摩擦磨損試驗(yàn)及測(cè)試技術(shù)

關(guān)于摩擦磨損試驗(yàn)及測(cè)試技術(shù)第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四一、概述1、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究的必要性：要研究摩擦學(xué)的理論，確定各種因素對(duì)摩擦、磨損性能的影響，研究新的耐磨、減摩及摩阻材料和評(píng)定各種耐磨表面處理的摩擦、磨損性能，必須掌握摩擦磨損實(shí)驗(yàn)技術(shù)。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括兩個(gè)方面，即：摩擦磨損實(shí)驗(yàn)方法和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四二、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的分類：

目前采用的實(shí)驗(yàn)方法可以歸納為下列三類：1、實(shí)驗(yàn)室試件實(shí)驗(yàn)根據(jù)給定的工況條件,在通用的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件和工況參數(shù)容易控制,因而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性較高,實(shí)驗(yàn)周期短,實(shí)驗(yàn)條件的變化范圍寬,可以在短時(shí)間內(nèi)取得比較系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。但由于實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際工況不完全符合,因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往實(shí)用性較差。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)主要用于：各種類型的摩擦磨損機(jī)理和影響因素的研究,以及摩擦副材料、工藝和潤(rùn)滑劑性能的評(píng)定。第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四2、模擬性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所選定的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)際的零件，模擬零件的實(shí)際工作條件，進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。

由于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的條件接近實(shí)際工況，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)條件的強(qiáng)化和嚴(yán)格控制，也可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；并且能夠預(yù)先給定可控制的工況條件，并能夠測(cè)得各種摩擦磨損的參數(shù)，進(jìn)行摩擦磨損性能影響因素的研究。

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的主要目的在于：校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和零件磨損性能設(shè)計(jì)的合理性。常見的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)臺(tái)有：軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)、齒輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)、凸輪挺桿實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四3、實(shí)際使用實(shí)驗(yàn)

在上述兩種實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)際零件進(jìn)行使用實(shí)驗(yàn)，使用實(shí)驗(yàn)是在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件下進(jìn)行的。

這種實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性最好。

但是實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是各種影響因素的綜合表現(xiàn)，因而難以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析。這種方法通常用作檢驗(yàn)前兩種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一種手段。**上述幾種類型的試驗(yàn)各有特點(diǎn)，在磨損磨損研究工作中，通常先在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行試樣實(shí)驗(yàn)，然后再進(jìn)行模擬性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成一個(gè)所謂的“實(shí)驗(yàn)鏈”。第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四三、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的模擬問題和實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇：1、摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)M摩擦磨損性能是摩擦學(xué)系統(tǒng)在給定條件下的綜合性能,因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普適性較低。所以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能地模擬實(shí)際工況條件。2、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇模擬的摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)中最多有四種參數(shù)可以與實(shí)際摩擦系統(tǒng)不同：①載荷；②速度；③時(shí)間；④試樣尺寸和形狀。而在其他方面，例如摩擦運(yùn)動(dòng)方式、引起磨損的機(jī)理、組成摩擦系統(tǒng)的各要素及其材料性質(zhì)、摩擦?xí)r的溫度及摩擦溫升、摩擦系數(shù)等模擬的和實(shí)際的系統(tǒng)兩者必須相同或相似。

第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四四、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)：1、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分類按摩擦副的接觸形式和運(yùn)動(dòng)方式分：點(diǎn)、線、面接觸；滑動(dòng)、滾動(dòng)、滾滑、往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四2、常用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(1)四球式試驗(yàn)機(jī)工作原理：

由四球(1個(gè)上球3個(gè)下球)組成摩擦副(如圖所示)，上球卡在夾頭內(nèi)，下球組固定不動(dòng)，上球與下球組相接觸。工作時(shí)，上球由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過加載系統(tǒng)向下球組加載。主要用途：

