《材料的摩擦特性》PPT课件.ppt

第五章 材料的摩擦 金属材料的摩擦 非金属材料的摩擦 层状固体的摩擦 减摩材料 摩阻材料 金属材料的摩擦 材料相容性 拉宾诺维奇发现，纯金属组合之间的摩擦系数与摩擦 对之间的粘着能Wab及较软金属的压入硬度P之间存在 下述关系： c1为一与表面几何 特性有关的常数。 Wababab Wab的最大值应为(ab)，而最小值是零。 可以把上式改写成 Wabc2(ab) c2是介于 1 与零之间的常数。 材料相容性 上式表明，摩擦系数与表面能对软金属硬度的比值有关 。比值越大，摩擦系数越大；反之越小。相容性参数c2越 大（趋近1时）摩擦系数也越大。为了了解相容性参数的 物理意义，拉宾诺维奇把二百多对金属组合，按其二元 相图的特征进行了分类。发现它们有的具有较大互溶度 ，有的只有很小互溶度，而有的完全不互溶。并且发现 金属对之间互溶度大的，摩擦系数大，相容性参数c2也大 。因此，他认为相容性参数c2是与互溶度有关。对于同种 金属组成的摩擦副，其相容性参数定义为1。 金属表层在摩擦过程中的变化 在力和热的共同作用下，将使摩 擦表面发生一系列变化。这些变化主 要有： 1) 表面几何形状的变化； 2) 亚表层晶体缺陷及组织结构的 变化； 3) 表面化学成分的变化。 1. 摩擦表面几何形状的变化 （1）平衡粗糙度 摩擦副滑动时，表面粗糙度不断改变而趋于一个稳定值 。原来粗糙的表面可能变得光滑，而原来光滑的表面也可能 变得粗糙。同一种材料在相同外部条件下发生摩擦时，经过 几个小时的磨合，其表面都会达到同样的粗糙度。人们把在 摩擦磨损过程中，除了摩擦初期外，在任何后继过程中都会 重复出现的固定不变的粗糙度称为“平衡粗糙度”。 平衡粗糙度可理解为在磨合结束后，摩擦状态不变时在 摩擦接触面上新形成的粗糙度。而且平衡粗糙度与原始粗糙 度无关。 （2）塑性变形 摩擦表面的塑性变形是通过微凸体间的相互作用造成 的，其变形特点: 1) 摩擦表面的接触先发生在较高的微凸体上，外力 加大，接触的微凸体数目增多，且接触的微凸体发生弹 塑性变形。各微凸体上变形的程度不一； 2) 摩擦表面的塑性变形是不连续的、反复发生的。 其程度由摩擦工况条件决定； 3) 摩擦表面的接触状态决定了应力状态的不均匀性 ，这将导致巨大的微观应力； 4) 摩擦表面的近表层(10100nm)，塑性变形使组织 呈强烈的方向性，产生表面层织构； 5) 摩擦表面晶体缺陷密度大。 表面层发生的变化 摩擦金属表面的塑性变形将使该表面层发生一系 列物理和力学性质的变化以及组织结构的变化，如： 1) 使表面产生加工硬化； 2) 形成变形织构，增大内应力； 3) 表面晶粒明显细化，亚晶尺寸减小，即发生 恢复和再结晶，甚至有时在表层形成微薄熔化层； 4) 由于变形和摩擦温升的共同作用，可使摩擦 表面产生二次淬火和二次回火，并促进表面扩散过程 。 摩擦表面组织结构的变化 摩擦过程中，表层中存在的复杂变形以及摩擦产生 大量的热，会使表层中组织、结构发生很大变化。这包 括位错大量增殖以及与之相连的胞状亚结构形成、表面 织构形成、表层加工硬化以及恢复与再结晶，还有表面 层内可能发生相变，甚至产生所谓的“白层”结构等等。 （1）摩擦过程中表层相结构的变化 1) 同素异构转变 2) 二次淬火 表层温度超过Ac1，奥氏体将形成，冷却时，奥氏体 转变为更加稳定的相，如马氏体。这种由二次奥氏体转 变得来的马氏体称为摩擦马氏体。这种过程称为二次淬 火。 如果在冷却时，奥氏体不发生马氏体相变而保持至 室温，这种奥氏体称为摩擦奥氏体。摩擦奥氏体的特点 是硬度高于原始（残余）奥氏体的硬度。 组织结构的变化 3) 二次回火 淬火钢在摩擦热的作用下会发生二次回火 ，其回火程度取决于摩擦温度和时间等。