摩擦磨损试验和测试分析技术

2024/6/21/86主要内容7.1摩擦磨损试验的分类7.2磨损试验的模拟问题和试验参数的选择7.3摩擦、磨损、润滑试验机7.4摩擦磨损试验中的测试7.5摩擦表面的近代微观分析法7.6磨损微粒的分析技术2024/6/22/86概述1、摩擦磨损实验研究的必要性：要研究摩擦学的理论，确定各种因素对摩擦、磨损性能的影响，研究新的耐磨、减摩及摩阻材料和评定各种耐磨表面处理的摩擦、磨损性能，必须掌握摩擦磨损试验技术。2、摩擦磨损试验技术包括两个方面内容，即：摩擦磨损试验装置；摩擦磨损试验方法。2024/6/23/867.1摩擦磨损试验的分类根据试验条件和任务可将摩擦磨损试验分类如下：2024/6/24/867.1.1使用试验使用试验是在实际运转现场条件下进行的。目的：对实际使用中的机器进行监测，了解其运行可靠性和确定必需的检修；对新开发的机器设备或某一部分零件的耐磨性进行实机试验，以便进行优化。优点：在实际运转条件下所进行的摩擦磨损试验所得的数据资料比较真实，因而比较可靠，它往往是最终评定的依据。2024/6/25/86使用试验的缺点和困难①摩擦磨损往往是多因素综合影响的结果，使用试验中无法有意改变某一参数而保持其他参数不变，以确定某个因素对摩擦磨损的影响；②一些对摩擦磨损来说很重要的参数难以或无法测量，可测量的参数所得结果精度往往也不高；③使用试验中常遇到一些偶然因素，因而所得的结果通常只说明一个具体特例，难以推测其他相似的场合；④试验周期长，消耗较大的人力和物力。因此，若要对一种新材料的磨损性能进行研究，使用试验法是不合适的，通常要首先进行一系列实验室试验。2024/6/26/867.1.2实验室试验试样试验是一定工况条件下，用尺寸较小、结构形状简单的试样在通用的试验机上进行的试验。主要优点：①便于研究摩擦磨损的过程和规律；②适宜研究材料的摩擦磨损性能，包括润滑材料的润滑性能；③可减少和控制偶然因素，适用于研究各因素对摩擦磨损的影响;④试验周期短，费用较低。

2024/6/27/86试样试验分为一般性和模拟性两种。一般性的试样试验不强调模拟某一零件实际工作情况，试件形状简单，主要用于研究摩擦磨损的机理、一般规律以及材料的相对耐磨性。这种试验由于试验条件理想化，其结果难以直接应用到某一具体场合。模拟性零件试验主要是模拟某种零件的实际工作情况，因而针对性比较强。在零件批量投产之前应做这种试验，以便对其性能进行优化。但由于影响摩擦磨损的因素的多样性和摩擦磨损过程的复杂性要做到确切的模拟比较困难，要作多方面的考虑。2024/6/28/86属于实验室试验的还有一种为台架试验。台架试验是用真实的零部件，甚至整台机器进行的试验。这种试验的工作条件比较接近实际工况，而比实机磨损试验的优越之处在于能够预先给定可控制的工况条件，并能够测得各种摩擦磨损参数。常见的台架试验台有轴承试验台、齿轮试验台、凸轮挺杆试验台等。为了研究滑动轴承的摩擦磨损性能，己发展了一系列不同形式的轴承试验机，用它可以试验轴承的跑合性能、混合摩擦状况下的磨损性能、轴承缺油时的应急性能以及在液体动力润滑时的表面疲劳磨损性能等。

2024/6/29/86在摩擦磨损研究工作中，通常先在实验室里进行试样试验，然后再进行台架试验和使用试验，构成一个所谓“试验链”。这样容易在复杂的问题中，抓住主要矛盾进行分析比较，在较短时间内和消耗尽量低的情况下取得结果。当然根据具体情况，对于一些试验环节应该有所取舍，使试验过程有所简化。

