材料摩擦磨损.ppt

材料摩擦磨损 引言 摩擦学 Tribology 是近三十多年来迅速发展起来的一门新兴边沿学科 它主要包括摩擦 磨损和润滑等研究领域 摩擦导致大量机械能的损耗 而磨损则是机械零件失效的一个重要原因 据估计 工业化国家能源的约30 消耗于摩擦 对一个高度工业化的国家 每年因摩擦和磨损所造成的经济损失差不多占其国民经济年产值的l 2 摩擦与磨损的研究是一个有重大社会经济效益的课题 摩擦与磨损自古以来就存在 利弊共存 摩擦与磨损 摩擦与磨损是涉及两个或两个以上作相对运动物体之间的界面的科学和技术问题的一门学科 包含着许多物理 化学及力学过程 物理学 化学及材料科学工作者对此相当关注 摩擦与磨损直接影响机械零件间力 功或运动的传递 因此 又是机械工程师们重视的问题 不难看出 摩擦和磨损的研究将是多学科的综合 涉及物理 化学 数学 材料科学和机械工程等方面的很多基础知识 三个问题 为解决摩擦学领域中的技术问题 必须弄清楚摩擦学基本的问题 摩擦学的这三个方面问题显然是互相联系的 因此 为了能全面解决摩擦学问题 必须对这三个方面问题有所了解 1 通过物理和化学作用 环境对表面特征的影响 2 接触表面之间的力的产生和传输 3 作用在表面接触点处的外力附近表面材料的特性 前景 随着工业的发展 特别是在现代工业与技术中高速 重载的运转条件 核反应堆 宇宙飞船那样的恶劣工作环境 微型机构 生物等方面 对摩擦与磨损提出了越来越高的要求 为这门新兴学科的发展提供了强大动力 目前的研究热点 空间 生物 微纳米 高速机械等 课程内容 1 材料表面特性及接触力学2 材料的摩擦3 材料的磨损 第一章固体表面特性 第一节固体表面特性及结构 表面是一个抽象的概念 实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面 把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面 而把我们常说实际的固体表面叫工程表面 但物质不是无限的 在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面 如固体 液体 固体 气体及固体 固体的界面 常把固体 气体 或真空 固体 液体的界面称为固体的表面 很多物理化学过程 催化 腐蚀 摩擦和电子发射等都发生在 表面 可见其重要性 金属表面的实际构成示意图 工程表面 表面结构 表面原子M的配位数为5 而基体中的任一个原子的配位数为6 表面的电子分布 a 电荷密度分布 b 电荷分布 表面缺陷 点缺陷 线缺陷和面缺陷 点缺陷 在三维方向上都很小的缺陷 线缺陷 它是在一个方向上尺寸较大 而在另外两个方向上尺寸较小的线缺陷 面缺陷 晶体的缺陷若主要是沿二维方向伸展开来 而在另一维方向上的尺寸变化相对地甚小 则称为面缺陷 各种界面如晶体表面 晶界 亚晶界及相界等都是面缺陷 它们通常只有一个至几个原子层厚 由于界面特殊的结构和界面能量 使得界面有许多与晶体内部不同的性质 例如 界面的扩散 界面吸附 界面腐蚀 界面与位错的相互作用等 并对材料的机械性能 强度 韧性 以及对变形 再结晶和相变过程等都有重要影响 第二节表面热力学 一 表面张力与表面能1 表面热力学函数 在表面 晶格的周期性被切断 因此表面原子处于与固体内部不同的环境之中 其实 表面的组成和物理性质是由单一相慢慢地变化而来的领域 虽然很难把它当作原来的热力学相 但能作为一种由温度 面积 曲率半径以及各组分原子的质量等决定的特殊相来处理 总之 固体表面相的热力学性质必须与固体内部区别开来考虑 热力学函数 现就其周围包含有N个原子的固体平面而言 若每一原子的体能量为E0 则每单位面积的表面能ES与总能量E之间有下述关系 每单位面积的表面熵为SS 体熵为S0 则固体的总的熵S为 a是表面积 热力学函数 表面每单位面积的吉布斯 Gibbs 自由能为 系统总的自由能为 表面每单位面积的功为 表面张力 在建立新的表面时 邻近的原子丢失 键被切断 为此 必须作某种功 在一定的温度 压力下 保持平衡条件 当表面积a只增加da时 该系统也必须做功 这个可逆的表面功 WS由下式给出 如果没有任何非可逆过程 那么这个可逆功就等于表面能量的变化 因此 表面张力 高温时 在由解理而制得的新的表面的情况下 表面原子自由地在表面扩散的时候 与面积无关 则 所以 表面张力与表面自由能相一致 低温 解理表面的原子不能自由扩散时 由于在表面残留有畸变 因此 表面能的物理图像 以面心立方金属的 100 面作为表面 只有当每个原子有12个最近邻 能量才最低 结构最稳定 