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1、第八章 摩擦学实验方法与检测技术,主讲：高诚辉,目录,要研究摩擦学的理论，确定各种因素对摩擦学性能的影响，研究新的摩擦学材料和评定各种耐磨表面处理的摩擦学性能，必须掌握摩擦学研究方法。近年来，摩擦学测试分析技术进展很快，已采用了各种先进表面测试技术和大型计算机，还应用了数理统计理论和系统工程相结合的研究方法。,一、摩擦学实验方法与设备二、摩擦学实验的模拟与设计三、摩擦学的测试方法四、磨损表面形貌的分析五、磨损状态的检测,一、摩擦学实验方法与设备,1. 摩擦磨损试验的类型 (1)实验室试样试验 试样试验是把所需研究的摩擦件制成尺寸较小的试样，在相应的试样试验机上进行。其试验条件选择范围较宽，影响
2、因素容易控制。在短时间内可以进行较多参数和较多次数的试验，试验数据重复性较好，对比性较强，易于发现其规律性，一般多作为研究性试验。研究不同摩擦副的摩擦磨损的机理及其影响因素的规律。,也可以作为评定某种材料的摩擦磨损性能的试验。不过，这时试验条件要求模拟性高，否则试验数据就不可靠。 这类试验费用低，周期短，故经常采用。,1. 摩擦磨损试验的类型,(2)台架试验 台架试验是在相应的专门台架试验机上进行的。它在试样试验基础上，优选出能基本满足摩擦、磨损性能要求的材料，制成与实际结构尺寸相似的摩擦件并模拟实际使用条件进行试验。其目的在于选择摩擦副的合理结构，校验试验数据和在模拟实际工况条件下摩擦件的可
3、靠性。,台架试验相对于试样试验来说，更接近于实际使用条件，从而提高试验数据的可靠性，相对于使用试验来说，较易控制试验条件，还可强化实际使用条件，缩短试验周期，减少试验费用。,(3)实际使用试验,在上述两种试验基础上，再优选出摩擦、磨损性能好的材料，制成实际使用的摩擦副，在实际使用条件下进行试验。 这种试验的真实性和可靠性较好，是摩擦磨损试验最终不可缺少的。但是它需要较多的人力物力，需要特殊的测量仪器，费用较高，周期久而且试验结果由于受到多因素的综合影响，不易进行单因素的考察，不易分析问题产生的原因。如果不进行前述两种类型试验，一开始就进行使用试验，特别对于摩擦磨损这样的一个多因素复杂问题，必然
4、难以抓住主要矛盾作分析比较，致使整个试验周期拖长，费用更大。,上述三种类型的试验，根据具体情况可以分别选取或结合进行，即可把三种类型试验结合进行，也可把试样试验和使用试验或把台架试验和使用试验结合进行，对于结构简单的机械件，亦可直接进行使用试验。,2. 试验方法,试验类型决定后, 就要决定试验方法。常用的试验方法有：(1)对比试验法 在相同条件下进行试验,即是将几种试样或者将要试验的试样与已知标准试样进行对比试验,以比较其摩擦磨损性能,从而选择或确定具有较好的摩擦、磨损性能的材料和结构。,(2)标准试验法 目前正在努力制定各种材料的标准化摩擦磨损试验方法，用统一的标准化试验方法，测量和研究出各
5、种材料的摩擦磨损性能指标，以便对各种材料在不同工况条件下的摩擦磨损性能进行比较和选择。,2. 试验方法,(3)使用范围试验法 将试样在广泛条件下进行试验, 以便求得它的最大使用范围或最高使用条件, 如压力、速度、温度和寿命等条件。试验时常以摩擦磨损性能的突变点来表示。此方法多为研究新的耐磨、减摩和摩阻材料以及新的耐磨表面处理工艺历采用。,(4)使用性能试验法 按照实际使用情况进行试验，以便得到实际情况的摩擦磨损性能指标。此方法一般多为应用部门采用。,3. 摩擦学实验装置,(1)试验机种类 摩擦磨损试验机的种类繁多，常见的分类方法有： 按摩擦副的接触形式和运动形式分：,如图所示。(a), (b)
