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第四章摩擦磨损实验及检测分析技术一、概述1、摩擦磨损实验研究的必要性：要研究摩擦学的理论，确定各种因素对摩擦、磨损性能的影响，研究新的耐磨、减摩及摩阻材料和评定各种耐磨表面处理的摩擦、磨损性能，必须掌握摩擦磨损实验技术。摩擦磨损实验技术包括两个方面，即：摩擦磨损实验方法和摩擦磨损实验测试装置。二、摩擦磨损实验的分类：目前采用的实验方法可以归纳为下列三类：1、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尺寸较小、结构简单的试件进行实验。由于实验室实验的环境条件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,可以在短时间内取得比较系统的数据。但由于实验条件与实际工况不完全符合,因而实验结果往往实用性较差。实验室实验主要用于：各种类型的摩擦磨损机理和影响因素的研究,以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能的评定。2、模拟性台架实验在实验室实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件，模拟零件的实际工作条件，进行台架实验。由于台架实验的条件接近实际工况，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，也可以在较短的时间内获得系统的实验数据；并且能够预先给定可控制的工况条件，并能够测得各种摩擦磨损的参数，进行摩擦磨损性能影响因素的研究。台架实验的主要目的在于：校验实验室实验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理性。常见的台架实验台有：轴承实验台、齿轮实验台、凸轮挺杆实验台等。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，使用实验是在实际运转现场条件下进行的。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深入分析。这种方法通常用作检验前两种实验数据的一种手段。**上述几种类型的试验各有特点，在磨损磨损研究工作中，通常先在实验室里进行试样实验，然后再进行模拟性台架实验和实际使用实验，构成一个所谓的“实验链”。三、摩擦磨损实验的模拟问题和实验参数选择：1、摩擦磨损试验模拟摩擦磨损性能是摩擦学系统在给定条件下的综合性能,因此,实验结果的普适性较低。所以在实验室实验时,应当尽可能地模拟实际工况条件。2、实验参数的选择模拟的摩擦磨损试验系统中最多有四种参数可以与实际摩擦系统不同：①载荷；②速度；③时间；④试样尺寸和形状。而在其他方面，例如摩擦运动方式、引起磨损的机理、组成摩擦系统的各要素及其材料性质、摩擦时的温度及摩擦温升、摩擦系数等模拟的和实际的系统两者必须相同或相似。四、摩擦磨损实验机：1、摩擦磨损试验机分类按摩擦副的接触形式和运动方式分：点、线、面接触；滑动、滚动、滚滑、往复运动。2、常用的摩擦磨损试验机(1)四球式试验机工作原理：由四球(1个上球3个下球)组成摩擦副(如图所示)，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，通过加载系统向下球组加载。主要用途：主要用来评定润滑剂的性能。该试验机的评定指标有：磨损一负荷曲线：在双对数坐标上，基于不同负荷下三个固定钢球的平均磨痕直径所作的曲线。赫兹线：由于弹性变形所产生的圆形接触面的理论直接与静载荷的关系。①最大无卡咬负荷PB：在试验条件下不发生卡咬的最高负荷，它代表油膜强度。卡咬：钢球摩擦面之间出现局部的金属转移。这种现象以摩擦和磨损增大为标志，并导致三个固定球上呈现粗糙的磨痕，转动球上呈现粗糙的环。②烧结负荷PD：试验条件下使钢球发生烧结的最低负荷，它代表润滑剂的极限工作能力。烧结：试件摩擦面之间出现金属熔化，并使之相互结合的现象，此时四个球就烧结在一起形成宝塔形。(2)环块式试验机又称Timken试验机，用于线接触摩擦副的摩擦磨损试验。