当少了四个最近邻原子 出现了四个 断键 时 表面原子的能量就会升高 和表面原子的这种高出来的能量相连的就是表面能 晶面的表面能 不同晶面作表面时 断键数目不同 因而表面能不同 表面能 还可以更直观地说明表面能 设有一横截面为1cm2的固体柱 在理想条件下 真空中 将它分成两段时所作的功称为内聚功Wc 它表征了相同物质间的吸引强度 拉断后的固体柱增加了两个面积为1cm2的新表面 相应增加的表面能为2 a a为固体a增加的表面能 根据功能原理得Wc 2 a 物质的表面能和界面能 假如柱的上段为物质a 下段为物质b 则接触部分的界面能为 ab 若使柱在a b界面上断开 对柱所作的功称为粘附功Wab 断开后柱增加表面能 a和 b 根据功能原理得Wab a b ab 界面能 实验证明 界面能 ab约为1 4 1 2 a b 如果a b两物质能相互溶解或能形成金属间化合物 其界面能较小 约为 若a b两物质不能相互溶解 其界面能较大 约为 a b为同一物质Wc 2 a或Wc 2 b 由上式可以看出 Wc Wab 即相同物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦 a b相互溶解 a b不能相互溶解 第三节表面吸附与化学反应 表面吸附是实际固体重要的表面现象 它的存在可以显著降低表面的系统能量 吸附作用是固体表面最重要的特征之一 被吸附的分子称为吸附物 质 固体作为吸附剂 表面吸附按其作用力的性质可分为两类 物理吸附和化学吸附 在吸附过程中 一些能量较高的吸附分子 可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面 称为 脱附 或 解吸 当吸附与解吸达到动态平衡时 固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子 这种吸附 称为平衡吸附 物理吸附 物理吸附的作用力 是范得瓦尔斯 VanderWaals 分子力 范得瓦尔斯分子力是由于表面原子与吸附原子之间的极化作用而产生的 P表示吸附能 吸附热 r0中吸附分子在平衡时离开表面的距离 化学吸附 化学吸附 在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生电子的转移 改变了吸附分子的结构 化学吸附中的库仑力主要是吸引力 它按 2规律变化 当吸附物的原子离表面很近时 也有按 13规律变化的斥力出现 按照吸附过程中电子转移的程度 化学吸附还可以分为 离子吸附和化学键吸附 在化学吸附中 吸附剂和吸附物分子或原子之间的作用力 主要是静电库仑力 物理吸附和化学吸附的比较 用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能 当产生化学吸附时 需要有一定的活化能 这可能是由于存在一个温度界限的缘故 低于此界限就不会发生化学吸附 物理吸附无需活化能 在任何温度下都会以一定的速率 即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附 表面化学反应 表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物 这时无论是吸附质还是吸附剂的特性都发生了根本变化 金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷 晶界 位错 台阶等 这些部位能量高 氧化也就往往从这些高能位置开始 一直到将表面覆盖 固 液界面上的效应 在润滑系统中 液 固界面上发生的物理和化学过程有非常重要的影响 润滑剂和固体在界面上相互作用形成边界膜的机制有三种类型 一是物理吸附 二是化学吸附 三是化学反应 1 物理吸附如同气体在固体表面上的物理吸附 润滑剂 如液体脂肪酸 分子是以范德瓦尔斯力与固体表面原子作用而吸附的 吸附质与固体表面间的作用力很弱 受热时就可能产生脱附或使膜熔化 物理吸附膜对温度比较敏感 由物理吸附而产生的边界润滑 一般只适用于比较低的温度和摩擦热较小 即低载荷 低滑动速度的情况 硬脂酸在固体表面物理吸附 化学吸附 这是一种很强的短程作用力 化学吸附的吸附热较大 一般是41 87 418 68kJ mol 这种吸附的一个典型例子是 在边界润滑时 硬脂酸和氧化铁在有水存在时所产生的吸附 吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸 金属皂膜 这种 金属皂膜 不仅有较低的切变强度 相对说来也有比较高的熔点 例如 硬脂酸的熔点是69 