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摩擦学论文摘要：摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。本文主要介绍摩擦当中主要的现象和原理。以及当中的关系。 关键字：摩擦；润滑；磨损；静摩擦；润滑剂；梨沟作用；一：世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。 此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海，断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。 人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类已知钻木取火。诗经邶风泉水已有“载脂载舝，还车言迈”的诗句，表明中国在春秋时期已较普遍地应用动物脂肪来润滑车轴。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著博物志。书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢。直到15世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。1785年，法国C.库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。摩擦是抵抗两物体接触而产生相对运动趋向或发生相对运动的现象 。外摩擦;是指两接触物体相对运动时，在实际接触面积上所发生的摩擦现象。按运动形式分类:滑动摩擦，滚动摩擦，滚滑摩擦 按运动状态：静摩擦，动摩擦 按表面润滑状态分：干摩擦，边界摩擦，流体摩擦，混合摩擦古典摩擦定律：a。滑动摩擦力的大小与接触面间的法向载荷成正比 b.滑动摩擦力与名义接触面积无关 c.滑动摩擦力的大小与滑动速度无关 d.静摩擦力总是大于动摩擦力，即静摩擦系数大于动摩擦系数 二 ：摩擦磨损润滑三者的关系： 摩擦是现象，磨损是摩擦的结果，润滑是降低摩擦减小磨损的重要手段磨损：是相对运动过程中两接触物体表面材料产生形变，性能变化且物质不断损失的现象摩擦与磨损相伴而生，磨损起因于相对运动解除表面间的摩擦关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为： 磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。疲劳磨损：也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。循环应力周期性作用在摩擦表面上，使表面材料疲劳而引起材料成微粒脱落的现象，也称接触疲劳磨损。影响疲劳磨损的主要因素：材料性能的影响，表面硬度的影响，表面粗糙度影响，表面残余应力影响，其他影响因素粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。 冲蚀磨损：流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损。是指流体束或带有磨砺性固体介质的流体束冲击固体表面所造成的表面损坏的现象。分为：微粒流冲蚀磨损，流体冲蚀磨损，气蚀和电火花冲蚀腐蚀磨损：当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。微动磨损：是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。两接触表面间没有宏观的相对运动，由于振幅很小的相对滑动产生的磨损磨料磨损：无论是粗糙硬表面把软表面划伤，还是表面间有外界颗粒划伤工作表面造成材料损失的现象。 