快速 回火组织具有下述的特征： a) 马氏体分解后形成的相是具有高弥散 性与高应力状态的亚组织，并且具有高的显微 硬度； b) 残余奥氏体分解和碳化物质点的聚集受 阻； c) 原始组织的位向不变。 组织结构的变化 4) 碳化物的溶解与析出 KK 其中 铁素体或马氏体； 奥氏体； K弥散碳化物。 a) 固溶体中碳浓度的变化可能使材料局部微区的 耐磨性发生变化； b) 在摩擦时析出的石墨可起润滑作用。 5) 再结晶 6) 逆变马氏体 （2）白层 白层是摩擦表面常见到的一层与基体组织明显不同 的组织形态，它硬度高、难以腐蚀，在金相显微镜和扫 描电镜下呈白亮色，故称为“白层”或“白亮层”。白层的 存在范围十分广泛。但是白层产生的条件以及它的相组 成和性能到目前为止尚不很清楚。一般认为白层主要是 由塑性流动、急冷急热、表面反应三种作用所致。 白层有两种形态，一种是均匀而不易腐蚀的薄白亮 层，称为均匀白层；另一种是白亮层与暗带相间的带状 白层。白层厚度都在30120m之间。均匀白层的显微 硬度明显高于带状白层，白层硬度高达Hv1000。 白层 一般认为白层是一种复杂的多相高弥散组织，其中含有奥氏体 、马氏体和碳化物。迄今为止对白层提出的各种组织上的推测是： a) 马氏体或马氏体为主的组织； b) 主要是奥氏体； c) 奥氏体与马氏体共格存在； d) 由于同外部介质作用，金属表面被氧、氮富化，或润滑剂 中存在有的碳使表面碳化物富集。 关于白层的摩擦学特性，许多人认为，白层的硬度高、粗糙度 低，它的形成有助于摩擦系数的降低和耐磨性的改善。也有资料报 导，虽然白层硬度很高，但对提高耐磨性并不特别有效，原因是不 平衡的白层组织疲劳抗力很低，经一定循环后，白层将会剥落。 3. 摩擦过程中表层成分的变化 表面与介质的相互作用 Fe2O3与Fe3O4 膜的摩擦特性 最主要的一种是 发生氧化反应，形 成氧化物。氧化物 的性质如硬度、薄 厚、膜的成分、与 基体的结合强度等 强烈影响着摩擦磨 损性能。若形成薄 而致密的表面膜， 且膜与基体的结合 牢固时，则摩擦系 数大大降低。 转移膜 钢盘表面在与铝销滑动接触前后的俄歇谱 接触前 一次 十次 二十 表面偏聚 在摩擦过程中 ，由于摩擦的热效 应以及表层形变造 成的各种缺陷，使 表层附近的扩散系 数比基体的要大得 多。这些缺陷本身 在其周围造成的畸 变，也易于使某些 溶质原子富集。在 摩擦过程中将更容 易出现合金元素的 表面偏聚，而且偏 聚的浓度也可能更 大些。 Fe-Ni(0.18Si)合金与工具钢 硅将偏聚于表面，并 且形成一个“玻璃膜” 第二节 非金属材料摩擦 一、脆性固体的摩擦 脆性材料（如岩盐、石英、玻璃和陶瓷等）的性质 与金属明显不同，它们被认为是非可延性的，在很小的 拉应力下它们就可能断裂和破碎。实验表明，脆性材料 的摩擦，事实上重复性很好，重复的程度与金属一样， 而且大致符合古典摩擦定律。 1. 脆性固体的摩擦机理 我们以典型的脆性固体岩盐（NaCl）为研究对 象。当硬金属球在岩盐上滑过时，表面的损伤表现出两 个主要特征：第一是表面有微观碎裂和若干可见裂纹； 其次是宏观的摩擦痕迹与其一般的金属或其它延性材料 的磨痕相似，也就是说表现出明显的塑性变形特征。 脆性固体 鲍登等人在对岩盐的摩擦机理进行详细研究发现， 金属的粘着摩擦理论基本能适用于解释岩盐的摩擦，即 岩盐在摩擦过程中也存在粘着现象。但在真空中的实验 得到，对洁净的岩盐来说，摩擦的增加是很小的，这说 明岩盐没有出现金属那样产生大规模的接点长大现象。 通过对岩盐的摩擦研究，并结合其它一些脆性材料 的研究，我们可以得到：脆性材料在摩擦过程中，尽管 表面有微小的破碎和裂纹，总的摩擦机理与金属很相似 ，即产生粘着和塑性变化，然而作为洁净金属特征的大 规模的接点生长，在脆性材料中不会发生。