摩擦学原理(第6章磨损检测与抗磨损设计)

第六章磨损检测与抗磨损设计Chapter6WearDetectingandAnti-wearDesigning第六章磨损检测与抗磨损设计WearDetectingandAnti-wearDesigning6.1摩擦磨损实验方法与装置FrictionandWearExperimentalMethods6.2磨损量的测量方法WearMeasurementMethods6.3机械系统摩擦状态监测技术MonitoringTechniquesofMechanicalSystemFrictionalStatuses6.4零件磨损失效分析ElementWearFailureAnalysis6.5润滑油、润滑脂和固体润滑剂的合理选用ProperlySelectingofLubricatingOil,GreaseandSolidLubricant6.6摩擦副材料配伍MaterialCompatibilityofFrictionPairs6.7表面涂层技术SurfaceCoatingTechnology6.1摩擦磨损实验方法与装置FrictionandWearExperimentalMethods6.1.1摩擦磨损实验的意义和标准化TheMeaningandStandardizationofFrictionandWearExperiment6.1.2摩擦磨损实验方法FrictionandWearExperimentalMethods6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExpermentalMachineofFrictionandWear6.1.1摩擦磨损实验的意义和标准化TheMeaningandStandardizationofFrictionandWearExperiment无论是摩擦磨损理论研究，还是摩擦磨损技术开发应用，都离不开摩擦磨损实验方法和手段。从理论研究角度，可以通过实验考察模拟工况条件与实际工况条件下摩擦磨损的特征与变化，探索各种内在因素（如材料的物理、化学、力学性能）和外部因素（包括载荷、速度、温度和环境条件等）对摩擦磨损性能的影响规律，从而揭示各种摩擦磨损的成因和机理。从应用技术开发角度，可以通过实验获得大量的实验数据，从而为合理确定符合使用条件的最优设计参数提供直接依据。由于摩擦磨损现象十分复杂，实验方法和装置种类繁多，各种自制的摩擦磨损实验台所获得的实验数据具有很强的条件性，因此往往缺乏可比性，这对同行重复实验结果或者应用实验结果进行技术开发和应用很不利。所以摩擦学界同仁提出了摩擦磨损实验标准化的问题以及相应的解决措施，就是统一实验规范和方法，研制标准化的摩擦磨损实验装置。6.1.2摩擦磨损实验方法FrictionandWearExperimentalMethods1．实验室试件实验方法（laboratorysampleexperimentalmethod）实验室试件实验方法被摩擦学界广泛应用，它是在实验室内利用已标准化的通用摩擦磨损实验机进行实验，实验用的试件也是按标准要求（如形状和尺寸）加工制作。这种实验方法的优点是，实验环境条件和工况参数容易控制，实验数据重复性较高，实验条件的变化范围宽，可以在短时间内获得较系统的对比实验数据。其缺点是，实验条件往往与实际工况条件相差较大，导致实验数据的实用性较差。因此，在进行实验室试件实验时，应当尽可能地模拟实际工况条件，包括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。特别地，要使主要的实验影响因素接近实际工况条件，例如，对于高速摩擦副的摩擦磨损实验，温度影响是主要问题，应当使试件的散热条件和温度分布接近实际情况；对于低速摩擦副实验，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，如果使用未经磨合的试件，通常不采纳最初测量的几个数据，以排除这些可能不稳定的数据。实验室试件实验方法主要适用于各种摩擦磨损机理和影响因素的定性研究，以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能评定的参考性实验。2．模拟台架实验（simulationtesterexperimentmethods）模拟台架实验方法是在实验室试件实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件和专用的试验台架，并在模拟使用条件下进行试验。其优点是，模拟台架实验条件接近实际工况，从而提高了实验数据的可靠性和实用性。同时，模拟台架实验可以实现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，还可以进行个别因素对摩擦磨损性能影响的研究。模拟台架实验主要应用于校验实验室试件实验所获得数据的可靠性以及零件磨损性能设计的合理性。模拟台架实验方法一般用于摩擦磨损应用技术开发的前期实验。6.1.2摩擦磨损实验方法FrictionandWearExperimentalMethods3．现场实验方法(realconditionexperimentalmethod)现场实验方法就是在实验室试件实验和模拟台架实验基础上，对已经进行摩擦磨损设计的零件进行现场的实际应用对比实验。现场实验方法的优点是，实验数据的真实性和可靠性好，可以直接验证摩擦磨损理论研究和应用技术的正确性和有效性，也能用于检验实验室试件实验结果和模拟台架实验结果；其缺点是，实验周期长，费用大，实验数据是所有因素综合影响作用下的结果，因而实验数据对具体的摩擦磨损影响因素的深入分析没有帮助。现场实验方法一般应用于摩擦磨损应用技术实际开发过程中的实验。6.1.2摩擦磨损实验方法FrictionandWearExperimentalMethods6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear目前，通用摩擦磨损实验机主要应用于各种摩擦磨损机理研究，以及评定各种摩擦副材料或润滑剂的摩擦磨损性能。