摩擦磨損試驗和測試分析技術

2024/6/21/86主要內容7.1摩擦磨損試驗的分類7.2磨損試驗的模擬問題和試驗參數(shù)的選擇7.3摩擦、磨損、潤滑試驗機7.4摩擦磨損試驗中的測試7.5摩擦表面的近代微觀分析法7.6磨損微粒的分析技術2024/6/22/86概述1、摩擦磨損實驗研究的必要性：要研究摩擦學的理論，確定各種因素對摩擦、磨損性能的影響，研究新的耐磨、減摩及摩阻材料和評定各種耐磨表面處理的摩擦、磨損性能，必須掌握摩擦磨損試驗技術。2、摩擦磨損試驗技術包括兩個方面內容，即：摩擦磨損試驗裝置；摩擦磨損試驗方法。2024/6/23/867.1摩擦磨損試驗的分類根據(jù)試驗條件和任務可將摩擦磨損試驗分類如下：2024/6/24/867.1.1使用試驗使用試驗是在實際運轉現(xiàn)場條件下進行的。目的：對實際使用中的機器進行監(jiān)測，了解其運行可靠性和確定必需的檢修；對新開發(fā)的機器設備或某一部分零件的耐磨性進行實機試驗，以便進行優(yōu)化。優(yōu)點：在實際運轉條件下所進行的摩擦磨損試驗所得的數(shù)據(jù)資料比較真實，因而比較可靠，它往往是最終評定的依據(jù)。2024/6/25/86使用試驗的缺點和困難①摩擦磨損往往是多因素綜合影響的結果，使用試驗中無法有意改變某一參數(shù)而保持其他參數(shù)不變，以確定某個因素對摩擦磨損的影響；②一些對摩擦磨損來說很重要的參數(shù)難以或無法測量，可測量的參數(shù)所得結果精度往往也不高；③使用試驗中常遇到一些偶然因素，因而所得的結果通常只說明一個具體特例，難以推測其他相似的場合；④試驗周期長，消耗較大的人力和物力。因此，若要對一種新材料的磨損性能進行研究，使用試驗法是不合適的，通常要首先進行一系列實驗室試驗。2024/6/26/867.1.2實驗室試驗試樣試驗是一定工況條件下，用尺寸較小、結構形狀簡單的試樣在通用的試驗機上進行的試驗。主要優(yōu)點：①便于研究摩擦磨損的過程和規(guī)律；②適宜研究材料的摩擦磨損性能，包括潤滑材料的潤滑性能；③可減少和控制偶然因素，適用于研究各因素對摩擦磨損的影響;④試驗周期短，費用較低。

2024/6/27/86試樣試驗分為一般性和模擬性兩種。一般性的試樣試驗不強調模擬某一零件實際工作情況，試件形狀簡單，主要用于研究摩擦磨損的機理、一般規(guī)律以及材料的相對耐磨性。這種試驗由于試驗條件理想化，其結果難以直接應用到某一具體場合。模擬性零件試驗主要是模擬某種零件的實際工作情況，因而針對性比較強。在零件批量投產(chǎn)之前應做這種試驗，以便對其性能進行優(yōu)化。但由于影響摩擦磨損的因素的多樣性和摩擦磨損過程的復雜性要做到確切的模擬比較困難，要作多方面的考慮。2024/6/28/86屬于實驗室試驗的還有一種為臺架試驗。臺架試驗是用真實的零部件，甚至整臺機器進行的試驗。這種試驗的工作條件比較接近實際工況，而比實機磨損試驗的優(yōu)越之處在于能夠預先給定可控制的工況條件，并能夠測得各種摩擦磨損參數(shù)。常見的臺架試驗臺有軸承試驗臺、齒輪試驗臺、凸輪挺桿試驗臺等。為了研究滑動軸承的摩擦磨損性能，己發(fā)展了一系列不同形式的軸承試驗機，用它可以試驗軸承的跑合性能、混合摩擦狀況下的磨損性能、軸承缺油時的應急性能以及在液體動力潤滑時的表面疲勞磨損性能等。

