碳化硅陶瓷摩擦磨损性能及摩擦过程中接触应力分析
季春云;金晓怡;陈志鹏
【摘 要】采用MMW-1A多功能立式摩擦磨损试验机,以全因子设计的方法研究干摩擦条件下,载荷和转速两因素对摩擦因数与磨损量的影响.摩擦因数与磨损量的方差分析结果表明,转速对摩擦因数的影响更为显著,而载荷对SiC磨损量的影响更为显著.结合ABAQUS有限元分析软件对SiC陶瓷与45#钢的摩擦过程进行模拟仿真,得到摩擦过程中接触区域的应力分布,同时还探讨SiC陶瓷的磨损机制.结果表明:SiC陶瓷表面的最大等效应力位于接触区边缘,最大拉应力位于滑动前方,最大压应力位于滑动后方;不同应力下SiC陶瓷表面的磨损机制也不一样,主要表现为黏着磨损、磨粒磨损、犁沟磨损.%The effect of load and speed on friction coefficient and wear loss under dry friction condition was rearched on the MMW-1A multifunction vertical friction and wear testing machine with full-factorial design method.The variance analysis of friction coefficient and wear loss show that the speed has the most important impact on the friction coefficient,while the load has the most important impact on the wear loss.The friction and wear process of SiC ceramic against 45 steel was simulated by using
ABAQUS software to analyze the stress distribution of contact area during friction and wear process,and the wear mechanism of SiC ceramic was discusd.The test results show that the maximum Mis stress of SiC ceramic is located at the outside of contact area,and the maximum tensile stress is located at the anterior of sliding,while the maximum compressive stress is located at the rear of sliding.Under different stress,the wear mechanisms of SiC ceramic are different,which are mainly adhesive wear,abrasive wear and ploughing wear.
荷花盆栽【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2018(043)002
【总页数】5页(P78-81,110)
【关键词】碳化硅陶瓷;摩擦磨损;磨损机制;接触应力
【作 者】季春云;金晓怡;陈志鹏
【作者单位】上海工程技术大学机械工程学院 上海201620;上海工程技术大学机械工程学院 上海201620;上海工程技术大学机械工程学院 上海201620
食药局【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.1
碳化硅是一种高硬度、高机械强度的工程陶瓷，具有耐磨损、耐腐蚀和耐高温等特点。目前在机械、化工、能源环保、生物医学等领域具有广泛的应用，但摩擦因数高和本身的脆性等因素也导致了碳化硅难以加工，因此其应用也受到了限制[1]。在实际工程应用中经常会遇到陶瓷与金属的摩擦磨损问题[2-3]，尤其是碳化硅具有耐高温、耐腐蚀和耐磨损的特性，而45#钢又是一种具有广泛应用的耐磨金属材料，将两者配合使用将会产生较高的价值。为了掌握摩擦副的工作特性和提高陶瓷摩擦副的耐磨性能，需要深入研究碳化硅陶瓷与45#钢组成的摩擦副的摩擦磨损机制。影响碳化硅陶瓷材料摩擦学性能的因素有很多，目前国内外对其摩擦磨损、断裂及磨损机制方面进行了深入的研究[4-6]。在不同的工况下，每个因素所起到的影响作用也各不相同，因此确定各影响因素对摩擦因数与磨损量的影响次序更能有效地减少磨损，提高提高材料摩擦学性能与生产效率[7]。
本文作者采用SiC陶瓷/45#钢摩擦副，基于全因子设计的方法研究干摩擦条件下，载荷、转速2种因素对SiC陶瓷/45#钢摩擦磨损性能的影响，并利用ABAQUS有限元软件分析SiC陶瓷与45#钢摩擦过程中接触区域的应力分布，同时还探讨SiC陶瓷的磨损机制。
1 试验部分
1.1 试验条件及试验方法
在MMW-1A型摩擦磨损试验机上进行SiC陶瓷与45#钢在常温及干摩擦条件下的摩擦磨损试验，摩擦副的接触方式为销-盘面接触，其中45#钢销静止，尺寸为φ4.8 mm×12.7 mm，SiC陶瓷盘转动，尺寸为φ38 mm(内径)×φ54 mm(外径)×10 mm，销-盘间接触面的面积为18.10 mm2。摩擦副材料的性能见表1。
表1 45#钢和SiC陶瓷的机械性能Table 1 Mechanical properties of 45 steel and SiC ceramics材料密度ρ/(g·cm-3)弹性模量E/GPa泊松比45#钢7．852000．30SiC陶瓷3．254200．14
