的机械、化学与热作用而发生。 (Wear)
(2)粘附磨损 作相对运动的两接触表面由于分子间的吸引力作用而产生固相局部焊合或粘附连接,致使
材料从一表面转移至另一表面所引起的磨损,又称粘着磨损。 (Adhesive Wear)
(3)磨料磨损 作相对运动的两接触表面由硬质颗粒或较硬表面上的微凸起体在摩擦过程中的“微犁削”、
“微切削”与“微开裂”综合作用而引起的表面擦伤与表面材料脱落或分离出磨屑来。 (Abrasive Wear)
(4)疲劳磨损 相互作滚动或滚动兼滑动的两接触表面,在交变接触应力重复作用下,由于表层材料疲劳,
产生微观裂缝并分离出磨粒或碎片而剥落,形成凹坑而引起的磨损。又称点蚀(Pitting)。 (Fatigue Wear)
(5)腐蚀磨损 金属表面在摩擦过程中与周围介质在化学与电化学反应作用下产生的磨损过程。 (Corrosive Wear)
(6)微动磨损 两接触表面作微振幅重复摆动所引起的磨损。微动磨损是一种微动疲劳与微动腐蚀并存的
复合式磨损。 (Fretting)
(7)轻微磨损 磨屑非常细小的磨损。有时用来表示弹性接触下的磨损。 (Mild Wear)
(8)严重磨损 磨屑为较大的碎片或颗粒的磨损。有时用来表示已达到塑性接触下的磨损。 (Severe Wear)
(9)正常磨损 设计允许范围内的磨损。 (Normal Wear)
(10)材料转移
由于在滑动或滚动界面的强粘附力而使材料由一表面转移到另一表面上的现象。 (Pick-up or
Transfer)
(11)涂抹 摩擦副一表面上的材料发生转移,并以薄层重新涂敷到一或两表面上。 (Smearing)
(12)擦伤由摩擦表面局部固相“焊合”或磨料磨损而引起沿滑动方向形成的微小擦痕或“犁痕”。 (Scratching)
(13)刮伤 与“擦伤”相同原因形成的严重擦痕,又称划伤。 (Scoring)
(14)胶合 两摩擦表面发生固相“焊合”而引起的局部损伤,但没有发生局部表面熔合。 (Scuffing)
(15)咬死 摩擦表面发生严重粘附或转移,使相对运动停止或不能运动。又称咬粘。 (Seizure)
(16)选择性转移 铜合金对钢在排除铜氧化的边界润滑剂如甘油、三乙醇胺中摩擦时产生的一种特殊的、其
成分有选择性的金属转移效应。它是铜从铜合金中选择性转移到钢上并逆转移到铜合金上(Selective
的现象,伴随着摩擦系数的降低,磨损急剧减少。 Transfer)
(17)氧化磨损 摩擦表面有与氧相互作用而形成保护膜时的磨损。 (Oxidative Wear)
(18)剥落 疲劳磨损时从摩擦表面以鳞片形式分离出磨屑的磨损。
(Spalling)
(19)浸蚀磨损含有硬颗粒的流体相对于固体运动,使固体表面受到冲蚀作用而产生的磨损。又称浸蚀
(Erosive Wear) (Erosion). (20)流体浸蚀 由于液流、气流或含有液珠的气流的作用而产生的磨损。 (Fluid Erosion)
(21)气蚀浸蚀 固体相对于液体运动时,由于液体中气泡在固体表面附近破裂时产生局部高冲击压力或局(Cavitation 部高温引起的磨损。又称气蚀(Cavitation) Erosion)
(22)犁沟
相对运动两表面的较软表面因塑性变形而形成的犁痕式的破坏。也称犁皱。 (Ploughing of
Plowing)
(23)磨损率 磨损量对于产生磨损的行程或时间之比。通常可用3种方法表示磨损率:1)单位滑动距离
的材料磨损量;2)单位时间的材料磨损量;3)每转或每一摆动的材料磨损量。 (Wear Rate)
(24)耐磨性
材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力,以磨损率的倒数来评定。 (Wear
Resistance)
粘着磨损
粘着磨损
两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下,表面层发生塑性变形,表面的污染膜、氧化膜会发生破裂,结果新鲜金属表面裸露出来,由于分子力的作用使两个表面发生焊合。如果外力能克服焊合点的结合力,相对滑动的表面可以继续运动。若剪切发生在原来的接触表面上,那就不会发生磨损,或者叫做“零磨损”。若剪切发生在强度较低的金属一方,则强度较高的材料表面上将粘附对摩件的金属,在以后的重复摩擦过程中,软金属粘附物将辗转于对摩件的表面之间,这种现象叫做“金属转移”。有些粘附金属在以后的滑动中可能由金属表面脱落下来称为磨损产物——磨屑。粘着磨损是一种常见的磨损形式。它的发生与发展十分迅速,容易使零件或机器发生突然事故,造成巨大的损失。许多零件的磨损失效也都与粘着磨损机制有关,如刀具、模具、量具、齿轮、涡轮、凸轮、各种轴承、铁轨等。