2024/6/29/86在摩擦磨損研究工作中，通常先在實驗室里進行試樣試驗，然后再進行臺架試驗和使用試驗，構成一個所謂“試驗鏈”。這樣容易在復雜的問題中，抓住主要矛盾進行分析比較，在較短時間內和消耗盡量低的情況下取得結果。當然根據(jù)具體情況，對于一些試驗環(huán)節(jié)應該有所取舍，使試驗過程有所簡化。

2024/6/210/867.2磨損試驗的模擬問題和試驗參數(shù)的選擇1、摩擦磨損試驗模擬摩擦磨損性能是摩擦學系統(tǒng)在給定條件下的綜合性能,因此,實驗結果的普適性較低。所以在實驗室實驗時,應當盡可能地模擬實際工況條件。2、實驗參數(shù)的選擇模擬的磨損試驗系統(tǒng)中最多有四種參數(shù)可以與實際摩擦系統(tǒng)不相同：①載荷；②速度；③時間；④試樣尺寸和形狀。而其他方面，如摩擦運動方式和摩擦狀況、引起磨損的機理、組成摩擦系統(tǒng)的各要素及其材料性質、摩擦時的溫度及摩擦溫升、摩擦系數(shù)等模擬的和實際的系統(tǒng)兩者必須相同或相似。2024/6/211/867.3摩擦、磨損、潤滑試驗機摩擦磨損試驗機的種類繁多，僅在ASLLE(美國潤滑工程協(xié)會)匯編的摩擦磨損試驗機目錄中就列有百余種。按不同角度分類如下:(1)按摩擦副的接觸形式和運動方式分：

點接觸、滑動；線接觸、滑動和滾動；線接觸、滑動；面接觸、滑動；面接觸、往復運動。

7.3.1試驗機的種類2024/6/212/86圖7-1摩擦副的接觸形式和運動形式

2024/6/213/862024/6/214/86(2)按摩擦副的功用分：齒輪磨損試驗機；滑動或滾動軸承摩擦磨損試驗機；制動器摩擦磨損試驗機；凸輪挺桿磨損試驗機等。

2024/6/215/86(3)按摩擦條件分：普通磨損試驗機；快速磨損試驗機；高溫或低溫摩擦磨損試驗機；高速或低速摩擦磨損試驗機；真空摩擦磨損試驗機；腐蝕磨損試驗機等。2024/6/216/867.3.2常用的摩擦磨損試驗機1.MM-200型磨損試驗機試驗機主要由傳動機構、加載機構和摩擦力矩測量機構組成。該試驗機可做金屬或非金屬材料(尼龍、塑料等)在滑動摩擦、滾動摩擦、滾動-滑動復合摩擦和間歇接觸摩擦等各種狀態(tài)下的摩擦磨損性能試驗，并可改變潤滑狀況，使在液體摩擦、邊界摩擦、干摩擦及磨料磨損條件下進行試驗，評定材料的耐磨性能，也可用于測定摩擦功及材料的摩擦系數(shù)。

2024/6/217/862024/6/218/86圖7-2MM-200試驗機原理圖

2024/6/219/86圖7-3MM-200機可采用的摩擦副型2024/6/220/86

2．四球試驗機工作原理：由四球(1個上球，3個下球)組成摩擦副，上球卡在夾頭內，下球組固定不動，上球與下球組相接觸。工作時，上球由主軸帶動旋轉，通過加載系統(tǒng)向下球組加載。根據(jù)磨損痕跡的尺寸或者發(fā)生膠合時的載荷大小評定潤滑油的質量。主要用途：四球試驗機主要用于評定潤滑油質量。由于試件和工作方式都比較簡單，所以廣泛得到應用，已被一些國家規(guī)定為標準試驗機。2024/6/221/86圖7-4四球試驗機的主要組件

