摩擦磨损试验

2.1 摩擦磨损试验机 磨损试验的目的在于研究各种因素对摩擦磨损的影响，从而合理地选择配对
材料，采用有效措施降低摩擦、磨损，正确设计摩擦副的结构尺寸及冷却设施等
等。
摩擦磨损试验大体上可分为实验室试验，模拟试验或台架试验，以及使用试
验或全尺寸试验三个层次，各层次试验设备的要求各不相同。
(1)实验室评价设备 实验室设备主要用于摩擦磨损的基础研究，研究工作参数（载荷、速度等）
的模拟。因此要达到满意的实验结果，必须精心设计。
台架试验的目的，通常是评定被试摩擦副的性能，能否达到规定的指标（一
般规定指标都超过使用时的实际要求），如温升、使用寿命、功率消耗等。
表 4.2 中列举了部分模拟试验设备。模拟试验设备通常是根据需要自行设计 的非标准设备，只有少数设备为通用的台架。
表4.2 模拟或台架试验设备
磨屑的形状、大小及数量，磨屑的成分和组织，都可以作为推断曾经发生过 的磨损过程和判断磨损严重程度的依据。
磨屑是磨损机理的重要判据之一。一般金属摩擦副在磨合阶段从表面上脱落 下来的磨屑，通常其组分为氧化物，大小和表面微凸体相近。说明在磨合阶段， 较高的微凸体顶端被迅速碾平，使承载面积增大。同时表面材料在磨合过程中被 加工硬化，使磨损转入平缓的稳态阶段。
用放射性同位素示踪技术检测磨损量的精度极高。并可做到不停机条件下随 时提供磨损发展的信息。
使用铁谱技术（ferrography），将摩擦副中的磨屑从润滑油中分离出来，在 铁谱仪（见图 4.2）上通过一个梯度磁场的作用，按粒度大小依次沉淀在玻璃基 片（谱片）上（磁场大的地方吸住的磨屑粒度大）。
沉积了磨屑微粒的谱片，用显微镜进行观测和分析。谱片上沉积的微粒包括 钢铁、有色金属、氧化铁（氧化物）、油中变质的物质、聚合物微粒以及各种污 染微粒。依靠其各自的特征可以识别。表 4.3 中列出了各种磨屑的识别。
显微镜
放大倍数
表 4.4 各类显微镜的功能 主要成像 试件要求
主要功能
及最佳分
信息
辨率
光 学 显 微 5～2×103
镜 OM
0.2μm
透 射 电 子 100～106
可见光 金相表面 1.组织观察； 2.微细浮雕观察及高度测量
透射电子 1.厚度小于 1.组织观察；
显微镜
0.2 ～ 0.3
200nm 的薄 2.晶体缺陷的衍射像观察；
b.表面分析技术，利用各种表面分析仪器进行观测。 表面分析仪器可分两大类：
表 4.3 磨屑形貌的识别
磨屑来源
形状尺寸和大小
磨损情况的判断
钢铁磨损的磨屑 长<15μm，厚<（0.15～1）μm，
连续不断的正常磨损
长厚比（10～3）：1，薄片状
钢铁的切削磨屑 呈切削状（螺旋、圆圈或曲线）
硬表面的锐边、凸起切削软表
磨损量
跑合
稳定磨损阶段
剧烈 摩擦行程（时间） 图 4.1 磨损三个阶段的示意图
机件磨损是无法避免的。但是如何缩短跑合期、延长稳定磨损阶段和推迟剧 烈磨损的到来，是研究者致力的方向。
伯韦尔(Burwell)根据磨损机理的不同，把粘着磨损，磨粒磨损、腐蚀磨损和 表面疲劳磨损列为磨损的主要类型，而把表面侵蚀，冲蚀等列为次要类型。这些 不同类型的磨损，可以单独发生，相继发生或同时发生（称为复合磨损形式）。 2 磨损的检测与评定
摩擦状态
滚动轴承保持架 模拟滚动体与滚道的滚动
试验装置
摩擦和与保持架的滑动摩
擦时的受力及运动状态
汽车安全带模拟 实验装置
(3).使用试验（全尺寸试验） 用实际部件甚至整机在实际工况条件及环境下进行试验，考查全部参量对整
个摩擦磨损润滑系统综合作用的结果。但这种实验结果很难判断单一因素在整个 运转过程中的影响程度，也不容易分析造成磨损失效的根本原因。这种实验的目 的是确认系统运转的可靠性。通常这种试验是十分昂贵的，只有非常重要的部件 才做全尺寸试验。 2.2 磨屑和表面的检测和评定 (1)磨屑的检测
丝杠-螺母试验 使螺旋与螺母作相对运动
装置
的装置
螺栓-螺帽试验 试验螺栓与螺帽在可测紧
装置
固力矩的条件下表面膜的
覆盖状态
气缸-活塞环试 通常用发动机台架进行试
验装置
验，也有专用的活塞环与活
塞环槽摩擦的模拟试验机
摩擦离合器试验 模拟离合器摩擦状态的试
装置
验装置