6、是点接触, 滑动；(c)线接触, 滑动和滚动；(d)线接触, 滑动；(e)、(f)、(g)、(i)面接触, 滑动；(h)面接触, 往复运动。,(1)试验机种类,按摩擦副的功用不同分 有齿轮磨损试验机；滑动或滚动轴承摩擦磨损试验机；制动摩擦磨损试验机，润滑剂性能试验机；导轨摩擦磨损试验机等。,按摩擦条件分 有一般磨损试验机；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；定速摩擦试验机；定功率摩擦试验机；真空摩擦磨损试验机等。,(2)试样试验的常用试验机,四球试验机：主要用来评定润滑剂承载能力，也能测定摩擦副疲劳磨损寿命；Timken试验机：适用于快速测定材料及处理工艺的耐磨
7、性，也可测定润滑剂的摩擦磨损性能；,销盘式试验机：评价各种摩擦副及润滑材料的低温与高温摩擦与磨损性能，也能进行粘着磨损规律的研究；M200磨损试验机：摩擦材料试验机：专门用于测试摩擦材料的性能；主要有定速摩擦试验机和MM1000摩擦试验机。,二、摩擦学实验的模拟与设计,1. 衡量实验室磨损试验的基本标准 1)重现性好，实验误差小； 2)鉴别率高，即在影响因素微小变化情形下能观察或测试到性能参数的变化， 3)模拟性好，一般应遵循以下的原则： 保证实验室模拟磨损试验的摩擦学基本状态与实际使用情况的一致性，实验室试验条件接近机器零件实际使用条件， 必须使实验室模拟试验产生的磨损类型或磨屑形式(磨损机
8、理)与实际使用条件的磨损类型或形式一致。,模拟磨损形式首先要知道导致各种磨损形式的条件，这个问题解决了，模拟与实际的一致性问题也就解决了。因此条件模拟与磨损形式模拟是有内在联系的。对于简单情况条件模拟较方便，复杂情况按磨损形式模拟更方便。,2.影响试验的主要因素,1)试样表面性质(试验材料的化学成份、组织、机械性能和试样表面粗糙度)； 2)试样形状和尺寸； 3)构成摩擦副的各试样固定方式； 4)相对运动形式； 5)速度；,6)温度； 7)压力； 8)环境和介质； 9)磨料种类、性质、粒度、尖锐度等； 10)润滑方式； 11)试验时间。,摩擦磨损试验设计中要考虑的因素,3. 试验模拟的一般步骤,
9、（1）确定试验机的类型 在设计或选用试验机时 要考虑试验机试样的接触形式和相对运动与实际摩擦副的接触形式和相对运动保持相似关系。按接触形式可分为点接触、线接触和面接触。从运动关系来看，则有滑动、滚动、滚动兼滑动、转动或往复运动及冲击等；,按摩擦条件：如高温、低温摩擦磨损试验机；高速、低速摩擦磨损试验机；定速摩擦试验机；真空摩擦磨损试验机等等。 按磨损的类型：有粘着磨损试验机；磨粒磨损试验机；接触疲劳磨损试验机；微动磨损试验机，冲蚀磨损试验机；气蚀侵蚀磨损试验机和腐蚀磨损试验机等。,3. 试验模拟的一般步骤,（2）确定试验参数 对每一种类型试验机，其试件的形状、尺寸、表面形貌及其固定方式等都作了
10、具体的规定（自己设计的磨损试验机还得考虑这些因素）。为了使试验条件与实际工况相似，具有模拟性好，应能对有些参数进行有效的控制。,主要参数有：试样表面性质(试验材料的化学成份、组织、机械性能和试样表面粗糙度)；载荷或压力；速度；温度；试验时间；润滑方式；磨料种类、性质、粒度、尖锐度等；环境和介质。并可按不同的工况，必要时作相应调整。,三、摩擦学的测试方法,1摩擦阻力的测定 摩擦阻力在摩擦过程中往往是变化的, 在一般情况下, 可以用重力平衡法、弹簧力平衡法直接测量, 也可以用电阻应变、电容变换、电感变换以及微小位移变换等方法间接测量。,2摩擦系数的测量机械式测量法：测静摩擦系数可利用斜面及公式tg