2024/6/222/86主軸有六個轉速(600r/min、700r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min、3000r/min)?？傒d荷為60～1260N。最高溫度可達250℃。摩擦力矩的變化可自動記錄下來，運轉一定時間以后，要對三個固定球的磨痕大小進行測量，或者測量發(fā)生膠合時的載荷大小。2024/6/223/863.環(huán)塊式摩擦磨損試驗機它的摩擦副是由轉動的軸套和與之緊壓在一起的環(huán)塊試樣所組成。加載機構與一個帶刀口的橫桿連接，可以用它對摩擦系數(shù)進行測量。試驗時要確定運轉10min而不出現(xiàn)膠合的最大載荷值。用讀數(shù)顯微鏡測量磨痕寬度，計算磨損的體積。摩擦系數(shù)可用帶刀口的橫桿上的平衡重算出。運行時的潤滑油溫要保持某一規(guī)定值，同樣地，在做油品試驗時，要對試件的材料硬度和表面處理按規(guī)定制作。

2024/6/224/86圖7-6環(huán)塊式摩擦磨損試驗機示意圖

2024/6/225/864．往復式磨損試驗機該試驗機可對作往復運動的零件材料，如氣缸套和活塞環(huán)進行試驗研究。齒輪箱是將旋轉運動變換為連桿往復運動的全平衡機構，試件裝在滑塊上，由連桿帶動作往復運動，上試件固定在支架上，并由液壓油缸加載。2024/6/226/86圖7-7往復式磨損試驗機示意圖2024/6/227/86試驗機最大加載壓力為12MPa；往復速度200～l500r/min；行程為110mm。試件尺寸：上固定試樣3mm×4mm×16mm至8mm×4mm×30mm，下試件：尺寸7mrn×40mm×125mm?？勺龈赡Σ猎囼灮虻斡蜐櫥囼?。溫度可從室溫至250℃范圍內調節(jié)。該試驗機可對溫度、載荷、往復速度摩擦系數(shù)等參數(shù)進行自動測量，并可記錄打印和數(shù)字顯示。2024/6/228/86

5．銷盤式摩擦磨損試驗機試驗時，銷固定不動，盤做旋轉運動。通過力傳感器采集試驗過程總摩擦力和載荷的變化，通過位移傳感器對試樣的總磨損進行測量。這種試驗機主要用于在滑動條件下，評價材料的摩擦系數(shù)和磨損率，研究工況參數(shù)對摩擦性能和磨損機理的影響，是目前用途最廣泛的摩擦磨損試驗設備?？梢栽跐櫥蚋赡Σ翖l件下做磨料磨損或粘著磨損試驗。這種試驗機的形式較多，有單銷式和三銷式等。2024/6/229/86圖7-8銷盤式磨損試驗機示意圖2024/6/230/862024/6/231/86MMU-5G外觀圖2024/6/232/866.MMU-5G材料端面高溫摩擦磨損試驗機主要用于在高溫狀態(tài)下以滑動摩擦的形式對端面、銷盤等試樣進行磨損性能的評定?？捎脕碓u定各種金屬、涂層、工程塑料、陶瓷以及粉末冶金等新型材料的磨損性能，測定其材料的抗磨性及材料匹配特性?？稍诟淖冐摵?、速度、時間、摩擦配偶材料、表面粗糙度、硬度、試驗環(huán)境溫度等各種參數(shù)情況下進行試驗。可采用端面與銷盤兩種磨損形式。2024/6/233/86試驗力范圍 50~5000N最大摩擦力矩 25N.m主軸調速范圍 5~3200r/min溫度控制范圍 室溫~800℃2024/6/234/862024/6/235/862024/6/236/86上試樣下試樣2024/6/237/86銷銷試樣座2024/6/238/867.4摩擦磨損試驗中的測試摩擦時，接觸表面溫度高低和分布情況對摩擦磨損性能影響很大，因此測量摩擦表面溫度很重要。測量摩擦副表面溫度的主要方法有熱電偶和遠紅外輻射測溫法。但就目前的技術水平而言，對摩擦表面的溫度進行精確的測量仍很困難。