主要用來評(píng)定潤(rùn)滑劑的性能。

第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四該試驗(yàn)機(jī)的評(píng)定指標(biāo)有：磨損一負(fù)荷曲線：在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，基于不同負(fù)荷下三個(gè)固定鋼球的平均磨痕直徑所作的曲線。赫茲線：由于彈性變形所產(chǎn)生的圓形接觸面的理論直接與靜載荷的關(guān)系。①最大無卡咬負(fù)荷PB：在試驗(yàn)條件下不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷，它代表油膜強(qiáng)度?？ㄒВ轰撉蚰Σ撩嬷g出現(xiàn)局部的金屬轉(zhuǎn)移。這種現(xiàn)象以摩擦和磨損增大為標(biāo)志，并導(dǎo)致三個(gè)固定球上呈現(xiàn)粗糙的磨痕，轉(zhuǎn)動(dòng)球上呈現(xiàn)粗糙的環(huán)。②燒結(jié)負(fù)荷PD：試驗(yàn)條件下使鋼球發(fā)生燒結(jié)的最低負(fù)荷，它代表潤(rùn)滑劑的極限工作能力。燒結(jié)：試件摩擦面之間出現(xiàn)金屬熔化，并使之相互結(jié)合的現(xiàn)象，此時(shí)四個(gè)球就燒結(jié)在一起形成寶塔形。第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四(2)環(huán)塊式試驗(yàn)機(jī)又稱Timken試驗(yàn)機(jī)，用于線接觸摩擦副的摩擦磨損試驗(yàn)。工作原理：主動(dòng)件是標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)圓環(huán)，被動(dòng)件是被固定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸矩形塊。通過測(cè)量不同載荷下，被動(dòng)試件矩形塊上出現(xiàn)的條形磨痕寬度，以及摩擦副材料間的摩擦力、摩擦系數(shù)，來評(píng)定潤(rùn)滑劑的承載能力以及摩擦副材料的摩擦磨損性能。

第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四(3)銷盤式試驗(yàn)機(jī)用于面接觸摩擦副的摩擦磨損試驗(yàn)。工作原理：試驗(yàn)時(shí)，銷固定不動(dòng)，盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過力傳感器采集試驗(yàn)過程總摩擦力和載荷的變化，通過位移傳感器對(duì)試樣的總磨損進(jìn)行測(cè)量。主要用于在滑動(dòng)條件下，評(píng)價(jià)材料的摩擦系數(shù)和磨損率，研究工況參數(shù)對(duì)摩擦性能和磨損機(jī)理的影響，是目前用途最廣泛的摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四四、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)測(cè)量

1、摩擦系數(shù)或摩擦力的測(cè)量機(jī)械式：載荷W通過上試件1加到下試件2上。下試件(半徑為r)旋轉(zhuǎn)，上試件固定。試樣間的摩擦力使下主軸產(chǎn)生一個(gè)力矩，此時(shí)與主軸相連的砝碼產(chǎn)生一個(gè)偏角，來平衡摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩，偏角反應(yīng)了摩擦力矩P的大小，可以直接從標(biāo)尺讀出，由此摩擦力矩可以換算出試件上的摩擦系數(shù)μ

μ=P/(Wr)電測(cè)法：把壓力傳感器附加到測(cè)力元件上，將摩擦力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入到測(cè)量和記錄儀上，自動(dòng)記錄下摩擦過程中摩擦力的變化。這種方法目前已普遍應(yīng)用。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四2、磨損量的測(cè)量：機(jī)械零件的磨損量可以用磨下材料的質(zhì)量、體積或者磨去的厚度來表示。稱重法：用稱量試件在實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量變化來確定磨損量。這種方法簡(jiǎn)單，采用最普遍。通常采用精密分析天平稱重，測(cè)量精度為0.1mg。由于測(cè)量范圍的限制，稱量法僅適用于小試件。為保證稱重的精度，試件在稱重前應(yīng)當(dāng)清洗干凈并烘干，避免表面有污物或濕氣而影響重量的變化。對(duì)于多孔性材料，在磨損過程中容易進(jìn)入油污而不易清洗，稱重法往往誤差很大。若試件在摩擦過程中重量損失不大，而只發(fā)生較大的塑性變形，則稱量法不能反映表面磨損的真實(shí)情況。第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四測(cè)長(zhǎng)法：測(cè)長(zhǎng)法是測(cè)量摩擦表面法向尺寸在試驗(yàn)前后的變化來確定磨損量。

