马氏体不锈钢不同剩余磁场条件下短时干摩擦的摩擦损伤行为研究

马氏体不锈钢不同剩余磁场条件下短时
干摩擦的摩擦损伤行为研究
刘高远 1 ,王 斌 2 ,李运菊 1
( 1. 北京航空材料研究院 ,中国航空工业失效分析中心 ,北京 100095;
2. 中国空空导弹研究院 ,洛阳 471009)
[摘 要 ] 本文研究了马氏体不锈钢磨削加工产生的剩余磁场对其短时干摩擦过程中摩擦系数的影响 。

结果表明 :剩余磁 场对摩擦行为的影响与外加载荷有关 ,当外加载荷较低时 , 摩擦系数随剩余磁场强度的升高无明显变化 ; 随外加载荷的升 高 ,剩余磁场强度对摩擦系数的影响作用增大 ;当外加载荷较高时 ,摩擦系数随剩余磁场强度的升高而增大 ; 在短时摩擦过 程中 ,随着剩余磁场强度的升高 ,摩擦界面吸附磨损颗粒的能力增强 ,加速了摩擦界面的磨粒磨损 ,使摩擦系数升高 。

[关键词 ] 剩余磁场 ;短时干摩擦 ; 摩擦系数 ; 马氏体不锈钢 ;磨粒磨损
[文章编号 ] 1673 2 6214 ( 2007 ) 02 2 0020 2 04
[中图分类号 ] TG 142. 24 [文献标识码 ] A Shor t - t i m e D ry Fr ic t i on D am a g e Beha v ior of M a r t en s i te S t a in le s s S t ee l D ifferen t Rem n an t M a g n e t i c F ie l d
L I U Gao - yuan 1 , W AN G B i n 2 , L I Yun - j u 1
in
( 1. Fa i lu re A n a l ysis C e n t er of A vi a tion Industries of C h i na, B eijing Institu t e of A e r onau tica l M a teria l s, B e ijing 100095, Ch ina ;
2. Ch ina A ir bo rne M issile A c ade m y, L uoyang 471009, Ch ina )
A b stra c t: I n th is p ap e r , influence of rem n an t fie ld in ten sity re su lted fr om grind ing p r oce ss on fric tion coeffic ien t of m a r ten s ite sta in le ss stee l in the cond ition of sho rt - ti m e d ry fric tion wa s inve stig a ted . The re su lts show tha t the effec t of rem nan t m a g ne t i c fie ld in ten sity on the fric t ion wa s co rre la ted w ith the l o ad . W hen the load wa s l o we r, the re wa s no eviden t chang e on the fri c t i o n coeffic ien t . Howeve r when the load wa s h ig he r, the effec t of rem n an t m ag ne tic fie ld in ten sity becam e eviden t w ith the inc r ea s i n g load . The cau s e fo r such an effec t wa s tha t wea r p a r tic l e s we r e ea s ily ab s o r bed in the fric t ion in t e r face w i th the inc r ea s ing m a g ne t 2 ic fie ld in t en s ity, wh i ch acce l e r a t ed the p roce s s of ab r a s ive wea r , and in duced the fric t ion coeffic i en t inc r ea s ed .
Key word s : rem n an t m a g ne t ic fie l d; sho r t - ti m e d r y fric t i o n; fric t ion coeffic i en t ; m a r ten s ite sta i n l e s s stee l ; ab r a s ive wea r 很大 。

目前 ,国内外关于短时摩擦状态下摩擦系 数的变化规律和影响因素的研究还未见报道 ,而 短时摩擦导致的失效案例却屡有发生 。

因此 ,应 对短时摩擦条件下材料间的摩擦行为进行研究 。

马氏体不锈钢由于其良好的耐磨性和耐蚀性 被广泛应用于导弹的发射装置中 。

文献 [ 3 - 5 ] 的研究结果表明 ,零件表面的粗糙度对摩擦系数 影响很大 ,因此 ,马氏体不锈钢在制成零件过程中 为了降低摩擦系数需经过磨削加工 。

马氏体不锈 钢属铁磁性材料 ,磨削加工在降低表面粗糙度的 1 引言
滑块和导轨式发射装置是各类导弹常用的一
种弹架发射接口 ,接口材料间的摩擦系数直接影
响到发射的安全性和稳定性 。

该类装置工作过程
中的摩擦时间很短 ,一般在 2 s 以内 ,具有短时摩
擦的特点 。

已有 的 研究 结果 [ 1 , 2 ] 表明 , 摩 擦时 间
对于摩擦学行为及其表征参数 ———摩擦系数影响
[收稿日期 ] 2007 年 1 月 10 日 [修订日期 ] 2007 年 2 月 22 日
[作者简介 ] 刘高远 ( 1978 年 - ) ,男 ,工程师 ,主要从事材料与结构的失效分析与预防 。