根据磨损程度,常把粘着磨损分成以下四种:
1. 涂抹
剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内。软金属涂抹在硬金属表面上形成轻微磨损。但随正压力加大,磨损将显著增加。
2. 擦伤
剪切发生在软金属的亚表层内,有时硬金属表面也被划伤,铝合金零件与钢摩擦时就是这样,擦伤时接触表面的剪切强度既大于软金属,也大于硬金属。转移到金属表面的粘着物对软金属有犁削作用。
3. 粘焊
粘焊又称为胶合,它的实质是固相的焊合。当然也不能排斥液相的发生及作用。以塑性变形为主要原因引起的粘焊,分子吸引起重要作用。这种冷焊叫第一类胶合。由于摩擦热,接触表面温度升高为主要原因引起的粘焊称为热粘着或第二类胶合。
4. 咬卡
当外力不能克服界面的结合强度时,摩擦副的相对运动将被迫停止。这种现象叫做咬卡或咬死。
第一类胶合的特点和磨损程度与下列因素有关:
1. 材料本身的性能(表面的物理性能、表面的化学性能、表面的力学性能,例如强度、塑性、韧性、氧化性等。)
2. 相对运动速度及运动方式
3. 载荷的大小和加载方式
4. 周围环境条件(介质成分和温度等)
在某些条件下,发生胶合的表面也伴随有氧化磨损发生。这种氧化磨损可阻止胶合的发展。但是如载荷等条件进一步加重,则胶合磨损将进一步加剧。
在表面发生第一类胶合时,金属摩擦表层一般不发生相变和成分变化。但是,表面层中会发生严重的塑性变形,有时产生明显的织构现象,表面层的应力状态有较大变化。
表面层的硬度增高,可以防止第一类胶合的发生和发展。只有在很大的载荷下才能产生胶合现象。
润滑状态对第一类胶合有明显的影响。润滑膜的存在对胶合的发生和发展是一个有力的阻碍因素。表面的液体润滑膜、固体润滑膜、氧化膜、硫化膜、氯化物等都可以减轻或避免胶合现象的发生。
第二类胶合也是一种常见的磨损形式。滑动速度和压力的增加,有助于这种磨损形式的发生和发展。这种磨损形式与表层的摩擦温度有密切的关系。只有当表面摩擦温度超过临界点时,才会产生第二类胶合,其明显标志是相变引起的白亮层。
基本原理:
粘着结合强度的大小基本上取决于自由电子的密度。在同类金属粘着时,粘着强度应按它们在元素周期表中的位置排列,即由左至右,按过度金属元素、贵金属元素、副族金属元素的顺序依次递增。
摩擦表面的粘着现象主要是界面上原子、分子结构力作用的结果,同时也受到许多宏观效应的影响,如表层弹性应力、表面的结构与特性等。
用压缩扭转法在正常大气条件下研究你粘着系数与各种金属硬度之间的关系,可得出两个结论:
1. 粘着系数随金属硬度的增加而降低
2. 不同晶型的金属粘着系数相差很悬殊,密堆六方金属的粘着系数最低。
粘着磨损的模型:
真实接触面积:Ar=n?πr2
滑动L 距离时微凸体相撞的总数为:Np=PL? απr3pm
式中P 是作用在真实接触区的载荷;pm是摩擦表面材料的塑性流动力。
在相对滑动中,并不是全部相碰撞的微凸体都产生磨屑,它们形成磨屑的概率为k 。假定每滑动2r 位移时产生一个半球形磨屑,滑动L 距离下产生的磨损量W 可由下式求出
12kpW =Np??kπr3=??L m
粘着磨损的影响因素:
1. 金属的互溶性
金属摩擦副双方的互溶性对粘着磨损有很大的影响,互溶性好的摩擦副,粘着倾向大。
2. 金属的原子结构
影响摩擦副粘着特性的另一个因素是转移金属d 化合键的特点。
3. 金属的晶体结构
晶体的点阵形式对粘着磨损有重要影响。在一般条件下,面心立方点阵的金属粘着倾向大于密排六方点阵。在密排六方点阵中,元素的c?a比越大,粘着倾向越小。
4. 金属的显微组织
1) 晶粒尺寸的影响
晶粒粗大试样的磨损失重总比细晶的大
2) 铁素体的影响
一般来说,在其他条件相同的情况下,钢铁中铁素体含量越多,耐磨性越差
3) 珠光体的影响
在含碳量相同,试验条件相同的条件下,片状珠光体的耐磨性比粒状珠光体好
4) 马氏体的影响
马氏体是淬火及低温回火钢中的基本组织。马氏体,特别是高碳马氏体中有较大的淬火应力和显微缺陷,脆性较大,对耐磨性不利。
5) 贝氏体的影响
由于贝氏体组织中内应力较小,组织均匀,缺陷比马氏体少,热稳定性较高,贝氏体比马氏体具有更好的耐磨性。
6) 残余奥氏体的影响
当钢的残余奥氏体含量处于最佳含量时,钢的耐磨性最好。不稳定的残余奥氏体在摩擦过程中由于外力和摩擦热的作用可能转变为马氏体或贝氏体,在这些变化中钢材表面可产生压应力,这些因素均对耐磨性有益。
7) 碳化物的影响
钢材中存在着各种类型的碳化物。碳化物的含量增多,耐磨性提高。
粘着磨损预防
粘着磨损预防 ?