常用測(cè)量長(zhǎng)度儀器，如千分尺、千分表、測(cè)長(zhǎng)儀、萬能工具顯微鏡、讀數(shù)顯微鏡等。

為了便于測(cè)量，往往在摩擦表面人為地做出測(cè)量基準(zhǔn)，然后以此測(cè)量基準(zhǔn)來量度摩擦表面的尺寸變化，測(cè)量基準(zhǔn)是根據(jù)試件形狀和尺寸，在不影響試驗(yàn)結(jié)果的條件下設(shè)置的，其形式有：第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四壓痕法：壓痕法是通過事先在試樣表面壓出壓痕，再根據(jù)磨損前后壓痕尺寸的變化來計(jì)算試樣的磨損量。如磨損試驗(yàn)前用維氏硬度計(jì)壓頭在試樣表面上打出壓坑，如圖所示，測(cè)出其對(duì)角線長(zhǎng)度d2，試驗(yàn)后再測(cè)出壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度d1，則試驗(yàn)中磨損的深度為：△h=(d2-d1)/m。**因?yàn)閴汉圻^程并非是完全塑性變形,所以壓坑與壓頭的形狀不完全相同?？紤]彈性變形的影響應(yīng)將m數(shù)值增大。當(dāng)錐面角α=136°時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按以下數(shù)值選取:塑性良好的金屬例如鉛,選取m=7;鑄鐵,選取m=7.6～8.2；軸承鋼,選取m=7.7～8.4。壓痕法產(chǎn)生誤差的另一個(gè)因素是壓坑四周形成鼓起,使表面形狀變化，并影響摩擦副的配合性質(zhì)和磨損測(cè)量精度。第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四**壓痕法和切槽法只適用于磨損量不大而表面光滑的試件。由于這兩種方法都要局部破壞試件的表層,因而不能用于研究磨損過程中表面層的組織結(jié)構(gòu)的變化。b.切槽法：切槽法測(cè)磨損與壓痕法十分相似,用回轉(zhuǎn)刀具刻出月牙形槽，切槽法排除了彈性變形回復(fù)和四周鼓起的影響。根據(jù)幾何關(guān)系，切槽寬度和磨損深度的關(guān)系為：r-刀刃的回轉(zhuǎn)半徑；R-試件的表面曲率半徑，平面時(shí)R=∞，凸面用“+”，凹面用“-”第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四表面輪廓法：當(dāng)磨損厚度不超過表面粗糙峰高度的磨損時(shí)，用表面輪廓儀可以直接測(cè)量磨損前后表面輪廓的變化來確定零磨損量。

當(dāng)測(cè)量磨損厚度超過表面粗糙度的磨損必須采用測(cè)量基準(zhǔn)。下圖給出兩種測(cè)量基準(zhǔn),圖(a)是用未磨損表面作為基準(zhǔn),而圖(b)是在表面上開設(shè)一個(gè)楔形槽,根據(jù)磨損前后楔形槽寬B和b的數(shù)值計(jì)算磨損厚度h。第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四非接觸式測(cè)量法：

以上測(cè)量磨損量的方法都要拆卸部分機(jī)器零件，當(dāng)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，反復(fù)拆卸會(huì)改變?cè)嚇拥南鄬?duì)位置，破壞摩擦表面的磨合性。用非接觸式測(cè)量法可以避免這方面的缺陷。非接觸式測(cè)量磨損方法的原理如圖所示：非接觸式傳感器裝在靠近基準(zhǔn)板的地方。此基準(zhǔn)板與上試樣連為一體。當(dāng)磨損使上試件下沉?xí)r，則傳感器與基準(zhǔn)板之間間隙增加，傳感器得到此位移信號(hào)，經(jīng)儀表檢測(cè)放大就可以反映出磨損變化情況。

