（机械设计及理论专业论文）两种固体润滑涂层转动微动摩擦学特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 摘要 转动微动是指在交变载荷下接触副发生微幅转动的相对运动。转动微动现 象大量存在于机械装备和器械中，例如各种球窝接头配合面、机车车辆的轮轴 和各种轭轴机构的紧配合面、人体植入器械中的髋关节和膝关节杵臼状配合面 等，其损失大大缩短了零部件的使用寿命。固体润滑涂层作为抗微动损伤的主 要防护措施之一，已在工程领域得到了广泛应用，但目前对固体润滑涂层转动 微动摩擦学特性和损伤机理的研究未见报道。 本文在新型转动微动试验装置上，采用球平面接触模式，在不同法向载荷 和转动角位移幅值条件下，对两种固体润滑涂层( 黏结m o s 2 涂层和离子渗硫 层) 和基体材料( l z 5 0 车轴钢) 进行了转动微动摩擦磨损试验。在动力学分析 基础上，利用光学显微镜( o m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、电子能谱( e d x ) 、 表面轮廓仪等对磨痕进行微观分析，系统研究了两种固体润滑涂层和基体的转 动微动运行行为和损伤机制，并建立了转动微动损伤的物理模型。论文的主要 结论如下： 1 两种固体润滑涂层和基体的转动微动摩擦学特性强烈依赖于转动角位 移幅值和法向载荷，仅呈现部分滑移区和滑移区两个区域，均未见混合区。同 时，m o s 2 涂层改变了基体的微动运行区域，使得滑移区向小角位移方向移动， 而离子渗硫层并未改变基体的运行区域。 2 两种固体润滑涂层的摩擦系数与基体相比较，发现m o s 2 涂层在整个微 动运行区域均表现出良好的减摩作用；而离子渗硫层仅在部分滑移区以及滑移 区的跑合阶段起到减摩作用，之后因离子渗硫层遭受破坏，离子渗硫层的摩擦 系数表现为与基体的摩擦系数一致。 3 两种固体润滑涂层和基体在部分滑移区的均损伤轻微；在滑移区，离子 渗硫层和基体的磨损机制主要表现为剥层、磨粒磨损和氧化磨损，而m o s 2 涂 层的磨损机制主要表现为剥层、摩擦氧化和磨粒磨损；两种固体润滑涂层和基 体在滑移区的“隆起 特征是由于材料表层塑性流动累积在接触区堆积结果， 其出现和存在时间的长短与微动参数有关。 4 离子渗硫层与润滑油构成复合润滑，较大程度的改变了基体的转动微动 运行区域，表现出极佳的减摩润滑效果。 关键词：摩擦磨损；微动磨损；转动微动；固体润滑涂层；粘结m o s 2 涂层： 低温离子渗硫；复合润滑 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 蔓曼皇曼蔓曼鼍曼量曼皇皇曼曼曼曼曼皇量曼曼毫曼曼曼皇蔓曼曼鼍曼鼍鼍e e 一 一i i i 一一一一量i 璺皇鼍 a bs t r a c t r o t a t i o n a lf r e t t i n gc a nb ed e f i n e da st h er e l a t i v em o t i o nw h i c hi n d u c e db y r e c i p r o c a t i n gr o t a t i o nu n d e rt h eo s c i l l a t o r yv i b r a t o r ye n v i r o n m e n t t h er o t a t i o n a l f r e t t i n gd a m a g ei sc o m m o ni nm o d e r ni n d u s t r i a lo rb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s ，s u c h a sb a l l a n d s o c k e tj o i n t ，w h e e l a x l eo ft r a i n ，y o k e - a x l e ，h i pj o i n ta n dk n e ej o i n to f h u m a nb o d i e sa n ds oo n ，f i n a l l y ，s h o r t e n st h es e r v i c el i f eo fp a r t s s o l i dl u b r i c a n t c o a t i n g sh a v ef o u n daw i d ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o na sam a i np r o t e c t i v em e t h o dt o r e s i s tt h ef r e t t i n gd a m a g e h o w e v e r ，r e s e a r c h e so n r o t a t i o n a l f r e t t i n g w e a r b e h a v i o r sa n dd a m a g em e c h a n i s mh a v eb e e nr a r e l yi n v e s t i g a t e d t w os o l i dl u b