所以，脆性 材料洁净表面的摩擦系数一般不会超过1.0 的数值。 玻璃与陶瓷 玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特点的材料。从广泛 的意义来说，可以把玻璃及结构陶瓷认为是很好控制成 分和组织结构的岩石。陶瓷与各种材料的摩擦在工程应 用上是非常重要的，如在陶瓷的轴承及轴瓦、密封面、 滑道、汽车及航天器推进系统中的陶瓷元件等的设计上 都要考虑摩擦的影响。 陶瓷 陶瓷主要是由离子键和共价键形成的，它们的相溶 性很低，自配对的摩擦系数比较小。但环境因素的影响 是非常大的。陶瓷的摩擦有两个基本的状态，一种是发 生严重磨损和表面断裂的情况，另一种是只有轻微磨损 的情况。对于前者，滑动摩擦系数可达0.50.8，而后者 只有0.10.3。严重磨损时，摩擦由于不断发生的断裂和 产生硬磨屑而增加。很多陶瓷在干燥情况下都会促进磨 损的发生，因此会使摩擦提高。在空气中，随着滑动温 度的增加，表面的水蒸汽要脱附，这会使摩擦增大。但 随着温度的进一步提高，由于具有润滑作用的氧化膜达 到足够的厚度，这样又会使摩擦下降。许多陶瓷在摩擦 时发生摩擦化学反应，能获得非晶态表面层，它不同于 晶体结构的基体，在适当的条件下可以减摩、耐磨。 陶瓷材料在摩擦磨损方面的应用 与金属材料相比，陶瓷具有强度重量比高、刚度 弹性模量比大、高温强度好、抗腐蚀性强等特点。有 些陶瓷，如碳化物、氮化物、硼化物及耐熔金属的氧化 物，都有很高的熔点，显示出很好的高温性能。这类材 料主要用于苛刻的工作条件，如高温、高压和高滑速等 。陶瓷性脆，受拉伸、机械冲击或热冲击时容易破碎。 陶瓷在摩擦磨损方面的应用年代较长，早先用在精 密计时计上，后来用作金属切削刀具、电刷等等。近年 国防及宇航工业提出的超高温工作条件，要求开发新的 陶瓷品种及探索表面改性新工艺。上世纪八十年代绝热 发动机研制的浪潮也是陶瓷学科迅速发展的一个重要推 动因素。 二、聚合物的摩擦 聚合物一般处在玻璃态、高弹态或粘流态。聚合 物的摩擦可分为三种类型：(a)玻璃态或晶态的摩擦； (b)橡胶态的摩擦；(c)粘流态的摩擦。 摩擦机理 聚合物的基本摩擦机理与金属材料是类似的 ，也就是说微凸体的粘着及犁划变形是影响聚合 物和与之相对材料之间摩擦的主要因素。但是， 金属的摩擦特性是不同于聚合物的，原因是金属 的摩擦特性属于弹塑性范畴，而弹性模量和熔点 较低的聚合物的摩擦特性属于粘弹性范畴。因此 ，聚合物的摩擦特性对外加载荷、温度和滑动速 度更为敏感。另外，当聚合物处在高弹态时，在 摩擦力中增加了一项迟滞分量。 聚合物的摩擦特征 聚合物产生粘着的原因与金属是不同的。一般说， 聚合物粘着的根源在于表面有三种力存在：一种是静电 力；另一种是范德瓦尔斯力；如果聚合物中有某种极性 原子存在，那就还有偶极的相互作用（色散力）和氢键 的作用力。另外，由于聚合物一般是热的不良导体，在 滑动过程中，摩擦表层的温度可升至可观的程度。所以 ，聚合物表层由于摩擦热而熔融的情况很普遍。在这种 状态下，熔融层的物质很容易发生粘着和转移，这时的 摩擦特性与聚合物的粘流特性有很大关系，而且摩擦明 显取决于速度和温度情况。通过研究还发现，在聚合物 干摩擦时，粘着点的增长程度不很明显，因而简单的粘 着理论看来比金属更适合于聚合物。聚合物的犁沟作用 方式一般不是采取塑性变形或弹性变形的方式，而是采 取粘弹的方式。 温度关系 聚合物的摩擦与温度、载荷及速度等有很大关系， 甚至加载时间都会对摩擦产生很大影响。在弹性聚氨酯 与钢的摩擦实验中得到，随着加载时间的增加，聚氨酯 的摩擦系数明显提高。 聚四氟乙烯 聚四氟乙烯（PTFE）在工程塑料中占有非常重要的 地位，有“塑料王”的美称。它的用途相当广泛，从普通 机械到有极端苛刻使用条件的尖端装置上都在使用。 