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年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：彭帅豪，刘建，李佳伦，等 填充铜网复合材料损伤过程研究润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家自然科学基金项目（；）收稿日期：；修回日期：作者简介：彭帅豪（），男，硕士研究生，研究方向为自润滑关节轴承摩擦磨损。：。通信作者：刘建（），男，博士，讲师，主要研究方向为材料干摩擦学。：。填充铜网复合材料损伤过程研究彭帅豪，刘 建 李佳伦，杜三明，张永振（河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室 河南洛阳；河南科技大学材料科学与工程学院 河南洛阳）摘要：为了研究聚四氟乙烯（）填充铜网复合材料的摩擦磨损性能以及细观损伤机制，使用往复摩擦磨损试验机对其进行全寿命磨损测试，并用扫描电子显微镜、光学显微镜和三维形貌仪对材料摩擦面及磨屑进行表征。结果表明：填充铜网复合材料全寿命（）磨损过程主要分为磨合、稳定磨损和严重磨损 个阶段；在前 磨合阶段，摩擦因数逐渐升高，高载荷下大量的 被挤出导致磨损率较大，同时转移膜生成，失效形式主要为机械剪切力下的剥落。在 稳定磨损阶段，摩擦因数先降低再升高且波动较大，磨损率趋于稳定，磨损机制主要为磨粒磨损，磨屑由层片状向粉末状转变，材料摩擦面粗糙度逐渐降低且磨损不均匀。通过微观表征，发现铜网编织结点与凸峰处磨损严重，通过受力仿真分析，发现铜网编织结点与凸峰处有应力集中现象，与试验中磨损严重的区域正好相对应，试验与数值模拟相关联。在 严重磨损阶段，摩擦因数和磨损量进一步升高，材料的耐磨性能与润滑性能急剧下降，最后材料被磨穿失效。关键词：复合材料；全寿命；损伤机制；自润滑材料中图分类号：，（，；，）：（），（）：，：；固体润滑材料以其承载能力强、自润滑性能好和摩擦因数低等优点，在航空航天、机械、电子电气及化工设备中被广泛应用。自润滑关节轴承中的固体润滑材料（衬垫）通常粘接在轴承外圈内表面上，与轴承内圈构成摩擦副，通过自身对内圈轴承钢的滑动摩擦代替内、外圈轴承钢的直接摩擦，从而达到降低摩擦因数及自润滑的目的。衬垫一旦失效，关节轴承在苛刻的运行条件下短时间内即可发生严重损伤，导致轴承的失效，因此衬垫的性能决定着自润滑关节轴承的性能。衬垫通常以摩擦因数低、自润滑效果好的聚四氟乙烯（）和一些力学性能优异的增强体复合而成，其中 与铜网复合而成的衬垫材料在拥有良好自润滑性能的同时又有良好的导热性能和承载能力而被应用在工程中。材料性能、服役条件及摩擦热等是影响材料摩擦磨损性能的主要因素，学者们在这几方面对 复合材料进行了大量研究。肖帮等人研究了 三层复合轴承材料摩擦温度与其磨损机制的关联性，根据摩擦温度的变化将摩擦过程分为磨合、摩擦平稳、软化黏着、稳定摩擦以及剧烈磨损 个阶段。有研究表明，温度达到一定值会破坏 复合材料摩擦平稳期。等在 中加入铜丝来改善衬垫的导热系数，与无铜丝的材料相比导热系数提高 ，同时铜丝的加入使衬垫的耐磨损性能也有所提升。王国锋等研究了不同摆动频率和接触压力条件下 铜网复合材料衬垫关节轴承摩擦因数、线磨损量和摩擦温度的变化规律，指出其磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损。宋云峰等研究了铜网 衬垫关节轴承的承载极限，发现在极限内摩擦因数和磨损量随着载荷的增大而增大。关于 填充铜网复合材料的摩擦磨损性能和磨损机制主要是从宏观和微观两层面来研究，包括其摩擦因数、磨损率与摩擦界面的几何形貌等。