7.4.1摩擦溫度的測量2024/6/239/86圖7-9溫度測量法

2024/6/240/86遠紅外輻射測溫是利用物體輻射強度隨溫度變化的物理現(xiàn)象來測量溫度的。它是一種非接觸式測溫。因為它與摩擦表面不接觸，而且反應速度快，靈敏度高，有利于測量運動件表面溫度及摩擦溫度分布。2024/6/241/867.4.2摩擦系數(shù)的測量摩擦系數(shù)大小是表示摩擦材料特性的主要參數(shù)之一。摩擦系數(shù)分為靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)。一般情況下測定動摩擦數(shù)比較困難。2024/6/242/86動摩擦系數(shù)的測定法1）重力平衡法。載荷W通過上試件1加到下試件2上。下試件旋轉，上試件固定。摩擦副之間沒有摩擦時，平衡砝碼桿處于鉛垂位置。有摩擦時，平衡砝碼桿通過齒輪測力機構產(chǎn)生一定的偏擺，擺角的大小從刻尺6上讀出摩擦力矩。由此摩擦力矩P可以換算出試件上的摩擦力。μ=P/(Wr)2024/6/243/86圖7-12重力平衡法測摩擦力

1，2一試件;3一外齒輪;4一行星齒輪;5一平衡砝碼桿;6一標尺;7一指針;8一砝碼

2024/6/244/862)彈簧力平衡法。當下試件4轉動時，由于摩擦上試件將會有沿著F方向運動的趨勢，從而使彈簧3變形。通過測量彈簧的變形，可計算出摩擦力的大小。圖7–13彈簧力平衡法測摩擦力1-上試樣;2-標尺;3-彈簧;4-下試件

2024/6/245/863)電測法。把壓力傳感器附加到測力元件上，將摩擦力(或力矩)轉換成電量(電信號)輸入到測量和記錄儀上，自動記錄下摩擦過程中摩擦力的變化。這種方法目前已普遍得到應用。通過上述方法得到摩擦力，再由摩擦力與法向載荷間接求得摩擦系數(shù)。

2024/6/246/867.4.3磨損量的測量1.稱重法稱重法就是根據(jù)試樣在試驗前后的重量變化，用精密分析天平稱量來確定磨損量。按照稱重精度選用天平精度，一般天平精度為萬分之一克。這種方法簡單，采用最普遍。由于測量范圍的限制，稱量法僅適用于小試件。為保證稱重的精度，試件在稱重前應當清洗干凈并烘干，避免表面有玷污物或濕氣而影響重量的變化。對于多孔性材料，在磨損過程中容易進入油污而不易清洗，稱重法往往誤差很大。此外，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，則也不宜用稱重法，否則測量誤差較大。2024/6/247/862.測長法測長法是測量摩擦表面法向尺寸在試驗前后的變化來確定磨損量。常用測量長度儀器，如千分尺、千分表、測長儀、萬能工具顯微鏡、讀數(shù)顯微鏡等。較精密的電感式測微儀的測量精度可達0.1μm數(shù)量級。為了便于測量，往往在摩擦表面上人為地做出測量基準，然后以此測量基準來量度摩擦表面的尺寸變化。

2024/6/248/86測量基準是根據(jù)試件形狀和尺寸，在不影響試驗結果的條件下設置的。其形式有:1)臺階式。在摩擦表面邊緣上專門加工出一個臺階表面作為測量基準。2)切槽式。在摩擦表面上專門加工出一條凹槽作為測量基準。3)壓印式。利用硬度壓頭，在試樣表面上壓下凹痕，測量壓痕尺寸在試驗前后變化來計算磨損量。2024/6/249/863.輪廓儀法這種方法是用輪廓儀在幾個部位上垂直于磨損軌跡繪制出磨痕的輪廓圖來。在輪廓線上找出基準線，然后用面積儀(或者近似地用方格法)求得基準線和磨痕輪廓之間的面積大小。在一個磨痕上取若干個測量部位，然后將所測得的面積求平均值。這平均值除以相應的放大倍數(shù)，乘上磨痕的長度，即得磨損體積，并以此推算出磨損量。這種方法精度比較高，并且可利用磨痕輪廓線分析磨損的部分特性，但這種方法需要有一定功能的輪廓儀。對于均勻磨損的表面，由于不易找出基準線，也無法采用此法。2024/6/250/86圖7-15輪廓儀測磨損量

