【科研分享】鋼摩擦片的可行性及磨損研究
文/心塵軒
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今天小軒帶給大家一篇關于利用常見的金屬，鋼材，做摩擦片的研究，希冀大家閱讀此文后，能夠對大家做由摩擦系統構成的阻尼器或者支撐的研究，有一定的啟發。如今，因為結構可恢復性被越來越多研究者追求，各類高性能的被動阻尼器被研發出來，并用于傳統的結構，以期降低結構的總體響應和主結構的損傷，從而提高結構的抗震性能。如各類基于后張拉的阻尼器，或者基于形狀記憶合金，或者多線性彈簧的復合系統。過去的研究表明，良好的阻尼器系統應同時具備可恢復性能，即較低的殘余變形，較飽滿的耗能，同時可以盡量在震后免于更換或者易更換。由于摩擦機制可以穩定地提供耗能，而受到越來越多的研究者青睞。時下，結合自復位系統和摩擦機制的被動阻尼器的構造也頻頻被提出。但對于摩擦系統依然存在一個問題，摩擦片的磨損的問題，這個對摩擦片的材料提出了較高的要求，我們希望摩擦系統在有效的工作期限內，經歷較低的磨損，從而穩定的耗能，使得我們的阻尼器系統在震后免于維修。
我們在選擇摩擦片材料的時候，對于土木工程的學生而言，最熟悉的自然便是鋼材，但是有關鋼材做摩擦片的資料較少。而常見的摩擦材料各類纖維摩擦片，粉末冶金摩擦片等等。此外對摩擦學中磨損也缺少基本的認知，所以在選擇用鋼材作為摩擦片時而躊躇擔憂，缺乏信心。
鋼材用作摩擦片的研究不多，尤其是不同鋼材等級，不同表面硬度，以及如何搭配鋼材可以提供保證鋼片摩擦系統可以提供穩定的，可預測，可重復的以及低磨損的摩擦性能。這篇論文對不同鋼材等級，不同表面硬度的鋼材進行組合進行了研究。
摩擦與磨損
良好的摩擦性能具備穩定，可重復，可預測以及低磨損的特征。過去的研究已經表明，低碳鋼和黃銅組合的摩擦系統可以提供較為穩定的摩擦性能。如圖1所示。
圖1 G300鋼和黃銅組合摩擦滯回曲線
摩擦片的低磨損的特征可以使得摩擦片可以經歷多次地震激勵而重復使用，無需更換。利用磨損理論可以很好地理解材料表面的滑動性能。
摩擦是在一定法向力下移動一個表面切向劃過另一個表面的阻力。這個阻力依賴于接觸表面間的法向力和摩擦系數。材料的摩擦系數由兩部分組成，即：摩擦的黏附和塑性變形。可以表示為
前者是摩擦表面黏附的貢獻，后者是摩擦表面塑性變形的貢獻。這兩個部分均依賴于摩擦片材料的化學和力學性能。此外，也受摩擦面粗糙度影響。
摩擦面的黏附相互作用可以由摩擦片有效接觸面積描述。當摩擦片因一定的法向力相互接觸時，首先接觸的是表面較凸的部分。隨著法向力的增加，因較軟摩擦片表面較凸的區域因為應力集中而首先發生塑性變形，使得總的有效接觸面積增加。該面積Ar和名義的接觸面積Aa不同，且依賴于相對較軟接觸面的材料力學性能確定。有效面積和名義的接觸面積如下圖所示：
圖2 有效接觸面積和名義接觸面積
摩擦力的粘附部分主要是因為克服接觸面之間內部原子之間的相互吸引。因此這部分僅取決于有效接觸面積以及摩擦材料之間的兼容性。此處材料的兼容性可理解為摩擦表面在壓力作用下形成新合金的能力。如果這種能力越強，則兩塊摩擦面之間的吸引力則越大。當然，摩擦表面存在的氧化物可以大大降低摩擦的粘附作用，因為氧化物使得摩擦面表面凸起較大，從而使得有效的接觸面積降低，從而降低摩擦的粘附作用。但是一旦在摩擦過程中，隨著摩擦表面氧化物的脫落，摩擦的粘附作用隨著接觸條件的改變也是變化的。
摩擦的塑性變形部分是由于摩擦表面互鎖的凸凹區域在擠壓滑動下 發生塑性變形，常常會產生常見的較為明顯的劃痕，或者稱之為犁溝效應。
上述摩擦的兩個部分與摩擦面的粘附磨損和磨粒磨損緊密有關。粘附磨損如圖3所示：
圖3 粘附磨損示意圖
