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