r i c a t i o nc o a t i n g s ( b o n d e dr e e l y b d e n u md i s u l f i d ec o a t i n ga n d i o ns u l f i d el a y e r ) a n ds u b s t r a t e ( l z 5 0a x l es t e e l ) h a v eb e e nc a r r i e do u to nan e w r o t a t i o n a lf r e t t i n gt e s ts y s t e mu n d e rb a l l - o n - f l a tc o n t a c tc o n d i t i o n sw i t hv a r i o u s n o r m a ll o a d sa n da n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s ( 目) d y n a m i ca n a l y s e si n c o m b i n a t i o nw i t ht h em i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n st h r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p ( o m ) ， s c a n n i n ge l e c t r i c a lm i c r o s c o p ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d x ) ，a n d p r o f i l o m e t e r ，h a v eb e e np e r f o r m e dt os t u d yt h er u n n i n gb e h a v i o r a n dd a m a g e m e c h a n i s m so fr o t a t i o n a lf r e t t i n gf o r t h es u b s t r a t ea n dt w os o l i dl u b r i c a t i o n c o a t i n g s ，a n d ap h y s i c a lm o d e lo nr o t a t i o n a l f r e t t i n g w e a rw a sb u i l t m a i n c o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 t h er o t a t i o n a l f r e t t i n gr e g i m e so ft w os o l i d l u b r i c a t i o nc o a t i n g sa n d s u b s t r a t ew e r es t r o n g l yd e p e n d e n to nr o t a t i o n a la n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s a n dn o r m a ll o a d sw h i c hr e s u l t e di np a r t i a ls l i pr e g i m eo rs l i pr e g i m e ，b u tn om i x e d f r e t t i n gr e g i m e s f r e t t i n gr e g i m e so ft h es u b s t r a t ew e r ec h a n g e db yt h eb o n d e d m o l y b d e n u md i s u l f i d ec o a t i n g ，i e s rs h i f t e d t ol o w e ra n g u l a rd i s p l a c e m e n t a m p l i t u d e s ；h o w e v e r , f r e t t i n gr e g i m e so ft h es u b s t r a t ew e r en o tc h a n g e db yt h ei o n s u l f i d el a y e r 2 t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft w os o l i dl u b r i c a t i o nc o a t i n g sa n ds u b s t r a t e i n d i c a t e dt h a tm o l y b d e n u md i s u l f i d ec o a t i n gh a v es h o w ng o o df r i c t i o n r e d u c i n g e f f e c t i nt h ew h o l eo ff r e