2024/6/210/867.2磨损试验的模拟问题和试验参数的选择1、摩擦磨损试验模拟摩擦磨损性能是摩擦学系统在给定条件下的综合性能,因此,实验结果的普适性较低。所以在实验室实验时,应当尽可能地模拟实际工况条件。2、实验参数的选择模拟的磨损试验系统中最多有四种参数可以与实际摩擦系统不相同：①载荷；②速度；③时间；④试样尺寸和形状。而其他方面，如摩擦运动方式和摩擦状况、引起磨损的机理、组成摩擦系统的各要素及其材料性质、摩擦时的温度及摩擦温升、摩擦系数等模拟的和实际的系统两者必须相同或相似。2024/6/211/867.3摩擦、磨损、润滑试验机摩擦磨损试验机的种类繁多，仅在ASLLE(美国润滑工程协会)汇编的摩擦磨损试验机目录中就列有百余种。按不同角度分类如下:(1)按摩擦副的接触形式和运动方式分：

点接触、滑动；线接触、滑动和滚动；线接触、滑动；面接触、滑动；面接触、往复运动。

7.3.1试验机的种类2024/6/212/86图7-1摩擦副的接触形式和运动形式

2024/6/213/862024/6/214/86(2)按摩擦副的功用分：齿轮磨损试验机；滑动或滚动轴承摩擦磨损试验机；制动器摩擦磨损试验机；凸轮挺杆磨损试验机等。

2024/6/215/86(3)按摩擦条件分：普通磨损试验机；快速磨损试验机；高温或低温摩擦磨损试验机；高速或低速摩擦磨损试验机；真空摩擦磨损试验机；腐蚀磨损试验机等。2024/6/216/867.3.2常用的摩擦磨损试验机1.MM-200型磨损试验机试验机主要由传动机构、加载机构和摩擦力矩测量机构组成。该试验机可做金属或非金属材料(尼龙、塑料等)在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动-滑动复合摩擦和间歇接触摩擦等各种状态下的摩擦磨损性能试验，并可改变润滑状况，使在液体摩擦、边界摩擦、干摩擦及磨料磨损条件下进行试验，评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数。

2024/6/217/862024/6/218/86图7-2MM-200试验机原理图

2024/6/219/86图7-3MM-200机可采用的摩擦副型2024/6/220/86

2．四球试验机工作原理：由四球(1个上球，3个下球)组成摩擦副，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，通过加载系统向下球组加载。根据磨损痕迹的尺寸或者发生胶合时的载荷大小评定润滑油的质量。主要用途：四球试验机主要用于评定润滑油质量。由于试件和工作方式都比较简单，所以广泛得到应用，已被一些国家规定为标准试验机。2024/6/221/86图7-4四球试验机的主要组件

2024/6/222/86主轴有六个转速(600r/min、700r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min、3000r/min)。总载荷为60～1260N。最高温度可达250℃。摩擦力矩的变化可自动记录下来，运转一定时间以后，要对三个固定球的磨痕大小进行测量，或者测量发生胶合时的载荷大小。2024/6/223/863.环块式摩擦磨损试验机它的摩擦副是由转动的轴套和与之紧压在一起的环块试样所组成。加载机构与一个带刀口的横杆连接，可以用它对摩擦系数进行测量。试验时要确定运转10min而不出现胶合的最大载荷值。用读数显微镜测量磨痕宽度，计算磨损的体积。摩擦系数可用带刀口的横杆上的平衡重算出。运行时的润滑油温要保持某一规定值，同样地，在做油品试验时，要对试件的材料硬度和表面处理按规定制作。

2024/6/224/86图7-6环块式摩擦磨损试验机示意图

2024/6/225/864．往复式磨损试验机该试验机可对作往复运动的零件材料，如气缸套和活塞环进行试验研究。齿轮箱是将旋转运动变换为连杆往复运动的全平衡机构，试件装在滑块上，由连杆带动作往复运动，上试件固定在支架上，并由液压油缸加载。2024/6/226/86图7-7往复式磨损试验机示意图2024/6/227/86试验机最大加载压力为12MPa；往复速度200～l500r/min；行程为110mm。试件尺寸：上固定试样3mm×4mm×16mm至8mm×4mm×30mm，下试件：尺寸7mrn×40mm×125mm。可做干摩擦试验或滴油润滑试验。温度可从室温至250℃范围内调节。该试验机可对温度、载荷、往复速度摩擦系数等参数进行自动测量，并可记录打印和数字显示。2024/6/228/86