11、计算, 为斜面倾斜角, 此为倾斜法；或在法向载荷为N时测牵引力F, 称为牵引法。动摩擦系数可通过弹簧变形力或平衡摩擦力矩的杠杆作用, 测出摩擦力(矩), 并计算动摩擦系数。电测法：通过压力传感器或直接贴应变片将摩擦力(矩)转换为电信号, 输入到测量记录仪上, 自动记录下摩擦过程中摩擦系数的变化。动摩擦系数用此方法。电测法测量精度可相当高。,3表面形貌的测试,表面微观或宏观几何性能的直接测量法可分为非接触测量法和接触测量法。非接触测量法：应用电子、干涉或反射显微术的光测法属于非接触测量法。这种方法的优点是能对表面作三维鉴别，但难于对表面作定量测定。近年来还出现气动测量法，这是将一定压力空气通过测
12、量喷嘴与被侧面微观不平度之间的间隙，利用间隙大小不同使空气流量和压力变化，以此评定表面粗糙度。由于激光技术的发展，人们正在研究用激光全息摄影来测量表面形貌。,直接测量法：最常用的直接测量表面形貌的仪器是轮廓仪。应用得最广泛的是电动式表面粗糙度轮廓仪，它的优点是体积小、重量轻、测量迅速、放大倍数高、可用数字显示等。使用轮廓仪和计算机图象处理结合，还可以得到磨损表面的三维形貌图。,4真实接触面积的测定,5摩擦温度的测量,（1）接触式测温 根据组成热电偶的形式不同分为自然热电偶和人工式热电偶。自然热电偶由摩擦副中的金属件作热导体的一端与另一金属件或人体为导体组成热电偶。此法受摩擦表层性质变化影响而误
13、差大；人工式热电偶用预先标定好的两种不同金属热导体(如NiCr，CrAl)组成的热电偶，靠近或接触摩擦面的不同位置来测温。这是目前测量摩擦温度的主要方法。按照热电偶焊点端的形式有插入式、滑块式、直测式等。,（2）非接触测温 现主要采用远红外辐射测温装置。优点是与摩擦表面不接触，无附加热源影响摩擦表面温度场分布；反应速度快，灵敏度高。但装置复杂、费用大、稳定性较差，使之目前在摩擦磨损研究中应用还不广。,6磨损量的测定方法,（1）失重法：（2）磨损尺寸变化测定法：对一些只关心接触部位尺寸变化情形，可采用宏观或微观测量方法测出尺寸变化。（3）放射性同性素测定法：其所测量的是磨损物单位时间原子衰变数，
14、极微量磨屑中也常含有可观的原子衰变数而能被探测器测出。有很高的灵敏度和精确度。适用于精密偶件微量磨损的测量；可连续监测磨损而不必拆卸试件；引入不同的同位素可同时测量两个摩擦表面各自的磨损过程。,（4）磨屑收集及测定：磨屑收集的方法很多,对磨屑颗粒用化学分析法、光谱和色谱分析可确定磨屑颗粒的组成和总量。铁谱仪不仅能对磨损颗粒按大小分布分类,而且也能进一步作定量测定。用放射性同位素源可以对过滤收集到的磨屑照射, 激发磨屑中所含各元素的特征x射线,再用仪器进行定量测定。,四、摩擦学表面分析,1表面形貌分析 表面形貌分析的内容包括：表面金相组织的变化情况： 例如用光学显微镜或扫描电镜对经过化学、电化学
15、腐蚀的表面、截面、斜截面、镀层、表面处理后的强化层、塑性变形层等金相组织的观察。,表面几何形貌的变化情况： 例如用肉眼、放大镜、立体显微镜直至扫描电镜、透射电镜对磨损表面、断口、磨屑等形貌进行观察、分析，揭露表面失效的原因，对各种失效机制进行分类、判断，也为失效分析提供最直观的实验依据。,2表面晶体结构分析,所谓晶体结构分析，是指对晶体中原子在点阵中的排列方式、点阵类型和结构(包括晶胞大小，晶胞中原子数目和原子位置等)，以及点阵应变相点阵缺陷等进行分析。,表面的一些性能同晶体结构和晶体缺陷密切相关，例如六方密排金属比体心或面心立方晶体有较好的抗磨能力，因此表面晶体结构分析是表面分析的一个重要组