使用与维修(OPERATION&MAINT1ANc雹)? 文章?号:lOO2—4581(2OO1)01一o046一Ol 中圈分类号:U472.43
赫警?瓤曩囊
粘着磨损主要产生在轴瓦,活塞等旋转,往复 运动的机件上,工作中往往因粘着作用,使一个零 件表面或润滑油中混有的金属转移到另一个零件 表面,从而引起磨损,且对机件具有较大的危害. 发动机在使用中,应采取必要的防护措施.认
安装,使用,润滑等,进一步防止粘着 真实施保养,
磨损发生.实践表明,运动物体的摩擦表面在切向 力的作用下,往往会使金属表面的吸附膜,边界膜 受到破坏,因而造成金属表面直接接触并产生粘 着.粘着磨损是在摩擦表面相互接触点间发生的, 因金属表面经过机械加工时,虽然对光洁度有一 定的要求,却不可避免地存在宏观和微观的不平 度,当受到一定的外载负荷作用而相互运动时,实 际接触面积却很小,单位面积上的平均压力却相 应增大,致使接触点处发生弹性和塑性变形.于 是,当零件作相对运动时,会使零件表面刻划出沟 槽,坑洼或变形等,并由此产生大量的摩擦热,致 使机油温度显着升高而变形,油压也同时下降,从 而加剧磨损,形成恶性循环.若在此期间缺乏足够 的机油将热量散发掉,机件相互接触点的温度便 会不断升高,往往会产生凸点的熔焊过程,并随着
急剧运动,熔焊合点又被撕破,从而产生粘着磨 损.
粘着磨损的发生与材料特性,零件表面粗糙 度,润滑油,零件运动的速度和单位面积上的压力 等因素均有一定的关系.在机油压力低,机油不 足,机油变质,变稀的发动机上,粘着磨损的现象 尤为突出.此外,长期不进行保养,零件配合间隙 小的发动机,也易产生粘着磨损.粘着磨损轻则使 零件表面出现划痕,沟槽等,重则便会致使发动机 拉缸或烧瓦抱轴.因此,必须从使用维修,燃,材料 ?
46?
文献标识码:E
选用等方面人手,减少粘着磨损.与此同时,还应 采取以下措施,积极预防粘着磨损.
1.不可忽视汽车的磨合,走合期,必须执行 新车,大修或保养后的磨合,走合期的规则和技术 要求.
2.活塞,轴瓦等零件的安装一定要按配合间 隙和有关要求装配.
3.应对装配的活塞,轴瓦等质量,规格,型号 等进行检验测试,必须达到质量,技术要求,方可 采用.
4.润滑油的品牌,标号,质量,数量等应符合 使用要求,并按要求定期更换.机油压力不足时, 应及时找出原因,视情进行调整恢复. 5.润滑,冷却系统各机件,总成,仪表等,必 须工况良好.
