摩擦是一个至关重要的参数在许多工程应用中当接触表面受到热量和磨损。两个固体之间的交互往往是模仿通过库仑摩擦定律,连接法向应力和切向应力( τ f = μ σ n )。在许多模型应用于金属成形,摩擦系数 μ 是由一个常数值取决于材料的性质和表面粗糙度。然而,当滑动速度和接触压力倾向于极端条件下,更好地评价摩擦系数必须正确代表物理现象。例如,在高速加工、造型的摩擦系数作为滑动速度和接触压力的函数可以占的进化在不同切削条件下切削力( 1]。此外,高压力和高滑动速度的增加这个系数的实验测定的困难 1- - - - - - 6]。测试的可靠性,当地条件的高压力、高速度和表面特征的研究必须复制过程。这些条件必须实现一个简单的几何图形,很容易接触的测量参数。除此之外,不同的组合装置常常需要描述在范围广泛的接触条件下摩擦系数在这种背景下,三种互补设备测量动态摩擦力与接触压力大于250 MPa开发:(1)pin-on-disc安装在数控车床设备,(2)摩擦设备上安装快速液压机器,和(3)一个实验由使用弹道设备(气体发射器)。叠加速度与不同的设备还允许范围获得的验证结果。钢对钢(C22)选择研究粗糙尺度上的相互作用的特点是连接和microwelds。摩擦系数的演变取决于滑动速度的范围从0.01 m / s - 80 m / s。

生成一个原始传感器测量部队在摩擦是结合开发高滑动速度和高接触压力。特定的负载传感器(图 1)是综合弹道的长椅上(图 2)能够达到滑动速度120米/秒以上。两个额外的设备被用来扩大范围的探讨滑动速度和验证测量由不同的采购渠道。这些设备首先液压动态测试机(图 3(一个))能够接收传感器,另一个是一种更为传统的pin-on-disk(图 3 (b))。弹道设备呈现在图 2由两个同轴管:第一个是发射管,第二个接收管减震器。本设备最初开发研究极端切削条件( 7)在一个没有缺点的完美的垂直切割配置引起的工业机器。quasi-instantaneous扩张的压缩空气储存在蓄电池推动高速弹丸发射管。足够长度的管,加上一个调整入射粒子质量(不同的几何形状和材料为了有一个合适的动能)基于测试参数,提供几乎恒定的速度(少于4%)变化在滑动过程中弹丸。一组三个传感器记录准确地射弹的速度和加速度。

负载传感器(cf图 1),连接到接收管,支持标本 一个通过测力计环和强加了一个正常的压力。标本的平移运动 B是由一个弹丸的非弹性碰撞。标本 B收到的减震器进行后期分析摩擦表面。负载传感器被设计成可轻易使用另一个螺旋桨作为一个更传统的高速伺服液压控制的机器。这个大会,示意图见图 3(一个)探索的范围,允许低摩擦速度( 0.01 米 / 年代 < V < 3 米 / 年代 )。拉伸机的液压千斤顶取代了抛射体的位移,确保标本 B受制于两个血小板 一个。摩擦产生的力的测量将是双重的,首先从机器的负载细胞其次的传感器。

第三个pin-on-disk类型的摩擦装置是安装在一个数控车床(见图 3 (b))。心轴的转动提供标本(盘),而血小板(pin)是固定在工具夹具。力测力计测量由基斯特勒公司,定位销的支持下。所有的测试提出了研究在干摩擦条件下进行中间硬钢C22 ( R e = 340年 MPa)。摩擦表面研磨得到的类似摩擦的方向运动( R 一个 = 0.9 μ米)。重要的是要注意,摩擦测试是进行一个通过两个新的表面(不磨合阶段)。这种方法有助于理解的基本现象呈现在两个表面的单一交互。样品用白光干涉仪摩擦表面进行了分析。这些观察让我们遵循进化的粗糙度和观察粒子microjunctions抢走。

摩擦系数 μ 通过力量测量的定义是: (1) μ = F T F N , 在哪里 F T 摩擦和切向力吗 F N 是正常的力量。三种类型的测试期间,滑动速度 V 和法向力。明显的正常定义的接触表面的压力 (2) P 一个 = F N 年代 一个 , 在哪里 年代 一个 是明显的接触表面。典型的信号记录在弹道上的测试设备是呈现在图 4。两个应变式相结合的信号和平均纠正偏差的影响,可能会导致一个不连续的摩擦。的指导,确保标本 B弹丸通过接收管,一个特定的几何形状(见图 1定义)。变化无常的刚度然后观察造成压力下降的最后测试。只有部分的信号对应于恒压的区域是考虑确定摩擦力。与pin-on-disk摩擦计,而且有可能监测和记录的力和法向力应用在测试期间由于摩擦。与其他设备,使用测功器环,压力和卸载的应用不是瞬时。

此外,动态效果由于升高的速度需要一种特殊的分析记录信号。提出了几种振动模式的信号。治疗提出为了区分负载传感器的主要固有模式和频率引起的摩擦现象。不同的固有模式估计通过振动分析有限元模型(见图 5)。有效治疗的信号指标(去除固有模式频率)成为可能(粗线在图 4)。推导出摩擦系数的平均值从过滤信号(水平折线图 4)。