而这种金属皂膜的熔点约为120 因此 这种化学吸附膜作为润滑剂 可以在中等裁荷 中等温度及中等滑动速度下使用 硬脂酸化学吸附 吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸 金属皂膜 化学反应 当润滑剂分子和固体表面之间出现价电子交换 并且形成新的化合物时 则表明液 固界面上发生了化学反应 由化学反应形成的边界膜 在厚度上可以是没有限制的 并且它们有较高的活性与结合能量 在边界润滑中 大部分参加化学反应的边界润滑剂中均含有硫 氯和磷原子 形成低切变强度和高熔点金属盐膜的作用 如硫化物 氯化物 磷化物等 这种膜比物理吸附及化学吸附膜更稳定 因而适合于高载荷 高温度和高的滑动速度下使用 小结 1 固体表面特性2 表面热力学 表面热力学函数 表面张力 表面能3 表面吸附 物理吸附和化学吸附 表面化学反应4 吸附的应用 第二章固体表面形貌与表面接触 固体表面形貌固体表面接触 固体表面形貌 机械零件的表面形貌直接影响其磨损 疲劳与腐蚀 以及接触刚度和传热性能 影响界面间的导电性能与密封性能 磨具的表面形貌影响它的磨削性能 喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层 如油漆 的质量与外观 飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命 公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命 海洋表面的形貌直接同船舶航行有关 而电子的发射 电磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的关系 所以 表面形貌越来越为工程技术界所重视 表面形貌的定量测量 表面形貌的定量测量对于解决摩擦学问题是极为重要的 测量表面微观或宏观的几何性能 可用很多方法 在观察和测量表面形貌的方法中 比较常用的有用干涉或反射显微术的光测法以及用电子显微镜等方法 观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面 目前比较先进的原子力显微镜 AFM 和扫描隧道显微镜 STM 可以达到原子的尺度 在测量表面轮廓和粗糙度的仪器中 以电子放大的触针式仪器使用最为普及 AFM图象 轮廓仪得到的表面形貌 固体表面形貌的表征 宏观和微观粗糙度 表面轮廓高度方向一维表征 轮廓算术平均偏差 Ra 轮廓算术平均偏差 Ra 又称中位线算术平均偏差 定义为一个取样长度内 表面轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值 其数学表达式为 其离散化计算公式为 Ra值相同的轮廓 RaRq2 292 542 292 542 292 642 292 682 292 682 292 59 轮廓均方根偏差 Rq 统计学认为 均方根偏差 Rq 能比Ra更好地描述表面轮廓的粗糙度特征 其定义为 在一个取样长度内 表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根 其数学表达式为 其离散化计算公式为 对绝大多数的固体表面而言 Ra与Rq之间有如下的近似关系 即 微观不平度十点平均高度 Rz 定义为取样长度内 5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深的轮廓谷深的平均值之和 其数学表达式为 轮廓最大高度 Ry 定义为取样长度内 轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离 表面轮廓水平方向的表征 1 高点数 所谓高点数 是指在评定长度内 高出中位线或与中位线平行的某一预先设定高度的线的完整表面轮廓峰的数目 如图所示的表面轮廓 其高点数为7 轮廓微观不平度的平均间距Sm 含有一个轮廓峰 与中位线有交点的峰 和相邻轮廓谷 与中位线有交点的谷 的一段中位线长度 称为轮廓微观不平度间距 在取样长度内 轮廓微观不平度间距的平均值 称为轮廓微观不平度平均间距 用Sm表示 轮廓的单峰平均间距也是反映表面微观几何形状上峰谷间距特性方面的表面粗糙度参数 同样 其数值愈大 表面愈粗糙 固体表面形貌的二维表征 直至目前 两个相对成熟且有一定应用前途的表面形貌特征的二维表征参数是 轮廓高度分布的概率密度函数 轮廓的支承长度率及支承曲线 表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数 