t t i n gr e g i m e s ；i o ns u l f i d el a y e rh a ds h o w ng o o d f r i c t i o n r e d u c i n ge f f e c ti nt h ep a r t i a ls l i pr e g i m ea n dt h ei n i t i a ls t a g eo ft h es l i p r e g i m e ，b u ti nt h es t e a d ys t a g eo ft h es l i pr e g i m e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a s c o n s i s t e n tw i t ht h es u b s t r a t ed u et od a m a g e d 3 t h ed a m a g eo ft w os o l i dl u b r i c a t i o nc o a t i n g sa n ds u b s t r a t ei nt h ep a r t i a l s l i pr e g i m ew e r ev e r ys l i g h t s ；i nt h es l i pr e g i m e ，t h ed a m a g em e c h a n i s mo f t h ei o n s u l f i d el a y e r sa n ds u b s t r a t ew e r em a i n l yd e l a m i n a t i o n ，a b r a s i v ew e a ra n do x i d a t i o n w e a r ，b u tt h ed a m a g em e c h a n i s mo fm o l y b d e n u md i s u l f i d ec o a t i n gw e r em a i n l y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 ii 页 孽鼍摹兽皇蔓皇皇璺舅寡曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼寰曼皇曼曼皇皇皇鼍寰m = = = = = = = = ；：= = ：罩暑= = = = = = = = ：- - = 鼍曼曼皇曼寰 d e l a m i n a t i o n t r i b o o x i d a t i o n ；t h e “b u l g e ”o fw e a rs c a ro ft w os o l i dl u b r i c a t i o n c o a t i n g sa n ds u b s t r a t ep r o b a b l yr e s u l t e df r o mt h ea c c u m u l a t e dp l a s t i cf l o wd a m a g e ， b u tt h ed u r a t i o no fi t s e m e r g e n c ea n d e x i s t e n c ew a sd e p e n d e n to n f r e t t i n g p a r a m e t e r 4 c o m p o s i t el u b r i c a t i o n sw a sc o n s i s t e do ft h ei o ns u l f i d el a y e ra n dt h e l u b r i c a n t so i l ，w h i c hg r e a t e rc h a n g e dt h e f r e t t i n gr e g i m e so ft h es u b s t r a t e ， a n d s h o w na ne x c e l l e n tl u b r i c a t i n ge f f e c to fr e d u c i n gf r i c t i o n k e yw o r d s ：f r i c t i o nw e a r ；f r e t t i n gw e a r ；r o t a t i o n a lf r e t t i n g ；s o l i dl u b r i c a t i o n c o a t i n g ； b o n d e d m o l y b d e n u m d i s u l f i d e c o a t i n g ；l o wt e m p e r a t u r e i o n s u l p h u r i z a t i o n ；c o m p o s i t el u b r i c a t i o n s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：0 三荔 指导老师签名： 日期：眇f q 6 雾 日期： 勿夕7 w l 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 对两种固体润滑涂层及l z 5 0 钢基体的转动微动实验研究，总结归纳了 两种涂层和基体的转动微动动力学曲线，建立了运行工况图，研究法向载荷、 转动角位移幅值以及循环周次对摩擦系数和损伤特性的影响，揭示了两种涂层 和基体的转动微动损伤机理。