聚四氟乙烯的大分子构形。它在温度低于19时呈 三棱体形，螺旋形大分子中每13个碳原子扭转180，其轴 向间距为1.7nm；在高于19时呈六面体形，每15个碳原 子扭转180，轴向间距为2nm。 聚四氟乙烯性能 聚四氟乙烯的分子链结构形式与聚乙烯的完全一样， 只是用氟原子置换了氢原子，而正是这一点使它具有一 些优异的性能，特别是具有优异的摩擦特性。 1) CC 键与CF 键结合能大，分子内结合牢固； 分子间结合为范德瓦尔斯力，结合力弱。所以，相比之 下，分子链不易断裂与分解，而大分子易于解脱与滑移 。 2) 聚四氟乙烯大分子上具有对称的氟原子，电性中和 ，大分子不带极性，因而具有优良的介电性能。 聚四氟乙烯特性 3) 相邻大分子的氟原子的负电荷有相斥作用，导 致了极低的内聚力。 4) 由于氟原子体积大，又相互排斥，以致整个大 分子链不能呈平面锯齿形而呈螺旋形，并且比较僵硬 。大分子链的这种硬棒状特性，加上上面所说的分子 间引力小，使得它的熔体粘度极高，不溶于任何溶剂 ，具有表面不粘性与润滑性等。 5) 分子链没有支链。通过X射线衍射的研究指出 ，聚四氟乙烯大分子的外部由分布得相当平滑的电子 所包围，分子呈柱状的“流线型”结构，这也使得分子 间的相互作用大大减小。 聚四氟乙烯的摩擦 如果将聚四氟乙烯滑块在光滑和洁净的表面上低速滑 行，起始阶段的摩擦系数相当高，可达0.20.3，这时会 有一些材料团块转移到对摩表面上，这些团块的厚度为 0.10.3m数量级。一旦继续运动，摩擦系数就急剧下降 到0.08左右，而且以薄膜形式转移到对摩件表面上，薄膜 的厚度为510nm数量级。这层薄膜在对摩面上紧密贴合 ，薄膜的大分子依照运动方向高度定位。初始的粘着一 旦被滑块接触区周围的物料克服，材料内部的大分子就 很容易被拉出结晶区而按滑动方向定向，这不依赖于它 们的结晶度或分子量，似乎主要与分子链的光滑外形有 关。 很多研究指出，摩擦过程中材料形成转移膜是PTFE 摩擦的主要特性。 主要缺点 尽管PTFE在大约300以下具有非常低的摩擦系 数，作为实际轴承材料，它有四个主要缺点： 1) 机械强度不够； 2) 热传导性差； 3) 热膨胀系数高； 4) 在高速时，0.3。 若直接用PTFE作轴承材料，则它一定会发热、膨胀 并粘住。如把它渗在多孔材料的表面上（如烧结铜）， 这些困难就可以克服。 PTFE高速滑动 在应用PTFE时必须广泛使用填料，以期获得长的寿 命和低的摩擦。无添加剂的纯PTFE无疑将继续被用在能 避免摩擦过热的场合 。真空条件下使用100的PTFE表 面，则会发生过度磨损。 金刚石 金刚石是人们所知的 最硬的材料。它压入和划 伤最硬的金属及陶瓷时不 产生永久变形。它的屈服 压力超过2000公斤毫米2 ，它的杨氏模量约为钢的 4或5倍。 载荷在570克范围以 内，我们可以近似地写成 ： 可由赫芝理论推出 ，这说明是弹性接触。 金刚石的摩擦 2) 金刚石表面无论是彻底洗净和清除了油渍的、或是 有矿物油或脂肪酸覆盖的，其摩擦实际上都相同； 3) 载荷减小时，摩擦系数上升； 4) 表明摩擦与方向性有明显关系。 金刚石在空气 中的摩擦有以下 四种特征： 1) 摩擦系数 一般是低的（ 0.05）； 金刚石针与金刚石的摩擦 高真空 高真空中加热到大约700，许多污染膜清除掉， 值明显地上升了。在空气中 0.40.6；而在真空中 13。 真空中金刚石与清洁金属的摩擦 金刚石不可 能发生连接 点的生长。 但金属塑性 流动，可以 有大得多的 接触面积， 并伴随着高 的摩擦系数 。 金刚石的高速摩擦 高速情况下，由于金属大量地熔化，金刚石 上覆盖一层薄的转移金属膜，这样，金属只碰到 覆盖在金刚石表面上的金属，与金刚石不能接触 。然而在某临界滑动速度以下，摩擦产生的热不 足以产生大规模的金属熔化。