接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究_沈燕

第30卷 第4期2010年7月

摩擦学学报

Tribology

Vo.l30 No.4

July,2010

接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究

沈 燕,张德坤

1

1*

,王大刚,许林敏

22

(1.中国矿业大学材料科学与工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221116)

摘 要:以6 19点接触式提升钢丝绳为研究对象,在自制的微动摩擦磨损试验机上开展钢丝微动磨损的实验研究,考察在不同接触载荷下钢丝的微动磨损行为,采用S-3000N型扫描电镜观察钢丝的磨损形貌并分析其微动损伤机理.结果表明:在接触载荷为9~29N范围内,微动摩擦力(Ft)-位移幅值(D)曲线随循环周次的变化表明钢丝运行于混合区,并随着接触载荷的增加,钢丝间接触应力增加;在微动磨损初期钢丝间的摩擦系数均较低,之后逐渐增加并趋于稳定;其稳定摩擦系数随着钢丝间接触载荷的增加而降低,接触载荷为9N时的摩擦系数最大,约为1.25,而29N的摩擦系数约为0.57;钢丝间的接触载荷增加,钢丝表面接触疲劳的几率增大,出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,其损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.关键词:钢丝;接触载荷;微动磨损;摩擦系数中图分类号:TH117

文献标志码:A

文章编号:1004-0595(2010)04-0404-05

EffectofContactLoadontheFrettingWearBehaviorofSteelWire

SHENYan,ZHANGDe-kun,WANGDa-gang,XULin-min

1

1*

2

2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China2.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)Abstract:The6 19pointcontactropewastakenasanexampletoinvestigatethefrettingwearbehaviorofthehoistingrope.Thustheeffectofthecontactloadonthefrettingwearbehaviorwasexamined.Furthermore,themorphologiesofthefrettedsteelwiresurfaceswereobservedontheS-3000Nscanningelectronmicroscope.Theresultsshowedthatthefrettingbehaviorofthefrettedsteelwirewasinthemixedfrettingregimefrom9to29Nbasedontheevolutionofthefrictionforce(Ft)-amplitude(D)curveofsteelwireversusthefrettingcycles,andthecontactstressincreasedwiththeincreasingofcontactload.Thefrictioncoefficientwaslowatthebeginningoffrettingwear,andthenincreasedgraduallyuntiltostabilizeinthelatter.

Itwasfoundthatthefrictioncoefficientdecreasedwiththeincreasingofthecontactload.Thefriction

theprobabilityof

coefficientswerethehighestat9N,andthelowestat29N.Moreover,asthecontactloadincreased,tofatigue.Abrasivewear,fatiguewearandtribo-oxidationwerethemainwearmechanisms.Keywords:steelwire,contactload,frettingwear,frictioncoefficient

contactfatigueonthewiresurfaceincreased.Asaresult,theweartraceappeareddebrisdetachedandmicro-cracksdue

钢丝绳具有良好的弯曲柔韧性和承载能力,因而被广泛用作运输机械的牵引缆绳、矿山机械的提升缆绳、乘人索道的支撑缆绳、斜拉桥的承载钢索

等,钢丝绳的承载强度和服役寿命对这些应用装备

的安全运行都非常重要.在这些装备的运行过程中,钢丝绳要经受反复的拉伸和弯曲以及动态载荷,使钢丝绳内部股与股、丝与丝之间经受不同微动振幅的微动磨损,而且还要承受交变应力.较小的微动振

Received20July2009,revised30November2009,accepted22February2010,availableonline28July2010.*Correspondingauthor.Te:l+86-516-83591918,E-mai:ldkzhang@

第4期沈燕,等:接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究405

幅往往会引起钢丝微动接触区的裂纹萌生、扩展与断裂,形成微动疲劳,加剧钢丝绳的疲劳破坏

[1]

利用计算机采集微动磨损过程中摩擦力和微动振幅的变化,根据所得的微动运行特性曲线,即摩擦力(Ft)-位移幅值(D)随循环周次的变化曲线,可以确定微动的区域特性

[1]

.因

此,通过研究钢丝微动磨损来减少疲劳断丝对提高钢丝绳的使用寿命有着重要意义.

Waterhouse等

[2-3]

.计算得到平均摩擦系数,

通过试验得出磨损体积和垂

研究钢丝间的接触载荷变化对微动磨损行为的影响规律.用光学显微镜和S-3000N型扫描电镜观察钢丝的微动磨痕形貌,并用X-射线能谱分析仪对磨痕进行化学成分分析,研究钢丝的微动损伤机理.