2024/6/251/864.非接觸式測量法非接觸式傳感器裝在靠近基準板的地方。此基準板為金屬材料，通常用鐵板制成，它與上試件連成一體。當磨損使上試件下沉時，則傳感器與基準板之間間隙增加，傳感器得到此位移信號，經(jīng)儀表檢測放大就可以反映出磨損變化情況。2024/6/252/86圖7-16非接觸式測量磨損量

2024/6/253/865.放射性同位素法先將試件進行放射性同位素活化處理，使其具有放射性，然后進行磨損試驗，根據(jù)磨屑的放射計量或活化件放射性強度下降量或活化件金屬轉移量，換算出相應的磨損量。這種方法測量精度很高，可達10-5-10-6g，而且可以在不停止機器運轉和不拆卸機器的情況下，確定零件的磨損或單獨測定個別零件的磨損，以及自動記錄零件磨損量變化，隨時得到磨損的測量結果。放射性同位素法存在人體安全問題，因此應當做好放射性防護措施。這一點是推廣應用此法的一個障礙。2024/6/254/866.采集和分析磨屑通過采集和分析磨屑可以對磨損進行測量。適用于要測量具有循環(huán)潤滑系統(tǒng)的機器中的某些零件的磨損。在某些情況下，僅僅通過采集磨屑就可以測定磨損。例如所謂磨屑檢測器，就適用于作這種測量。當金屬磨屑進入檢測器的兩電極之間時就接通了電流，這表明磨損量已達到一個臨界值。又如，鐵磁性磨屑被吸到磁體的縫隙中，改變了磁通，從而也改變了次級電壓，其變化量作為衡量相應磨屑質量多少的一個參數(shù)。2024/6/255/86圖7-17鐵磁磨屑探測器

2024/6/256/867.5摩擦表面的近代微觀分析法為深入了解摩擦磨損的過程，研究其機理，就不能僅滿足于對磨損量的測定；應當進一步對磨損粒子的形態(tài)、組成和結構，以及摩擦表面上的損傷本質進行分析，這就必須依賴于現(xiàn)代的表面分析技術。現(xiàn)代的表面分析技術很多。2024/6/257/86根據(jù)不同的研究對象，應選用不同的分析方法。研究固體表面原子排列的微觀結構等幾何結構時，主要采用衍射技術和掃描電子顯微鏡分析；研究表面原子的組分、分布、電子結構等原子狀態(tài)等，主要采用能譜技術。2024/6/258/861、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行分析。表面輪廓儀是通過測量觸針在表面上勻速移動，將觸針隨表面輪廓的垂直運動檢測、放大，并描繪出表面的輪廓曲線。再經(jīng)過微處理機的運算，還可以直接測出表面形貌參數(shù)的變化。目前常用的表面微觀形貌分析設備為掃描電子顯微鏡。電子掃描的圖像清晰度好，并有立體感，放大倍數(shù)變化范圍寬，檢測范圍亦較大。2024/6/259/862、摩擦磨損表面結構的分析金屬表面在摩擦磨損過程中表層結構的變化通常用衍射技術來分析，常用的有電子衍射法、X射線衍射法