这时在金刚石表面 上形成许多热点，热点的温度由滑动金属的熔点 决定。由于高温，金刚石转变成无定形碳，这个 过程在1000时是缓慢的，但超过1600后就很 快了。所以金刚石的抛光大部分是由于一种碳形 态的高温改变（石墨化）所致，各种金属造成金 刚石磨损的效果，随着金属熔点的升高而迅速增 加。 金刚石材料的应用 金刚石薄膜技术方面得到了很大发展。人们 用各种热化学方法在不同基体材料上制造出各种 金刚石薄膜，并使成本不断下降，目前已经得到 了越来越广泛的应用。其中有一种叫类金刚石碳 膜（DLC膜）非常有应用前景。这种膜是金刚石 与非晶态碳的混合体，它的表面要比纯金刚石膜 的表面更平整、更光滑，因此摩擦系数也更低。 DLC膜已经在刀具及磁介质（磁盘、磁头）等方 面得到了迅速的应用。 纳米金刚石颗粒 1) 纳米金刚石在摩擦界面上优异的承载能力； 2) 纳米金刚石的小尺寸效应，对表面抛光，形成一层金刚石 固体边界润滑膜； 3) 纳米金刚石的球形和准球形可在摩擦表面形成滚珠轴承效 应，表现出良好的润滑性，将滑动摩擦变成滚动摩擦； 4) 金刚石在摩擦过程中，尤其在黑色金属摩擦副中，向石墨 转变，可提高润滑性。 结果表明，含有纳米金刚石颗粒的润滑油使钢铁材料摩擦副 之间的摩擦系数降低约50%，使得动力消耗明显减少。在发动机的 机油内加入纳米金刚石，加入量0.1wt%，可以提高发动机的寿命， 油料节约10%左右。对于纳米金刚石减摩耐磨机理研究尚没有明确 结果，主要有如下观点： 冰的摩擦 冰的摩擦特性是非常重要的，如车辆安全行使、娱乐 业（滑冰、滑雪）以及破冰船的工作等都与冰雪的摩擦 有关。尽管冰的分子式很简单H2O，但它是结构最复 杂的固体之一。温度的变化对冰的性能有很大影响。 冰粘附在金属上与它粘附在聚合物上看来是很不相同 的。当水在干净的金属表面结冰时，界面比冰本身强， 裂缝发生在冰的内部。金属表面污染的存在明显地使粘 附力降低。对于聚合物材料，在一个宽广的温度范围内 ，界面力一般地小于整块冰内部的内聚力，因而破裂确 实发生在界面处。不管是金属还是聚合物，实际粘附都 与温度有关。对于聚合物，在-15到-30的范围内粘附 对温度的相关性似乎是消失了。 冰的摩擦 冰的摩擦 不同材料的雪橇在冰上的摩擦随速度的变化 冰的摩擦 冰的摩擦可概括为以下几点： 1) 在冰点以下，动摩擦系数有随着温度下 降而上升的趋势； 2) 摩擦热及热量在周围的传导情况是控制 动摩擦的主要机制； 在冰点下几度内，光滑冰面与不同材料的 摩擦系数一般为0.010.05，但表面粗糙度的提 高会使摩擦增大。 第三节 层状固体的摩擦 具有片状或层状结构的固体，由于它们有十分明显 的各向异性或方向性的性质，因而具有低的摩擦阻力。 这类材料主要有石墨、二硫化钼、滑石、云母及氮化硼 等，它们也都是典型的固体润滑材料。 一、石墨 石墨的摩擦 二硫化钼 温度升到800以上 ，MoS2发生显著的分解 。这样就剩下了固体钼， 它产生很高的摩擦， 二硫化钼在真空中的 低摩擦使它特别适宜于太 空中的应用。 应用：在制造烧结金属零 件时使之含有MoS2。 MoS2作为润滑脂和润滑 油的主要耐磨添加剂也取 得了很好的效果。 减摩材料 各种机器中许多摩擦副要求尽可能小的摩擦阻力， 即尽量低的摩擦系数，以降低摩擦损耗，提高使用效率 ；同时还要有较好的耐磨性，以保持机器的使用寿命和 可靠性。 对减摩材料的要求 1)减摩性 2) 耐磨性 3) 好的适应性和对异物的嵌藏性 4) 足够的强度 5) 良好的物理、化学性能 6) 工艺性好 常用减摩材料 按其构成的物质和制造方法的不同，减摩材料有以 下几类： 1) 轴承合金； 2) 粉末冶金减摩材料； 3) 金属塑料减摩材料； 4) 金属纤维减摩材料； 5) 减摩铸铁； 6) 化学渗减摩层； 7) 非金