表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数这两者是相互关联的 其中 表面轮廓的自相关函数从空间域角度 刻划了表面轮廓不同点间的相互依赖关系 而功率谱密度函数则在频域上揭示表面轮廓的频率结构 事实上 表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数通过傅立叶变换建立联系 它们相互构成一对傅立叶变换对 轮廓高度分布的概率密度函数 所谓轮廓高度分布的概率密度函数f z 是指在一个取样长度内 轮廓高度为z的概率 其数学表达式为 概率密度函数 常用的概率密度函数有 三角形分布 矩形分布 高斯分布 韦布分布和伽玛分布等 常用高斯分布 Gaussiandistribution 又称正态分布 m 为z的平均值 为标准方差 即Rq 正态分布 通常认为 机加工表面的轮廓高度接近正态分布 右图为实测的电蚀表面的轮廓高度分布和正态分布的概率密度 锯齿线所示为实测值 光滑曲线所示为正态分布曲线 可见实际电蚀表面的轮廓高度接近正态分布 一般在 3 到 3 包含99 的分布 常以 3 作为Gauss的极限分布 越大数据越分散 支承面积曲线 在取样长度内 距峰顶线距离为p且与中位线平行的一条线 与轮廓相截所得的各段截线长度bi之和 称为此高度下的支承长度 用 p表示 支承长度 p与取样长度l之比 称为轮廓支承长度率 用tp表示 即有 以距峰顶线的距离p为纵坐标 以轮廓支承长度率tp为横坐标作图 就可得到轮廓的支承面积曲线 支承面积曲线 按支承面积的大小将轮廓图形分为三个高度层 支承面积在25 以内的部分称为波峰 为最高层 支承面积在25 至75 之间的部分称为波中 为中间层 支承面积大于75 的部分称为波谷 为最低层 研究表明 材料的摩擦磨损状况 电触点 热触点等与波峰有很大关系 而波谷则与润滑情况下储油性有关 第二节固体表面接触 固体表面的接触是研究摩擦磨损的基础 如果不了解两个固体表面接触时的情况 就无法搞清摩擦和磨损的实质 接触表面间的相互作用 实际上只在少数较高的微凸体上产生接触 由于实际接触面积很小而接触点上的应力很大 因此在接触点上发生塑性流动 粘着或冷焊 这种接触点叫做接点 也称粘着点或结点 金属间的焊合性 与两金属性质有关 机械相互作用 较硬的表面微凸体会嵌入较软的表面中 较软的材料表面微凸体被压扁和改变形状 理想固体表面间的接触 所谓理想的固体表面 是指不考虑其粗糙度的理想光滑表面 理想固体表面的接触问题是接触力学研究的重要基础内容 根据其接触特点 通常可将理想固体表面的接触问题分为点接触和线接触两种情况加以讨论 而根据外加载荷的大小或变形是否可逆 固体表面的接触又有弹性接触和塑性接触之分 此外 还可根据外加载荷的方向 将固体表面的接触问题分为单一法向载荷 单一切向载荷和法向 切向载荷联合作用等情况加以讨论 单一法向载荷作用的弹性接触 1 接触体的材质均匀且各向同性 2 接触表面是理想光滑状态 不考虑实际的粗糙度 3 接触体只承受法向外载荷 而不存在切向载荷 即不考虑摩擦力 4 接触体的变形是完全可逆的弹性变形 没有残余塑性变形 5 与接触体大小相比 两固体之间的接触面积很小 赫兹弹性接触公式 6 两接触表面间没有润滑剂 1 点接触 球与球 球与平面的接触都是点接触问题 接触区为圆形 其半径为 接触位移 法向接近量 为 赫兹公式 接触面积 r 接触面上距接触中心O的距离 接触面中心处的接触压应力 接触压力的分布 注意 式 2 24 为 最大应力 最大接触压应力位于接触面的中心 即r z 0处 其值为 最大拉应力位于接触面的边缘 即r a z 0处 其值为 最大剪应力位置r 0 z 0 47a处 其值为 以上各式中 R为两接触面等效曲率半径 E为综合弹性模量 P为法向外载荷 等效曲率半径和弹性模量 对球体与球体的接触 有 对R2为凹球的半径 则只要将上式中的R2用 R2代即可 对于球与平面的接触 因平面的曲率半径R2 以上三种不同的点接触都可等效为圆球与平面的接触问题 线接触 两平行圆柱体接触的赫兹公式 接触区为矩形 其半宽度为 接触面中心的接触压应力为 接触面上的压力分布为 赫兹公式 最大剪应力位置r 0 z 0 786a处 其值为 接触位移 在弹性变形时 最大接触压应力与载荷不成线性关系 而是与载荷的平方根或立方根成正比 这是因为随着载荷的增加 接触面积也增大 其结果使接触面上的最大压应力的增长较载荷的增长为慢 应力与载荷成非线性关系是接触应力的重要特征之一 实际粗糙表面的接触 对实际粗糙表面的接触 定义了三种含义不同的接触面积 