(胨应国供稿)
粘着磨损综述
粘着磨损综述
粘着磨损及影响因素的研究
摘要:粘着磨损是磨损的失效基本类型之一,本文根据材料的表面状态和内部结构阐述了影响粘着作用的机理和因素并给出了一些实用的克服粘着磨损的措施。
关键词:粘着磨损;摩擦副;粘着力;吸附膜;氧化膜
1 引言
磨损是材料和零件的主要失效形式之一,每年给人类带来上千亿美元的巨额浪费。而粘着磨损是一种最常见的的磨损形式,它在摩擦学的研究和应用中有非常重要的地位和作用。世界上技术先进的国家都为粘着磨损的研究及对策投入了大量的财力和人力[1]。
粘着磨损按程度分为涂抹、擦伤、粘焊和咬卡等几种。许多零件、工具的报废和失效都和粘着磨损有关。如轴承、凸轮、蜗轮、齿轮、量具、刃具、模具。真空环境的粘着磨损已成为空间技术的核心问题。另外,工作在气态、液态和侵蚀介质中的原子能反应堆及其他承受重载的机械装备也不能摆脱粘着磨损。由此可见,研究粘着磨损对国民经济各部门都具有重要的意义,特别对尖端技术更具有突出的作用[2]。
2 粘着磨损的产生及理论分析
2.1 粘着磨损的产生
粘着磨损是由摩擦表面的引力作用引起的。界面上的分子使接触表面形成粘着耦合,粘着作用使摩擦副表面或亚表层产生破坏,摩擦力剧增,
摩擦变得迅猛而强烈,其中粘着力的大小与摩擦表面的清洁程度、吸附层及润滑状态有关。法向应力、切向应力、温度、变形的作用使摩擦表面的隔离层(润滑层、污染层、吸附层及氧化膜)发生破坏[3]。
2.2 粘着磨损的形式
粘着磨损的形式取决于粘着的强度和表面下材料的强度等条件,如果粘着强度比摩擦副两基体金属的强度都弱,剪切将发生在界面上,这时磨损极小;如果粘着强度大于基体金属的强度,则剪切将发生在离界面的金属表层内,金属将从一个表面转移到另一个表面上,形成粘着磨损。粘着磨损按金属转移程度不同分为以下几种形式[4]。
(1) 轻微磨损。当粘着强度比摩擦副的两基体金属抗剪强度都弱时,剪切将发生在粘着的界面上,这时表面材料转移极少,磨损很少,但摩擦系数将增大。金属表面上有氧化膜时, 常发生这类粘着磨损。
(2) 涂抹。当粘着强度大于摩擦副中较软一种金属的强度时,剪切将发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内, 使软金属涂抹在金属表面上。
(3) 擦伤。当粘着强度比两基体金属抗剪强度均大时,剪切主要发生在较软一种金属的亚表层内,有时也发生在硬金属的亚表层内,转移到硬面上的粘着物又刮削软金属表面,使软金属表面产生划痕,有时硬金属表面也有划伤。
(4) 咬合。当粘着强度比两基体金属抗剪强度大得多时,剪切将发生在摩擦副金属的较深处,表面将沿滑动方向呈现明显撕脱,出现严重磨损,滑动继续进行,粘着范围很快增大, 摩擦产生的热量使表面温度剧增,极易出现局部熔焊,使摩擦副咬死,不能相对滑动,这种形式破坏性很大。
(5) 划伤。当粘着强度比两基体金属强度都高,切应力高于粘着结合强度,剪切破坏发生在摩擦副一方或双方金属较深处,表面呈现宽而深的划痕[5]。
2.3 粘着学说
对于粘着现象的解释众说纷纭,赫姆等人认为,粘着是相互接触的滑动表面由于摩擦作用, 一侧表面原子被对方表面的原子捕捉的现象;鲍登等人认为是表面局部高压引起塑性变形和瞬时高温,使接触的峰顶材料熔化而发生焊合的现象;赫罗绍夫等人则认为粘着是冷焊的作用, 不一定达到熔化温度。定程度时,支撑面积曲线的变化情况也不一样。支承面积曲线在研究摩擦磨损时非常有用[6]。
2.4 粘着的理论学说
由于目前还没有完善粘着磨损的理论,所以还不能用计算的方法预计摩擦时粘着力的大小,但粘着作用力不但与材料的弹性变形和塑性变形有关,而且还与真实接触面积的总和有关,因为表面力就作用在这些接触处。
在某些情况下粘着作用的程度与固体表面能有关,即与形成新表面所必须的功有关。 表面的 Er 的近似值可用下面的方程式计算:
Er =(E |Ya)?
