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金属摩擦副的机械疲劳与滚动摩擦和滑动摩擦复合损伤的初步研究

金属摩擦副的机械疲劳与滚动摩擦和滑动摩擦复合损伤的初步研究

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作者：李本海机械科学研究院

学位级别：硕士

无论是火车轮毂材料-钢轨材料配副的机械-滚动疲劳损伤试验研究，还是恒定载荷伴有周期性冲击载荷作用下金属摩擦副的机械-滑动疲劳损伤的试验研究，从摩擦副所承受的摩擦学负荷集来看，它们都属于“荷载摩擦副系统(active system)”，... 详细信息

无论是火车轮毂材料-钢轨材料配副的机械-滚动疲劳损伤试验研究，还是恒定载荷伴有周期性冲击载荷作用下金属摩擦副的机械-滑动疲劳损伤的试验研究，从摩擦副所承受的摩擦学负荷集来看，它们都属于“荷载摩擦副系统(active system)”，在这类系统中进行着任一形式的摩擦过程，同时还产生着和传递着交变负荷。在这种情况下，材料的磨损-疲劳复合损伤发生了。这类研究属于“摩擦疲劳学(tribo-fatigue)”即“关于机器和设备中荷载摩擦副系统的磨损疲劳损伤和失效的科学”的范畴。本文主要研究滚动摩擦和滑动摩擦现象与机械疲劳之间的动力学交互作用。对滚动或滑动摩擦磨损与机械疲劳破坏之间的交互作用规律的深刻阐明，将有助于寻求荷载摩擦副系统达到临界状态的条件以及预测它们寿命的原理和方法，以达到能对运行中的复杂而重要的装置中荷载摩擦副故障进行控制和预防。在开展火车轮毂材料-钢轨材料配副的机械-滚动疲劳损伤试验研究时，主要完成了以下工作，并获得相关研究成果： (1)分别测定了从真实轮、轨上取材加工的试样的机械疲劳极限σ、接触疲劳极限P，首次测定了在滚动摩擦和交变弯曲应力作用下的机械-滚动疲劳极限P，并分别绘制了相应的疲劳曲线;(2)研究发现：选定适当的交变弯曲应力作用于滚动摩擦副时，交变弯曲应力和接触应力两种应力间的相互作用可以明显地提高接触疲劳极限P，并且疲劳曲线拐点横坐标明显提前;(3)针对该类型的机械-滚动疲劳损伤，分析了附加的交变弯曲应力对滚动摩擦磨损性能的影响，初步探讨了一定范围内的交变弯曲应力提高接触疲劳极限的机理：如磨损疲劳复合损伤表面特征的原子力显微镜照片所显示，在纯滚动摩擦过程中，任何一种较高的接触应力都能强化试样表面的塑性变形，随后开始逐渐出现离散的点蚀和微裂纹并逐渐相互连接成链，导致磨粒的脱落。因为这些点蚀链和微裂纹摘要是同方向的，都沿滚动路径扩展，所以也就更容易使它们连接成大块的剥离和凹坑。在这种情况下，脱层和点蚀是主要的磨损形式。而在机械一滚动疲劳过程中，虽然也会出现沿滚动方向的点蚀链和微裂纹，但是随着交变应力幅值的增加，横穿滚动方向的点蚀链和微裂纹开始增加，出现了几乎成直角的交叉裂纹，所以表面破坏变得分散。在一定范围内交变应力愈大，点蚀链和微裂纹越密集，并且变得愈加无方向性，磨屑变得愈分散、细小，表面破坏层的极限深度减小，这样就可以防止出现大块的剥离和凹坑。在这种情况下，表面片屑是主要的磨损形式，它的特征就是在材料表面分离出细小而分散的片屑在开展恒定载荷伴有周期性冲击载荷作用下金属摩擦副的机械- 滑动疲劳损伤的试验研究时，获得了一些创新性的研究成果，主要体现在以下方面: (1)应用“磨损类型一条件模拟”原则，成功研制了能够模拟恒定载荷伴有周期性冲击载荷条件的环一块磨损试验机，该试验机充分利用微机控制技术，实现了智能化。利用该试验机采集到的数据准确、可靠，满足开展恒定载荷伴有周期性冲击载荷条件下滑动摩擦磨损试验的要求。 (2)用Visual Basic开发的摩擦力数据采集软件界面友好、操作简单，同时采用面向对象程序设计，具有良好的开放性，便于功能的扩展。 (3)利用该试验机分别在浸油润滑、润滑脂润滑、干摩擦三种条件下进行了金属摩擦副在恒定载荷伴有周期性冲击载荷作用下的滑动摩擦磨损试验，通过对磨斑形貌、摩擦系数和磨损量的分析，初步探讨了附加的周期性冲击载荷对摩擦副摩擦磨损性能的影响，以及在该试验工况下金属摩擦副的滑动摩擦磨损机理。 (4)应用“磨损类型一条件模拟”原则，成功改造了销一盘磨损试验机，使之能在滑动摩擦磨损试验中对摩擦副施加恒定载荷伴有周期性冲击载荷，开展机械一滑动疲劳损伤的试验研究。利用该试验机在干摘要摩擦条件下探讨了附加的周期性冲击载荷对金属摩擦副滑动摩擦磨损特性的影响。 (5)试验发现:在恒定载荷伴有周期性冲击载荷条件下，由于周期性冲击载荷的作用，摩擦副受冲击力作用的表面发生了严重的磨损，同时，磨损表面出现不同于恒定载荷作用下的磨损形貌，出现了材料大块撕脱、大量的疲劳坑等现象。分析认为，冲击载荷是通过以下四个方面起作用: (a)冲击载荷改变了润滑状态，突出表现在摩擦系数较恒定载荷条件下的摩擦系数有明显的增大和波动;(b)冲击载荷加剧了疲劳磨损，集中表现在摩擦副表面上出现了数量很多的蜂窝状疲劳坑;(C)冲击载荷加剧了粘着磨损，可由摩擦副表面上出现了数量很多的材料大块撕脱现象来解释;(d)有可能发生微动磨损，从而使磨损复杂化。

关键词：摩擦疲劳学荷载摩擦副系统机械-滚动疲劳损伤机械-滑动疲劳损伤周期性冲击载荷

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