5．销盘式摩擦磨损试验机试验时，销固定不动，盘做旋转运动。通过力传感器采集试验过程总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。这种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，研究工况参数对摩擦性能和磨损机理的影响，是目前用途最广泛的摩擦磨损试验设备。可以在润滑或干摩擦条件下做磨料磨损或粘着磨损试验。这种试验机的形式较多，有单销式和三销式等。2024/6/229/86图7-8销盘式磨损试验机示意图2024/6/230/862024/6/231/86MMU-5G外观图2024/6/232/866.MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机主要用于在高温状态下以滑动摩擦的形式对端面、销盘等试样进行磨损性能的评定。可用来评定各种金属、涂层、工程塑料、陶瓷以及粉末冶金等新型材料的磨损性能，测定其材料的抗磨性及材料匹配特性。可在改变负荷、速度、时间、摩擦配偶材料、表面粗糙度、硬度、试验环境温度等各种参数情况下进行试验。可采用端面与销盘两种磨损形式。2024/6/233/86试验力范围 50~5000N最大摩擦力矩 25N.m主轴调速范围 5~3200r/min温度控制范围 室温~800℃2024/6/234/862024/6/235/862024/6/236/86上试样下试样2024/6/237/86销销试样座2024/6/238/867.4摩擦磨损试验中的测试摩擦时，接触表面温度高低和分布情况对摩擦磨损性能影响很大，因此测量摩擦表面温度很重要。测量摩擦副表面温度的主要方法有热电偶和远红外辐射测温法。但就目前的技术水平而言，对摩擦表面的温度进行精确的测量仍很困难。

7.4.1摩擦温度的测量2024/6/239/86图7-9温度测量法

2024/6/240/86远红外辐射测温是利用物体辐射强度随温度变化的物理现象来测量温度的。它是一种非接触式测温。因为它与摩擦表面不接触，而且反应速度快，灵敏度高，有利于测量运动件表面温度及摩擦温度分布。2024/6/241/867.4.2摩擦系数的测量摩擦系数大小是表示摩擦材料特性的主要参数之一。摩擦系数分为静摩擦系数和动摩擦系数。一般情况下测定动摩擦数比较困难。2024/6/242/86动摩擦系数的测定法1）重力平衡法。载荷W通过上试件1加到下试件2上。下试件旋转，上试件固定。摩擦副之间没有摩擦时，平衡砝码杆处于铅垂位置。有摩擦时，平衡砝码杆通过齿轮测力机构产生一定的偏摆，摆角的大小从刻尺6上读出摩擦力矩。由此摩擦力矩P可以换算出试件上的摩擦力。μ=P/(Wr)2024/6/243/86图7-12重力平衡法测摩擦力

1，2一试件;3一外齿轮;4一行星齿轮;5一平衡砝码杆;6一标尺;7一指针;8一砝码

2024/6/244/862)弹簧力平衡法。当下试件4转动时，由于摩擦上试件将会有沿着F方向运动的趋势，从而使弹簧3变形。通过测量弹簧的变形，可计算出摩擦力的大小。图7–13弹簧力平衡法测摩擦力1-上试样;2-标尺;3-弹簧;4-下试件

2024/6/245/863)电测法。把压力传感器附加到测力元件上，将摩擦力(或力矩)转换成电量(电信号)输入到测量和记录仪上，自动记录下摩擦过程中摩擦力的变化。这种方法目前已普遍得到应用。通过上述方法得到摩擦力，再由摩擦力与法向载荷间接求得摩擦系数。

2024/6/246/867.4.3磨损量的测量1.称重法称重法就是根据试样在试验前后的重量变化，用精密分析天平称量来确定磨损量。按照称重精度选用天平精度，一般天平精度为万分之一克。这种方法简单，采用最普遍。由于测量范围的限制，称量法仅适用于小试件。为保证称重的精度，试件在称重前应当清洗干净并烘干，避免表面有玷污物或湿气而影响重量的变化。对于多孔性材料，在磨损过程中容易进入油污而不易清洗，称重法往往误差很大。此外，若试件在摩擦过程中重量损失不大，而只发生较大的塑性变形，则也不宜用称重法，否则测量误差较大。2024/6/247/862.测长法测长法是测量摩擦表面法向尺寸在试验前后的变化来确定磨损量。常用测量长度仪器，如千分尺、千分表、测长仪、万能工具显微镜、读数显微镜等。较精密的电感式测微仪的测量精度可达0.1µm数量级。为了便于测量，往往在摩擦表面上人为地做出测量基准，然后以此测量基准来量度摩擦表面的尺寸变化。