按受磨损表面的数目有多少分为二体磨料磨损和三体磨料磨损 二体磨料磨损：硬质颗粒直接作用于一个被磨表面 三体磨料磨损：颗粒作用于两个被磨表面磨料磨损机理研究主要体现在三方面：一是零件材料的磨损机理，二是磨料自己的磨损机理，三是研究材料和磨料间的相互作用75%的零件是因磨损失效，而在各类磨损造成的损失中首推磨料磨损占50%，粘着磨损15%，腐蚀磨损8% 磨损的表示方法：a.线磨损，以摩擦表面法向尺寸减少计量磨损 b.体积磨损，以体积减少计量磨损 c.重量磨损，以重量损失计量的磨损 d.磨损率，磨损量对产生磨损的行程与时间之比 e.相对磨损率，被试验材料的磨损率与标准材料在相同条件下之比三；润滑剂 润滑油：动植物油、矿物油、合成油。粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀。粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。工程中常用运动粘度，单位是：St(斯)或 cSt(厘斯)，量纲为(m2/s)；润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为L-AN10的油在30时的运动粘度大约为10 cSt。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著博物志，书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。润滑脂：润滑油+稠化剂润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。润滑油常用添加剂：降凝剂，抗氧剂，清净分散剂，油性剂和摩擦改进剂，增粘剂，极压抗磨剂固体润滑剂：那些为防止与保护相互运动的表面不受损坏，以及减少摩擦副的摩擦与磨损而在运动表面上使用粉末状或薄膜状的固体物质材料要求：a.与摩擦表面能够牢固的附着有保护表面的功能b.剪切强度低c. 稳定性好，不产生腐蚀及其他有害作用d.有较高的承载能力优点：适用温度宽，承载能力较强，低温下防念滑性能好，能用于有尘土，不易密封的部位，真空中具有良好的润滑作用，耐辐射，导电率范围宽，能不加保护的用于腐蚀环境，存放性较好及简化润滑系统设计等。 缺点：摩擦系数较大，散热性差使用方法：a.作为整体零部件使用 b.作为覆盖膜使用 c.制成组合材料使用 d直接用粉末状固体润滑剂合成润滑油的优点：a.优良的粘温特性 b.良好的低温性能，低温时无蜡析出，因而凝点较低，并且还有较低的押发性使用中损耗小，工作寿命长 c.一般具有较好的耐高温性能，闪点和燃点高，使用安全 d.化学性能较好润滑脂是在基础油中用稠化剂进行增稠，再加入规定的添加剂制的。组成润滑脂的基本组成是基础油，稠化剂，添加剂，稳定剂皂基：钙皂，钠皂，锂皂，铅皂等指标：针入度，表示润滑脂的稠度，即润滑脂的软硬程度 滴点，表示润滑脂的耐热性能，是确定润滑脂最高使用温度的根据。在规定条件下加热，当润滑脂从滴点记的小孔中滴下时的温度。通常润滑脂的工作温度至少比其滴点低20左右润滑状态类型：a.流体润滑：流体动压润滑，弹性流体动压润滑 ，流体静压润滑 b. 混合润滑：即流润滑与边界润滑并存 c.边界润滑 边界润滑：是指两摩擦表面之间存在着一层与工作介质不同的薄膜 边界润滑的特性：a.滑动表面间紧密靠近，以至微凸体可能发生明显的接触。 b.一般情况下，不考虑流体动压作用及润滑剂粘度对边界润滑的影响 c.边界润滑的摩擦学性质决定于润滑剂和滑动表面之间的相互作用及所生成的边界膜的性质 d.与干摩擦相比，由于边界膜的存在，可以减少机械零件的磨损使摩擦副的承载能力大幅度提高，从而延长使用寿命，扩大使用范围，这就是边界润滑作为摩擦副最低要求的润滑状态的理由所在 边界润滑的机理：a.表面吸附膜机理 b.高粘性厚膜机理 c.薄膜及其抛光作用机理 d.化学反应膜机理四； 粘着理论认为，在载荷作用下两表面接触时，某些接触点的单位压力很大产生塑性变形，致使这些点牢固粘着形成“冷焊“结点，当摩擦副滑动时，克服摩擦阻力的切向力首先必须剪开粘着结点，克服结点的剪切阻力，与此同时还要克服由于硬表面微凸体嵌入软表面，因滑动在软表面形成沟槽的阻力，即所谓的梨沟阻力。