材料的摩擦96563.ppt

材料的摩擦特性 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 Wab a b ab 一般 a与 b大多可以从文献查出 而 ab的试验值却很少 Wab的最大值应为 a b 而最小值是零 可以把上式改写成 Wab c2 a b 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 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 10 100nm 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 如在相同变形量条件下 摩擦表面位错密度比一般变形高一 二个数量级 空位密度比一般金属表面多2500倍 2 晶体缺陷及组织结构发生的变化 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 3 摩擦过程中表层成分的变化 1 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 氧化物的性质强烈影响着摩擦磨损性能 若形成薄而致密的表面膜 小于几个nm 且膜与基体的结合牢固时 则摩擦系数大大降低 2 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 3 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 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 与金属一样 也大致符合古典摩擦定律 1 脆性固体的摩擦机理 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 通过对岩盐的摩擦研究 并结合其它一些脆性材料的研究 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 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 5 0 8 而后者只有0 1 0 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 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 聚四氟乙烯性能 聚四氟乙烯具有优异的摩擦特性 1 C C键与C F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 2 0 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 1 0 3 m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5 10nm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 摩擦机理 PTFE的摩擦系数与简单粘附理论有定性的 虽然不是定量的 的吻合 PTFE具有的低摩擦系数 可用它的强度各向异性的性质来解释 由于这一性质 聚合物网状组织的某种长链分子易于在一个方向而不是在其他方向上发生剪切 各向异性 钢半球体在拉伸的PTFE上滑动时的粘附摩擦力 PTFE受到拉伸或压延 分子链将按伸展的方向排列 而结构变成具有极高的取向性 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 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 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 4 0 6 而在真空中 1 3 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 界面力一般小于整块冰内部的内聚力 因而破裂发生在界面处 不管是金属还是聚合物 实际粘附都与温度有关 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 01 0 05 但表面粗糙度的提高会使摩擦增大 冰的摩擦 不同材料的雪橇在冰上的摩擦随速度的变化 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 减摩材料的性能要求减摩性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 非金属减摩材料 摩阻材料 摩阻材料又称 制动 摩擦材料 它是各种机器设备的制动器 离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之一 不用制动和传动装置 现代机器和机构就不能可靠地工作 摩擦材料最重要的特点是它能够吸收动