工作原理：主动件是标准旋转圆环，被动件是被固定的标准尺寸矩形块。通过测量不同载荷下，被动试件矩形块上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。(3)销盘式试验机用于面接触摩擦副的摩擦磨损试验。工作原理：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总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。主要用于在滑动条件下，评价材料的摩擦系数和磨损率，研究工况参数对摩擦性能和磨损机理的影响，是目前用途最广泛的摩擦磨损试验设备。四、摩擦磨损实验中的参数测量1、摩擦系数或摩擦力的测量①机械式：载荷W通过上试件1加到下试件2上。下试件(半径为r)旋转，上试件固定。试样间的摩擦力使下主轴产生一个力矩，此时与主轴相连的砝码产生一个偏角，来平衡摩擦力产生的摩擦力矩，偏角反应了摩擦力矩P的大小，可以直接从标尺读出，由此摩擦力矩可以换算出试件上的摩擦系数μμ=P/(Wr)②电测法：把压力传感器附加到测力元件上，将摩擦力转换成电信号，输入到测量和记录仪上，自动记录下摩擦过程中摩擦力的变化。这种方法目前已普遍应用。2、磨损量的测量：机械零件的磨损量可以用磨下材料的质量、体积或者磨去的厚度来表示。①称重法：用称量试件在实验前后的质量变化来确定磨损量。这种方法简单，采用最普遍。通常采用精密分析天平称重，测量精度为0.1mg。由于测量范围的限制，称量法仅适用于小试件。为保证称重的精度，试件在称重前应当清洗干净并烘干，避免表面有污物或湿气而影响重量的变化。对于多孔性材料，在磨损过程中容易进入油污而不易清洗，称重法往往误差很大。若试件在摩擦过程中重量损失不大，而只发生较大的塑性变形，则称量法不能反映表面磨损的真实情况。②测长法：测长法是测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。常用测量长度仪器，如千分尺、千分表、测长仪、万能工具显微镜、读数显微镜等。为了便于测量，往往在摩擦表面人为地做出测量基准，然后以此测量基准来量度摩擦表面的尺寸变化，测量基准是根据试件形状和尺寸，在不影响试验结果的条件下设置的，其形式有：a.压痕法：压痕法是通过事先在试样表面压出压痕，再根据磨损前后压痕尺寸的变化来计算试样的磨损量。如磨损试验前用维氏硬度计压头在试样表面上打出压坑，如图所示，测出其对角线长度d2，试验后再测出压痕的对角线长度d1，则试验中磨损的深度为：△h=(d2-d1)/m。**因为压痕过程并非是完全塑性变形,所以压坑与压头的形状不完全相同。考虑弹性变形的影响应将m数值增大。当锥面角α=136°时,根据经验可按以下数值选取:塑性良好的金属例如铅,选取m=7;铸铁,选取m=7.6～8.2；轴承钢,选取m=7.7～8.4。压痕法产生误差的另一个因素是压坑四周形成鼓起,使表面形状变化，并影响摩擦副的配合性质和磨损测量精度。**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,因而不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构的变化。b.切槽法：切槽法测磨损与压痕法十分相似,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的关系为：r-刀刃的回转半径；R-试件的表面曲率半径，平面时R=∞，凸面用“+”，凹面用“-”③表面轮廓法：当磨损厚度不超过表面粗糙峰高度的磨损时，用表面轮廓仪可以直接测量磨损前后表面轮廓的变化来确定零磨损量。当测量磨损厚度超过表面粗糙度的磨损必须采用测量基准。下图给出两种测量基准,图(a)是用未磨损表面作为基准,而图(b)是在表面上开设一个楔形槽,根据磨损前后楔形槽宽B和b的数值计算磨损厚度h。④非接触式测量法：以上测量磨损量的方法都要拆卸部分机器零件，当重复试验时，反复拆卸会改变试样的相对位置，破坏摩擦表面的磨合性。用非接触式测量法可以避免这方面的缺陷。非接触式测量磨损方法的原理如图所示：非接触式传感器装在靠近基准板的地方。