摩擦磨损测试及考核评价方式.docx

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摩擦磨损测试及考核评价方式

摩擦磨损测试及考核评价方式

一、磨损

1.1磨损定义

磨损是指摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或产生残余变形的现象。

表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用：

（1）机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面的物理变形；

（2）化学作用使摩擦表面发生性状改变；热作用是摩擦表面发生形状改变。

典型的磨损曲线通常由三部分组成，如图1.1所示。

磨损量

时间

图1.1磨损曲线示意图

磨合阶段：

磨损量随时间的增加而增加。

发生在初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度较快。

稳定磨损阶段：

摩擦表面磨合后达到稳定状态磨损率保持不变。

稳定磨损阶段标志磨损条件保持相对稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。

剧烈磨损阶段：

工作条件恶化，磨损量急剧增大。

该阶段内零件精度降低、间隙增大，温度升高，产生冲击、振动和噪声，最终导致零部件完全失效。

1.2磨损种类

按磨损的破坏机理，通常把磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种。

（1）粘着磨损

当摩擦副相对滑动时,由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。

粘着磨损再细分还有轻微磨损、涂抹、擦伤、划伤和咬死五种。

图1.1粘着磨损机理

（2）磨料磨损

外来的硬料介质进入摩擦副，或摩擦副一个表面比另一个表面硬，在较硬表面上存在的微凸体，在摩擦过程中对较软表面犁沟或拉槽，引起表面材料的脱落，这种现象叫做磨料磨损。

磨料磨损是一种最常见的磨损，按照磨损机理还可细分为微观切削、挤压剥落和疲劳破坏三小类。

图1.2二体/三体磨粒磨损机理

（3）化学磨损

化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学作用，造成表面材料损失的过程。

分为氧化磨损与特殊介质腐蚀磨损两类。

图1.3化学磨损机理

（4）疲劳磨损

摩擦接触表面在交变接触压应力作用下，材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。

疲劳磨损有两种基本类型，宏观疲劳磨损和微观疲劳磨损。

宏观疲劳磨损主要是指两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，材料疲劳而发生脱落的现象；微观疲劳磨损是滑动接触表面由于微凸体相互接触使材料发生疲劳而引起的机械磨损现象。

此外，疲劳磨损的破坏机理又分为麻点剥落、浅层剥落、深层剥落。

图1.4疲劳磨损机理

（5）冲蚀磨损

流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击造成的磨损。

图1.5冲蚀磨损机理

（6）微动磨损

由接触表面之间小幅度的相对切向振动造成的磨损，称为微动磨损。

微动磨损是一种复合磨损，包括粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。

按照沃特豪斯理论，微动磨损可分为三个阶段：

a.表面产生凸起塑性变形，形成表面裂纹并扩展；b.通过疲劳破坏和黏着点断裂形成磨屑，随后被氧化，陈给继续作用的磨料；c.魔力磨损阶段，加速第一阶段的磨损，表面不断被氧化、磨去，如此循环。

图1.6微动磨损机理

二、磨损试验

2.1磨损试验种类

磨损试验的目的是研究磨损现象发生的本质，分析磨损形式和磨损机理，并正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响。

目前经常采用的试验方法可归纳为下列三类：

（1）实验室试件试验

根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损试验机上对试件进行实验。

由于实验中影响因素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，可以在短时间内进行比较广泛的实验。

但由于试件实验的条件与实际工况不完全符合，因而实验结果往往不十分可靠。

因此，试件实验主要用于各种类型磨损机理和影响因素的研究性实验，以及摩擦副材料、工艺和润滑性能的评定性实验。

（2）模拟性台架实验

在试件实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件，并在模拟使用条件下进行台架试验。

由于台架试验的条件接近于实际工况，因此实验结果的可靠性较实验室试件实验高。

同时，通过对实验条件的强化和严格控制，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磨损性能影响的研究。

（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。

这种实验的真实性和可靠性最高，但实验周期长、费用高，且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分析。

实际使用实验通常用于验证试件实验和台架试验的数据，以及作为对零部件摩擦磨损性能的最终考核。

2.2常用摩擦磨损试验机

摩擦磨损试验机按摩擦副的接触形式和运动方式可分为：

点、线、面接触；滑动、滚动、滚滑、往复运动。

图2.1磨损试验机的几种典型形式

2.2.1四球式试验机

由四球组成摩擦副（如图2.2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，通过加载系统向下求组加载，主要用于评定润滑剂的性能。

图2.2四球式试验机原理

2.2.2环块式试验机

环块式试验机主动件一般是标准旋转圆环，被动建是被固定的标准尺寸矩形试块。

通过测量不同载荷下被动试件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。

环块式试验机通常用于线接触摩擦副的摩擦磨损试验。

图2.3环块式试验机原理图

2.2.3销盘式试验机

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中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。