端面密封试验装 模拟密封件作动密封时的
置
对摩擦磨损的影响。可以得到单一参量变化与摩擦磨损过程之间的关系。还可控
制试验环境，如加润滑（剂或材料、剂量和组分及润滑方式），周围气氛（惰性
气氛、真空、温度、特殊介质），求得特定环境条件下的结果，研究者需要选择
合适的试验设备和试验条件：
试验设备有各种不同的摩擦形式、接触形式和运动形式，有不同的主变参数
产生于裂纹内部，由片状磨屑经 内表面相对揉搓形成
齿轮滚滑复合磨损 磨屑
扁平，长厚比（4～10）：1
齿轮节圆处滚动疲劳的点蚀磨 屑
尺寸约（100～102）μm，有金属及氧 齿轮节圆两侧滑动区的粘着磨
化物，白色反射光下呈黄蓝色
损磨屑
氧化铁磨屑
红色磨屑，反射白光下呈桔黄色，反 油中含水分锈蚀形成
射偏振光下呈深橙黄色。为顺磁性
Fe2O3 扁平磨屑，白色反射光下呈灰色，白 润滑不良引起
色透射光下呈淡暗红褐色。为顺磁性
Fe2O3 Fe3O4·αFe2O3 和 FeO 的混合物，为细 润滑严重不足，伴随高温形成 小的蓝色和橙黄色的斑点
有色金属磨屑
Cu 桔黄色，Pb-Sn 白光下呈黑色。用 加热分析判断 Al,Cr,Ag,Ti,Cd,Mg,Mo 等白色金属
摩擦过程中常随着载荷和速度的变化以及温升的影响，磨损机理发生转化。 从各阶段的磨屑组分（如 Fe 屑、Fe2O3 或 Fe3O4 屑）就可以证明这种转化过程。
磨屑的形状也是判断磨损机理的证据之一。如粘着磨损的开始阶段，磨屑为 半球形。在滚动摩擦中，如球状磨屑增多则预示着将出现灾难性失效。细丝状的 磨屑（犹如切削过程中形成的切屑），这种磨屑一般是由磨料磨损的微切削过程 产生的。
点接触 滑动摩擦 旋转运动
测量不同载荷与速 适合于评定润滑油、 度下球的磨损，磨斑 脂、膏的润滑性及抗磨 直径和Pb，Pd值 性
各种类型的环-块试 线接触
验机
滑动摩擦
Timken
旋转或摆动
MHK-500
LFW-1
HQ Skoga磨损试验机 线接触
滑动摩擦
旋转
Falex-0试验机
线接触（4线） 滑动摩擦
研究磨损要通过各种摩擦磨损试验设备，检测摩擦过程中的摩擦系数及磨损 量（或磨损率）。摩擦过程中从表面上脱落下来的材料（磨屑），记录了磨损的发 展历程，反映了磨损机理，描述了表面磨损的程度。发生磨损后的表面，同样 有着磨损机理、磨损严重程度及其发展过程的记载。因此研究磨屑和磨损后表面
上的信息是研究磨损的重要一环。
（或称台架）。
经实验室筛选试验后，将候选材料做成的零件与实际摩擦副的几何结构相
似，接触形式相同，在工况条件、环境条件相同或更苛刻的情况下进行试验。这
种实验结果，能比较精确地反映出摩擦副的摩擦磨损的过程。
但是实际工况的模拟是十分困难的。载荷和速度可以控制，而表面温度的控
制就很难实现。因为毕竟不是真实的摩擦副。相似的尺寸并不一定能做到热性能
实验四 摩擦学基础实验（1 学时）
一．实验目的 1.通过实验了解不同材料配副摩擦系数的变化及磨损量的不同。 2.掌握摩擦学实验的基本方法及有关仪器设备的使用方法。 二．实验原理 1.概述
摩擦表面上的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象称磨损。在一般正 常工作状态下，磨损可分三个阶段：
(1).跑合（磨合）阶段：轻微的磨损，跑合是为正常运行创造条件。 (2).稳定磨损阶段：磨损更轻微，磨损率低而稳定。 (3).剧烈磨损阶段：磨损速度急剧增长，零件精度丧失，发生噪音和振动， 摩擦温度迅速升高，说明零件即将失效。（如图 4.1）
试验机名称
说明
简图
滚动轴承试验机 用实际的径向轴承或止推
轴承作摩擦副，测轴承使用
寿命
齿轮或涡轮试验 如 FZG 齿轮试验机，用齿
机
轮作试件，测载荷下齿轮的
磨损情况
轴-轴套试验机
用轴和轴套作试件，测轴承 温升，极限 PV 值
凸 轮 - 挺 杆 试 验 用凸轮和挺杆作试件，在模
机
拟发动机工作条件下试验
摩擦副的耐磨寿命
图 4.2 铁谱仪原理简图
(2)表面的检测 磨损前后的表面状态、晶体结构、化学组成与原子状态都发生了很多变化。
从其变化中可以找出摩擦过程中发生了些什么。所以检测表面是摩擦学研究的重
