【科研分享】钢摩擦片的可行性及磨损研究

2023-12-17 20:48:58 · AngusZhang

小轩寄语今天小轩带给大家一篇关于利用常见的金属，钢材，做摩擦片的研究，希冀大家阅读此文后，能够对大家做由摩擦系统构成的阻尼器或者支撑的研究，有一定的启发。如今，因为结构可恢复性被越来越多研究者追求，各

小轩寄语

今天小轩带给大家一篇关于利用常见的金属，钢材，做摩擦片的研究，希冀大家阅读此文后，能够对大家做由摩擦系统构成的阻尼器或者支撑的研究，有一定的启发。如今，因为结构可恢复性被越来越多研究者追求，各类高性能的被动阻尼器被研发出来，并用于传统的结构，以期降低结构的总体响应和主结构的损伤，从而提高结构的抗震性能。如各类基于后张拉的阻尼器，或者基于形状记忆合金，或者多线性弹簧的复合系统。过去的研究表明，良好的阻尼器系统应同时具备可恢复性能，即较低的残余变形，较饱满的耗能，同时可以尽量在震后免于更换或者易更换。由于摩擦机制可以稳定地提供耗能，而受到越来越多的研究者青睐。时下，结合自复位系统和摩擦机制的被动阻尼器的构造也频频被提出。但对于摩擦系统依然存在一个问题，摩擦片的磨损的问题，这个对摩擦片的材料提出了较高的要求，我们希望摩擦系统在有效的工作期限内，经历较低的磨损，从而稳定的耗能，使得我们的阻尼器系统在震后免于维修。

我们在选择摩擦片材料的时候，对于土木工程的学生而言，最熟悉的自然便是钢材，但是有关钢材做摩擦片的资料较少。而常见的摩擦材料各类纤维摩擦片，粉末冶金摩擦片等等。此外对摩擦学中磨损也缺少基本的认知，所以在选择用钢材作为摩擦片时而踌躇担忧，缺乏信心。

研究背景

钢材用作摩擦片的研究不多，尤其是不同钢材等级，不同表面硬度，以及如何搭配钢材可以提供保证钢片摩擦系统可以提供稳定的，可预测，可重复的以及低磨损的摩擦性能。这篇论文对不同钢材等级，不同表面硬度的钢材进行组合进行了研究。

研究主要内容

摩擦与磨损

良好的摩擦性能具备稳定，可重复，可预测以及低磨损的特征。过去的研究已经表明，低碳钢和黄铜组合的摩擦系统可以提供较为稳定的摩擦性能。如图1所示。

图1 G300钢和黄铜组合摩擦滞回曲线

摩擦片的低磨损的特征可以使得摩擦片可以经历多次地震激励而重复使用，无需更换。利用磨损理论可以很好地理解材料表面的滑动性能。

摩擦是在一定法向力下移动一个表面切向划过另一个表面的阻力。这个阻力依赖于接触表面间的法向力和摩擦系数。材料的摩擦系数由两部分组成，即：摩擦的黏附和塑性变形。可以表示为

前者是摩擦表面黏附的贡献，后者是摩擦表面塑性变形的贡献。这两个部分均依赖于摩擦片材料的化学和力学性能。此外，也受摩擦面粗糙度影响。

摩擦面的黏附相互作用可以由摩擦片有效接触面积描述。当摩擦片因一定的法向力相互接触时，首先接触的是表面较凸的部分。随着法向力的增加，因较软摩擦片表面较凸的区域因为应力集中而首先发生塑性变形，使得总的有效接触面积增加。该面积Ar和名义的接触面积Aa不同，且依赖于相对较软接触面的材料力学性能确定。有效面积和名义的接触面积如下图所示：