( 论文第三、四、五章) 2 对离子渗硫层和润滑油构成复合润滑的转动微动实验研究，总结归纳了 转动微动的动力学曲线，建立了运行工况图，研究法向载荷、转动角位移幅值 对摩擦系数的影响，以及与离子渗硫层、基体比较分析了摩擦系数的变化关系。 ( 论文第五章) 3 比较分析了两种固体润滑涂层和基体的运行工况图、摩擦系数、运行工 况图以及损伤特性，并建立了球平面接触条件下，涂层的转动微动损伤机制物 理模型。( 论文第六章) 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名： 岔色彩 日期- 沙。、- 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是综合了人们熟悉的摩擦、磨损、润滑学科知识，从 系统综合分析的观点，从多科学、交叉学科的角度，研究摩擦副群体的摩擦、 磨损、润滑的现象、材料及系统相关性的新学科，而摩擦学领域中的磨损、腐 蚀和疲劳断裂又是材料的三种主要失效形式，也是造成经济损失的主要原因 f l 2 j 。磨损更是工业领域和日常生活中常见的现象，也是造成材料和能源损失的 重要原因，而在各种磨损类型中，两个表面之间发生小振幅相对振动引起的微 动磨损 3 1 ，由于没有宏观的相对运动，磨损接触面基本保持原位接触，其造成 的破坏不易直观的被观测到，具有很强的隐蔽性，故从设计到失效分析几乎未 引起相关学者的重视。事实上，工程中的微动损伤普遍存在于机械行业、核反 应堆、航空航天器、桥梁工程、汽车、铁路、船舶、电力工业甚至人工植入器 官等领域的紧配合部件中，现已成为一些关键零部件失效的主要原因之一，甚 至有人称之为“工业癌症h j 。 1 1 微动摩擦学的基本概念 不同于传统的滑动和滚动，微动( f r e t t i n g ) 是指在机械振动、疲劳载荷、 电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小的相对运动 ( 位移幅值一般为微米量级) ，这些接触表面通常名义上是静止的，即微动发生 在“紧固”配合的机械部件中【4 ，5 】。微动摩擦学是研究微动机理、损伤、测试、监 控、预防及减缓微动损伤的门涉及材料、力学、物理学、化学、甚至生物医 学、电工学等多领域的交叉学科【5 】。 1 1 1 微动运行模式 在实际工程中，微动现象对应的微动接触模式是非常复杂的。目前，为了 便于研究，通常按球平面模式将微动接触状态进行简化。根据接触体间不同的 相对运动方式，可将球平面接触模式简化为四种基本运行模式( 见图1 1 ) ，即： a ) 切向微动，最为普遍的微动模式；b ) 径向微动；c ) 转动微动；d ) 扭动微 动。后三类微动模式虽然在工业中也经常出现，但相关研究报道却相当少，综 合两种或两种以上的微动模式的叠加，即为复合微动，但问题的复杂性却大大 增加，研究更是少见。 1 1 2 徽动磨损特点 1 由于振幅很小，磨屑难于从接触区溢出，因此微动磨损局限于各实际接 触区域； 2 局部往复运动中，微动界面大都处于高应力状态，表面和亚表面变形及 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 裂纹萌生要比一般滑动严重得多； 3 相对滑动速度很小； 4 不同于般滑动摩擦下的氧化通常减轻磨损，微振摩擦氧化会加快磨 损； 5 摩擦表面上出现带色的斑点，它是集结着被压合的粉状氧化物的点坑， 这是微动磨损的重要特征，此外还有微裂纹或小沟槽。 氲b 0 g b o 切向微动径向徽动转动徽动扭动微动 a )b )c )d ) 尸一法向载荷d 一位移幅值口一角度振幅 图1 1 四种基本微动运行模式 1 1 3 影响微动磨损的因素 影响微动磨损的因素比较多，而且各影响因子之间又存在相互作用，使得 微动损伤现象较为复杂。一般认为，主要在以下三个主要方面： 1 接触条件参数：主要包括接触方式、法向载荷、相对位移幅值、循环次 数、微动频率、刚度、试样几何特征等； 2 物理条件：包括微动试样材料及其化学成分、力学特性等； 3 试验环境条件：包括微动试验接触区周围的温度、湿度、介质( 润滑剂、 腐蚀液、涂层等) 、气氛等。 1 2 转动微动实例及研究现状 转动微动是指在交变载荷作用下，紧配合接触副发生微幅转动的相对运动 【6 】。其现象大量存在于机械装备和器械中，大大缩短了零部件寿命、直接影响 了安全生产，同时也造成了巨大的经济损失。目前对转动微动的研究较少，迄 今仅见的转动微动摩擦磨损实验研究，是来自英国帝国理工大学的b j b r i s c o e 等，为评价用于人工关节的p m m a 树脂的磨损性能，开展的p m m a 钢球配副 在不同转角的扭动和转动以及两种方式复合运动的摩擦磨损试验研究，以及朱 曼吴课题组对铝合金、纯铁、l z 5 0 车轴钢等材料开展了转动微动摩擦学特性的 试验研究l 6 l3 1 。 