要内容。
a.表面几何形貌及粗糙度的检测 各种表面形貌仪，包括触针式测量仪，电子探针，接触式表面轮廓仪（含模
拟计算和数字计算），超精表面形貌仪等等。
大磨粒长（25～100）μm，宽（2～5） 面；
μm
油中磨料嵌入软表面，切削硬表
小磨粒长（<10）μm，宽<1μm
面
滚动轴承疲劳磨损 扁平片状，长<100μm，长厚比 10：1 裂纹剥落，属正常点蚀磨损
层状磨屑，极薄，表面有空穴、孔洞 剥落的磨屑粘在表面上，进一步
等缺陷
受碾压形成
长（20～50）μm，长厚比约 30：1 球状磨粒，直径 Φ1～5μm
SRV微动摩擦试验机 点、面、线接触
摩擦副：
滑动摩擦
面对面接触
往复直线运动
圆柱对面线接触
球对面点接触
在 高 速 往 复 滑 动 下 液体润滑剂，
测 定 摩 擦 系 数 和 磨 固体膜，
损
固体润滑材料
滚滑类试验机 MM-200 AMSLER
n1=n2为纯滚动
摩擦力矩
n1=0为纯滑动
磨损
n1≠n2为滚滑
但是，不能凭磨屑这个单一的特征来确证磨损机理。因为磨损机理还与材料 配对、润滑状况、环境条件等因素有关。
磨屑的检测工具，常用的有光学显微镜，扫描电子显微镜（SEM），透射电 镜（TEM）等，可检测其形状和尺寸。对油样的光谱分析可检测润滑油中磨屑 的数量和组分。
X 射线荧光分析（RFA），发射光谱分析(ES)，X 射线衍射技术等可用于检 测少量磨屑的金属元素含量。
b.要有定量测定摩擦系数和（或）磨损的装置，以及能定量地显示实验条件
(载荷和速度)的设备，有的设备和试验方法已经标准化。使用标准化的设备和方
法，可以得到可比的试验结果。
几种常用的实验室摩擦试验设备见表 4.1
表4.1 实验室常用的摩擦试验设备
摩擦副对偶
实验机名称
接触及运动形式
可测数据
应用范围
四球机
线接触（纯滚或滚
滑），面接触（纯滑）
旋转运动
轴承PV值试验机 面接触
极限PV值
滑动摩擦
温升
旋转
固体膜 固体润滑材料 液体润滑剂
液体润滑剂 固体润滑材料 固体膜
交叉圆柱试验机
点接触 滑（滚）动摩擦 旋转
摩擦系数
(2)模拟试验或台架试验设备
模拟试验或台架试验设备是专门设计的，可以模拟实际工况的实验室装置
（载荷、速度）和可测结果（摩擦系数、磨损），将这些形式排列组合成不同的
试验设备。
摩擦形式：滑动摩擦、滚动摩擦及滚动-滑动混合摩擦； 接触形式：点接触、线接触和面接触；
运动形式：旋转运动和直线运动，又各自有单向和往复两种形式。
实验室设备的特点是：
a.摩擦副是抽象了的各种不同的摩擦形式、接触形式和运动形式，而不是实 际摩擦零件的形式；
粘滑试验机
点接触
静动摩擦试验机； 滑动摩擦
直线或往复
Baidu Nhomakorabea
RFT往复试验机， 面接触 滑动摩擦 往复直线运动
在 极 低 的 速 度 下 测 固体膜 定 材 料 的 静 摩 擦 系 固体材料 数和动摩擦系数（粘 液体或半固体润滑剂 滑现象） 在不同载荷与速度 液体润滑剂和固体润 下 测 定 摩 擦 系 数 和 滑材料、固体润滑膜 耐磨性
旋转
Hohman A-6 型 高 线接触（2线）
温试验机
滑动摩擦
旋转
测 量 不 同 载 荷 与 速 液体及半固体润滑剂
度 下 的 动 摩 擦 系 数 固体润滑材料
和磨痕宽度
干膜润滑剂
测 定 材 料 在 有 润 滑 各类固体材料 和无润滑下的磨损 液体润滑剂
在 固 定 速 度 下 改 变 液体润滑剂
载荷
TEM
nm
膜
3.高分辨结构像观察；
2.复膜
4.晶体结构分析（微区电子衍射）
扫 描 电 子 5～2×105 二次电子 任 何 形 状 1.表面几何轮廓的三维观察和立体分析；
固体润滑膜
测定承载能力和耐
磨寿命
高 温 下 固 体 材 料 的 固体润滑材料
摩擦系数，磨痕宽度
环境和试样温度
各 种 类 型 的 栓 - 盘 点接触或面接触
（Pin-Disk）试验机 滑动摩擦
真空试验机
旋转
高温试验机
Falex-6型（有多种接
触形式）
在 不 同 载 荷 与 速 度 固体材料 下 测 定 材 料 的 摩 擦 固体膜 系数和耐磨性（磨痕 宽度，线磨损量，质 量损失）及环境（真 空度或温度）