即名义接触面积An 轮廓接触面积Ac和实际接触面积Ar 接触面积 所谓名义接触面积 又称表观接触面积 即是把参与接触的两表面看成是理想的光滑面的宏观面积 记为An 它由接触表面的外部尺寸决定 名义接触面积为 轮廓接触面积 即是接触表面被压平部分所形成的面积 如图中的小圈范围内所示的面积 记作Ac 实际接触面积 即是两接触表面真实接触面积的总和 记为Ar 实际接触面积在摩擦学中具有重要意义 接触面积 实际粗糙表面接触时 实际接触面积仅为名义接触面积的0 01 0 1 而轮廓接触面积为名义接触面积的5 15 阿查德 Archard 认为 在弹性接触的情况下 实际接触面积与所加载荷的关系可用下式描述 m 取决于表面接触模型 表面接触模型 表面微凸体模型 理想粗糙表面的接触 光滑表面在载荷作用下接近时 可以看出法向接近量将为 z d 各个微凸体发生相同的变形并承受相同的载荷Li 因此当单位面积上有n个微凸体时 总载荷L将等于nLi 对于每个微凸体 载荷Li和实际接触面积Ari可根据赫兹理论求得 理想粗糙表面的接触 实际接触面积与载荷的关系 实际接触面积与载荷的2 3次幂成正比 设R为微凸体的曲率半径 则有 Ar nAri 根据 的表达式 理想粗糙表面塑性变形 如果载荷使微凸体在一恒定的流动压力H下发生塑性变形 则我们就可假设材料作垂直向下的位移而不作水平扩展 所以接触面积A 将等于表观接触面积2 R 总载荷 即实际接触面积与载荷成线性关系 因此单独载荷可表示为 当粗糙表面接触时 应该预期得到实际接触面积与载荷之间具有线性关系 这一结论是摩擦定律的基础 随机粗糙表面的接触 实际粗糙表面上的各个微凸体具有不同的高度 这可用其峰高的概率密度来表征 高度大于d的任何微凸体都将发生接触 随机粗糙表面的接触 f z 为微凸体峰高分布的概率密度 高度为z的任何微凸体的接触概率为 设表面单位名义面积上具有 个微凸体 则接触点数量n可表示为 由于任何微凸体的法向接近量为 z d 总的实际接触面积 预期的载荷 随机粗糙表面塑性变形 当微凸体服从塑性变形定律时 总的实际接触面积 预期的载荷 则L HAr 即载荷与实际接触面积成线性关系 且与微凸体高度的分布f z 无关 当我们把这种效应视为摩擦和磨损时 这些结果将具有重大的意义 小结 1 定义了表面粗糙度的指标Ra Rq Rz Ry 2 轮廓高度分布的概率密度函数和轮廓的支承面积曲线 3 固体表面接触 Hertz公式4 分析了实际粗糙表面的接触 材料摩擦磨损 第三章摩擦原理 第一节摩擦的概念及分类 一 摩擦的概念 当 超过最大静摩擦力时 物体就要发生相对滑动 此时的摩擦力 动叫动摩擦力 二 摩擦的分类 1 干摩擦 2 边界摩擦 3 流体摩擦 按摩擦副表面的润滑状况分类 摩擦的分类 2 按摩擦副的运动形式分类1 滑动摩擦 2 滚动摩擦 3 按摩擦副的材质分类1 金属材料的摩擦 2 非金属材料的摩擦 4 按摩擦副的工况条件分类1 一般工况下的摩擦 2 特殊工况下的摩擦 第二节古典摩擦定律 现将古典摩擦定律的内容归纳如下 1 摩擦力的大小与接触面积间的法向载荷成正比 而与接触物体间名义接触面积的大小无关 即F N或F N式中F 摩擦力 摩擦系数 N 法向载荷 2 摩擦力的方向总是与接触表面相对运动速度的方向相反 3 摩擦力的大小与接触面间的相对滑动速度无关 4 静摩擦力大于动摩擦力 古典摩擦定律中参数的讨论 1 摩擦系数 在古典摩擦定律中 摩擦系数 是一个常数 但通过更多的试验指出 仅在一定的周围环境下 对于一定的材质的摩擦来说 摩擦系数才是一个常数 不同材质的金属摩擦副其摩擦系数 是不同的 不同的周围环境摩擦系数亦不同 因此 摩擦系数不是材料固有的特性 而是材料和环境条件的综合特性 参数的讨论 接触面积 2 接触面积在古典摩擦理论中 摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积的大小无关 对于金属材料来说 由于摩擦副表面粗糙度的存在 故只在很小的接触区域内才有真正的接触 所以可以说摩擦力的大小与名义接触面积无关 试验表明 实际接触面积与摩擦系数有关 随着实际接触面积的增加 摩擦系数增大 摩擦力亦增大 例如对于光滑表面 摩擦力将由于表面光洁度提高 随实际接触面积的增大而增大 对于很洁净 很光滑的表面 由于在接触表面之间出现强烈的分子吸引力 摩擦力将与实际接触面积成正比 并且和表面的外形尺寸无关 参数的讨论 滑动速度 3 滑动速度 1 轻载 2 中等偏低载荷 3 中等偏高载荷 4 重载 参数的讨论 正压力 4 摩擦力与正压力 对于某些很硬 如钻石 或很软 如聚四氟乙烯PTFE 材料 