摩擦界面粉末潤滑層破壞過程的機理分析

孔俊超 吳海兵 桂櫛強 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，微凸體分布的隨機性以及顆粒運動的不確定性使得研究較為困難[5]。若能實時動態(tài)觀測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確觀察到三體摩擦界面的真實情況，目前學(xué)者主要采用的上下試件中至少有一個是光學(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而是需要對理論結(jié)果和試驗結(jié)果相互驗證，不僅可以驗證理論結(jié)果的合理性，也可以也能驗證試驗的正確性。

本文對摩擦界面粉末潤滑層進行試驗研究，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)合試驗分析粗糙表面粉末層的破壞機理。

2 試驗裝置及方案

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

圖1 試驗設(shè)備

原位觀察試驗機的示意圖，如圖2所示。下試件（玻璃）作直線往復(fù)運動，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可觀察接觸表面中粉末的分布情況。利用計算機對摩擦界面的圖像進行采集并儲存，并針對采集的圖像進一步分析接觸表面的摩擦磨損情況。

圖2 原位觀察試驗機示意圖

安裝在原位觀察試驗機的上試件為銅合金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，采用不同型號的砂紙打磨得到粗糙度不同的試樣，利用HT-SURF10000型輪廓儀測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。下試樣為有機玻璃，其尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。

3 摩擦界面粉末層破壞的機理

3.1 粉末層破壞形式的機理

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，如圖4（a），此時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，此時主要是粉末承載，對應(yīng)著粉末層完整，稱為粉末層完整期。圖3（a）中，粉末層完整期對應(yīng)著膜厚比大于3的整個過程，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，如圖4（b），此時膜厚比較小，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，接觸點的金屬容易發(fā)生塑形流動，還有可能發(fā)生瞬間高溫，使得試件間產(chǎn)生黏著現(xiàn)象，黏著點具有很強的黏著力，黏著點在摩擦力作用下被剪切而發(fā)生滑動，這樣黏著點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，如圖 4（c）-（e），此時粉末層逐漸破壞，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散，稱為粉末層局部破壞擴散階段。粉末層局部破壞擴散階段，微凸體大量直接接觸，黏著現(xiàn)象很嚴重，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）中此時實際承載由粉末、微凸體共同承載，微凸體的隨機分布、尺度的隨機性使得承載分布，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，壓力峰對應(yīng)區(qū)域的摩擦力也較大。試件相對滑移過程中，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，微凸體直接對磨或者在滑動過程中與粉末層發(fā)生接觸，在微凸體的剪切作用下，粉末層進一步破壞，使得局部破壞的粉末層向四周擴散，粉末破壞過程進入粉末局部破壞擴散階段，如圖 4（c）-（e）。 隨著粉末層破壞的進行，如圖 4（f）-（g），粉末層被完全破壞，進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，對應(yīng)粉末層分別處于粉末完整期、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞4個階段。

（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，粉末層進一步破壞，使得局部破壞的粉末層向四周擴散，粉末破壞過程進入粉末層局部破壞擴散階段；隨著粉末層破壞的進行，粉末層被完全破壞，進入粉末完全破壞階段。

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