堑里耋塑查耋堡圭至查兰兰堡堡塞量：尘 12 1 转动微动实例 12 l1 机车轮轴配合面 列车轮轴是列车运行的关键部件，其质量状态直接关系到铁路运输安全。 车轴与车轮为过盈配合，由于轴的弹性变形及运行中不可避免的振动，车轴与 车轮轮毂孔之间存在微小位移的往复运动即微动，其造成明显的微动损伤现象， 其中就包括转动微动损伤( 见图l 一2 ) 。运行段时间后，轮轴配合面会发生微 动损伤及疲劳裂纹而微动不仅造成车轴的表面磨损，同时也导致裂纹过早萌 生及加快其早期扩展，从而降低了车轴的疲劳寿命，对机车的安全运行构成了 极大的威胁并严重制约了高速列车的运行速度【14 “3 i 。 o f r e t t i z o l l e s a ) 轮轴过盈配台面的受力状况b ) 车轴配合面损伤形貌 图i 一2 机车轮轴配台面微动受力及损伤 12 i2 车辆悬架窝球接头 汽车等载运车辆的转向系统，最容易出现问题点就是轴承和各部分球接头 的磨损，如悬架球接头( 小弧度接触表面或较小位移幅值时属于转动微动) 过 度磨损后( 见图1 3 ) ，在行走时或转弯时，都很容易出现方向盘问隙过大或导 致车子的不稳定危及行车安全。美国汽车巨头戴姆勒一克莱斯勒集团2 0 0 5 年宣布将实行对m y2 0 0 2 2 0 0 6l i b e r t ys u v s 车的召回计划，涉及8 0 多万该公 司生产的“t r a i lr a t e d ”s u v s 。 a ) 悬架球窝b 】过度磨损后的球接头 圈1 - 3 汽车的忌架球寓殛过度磨损的球接头 西南交i i 大学硕士研究生学位论文 第4 页 12 13 人工关节假体 在生物医学领域，人体植入器械中的髋关节等假体关节( 见图1 4 ) ，当假 体关节处在鞍小运动幅度f 活动时，发生转动微动现象。关节假件磨损是人工 关节后期松动的重耍因素之一，其l 临床意义不仅在于假休本身破坏所引起的机 械性失败，还在于磨损可产生大量具有畴导假体周围骨溶解( o s t e o l y s i s ) 生物 反应的颗粒物质，诱发生物体组织病变，危害人们的健康。圈1 4 ( b ) 为髋关 节假体磨损后的人工关节这些微粒物质的存在可能激发机体反应，产生过多 的溶骨性介质，诱发假体周围骨溶解，使金属假体的支撑结构遭到破坏，从i i l j 导致假体松动。 ”擘刁 岁“ 十目m | 图1 4 关节假体处转动澉动现象 l22 转动微动研究现状 1221p m m a 磨损性能研究 图1 5 示出了英国帝国理工大学的bjb r i s c o e 等为评价用于人工关节的 p m m a 树脂的磨损性能，而研究的p m m a 钢球( a s l 5 2 1 0 0 ) 摩擦磨损试验装 置。可见，当给定钢球的转速( 目= 2 。s ) 后，通过改变p m m a 平面试样法线与 球中心线之间的夹角的变化，实现p m m a 铜球的纯扭动( q - o 。) 、纯转动 ( a = 9 0 。) 及扭转复合( 0 0 a 9 0 。) 不同的接触状态【”j 。 图1 * 6 是在不同角度，同种工况f ，经过5x 1 0 3 次循环后，所得到的p m m a 试样磨痕形貌及磨痕轮廓曲线。可见，在c t = 0 。时的纯扭动状态下，磨痕呈半球 形，且中心无波纹状结构，几乎没有磨粒的堆积，窗痕轮廓呈“u ”状；a - 5 。时， 磨痕仍呈半球形，少量磨届预先堆积在磨痕中闻，而磨痕轮廓呈u 状，但深 度变浅：a = 3 0 。时，出现磨粒堆积，并在接触中间压成隆起的波纹，磨痕轮廓呈 “w ”状；c t = 9 0 0 时的纯转动状态下，磨痕中心的波纹逐渐台并，磨痕轮廓更近“w ” 状。分析表明，随着d 角度的不断增加，接触模式由纯扭动变化到纯转动，试 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 样磨痕宽度与相对磨痕深度在不断的缩小。原因是在扭动状态下，磨损过程中 的能量耗散有利于磨屑从接触区边缘排出，使得磨痕深度越压越深；而转动状 态下，磨损过程中磨屑被碾压并大量堆积在磨痕中心处，且形成了一条与运动 方向垂直的波纹，在中心隆起两边都有深沟，同时在球接触面并没有发现磨屑 转移j 。 传感器接触块转动电机垂直转架 a ) 试验装置结构图”接触状态示意图 图1 5p m m a 钢球磨损试验装置 同时，b j b r i s c o e 等【l2 j 还在p m m a 试样表面粘贴应变片，测量在扭动、 转动以及介于两者之间的条件下样品表面的应变变化。如图1 7 ( a ) 所示，纯 扭动条件下，由力学分析，t ，o 是样品表面仅有的应力，且呈轴对称分布，因此 4 个应变片放置在主应力方向上( 即径向+ 一4 5 0 方向) 可测量f r o o 如图1 7 ( b ) 所示， f r o - 0 微动曲线结果表明，当角位移幅值8 夕7 。 c y c l e = ! 0 0c y c k - 1 0 0c y c l e = 1 0 0c y c l v f f i l 0 0 ，j ， j ，| 一， 7 5 c y c l v = 5 0 0 c y c h 硝o oc y c k , = s 0 0c y c l w 5 0 0 ，一 0 。 。， 。 