因此摩擦力是两种阻力之和。粘着理论应用：a.用来解释粘着磨损的几种类型：涂抹，擦伤，粘焊，咬卡 b. 应用粘着理论，在硬表面沉积或涂敷一层软金属，能有效的降低摩擦系数 c. 以金属膜做润滑剂 d. 金属非金属摩擦副得到广泛的应用梨沟作用：硬的凸起对软表面的作用摩擦的起因及摩擦过程中的能耗 承载表面的相对运动阻力（摩擦力）是由表面相互作用引起的。表面的相互作用有： 表面粘着作用N图2.3 摩擦粘着理论模式 是指在洁净金属表面，即微凸体顶端相接触的界面上不存在表面膜的情况下，金属与金属在高压下直接发生接触，导致两表面分子相互吸附而形成连接点（冷焊）。如图2.3中的A，C，D点。 表面材料的位移在上图中B点处虽没有粘着作用，但是当表面发生相对运动时，B点处阻碍运动的那部分表面材料仍需要被移动或将软表面犁成沟槽才能继续作相对滑动。两接触表面作相对运动时，需要施加作用力（即对其作功），以克服运动阻力。这些功主要消耗在：当相对运动时，必须要使阻碍运动的微凸体发生弹性变形或塑性变形。对于大多数金属材料而言，塑性变形消耗的功是不可逆的。当微凸体间相互粘着时，必须消耗部分功，剪断此处的焊点连接。当微凸体相互嵌合时，必须消耗部分功，剪断一些微凸体的高峰或使较软一方材料发生变形。摩擦过程中消耗的能量就是摩擦力作的功。要使两个接触表面作相对运动，必须施加一个切向力来克服摩擦阻力。这个摩擦力由两部分组成：剪断固相焊接点的力粘着分量（剪切分量）；克服硬质微凸体在软表面上的犁沟阻力犁沟分量。假定这两项阻力彼此没有影响，则总摩擦力为此两个分量的代数和。摩擦系数也可看作是两部分之和：F=Fb+Fv =b+v式中：F，分别为总摩擦力和总摩擦系数； Fb，b分别为摩擦力和摩擦系数的粘着分量； Fv，v分别为摩擦力和摩擦系数的犁沟分量。2.1.2摩擦的粘着分量简单的粘着摩擦理论 在载荷作用下，接触点上的接触应力很大，当达到金属的压缩屈服极限（流动极限）b时,接点处发生塑性变形，形成小平面接触，直到接触面积增大到足以支承法向载荷为止。 真实接触面积与载荷的关系为：Ni=bAri （见图2.4）式中：N 载荷的法向部分；Ar 真实接触面积的总和；b塑性变形点Ari总压力N (a) (b)图24 表面接触点的受力情况a-微凸体的接触；b-接触点（放大）的受力b 金属的压缩屈服极限。在这些真实接触处，出现牢固的粘着接点。摩擦的过程，就是在切向提供一个力，剪断这些粘着接点，表面就可以发生滑动。摩擦力主要就是剪断这些金属粘结点的剪切力。式中：Fb 摩擦力的粘着分量；b 摩擦系数的粘着部分；b 较软金属粘结点部分的剪切强度极限塑性变形首先发生在摩擦对偶中较软的一方，剪断的也是较软一方的金属。所以式中b和b都应取较软一方金属的压缩屈服极限和剪切强度极限。波登的粘着摩擦理论（简单的）给出的表达式也符合库仑定律：“摩擦力与表观接触面积无关；摩擦力与法向载荷成正比”。但是，根据此表达式得到的大多数金属的摩擦系数都是一样的。因为大多数金属的b与b之比差不多为0.2。而实践表明，在大气条件下，无润滑金属的摩擦系数约0.5，高真空条件下摩擦系数更大。所以这个理论尚不完善。 简单的粘着摩擦理论认为，摩擦力只取决于材料的机械性质，而未考虑表面化学和表面物理性质对摩擦的影响。 实际上真实接触面积的大小，不仅与法向载荷有关，也受载荷切向分量的同时作用。切向力F的作用很容易使接触面积扩大。故真实接触面积的形成，应该是切应力和压应力的合力达到材料屈服极限时，接触点处发生塑性变形。a.真实接触面积Ar取决于法向载荷与切向力（摩擦力）共同作用；b.当两个金属表面在大气环境条件下相接触时，被剪切强度极限为f的表面膜所隔开；c.摩擦力的粘着分量，就是指剪断分隔这些接点处的表面膜需要的力。如果在高真空中接触，分隔膜可能不存在，这时就沿较软金属的表层剪断软表面上一部分材料，并将其转移到硬表面上。当表面有氧化膜或吸附膜覆盖时，有些膜破裂处发生金属间的焊接，这时界面的剪切强度可能介于金属的与表面膜的剪切强度之间。具体数值视残留表面膜的面积与金属接触面积的比例而定。这种论点能很好地解释金属摩擦副在大气中干摩擦时的实际情