16、成部分。 应用结构分析方法同时还可用作晶格内残余应力和工作应力的测定。用x射线衍射法、电子衍射法、穆斯堡尔谱等方法都可作晶体结构和相组织的分析测定。,3表面成份和原子状态分析,表面成份及其原子状态分析是指对表面物质所含元素成份、原子组份、杂质元素和含量，原子价状态、结合状态、原子能带结构等进行分析。对试样中1m3体积(数量级，相应质量在10-12g数量级)的分析称为显微分析。用电子探针、离子探针、薄膜透射扫描电镜、俄歇谱仪、穆斯堡尔谱仪等均可用作不同层次深度、不同大小区域的成份分析。,五、磨损状态的检测,在大型成套机组或者重要的机械系统中，要求在运转过程中对于关键摩擦副的磨损状态进行检测，及时
17、预报它们的工作状况，以便采取有效的维修措施，避免机械装备的突然损坏或发生重大事故。通常采用物理的或化学的检测方法，定期地或连续地显示机械装备的磨损状态。常用的检测方法有以下几种:,1铁谱分析 20世纪70年代出现的铁谱分析是将润滑油所含的磨屑进行分离和分析的技术。由于大多数机械的磨损过程是形成磨屑，观察润滑油中磨屑的尺寸、形状和组成就可以判断磨损的形式、磨损急烈程度和磨损发生的部位。,1铁谱分析,从润滑油循环系统中抽取少量的润滑油, 将油样在低而稳定的速度下流经铁谱仪中的磁极,在磁场力作用下制作铁谱片。由于液体在倾斜的玻璃片上向下流动,油的流动仅限于在玻璃片的中央狭带位置。又因为玻璃片离磁极面
18、的距离在顶部略小于出口端, 随着颗粒向下流动, 磁场梯度增加, 这将使作用在颗粒上的粘性力和磁场力的总效果将按磨屑颗粒尺寸分开。较大的颗粒首先沉积下来, 较小的颗粒在玻璃片尾部沉积。当一定量的润滑油流经玻璃片后, 经清洗及固定过程来除去多余的油, 并使颗粒定位, 即完成铁谱片的制作。,沉积的颗粒表现为沿玻璃片中间的一条暗带。在典型情况下，沉积物总质量约为10ug。用铁谱仪沿玻璃片不同位置处测量其光的密度即可估计出磨屑的密度和分布。,1铁谱分析,根据大量的检测结果，将磨屑图像汇编成标准的铁谱图册用作测量时参考。利用光学显微镜对制成的铁谱片进行观察，并与铁谱图对照即可根据磨屑的形状和分布密度确定磨
19、损的状态。,例如正常磨损的磨屑一般呈片状；磨粒磨损或犁沟作用形成的磨屑具有螺旋状或卷曲状；而球形磨屑则是表面接触疲劳磨损产生的。对于氧化磨损或腐蚀磨损，它们的磨屑是由化合物组成的，在有色光作用下显示出不同的颜色。此外，磨屑的浓度说明各种磨损的严重程度。,2光谱分析,光谱分析是利用组成物质的原子在一定条件下能发射具有各自特征的光谱的性质，用来分析润滑油中的金属含量。,在一般情况下，原子处于稳定态。当得到一定能量以后，原子被激发。处于激发态的原子是不稳定的，在极短的时间内转化为稳定态，同时将多余的能量以光的形式释放出来而产生光谱。不同的原子所产生的光谱不同， 因此通过光谱分析可以测定润滑油中金属元
20、素的含量变化，从而预测磨损状态。 光谱分析方法通常应用于铁路机车和船舶柴油机以及航空发动机的磨损检测，以防止故障发生。,3润滑油成分分析,采用理化分析仪器对于润滑油的酸度、添加剂浓度、不溶物质的含量和组成进行测定，也是分析磨损状态的方法。,4机械振动或噪声分析 通过机械设备在运行中的振动或噪声测定是鉴别磨损状态变化的重要手段，它可以实现连续检测。将振动或噪声测量的信号经过频谱分析等处理，还能够预示严重磨损的出现。 这种间接检测的方法在低噪声零件中应用的效果较好，例如滑动轴承。而在诸如齿轮传动等产生较大振动和噪声的零件中应用时，往往难以将零件本身的振动与因磨损恶化所产生的振动区分开来而影响检测的可靠性。,5润滑状态分析,对于全膜润滑的摩擦副，采用传感器测量摩擦表面之间的油膜厚度、摩擦系数、接触状况以及表面温度等参数来检测润滑状态。,在以上的检测系统中，当采用电测技术时，可以进行连续测量，甚至于实现自动控制作用。例如当油膜厚度或温度达到临界数值时，通过自动控制系统及时调节工作参数，以保证继续正常工作或者停机，以防止事故发生。,