直正压力之间成线性关系,正压力越大,其磨损越严

[4]

重.Beretta等研究了钢丝的疲劳强度与表面质量的关系.Zhou等

[5]

研究了单根铝丝的微动磨损和微

动疲劳性能,认为由微动引起的塑性变形和磨损以及裂纹萌生是电缆疲劳失效的主要原因.张德坤[6-8]等对矿井提升钢丝绳内部钢丝的微动磨损机理进行了研究,Zhang等

[9-10]

2 结果与讨论

2.1 微动运行区域特性

图2所示为钢丝在不同法向接触载荷下随循环

周次变化的微动Ft-D曲线.结果表明,接触载荷为9N时,钢丝Ft-D曲线在微动初期(约100次)呈平行四边形,钢丝接触状态以滑移为主,随着循环周次增加,接触面相对滑移减少,弹性变形量增加,向黏着型转变,Ft-D曲线逐渐闭合转变为直线状,在1000次微动周期后Ft-D曲线转变为椭圆型,说明微动区域处于混合区[图2(a)].接触载荷为14、19、24、29N时,钢丝Ft-D曲线在首次循环均呈平行四边形,钢丝2接触体处于相对滑移状态,微动循环增加后,Ft-D曲线逐渐闭合再打开,在直线型和椭圆型之间反复转变,稳定状态下保持椭圆型,说明微动从完全滑移状态到部分滑移状态整个过程反复变化,微动运行于混合区[图2(b)~(e)].

首次微动循环,接触载荷在9~29N范围内的Ft-D曲线均呈平行四边形,摩擦力较低,这是接触表面有污染膜和吸附膜等保护作用.

当循环周次达到100次,9N的Ft-D曲线仍保持平行四边形,摩擦力略有增加至7.5N左右,而其他载荷下的摩擦力迅速增加到17.5N左右,14N的Ft-D曲线转变为椭圆型,19~29N的Ft-D曲线转变为直线型.当循环周次继续增加,钢丝在接触载荷9~14N条件下的摩擦力趋于稳定.

法向接触载荷决定了微动接触区尺寸、应力场、切向刚度等的大小.2个钢丝试样开始接触为点接触

[14]

形式,根据赫兹接触理论,可以分别计算出不同接触载荷下正交钢丝的理论接触面积和理论接触应力,如图3所示.曲线表明,钢丝理论接触面积和理论接触应力随着接触载荷的增加而增加,接触面积非常小,因此接触应力较高,已超过材料的屈服强度.2.2 摩擦系数

图4示出了不同接触载荷下,钢丝间的摩擦系还研究了矿井提升钢丝

[11]

绳微动摩擦磨损对疲劳断裂行为影响.郭强等研

究了高分子材料的耐磨机理及其钢丝的微动损伤防

[12-13]

护和减摩耐磨机理.张晓宇和蔡振兵等分别考察I-800合金的微动磨损特性和钢-钢接触的扭动微动磨损氧化行为.以上研究均未深入研究钢丝的微动磨损运行机制(摩擦力与位移幅值随微动循环周次的变化关系),本文主要研究接触载荷参数对钢丝间微动磨损行为的影响,探索钢丝微动磨损的运行机制和损伤机理.

1 实验部分

以6 19点接触钢丝绳(冷拔优质碳素结构钢钢丝)作为研究对象,其组成质量分数分别为0 84%C、94.62%Fe、4.53%Zn,余量为S和P,弹性模量2.03 10MPa,屈服强度为640MPa,硬度为HV0.1365,抗拉强度为1600MPa.将钢丝绳中钢丝间的微动磨损形式简化成2根钢丝之间成90 相互对摩的形式(图1),在自制的微动摩擦磨损试验机上进行微动磨损试验.试验参数分别为:室温,干摩擦,设定微动振幅D为!98.3 m,接触载荷Fn为9~29N(每隔5N递增),微动频率f为1.2Hz,循环周次N为1 10次.

45

Fig.1 Simplifiedfrettingcontactmodelofwires

图1 简化的钢丝微动接触示意图

406摩 擦 学 学 报第30卷

Fig.2 Ft-Dcurvesofsteelwireatdifferentfrettingwearcycles

图2 钢丝随微动循环周次变化的Ft-D

曲线

基本保持不变;其中接触载荷为9N的摩擦系数最

大,达到1.25左右,当接触载荷增加至29N,钢丝间的摩擦系数降低到0.57.

