材料磨损研究的进展与思考

第28卷 第1期2008年1月

摩擦学学报

TRIBOLOGY

Vol28, No1

Jan,2008

材料磨损研究的进展与思考

温诗铸

(清华大学摩擦学国家重点实验室,北京 100084)

摘要:阐述了材料磨损理论和抗磨损技术研究的进展,分析了磨损损伤特征和复杂性,着重讨论了磨屑形成机制,指出疲劳机制研究具有重要意义,并就今后材料磨损研究提出了若干建议.关键词:磨损理论;磨屑形成机制;抗磨损技术;进展中图分类号:TH117.3

文献标识码:A

文章编号:1004-0595(2008)01-0001-05

摩擦学是研究摩擦表面或界面行为、损伤与控制的技术学科.材料摩擦学性能通常是指摩擦磨损性能.摩擦是摩擦副表面在相互滑动中发生能量转换,并产生能量损耗的过程;而磨损则是由摩擦副之

间力学、物理、化学作用造成的表面损伤和材料剥落.摩擦与磨损密切相关,但并不存在确定的量化关系.由于摩擦磨损现象广泛地存在于各类机械装备,造成巨大的经济损失,因此受到人们极大的关注.

摩擦学研究旨在揭示摩擦磨损形成机理及影响因素,进而建立物理模型和数学描述,以及寻求润滑、表面处理等技术,以减少摩擦和控制磨损.因此,摩擦学研究对于国民经济发展具有重要意义.

在远古时代人们就意识到磨损的存在和危害,例如卢克里蒂斯(公元前95~55年)曾经指出:/,,手指不断摩擦使戒指磨薄.滴水会穿石成孔.犁头即使是铁的,在犁沟时也会逐渐磨小.我们看到,道路的路石因受行人的践踏而被磨光.城门的青铜雕像右手因受过路旅客的抚摸而被磨薄,,但是我们见识浅薄,希望今后有能力去了解在任一时期内什么部分被磨损掉.0由于磨损是造成机械装备失效的重要原因,在摩擦学研究中,人们普遍认识到磨损研究的重要性,并开展了最广泛的研究.然而,因磨损现象的复杂性,迄今为止,在摩擦学基础理论研究方面,可以说针对磨损的研究又是最不完善的.

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损伤过程所具有的复杂特征造成的.作者认为,磨损的主要特征有:

(1)磨损过程中材料剥落过程是发生在摩擦表面间接触微区内的动态过程,产生剧烈的力学作用,并伴随物理化学变化,因此难以直接观测磨屑形成过程.虽然在20世纪60年代,诸如电子显微镜、能谱仪等一大批表面微观分析仪器相继商品化,广泛用于表面微观形貌以及表面层结构和组成分析,推动了磨损机制研究的深入发展

[2]

,然而,这些仪器

只能应用于磨损前和磨损后的静态观察和对比,无法实现磨损过程的在线检测.

(2)材料的摩擦磨损性能与其他力学性能不同,它不是材料的固有特性,而是材料在实际摩擦学系统中表现出来的综合性能.换言之,材料的摩擦磨损性能与其所处的条件,包括接触形态、环境状况、运行工况等密切相关,是材料在所处条件下特定的性能.因此,材料摩擦磨损性能对所处条件具有强烈的依赖性.

(3)与材料其他机械损伤相类似,磨损也主要源于力学作用下的材料强度劣化,然而磨损是特殊的力学问题.其特殊性表现为:外部施加给材料的力学作用是变化的,而且材料承受力学作用的体积和

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性能也是变化的.因此,磨损过程是时变性很强的随机过程,该过程同时又与环境因素密切相关.(4)现实的磨损总是多种机制共存,而且是交互作用的过程,因此磨损所表现出的外部特征错综复杂.

根据当今的摩擦学原理,按照表面作用、表面层

[4]

1 磨损损伤的特征

有关磨损问题的基础研究,无论是实验考察还是理论建模和量化均存在许多困难,这是由于磨损

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50730007,50575123).

收稿日期:2007-09-25;修回日期:2007-11-04/联系人温诗铸,e-mai:ldpiwsz@http://doc.guandang.net

:,男年生,,,.