粘附磨損表示一個摩擦面的表面一部分由于原子間的相互吸引粘附到另一個摩擦擦面上，這常見于較軟摩擦面中弱約束區域。但是粘附摩擦力和粘附磨損沒有直接的關系，即：較大的粘附摩擦力也可能具有較小的粘附磨損，反之亦然。粘附磨損的公式為V=KNd/H. V 為磨損的體積，K為磨損系數，d為累積滑移位移，H為較軟摩擦表面的硬度。K值對于不同材料組成的摩擦系統取值較小，而對于相似的材料取值較大。這就解釋了盡管表面硬度近似相同的半硬盒黃銅與低碳鋼摩擦的磨損要比低碳鋼與低碳鋼的摩擦帶來的磨損小的多。
除了粘附磨損外，還有就是磨粒磨損。如下圖所示：
圖4 磨粒磨損
磨粒磨損是由于犁溝效應引起，即犁溝效應產生的小硬顆粒在兩摩擦面之間滑動,進而加速磨損。
文章所進行試驗的摩擦試件均由鋼材組成，摩擦系統構成如圖5所示：
圖5測試的摩擦系統
且不同等級的鋼材摩擦片可假定具有相似的兼容性。因此，當摩擦面開始滑移時，由于摩擦面表面存在氧化物，所以有效接觸面積較小，因此粘附摩擦力較小。隨著摩擦的進行，摩擦表面的氧化物剝落，摩擦表面的有效接觸面積大大提高，進而粘附摩擦力也大為提高，并進入了穩定的摩擦階段，且此階段的摩擦特征取決于摩擦片材料的力學特征和隨后的磨損機制。盡管不同等級鋼材存在不同的晶體構造和合金元素可能影響摩擦材料的兼容性，但這些影響被證實是微小的。
對于不同等級鋼材制作的摩擦片,一個顯著不同是材料的硬度，這可能會對改善摩擦性能有積極作用。在摩擦學應用中，兩摩擦面材料應選擇不同表面硬度的材料制作。這樣的組合可以較好地改善摩擦的性能。學者指出，較硬的摩擦更加耐磨，可以降低摩擦表面的粘附磨損。此外具有不同硬度的摩擦表面可以允許較硬的磨粒顆粒嵌入到較軟的摩擦材料中，從而降低摩擦表面的磨粒磨損，進而保護摩擦表面。
試驗結果分析
文中試驗所測試的摩擦試件如下表所示：
表1 試驗結果
其中試件的命名為SG.TN（鋼材等級+試驗次序，G300鋼材，屈服和抗拉強度為300MPa 和430MPa, 表面硬度為168HB， G80鋼材，分別為：690MPa, 790MPa， 266HB， G400鋼材為：1070MPa, 1320MPa 和382HB）。表格中Vssi=單個螺栓提供的初始的穩定的摩擦力，Vssf=單個螺栓提供的最終的穩定的摩擦力，Vssm=單個螺栓提供的最大的的摩擦力（可在任意時刻）。上述三個值分別用A,B,C表示顯式在代表試件的力位移曲線上， 如圖6所示：
圖6各試件力位移曲線
結合表1 和圖6，分析如下：
對于G300與G300摩擦系統
試件試驗結果最不理想。力位移曲線基本上與理論分析一致, 呈現出兩個穩定階段。但是A,B,C離散較大。摩擦性能不穩定。
對于G80與G300摩擦系統
試件試驗結果稍有改善，力位移曲線呈現兩階段， A,B,C 相對差值有所改善，摩擦性能穩定性明顯提高。
對于G400與G300摩擦系統
試驗試驗結果最為理想，能夠提供穩定的摩擦行為。可見使用表面硬度較高的鋼材可以大幅改善摩擦面的摩擦性能。
試件做完后，不同等級鋼材摩擦片的磨損情況如圖7所示：
圖7 G300,G80,G400鋼材的摩擦片磨損情況
總體結果如下，G300磨損較為嚴重，出現較深的劃痕，且磨損很不均勻。對于G80，劃痕的深度較淺，磨損也開始變得均勻。而G400摩擦片，用手觸感不到劃痕，表面光滑，磨損較輕。
結論
a. 粘附摩擦部分是由于摩擦表面存在原子相互吸引產生。而摩擦的塑性變形部分則是摩擦面表面凸凹互鎖導致，并因此產生了犁溝效應。
b. 摩擦力與鋼材表面的硬度沒有直接關系。摩擦力位移關系呈現出兩階段穩定現象（表面氧化物影響）。
c. G400鋼材摩擦片具有最優的摩擦性能,表明:提高摩擦面表面硬度的差值可以顯著降低材料的磨損.
小軒寄語: 使用鋼材作為摩擦片時,一定要選擇表面硬度相差較大的鋼材等級,絕不是選擇兩摩擦面具有相當硬度的鋼材.兩摩擦面硬度相當的鋼材會因為犁溝效應帶來的磨粒磨損使得磨損快速發生,不能提供穩定的摩擦性能.
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