21 第 2期 刘高远 、王 斌 、李运菊 :马氏体不锈钢不同剩余磁场条件下短时干摩擦的摩擦损伤行为研究 同时使零件产生剩余磁性 ,一般在磨削加工后形
成的剩余磁场强度在 5000A /m 以下 [ 6 ] 。

目前 ,国
内外关于剩余磁性对材料摩擦行为影响的研究报 道很 少 。

因 此 , 本 文 重 点 研 究 了 磁 场 强 度 在 600A /m ～5600A /m 范围内变化时 ,磁性对马氏体 不锈钢短时干摩擦条件下摩擦学行为的影响 。

线 ,总体 上 , 材 料 的 剩 余 磁 场 强 度 在 600A /m ～ 5600A /m 内变化时 ,在 10N 、30N 和 60N 三种不同 载荷条件下 ,摩擦系数随剩余磁场强度的升高而
增大 ,且变化幅度与外加载荷的大小有关 。

随着
外加载荷的升高 ,剩余磁场强度对摩擦系数的影
响作用增大 , 当载荷为 10N 时 , 摩擦系数基本稳
定在 0. 10 ,而当载荷升高到 60N 后 ,摩擦系数在
0. 12～0. 15 内变化 。

2 试验方法
试验材料为 0C r 15N i5Cu2 Ti ( PH 15 - 5 ) 马氏
体不锈钢 ,表面粗糙度 R a 为 1. 0
μm ～1. 5μm ,硬 度为 HRC42。

在 UM T 多功能显微力学测试系统试验机上
进 行 球 - 盘 滑 动 摩 擦 试 验 , 下 试 样 为
0C r15N i 5Cu2 Ti 钢盘试样 (图 1 ) ; 上试样为 GC r 15
钢球 。

试验选取了 10N 、30N 和 60N 三种载荷条
件 ,摩擦速率为 0. 5m / s,摩擦时间 2 s 。

材料表面粗糙度 R a 采用纳米显微压痕仪测
定 ;通过 G W 210 磁粉探伤机对摩擦磨损试样进行
充磁 与 退 磁 的 方 法 控 制 磁 场 强 度 的 变 化 ; 采 用
M P - 3X 磁场测试仪对磁场强度进行测定 ; 摩擦
磨损痕迹采用 J S M - 5600LV 扫描电子显微镜进
行分析 。

图 2 剩余磁场强度对摩擦系数的影响 F ig . 2 I nf luence of r e m nan t m agnetic f ie ld on the f ric t ion c oef fic ien t . GC r 15 p in / PH15 - 5 sta in le ss stee l d i sk, v = 0. 5m / s, t = 2 s 3. 2 摩擦痕迹的微观形貌 剩余磁场 强 度 H = 5600A /m 时 三 种 不 同 载
荷条件下的摩擦磨损痕迹微观特征如图 3 所示 ,
随着外加载荷的增大 ,摩擦磨损痕迹越来越明显 。

载荷为 10N 时 , 原始加工痕迹特征较明显 , 仅在
局部 区 域 出 现 轻 微 摩 擦 痕 迹 ; 载 荷 增 大 到 30N
时 ,摩擦痕迹明显加重 ,摩擦变形区域面积有所增
加 ,但摩擦仍发生在局部区域 ,摩擦痕迹之间的区
域仍可见加工痕迹 ; 当载荷增大到 60N 时 , 摩擦
痕迹几乎覆盖了试样的整个摩擦表面 ,摩擦变形
更加严重 ,可见舌状塑性变形和微裂纹特征 ,表明
试样表面磨损剧烈 。

三种条件下的摩擦磨损痕迹随着外加载荷的
增大而加剧 ,载荷为 60N 时 ,由于接触应力很高 ,
摩擦表面材料出现了严重的塑形变形和大块颗粒
物在表面镶嵌 、堆积的特征 ,表明已有脱落的磨损
颗粒进入摩擦界面 ,摩擦副已进入磨粒磨损阶段 。

载荷 P = 60N 时三种不同剩余磁场强度条件
下的摩擦磨损痕迹微观特征如图 4 所示 ,随着剩
余磁场强度的增大 ,材料表面的磨粒磨损痕迹越
来越明显 ,表面粗糙度越来越高 。

剩余磁场强度 图 1 球 - 盘摩擦试验下试样
F ig . 1 Sche matic of the do wn sa mp le of p i n 2on 2disk wear test syste m 3 结果与分析讨论
3. 1 摩擦系数试验结果
图 2为摩擦系数与剩余磁场强度间的关系曲
22 失效分析与预防 第 2卷 为 H = 900A /m 时 , 表面可见舌状塑性变形和犁
沟特征 ,但沟槽较窄 ,深度较浅 ,而且分布较均匀 ,
无大块磨损颗粒脱落和堆积特征 ; 剩余磁场强度 H = 4000A /m 和 H = 5600A /m 时 ,试样表面的磨
粒磨损特征十分明显 ,出现大块磨损颗粒在表面 镶嵌 、堆积形貌 。