摩擦力与正压力之间表现出非线性关系 此时F CPB式中C 常数 F 摩擦力 P 正压力 B 指数 B 1 5 静摩擦力和动摩擦力 第三节滑动摩擦理论概述 一 机械理论 两个固体表面发生接触时 由于表面凹凸不平处的互相啮合 而产生了阻碍两固体流动的阻力 二 分子理论 摩擦力的主要原因在于两物体摩擦表面间所持有的分子力 三 分子机械理论 分子机械理论综合了前面两种理论的基本思想 F Fa FmF Ar NAr及N分别是实际接触面积和接触物体所受载荷 四 粘着理论 鲍登 F P Bowden 和泰伯 D Tabor 提出了著名的摩擦粘着理论 当两表面相接触时 在载荷作用下 某些接触点的单位压力很大 并产生塑性变形 这些点将牢固的粘着 使两表面形成一体 即称为粘着或冷焊 焊接桥 当一表面相对另一表面滑动时 粘着点则被剪断 而剪断这些连接点的力就是摩擦力 此外 如果一表面比另一表面硬一些 则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟 这种形成犁沟的力也是摩擦力 故摩擦力是两种阻力之和 即F Fa FpFa 摩擦力中的剪切阻力 Fp 摩擦力中的犁沟阻力 第四节摩擦生成机理分析 简单粘着摩擦理论对于理想的弹 塑性材料 粘着摩擦力就是剪断金属粘结点所需的剪切力 设粘结点部分的剪切强度为 b 则粘着摩擦力为 Ar 实际接触面积 y 材料的屈服压力 简单粘着摩擦理论 以较软金属的剪切强度极限 0代替金属粘结点的剪切强度 b 则粘着摩擦系数为 对于大多数金属材料来说 摩擦系数为0 2 这说明了为什么大多数金属的机械性能如硬度变化很大而彼此间摩擦系数却相差不大的原因 如两个硬的金属接触时 y大 Ar小 o大 而对于两个软的金属接触时 y小 Ar大 0小 所以它们的比值 0 y相差不会太大 但是 实验结果表明 很多金属材料在空气中测得的摩擦系数高于0 5 在真空中测得的摩擦系数更高 因此上述的简单粘着理论还要进行修正 粘着摩擦理论的修正 切向力的存在 这时实际接触面积的增大是由于法向载荷 压应力 与切向载荷 切应力 联合作用的结果 式中 和k为待定系数 假定 理论的修正 当 0时 粘着点上的合成应力为 y 可得 y k 或 则 简单粘着理论中所用的实际接触面积 切应力对接触面积的影响 纯净表面摩擦时 实际接触面积可能增加很多 因而摩擦系数变大 这也可以解释在真空中所测得的摩擦系数为什么会增加的原因 表面有自然污染膜 在空气 由于表面有自然污染膜 它的摩擦现象要用有自然污染膜存在时金属表面的粘着理论来解释 当摩擦副表面被污染 且污染膜的剪切强度较低时 粘着接点的增长不明显 当污染膜的剪应力 达到污染膜的剪切强度 f时 表面膜被剪断 摩擦副开始滑动 f 表面污染膜的剪切强度 y 金属本体的屈服强度 一般污染膜的剪切强度 f都要比金属的 b要小 当F Ar f 实际接触面积可增加 当F Ar f 粘着接点的面积增大停止 表面膜被剪断 摩擦副开始滑动 此时 粘着摩擦系数可表示为 对粘着摩擦理论的说明 在上述有关粘着摩擦的分析中 是在下列假设条件下进行的 实际接触面积是由塑性变形确定 两个摩擦表面是由一个剪切强度较低的膜隔开 摩擦力是剪切分离膜所需的力 膜的基础强度高时 摩擦力决定于基体材料的剪切强度 理论的问题 是否实际接触面积上都产生粘着 污染膜之间能否产生粘着 犁沟的作用 犁沟是鲍登和泰伯的总摩擦力中的一部分 也是机械作用形成阻力的另一种形式 它由于硬金属上的粗糙度凸峰陷入较软的金属而引起的 并且由于较软金属的塑性流动而犁出一个沟槽 是由许多类同的半角为 的圆锥形粗糙度构成 在摩擦过程中 每个锥形粗糙度的前表面与较软的材料相接触 接触表面在水平面上投影面积Av为在该平面上总投影面积的1 2 即 n为粗糙凸峰总数 设一个硬的材料表面 犁沟 承受的载荷N为 接触表面在垂直面上的投影总面积为Ah nrh 所以犁沟摩擦力Fp为 Fp Ah y nrh y 犁沟产生的摩擦系数 p为 即 附加因素 形滑块所产生犁沟前方材料压皱和堆积的情况 显然这使得面积Ah有很大增加 引入一额外的附加因素Kp 第六节影响滑动摩擦的因素 实验表明 摩擦系数与载荷 速度 温度 表面特性等都有关系 同一种摩擦副 在不同的因素影响下可能有极不相同的摩擦系数 粗糙度的影响 载荷的影响 在干摩擦条件下 尽管摩擦副配对材料不同 但摩擦系数都是随着法向载荷的增加而下降 但在边界润滑条件下 不符合摩擦系数随着法向载荷的增加而下降的规律 合金钢对45钢在边界润滑下摩擦系数与载荷的关系 v 6米 秒 温度的影响 摩擦引起的释放热量Q等于克服摩擦所做的功 即 摩擦热将引起 