其中 E——弹性模量
Ya——相互作用的表面的间距
A——原子间的力的作用半径
而粘着能 Ea 可以认为是将两个相互接触的物体分开的能量
Ea??Er1+ Er2—Ek
其中 Er1、 Er2 ——1、 2 物体的表面能
Ek—现存界面引起的接触能量[7]
常见几种金属的晶体点阵中,密堆六方点阵金属的粘着倾向较面心立方点阵、体心立方点阵要小些。合金元素对钢材粘着作用的影响不突出,有些常存杂质(碳和硫)可使粘着作用减轻。复合材料的晶须方向对粘着作用有一定的影响,当晶须方向垂直于滑动方向时,粘着磨损较小,摩擦副的近表层变形和磨损将促进保护层的破坏。
对粘着磨损而言,接触点处的剪切强度是一个极为重要的变量,它与中间膜的状态、材
料的强度、脆性及塑性有关。当滑移发生在界面时,粘着磨损很轻微,如果接触处的粘着结合强度,高于材料强度断裂将在强度较低的材料内部发生,这就是所谓的内聚力破坏[8]。
2.5 粘着磨损的基本定律
由于不能精确考虑各种摩擦副的材料特性、表面膜、润滑状态等因素影响, 因此不能确切定量计算, 但得出了粘着磨损的基本定律:
(1) 磨损的体积与滑动距离成正比;
(2) 磨损的体积与载荷成正比;
(3) 磨损的体积与较软的一种材料的屈服极限( 或硬度) 成反比[9]。
然而, 当载荷增大到某一临界值时, 磨损急剧增大,这说明载荷增大时, 实际接触面积增大, 而接触点的压强并不增大; 当平均压力大于δs时, K 值急剧增大, 整个面积发生塑性变形, 实际接触面积不再随载荷的增加而增大, 因此, 磨损急剧增大。除上述粘着机理外, 还有一些学说。有的认为
转移首先是由于材料疲劳使其粒子从固体表面分离出来,然后再粘附到相对表面上去; 也有人认为在温度和应力作用下, 原子从一种材料扩散到另一种材料中去。
3 影响粘着磨损的因素
3.1 摩擦副材料特性的影响
两个金属表面发生粘着, 首先和他们形成的固溶体特性有关。由固溶性大的材料组成的摩擦副, 粘着倾向大, 结合点比较牢固; 反之则粘着倾向小, 结合点易于被切开。一般来说, 相同金属或晶格类型, 晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属, 互溶性大, 容易发生粘着, 反之发生粘着倾向小。也有些金属, 虽然互溶,但它们之间可形成金属化合物, 因此也不容易发生粘着。多相金属由于组织不连续, 所以比单相金属粘着倾向小; 金属与非金属组成的摩擦副比金属组成的摩擦副粘着倾向小; 脆性材料的抗粘着性能比塑性材料好,塑性材料的粘着破坏多发生在离表面一定深度处, 磨屑颗粒在, 表面粗糙[10][11]。
3.2 压力的影响
粘着磨损一般当压力增大到某一数值时会急剧增大。当压力超过ds 时, 磨损急剧增大, 严重时发生咬死。这种转变是由于表面温度和沿深度的温度梯度影响分子间的相互作用以及相接触的微凸下的塑性区相互作用引起的。轻载时, 相接触的微凸体下的塑性区相互独立, 重载时相互作用。若表层完全呈塑性, 则发生剧烈磨损[12]。
3.3 温度影响
摩擦过程产生的热量, 使表面温度升高。表面温度对磨损影响主要有:
(1) 使摩擦材料性质发生变化;
(2) 表面膜形成;
(3) 使润滑剂的性质发生三方面变化[13]。
一般来说, 金属的硬度随表面工作温度变化而变化, 磨损也发生变化。温度也会导致各种氧化膜和其它化合物的形成, 从而改变表面间相互作用的性质。当摩擦表面有润滑剂时, 温度升高会使油变质, 先是油膜氧化, 之后以热降解。这种作用结果引起润滑油性质变化, 是一个不可逆过程。这时, 油膜发生离析, 分子链位相消失, 使润滑油丧失其保护表面的能力。润滑油的位相消失与润滑剂的成分和被润滑的金属有关系; 脂肪酸膜在金属表面时的位相消失温度高于其积状态时的位相消失温度, 这是由于酸与金属形成了化合物[14]。 4 粘着磨损的预防
从以上分析可知, 粘着磨损与摩擦副材料的性质、载荷大小和工作环境条件等方面有着密不可分的关系。因此, 在选材上, 选择磨损系数小的摩擦副材料;在压力方面, 选择的许用压力必须低于临界压力值;提高表面粗糙度以降低微区接触应力。另外, 在高温下工作的摩擦材料应具有高的热态硬度, 同时为防止润滑剂位相消失, 使润滑剂受到良好的保护, 必须采用添加剂。合理的表面强化处理, 有利于降低粘着磨损, 由于表面强化处理改变了材料的表面状态并提高了表面硬度, 使摩擦副间的粘着机制受到阻碍。因此, 对于外部粘着磨损, 采用表面渗碳、磷化、软化等薄层表面处理工艺来提高粘着磨损的耐磨性。对于内部粘着磨损, 采用渗碳、碳氮硼三元共渗。介于两者之间时, 采用氮化或激光表面强化。只有这样才能有效的减小粘着磨损,延长构件的使用寿命[15][16]。
