金属丝含油轴承80%破断力孔隙率检测

一、实验背景与意义

金属丝含油轴承由金属丝（如铜丝、钢丝）通过缠绕、烧结等工艺制成，其内部孔隙是储存润滑油的核心结构，而孔隙率直接影响储油量和润滑效果。

同时，轴承需承受一定外力而不失效，“80% 破断力” 是模拟其在接近极限工作负荷下的状态（避免完全断裂但接近实际受力上限）。

本实验的核心意义在于：

测定轴承在80% 破断力负载下的孔隙率变化，评估结构稳定性与储油能力的匹配性。

验证轴承在高负荷下是否因形变导致孔隙堵塞、塌陷，影响润滑功能。

为轴承的材料选择（金属丝直径、材质）和工艺优化（缠绕密度、烧结温度）提供数据支持。

二、核心概念与原理

1. 关键术语定义

破断力：金属丝轴承在拉伸或压缩实验中发生断裂时的最大受力（单位：N），反映其极限力学强度。

80% 破断力：破断力的 80%，即 \(F = 0.8 \times F_{\text{破断}}\)，用于模拟轴承在高负荷但未失效时的工作状态。

孔隙率（P）：轴承内部孔隙体积与总体积的比值，计算公式：\(P = \frac{V_{\text{总}} - V_{\text{实体}}}{V_{\text{总}}} \times 100\%\)其中，\(V_{\text{总}}\) 为轴承外观体积，\(V_{\text{实体}}\) 为金属丝的实际体积（可通过质量和密度计算）。

2. 实验原理

先通过力学实验测定轴承的破断力，计算 80% 破断力的具体数值。

在该负载下对轴承进行固定（模拟受力状态），采用液体置换法（如乙醇、煤油）或气体比重瓶法测定此时的孔隙率（排除负载导致的孔隙结构变化影响）。

对比无负载状态下的孔隙率，分析受力对孔隙结构的影响。

三、实验材料与设备

1. 材料

金属丝含油轴承样品（需标注规格：直径、长度、金属丝材质及直径）；

测试液体（如无水乙醇，需与金属丝不反应、易挥发，且能充分渗入孔隙）；

清洗剂（如丙酮，用于去除样品表面油污）。

2. 设备

力学测试设备：万能材料试验机（配备拉伸或压缩夹具，精度≥0.5 级）；

孔隙率检测设备：

液体置换法：比重瓶（50mL 或 100mL）、电子天平（精度 0.1mg）、恒温水浴锅；

气体比重瓶法：氦气比重瓶（适用于高精度检测）；

辅助工具：游标卡尺（测尺寸）、镊子、干燥箱（烘干样品）。

四、实验流程

步骤 1：样品预处理

用丙酮清洗轴承表面油污，放入干燥箱（60℃）烘干 2 小时，冷却至室温后称重（记为 \(m_1\)，金属丝质量）。

用游标卡尺测量轴承的外径、内径、长度，计算外观总体积：

若为圆柱形轴承：\(V_{\text{总}} = \pi \times (R^2 - r^2) \times L\)（R 外径半径，r 内径半径，L 长度）。

步骤 2：测定破断力

将轴承固定在万能材料试验机的夹具上（根据受力方向选择拉伸或压缩模式，通常轴承以压缩受力为主）。

设定加载速率（如 1mm/min，避免冲击载荷），启动设备直至样品断裂，记录最大断裂力 \(F_{\text{破断}}\)。

计算 80% 破断力：\(F = 0.8 \times F_{\text{破断}}\)。

步骤 3：80% 破断力下的孔隙率检测（以液体置换法为例）

负载固定：重新取同批次样品，在万能材料试验机上施加 F 的力，保持负载稳定（可通过设备的 “力保持” 功能实现）。

液体置换操作：

取洁净比重瓶，加入约 2/3 体积的乙醇，称重（记为 \(m_2\)）。

在负载状态下，将轴承缓慢浸入比重瓶的乙醇中（避免气泡产生），直至完全浸没，此时液面上升。

用吸管吸除多余乙醇，使液面与比重瓶刻度线平齐，擦干瓶外壁，称重（记为 \(m_3\)）。

计算孔隙体积：

乙醇密度为 \(\rho\)（20℃时约 0.789g/cm³），则孔隙体积 \(V_{\text{孔隙}} = \frac{m_3 - m_2 - m_1/\rho_{\text{金属}}}{\rho}\)（\(\rho_{\text{金属}}\) 为金属丝材质密度，如铜 8.9g/cm³）。

孔隙率 \(P = \frac{V_{\text{孔隙}}}{V_{\text{总}}} \times 100\%\)。

步骤 4：对比分析

测定无负载状态下的孔隙率（同步骤 3，仅不加力），记为 \(P_0\)。

计算 80% 破断力下的孔隙率 \(P_F\)，分析差值 \(\Delta P = P_0 - P_F\)：

若 \(\Delta P \leq 5\%\)，说明负载对孔隙结构影响小，性能稳定；

若 \(\Delta P > 10\%\)，可能存在孔隙塌陷，需优化工艺（如降低缠绕密度）。

五、关键影响因素

金属丝材质与直径：高强度金属丝（如高碳钢）在负载下形变小，孔隙率变化更稳定；细金属丝易弯曲，可能导致孔隙堵塞。

初始孔隙率：过高初始孔隙率（如 > 40%）的轴承在负载下易压缩变形，孔隙率下降明显。

负载方式：压缩负载比拉伸负载更易导致孔隙收缩（轴承多承受径向或轴向压缩力）。

测试液体浸润性：若液体无法完全渗入孔隙（如金属丝表面未清洗干净），会导致孔隙率测量值偏小。

六、注意事项

样品代表性：每组实验至少取 3 个同批次样品，结果取平均值（避免个体差异影响）。

负载稳定性：施加 80% 破断力时需缓慢加载，避免瞬间冲击导致样品提前断裂或孔隙结构异常变化。

气泡排除：液体置换时需确保孔隙内无气泡（可轻轻摇晃比重瓶），否则会高估孔隙体积。

安全防护：万能材料试验机操作时需佩戴护目镜，避免样品断裂飞溅伤人；乙醇属易燃品，需远离火源。

通过该实验，可精准评估金属丝含油轴承在高负荷下的结构与功能稳定性，为其在重载机械中的应用提供关键性能数据，同时指导生产中 “力学强度 - 孔隙率” 平衡的工艺优化。