而由于衬垫的结构特点，磨损过程中不同阶段以及不同区域衬垫的表面状态会不断变化，因此有必要关注衬垫全寿命周期中 和铜网骨架的损伤过程。为此，本文作者以 填充铜网复合材料为研究对象，通过研究其全寿命周期中的摩擦磨损性能，结合数值模拟分析应力分布情况，探究细观磨损机制，为 填充铜网复合材料抗磨损设计及工艺改进提供基础数据。试验部分 试验材料试验材料采用 填充铜网复合材料，具体制备过程如下：将 浆料均匀涂布在轧制好的平纹铜网上，铜丝截面为长直径约 ，短直径约 的椭圆；两铜丝间距约 ；经过烘干、烧结、轧制得到 填充铜网复合材料，复合材料的厚度约为 ，其模型如图 所示；之后将其粘接在金属基底上。对偶销为退火态 轴承钢，经淬回火热处理后硬度为。图 试样制备及结构 试验条件与方法试验在 重载往复摩擦磨损试验机上进行，该试验机采用销盘式摩擦副（见图）。摩擦时计算机每 记录一次摩擦因数。试验前先用细砂纸打磨销的接触面粗糙度至 ，之后放入丙酮溶液中超声清洗。试验温度为室温，相对湿度为，在载荷 、频率 下对衬垫材料进行润滑与密封第 卷全寿命摩擦磨损试验。试验每隔 用涂层厚度仪测量记录试样磨损区域不同位置厚度，测量点如图 所示，同时将同一时期测量的所有厚度求平均值。试验过程中收集磨屑，用于分析磨损机制。以试验摩擦因数超过保护值（）即衬垫的金属基底露出作为衬垫失效的标志，每组试验重复测试 次。每次试验后，使用金相显微镜、三维形貌仪和扫描电子显微镜观察摩擦表面以及磨屑微观结构与损伤情况。图 销盘摩擦副示意 图 测量区域 受力仿真分析由于材料特殊的结构特点，受载时接触面上应力分布会不同，而数值模拟分析能够直观地了解材料具体的受力分布情况，从而更清楚材料的细观损伤机制。仿真分析步骤如图 所示。首先使用三维仿真建模软件（）对复合材料细观结构进行 建模，模型主要由铜网骨架和 基体两部分组成；随后导出体素体文件（），使用数值模拟软件 打开此文件，设置材料参数：铜网弹性模量为 、泊松比 ；弹性模量为 、泊松比 ；建立静态通用分析步（，），固定试样底部；摩擦面施加 载荷；划分网格；最后提交作业运行该分析步。图 受力数值模拟过程 结果与分析 摩擦磨损性能图 所示为试样不同时期磨损区域不同位置的厚度变化情况，可以看出试样磨损区域不同位置的磨损情况有所不同，同一时期的厚度曲线中间低两端高呈“”形，说明中间磨损较严重。这主要是因为销盘摩擦副在往复运动过程中，中心区域速度快所导致的；其次中心区域的散热速度小于两端，摩擦热在中心区域聚集也会导致中心磨损较快。而磨损区域每个位置的厚度也有所不同，这种现象是由试样的各向异性导致的，需要结合微观表征进一步分析。图 磨损区域不同位置厚度变化 图 所示为全寿命试验条件下（，）摩擦因数和磨损厚度随时间变化关系，可以看出前 试样摩擦因数较高且厚度变化明显，磨损率较高达到 。这是由于该阶段摩擦副表面微观凹凸不平，接触面积较小，处在磨合阶段。随后摩擦因数、磨损率均降低，磨损率约为 ，当测试时间达到 时摩擦因数升高且波动增大，但磨损率几乎没有变化。由于 期间磨损率趋 年第 期彭帅豪等：填充铜网复合材料损伤过程研究 于稳定，该阶段为稳定磨损阶段。最后在 期间试样进入严重磨损阶段，摩擦因数进一步升高至 达到保护值，试样被磨穿，金属基底露出，该阶段磨损率达到 。图 、下试样摩擦因数和厚度变化 ，细观分析 三维形貌分析由于试样在磨合与严重磨损两阶段磨损率较大，摩擦面形貌改变较大不适合三维形貌分析，因此文中主要研究稳定磨损阶段试样的摩擦表面三维形貌差别。使用白光干涉三维形貌仪对试样同一位置三维形貌进行分析，得到三维形貌图（）和轮廓曲线。图 所示为试样不同磨损时期表面三维形貌图。可以看出试样在稳定磨损阶段前期摩擦表面有明显的犁沟，表面轮廓有较大起伏，测得其表面粗糙度 为 （见图 （）。