。電子衍射的穿透能力小，散射厚度僅為10-7～10-8cm。電子衍射儀可用來進行薄層的摩擦表面分析，例如研究金屬的粘著磨損和摩擦副材料遷移現(xiàn)象。X射線穿透能力大,散射層厚度可達到10-4～10-2cm。X射線衍射儀常用來對較厚的摩擦表面的結構分析。2024/6/260/863、摩擦磨損表面化學成分的分析X射線光電子能譜（XPS）分析；俄歇電子能譜分析（AugerElectronicSpectrom，AES）。2024/6/261/86X射線光電子能譜（XPS）分析定義及原理：X射線光電子能譜分析(X-rayphotoelectronspectroscopy,XPS)是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內層電子或價電子受激發(fā)射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子，可以測量光電子的能量，以光電子的動能為橫坐標，相對強度(脈沖/s)為縱坐標可做出光電子能譜圖，從而獲得待測物組成。2024/6/262/86主要應用元素的定性分析?？梢愿鶕?jù)能譜圖中出現(xiàn)的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素。元素的定量分析。根據(jù)能譜圖中光電子譜線強度(光電子峰的面積)反映原子的含量或相對濃度。固體表面分析。包括表面的化學組成或元素組成，原子價態(tài)，表面能態(tài)分布，測定表面電子的電子云分布和能級結構等?；衔锏慕Y構?？梢詫葘与娮咏Y合能的化學位移精確測量，提供化學鍵和電荷分布方面的信息。分子生物學中的應用。2024/6/263/862024/6/264/86俄歇電子能譜分析

（AugerElectronicSpectrom，AES）近年來，在測定表面的化學成份方面，俄歇電子能譜法（AES）作為一種最廣泛使用的分析方法而顯露頭角。這種方法的優(yōu)點是：在靠近表面5-20埃范圍內化學分析的靈敏度高；數(shù)據(jù)分析速度快；能探測周期表上He以后的所有元素。它可以用于許多領域，如半導體技術、冶金、催化、礦物加工和晶體生長等方面。2024/6/265/862024/6/266/86應用AES最主要的應用是進行表面元素的定性分析。AES譜的范圍可以收集到20-1700eV。與XPS相似，AES也能給出半定量的分析結果。這種半定量結果是深度為1-3nm表面的原子數(shù)百分比。AES法也可以利用化學位移分析元素的價態(tài)。由于俄歇電子能譜儀的初級電子束直徑很細，并且可以在樣品上掃描。因此，它可以進行定點分析，線掃描，面掃描和深度分析。由于它的采樣深度比XPS淺，因此，可以有比XPS更好的更深度分辨率。進行深度分析也是俄歇電子能譜儀的最有用功能。2024/6/267/867.6.1光譜分析法光譜分析法是應用光譜學原理來確定物質的結構和化學成分。光譜分析法是利用物質原子在一定條件下能發(fā)射出具有特征光譜的這一特性進行的。因為每種元素都有各自的特征光譜線，這樣測得其物質所發(fā)射的光譜便能定性地確定其中所含的化學成分。因為每種元素所發(fā)射特征光譜線的強度都與它在物質中的含量有關，所以可通過對光譜強度的比較，確定物質中各元素含量的多少。光譜分析法具有極高的靈敏度和準確度，且分析速度快，能對運轉時機器零件的磨損狀態(tài)進行檢測，預報機械設備的磨損狀態(tài)。7.6磨損微粒的分析技術2024/6/268/86作光譜分析時，要按以下步驟進行：①抽取油樣；②化學預處理；③上機作抽樣分析；④對數(shù)據(jù)或譜帶作診斷處理—數(shù)據(jù)釋義；⑤對分析(診斷)的有效性的證實。

2024/6/269/86光譜分析有：原子發(fā)射光譜(AES)；原子吸收光譜(AAS)；原子熒光光譜等。2024/6/270/867.6.2鐵譜分析法鐵譜分析是一種從潤滑油試樣中分離和分析磨損微粒和碎片的新技術。1.分離磨粒制成鐵譜片鐵譜儀由三部分組成，即：抽取并輸送潤滑劑試樣的低流量泵、使磨粒磁化沉積的強磁鐵、用來沉積微粒的處理過的透明基片?；卵b有高梯度磁場的磁鐵，磁鐵表面上的磁場強度達1.8T?；惭b成與水平面有小傾斜角度，使出口端的磁場比入口端強。潤滑油樣沿傾斜的底片向下流時，其中磨粒受到一個連續(xù)不斷增大的磁場力的作用而被磁化。