随着现代科技的进步、磁性材料和电磁技术的发展,越来越多的电磁设备得到了应用。磁场能够引起磁性材料的机械性能、物理性能和化学性能等发生变化,从而影响电磁设备中摩擦副的摩擦学性能和使用寿命等。本论文主要研究直流磁场对金属材料干滑动摩擦学性能的耦合作用机制,探索磁场对材料摩擦学性能产生影响的主要因素和规律,丰富磁场干摩擦学理论,为磁场干摩擦学的实际应用、实现摩擦系统的主动控制提供理论依据。本论文利用研制的HY-100型销盘式摩擦磨损试验机,进行了有磁场和无磁场下不同磁属性材料的摩擦磨损试验,研究了磁感应强度、速度、载荷对45钢摩擦学性能的影响规律,分析了低速下磁场中45钢从严重磨损转变到轻微磨损试验过程中销盘磨痕和磨屑的形貌与成分等的变化,利用电磁学理论,建立了销/盘摩擦副的三维静磁场有限元模型、微凸峰接触的二维静磁场有限元模型、磨屑受力模型、直流磁场促进45钢实现严重-轻微磨损转变的物理模型。通过上述试验和分析,得出以下结论:(1)销试样与盘试样材料的磁性能和摩擦接触状态等影响摩擦接触区的磁场分布,而磁场分布影响了销试样和盘试样之间磁吸力、磨屑在摩擦接触区的分布和摩擦学行为、摩擦相对运动过程产生的电磁感应现象和动态磁化现象,从而影响材料的摩擦学性能。(2)直流磁场对不同磁属性材料摩擦学性能的影响与材料的磁化特性有关。材料的磁导率越大,磁化效应越明显,与外部磁场的耦合作用越大,摩擦接触区的磁感应强度越大,对其摩擦学性能的影响越大。在低速下,外部磁场对抗磁性材料紫铜的摩擦学性能影响很小,对顺磁性材料钛合金的摩擦学性能有影响,减小了粘着磨损的比例,增大了磨粒磨损和氧化磨损的比例。磁场对铁磁性材料45钢的摩擦学性能的影响比较大,在磨痕表面形成了一层氧化膜,显著减小了磨损系数,增大了摩擦噪声。所以铁磁性材料比较适合利用磁场来改变其摩擦学性能。(3)磁感应强度对铁磁性材料45钢的摩擦学性能的影响与其磁化曲线密切相关。在低速下磁感应强度的增大减小了45钢的磨损系数,增大了销温升和摩擦噪声。当磁感应强度小于其阀值Bc时,磨损机制主要是磨粒磨损+粘着磨损;当磁感应强度超过其阀值Bc时,磨损机制可转变为氧化磨损,实现了严重磨损-轻微磨损的转变,磨损系数显著减小,但增大了摩擦噪声。磁感应强度继续越大,磨损系数减小的趋势变缓。所以利用磁场对铁磁性材料进行减磨时,施加的磁感应强度不必太大。(4)在不同磁感应强度下,载荷的增大能够减小摩擦系数、增大销温升,对45钢的磨损机制影响较小。载荷越小,施加磁场使磨损系数越小,但引起较大的噪声;当载荷较大时,施加磁场既能减小摩擦系数,也能减小磨损系数和摩擦噪声。在磁感应强度较小时,载荷的增大可以减小磨损系数,增大摩擦噪声;在磁感应强度较大形成氧化磨损的情况下,载荷的增大破坏了氧化膜,增加了磨粒磨损的比例,使摩擦系数和摩擦噪声都减小了,但磨损系数变化不大。磁感应强度和外部载荷同时增大时,45钢的摩擦系数和磨损系数随着下降,而销温升随着提高。(5)磁场对45钢摩擦学性能的影响与速度变化密切相关。在不同磁感应强度下,速度的增大减小了摩擦系数,增大了销温升。施加外部磁场后,45钢氧化磨损的速度范围扩大了。在低速时磁场促进了45钢的氧化磨损,明显减小了磨损系数;在中高速时,随着速度的提高,磁场能够吸引的磨屑越来越少,对45钢的磨损机制影响不大,对其磨损系数和摩擦系数的影响也较小。磁感应强度和速度同时增大时,摩擦系数和磨损系数都随着下降,而销温升随着提高。所以,在低速下利用磁场对铁磁性材料进行减磨的效果比较好。(6)磁场吸引磨屑所形成的捕获层的厚度、宽度、性能和成分等决定了材料磁场干摩擦的摩擦学性能。磨屑的尺寸和磁性能、速度、磁感应强度及其分布等因素影响捕获层的形成、厚度和宽度等。磨屑的尺寸越小、磨屑的磁导率和剩磁越大、速度越低、磁感应强度越大,磨屑越容易吸附在盘磨痕上形成捕获层。(7)微凸峰间隙处较大的磁场强度梯度有利于氧气分子向微凸峰接触点聚集,促进该区域的氧化;磁场引起的动态磁化激活效应和热效应、摩擦过程的机械作用、磁场捕获磨屑反复参与摩擦导致的氧化积累作用、磁场促进磨屑的细化等都促进了磨痕和磨屑的氧化。(8)磁场能够将铁磁性磨屑吸引在摩擦接触区和盘磨痕上形成一定厚度和宽度的捕获保护层,使其反复参与摩擦,促进铁磁性材料45钢磨痕和磨屑的氧化,促进磨痕表面的硬化和磨屑的细化。当磨痕和磨屑的氧化、磨屑的细化达到一定程度时,逐渐在磨痕表面形成一层压实的氧化膜,促进严重磨损-轻微磨损的转变,提高了45钢的耐磨性。