[發明專利]一種帶有拉、壓機構的摩擦磨損測試裝置及測試方法

有效

• 申請號: 201710627326.0
• 申請日: 2017-07-27
• 公開（公告）號: CN107271306B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 余家欣
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 51214 成都九鼎天元知識產權代理有限公司
• 代理人: 卿誠;吳彥峰<國際申請>=<國際公布>=

本發明提供了一種帶有拉、壓機構的摩擦磨損測試裝置及測試方法，該方案包括有機架、直線導軌平臺、樣品臺、拉伸基座、工件夾持機構、反向觀測機構和摩擦副?球夾具。該方案將應力場引入工件的摩擦磨損實驗中，并經過力學仿真和實驗模擬驗證了該裝置的可實施性和可靠性，其對研究材料在特殊拉壓應力工況下的磨損失效問題具有重要意義。同時，裝置中的反向觀測機構可以對透明材料磨損進行實時在線觀測，以準確掌握材料磨損破壞的動態過程。此外，該裝置能獲得準確的實驗材料形變參數，以此為基礎定量計算材料磨損體積。在摩擦磨損測試中，本裝置及測試方法能為分析和揭示應力場對材料磨損與損傷衍化的相關定量關系提供強有力的理論和實驗支撐。

技術領域

本發明涉及的是材料的摩擦磨損試驗領域，尤其是一種帶有拉、壓機構的摩擦磨損測試裝置及測試方法。

背景技術

通過摩擦磨損試驗機來評價材料的耐磨性能以及判斷其損傷行為是摩擦學研究的基本手段。大量研究表明，材料磨損過程中外界環境的改變將直接影響到其損傷行為。外界環境涵蓋了包括溫度，濕度，氣氛，電場，磁場，應力場在內的眾多外界因素。傳統的摩擦磨損試驗機通常并不考慮環境因素對材料磨損的影響，如果需要對外界環境進行主動控制，則需要在試驗機上附加額外裝置來實現。例如通過附加環境氣氛腔來實現濕度和氣氛的可控，通過外部電/磁場裝置來實現摩擦磨損中的電/磁場環境可控，等等。

應力場作為一種獨特的外界環境，在材料的摩擦磨損研究中往往被忽略。之前大量的試驗和研究發現，材料在絕對值相同的拉應力或壓應力作用下，會發生絕對值不同的拉應變和壓應變，即材料具有拉壓不同模量的非線性特性。還有研究表明殘余拉應力對硬度影響明顯，而殘余壓應力對硬度影響較小，還會引起壓痕深度、接觸面積的變化。對于金屬材料，無論是壓縮還是拉伸，在一定條件下，都將導致金屬腐蝕速度的加速，但不同形變階段金屬力學化學活性存在一定的差別，并且疲勞壽命隨應力水平的減小而增大，從不同應力水平的變異性來看，隨應力水平的減小變異系數隨之增大，說明應力水平越小疲勞壽命的離散性越大。

以上結論說明，外部應力對材料的物理特性有明顯的影響，但卻沒有提到對材料摩擦磨損性能影響。目前，絕大多數摩擦磨損試驗機在設計上僅考慮被測樣品在無外應力下的磨損狀況，并無在磨損實驗過程中對被測樣品施加外應力的相關附加裝置。然而，在實際生活和工程應用中，許多材料的摩擦磨損都是發生在外應力存在的條件下。例如，目前很多風景區出現的“玻璃棧道”，大塊的玻璃通過緊固件安裝在剛性支撐結構上，并通過螺紋和螺栓施加外應力予以固定。當人在玻璃棧道上行走時，鞋和玻璃的磨損將發生在玻璃處于受拉應力的狀態下；滑索的纜繩受拉力作用，當游客乘坐滑索下滑時，索套與鋼纜之間劇烈摩擦，要保證使用者安全，應考慮拉力與摩擦力共同作用；輪胎充氣后由于張力作用而繃緊，在汽車行駛過程中，輪胎極易磨損，為了清楚的了解輪胎壽命，必須考慮張力對輪胎磨損的影響。由于拉應力的存在，材料在發生磨損時的裂紋萌生與擴展規律將可能和無應力狀態下產生巨大差異。當對其材料的磨損性能進行研究時，如果不考慮外應力的作用，實驗所獲得的磨損結果并不能反映材料在真實使用過程中的磨損狀態，這將可能導致高估了材料的使用壽命，甚至造成災難性的事故。因此，開發用于摩擦磨損試驗機，且可對被測樣品施加外應力的實驗裝置，對于研究外壓應力條件下的材料摩擦學特性具有重大意義。

磨損試驗結束后,對試驗樣品上磨痕的觀察是評價材料損傷性能的基本手段。當前，對材料磨損后的損傷分析，通常是對測試后的樣品表面來進行形貌表征。但是這種分析方法的缺點在于不能實時動態觀測磨損區域狀態的變化，例如，不能實時觀測和判斷樣品在試驗過程中的磨損類型、表面破壞的方式及其轉變過程等。針對透明的脆性材料而言，材料磨損過程中通常伴隨著裂紋的生成，如果僅僅在磨損后對磨損形貌進行觀察，并不能準確的掌握材料在磨損中裂紋萌生的時刻以及大小，從而對材料損傷機理的掌握相當有限。而目前現有的磨損試驗機基本無法解決此類問題。因此，研發一種既能在摩擦磨損過程中給被測樣品提供定量的拉壓應力，又能在摩擦磨損測試中實時在線觀測材料動態破壞過程的實驗裝置，可以很好的用于研究一些透明材料在特殊拉壓應力工況下的磨損失效問題，為分析和揭示應力場和材料磨損與衍化的相關定量關系提供強有力的實驗支撐。