1 摩擦表面相互作用特性或摩擦状态发生质的变化 从液体摩擦转化为边界摩擦甚至干摩擦 或者相反 2 摩擦表面与周围介质的作用特点改变 即引起摩擦过程动力学特性变化 如摩擦表面原子或分子间的扩散 吸附和吸收 摩擦表层材料中的结构变化等 从而引起了材料表层物理 机械性能的改变 塑性接触的产生 摩擦性能 摩擦系数 磨损 和摩擦表面上的损伤形式的变化等 铜 铜 高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决于两金属的高温强度 可焊性以及所形成的表面膜 铜 铜 真空中 镍 钨 真空中摩擦随温度的升高而下降 但是变化不大 在高温时 屈服压力降低 同时金属的剪切强度也下降 镍 镍 铜 铜 金 金 低温时 摩擦热的影响较小 但摩擦副材质在低温时的性能 冷脆性 和组织结构对摩擦的影响较大 一般说来 体心立方晶体的金属 Fe Cr Mo Ta W 在低温时易产生脆性破坏 使用温度范围较窄 适于作低温摩擦副的材料主要是面心立方晶体 Al Ni Pb Cu Ag 和密排的六方晶体 Ti Zn Mg Co 及其合金 以及石墨和氟塑料等 低温摩擦时 由于冷却介质不同 摩擦特性也不同 当在液体冷却介质中摩擦 如在液氮和液氢中 时 摩擦面上不易形成氧化膜 因此在摩擦过程中接触处易产生粘着 表面温度的计算 S 0 整体表面温度 f 闪温 表面最高温度 c c 是导热系数 是密度 c 是比热 1 若材料相同 则c1 c2 即平均闪温温升与相对速度平方根成正比 载荷 速度与温度 2 f 载荷越大 闪温温升越高 闪温 整体温度 总表面温度 闪温 整体温度随速度的变化 表面温度高于800 时 黄铜发生熔化 表面温度的实验测定 动态热电偶法 这种方法使用天然热电偶 热电偶的两个元件是运动组件 而接点是实际接触表面 红外辐射测量 测玻璃表面与金属销之间的干摩擦 不可逆方法 研究表面层的金相结构 例如 超过了转变温度 就会引起不可逆的结构变化 利用与温度有关的氪化物分解速率来测量温度 由于表面上的温度梯度很大 因此难以用实验方法测定摩擦表面的温度 滑动速度 摩擦系数与速度的经验关系式 克拉盖尔斯基等人的测试中得出 1 当速度增大时 摩擦系数都通过一最大值 2 当载荷增大时 该最大值对应于较小的速度值 并提出了速度和摩擦系数的表达式 a b c及d均是与载荷和摩擦副有关的系数 c接近1 滑动速度的影响 在较低滑动速度下 摩擦主要是由于接触区的局部粘着和剪切所引起的 摩擦发热不会有多大影响 但在很高的滑动速度下 材料表面产生极为强烈的摩擦热 由于瞬间所产生的大量摩擦热来不及向内层扩散 使摩擦副表面受热的作用大 深度浅 温度梯度大 表面温度可达到材料的熔点 使材料表面有可能产生一层很薄的熔化层 它将从本质上改变滑动表面的状态 对于导热性能比较差的非金属材料 在高速滑动下 表面升温更为严重 对于高速滑动的金属材料 表面熔化后则摩擦具有液体动力学特征 摩擦系数随着速度的增大而下降 在滑动速度很大时 v 300米 秒 摩擦系数可降到0 02 0 03 观察滑动后的试样 可以发现金属熔化的痕迹 表面膜的影响 表面存在各种薄膜时 摩擦系数降低 主要是由于摩擦发生在膜内 使金属摩擦表面不易发生粘着 另外 一般氧化膜的塑性和机械强度要比金属材料低 在摩擦过程中 膜先被破坏 因此摩擦系数较小 所以人们往往在摩擦表面涂覆一层软金属 铟 镉 铅等 以取得降低摩擦系数的效果 并能减少磨损 第七节滚动摩擦 由于滚动摩擦的影响因素很多 所以研究滚动摩擦比研究滑动摩擦更为复杂 一 基本概念滚动摩擦按其接触装置的特点可分成如下几种类型 自由滚动这是滚动元件沿平面滚动时的情况 运动所受的阻力是由元件与平面之间的基本滚动摩擦引起的 这种滚动传递的切向力较小 受制滚动滚动元件受制动或驱动转矩的作用 这些转矩在接触处产生摩擦效应 槽内滚动当滚珠沿轴承的内圈滚动时 滚珠与圈槽间的几何接触引起摩擦阻力 曲线滚动滚动元件沿曲线轨道运行时 接触处不可避免地产生摩擦作用 滚动摩擦系数 过O1点而垂直于轮子滚动平面的轴称为瞬时旋转轴 如果轮子承受N力 其作用线为OO1 则为了使轮子作等速滚动 必须以某种方式对轮子施加旋转力矩 为此 对轮子只要加F0力而其作用线与瞬时旋转轴相距一段非零的距离即构成旋转力矩 这个力对O1点的力矩称为驱动力矩 在数值上等于滚动阻力矩 滚动摩擦系数 可定义为驱动力矩与法向载荷N之比 即 无量纲的滚动摩擦系数 还有一种无量纲的滚动摩擦系数 它的定义是滚动驱动力F0在单位距离上所做的功与法向载荷之比 当轮子转过 角度后 驱动力所作的功为 摩擦系数 