图2 有效接触面积和名义接触面积

摩擦力的粘附部分主要是因为克服接触面之间内部原子之间的相互吸引。因此这部分仅取决于有效接触面积以及摩擦材料之间的兼容性。此处材料的兼容性可理解为摩擦表面在压力作用下形成新合金的能力。如果这种能力越强，则两块摩擦面之间的吸引力则越大。当然，摩擦表面存在的氧化物可以大大降低摩擦的粘附作用，因为氧化物使得摩擦面表面凸起较大，从而使得有效的接触面积降低，从而降低摩擦的粘附作用。但是一旦在摩擦过程中，随着摩擦表面氧化物的脱落，摩擦的粘附作用随着接触条件的改变也是变化的。

摩擦的塑性变形部分是由于摩擦表面互锁的凸凹区域在挤压滑动下发生塑性变形，常常会产生常见的较为明显的划痕，或者称之为犁沟效应。
上述摩擦的两个部分与摩擦面的粘附磨损和磨粒磨损紧密有关。粘附磨损如图3所示：

图3 粘附磨损示意图

粘附磨损表示一个摩擦面的表面一部分由于原子间的相互吸引粘附到另一个摩擦擦面上，这常见于较软摩擦面中弱约束区域。但是粘附摩擦力和粘附磨损没有直接的关系，即：较大的粘附摩擦力也可能具有较小的粘附磨损，反之亦然。粘附磨损的公式为V=KNd/H. V 为磨损的体积，K为磨损系数，d为累积滑移位移，H为较软摩擦表面的硬度。K值对于不同材料组成的摩擦系统取值较小，而对于相似的材料取值较大。这就解释了尽管表面硬度近似相同的半硬盒黄铜与低碳钢摩擦的磨损要比低碳钢与低碳钢的摩擦带来的磨损小的多。

除了粘附磨损外，还有就是磨粒磨损。如下图所示：

图4 磨粒磨损

磨粒磨损是由于犁沟效应引起，即犁沟效应产生的小硬颗粒在两摩擦面之间滑动,进而加速磨损。

文章所进行试验的摩擦试件均由钢材组成，摩擦系统构成如图5所示：

图5测试的摩擦系统

且不同等级的钢材摩擦片可假定具有相似的兼容性。因此，当摩擦面开始滑移时，由于摩擦面表面存在氧化物，所以有效接触面积较小，因此粘附摩擦力较小。随着摩擦的进行，摩擦表面的氧化物剥落，摩擦表面的有效接触面积大大提高，进而粘附摩擦力也大为提高，并进入了稳定的摩擦阶段，且此阶段的摩擦特征取决于摩擦片材料的力学特征和随后的磨损机制。尽管不同等级钢材存在不同的晶体构造和合金元素可能影响摩擦材料的兼容性，但这些影响被证实是微小的。

对于不同等级钢材制作的摩擦片,一个显著不同是材料的硬度，这可能会对改善摩擦性能有积极作用。在摩擦学应用中，两摩擦面材料应选择不同表面硬度的材料制作。这样的组合可以较好地改善摩擦的性能。学者指出，较硬的摩擦更加耐磨，可以降低摩擦表面的粘附磨损。此外具有不同硬度的摩擦表面可以允许较硬的磨粒颗粒嵌入到较软的摩擦材料中，从而降低摩擦表面的磨粒磨损，进而保护摩擦表面。

试验结果分析

文中试验所测试的摩擦试件如下表所示：

表1 试验结果

其中试件的命名为SG.TN（钢材等级+试验次序，G300钢材，屈服和抗拉强度为300MPa 和430MPa, 表面硬度为168HB， G80钢材，分别为：690MPa, 790MPa， 266HB， G400钢材为：1070MPa, 1320MPa 和382HB）。表格中Vssi=单个螺栓提供的初始的稳定的摩擦力，Vssf=单个螺栓提供的最终的稳定的摩擦力，Vssm=单个螺栓提供的最大的的摩擦力（可在任意时刻）。上述三个值分别用A,B,C表示显式在代表试件的力位移曲线上，如图6所示：