在稳定磨损阶段中期，表面犁耕效果减弱，表面轮廓起伏波动降低，测得此时表面粗糙度 为 （见图（）。在稳定磨损阶段后期可以明显看出表面整体轮廓较为平整，轮廓起伏波动较小，测得此时表面粗糙度 为 （见图 （）。图 所示为图 中箭头处的表面轮廓，可以看出稳定磨损阶段摩擦表面的轮廓的最大高度（轮廓峰顶线和谷底线间的距离）呈现下降趋势，由摩擦 的 ，到摩擦 的 ，再到摩擦 的，轮廓的最大高度在 下降了 ，在 下降了 。因此，经过往复滑动摩擦，摩擦表面在不同磨损阶段形貌发生了变化。图 稳定磨损阶段不同时期试样磨痕轮廓 ：（）；（）；（）图 稳定磨损阶段不同时期试样磨痕轮廓曲线 ：（）；（）；（）润滑与密封第 卷 转移膜及编织结构损伤分析不同时期销摩擦面上同一位置形貌如图 所示，前 向金属销表面转移并在局部位置形成了一层 膜（见图 （）。随着磨损的进行，转移膜不断在销的表面积聚并且铺展覆盖整个金属销表面，至 时这层 膜变得致密且均匀（见图 （）；转移膜的形成使得金属销与 的摩擦转变为销上转移膜与 的摩擦，解释了图 中磨损 后摩擦因数降低的原因。当摩擦时间达到 时，发现销上转移膜表面散布着许多细小磨屑且有明显的犁耕现象（见图（），转移膜被破坏使得摩擦因数升高。试验结束时，销摩擦面上的犁耕现象更加明显（见图 （）。图 不同时期金属销表面形貌 ：（）；（）；（）；（）图 所示为不同时期试样摩擦面上同一位置形貌。摩擦 后，从试样表面可以看到铜网的编织结点，如图 （）所示，结合摩擦因数和金属销表面形貌，说明磨合阶段摩擦主要发生在 与钢之间。进入稳定磨损阶段后，由于磨损前期铜网孔隙中的 含量较高，销上已经形成的 转移膜在法向压应力和切向摩擦剪切应力的作用下不断脱落，同时新的 会再次发生磨损形成新的转移膜，该阶段 转移膜处于形成破坏的动态平衡，因此稳定磨损前半段摩擦主要发生 与 转移膜和 转移膜与铜网之间，这一阶段摩擦因数低且波动小，自润滑性能较好，如图 （）所示。随着铜网露出面积增大其孔隙中的 含量减少，摩擦面上 转移膜的形成破坏平衡被打破，摩擦因数急剧升高且波动较大，随后自润滑性能开始下降，但露出的铜网起到了承载作用，试样耐磨性能不变，如图 （）所示。在整个稳定磨损阶段，在往复摩擦过程中铜网上掉落的铜屑的犁耕作用使试样表面产生槽状磨痕，各磨损位置的厚度随表面成分及状态的变化波动，磨损成分变化主要来自于压力作用下 的塑性流动，起到覆盖试样间隙、降低摩擦因数和表面粗糙度的作用。摩擦 后试样进入严重磨损阶段，至 试样被磨穿，如图 （）所示。从图 中可以看出，试样磨损过程中摩擦面上有地势高凸起和地势低凹坑，这些凸起主要集中在铜网孔隙位置，凹坑集中在铜网凸峰和编织结点位置。对磨损过程中造成这一现象的原因，文中结合数值模拟结果进行了分析。图 所示为数值模拟分析中模型应力分布情况。从图 （）可以看出编织铜网“凸峰”位置比铜网孔隙位置受到的应力要大，从图（）中可以明显地看出铜网“凸峰”以及编织结 年第 期彭帅豪等：填充铜网复合材料损伤过程研究 点处应力集中，因此造成了磨损过程中这两处磨损较为严重。铜网凸峰处的应力集中也会破坏销表面的转移膜，使转移膜上出现犁耕现象（见图），导致摩擦因数的变化。图 不同时期衬垫表面形貌 ：（）；（）；（）；（）图 数值模拟受力分布 ：（）；（）；（）；（）磨屑形貌分析图 所示为扫描电子显微镜下不同时期磨屑形貌。图 （）、（）所示为磨损 后磨屑形貌，可以看出磨屑较多呈层片状，表面较为平整。这是因为对销施加径向载荷后，销与衬垫试样紧密接触，较软的试样材料表层发生塑性变形，硬质金属销嵌入较软的 里，在往复循环过程中试样与金属销发生机械剪切作用，使 出现挤压剥落现象；同时结润滑与密封第 卷合金相显微镜图片发现在这过程中 的黏着磨损产生转移膜，该阶段试样的主要失效形式为机械剪切力对其挤压剥落，并伴随着轻微的黏着磨损，大量的 被剥落挤 出是造成磨 损量较大的 原因。