2024/6/248/86测量基准是根据试件形状和尺寸，在不影响试验结果的条件下设置的。其形式有:1)台阶式。在摩擦表面边缘上专门加工出一个台阶表面作为测量基准。2)切槽式。在摩擦表面上专门加工出一条凹槽作为测量基准。3)压印式。利用硬度压头，在试样表面上压下凹痕，测量压痕尺寸在试验前后变化来计算磨损量。2024/6/249/863.轮廓仪法这种方法是用轮廓仪在几个部位上垂直于磨损轨迹绘制出磨痕的轮廓图来。在轮廓线上找出基准线，然后用面积仪(或者近似地用方格法)求得基准线和磨痕轮廓之间的面积大小。在一个磨痕上取若干个测量部位，然后将所测得的面积求平均值。这平均值除以相应的放大倍数，乘上磨痕的长度，即得磨损体积，并以此推算出磨损量。这种方法精度比较高，并且可利用磨痕轮廓线分析磨损的部分特性，但这种方法需要有一定功能的轮廓仪。对于均匀磨损的表面，由于不易找出基准线，也无法采用此法。2024/6/250/86图7-15轮廓仪测磨损量

2024/6/251/864.非接触式测量法非接触式传感器装在靠近基准板的地方。此基准板为金属材料，通常用铁板制成，它与上试件连成一体。当磨损使上试件下沉时，则传感器与基准板之间间隙增加，传感器得到此位移信号，经仪表检测放大就可以反映出磨损变化情况。2024/6/252/86图7-16非接触式测量磨损量

2024/6/253/865.放射性同位素法先将试件进行放射性同位素活化处理，使其具有放射性，然后进行磨损试验，根据磨屑的放射计量或活化件放射性强度下降量或活化件金属转移量，换算出相应的磨损量。这种方法测量精度很高，可达10-5-10-6g，而且可以在不停止机器运转和不拆卸机器的情况下，确定零件的磨损或单独测定个别零件的磨损，以及自动记录零件磨损量变化，随时得到磨损的测量结果。放射性同位素法存在人体安全问题，因此应当做好放射性防护措施。这一点是推广应用此法的一个障碍。2024/6/254/866.采集和分析磨屑通过采集和分析磨屑可以对磨损进行测量。适用于要测量具有循环润滑系统的机器中的某些零件的磨损。在某些情况下，仅仅通过采集磨屑就可以测定磨损。例如所谓磨屑检测器，就适用于作这种测量。当金属磨屑进入检测器的两电极之间时就接通了电流，这表明磨损量已达到一个临界值。又如，铁磁性磨屑被吸到磁体的缝隙中，改变了磁通，从而也改变了次级电压，其变化量作为衡量相应磨屑质量多少的一个参数。2024/6/255/86图7-17铁磁磨屑探测器

2024/6/256/867.5摩擦表面的近代微观分析法为深入了解摩擦磨损的过程，研究其机理，就不能仅满足于对磨损量的测定；应当进一步对磨损粒子的形态、组成和结构，以及摩擦表面上的损伤本质进行分析，这就必须依赖于现代的表面分析技术。现代的表面分析技术很多。2024/6/257/86根据不同的研究对象，应选用不同的分析方法。研究固体表面原子排列的微观结构等几何结构时，主要采用衍射技术和扫描电子显微镜分析；研究表面原子的组分、分布、电子结构等原子状态等，主要采用能谱技术。2024/6/258/861、摩擦磨损表面形貌的分析摩擦过程中表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪和电子显微镜来进行分析。表面轮廓仪是通过测量触针在表面上匀速移动，将触针随表面轮廓的垂直运动检测、放大，并描绘出表面的轮廓曲线。再经过微处理机的运算，还可以直接测出表面形貌参数的变化。目前常用的表面微观形貌分析设备为扫描电子显微镜。电子扫描的图像清晰度好，并有立体感，放大倍数变化范围宽，检测范围亦较大。2024/6/259/862、摩擦磨损表面结构的分析金属表面在摩擦磨损过程中表层结构的变化通常用衍射技术来分析，常用的有电子衍射法、X射线衍射法