参考文献
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[16]B.Michau,D.Berthe and M.Godet, "wear" vol.28, P187/175,1974
粘着磨损机理及其分析
第4期(总第97期)机械管理开发
No.4(SUMNo.97)MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT
2007年8月Aug.2007
粘着磨损机理及其分析
续海峰
(1.太原理工大学
山西
太原
1、2
030024;2.运城学院山西运城044000)
【摘要】粘着磨损是磨损的失效基本类型之一,它与摩擦副材料.工况参数有着密切的关系,因此,选择磨损系数
小的材料,提高表面粗糙度等可以有效地减小粘着磨损,延长工件的使用寿命。【关键词】粘着磨损;摩擦副;互溶性;吸附膜【中图分类号】TH117
【文献标识码】A
【文章编号】1003-773X(2007)04-0095-03
0引言硬金属的亚表层内,转移到硬面上的粘着物又刮削软金属表面,使软金属表面产生划痕,有时硬金属表面也有划伤。(4)咬合(Scuffing)。当粘着强度比两基体金属抗剪强度大得多时,剪切将发生在摩擦副金属的较深处,表面将沿滑动方向呈现明显撕脱,出现严重磨损,滑动继续进行,粘着范围很快增大,摩擦产生的热量使表面温度剧增,极易出现局部熔焊,使摩擦副咬(5)划伤。当死,不能相对滑动,这种形式破坏性很大。
粘着强度比两基体金属强度都高,切应力高于粘着结合强度,剪切破坏发生在摩擦副一方或双方金属较深处,表面呈现宽而深的划痕[1]。
磨损通常被认为是有害的,但也并非完全如此,比如“跑合”就是一种磨损过程。磨削加工也是一种磨损过程。由于磨损在生产技术中具有广泛而重要的实际意义,它导致材料和能源的消耗,影响机器的使用寿命和可靠性,因此人们对它的研究越来越重视。在一定条件下,磨损的机理是相同的,但由于磨损现象包含着许多复杂的过程,而且实际摩擦副的磨损又往往不是一种磨损机理在起作用,而是综合作用的结果。由于各种磨损的机理不十分清楚,无法对磨损形式作出统一分类,因此存在不同的观点。但磨损并非材料的属性,而是表明系统的特征,仅从表面变化现象的角度来研究磨损分类,对解决工程问题,如材料的选择、估计可靠性和延长寿命等意义不大[1]。因此必须深入到本质中去,才有利于指导实践,下面来分析主要磨损中的一种形式—粘着磨损。
2粘着学说[2]
对于粘着现象的解释众说纷纭,赫姆等人认为,粘
着是相互接触的滑动表面由于摩擦作用,一侧表面原子被对方表面的原子捕捉的现象;鲍登等人认为是表面局部高压引起塑性变形和瞬时高温,使接触的峰顶材料熔化而发生焊合的现象;赫罗绍夫等人则认为粘着是冷焊的作用,不一定达到熔化温度。
1粘着磨损形式
粘着磨损的形式取决于粘着的强度和表面下材料
的强度等条件,如果粘着强度比摩擦副两基体金属的强度都弱,剪切将发生在界面上,这时磨损极小;如果粘着强度大于基体金属的强度,则剪切将发生在离界面的金属表层内,金属将从一个表面转移到另一个表面上,形成粘着磨损。粘着磨损按金属转移程度不同分为以下几种形式。
(1)轻微磨损。当粘着强度比摩擦副的两基体金属抗剪强度都弱时,剪切将发生在粘着的界面上,这时表面材料转移极少,磨损很少,但摩擦系数将增大。金属表面上有氧化膜时,常发生这类粘着磨损。(2)涂抹(Smearing)。当粘着强度大于摩擦副中较软一种金属的强度时,剪切将发生在离粘着面不远的较软金属的浅层内,使软金属涂抹在金属表面上。(3)擦伤(Scor-
3粘着磨损机理3.1磨损原理
假定表面接触是由许多相似的微凸体接触所组成。如果微凸体相互粘着的面积为一半径为a的圆,因此实际接触面积为:δa=A=π
2
δW
S
(δ——微凸体所W—
承受最大载荷;δ——较软金属抗压屈服极限)。如果s—微凸体接触产生磨屑,体积为δv,则此体积尺寸将与接触的尺寸成比例δa3);在滑动过程中,表面v=2/3(π每个微凸体滑动的距离δL与接触点尺寸成正比。假设
δL=2a,则单位滑动距离的磨损体积为:
δ23πa111δVW
,考虑在全部接=π=a=δA=δδLS
