孔俊超 吳海兵 桂櫛強(qiáng) 梁明祥 錢森森

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

目前在許多機(jī)械產(chǎn)品中都加入固體潤滑劑潤滑，尤其在航空航天、核技術(shù)、兵器、船舶等領(lǐng)域，但是粉末潤滑的摩擦界面接觸理論研究卻相對(duì)較為緩慢[1-4]。主要是由于粉末層潤滑過程中，微凸體分布的隨機(jī)性以及顆粒運(yùn)動(dòng)的不確定性使得研究較為困難[5]。若能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)粉末潤滑摩擦界面的摩擦磨損情況，包括顆粒分布、界面摩擦磨損，可為接觸模型的建立提供理論依據(jù)。通常的上下試件無法準(zhǔn)確觀察到三體摩擦界面的真實(shí)情況，目前學(xué)者主要采用的上下試件中至少有一個(gè)是光學(xué)透明的試件[6-9]。

王偉[10-11]等研究滑移速度和正壓力對(duì)粉末潤滑劑潤滑特性和粉末層形成的影響，并分析粉末層的微觀破壞形式和機(jī)理分析。王文斌[5]等建立粉末潤滑界面的模型采用MATLAB模擬不同工況，得出對(duì)應(yīng)的力學(xué)分布圖。通常粉末潤滑的研究并不只是理論或者試驗(yàn)而是需要對(duì)理論結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，不僅可以驗(yàn)證理論結(jié)果的合理性，也可以也能驗(yàn)證試驗(yàn)的正確性。

本文對(duì)摩擦界面粉末潤滑層進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合相應(yīng)的物理模型，得出不同膜厚比的力學(xué)分布圖，分析粉末層的破壞過程。模擬接觸表面的壓力和摩擦力分布，結(jié)合試驗(yàn)分析粗糙表面粉末層的破壞機(jī)理。

2 試驗(yàn)裝置及方案

采用的HT-SURF10000型輪廓儀如圖 1（a）所示，對(duì)上試件粗糙度進(jìn)行測(cè)量；用圖1（b）所示的帶有CCD數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)顯微鏡并采用相關(guān)軟件對(duì)試件表面進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，記錄不同時(shí)刻摩擦界面粉末層的分布。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

原位觀察試驗(yàn)機(jī)的示意圖，如圖2所示。下試件（玻璃）作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，玻璃上有均勻分布的石墨粉末，外載荷的大小通過增減砝碼進(jìn)行調(diào)整。玻璃為光學(xué)透明件，通過倒置的顯微鏡或攝像機(jī)可觀察接觸表面中粉末的分布情況。利用計(jì)算機(jī)對(duì)摩擦界面的圖像進(jìn)行采集并儲(chǔ)存，并針對(duì)采集的圖像進(jìn)一步分析接觸表面的摩擦磨損情況。

圖2 原位觀察試驗(yàn)機(jī)示意圖

安裝在原位觀察試驗(yàn)機(jī)的上試件為銅合金H62方片，其尺寸為40 mm×40 mm×1 mm。為研究試件表面形貌的影響，采用不同型號(hào)的砂紙打磨得到粗糙度不同的試樣，利用HT-SURF10000型輪廓儀測(cè)量出試件的平均粗糙度值，未打磨試樣的粗糙度最小，其Ra為0.341μm，細(xì)砂紙打磨試樣的粗糙度Ra為0.786 μm，而粗砂紙打磨試樣的粗糙度最大，其Ra為1.038 μm。下試樣為有機(jī)玻璃，其尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。

3 摩擦界面粉末層破壞的機(jī)理

3.1 粉末層破壞形式的機(jī)理

圖3 不同膜厚比的承載和摩擦力

不同膜厚比下承載和摩擦力的力學(xué)分布圖，如圖3。膜厚比大于3時(shí)，如圖4（a），此時(shí)粉末完全覆蓋試件表面，微凸體無法直接接觸，微凸體承載較小，此時(shí)主要是粉末承載，對(duì)應(yīng)著粉末層完整，稱為粉末層完整期。圖3（a）中，粉末層完整期對(duì)應(yīng)著膜厚比大于3的整個(gè)過程，圖3（b）中粉末層完整期的摩擦力，主要是粉末的摩擦力，而微凸體沒有直接接觸，因此微凸體形變產(chǎn)生摩擦力很小。