此基准板与上试样连为一体。当磨损使上试件下沉时，则传感器与基准板之间间隙增加，传感器得到此位移信号，经仪表检测放大就可以反映出磨损变化情况。⑤放射性同位素法：将摩擦表面经放射性同位素活化,则在磨损过程中落入润滑油中的磨屑具有放射性。因此定期地测定润滑油的放射性强度,就可以换算出磨损量随时间的变化。放射性同位素方法最大的优点是测量磨损量的灵敏度高,可达10-7～10-8g。⑥沉淀法或化学分析法：将润滑油中所含的磨屑经过过滤或者沉淀分离出来，再由称重法测量磨屑质量。也可以采用定量分析化学的方法测量润滑油中所含磨屑的组成和质量。这两种方法测量的是整个表面的总磨损量，无法确定摩擦表面的磨损分布。此外，润滑油的合理取样是保证测量精度的关键。３、摩擦温度的测量摩擦时，接触表面温度高低和分布情况对摩擦磨损性能影响很大，因此测量摩擦表面温度很重要。测量摩擦副表面温度的主要方法有热电偶和远红外辐射测温法。五、磨损微粒的分析技术对磨损产物－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，而且是工程上磨损预测和工程监控的重要手段。①光谱分析法：光谱分析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的光谱的性质，用来分析润滑油中的金属含量。因为每种元素都有各自的特征光谱线，并且每种元素所发射特征光谱线的强度都与它在物质中的含量有关，所以可通过对光谱分析，确定物质中含有的化学成分及含量。光谱分析法具有极高的灵敏度和准确度，且分析速度快，通常应用于铁路机车和船舶柴油机以及航空发动机的磨损检测，以防止故障发生。②铁谱分析法：分析式铁谱仪的结构原理如图所示：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，由低流量泵送到并流过透明基片。由于基片是装在略微倾斜的斜面上的，所以磁性微粒就粘附在底片上并接近按大小分布。基片上的磨粒经去油和固定后，便制成了铁谱图。右图为一典型的铁谱片,其中沉积的颗粒表现为沿玻璃片中间的一条暗带。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、尺寸大小和成分的分析，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。例如：正常磨损的磨屑一般呈薄片状；磨粒和切削磨损形成的磨屑具有螺旋状或卷曲状，这种磨粒的集中出现是严重磨损过程的表现，若数目急剧增多，则表面机器损坏即将开始。氧化磨损或腐蚀磨损形成的磨屑是由化合物组成的，在有色光作用下不同成分的磨料显示出不同的颜色，以此确定磨粒的材料类型，进而判断磨损的具体位置。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。所谓光密度是投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，那么用光密度值就可以推算铁谱片上磨屑量的多少。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。当机器在正常运转状态下(除磨合阶段外)，AL一般稍大于AS，但差别不显著，这说明磨损处于稳定状态。在非正常磨损状态下，AL将显著地大于AS，而且磨粒量急剧增多。因此，磨损变化程度可用磨粒数量和大小磨粒数量差值两个特征量表示。总磨损量Iq=AL+AS，表示不同时间磨粒数量的变化，对应于机器的磨损量和磨损率，当严重磨损开始时，其数值急剧增大，称为磨损定量指数。大小磨粒数量差值Is=AL-AS表示不同时间磨粒尺寸比例的相对变化，反映磨损不正常程度，其数值越大说明磨损越恶化，故称为磨损严重性指数。综上两个方面的影响因素，对于整个磨损情况可以用磨损指数方程：IA磨损度指数；Iq磨损定量指数；Is磨损严重性指数；根据这些指数可以判断磨损系统状态是否正常。在磨粒分析方面，铁谱和光谱分析各有所长。铁谱法能将磨粒按尺寸大小排列，并反映出颗粒的形状、磨损的性质，但进一步定性定量分析有困难；光谱法能够区别磨粒的中含有的元素成分及含量，但对于大于2μm的微粒即失去检测的效能，而很多机械失效时，磨粒尺寸往往大于