2摩 擦 学 学 报第28卷

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变化和破坏形式等3个方面的情况通常可将磨损分为4种典型类型,即磨粒磨损、疲劳磨损、粘着磨损和腐蚀磨损.针对各类磨损可以将材料磨损损伤机制归纳为切削(犁沟)机制、粘着机制和疲劳机制等3种典型机制.

从20世纪40年代开始,人们根据特定的工况条件,分别针对各种磨损机制进行了大量的实验研究和分析,建立了相应的理论和磨损公式

[5]

(3) ±´¶½Ìüº»等(1977年)疲劳磨损理论

由于存在粗糙峰和波纹度,表面接触是不连续的;摩擦过程中接触峰点受周期性载荷作用,从而产生疲劳破坏即磨损;疲劳磨损取决于接触峰点的应力状态;根据摩擦副的载荷、滑动速度、表面形貌和材料性质等,应用弹塑性力学模型可以建立磨损量计算公式.

(4)Fleisher(1973年)能量磨损理论

[9]

.然而,

正因为是在特定的实验条件下得出的结论,其针对性和局限性较强,不尽适用于其他的工况条件.同时,实际的磨损现象往往又是多种机制综合影响的结果,所以现有的磨损理论普适性较差,磨损基础理论研究落后于工程实践的要求.

磨损是能量储存、转化和消散的过程;摩擦过程所做功的约9%~16%以势能的形式储存在表层材料中;当多次摩擦使材料累积的能量密度达到临界值时,即形成磨屑而剥落,藉以耗散能量;各接触点积累的能量取决于接触点的体积和形状,而能量集聚的能力与材料组成和结构有关.

(5)Suh(1977年)剥层磨损理论

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2 磨损理论与磨屑形成机制研究

人类研究磨损的规律及其机制以便控制或利用磨损所作的不懈努力,可以追溯到15世纪达#芬奇(1452~1519年)关于材料磨损的实验研究.据1967年在马德里发现的达#芬奇关于滑动轴承磨损研究的手稿记载,轴承磨损随载荷增加而加剧.为了减少磨损,他研制出了一种新型轴承材料,即含30%铜和70%锡的轴承合金料.

1724年,Desagulier提出了固体摩擦过程存在粘着现象的观点.随后,他发现2个铅球在相互紧压时将发生牢固的粘着

[6][6]

在摩擦副相互滑动时,软表面粗糙峰易于变形或断裂,逐渐形成光滑表面;而硬表面粗糙峰在相对光滑的软表面滑动;每次滑动使软表面各点经受一次循环载荷,在表层内产生剪切塑性变形及位错,并不断积累;表层内一定深度处位错积累,进而形成裂纹或空穴;裂纹沿平行表面方向扩展,达临界长度后以片状磨屑剥落;根据弹塑性力学可以建立磨损的计算公式.

以上这些理论均是根据一定的实验检测结果来建立物理模型,再经过相关理论推导出磨损计算的量化关系.然而,由于影响磨损的因素繁多,还存在许多尚未能了解的因素,因此,所建立的磨损公式不可避免地包含一些目前还难以确定的变量,在实际应用中受到很大的局限.可以认为,当今磨损理论研究还处在不够完备的阶段.

根据Ludema统计,在过去40年的文献中共发表了近300多个各种形式的磨损公式,用于描述与磨损有关的变量有600多个,最基本的也有100多个.这些公式都是研究人员根据不同的观点和不同的条件实验提出的.其中即便是被认为比较完备的公式在实际应用中也有很大的局限性.正如著名摩擦学家Tabor所指出的,人们通常采用模仿某种摩擦磨损现象来构建相适应的研究条件,然后通过实验得到结果.

综上所述,关于磨屑形成的主要机制可以归纳为3类,即疲劳、粘着和能量机制.作者认为,这3类机制不是单一存在而是相互依存的.例如,在疲劳机制中,裂纹的萌生、扩展和断裂都需要吸收材料的变,[11]

,这是最早设计的轴承合金材

.可以认为,这是人类首次认识

摩擦磨损过程中的粘着现象.

经过长期的生产实践和科学研究的积累,人们不断深化对磨损本质的认识,提出了大量描述磨损的物理模型以及预测磨损的量化公式. …… 此处隐藏：9869字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……