图（）、（）所示为磨损 后磨屑形貌，相比前，该阶段磨屑表面较为粗糙，表面开始出现裂纹。这种情况是因为随着磨损的进行部分试样上的 剥落后没有立即被挤出，这部分磨屑处在销和衬垫中间，随着往复运动再次参与到磨损中，转移到销面上形成 转移膜。而此时磨屑减少，结合试样摩擦表面图片，得知磨损形式主要以黏着磨损为主。随着磨损的进行，磨屑表面的裂纹进一步增多且较粗糙，磨屑量进一步减少，这是由于被剥落下来的 层片状磨屑在长时间的往复运动中被再次磨损，而且参与到转移膜形成中。从图 （）、（）中可以看出，磨损 后磨屑呈粉末状表面更加粗糙，出现大量裂纹和小块状磨屑。结合材料摩擦表面形貌，此时衬垫试样的磨损形式主要为磨粒磨损和疲劳磨损。图 不同时间下磨屑表面变化 ：（）（）；（）（）；（）（）；（）（）；（）（）；（）（）结论（）根据摩擦因数与试样厚度变化，填充铜网复合材料的损伤过程主要可以分为磨合、稳定磨损和严重磨损 个阶段。磨合阶段材料磨损率较高，摩擦因数逐渐升高且不稳定；随着铜网的露出进入稳定磨损阶段，这一阶段时间较长，摩擦因数先降低再升高，磨损率较低且稳定；最后进入严重磨损阶段，时间最短，摩擦因数剧烈升高，衬垫被磨穿。（）磨合阶段，试样中的 与金属销发生机械剪切作用，被剥落挤出的部分呈条带状、片状，未被挤出的部分分别在试样与销摩擦面上铺展、覆盖参与到转移膜的形成当中，损伤机制为机械剪切与黏着磨损；随着铜网露出面积的增大其孔隙中的 含量降低，犁耕更加明显，磨屑裂纹增多逐渐变为粉末状，之后两阶段主要以磨粒、疲劳磨损为主。（）在材料损伤过程中出现了不同阶段与不同区域磨损的不均匀性，通过微观表征发现前者是由材料特殊的结构所致，而后者通过光学显微镜与数值模拟分析，发现平纹铜网“凸峰”以及编织结点部位存在应力集中，导致这些部位磨损严重，造成了磨损的不均匀性。参考文献 刘泊天，张静静，高鸿，等空间用润滑材料研究进展材料导报，（）：，（）：年第 期彭帅豪等：填充铜网复合材料损伤过程研究 张伟铜基自润滑复合材料的制备及摩擦磨损性能研究扬州：扬州大学，常浩捷，陈锦江，王泽民，等自润滑关节轴承温度场的有限元分析机床与液压，（）：，（）：，（）：崔海超，邰同波，罗光华自润滑材料摩擦磨损性能研究科技与创新，（）：黄彧，王文东，黄炜，等聚四氟乙烯在滑动轴承中的应用有机氟工业，（）：，（）：顾榴俊聚四氟乙烯及其应用研究进展浙江化工，（）：，（）：崔锦峰，文泽东，白常宁，等聚四氟乙烯改性研究进展塑料工业，（）：，（）：张亚涛环境温度和基体材料对关节轴承摩擦学性能影响的研究洛阳：河南科技大学，：，肖帮，王智勇，丁亚，等 三层复合轴承材料摩擦温升与摩损机理的关联性研究合肥工业大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：袁军亚，杨明明，李佩隆，等自润滑关节轴承用织物衬垫摩擦学研究进展摩擦学学报，（）：，（）：，：王国锋，邱明，郜志伦 铜网衬垫关节轴承的摩擦学性能研究轴承，（）：，（）：宋云峰，郭强，罗唯力 铜网复合材料衬垫自润滑关节轴承的试验研究机械工程材料，（）：，（），（）：董炳武，邓四二，张文虎自润滑关节轴承衬垫磨损机理研究智能制造，（）：陈轲填充 镶嵌结构固体润滑材料制备及性能研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，：，（）：李锐，谭德强，周长春，等载荷对 织物材料旋转滑动摩擦磨损性能的影响化工新型材料，（）：，（）：，（）：，（）：润滑与密封第 卷