膜厚比為3-1.5時(shí)，如圖4（b），此時(shí)膜厚比較小，局部區(qū)域微凸體直接接觸，微凸體接觸承載升高，粉末承載降低，粉末層出現(xiàn)局部破壞，稱為局部破壞階段。局部破壞階段，微凸體直接接觸，接觸點(diǎn)的金屬容易發(fā)生塑形流動(dòng)，還有可能發(fā)生瞬間高溫，使得試件間產(chǎn)生黏著現(xiàn)象，黏著點(diǎn)具有很強(qiáng)的黏著力，黏著點(diǎn)在摩擦力作用下被剪切而發(fā)生滑動(dòng)，這樣黏著點(diǎn)的形成和剪切交替發(fā)生，試件微凸體間的摩擦力變大。

膜厚比小于 1.5 時(shí)，如圖 4（c）-（e），此時(shí)粉末層逐漸破壞，接觸表面大量微凸體直接接觸承載，微凸體承載迅速上升，粉末承載迅速下降，粉末層的局部破壞擴(kuò)散，稱為粉末層局部破壞擴(kuò)散階段。粉末層局部破壞擴(kuò)散階段，微凸體大量直接接觸，黏著現(xiàn)象很嚴(yán)重，微凸體塑性變形較大，試件間摩擦力主要是微凸體的塑形變形產(chǎn)生。

膜厚比不斷減小，微凸體的接觸承載不斷增加，最終粉末層被完全破壞，稱為粉末層完全破壞階段。粉末層完全破壞階段，粉末層已經(jīng)完全破壞，如圖 4（f）-（g），此時(shí)為二體接觸。 微凸體可以直接接觸，微凸體之間的塑性變形程度嚴(yán)重，總承載和摩擦力的大小主要由微凸體和大顆粒承載。

圖4 粉末層破壞形式

3.2 粉末層破壞過程的機(jī)理

考慮摩擦界面粗糙度的模擬表面壓力和摩擦力分布圖，如圖5。真實(shí)接觸表面的起始階段粉末層完整并沒有破壞，如圖4（a）所示，這一階段主要是粉末承載，試件表面良好，磨損較少。

粉末層進(jìn)入粉末層破壞階段包括粉末層的局部破壞階段，如圖4（b）中此時(shí)實(shí)際承載由粉末、微凸體共同承載，微凸體的隨機(jī)分布、尺度的隨機(jī)性使得承載分布，如圖5（a），壓力并不是均勻分布，因此局部區(qū)域承載較大，出現(xiàn)許多壓力峰；而如圖5（b）所示，摩擦力也不是均勻分布，壓力峰對(duì)應(yīng)區(qū)域的摩擦力也較大。試件相對(duì)滑移過程中，壓力和摩擦力的增加，使得粉末層的剪切力變大，粉末層出現(xiàn)部分剝落，即發(fā)生粉末層局部破壞階段。

粉末局部破壞區(qū)域的粉末脫落后，試件接觸表面沒有粉末的覆蓋，微凸體直接對(duì)磨或者在滑動(dòng)過程中與粉末層發(fā)生接觸，在微凸體的剪切作用下，粉末層進(jìn)一步破壞，使得局部破壞的粉末層向四周擴(kuò)散，粉末破壞過程進(jìn)入粉末局部破壞擴(kuò)散階段，如圖 4（c）-（e）。 隨著粉末層破壞的進(jìn)行，如圖 4（f）-（g），粉末層被完全破壞，進(jìn)入粉末完全破壞階段。

圖5 模擬表面的力學(xué)分布圖

4 結(jié)論

（1）不同膜厚比的粉末潤滑界面的承載和摩擦力不同，對(duì)應(yīng)粉末層分別處于粉末完整期、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞4個(gè)階段。

（2）結(jié)合模擬摩擦界面壓力和摩擦力的不均勻分布，分析粉末層破壞過程承載和摩擦力峰值處出現(xiàn)粉末局部破壞。

（3）粉末局部破壞區(qū)域的粉末脫落后，在微凸體的剪切作用下，粉末層進(jìn)一步破壞，使得局部破壞的粉末層向四周擴(kuò)散，粉末破壞過程進(jìn)入粉末層局部破壞擴(kuò)散階段；隨著粉末層破壞的進(jìn)行，粉末層被完全破壞，進(jìn)入粉末完全破壞階段。

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