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摩擦学基础知识 摩擦最简单的定义 两个接触的物体 在相互运动时所发生的阻力 摩擦的大小用摩擦系数 表示 值等于摩擦力F 切向力 与法向力N 载荷 的比值 即 F N早期 人们认为摩擦系数是一种材料的常数 但近年来 发现它并非材料的属性 而是受润滑条件 固体材料 环境介质 工作参数等一系列因素的影响 能在很大范围内发生变化 1 摩擦学基础知识 摩擦力是指两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动 或具有相对运动趋势 时在接触面间产生的切向运动阻力 摩擦力方向沿接触面的切线方向 与物体间的相对运动或相对运动趋势相反 阻碍物体间的相对运动 摩擦造成大量能耗 世界能源的1 2 1 3消耗在克服摩擦上 摩擦使相对运动的零件表面发生磨损 导致配合间隙增大 影响机器的精度 寿命和可靠性 摩擦使摩擦副工作温度升高 将发生咬死 或过热使润滑剂失效 加剧磨损 2 摩擦学基础知识 降低摩擦 减少磨损的措施 用滚动摩擦代替滑动摩擦 以润滑或固体润滑代替干摩擦 以减摩合金代替一般金属等 摩擦的好处 摩擦带来的有效应用 3 4 摩擦的益处 如摩擦传动 离合器 制动器 火车和汽车的驱动轮 螺栓和螺母之间的摩擦紧固等 5 摩擦学基础知识 一 摩擦的分类 一 按摩擦副的运动状态分 1 静摩擦 一个物体沿着另一个物体表面有相对运动趋势但无相对运动时产生的摩擦 静摩擦力大小随作用于物体上的外力而变化 当外力克服最大静摩擦力时 物体才开始宏观运动 2 动摩擦 一个物体沿着另一个物体表面有宏观相对运动时接触表面间的摩擦 这时的摩擦力就是动摩擦力 请依次举出静摩擦和动摩擦的实例 6 摩擦学基础知识 一 摩擦的分类 二 按摩擦副的运动方式分 1 滑动摩擦 两物体接触表面作相对运动 或具有相对滑动趋势 的摩擦 2 滚动摩擦 一物体在力矩作用下沿着另一个物体表面滚动时接触表面间的摩擦 7 摩擦学基础知识 三 按摩擦副的表面润滑状况分 1 无润滑摩擦 干摩擦 这种摩擦常用于制动器 摩擦传动和纺织 食品 化工机械的部件 从污染或安全考虑 不允许使用润滑剂 以及在高温下工作的机械部件 这种摩擦具有分子和机械的特性 即在实际接触面积上作用着分子引力 其作用距离比晶格中原子间距大几十倍 并随温度上升而增加 分子引力可以引起局部的粘着 粘着力与实际接触面积成正比 施加的载荷通过实际接触面积影响粘着力的大小 8 摩擦学基础知识 分子力都垂直于表面 在表面发生切向位移时不会作功 但由于发生了粘着 切向位移会引起材料的变形 要消耗一定能量 即必须施加较大的切向力 才能造成位移 因此 摩擦力F决定于分子的和机械的作用 F a Ar b P式中 a为摩擦力分子作用分量的平均强度 Ar为实际接触面积 b为反映摩擦力机械作用分量的系数 P为载荷 9 摩擦学基础知识 摩擦系数 F P F a Ar b P所以 a Ar P b这个表达式对无润滑和有润滑的摩擦都适用 在摩擦力中 机械作用分量 由塑性变形所引起 一般比较小 占百分之几 摩擦系数主要由分子作用分量决定 如果在金属表面存在氧化膜 水分或污染物 它们之间的分子引力比清洁金属表面会成百倍下降 使摩擦系数显著降低 10 摩擦学基础知识 2 边界润滑摩擦在边界润滑状态 两接触表面被一层很薄的油膜隔开 可从一个分子层到0 1 m 这个边界层或边界膜可使摩擦力降低2 10倍 使表面磨损显著减少 所有油类都能在金属表面上吸附 但吸附膜的强度决定于其中是否存在活性分子 以及它们的数量和特性 虽然一般矿物油由非活性的碳氢化合物组成 但除去超纯的矿物油外 其中总会含有一些有机酸 树脂或其它表面活性物质 因此 几乎所有润滑油都能在金属表面形成小于0 1 m厚 准晶态的 并与表面有一定结合强度的边界膜 11 摩擦学基础知识 2 边界润滑摩擦在载荷作用下 实际接触表面会发生弹塑性变形而使微凸体互相挤入 滑动的阻力来自边界膜的剪切和互相挤入微凸体 耕犁 作用的抗力 此外 在某些遭受最大塑性变形 或产生局部高温的接触点上 可能引起边界膜的破坏 导致金属的直接接触 增加滑动的阻力 12 摩擦学基础知识 边界膜必须具有较高抗压强度和较低剪切强度 才能起润滑作用 可采用石墨 MoS2和软金属作为固体润滑膜 软金属常用材料是铅 锡 铟等 它们都具有很低的剪切强度 13 思考题 请从晶体结构的角度解释具有固体润滑特性的原因 14 摩擦学基础知识 石墨 MoS2都具有六方结构 沿c轴的晶格常数均大于a轴 因此层与层原子间结合强度低于层内原子间结合强度 层与层之间剪切强度较弱 具有层状结构的常用固体润滑材料 15 摩擦学基础知识 3 流体润滑摩擦流体润滑的特点是摩擦表面完全被油膜隔开 靠油膜的压力平衡外载荷 油膜厚度越大 固体表面对远离它的油分子影响越小 在流体润滑中 摩擦阻力决定于润滑油的内摩擦 粘度 这种摩擦条件具有最小摩擦系数 从节能 延长寿命和减少磨损考虑 