Page 58 - 摩擦学学报2025年第9期

1312 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

1.2 大于硬度的影响因子平均值0.055，因此，相较于硬

1#
2# 度，摩擦系数显然对载荷的敏感性更高，且随着载荷
0.9
Friction coefficient 0.6 0.762 0.767 1# 2# 0.699 0.663 γ = ∆f (2)
0.800 0.805
的增加，敏感程度有所增加.
∆η
2#
1#
2#
1#
0.3
z = x− x − (3)
s
0.0 式中：Δη为影响因素的变化值，即硬度或载荷的变化
10 50 90
Load/N 值，Δf为摩擦系数的变化值，γ为影响因子大小；z为标
Fig. 9 The average friction coefficient of 1# and 2# steels at 准分数据，x为原始数据， x为平均值，s为标准差.
different loads
图 9 1#钢和2#钢在不同载荷下的平均摩擦系数
表 2 摩擦系数的影响因子γ
堆积现象也会减弱，从而减小切向应力，呈现出高载 Table 2 Influence factor γ of friction coefficient
Test parameters Δη Δf γ Average value of γ
荷下1#钢摩擦系数大于2#钢的试验现象. 载荷则通过
1# 1.22 0.912 0.748
接触面积大小和变形状态来影响摩擦系数 [24-25] ，在两 10 N→50 N 2# 1.22 0.633 0.519 1.298
表面进行摩擦接触的过程中，只有在很大的载荷下两 1# 1.22 2.425 1.988
50 N→90 N 1.298
表面才能进行完全接触，其实际进行摩擦磨损的区域 2# 1.22 2.366 1.939
10 N 2.00 0.166 0.083
为两表面接触的微凸体，接触面积远小于两表面的实
HV 1# →HV 2# 50 N 2.00 0.113 0.056 0.055
际面积. 当载荷从10 N增大到50 N时，两摩擦副进行 90 N 2.00 0.054 0.027
弹性滑动，表面微凸体未发生大量黏着变形，微凸体
相互碰撞，由于剪切力的作用从接触表面脱落，这些 2.5 接触应力
脱落的微凸体在较低滑移速度(本文中采用0.06 m/s的 为了解释前文中观察到的摩擦系数变化现象，采
较低滑移速度)的影响下未能快速地离开摩擦磨损区 用赫兹弹性接触理论来研究磨损状况中的接触应力
域，随后加入到下一次的摩擦磨损过程中，同时较低 状态和相应的变形机理，同时考虑摩擦系数对应力分
的载荷使这些脱落的微凸体难以进一步磨细，从而提 布的影响，分析在不同载荷下的摩擦接触表层及次表
高了磨损表面的粗糙度，使得摩擦过程中切向应力提 层塑性区应力分布. 赫兹应力作用在半径为a的圆形
[26]
高，导致了摩擦系数的增加 . 当载荷从50 N增至90 N 区域上的法向应力p(r)分布为 [29]
时，金属材料的磨损机制经历了从弹性接触的摩擦磨 1
2
2 2
损到塑性接触的黏着磨损的转变，在此过程中，摩擦 p(r) = p 0 (a −r ) (4)
√
磨损表面处于塑性变形状态，两摩擦副上的微观凸起 式中： r = x +y +z ，取所观测xOz截面，即y=0处，
2
2
2
√
接触的概率增加，同时发生塑性变形. 这些微观凸体 r = x +z ；p 与a分别为接触区域中心的压力和接
2
2
0
在接触点黏附，剪切力导致其产生形变和碎裂，填补 触半宽(即球接触半径)，其与载荷的关系分别为 [30–31]
了表面的空隙并形成润滑层，从而降低摩擦系数. 此 Å 3ER ã 1/3
a = (5)
外，摩擦过程中的次表层发生了显著形变，积累了大 4E ∗
[27]
量位错和晶格畸变，进一步降低了摩擦系数 . Å 6FE ∗2 ã 1/3 3F
p 0 = = (6)
通过公式(2)和(3)可计算摩擦系数与影响因素的 π R 2 (2πa )
2
3
相关性，为了消除不同参数量纲的影响，此处对数据 1 1−v 2 1−v 2
= 1 + 2 (7)
[28]
进行标准化处理将原始数据转换为标准分数据 ：先 E ∗ E 1 E 2
对每个变量求平均值和标准差，随后利用公式(3)转化 式中：R为Si N 陶瓷球的半径，R=3 mm；F为法向载
4
3
为标准分数据，后将消除不同参数量纲影响的标准分 荷；E*为综合杨氏模量，E 和ν 为Si N 陶瓷球杨氏模
3
4
1
1
数据代入公式(2)中. 钢种因载荷和硬度(HV)变化而导 量和泊松比，E =310 GPa，ν =0.25；E 和ν 分别为1#钢
2
2
1
1
致的摩擦系数影响因子γ的计算结果列于表2中. 可以 和2#钢的杨氏模量和泊松比. 采用JMatPro算得1#钢
看出，因载荷导致的影响因子的平均值为1.294，远远 杨氏模量为E =210.23 GPa，泊松比为ν =0.289，2#钢
2
2