摩擦因数直接从MMW-1A型多功能摩擦磨损试验机上测出，SiC陶瓷的磨损质量损失用电
子分析天平测定，试样称量前在超声波清洗机中清洗30 min，然后在烘箱中干燥 30 min，将磨损质量损失除以试样材料的密度以及摩擦磨损试验所用载荷和滑动距离即得到磨损率。摩擦磨损试验结束后，试样表面磨损形貌通过金相显微镜观察。
1.2 试验设计
采用正交试验法研究载荷和转速对SiC陶瓷/45#钢摩擦副磨损率的影响，表2列出了影响磨损率的因素和水平，根据正交试验设计，2因素3水平全面试验共包含9种组合方式。在试验中，试验重复3次共27个数据，取其平均值。
木耳炖豆腐表2 因子及其水平Table 2 Factors and their levels水平A载荷p/NB转速n/(r·min-1)11052151032015
2 试验结果及方差分析
中国老龄化根据载荷和转速的变化，建立了2因素3水平实验，实验结果如表3所示。
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为了确定各因素对摩擦因数和磨损量的影响程度，现对试验数据进行两因素无交互作用方差分析。利用方差分析表采用F检验法对载荷、转速2种因素进行了显著性检验，结果如表4、5所示。其中，Sj是各因素的离差平方和，fi是各因素的自由度，MSj是各因素的均方值，F比是评价各因素对试验结果影响程度的检验值，Fα是标准F分布表中的临界值，取α=0.05。
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表4 摩擦因数方差分析表Table 4 The variance analysis table of friction coefficient方差来源离差平方和Sj自由度fi均方MSjF比Fα显著性载荷1．1021×10-425．5105×10-57．5366．94显著转速9．8298×10-424．9149×10-467．2126．94显著误差E2．925×10-547．3125×10-6总和T1．12244×10-38
表5 SiC 磨损量方差分析表Table 5 The variance analysis table of wear loss方差来源离差平方和Sj自由度fi均方MSjF比Fα显著性载荷4．0505×10-422．0253×10-4282．4686．94显著转速5．9252×10-522．9692×10-541．4116．94显著误差E2．8680×10-647．17×10-7总和T4．6717×10-48
显著性结果表明，在干摩擦状态下，载荷和转速对摩擦因数和SiC陶瓷磨损量都有显著影
响。转速对于摩擦因数的影响更为显著，而载荷对于SiC陶瓷磨损量的影响更为显著。
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3.1 有限元分析模型
摩擦磨损与摩擦副的接触状态和接触应力密切相关，因此，研究摩擦表面的接触应力场的分布状态和变化规律能够更好地理解摩擦磨损发生的原因和过程[8-9]。
用ABAQUS有限元软件[10]模拟销-盘之间的摩擦滑动接触时，模拟的接触结构是三维应力问题。根据销-盘接触的实体模型，为了更好地建模和计算把盘展开成长方体，并截取其中的一部分建模，销按原来的尺寸建模。销-盘接触类型选择面-面接触模式，由于盘的硬度大于销的硬度，故选取销作为从面，盘作为主面。销和盘都选用三维8节点线性非协调单元C3D8I。盘的底边全约束，在销顶部施加垂直载荷，分别为10、15、20、25、30 N，通过销的横截面积的换算，得到施加的应力载荷为0.55、0.83、1.10、1.38、1.66 MPa。
3.2 仿真结果及分析
图1(a)、(b)分别为SiC陶瓷与45#钢摩擦时SiC陶瓷的等效应力分布图与摩擦剪应力图，由图1(a)可知，接触应力场的分布形态不是均匀的。SiC陶瓷试样上表面最大的等效应力出现在接触面的边缘，最大值为13.87 MPa，并沿边缘向内逐渐减小，这是因为销盘摩擦时，销的截面尺寸小，在边界出现应力集中的缘故。由图1(b)可知， 由于滑动的方向是沿着X方向的，为克服摩擦力，SiC陶瓷试样在滑动前方受到最大拉应力，最大值为8.552 kPa，而在滑动后方受到最大压应力，最大值为8.855 kPa。
图1 SiC陶瓷上表面应力分布Fig 1 Stress distribution of SiC ceramic upper surface (a)Mis stress distribution;(b)frictional shear stress distribution
图2(a)、(b)分别示出了SiC陶瓷与45#钢在不同载荷下其最大等效应力与最大摩擦剪应力变化曲线。可见,该陶瓷与45#钢摩擦时，其最大等效应力和最大摩擦剪应力的值随载荷增大而增大，且效果较明显。在10～15 N的低载荷下，其最大等效应力和最大摩擦剪应力的增长速度比较缓慢；25～30 N的高载荷下，其最大等效应力和最大摩擦剪应力的增长速度比较迅速。
图2 SiC陶瓷与45#钢摩擦时的应力变化Fig 2 Stress changes with the incre of load wheactive是什么意思
n SiC ceramic against 45 steel (a)variation of maximum Mis stress with load;(b) variation of maximum Mis stress with load
4 磨损表面SEM分析
根据陶瓷的晶粒剥落机制，当陶瓷材料的断裂韧性承受不了所受到的应力时，就会出现脆性剥落和微裂纹的现象[11]。图3(a)是SiC陶瓷的原始表面SEM图，图3(b)—(f)是SiC陶瓷在不同载荷下的磨损表面SEM图。