触的微凸体中只有K1,部分产生磨屑则单位滑动距离
3
ing)。当粘着强度比两基体金属抗剪强度均大时,剪切
主要发生在较软一种金属的亚表层内,有时也发生在
作者简介:续海峰,男,1967年生,太原理工大学在职研究生,讲师。
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的总磨损体积Q,即磨损率为:死。这种转变是由于表面温度和沿深度的温度梯度影响分子间的相互作用以及相接触的微凸下的塑性区相互作用引起的。轻载时,相接触的微凸体下的塑性区相互独立,重载时相互作用。若表层完全呈塑性,则发生剧烈磨损。
Q=
δ1V11WW
=∑V=K1∑δK1A=K1=KA=LS
(δs用硬度H表示),引入粘着磨损常数ks,则粘着磨损
dVW
公式:。=ks
ss3.2
实验结论
根据实验,粘着磨损系数K值在10~10变化。对于处于空气中的多数金属材料,表面洁净时,K值为
-2
-7
4.3温度影响
摩擦过程产生的热量,使表面温度升高。表面温度
对磨损影响主要有:(1)使摩擦材料性质发生变化;(2)表面膜形成;(3)使润滑剂的性质发生三方面变化。一般来说,金属的硬度随表面工作温度变化而变化,磨损也发生变化。温度也会导致各种氧化膜和其它化合物的形成,从而改变表面间相互作用的性质。
当摩擦表面有润滑剂时,温度升高会使油变质,先这种作用结果引起润滑油是油膜氧化,之后以热降解。
性质变化,是一个不可逆过程。这时,油膜发生离析,分润滑子链位相消失,使润滑油丧失其保护表面的能力。油的位相消失与润滑剂的成分和被润滑的金属有关系;脂肪酸膜在金属表面时的位相消失温度高于其体积状态时的位相消失温度,这是由于酸与金属形成了化合物。
10~10;当表面略有润滑时,K值为10~10;当表
面润滑较好时,K值为10~10。
-6
-7
-3-4-4-5
3.3基本定律
由于不能精确考虑各种摩擦副的材料特性、表面
膜、润滑状态等因素影响,因此不能确切定量计算,但得出了粘着磨损的基本定律:(1)磨损的体积与滑动距离成正比;(2)磨损的体积与载荷成正比;(3)磨损的体积与较软的一种材料的屈服极限(或硬度)成反比。然而,当载荷增大到某一临界值时,磨损急剧增大,这说明载荷增大时,实际接触面积增大,而接触点的压强并不增大;当平均压力大于δs时,K值急剧增大,整个面积发生塑性变形,实际接触面积不再随载荷的增加而增大,因此,磨损急剧增大。
除上述粘着机理外,还有一些学说。有的认为转移首先是由于材料疲劳使其粒子从固体表面分离出来,然后再粘附到相对表面上去;也有人认为在温度和应力作用下,原子从一种材料扩散到另一种材料中去。
5减少粘着磨损
从以上分析可知,粘着磨损与摩擦副材料的性质、
载荷大小和工作环境条件等方面有着密不可分的关系。因此,在选材上,选择磨损系数小的摩擦副材料;在压力方面,选择的许用压力必须低于临界压力值;提高表面粗糙度以降低微区接触应力。另外,在高温下工作的摩擦材料应具有高的热态硬度,同时为防止润滑剂位相消失,使润滑剂受到良好的保护,必须采用添加剂。合理的表面强化处理,有利于降低粘着磨损,由于表面强化处理改变了材料的表面状态并提高了表面硬度,使摩擦副间的粘着机制受到阻碍。因此,对于外部粘着磨损,采用表面渗碳、磷化、软化等薄层表面处理工艺来提高粘着磨损的耐磨性。对于内部粘着磨损,采用渗碳、碳氮硼三元共渗。介于两者之间时,采用氮化或激光表面强化。只有这样才能有效的减小粘着磨损,延长构件的使用寿命。
参考文献
4影响粘着磨损的因素
4.1摩擦副材料特性的影响
两个金属表面发生粘着,首先和他们形成的固溶体特性有关。由固溶性大的材料组成的摩擦副,粘着倾向大,结合点比较牢固;反之则粘着倾向小,结合点易于被切开。一般来说,相同金属或晶格类型,晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属,互溶性大,容易发生粘着,反之发生粘着倾向小。也有些金属,虽然互溶,但它们之间可形成金属化合物,因此也不容易发生粘着。多相金属由于组织不连续,所以比单相金属粘着倾向小;金属与非金属组成的摩擦副比金属组成的摩擦副粘着倾向小;脆性材料的抗粘着性能比塑性材料好,塑性材料的粘着破坏多发生在离表面一定深度处,磨屑颗粒在,表面粗糙[3]。
[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出
版社,北京:2005.