c y c l e 1 0 0 0 c y c k , 1 0 0 0 c y c k = 1 0 0 0c y c l 萨1 0 0 0 j ，么 j ， 7 旬2 500 2 5- 0 2 500 3 5 转动角位移幅值。 鸪f 庐5 nq f 庐1 0 nc ) f n = 2 0 n岛f 萨5 0 n 图3 3 基体在不同法向载荷下的最一p 曲线：0 = - o 2 5 0 2 0 0 2 0 2 0 0 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 8 页 图3 4 基体在不同法向载荷下的摩擦系数：e = - o 2 5 。 图3 - 5 示出了经大量转动微动磨损试验得到的基体材料的运行工况微动 图，可以发现，试验结果完全符合二类微动图理论【4 1 ，微动参数的变化决定微 动区域的不同。部分滑移区出现在转动角位移幅值较小或法向载荷较大的工况； 相反，在转动角位移幅值较大或法向载荷较小时出现滑移区；混合区并未发现。 转动角位移幅值。 图3 - 5 基体运行工况微动图 上述分析表明，改变微动工况，基体微动区域在部分滑移区和滑移区之间 转换。在部分滑移区，摩擦系数经过较少循环后便迅速爬升至最大值随后保持 稳定，摩擦系数稳态值较低，且受转动角位移幅值和法向载荷的影响较大：而 滑移区的摩擦系数随循环次数呈现出爬升、下降和稳定3 个阶段，演变规律与 往复滑动磨损一致，转动角位移幅值和法向载荷的变化对摩擦系数的影响较小。 3 2 转动微动损伤特性 3 2 1 部分滑移区 图3 - 6 示出了基体在法向载荷f = 2 0n 、转动角位移幅值口- - 0 1 2 5 。时微动 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 9 页 处于部分滑移区的磨痕形貌和轮廓。由图可见，磨痕呈现典型的圆环状特征， 接触区域由两部分组成，即接触中心的黏着区，没有发现磨屑和明显的损伤痕 迹，而在接触边缘规则的圆环状微滑区，出现轻微损伤和少量的磨屑颗粒：对 微滑区进行e d x 能谱分析显示，笈现有明显的0 峰出现，表明在微滑区有轻 微氧化磨损( 见博3 - 6 ( b ) ) ；同时，磨痕轮廓比较平整， 兑明磨损几乎未发生 明显变化，仅在微滑区有稍许凸起磨屑，也表明损伤十分轻微( 见图3 6 ( c ) ) 。 部分滑移区的微动主要以表面弹性变形来协调对于球7 平面接触，基本符合切 向微动的m i n d l i n 弹性接触理论，磨损机制主要表现轻微损伤、磨粒磨损和氧 化磨损。 隘 a 1 磨痕s e m 全貌b 1 磨痕微滑区e d x c ) 磨痕轮廓 囝3 - 6 基体在部分滑穆噬的磨痕形貌和轮廓：f 。= 2 0n ，扣o125 。，n - 】0 0 0c y c l e s 3 2 2 滑移区 图3 7 和3 - 8 示出了基体在法向载荷为2 0 n 、转动角位移幅值为05 。时， 不同循环次数下的磨痕形貌和轮廓。可见，在循环次数为5 0 次时，形成椭圆状 磨痕区域，接触区中心囡材料塑性流动而开始出现剥层现象，而中心硬侧仅呈 碾压状态，磨痕轮廓显示在中心有轻微“隆起”特征( 见图3 - 8 ( a ) ) ，同时， 材料表面的保护膜已被磨掉，而充当磨损润滑剂的磨屑层( 第三体) 尚未完全 形成，此时的摩擦系数表现为持续攀升状态；循环次数增加到1 0 0 次时在整 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 0 页 ! 曼ii | ! ，| 自| ! | e 目| e ! 目e 目e 目! e ! 目e | e g e ! e 蕾 个磨损区域均产生了磨损剥层现象，在磨痕中心区域的“隆起”特征尤为明显 ( 见图3 8 ( b ) ) 。伴随着循环次数的持续增加，循环次数到达5 0 0 次和1 0 0 0 次时，大量的磨损颗粒散落在磨痕区域及周边，厚厚的磨屑堆积在磨痕区域， 1 0 0 0 次循环时，磨痕中心有明显被碾压形成的磨屑层 三体层) 特征，磨痕表 面在长时间周而复始的磨损中达到饱和，即磨屑产出与溢出达到动态平衡，摩 擦系数进入稳定阶段，磨痕区出现大量磨屑堆积，轮廓曲线显示磨痕呈较大程 度的“隆起”特征( 见图3 8 ( c 、d ) ) ，“隆起”特征是由于材料表层塑性流动 和磨屑在接触区堆积的结果。同时，随着转动角位移幅值和法向载荷的增大， 材料损伤也在加重( 见图3 9 ( a b ) ) ，磨痕“隆起”特征也会减弱( 见图3 - 9 ( c d ) ) 。对法向载荷为2 0 n 、转动角位移幅值为l 。时材料磨痕表面端部a 处 和中心b 处进行e d x 能谱分析显示( 见图3 - 9 ( e ) ) ，两处的0 峰均比较高， 这是由于在滑移区两接触体运动状态处于完全滑移，由机械功和摩擦热的作用 引起的氧化磨损现象。综上分析表明，在滑移区基体的磨损机制可归纳为剥层、 瘩粒磨损和氧化磨损。 a ) 5 0c y c l e s c ) 5 0 0c y c l e sd ) 1 0 0 0c y c l e s 图3 - 7 不同循环次数f 基体的s e m 磨痕形貌f 。= 2 0n ，8 - - 05 。 