销盘式试验机主要用于在滑动条件下评价材料的摩擦系数和磨损率，研究工况参数对材料摩擦性能和磨损机理的影响，是目前使用最广泛的摩擦磨损试验设备。

图2.4销盘式试验机原理图

三、摩擦磨损试验考核评价

摩擦磨损是一个受多方面因素综合影响的过程，因此摩擦磨损试验需要将多种因素综合起来进行评价。

目前，摩擦磨损试验中测量的参数主要有摩擦系数、摩擦力、磨损量和摩擦温度，再结合磨屑及磨损表面形貌和组成，对材料的摩擦磨损性能做出综合评价。

3.1摩擦磨损试验中的参数测量

3.1.1摩擦系数或摩擦力测量

摩擦系数或摩擦力的测量有机械式和电测法两种方法。

机械式测量原理如图3.1所示。

图3.1机械式摩擦力测量原理

载荷W通过圆环1加载到圆环2上，圆环间的摩擦力会使下主轴形成一个力矩，使得与主轴相连的砝码产生偏角，通过测量该偏角，计算得出圆环间摩擦力矩，最终换算出摩擦力和摩擦系数。

电测法则是利用压力传感器将试样与对磨块间的摩擦力转换成电信号并导出到测量和记录仪上。

3.1.2磨损量的测量

磨损量主要通过磨下材料的质量、体积或者磨去的厚度来表示。

（1）磨损失重

磨损失重主要采取称重法，称量试件实验前后的质量变化来确定磨损量。

这种方法较为简单，应用广泛。

常用设备为精密分析天平，测量范围0~200g，精度为0.1mg。

由于测量范围限制，称重法只能适用于小试件，且对于磨损失重较小的试样或多孔材料的测量，误差很大。

除了直接测量试件重量变化外，也可以将润滑油中所含的磨屑过滤或者沉淀分离出来进行称量的方法，同时还能对磨屑的组成进行化学分析。

（2）磨损体积

a.放射性同位素法将摩擦表面经放射性同位素活化，使磨损过程中产生的磨屑具有放射性，通过定期检测润滑油中放射性强度来换算出磨损量随时间的变化。

放射性同位素法可准确测量磨损面整体的磨损量，灵敏度可达10-7~10-8g，但无法对摩擦表面的磨损分布情况进行分析。

b.称重通过称量磨损前后试件质量变化来换算磨损体积。

（3）磨损厚度

a.测长法通过测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。

常用测量仪器有千分尺、千分表、测长仪、测量显微镜等。

为了便于测量，往往在摩擦表面做出测量基准，然后按照测量基准在量度摩擦表面的尺寸变化，目前常用的测量基准有压痕法和切槽法两种。

压痕法：

通过事先在试样表面压出压痕，再根据磨损前后压痕尺寸变化来计算试样的磨损量。

如磨损实验前用维氏硬度计压头在试样表面打出压坑，如图3.2所示，对比磨损前后对角线长度，则实验中磨损的深度为⊿h=（d2-d1）/m，考虑弹性变形影响，m数值应进行适当修正。

图3.2压痕法计算磨损厚度原理图

切槽法与压痕法类似，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关系为：

⊿h=h0-h1=（1/r±1/R）（l02-l12）/8

式中r—刀刃回转半径；

R—试样表面曲率半径，平面时R为∞，凸面用+，凹面用-。

图3.3切槽法计算磨损厚度原理图

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，因此不能用于研究磨损过程中表面层的组织结构变化。

b.表面轮廓法

当磨损厚度不超过表面粗糙峰高度时，可以用表面轮廓仪直接测量磨损前后试件表面轮廓的变化并确定磨损量；当磨损厚度超过表面粗糙度时，必须采用测量基准的方法，如图3.4所示。

图3.4表面轮廓法两种测量基准

图3.4中a是利用未磨损表面作为基准，b是事先在表面开设一楔形槽，根据磨损亲后楔形槽宽B和b的数值计算磨损厚度h。

3.2摩擦温度

摩擦时，接触表面温度高度和分布情况对摩擦磨损性能影响很大，因此在摩擦磨损试验过程中经常对摩擦表面的摩擦温度进行测量，测温方式主要有热电偶和远红外辐射测温两种。

3.3磨屑分析

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，也是工程上对磨损进行预测和监控的重要手段。

3.3.1SEM形貌及成分分析

利用扫描电子显微镜对磨粒形貌、大小进行观察，总结磨粒随磨损条件的变化规律，分析磨粒形成原因；利用SEM上安装的EDS能谱仪对磨粒成分进行分析。

图3.5高锰钢磨粒的SEM图片

3.3.2光谱分析法

光谱分析法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光谱的性质，用来分析润滑油中的金属含量。

每种元素都有各自的特征光谱，并且每种元素所发射的特征光谱强度与其含量有关，因此可通过对润滑油中磨屑进行光谱分析，确定磨屑所含的化学成分及含量。

图3.6光谱分析

光谱分析法具有极高的灵敏度和准确度，且分析速度很快，经常用于铁路机车和船舶柴油机以及航空发动机的磨损检测。

3.3.3铁谱分析法

分析式铁谱仪的结构原理如图3.6a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，由低流量泵送至并流过透明基片。