图6.1为通用摩擦磨损实验机所采用的两试件间的各种接触形式和相对运动方式。两试件间的接触形式包括面接触、线接触和点接触三种。面接触试件的单位面积压力只有50MPa~100MPa，常用于磨粒磨损实验。线接触试件的最大接触压力可达到1000MPa~1500MPa，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。两试件间的相对运动方式包括纯滑动、纯滚动或者滚动伴随滑动。实验机驱动试件的运动方式主要有旋转运动和往复直线运动。图6.1通用摩擦磨损实验机采用的两试件间的接触形式和运动方式6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear下面介绍几种通用的摩擦、磨损和润滑实验机。书上介绍了1．四球试验机(fourballstester)2．环块试验机(ring-blocktester)3．销盘式试验机4．多功能摩擦磨损试验机5．专用或极端工况摩擦磨损试验机6．摩擦实验机7．薄膜润滑与弹流润滑试验台8．微纳摩擦学试验机等８种试验机，在这里我主要介绍前两种，其它几种同学们可以通过书本自学。6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear1．四球试验机(fourballstester)四球试验机是根据图6.2a所示的原理制成的，用于做点接触摩擦副的摩擦磨损实验。被动试件由其中的三个球组成，三球夹紧成巢状置于带有滚道的套杯中，如图6.2b。主动试件是另一个球，它位于被动试件三球的上方，主动试件一个球在轴向载荷作用下与被动试件的三个球保持点接触状态，同时，主动试件被驱动作旋转运动，与被动件三个球作相对滑动运动。四球试验机通常应用于评定润滑油添加剂性能，主要原理是根据磨痕直径和摩擦系数对试验结果进行比对分析。6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear（a）四球摩擦试验机原理图(b)四球试验机中的下面三个球及滚道图6.2四球摩擦磨损试验机6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear2．环块试验机(ring-blocktester)环块摩擦磨损试验机又称Timken试验机，它是根据图6.3a的形式设计的，用于做线接触摩擦副的摩擦磨损试验。主动试件是一个旋转圆环（标准试件），被动试件是被固定的标准尺寸矩形试块（图6.3b）。其原理是通过测量被动试件矩形块上出现的条状磨痕的宽度，以评定润滑剂或矩形试块材料的摩擦磨损性能。高速环块摩擦磨损试验机，主要用于中高档汽车齿轮油抗擦伤性能的模拟评定，也可以用于各种金属、非金属材料及涂层等的性能研究。普通环块磨损试验机，主要用来做各种润滑油和润滑油脂在线接触滑动摩擦状态下的承载能力和摩擦特性的试验；也可以用来做各种金属材料和非金属材料（尼龙、塑料等）在滑动摩擦状态下的耐磨性能的试验；同时也可用于测定各种材料摩擦副的摩擦力，并推算出各种材料摩擦副的摩擦系数。6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear(a)环块磨损试验机原理(b)环块磨损试验机试件图6.3环块磨损摩擦磨损试验机6.1.3通用的摩擦磨损实验机UniversalExperimentalMachineofFrictionandWear6.2磨损量的测量方法WearMeasurementMethods在磨损机理及耐磨技术研究中，磨损量测量是最重要的研究手段之一。目前摩擦学界和工业界普遍采用的磨损量测量手段有三类，分别是试件表面材料损失的重量计量法、厚度计量法和体积计量法。具体地，常用的磨损量测量有称重法、测长法、表面轮廓法、压痕或切槽法、沉淀法或化学分析法、放射性同位素法，等等。6.2.1磨损量重量计量法WearWeightMeasurementMethods1．称重法(weightmeasurementmethod)它是一种直接的磨损量重量计量法。它是利用精密分析天平、电子天平等仪器称量试件在实验前后的重量的变化来确定磨损量，通常测量精度可达到0.lmg。它是一种较常用的磨损量测量法，适用于小尺寸试样或摩擦过程塑性变形不大的试件。一般情况下，称重法应同时测定配对的摩擦副试件的磨损量。6.2.1磨损量重量计量法WearWeightMeasurementMethods2．沉淀法或化学分析法PrecipitationMethod/ChemicalAnalysisMethod它是一种间接的磨损量重量计量法。沉淀法就是将润滑油中所含的磨屑经过过滤或者沉淀分离出来，再通过称重磨屑来测量磨损量。化学分析法就是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重量，它可以测量各种磨损元素的重量，也可以根据材料使用情况来判断磨损的部位。定期地从润滑系统中取出油样，采用沉淀法或化学分析法测量磨损量随时间的变化情意。问题是，测量所得到磨损量是整个摩擦副表面的总磨损量，无法确定表面磨损分布情况。6.2.2磨损量厚度计量法WearVolumeThicknessMeasurementMethods1．测长法(lengthmeasurementmethod)测长法是测量试件在试验前后摩擦面法向尺寸的变化或者磨损表面与某基准面距离的变化来确定磨损量。常用的工具是精密量具、测长仪、万能工具显微镜，或其它非接触式测微仪。测长法的特点是试件经短时间工作即能测定磨损量，测量精度高，可用于确定试件不同部位的磨损量分布情况。该方法适用于表面粗糙度小、磨损量不大的试件，而不适用于测量表面有明显塑性流动的试件的磨损量。2．表面轮廓法(surfaceprofilemethod)表面轮廓法是利用高精度表面轮廓仪直接测量磨损前后试件表面轮廓的变化来确定试件的磨损量。表面轮廓法可应用于测量磨损厚度不超