图 6介绍了摩擦系数的函数的滑动速度不同接触压力。感谢这三个设备的互补性,摩擦系数确定的发展速度从0.01 m / s到80 m / s。摩擦系数与滑动速度趋势降低,也显示在以前的工作与发展( 5, 6]。

的系数 μ 是由于温度随着速度的影响。从30 m / s,一个较小的摩擦的变化仍然是观察。在更高的速度,温度的影响与粘性的影响竞争行为(应力与应变率的增加)。压力和滑动速度直接影响表面微凸体的接触条件。变形过程中产生的摩擦导致的重建两固体表面微凸体之间的连接。或多或少的强大的连接被创建,大型滑动速度的条件加速剪切的机理和表面微凸体的变更;参见图 7。

解释摩擦系数的演变,所有参与热机的现象在表面微凸体的剪切必须考虑( 5, 6, 8]。法向力和切向力可以评估由以下方程: (3) F T = f τ 年代 r , F N = σ 年代 r , 在哪里 年代 r 是真正的接触面积, τ 表面微凸体的剪切应力 σ 在连接正常的压力。的因素 f ( 0 ≤ f ≤ 1 ) 代表真正的接触面积的比例实际上导致剪切。真正的表面 年代 r 与明显的表面 年代 一个 的系数 α ( 0 ≤ α ≤ 1 ) (4) 年代 r = α 年代 一个 。

的决心 f 和 α 有必要描述和摩擦系数的演化模型。例如, α 随法向力通过增加表面微凸体之间的连接的数量。尽管如此,这些参数的值无法轻易决定通过实验观察。面分析可以通过使用白色的光学显微镜,通过重建三维表面配置文件。插图在图 8显示的进化血小板的滑动面(固定部分)在弹道上的摩擦测试装置20 m / s,带有明显的40 MPa的压力。

连接导致的破裂之间的传质两部分联系到10微米的高度,它可以观察到,如图 8。表面粗糙度 R 一个 严重恶化从0.9 μ米至3.0 μm。修改增加的速度和压力接触条件,和改变表面发生剪切表面微凸体的峰值。图 9显示前后试样的表面摩擦 V = 60 米/秒, P 一个 = One hundred. MPa。更高的压力显著增加真正的接触面积 年代 r 。然而,在表面微凸体的规模,剪材料的体积大大减少(只有几微米的高度)。与上面描述的测试(较低的压力和速度),表面粗糙度有所改善,因为的价值 R 一个 减少从0.9 μ米至0.82 μm。此外,虽然接触的数量增加,观察表明,只有一小部分的连接是有效的剪切。在这种情况下,一个低价值的参数 f 必须被考虑。表面形貌的演变可以解释考虑塑料流态的变化。事实上,观察到高滑动速度和巨大的压力可以生成条件导致界面温度接近near-melt政权和完全融化温度( 9- - - - - - 11]。当地融化发生在粗糙面连接导致熔融金属的发展电影tribo-pair接口。

参数的知识 α 和 f ,取决于测试条件,但是不足以解释全球进化的摩擦系数。材料的行为和温度上升也必须考虑。的摩擦系数可以编写如下的压力 P 一个 被假定为常数时测试: (5) μ = f τ α 年代 一个 F N = f α τ P 一个 。 剪切应力 τ相关材料thermo-viscoplastic行为,可以表示为一个函数的剪切应变 γ 剪切应变率 γ ̇ ,温度 T在变形艰苦的条件: (6) τ = τ ( γ , γ ̇ , T ) 。 应变率 γ ̇ 可以估计以下方程: (7) γ ̇ = V h , 在哪里 h是高的表面微凸体发生剪切。据观察,高度的价值是秩序的 μm导致非常高的应变速率 10 6 年代 - - - - - - 1 。当应变速率会增加压力,温度会降低热软化过程。一个好的描述温度可以由flash的测量温度 T 马克斯 这是达成的接触。以前的结果( 9]表明,flash温度相同条件下的接触超过1000°C。最后,如果所有参数出现在( 5)是已知的准确性,有可能预测系数的值 μ 及其渐近进化速度和压力。

动态摩擦的分析需要知识的精确实验数据描述热机的现象发生在联系机制。在这种情况下,一组三个互补的测量摩擦设备开发。研究关注钢铁对钢铁的干摩擦,但是这些设备的设计使一个简单的适应其他双材料的研究。摩擦系数的演变可以观察到在一个非常广泛的滑动速度和不同的压力水平。这些设备的融合结果可以提高实验数据的可靠性。在高速度,温度似乎是主要的影响。它原因,由于“热软化、摩擦系数下降。然而,根据施加压力,摩擦系数可能继续下跌(极端压力)或略有增加(低压)。为了更好地理解这些变化,等参数实际接触表面,材料的剪切卷,或表面微凸体的接触温度必须量化。高速度和高压力的组合似乎降低了表面粗糙度的摩擦表面由于局部塑性流动和融化。 This could explain the asymptotic trend of the coefficient in extreme conditions.