第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四放射性同位素法：將摩擦表面經(jīng)放射性同位素活化,則在磨損過程中落入潤(rùn)滑油中的磨屑具有放射性。因此定期地測(cè)定潤(rùn)滑油的放射性強(qiáng)度,就可以換算出磨損量隨時(shí)間的變化。放射性同位素方法最大的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量磨損量的靈敏度高,可達(dá)10-7～10-8g。沉淀法或化學(xué)分析法：將潤(rùn)滑油中所含的磨屑經(jīng)過過濾或者沉淀分離出來，再由稱重法測(cè)量磨屑質(zhì)量。也可以采用定量分析化學(xué)的方法測(cè)量潤(rùn)滑油中所含磨屑的組成和質(zhì)量。

這兩種方法測(cè)量的是整個(gè)表面的總磨損量，無法確定摩擦表面的磨損分布。此外，潤(rùn)滑油的合理取樣是保證測(cè)量精度的關(guān)鍵。

第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四３、摩擦溫度的測(cè)量摩擦?xí)r，接觸表面溫度高低和分布情況對(duì)摩擦磨損性能影響很大，因此測(cè)量摩擦表面溫度很重要。測(cè)量摩擦副表面溫度的主要方法有熱電偶和遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)溫法。第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四五、磨損微粒的分析技術(shù)

對(duì)磨損產(chǎn)物－磨粒的成分和形態(tài)的分析，不僅是研究磨損機(jī)理的主要方法之一，而且是工程上磨損預(yù)測(cè)和工程監(jiān)控的重要手段。光譜分析法：光譜分析是利用組成物質(zhì)的原子在一定條件下能發(fā)射具有各自特征的光譜的性質(zhì)，用來分析潤(rùn)滑油中的金屬含量。因?yàn)槊糠N元素都有各自的特征光譜線，并且每種元素所發(fā)射特征光譜線的強(qiáng)度都與它在物質(zhì)中的含量有關(guān)，所以可通過對(duì)光譜分析，確定物質(zhì)中含有的化學(xué)成分及含量。光譜分析法具有極高的靈敏度和準(zhǔn)確度，且分析速度快，通常應(yīng)用于鐵路機(jī)車和船舶柴油機(jī)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損檢測(cè)，以防止故障發(fā)生。

第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四鐵譜分析法：分析式鐵譜儀的結(jié)構(gòu)原理如圖所示：從運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦機(jī)械系統(tǒng)的潤(rùn)滑劑中提取一定量的油樣，經(jīng)過能促進(jìn)磨損微粒沉淀的特殊溶劑稀釋后，由低流量泵送到并流過透明基片。由于基片是裝在略微傾斜的斜面上的，所以磁性微粒就粘附在底片上并接近按大小分布。基片上的磨粒經(jīng)去油和固定后，便制成了鐵譜圖。

右圖為一典型的鐵譜片,其中沉積的顆粒表現(xiàn)為沿玻璃片中間的一條暗帶。第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四

鐵譜技術(shù)對(duì)磨粒的識(shí)別與分析主要分為定性分析和定量分析兩種方式。定性鐵譜分析：利用光學(xué)顯微鏡對(duì)鐵譜片上沉淀的磨粒進(jìn)行形貌、尺寸大小和成分的分析，建立磨損狀態(tài)類型與磨損顆粒形態(tài)的相互關(guān)系，判別摩擦副的磨損程度以確定失效情況和磨損部位。例如：正常磨損的磨屑一般呈薄片狀；磨粒和切削磨損形成的磨屑具有螺旋狀或卷曲狀，這種磨粒的集中出現(xiàn)是嚴(yán)重磨損過程的表現(xiàn)，若數(shù)目急劇增多，則表面機(jī)器損壞即將開始。氧化磨損或腐蝕磨損形成的磨屑是由化合物組成的，在有色光作用下不同成分的磨料顯示出不同的顏色，以此確定磨粒的材料類型，進(jìn)而判斷磨損的具體位置。第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四定量鐵譜分析：