里童耋耄耋耋堡圭至窑圭耋堡丝塞矍：! 至 c ) 5 0 0c y c l e sd ) 1 0 0 0c y c l e s 圈3 - 8 不同循环次数下基体的磨痕轮廓f 。= 2 0n ，仁05 。 a ) 磨痕形貌：f 。= 2 0n b ) 磨瘕彤貌：，n = 5 0n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 页 叠最觅屣i 盥) c ) 磨痕轮廓：f = 2 0n 蠢衰宽度舢由 d ) 磨痕轮廓：r = 5 0n e ) e d x 能谱：f = 2 0n 图3 - 9 不同工况下基体的磨痕s e m 形貌和轮廓：0 = - 1 。，1 0 0 0c y c l e s 本章小结 本章通过对基体在不同微动工况下，开展了大量的转动微动试验。通过对 摩擦力一转动角位移幅值( r p ) 曲线、摩擦系数的分析，同时结合转动微动磨 痕损伤分析得出以下结论： 1 基体的转动微动仅存在两个区域，即部分滑移区和滑移区，未见混合区， 部分滑移区出现在转动角位移幅值较小和法向载荷较大的区域，相反则为滑移 区。 2 部分滑移区，摩擦系数较小，且随着转动角位移幅值的增大而增大，随 着法向载荷的的增大而减小，材料表面总体损伤轻微。 3 滑移区，摩擦系数相对较大，法向载荷和转动角位移幅值的变化对摩擦 系数的影响均较小；对滑移区材料的损伤分析表明材料磨痕区的“隆起 特征， “隆起”特征是由于材料表层塑性流动和磨屑在接触区堆积的结果，“隆起 特 征存在时间的长短与微动参数有关，基体在滑移区的磨损机制主要表现为剥层、 磨粒磨损和氧化磨损。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 3 页 第4 章m o s 2 涂层转动微动摩擦学特性研究 粘结固体润滑涂层是将固体物质涂于摩擦界面，以降低摩擦减少磨损的措 施，因其在经济、性能等方面的优越性，在民用机械、空间技术等多方面得到 了广泛应用【69 1 。研究表明粘结涂层应用于飞机发动机压气机叶片榫头、各种花 键及螺栓连结等配合面，可以减缓微动磨损，延长零件使用寿命【7 们。m o s 2 由 于具有特殊的层状结构，其承载力高、摩擦系数低，作为固体润滑材料广泛应 用于摩擦学领域。本章针对m o s 2 粘结固体润滑涂层，通过转动微动试验，考 察其在不同工况条件下的转动微动摩擦学特性，期望推进该涂层在抗转动微动 损伤应用方面提供理论依据。 4 1 转动微动运行特性 4 1 1 转动角位移幅值的影响 2 0 0 2 0 冬 蒸2 0 避 o - 2 0 - 0 2 5 0o 2 5 一l0 l c y c l e = f 0c y c k 产1 0c y c l e = 1 0c y c l e = t 0 女乒。， 予尹一 c y c l e ；1 0 0c y c l 萨1 0 0 c y c l e = 1 0 0c y c l e = t 0 0 d 芦，一 ， _ ；r f j c y c l e 穹- - 5 0 0c y c l e = 5 0 0 c y c l e = 5 0 0c y c i c f - - 5 0 0 一，。 。 f 7， j c y c l e 产1 0 0 0 c y c l v = 1 0 0 0c y c l 萨1 0 0 0 c y c l e = l o o o ， 7 ，一y _ ? - - 0 1 2 500 1 2 5 - 0 500 5 转动角位移幅值。 a ) 0 = 0 1 2 5 0协0 = 0 2 5 。c ) 0 = 0 5 。d ) 0 = 1 。 2 0 0 - 2 0 2 0 0 - 2 0 图4 1m o s 2 涂层在不同转动角位移幅值下的只一0 曲线：f 。- - 2 0n 图4 1 示出了粘结m o s 2 涂层在法向载荷f n = 2 0n 时，转动角位移幅值 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 4 页 8 = 0 12 5 0 1 。、不同循环次数时摩擦力( r ) 一转动角位移幅值( 口) 曲线。由图可 见，在转动角位移幅值较小时( 8 = 0 1 2 5 0 ) ，t 一口曲线在不同循环次数下均呈闭 合直线型，说明微动运行于部分滑移区，接触界面的相对运动主要由弹性变形 来协调；当转动角位移幅值目0 2 5 0 时，只一日曲线均呈平行四边型，则表明接 触面间有相对滑移，两接触体一直处于完全滑移状态，即微动运行于滑移区。 图4 2 示出了法向载荷为2 0n 时，不同转动角位移幅值对m o s 2 涂层摩擦 系数的影响。当转动角位移幅值伊0 1 2 5 0 微动运行于部分滑移区时，摩擦系数 在经历几次循环后迅速达到最大值，随后便保持稳定在较低水平；而当转动角 位移幅值晓0 2 5 0 时，微动运行于滑移区，摩擦系数曲线开始呈现爬升趋势， 且伴随着起伏波动，之后因转移膜的作用，表现下降走势，之后又因转移膜逐 渐剥落溢出，表现出再次上升走势，并且转动角位移幅值的增大对摩擦系数的 影响较小，即循环末期不同转动角位移幅值下的摩擦系数趋于一致。 