[2]朱文坚,黄
社,2005.
平,吴昌林.机械设计[M].北京:高等教育出版
4.2压力的影响
粘着磨损一般当压力增大到某一数值时会急剧增
[3]朱龙根.机械系统设计[M]北京:.机械工业出版社,2006.
(收稿日期:2007-03-30)(收稿日期:2007-05-21)
大。当压力超过ds时,磨损急剧增大,严重时发生咬96(下转第98页)
筛箱的模态矩阵为:
(2)[Φ]=[{Φ1}{Φ2}…{Φn}]。
图1为筛箱按有限元法离散成的具有集中质量和弹簧组成的力学模型。利用ANSYS软件建立了该模型的[M]阵和[K]阵,求解式(1)可得低阶模态振型及固有频率(见表1)。
表1
阶数
下,出口端加强横梁、筛箱侧板中间的连接部位应力较大。(2)从位移云图(图4)看出,振动筛侧梁中间变形较大,易产生裂纹,需不定时地观察侧梁工作情况,必要时再做加固。
振动筛计算模态特征值
2
3
4
5
6
1
固有频率(Hz)0.15370.16080.17790.19020.19170.2017
3振动筛筛箱动力响应分析
振动筛在工作过程中,不仅承受较大的交变激征
图3筛箱的动应力云图
图4筛箱的位移云图
4结论
振力,而且侧板框架上还分布着很大的惯性力,使侧板框架产生较大的动应力。通过有限元法分析,可以得出任意时刻筛箱整体结构的响应,包括应力分布、变形情况等,据此可以判断强度是否满足条件,变形是否合乎要求。根据时间历程曲线,例如:位移—时间曲线、应力—时间曲线、应力—应变曲线,可清楚地得出筛箱结构随时间动态变化的情况。筛箱整体结构的动画显示,可再现整体结构随时间变化的全过程。
筛箱的结构动态分析结果如下:(1)从动应力云图(图3)看出,振动筛在工作过程中主要存在几个应力集中区:筛箱侧板框架出口端及弹簧支撑板;筛箱侧板框架入口端及弹簧支撑板;筛箱侧板框架中间的连接部位;侧板上折边和下折边靠近入口端和出口端的动应力亦较大。最大主应力发生在侧板出口端与弹簧-支座加强板的连接处。这就说明在激振力的作用
(1)振动筛在工作过程中,筛箱侧板框架存在几个应力集中区,但各部位动应力值较低,小于许用应力(侧板承受对称循环变应力时的许用应力[σ-1]=45MPa),故筛箱侧板框架满足动强度要求。(2)振动筛结构低阶模态分布较为密集,属刚体振型,主要为结构整体的平动、俯仰振动。高阶模态则属弹性弯曲变形,从第5、6阶的模态振型来看,侧板框架弯曲变形较大,出口端加强梁变形较小;为使筛箱整体变形协调,可以减小出口端加强梁尺寸。但总的来说,高阶模态的频率远离工作频率,在实际工作中不会引起共振。
参考文献
[1]张英会.弹簧[M].北京:机械工业出版社,1982:186.[2]李云堂.振动锤传动齿轮的动态设计[J].太原理工大学学报,
2004(5):577 ̄579.
(收稿日期:2007-02-11)(修回日期:2007-04-14
)
DynamicPropertyAnalysisofZD1500OscillatingScreenStructure
LiYuntang
(CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandEngineering,Taiyuan030024,Shanxi,China)
〔Abstract〕ThedynamicpropertyofZD1500oscillattingscreencasestructureisanalyzedwithfinite-elementmethod,
fromwhichgainslownaturalfrequencyandoscillationmodelofthescreencase,findsoutthestressandstraindistributionruleofeachpartundertheratedload,whichprovidesthenecessarybaseforscreencaseimprovementanddynamicstrengthtestandresearch.
〔Keywords〕Oscillatingscreen;Dynamicproperty;Finiteelementmethod
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (上接第96页)
AdhesionWearMechanismandAnalysis
XuHaifeng1,2
(1.TaiyuanUniversityofScienceandEngineering,Taiyuan030024;2.YunchengCollege,Yuncheng044000,Shanxi,China)
〔Abstract〕Adhesionwearisoneofthebasicwearinactivation,itisrelatedtofrictionalpairsmaterials,working
parameters,sotoselectsmallfrictionalcoefficientmaterialandtoimprovesurfaceroughnessaretheeffectivewaystoreduceadhesionwearandtoprolongtheservicelifeofworkpieces.
〔Keywords〕Adhesionwear;Frictionalpairs;Intersolubility;Absorbedfilm
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