。电子衍射的穿透能力小，散射厚度仅为10-7～10-8cm。电子衍射仪可用来进行薄层的摩擦表面分析，例如研究金属的粘着磨损和摩擦副材料迁移现象。X射线穿透能力大,散射层厚度可达到10-4～10-2cm。X射线衍射仪常用来对较厚的摩擦表面的结构分析。2024/6/260/863、摩擦磨损表面化学成分的分析X射线光电子能谱（XPS）分析；俄歇电子能谱分析（AugerElectronicSpectrom，AES）。2024/6/261/86X射线光电子能谱（XPS）分析定义及原理：X射线光电子能谱分析(X-rayphotoelectronspectroscopy,XPS)是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子，可以测量光电子的能量，以光电子的动能为横坐标，相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图，从而获得待测物组成。2024/6/262/86主要应用元素的定性分析。可以根据能谱图中出现的特征谱线的位置鉴定除H、He以外的所有元素。元素的定量分析。根据能谱图中光电子谱线强度(光电子峰的面积)反映原子的含量或相对浓度。固体表面分析。包括表面的化学组成或元素组成，原子价态，表面能态分布，测定表面电子的电子云分布和能级结构等。化合物的结构。可以对内层电子结合能的化学位移精确测量，提供化学键和电荷分布方面的信息。分子生物学中的应用。2024/6/263/862024/6/264/86俄歇电子能谱分析

（AugerElectronicSpectrom，AES）近年来，在测定表面的化学成份方面，俄歇电子能谱法（AES）作为一种最广泛使用的分析方法而显露头角。这种方法的优点是：在靠近表面5-20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；能探测周期表上He以后的所有元素。它可以用于许多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。2024/6/265/862024/6/266/86应用AES最主要的应用是进行表面元素的定性分析。AES谱的范围可以收集到20-1700eV。与XPS相似，AES也能给出半定量的分析结果。这种半定量结果是深度为1-3nm表面的原子数百分比。AES法也可以利用化学位移分析元素的价态。由于俄歇电子能谱仪的初级电子束直径很细，并且可以在样品上扫描。因此，它可以进行定点分析，线扫描，面扫描和深度分析。由于它的采样深度比XPS浅，因此，可以有比XPS更好的更深度分辨率。进行深度分析也是俄歇电子能谱仪的最有用功能。2024/6/267/867.6.1光谱分析法光谱分析法是应用光谱学原理来确定物质的结构和化学成分。光谱分析法是利用物质原子在一定条件下能发射出具有特征光谱的这一特性进行的。因为每种元素都有各自的特征光谱线，这样测得其物质所发射的光谱便能定性地确定其中所含的化学成分。因为每种元素所发射特征光谱线的强度都与它在物质中的含量有关，所以可通过对光谱强度的比较，确定物质中各元素含量的多少。光谱分析法具有极高的灵敏度和准确度，且分析速度快，能对运转时机器零件的磨损状态进行检测，预报机械设备的磨损状态。7.6磨损微粒的分析技术2024/6/268/86作光谱分析时，要按以下步骤进行：①抽取油样；②化学预处理；③上机作抽样分析；④对数据或谱带作诊断处理—数据释义；⑤对分析(诊断)的有效性的证实。

2024/6/269/86光谱分析有：原子发射光谱(AES)；原子吸收光谱(AAS)；原子荧光光谱等。2024/6/270/867.6.2铁谱分析法铁谱分析是一种从润滑油试样中分离和分析磨损微粒和碎片的新技术。1.分离磨粒制成铁谱片铁谱仪由三部分组成，即：抽取并输送润滑剂试样的低流量泵、使磨粒磁化沉积的强磁铁、用来沉积微粒的处理过的透明基片。基片下装有高梯度磁场的磁铁，磁铁表面上的磁场强度达1.8T。基片安装成与水平面有小倾斜角度，使出口端的磁场比入口端强。润滑油样沿倾斜的底片向下流时，其中磨粒受到一个连续不断增大的磁场力的作用而被磁化。