摩擦学原理(第5章磨损规律)

第五章磨损规律WearCharacteristics•各种磨损形式有着不同的作用机理：磨粒磨损(AbrasiveWear)主要是犁沟和微观切削作用；粘着磨损(AdhesiveWear)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(ContactFatigueWear)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(OxidationandCorrosiveWear)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WearCharacteristics图5.1齿轮失效方式failuremodeofgear第五章磨损规律WearCharacteristics•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-inWearProcess)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(SteadyWearProcess)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(SharpWearProcess)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aRaRaR磨合过程中粗糙度aR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1~2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。tgdTdQa)(10QQTaa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10~35%。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ИМАШ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0HR0HR5.2.3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=15m，L=3mm；2：HW=10m，L=3mm；3：HW=8.5m，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