图4 2m o s 2 涂层在不同转动角位移幅值下的摩擦系数：f = 2 0n 4 1 2 法向载荷的影响 研究在同一转动角位移幅值下不同法向载荷对m o s 2 涂层的r 日曲线的影 响如图4 3 所示。可见，在法向载荷为1 0n 时，r 一目曲线在整个循环次数中均 呈扁平行四边型，微动运行于滑移区；而法向载荷为2 0n 和5 0n 时，两种载 荷下的f i 一口曲线在整个循环中均呈闭合直线型，微动均运行于部分滑移区；同 时，摩擦力随着法向载荷的增加而增加，但增加幅度较小。 图4 4 示出了同一转动角位移幅值下，法向载荷的变化对m o s 2 涂层不同 微动区域的摩擦系数影响。由图可见，在部分滑移区，由于接触中心处于黏着 状态，接触表面通过弹性协调变形，在经过较短的循环次数后，摩擦系数就保 持在一个较低的稳定值，并且法向载荷越大摩擦系数越小越稳定。而在滑移区， 摩擦系数经历3 个阶段，即：1 上升阶段：表面膜( 污染物和吸附膜) 受到剪 切和挤压作用后被破坏，对磨副发生直接接触，实际接触面积增大，接触区发 生表面黏着和塑性变形，摩擦系数持续攀升；2 下降阶段：交变剪切力的持续 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 页 作用，导致接触表面涂层呈片状剥落，脱落的颗粒被辗碎、迁移并形成磨屑， 且发生转移，在对磨副表面形成转移膜，转移膜与涂层表面磨屑在摩擦界面构 成第三体层，接触状态由二体磨损向三体磨损转变，摩擦系数开始逐渐下降； 3 再次上升阶段：由于转移膜参与界面摩擦，并不断被磨掉外泄，导致对磨副 与涂层接触面积逐渐加大，摩擦系数出现再次攀升走势，但由于转移膜外泄的 同时，也在被生成，上升程度放缓。同时，不同法向载荷下的摩擦系数曲线走 势一致，且法向载荷越大对应的摩擦系数越小越稳定。 2 0 0 2 0 冬 蒸2 0 避 0 _ 2 0 c y c i c f l oc y c l e = 1 0c y c l e l o 口声，一 d 矿一 c y c l e = 1 0 0c y c l e = 1 0 0c y c l e 一1 0 0 一，一；矿 4 予7 c y c l e = 5 c y c l e 0 0c y c l c f - 5 0 0 l ，。 - ，一 一，一 c y c l e 1 0 0 0 c y c k = 1 0 0 0c y d e = 1 0 0 0 一，一， ，一 一 ，一一一一一 - 0 1 2 50 1 2 5 转动角位移幅值。 a ) ，n 一1 0 nb ) f n = 2 0 nc ) f 净5 0 n 图4 - 3m o s 2 涂层在不同法向载荷下的f t 一目曲线：萨0 1 2 5 。 没有涂层与粘结涂层两种条件下得到的转动微动特性图见图4 5 所示。可 以发现，粘结涂层完全改变了基体的微动区域。如当f = 5 0n 、o = o 2 5 0 时，基 体材料运行于部分滑移区，而m o s 2 涂层已进入滑移区，说明采用粘结涂层后， 使得部分滑移区范围大幅减小，这与m o s 2 的晶体结构密切相关，因为m o s 2 属于六方晶体层状结构，层与层之间以较弱的范德华力相连接，极易构成滑移， 使得r 目曲线张开呈平行四边型。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 6 页 8 ) 部分滑移区：0 = - 0 1 2 5 。b ) 滑移区：0 = - 0 5 。 图4 4m o s 2 涂层在不同法向载荷下的摩擦系数 转动角位移幅值。 图4 - 5m o s 2 涂层运行工况微动图 综上分析表明，转动角位移幅值和法向载荷对m o s 2 涂层的转动微动运行 区域均有影响，在较小转动角位移幅值或较大法向载荷下，即口曲线呈闭合直 线型，微动运行于部分滑移区，由于接触中心处于黏着状态，接触表面涂层通 过弹性变形来协调，摩擦系数较低，并且法向载荷越大摩擦系数越小越稳定； 当转动角位移幅值增大或法向载荷减小时，r 一目曲线则呈现为平行四边型，微 动处于滑移区，摩擦系数的变化与转移膜的生成速率及其存在的时间长短有关， 总体走势表现为上升、下降、再次上升3 个阶段，法向载荷越大摩擦系数越小 越稳定，而转动角位移幅值的变化对摩擦系数的影响较小。 4 2 转动微动损伤特性 4 2 1 部分滑移区 图4 - 6 示出了m o s 2 涂层在部分滑移区的磨痕形貌。由图可见，涂层表面 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 7 页 几乎没有损伤，而中心放大的s e m 磨痕形貌显示，滁层表面致密的颗粒特征 仍然可见，e d x 分析显示涂层并末发生摩擦氧化行为( 见图4 - 6 ( c ) ) ；磨痕轮 廓较为平坦，说明涂层仅呈现受压痕迹( 见图4 - 6 ( d ) ) ；分析表明m o s 2 涂层 在部分滑移区具有很好的减摩润滑效粜，涂层总体损伤轻微。 a ) 磨痕s e m 全貌b ) 磨痕中心s e m 形貌 抽 c ) 磨痕中心e d xd ) 磨瘦轮廓 圈4 - 6 m o s 2 涂层庄部分楫移区的蘑痕形貌和轮廓f 。= 2 0 n 6 = 0 12 5 i n - 1 0 0 0c y c e s 4 22 滑移区 考察在相同法向载荷下，转动角位移幅