式中的力F0在数值上也等于滚动系统产生的摩擦力 滚动摩擦机理 滚动摩擦一般比滑动摩擦小得多 在滚动界面也不存在犁沟和粘着点的剪切 因此 不能用滑动摩擦的微观模型来解释滚动中产生的摩擦 还需要作另外的解释 任何滚动摩擦的模型 象滑动情况中一样必须能说明滚动摩擦力及滚动摩擦的能量消耗两个方面 目前认为滚动摩擦阻力主要来自下列几种作用 微观滑移 即微观滑动 弹性滞后 塑性变形 粘附作用 微观滑移 硬圆柱体在弹性平面上滚动 雷诺 Reynolds 滑移 压缩引起的伸长在1处比2 3处要大 在滚动过程中 A B表面伸长的大小也不一样 B是弹性体 表面伸长大 而A弹性差 表面伸长小 则A和B的界面由于伸长的差异而发生滑移 微观滑移 微观滑移 弹性滞后 在弹性范围内滚动 滚动摩擦是弹性滞后和微观滑移引起的 若滚动摩擦阻力大小主要由弹性滞后决定 则接触面间是否有润滑剂 对滚动阻力的影响就不大 塑性变形 物体滚动接触时 若接触压力超过一定数值 将产生全面屈服 对自由滚动的圆柱体来说 当 max 3 0时 首先在表面下一点产生屈服 这里 max为最大赫兹压力 0为简单剪切时材料的屈服应力 在这种情况下 使滚道产生塑性变形是需要能量的 粘附效应 在滚动接触条件下表面力可作用在滚动物体之间的界面上 摩擦副之间也会产生粘着 滚动摩擦小结滚动摩擦阻力起因的讨论表明 滚动摩擦也是一种很复杂的综合过程 该过程是由混乱接触偶件的一些性能及工作变量决定的 上述各种机理可以解释一些摩擦副以及某些工况条件下的摩擦现象 在特殊情况下 即在特定的试验条件下 有可能某一种机理占主导地位 在一般情况下 可能几种机理同时起作用 这就需要对实际工况作具体分析 小结 古典摩擦定律粘着理论影响滑动摩擦的因素滚动摩擦 材料摩擦磨损 第四章材料的摩擦 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 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 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 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 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 塑性变形深度 材料的屈服强度越高 载荷越小 塑性变形深度越浅 塑性变形量随深度的分布是变化的 一般有两种情况 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 K K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 由于具体的工况不同 上述三种因素的作用效果也有差异 从而白层形态也有差别 越是活动的摩擦副和载荷越大 越容易形成白层 白层出现在擦伤底部 在摩擦表面呈白亮块状 在磨屑组织中也曾观察到白层 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30 120 m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 这是多数人的意见 b 主要是奥氏体 原因是塑性变形使奥氏体稳定化 c 奥氏体与马氏体共格存在 即白层是奥氏体与马氏体伪平衡系统 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 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 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 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 18 Si 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 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 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和氢键的作用力 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 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 摩擦明显取决于