摩擦系数随接触载荷的变化关系,主要由于微动接触体表面凸峰的接触面积及其应力状态和磨屑的润滑作用所引起.载荷为9~29N时,金属接触表面的微凸峰在正压力下产生屈服,2个表面处于弹塑性状态,表面凸峰相接触面积较大,在微动摩擦过程中,大部分凸峰接触斑点并不分离,受其黏着作用使摩擦力增大.随着微动循环周次的增加,微动磨损产生大量细小磨屑,但是由于微动位移幅值较大,试

Fig.3 Theoreticalcontactareaandcontact

stressofsteelwires

图3 钢丝的理论接触面积和理论接触应力

样间相互错动带出较多磨屑,当逸出的磨屑与形成的磨屑保持动态平衡,摩擦系数基本保持稳定.

接触载荷的增加使实际接触面积增大,而摩擦力的大小主要取决于实际接触面积的大小.一般情况下,实际接触面积的增加并不与接触载荷成正比,而是比接触载荷增加的慢,因此接触载荷增加反而使摩擦系数降低.2.3 微动损伤分析

图5为钢丝在接触载荷为9N时磨痕的低倍形貌,可见磨痕呈现椭圆形凹坑,接触表面有剥落的痕迹,且覆盖红棕色氧化铁磨屑,这是由于摩擦过程中钢丝与空气中的氧发生化学反应的结果.

6载下后摩擦系数随载荷变化的柱状图.可以看出,接触载荷在9~29N范围内,钢丝间的摩擦系数随循环周次的变化趋势一致,即在磨损初期摩擦系数较低,后增加并渐趋于稳定,这是因为在磨损初期钢丝表面膜的保护作用下摩擦力较小,故摩擦系数较低,随着循环周次增加,钢丝表面膜破裂和去除,材料直接接触,由于表面黏着和塑性变形,摩擦力增加,故摩擦系数迅速增加,又经过一定的循环周次后,摩擦力稳定t-D,

第4期沈燕,等:接触载荷对钢丝微动磨损行为影响的研究407

Fig.4 Variationoffrictioncoefficientofsteelwireunderdifferentloads

图4

钢丝在不同接触载荷下摩擦系数的变化曲线

以及颗粒磨屑、片状磨屑,载荷小时,接触面材料在剪切力的作用下发生挤压变形,没有明显的犁沟和

剥层,损伤轻微[图6(a)~(b)].当接触载荷增加,钢丝在接触界面发生强烈的塑性变形和材料的剥落而造成高低不平的形貌,接触区出现磨屑沿着滑动方向堆积的现象[图6(c)~(f)];随着接触载荷的增加,钢丝接触表面间的接触应力也相应增加,这也使表面接触疲劳的机率增大,磨痕出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹[图6(c)],较大接触应力下的微动区会积累大量的磨屑,磨屑作为第三体,在接触表面产生大量的犁沟[图6(d)~(e)],且部分磨屑在接触表面的反复挤压下黏附在表面上[图6(f)].钢丝磨痕的能谱图上有明显的氧峰,这与光学形貌中有红棕色氧化铁磨屑一致,

表明摩擦氧化

Fig.5 Opticalmicrographofthefrettedsteelwires(9N)

图5 钢丝微动磨痕的光学显微形貌(9N)

SEM形貌.可以看出,磨痕沿着运动方向呈现椭圆状形貌,接触界面上存在很多颗粒脱落形成的凹坑

Fig.6 SEMmicrographsofthefrettingwearregionsofsteelwireunderdifferentloads

6

408摩 擦 学 学 报第30卷

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Fig.7 X-rayenergyspectrumofweartrace

图7 钢丝磨痕的X-射线能谱图

作用明显,故钢丝的微动损伤机制以磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化为主.

3 结论

a. 在接触载荷为9~29N范围内,接触应力随着钢丝间接触载荷的增加而增加,接触表面微动摩擦时发生强烈的塑性变形,微动Ft-D曲线表明钢丝运行于微动混合区.

b. 钢丝间的摩擦系数在磨损初期摩擦系数均较低,后增加并渐趋于稳定;随着钢丝间接触载荷的增加,其稳定摩擦系数呈现降低趋势.接触载荷为9N的摩擦系数最大,达到1.25左右,而载荷为29N的摩擦系数最小并稳定在0.57附近.

c. 在微动混合区,随着钢丝间接触载荷的增加,其表面接触疲劳的机率增大,磨痕出现磨屑疲劳脱落的痕迹和疲劳微裂纹,钢丝的损伤机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦氧化.

4 致谢

本研究得到国家自然科学基金项目(50875252)和教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0479)的资助,在此表示感谢.参考文献:

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hpg4.html