通常先采用鐵譜光密度計(jì)來測(cè)量鐵譜片上不同位置上磨粒沉積物的光密度，從而求得磨粒的尺寸、大小分布以及微?？偭俊Ｋ^光密度是投射過透明鐵譜片的光強(qiáng)度與透射過含有磨粒的鐵譜片的光強(qiáng)度之比，與磨屑的覆蓋面積成正比，那么用光密度值就可以推算鐵譜片上磨屑量的多少。一般在鐵譜片上55mm(大磨粒沉積處)和49mm(小磨粒沉積處)兩處測(cè)量磨粒的光密度，以AL和AS分別表示大、小磨粒光密度的讀數(shù)。通過測(cè)出鐵譜片上大、小磨粒的光密度，由此確定大磨粒和小磨粒的相對(duì)含量。

第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)機(jī)器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下(除磨合階段外)，

AL一般稍大于AS，但差別不顯著，這說明磨損處于穩(wěn)定狀態(tài)。在非正常磨損狀態(tài)下，

AL將顯著地大于AS，而且磨粒量急劇增多。因此，磨損變化程度可用磨粒數(shù)量和大小磨粒數(shù)量差值兩個(gè)特征量表示?？偰p量Iq=AL+AS

，表示不同時(shí)間磨粒數(shù)量的變化，對(duì)應(yīng)于機(jī)器的磨損量和磨損率，當(dāng)嚴(yán)重磨損開始時(shí)，其數(shù)值急劇增大，稱為磨損定量指數(shù)。大小磨粒數(shù)量差值Is=AL-AS表示不同時(shí)間磨粒尺寸比例的相對(duì)變化，反映磨損不正常程度，其數(shù)值越大說明磨損越惡化，故稱為磨損嚴(yán)重性指數(shù)。綜上兩個(gè)方面的影響因素，對(duì)于整個(gè)磨損情況可以用磨損指數(shù)方程：IA磨損度指數(shù)；

Iq磨損定量指數(shù)；

Is磨損嚴(yán)重性指數(shù)；根據(jù)這些指數(shù)可以判斷磨損系統(tǒng)狀態(tài)是否正常。第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四在磨粒分析方面，鐵譜和光譜分析各有所長(zhǎng)。鐵譜法能將磨粒按尺寸大小排列，并反映出顆粒的形狀、磨損的性質(zhì)，但進(jìn)一步定性定量分析有困難；光譜法能夠區(qū)別磨粒的中含有的元素成分及含量，但對(duì)于大于2μm的微粒即失去檢測(cè)的效能，而很多機(jī)械失效時(shí)，磨粒尺寸往往大于2μm。因此，分析磨粒最好兩種方法聯(lián)合使用，可以相互補(bǔ)充，使檢測(cè)效果較好。第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期四六、摩擦表面的形態(tài)分析

由于摩擦現(xiàn)象發(fā)生在表面層，表層組織結(jié)構(gòu)的變化是研究摩擦磨損規(guī)律和機(jī)理的關(guān)鍵，現(xiàn)代表面測(cè)試技術(shù)已先后用來研究摩擦表面的各種現(xiàn)象。1、摩擦磨損表面形貌的分析摩擦過程中表面形貌的變化可以采用表面輪廓儀和電子顯微鏡來進(jìn)行分析。表面輪廓儀是通過測(cè)量觸針在表面上勻速移動(dòng)，將觸針隨表面輪廓的垂直運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、放大，并且描繪出表面的輪廓曲線。再經(jīng)過微處理機(jī)的運(yùn)算還可以直接測(cè)出表面形貌參數(shù)的