磁场强度最高的试样摩擦后的 表面质量最差 ,磨损最严重 (图 4 c ) 。

图 3 三种载荷条件下试样表面的摩擦磨损痕迹
F ig . 3 Pho to m ic r ogr a p h s of the d isk su rf ace afte r slid i ng f o r 2 s w ith th r ee load s . H = 5600A /m , v = 0. 5m / s, t = 2 s
图 4 三种剩余磁场强度条件下试样表面的摩擦磨损痕迹
F ig . 4 Pho t o m ic r ogr a p h s of the d isk su rf ace afte r slid ing f o r 2 s w i th th r ee r e m n an t m agnetic f ie ld in ten sity . P = 60N , v = 0. 5m / s, t = 2 s
3. 3 分析讨论
剩余磁场强度在 5600A /m 以下时 ,属相对较
弱的磁场环境 ,该强度级别的磁场对材料硬度等
力学性能的影响不大 [ 7 - 9 ] ,因此 ,剩余磁场对摩擦
系数的影响应主要与摩擦过程有关 。

摩擦力与名义接触面积无关 ,而与真实接触
面积有关 ,当真实接触面积接近名义接触面积 ,即
法向压力很高时 ,摩擦力与法向压力成非线性关
系 ,摩擦力增加很快 ,即摩擦系数升高很快 。

从试
验结果来看 ,在同一磁场强度下 ,随外加载荷的增
大 ,摩擦系数随之升高 ,这是由于当外加载荷增大
时 ,摩擦副材料的表面接触应力升高 ,表面微凸体
发生塑性变形的体积增大 ,在摩擦运动过程中 ,微
凸体发生剪切断裂后脱落的颗粒物体积增大 ,宏
观表现为摩擦后表面出现磨削 。

外加载荷越高 ,
摩擦界面脱落的颗粒越多 ,体积越大 ,导致初始阶
段的摩擦进入磨粒磨损阶段 ,摩擦系数也随之升 高很快 ,这一点与长期摩擦磨损时外加载荷增大 磨合时间缩短的机理是相同的 。

在载荷 P = 60N 条件下 ,摩擦后试样出现大 块磨损颗粒在表面镶嵌 、堆积形貌 ,表明该条件下 摩擦界面发 生的 摩 擦磨 损机 制为 磨 粒磨 损 。

此 时 ,由于剩余磁场的存在 ,摩擦副在初始阶段产生 的大块磨损颗粒易于吸附在摩擦界面内 ,使摩擦 副快速进入磨粒磨损阶段 ,而且磁场强度越高吸 附的颗粒物会越多 ,导致摩擦环境越恶劣 ,磨粒磨 损越严重 [ 9 ] 。

因此 ,摩擦系数随磁场强度的升高 而增大 。

在载荷 P = 10N 条件下 , 剩余磁场强度 对摩擦系数的影响很小 ,这是由于表面接触应力 很低及摩擦时间很短 ,摩擦副材料表面的微凸体 处于弹性变形或轻微塑性变形阶段 ,摩擦运动过 程中发生断裂脱落的颗粒物数量很少 ,体积也很
小 ,对摩擦行为的影响作用不大 。