基片安装在略微倾斜的斜面上，磁力场呈梯度分布，因此润滑油中的微粒在经过基片时，被磁力吸附在基片上并按大小分布。

基片上的磨粒经过去油和固定处理后，便制成了铁谱图。

图3.6b为一典型铁谱片，其中沉积的颗粒表现为沿玻璃片中间的一条暗带。

a

b

图3.6铁谱分析仪结构原理及典型铁谱片

a.铁谱分析仪结构原理b.典型铁谱片

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。

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。

所谓光密度是指透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，通过光密度值可以推算铁谱片上磨屑量。

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。

在磨粒分析方面，铁谱和光谱分析各有所长：

铁谱法能将磨粒按照尺寸大小排列，并反映出颗粒的形状、磨损的性质，但进一步定性定量分析存在困难；光谱法能够区别磨粒中元素的成分以及含量，但对于大于2um的微粒即失去检测能力。

因此，在分析磨粒时最好将光谱和铁谱法结合使用，相互补充。

3.4磨损表面分析

由于摩擦磨损发生在表面层，因此表层组织结构的变化是研究摩擦磨损规律和机理的关键，目前已有多种现代表面测试技术用于研究摩擦表面的各种现象。

3.4.1摩擦磨损表面形貌分析

磨损过程中表面形貌的变化可以采用表面形貌仪和扫描电子显微镜来进行分析。

通过对比磨损前后试样表面形貌的变化，研究和分析磨损形成规律，推断出磨损形貌的形成原因及磨损机理。

图3.7表面形貌仪和SEM拍摄的磨痕照片

表面形貌仪包括探针式轮廓仪、白光干涉仪和激光共聚焦显微镜。

表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大，并且描绘出表面的轮廓曲线。

再经过微处理机的运算还可以直接测出表面形貌参数的变化。

白光干涉仪和激光共聚焦显微镜则是利用光学原理，对磨损表面形貌进行逐层扫描，获得磨损表面的三维形貌，并可对获得的三维形貌进行多种测量。

扫描电镜能够直接观察摩擦表面的形貌及其在摩擦过程中的变化。

电子扫描的图象清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽（20-20000倍），甚至可以直接测量小型零件的摩擦表面。

3.4.2磨损表面结构分析

金属表面在摩擦磨损过程中表层结构的变化通常采用衍射技术来分析,常用的有电子衍射法和X射线衍射法。

电子衍射的穿透力小，散射厚度仅为0.1~1nm，可用来进行薄层的摩擦表面分析，如研究金属的粘着磨损和摩擦副材料迁移现象；X射线穿透能力较强，散射层厚度可达1~100um，常用来分析较厚的摩擦表面的结构，如研究发动机活塞环与缸套表面摩擦磨损后晶体尺寸的变化，单晶铁板在磨料磨损后由α铁向γ铁的转变以及润滑油添加剂在金属表面的润滑机理等。

3.4.3磨损表面化学成分分析

摩擦磨损表面化学元素的组成与分布特点可用能谱分析（EDS）和X射线电子能谱分析（XPS）来进行分析处理。

能谱分析是利用X射线照射试件表面使表面受到激发而产生光电子和俄歇电子，然后测量和分析这些电子的能量，确定表面的化学成分；XPS是通过X射线辐射样品，使样品原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来，通过测量激发出的光电子能量，计算出试样表面的元素组成、含量以及表面化合物的结构等。

3.5其他方法

除以上介绍的方法外，在实际应用中，对于运行状态下机械设备的磨损状态监测还有其他一些方法：

（1）采用离化分析仪器对润滑油的酸度、添加剂浓度、不溶物质含量和组成进行测试，分析设备磨损状态的变化；

（2）使用传感器对机械设备运行时的振动和噪声进行测量，并将测量结果进行傅里叶转换和频谱分析等处理，能够预测设备严重磨损的出现，避免设备损坏；（3）对润滑油油膜厚度和油温进行监测，当油膜厚度低于既定值或油温超过既定温度时，表明磨损可能已经进入剧烈磨损阶段，零件即将失效。