较统一的观点，但是粘着现象必须在一定的压力和温度条件下才会发生这一认识是相当一致的。粘着结点的破坏位置决定了粘着磨损的严重程度，而破坏力的大小表现为摩擦力，所以磨损量与摩擦力之间没有确定的关系。粘着结点的破坏情况十分复杂，它与摩擦副和粘结点的相对强度以及粘结点的分布有关。,81,两个相互滚动或者滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成凹坑，统称为表面疲劳磨损或接触疲劳磨损。除齿轮传动、滚动轴承等以这种磨损为主要失效方式之外，摩擦表面粗糙峰周围应力场变化所引起的微观疲劳现象也属于此类磨损。不过，表面微观疲劳往往只发生在磨合阶段，因而是非发展性的磨损。一般说来，表面疲劳磨损是不可避免的，即便是在良好的油膜润滑条件下也将发生。对于发展性的疲劳磨损应保证在正常工作时间以内不致因表面疲劳凹坑的恶性发展而失效。,82,表面疲劳磨损的种类：表层萌生与表面萌生疲劳磨损 表层萌生的疲劳磨损主要发生在一般质量的钢材以滚动为主的摩擦副。在循环接触应力作用下，这种磨损的疲劳裂纹发源在材料表层内部的应力集中源，例如非金属夹杂物或空穴。通常裂纹萌生点与表层内最大剪应力的位置相符合。裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后形成凹坑，其断口比较光滑。这种疲劳磨损的裂纹萌生所需时间较短，但裂纹扩展速度缓慢。表层萌生疲劳磨损通常是滚动轴承的破坏形式。,83,表面萌生的疲劳磨损主要发生在高质量钢材以滑动为主的摩擦副。裂纹发源在摩擦表面上的应力集中源，例如切削痕、碰伤痕、腐蚀或其它磨损的痕迹。这种磨损的裂纹形成时间很长，但扩展速度十分迅速，介质与润滑剂对裂纹扩展有影响。由于表面萌生疲劳破坏坑的边缘可以构成表面萌生裂纹的发源点，所以通常这两种疲劳磨损是同时存在的。,84,按照磨屑和疲劳坑的形状，通常将表面疲劳磨损分为鳞剥和点蚀两种。前者磨屑呈片状，凹坑浅而面积大；后者磨屑多为扇形颗粒，凹坑为许多小而深的麻点。实验表明：无论是退火钢或调质钢、纯滚动或滚动兼滑动的摩擦副，点蚀疲劳裂纹起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形的疲劳坑。鳞剥疲劳裂纹始于表层内，随后裂纹与表面平行向两端扩展，最后在两端断裂，形成沿整个试件宽度上的浅坑。,85,摩擦过程中，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生的表面损伤，称为腐蚀磨损。常见的有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。当金属摩擦副在氧化性介质中工作时，表面所生成的氧化膜被磨掉以后，又很快的形成新的氧化膜，所以氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程。氧化磨损的大小取决于氧化膜连结强度和氧化速度。氧化磨损的磨屑呈暗色的片状或丝状。片状磨屑是红褐色的，而丝状磨屑是灰黑色的。有时用磨屑的这些特征来判断氧化磨损。干摩擦状态下容易产生氧化磨损。施加润滑油可以减小表面氧化作用，氧化层较薄，因而提高抗氧化磨损能力。但有些润滑油能促使氧化膜从表面脱落。,86,对于在化工设备中工作的摩擦副，由于金属表面与酸、碱、盐等介质作用而形成腐蚀磨损。腐蚀磨损的机理与氧化磨损相类似，但磨损痕迹较深，磨损量也较大。磨屑呈颗粒状和丝状，它们是表面金属与周围介质的化合物。由于润滑油中含有腐蚀性化学成分，滑动轴承材料也发生腐蚀磨损，它包括酸蚀和硫蚀两种。除了合理选择润滑油和限制油中含酸和含硫量之外，轴承材料是影响腐蚀磨损的重要因素。,87,两个表面间由于振幅很小的相对运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀磨损。在载荷作用下，相互配合表面的接触峰点形成粘着结点。当接触表面受到外界微小振动，虽然相对滑移量很小，通常为0.05mm，不超过0.25mm,粘着结点将被剪切。随后剪切面逐渐被氧化并发生氧化磨损，产生红褐色 的磨屑堆积在表面之间。此后氧化磨屑起着磨料作用，使接触表面产生磨粒磨损。由此可见，微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主要因素。而微动磨损是粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损三种磨损形式的组合。,88,气蚀是固体表面与液体相对运动所产生的表面损伤，通常发生在水泵零件、水轮机叶片和船舶螺旋桨等表面。当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸发压力时，将在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡。随后当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复作用，材料发生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重的气蚀可在表面形成大片的凹坑，深度可达20 mm。气蚀的机理是由于冲击应力造成的表面疲劳破坏。但液体的化学和电化学作用加速了气蚀的破坏过程。,89,为了设计具有足够抗磨能力的机器或者正确地估算机械零件的磨损寿命，必须建立适合于工程应用的磨损计算方法。近代通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了一些有关磨损的物理模型和磨损理论，它们是磨损计算的基础。磨损计算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在磨损过程中不断变化。又如摩擦表面的材料性能在磨损过程中不断变化，因而材料的破坏形式也将不断改变。此外，在强度计算中关于材料性质均匀和各向同性的假设对磨损计算将不再适用。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。,90,磨损实验磨损测量与分析,91,磨损实验的目的是为了对磨损现象和本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用条件的最优设计参数。由于摩擦磨损现象十分复杂，实验方法和装置种类繁多，所得的实验数据又是有条件性的，往往难以进行比较。所以人们提出摩擦磨损实验方法的标准化问题，以便统一实验规范和测量方法。近年来，实验方法的标准化已得到越来越多国家和组织的重视。摩擦磨损性能是多种因素影响的综合表现，因而必须严格地控制实验条件才可能得出可靠的结论。,92,目前通常采用的实验方法可以归纳为下列三类，即 实验室试件实验 根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损实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。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、工艺和润滑剂性能的评定性实验。,93,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,增强了实验结果的可靠性。同时,通过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。,94,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好。但是实验周期长,费用大,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。通常这种方法用于检验前两种数据的一种手段。以上三类实验可根据实验研究的要求选择其中一种或几种。,95,实践表明:摩擦磨损实验方法和条件不同,实验结果差别很大。所以在实验室中进行实验时,应当尽可能地模拟实际工况条件,其中主要的有:滑动速度和表面压力的大小和变化、表面层的温度变化、润滑状态、环境介质条件和表面接触形式等等。对于高速摩擦副的磨损实验,温度影响则是主要问题,应当使试件的散热条件和温度分布接近于实际情况。在低速摩擦副的实验中,由于磨合时间较长,为了消除磨合对实验结果的影响,可以预先将试件的摩擦表面磨合,以便形成与使用条件相适应的表面品质。对于未经磨合的试件,通常不采纳最初测量的几个数据,因为这些数据可能不稳定。,96,一般使用最多的是通用摩擦磨损实验机,它主要用来研究在不同速度、载荷和速度条件下各种材料和润滑剂的性能,也可以用来进行各种磨损形式的机理研究。图4-1为通用摩擦磨损实验机所采用的试件接触情况和运动方式。试件之间的相对运动方式可以是纯滑动、纯滚动或者滚动伴随滑动。大多数实验机的试件采用旋转运动,也有是在往复运动的。,97,图4-1 摩擦磨损实验机的形式,98,试件的接触形式可以分为面接触、线接触和点接触三种。通常面接触试件的单位面积压力只有80100MPa,常用于磨粒磨损实验。线接触试件的最大接触压力可达到10001500MPa,适合于接触疲劳磨损实验和粘着磨损实验。点接触试件的表面接触压力更高,最大可达到5000MPa,适用于需要很高接触压力的实验,例如胶合磨损或高强度材料的接触疲劳磨损实验。,99,机械零件的磨损量可以用磨下的重量、体积或者表面的磨损厚度来表示。磨损重量和磨损体积是整个磨损表面的总和，所以不能反映磨损沿摩擦表面的分布情况。磨损量的测量是评定机械零件设计的合理性、材料和润滑剂性能，以及研究磨损机理的重要指标。常用的磨损测量方法有称重法、测长法、表面轮廓法、压痕或切槽法。,100,称重法是用称量试件在实验前后的重量变化来确定磨损量。通常采用精密分析天平称重。由于测量范围的限制，称重法适用于小试件，对于微量磨损的摩擦副需要很长的实验周期。如果摩擦过程中试件表层产生较大的塑性变形，试件的形状虽然变化但重量损失不大，此时称重法不能反映表面磨损的真实情况。,10