综上所述 ,在短时摩擦过程中 ,剩余磁场通过
23 第 2期 刘高远 、王 斌 、李运菊 :马氏体不锈钢不同剩余磁场条件下短时干摩擦的摩擦损伤行为研究
161 - 166. [ 2 ] Z . N . Fa r ha t, Y . D ing, D . O . No rthwood, A. T. A lp a s . Eff ec t of gr a i n siz e on f ric tion and wea r of nanoc r ystalline a l um inum [ J ].
M a teria ls S cien c e a n d E n g in eerin g , 1996 , A206: 302 - 313. [ 3 ]王章忠. 钢铁材料表面锰磷化膜的耐磨性研究 [ J ]. 新技术与 新工艺 , 2002 , 7: 42 - 44. [ 4 ]郭治天 ,熊党生 ,葛世荣. 不锈钢表面粗糙度对超高分子量聚 乙烯摩擦磨损性能的影响 [ J ]. 理化检验 - 物理分册 , 2001 , 37
( 9 ) : 369 - 372.
[ 5 ] X ie You - B a i . O n the syste m s enginee ring of tribo - syste m s ( r e 2
vised ) [ J ]. C h in e se J ou rn a l of M ech a n ica l E n g in eerin g
( E n g lish E d ition ) , 1996 , 2: 89 - 99. [ 6 ]陈曦 ,任吉林 ,王伟兰 ,陈晨. 地磁场中应力对磁畴组织的影响 [ J ]. 失效分析与预防 , 2007 , 2 ( 1 ) : 6 - 9. [ 7 ] H . Za id i, A . Senouc i . I nf luence of m agne tic f ie ld on su r f ace mod i 2 fica t ion and the f ric tion behavio r of slid ing coup le a l um inum /X C 48 steel [ J ]. S u r f a ce a n d C oa tin g s T e ch n o l og y , 120 - 121 ( 1999 ) : 653 - 656. [ 8 ]董祥林 ,陈金荣 ,简小刚. 磁场对金属摩擦磨损影响的研究及 展望 [ J ]. 材料科学与工程 , 2000 , 18 ( 1 ) : 116 - 120. [ 9 ]刘高远 ,习年生 ,张卫方 ,陶春虎. 铸铁球磁化处理后耐磨性能 提高的机制探讨 [ J ]. 机械工程材料 , 2002 , 26 ( 9 ) : 10 - 12.
吸附磨损颗粒物而对摩擦行为产生影响 ,其影响
程度与摩擦副的摩擦磨损机制有关 ,而外加载荷
恰恰是决定摩擦磨损机制的主要因素 ,因此 ,剩余 磁场对摩擦行为的作用程度主要受外加载荷的影
响 。

高载荷条件下 ,影响作用明显 ,摩擦系数随剩
余磁场强度的升高而增大 ;低载荷条件下 ,剩余磁
场强度对摩擦系数的影响作用很小 。

4 结论
在短时摩擦过程中 ,剩余磁场对摩擦行为的
影响与外加载荷有关 ,当外加载荷较低时 ,摩擦系
数随剩余磁场强度的升高无明显变化 ; 随外加载
荷的升高 ,剩余磁场强度对摩擦系数的影响作用
增大 ;当外加载荷较高时 ,摩擦系数随剩余磁场强
度的升高而增大 。

随着剩余磁场强度的升高 ,摩
擦界面易于吸附磨损颗粒 ,加速了摩擦界面的磨
粒磨损 ,使摩擦系数升高 。

参 考 文 献
[ 1 ]谢友柏. 摩擦学的三个公理 [ J ]摩擦学学报 , 2001 , 21 ( 3 ) : 第十三届失效分析培训与认证班会议通知 (第一轮 ) 为了加强失效专业技术人员的培训 ,提高我国失效分
析的整体水平 ,由中国航空学会主办 、航空失效分析分析
人员资格鉴定委员 会承办的 "第十三届 失效分析培训与
认证班 "将于 2007 年 9 月在广西桂林举办 。

现就有关事
项通知如下 :
一 、参加人员 :包括参加培训取证人员和参加培训人
员两种类型 。

1. 取证人员 取证人员分为失效分析师和高级失效分析师 ,申报条 件如下 : 1. 1 失效分析师 ( 1 )现从事失 效分析 、理 化测试 、质 量与可靠性等相 关领域工作 。

( 2 )具有两年以上相关领域研究或 工作经验并取得
助理工程师及其以上专业技术职称 。

1. 2 高级失效分析师
( 1 ) 现从事失效分析 、理化测试 、质量与可靠性等相 关领域工作 。

( 2 ) 取得失效分析资格证书两年以上且具有高级工 程师及其以上专业技术职称 。

1. 3 凡取证人员需准备一篇代表本 人水平的失效分
析及相关领域的论文 ,供答辩用 。

2. 培训人员 不符合上述条件的科技人员和管理人员也可参加培 训 ,考试合格颁发培训结业证书 。

二 、培训内容 :失效分析思路和程序 、失效分析技术 、 断裂失效分析 、环境介质作用下的失效分析 、磨损失效分 析 、痕迹失效分析 、非金属构件的失效分析 、断口定量分析 技术 、电子元器件的失效分析以及重大事故 、典型故障案 例分析等 。

三 、培训时间 :约十天 。

四 、收费标准 :
1. 失效分析师培训取证费 : 1200 元 (培训费 、教材费 、
资料费 、取证及工本费 ) 。

2. 高级失效分 析师培训取证费 : 1500 元 (培训费 、教
材费 、资料费 、取证及工本费 ) 。

五 、欲参加培训取证的人员请与中国航空工业失效分 析人员资格鉴定委员会联系 ,具体报到时间和报到地点另 行通知 。

电话 (传真 ) : 010 - 62496238
电话 : 010 - 62496233
联系人 :缪宏博 李 莹 E 2m a i l: fac@ faca i c . com
通信地址 :北京 81信箱 4分箱。