流体润滑摩擦是最理想的条件 摩擦力也与接触表面的状况无关 16 摩擦学基础知识 在润滑油中的表面活性分子吸附在固体表面形成单分子层 边界层 微紊流区 层流区 见右图 为实现流体润滑 最小油膜厚度必须不小于两接触表面轮廓高度算术平均值之和 同时还要考虑在载荷作用下表面的变形程度 零件加工与装配的误差 以及润滑油中出现硬杂质的可能性 油膜有足够厚度才能避免金属直接接触 17 摩擦学基础知识 二 摩擦的机理 一 早期摩擦理论 最早提出摩擦基本概念的是15世纪的LeonadodaVinci 1452 1519 他的著名假说启发了法国科学家Amontons进行大量摩擦的试验研究 于1699年发表了他的试验结果 发现摩擦力总是等于法向载荷的1 3 而与摩擦表面的面积无关 后来Coulumb于1785年 继续进行了仔细的试验研究 不但肯定Amontons的结论 而且发展了他的工作 18 摩擦学基础知识 由这些初期研究中得出的摩擦规律 可概括为以下几个摩擦的基本定律 第一定律 摩擦力与两接触体之间的法向载荷成正比 F P或F P式中 称为摩擦系数 第二定律 摩擦系数与两接触体之间的表观接触面积无关 第三定律 摩擦系数与滑动速度无关 19 摩擦学基础知识 这些基本定律经历了许多年 一直到近代没有重大修改 因而理应承认它们是能够成立的 但是根据后来的研究 发现这些定律在很多情况下是不正确的 例如第二定律 摩擦系数与两接触体之间的表观接触面积无关 仅对有一定屈服点的材料 如金属 才能成立 它不适用于弹性及粘弹性材料 第三定律 摩擦系数与滑动速度无关 则完全不适用于任何材料 20 摩擦学基础知识 用于阐明干摩擦特性的早期摩擦理论主要是 1 机械联结理论1699年Amontons和delaHire提出 金属的摩擦可能是由于粗糙表面的微凸体之间的互锁作用所引起 这个理论对静摩擦的存在作了解释 同时它把动摩擦解释为使上表面的微凸体越过下表面微凸体所需的力 21 摩擦学基础知识 2 分子吸引理论1929年Tomlinson及1936年Hardy先后提出 当一种材料的原子从它们的配合表面上的吸力范围内被拉出时 要消耗一定能量 构成了摩擦力 后来的研究认为 摩擦是由于分子运动键的断裂过程所引起 在这个过程中 由于表面及次表面分子周期性地拉伸 破裂及松弛 导致能量的消耗 22 摩擦学基础知识 二 焊合 剪切及犁削理论比较新的摩擦理论是Bowden和Tabor于1950年提出 即焊合剪切及犁削理论 当接触表面相互压紧时 它们只在微凸体的顶端接触 由于接触面积很小 微凸体上的压力很高 足以引起塑性变形和 冷焊 现象 这样形成的焊合点因表面的相对滑动而被剪断 这一部分力量构成摩擦力的粘着分量Fadh A S式中 A为剪切的总面积 S为焊合点的平均剪切强度 23 摩擦学基础知识 除焊合 剪切外 较硬表面的微凸体对较软材料会造成犁削作用 它构成摩擦力的犁削分量Fpl 总的摩擦力F Fadh Fpl A S Fpl大多数情况 Fpl与Fadh相比很小 可忽略不计 则F A S F P A S A p S p式中p为材料的屈服压力 A为剪切的总面积 S为焊合点的平均剪切强度 24 摩擦学基础知识 三 摩擦的能量理论固体之间的摩擦是非常复杂的表面物理化学现象 一些简单的摩擦理论 只能解释局部的个别的现象 而且多数是单纯从力学角度进行研究 而没有考虑到摩擦过程中可能产生的各种物理的 化学的 电学的 热学的等等现象 近年来 发展了摩擦的能量理论 即从能量平衡的观点综合分析摩擦过程 这个理论目前不够成熟 还只限于定性分析 25 摩擦学基础知识 右图表示一个摩擦过程中能量转化的框图 在摩擦过程中 输入的能量总是大于输出的能量 损失的能量即相当于摩擦过程中力学的 物理的和化学的变化能量消耗的总和 26 摩擦学基础知识 在金属的摩擦中 主要的能量消耗在塑性变形过程中 由裂纹的形成 扩展及新表面的形成所消耗的断裂能量 只有在磨损过程中才是主要的 二次过程能量一般所占比例较小 因此研究摩擦过程中的塑性变形规律及其影响因素 是深入摩擦现象本质的一个重要问题 27 摩擦学基础知识 三 摩擦系数及其影响因素 一 摩擦系数与这些材料参数有关 晶粒度 晶体结构 各向异性 硬度 层错能 弹性模量 28 摩擦学基础知识 三 摩擦系数及其影响因素 一 摩擦系数与材料参数有关1 晶体结构具有密排六方结构的钴 表现出较低的摩擦系数 当在高温转变成立方结构时 摩擦系数迅速上升 实验证明uhex ufcc ubcc2 晶体的各向异性同一种金属 在不同的晶面和晶向会表现出不同的摩擦系数 如在真空中钨对钨的摩擦系数在 110 面为1 33 在 210 面为1 90 在 100 面为3 00 29 摩擦学基础知识 3 晶粒度晶粒越细 摩擦系数越低 这可能与晶粒度对材料硬度的影响有关 随硬度提高 摩擦系数下降 4 层错能层错能决定了材料位错交滑移的难易程度 层错能越高 交滑移和攀移越容易进行 摩擦系数越低 5 弹性模量它是拉伸金属内部结构所需应力的度量 原子之间结合力越强 弹性模量越大 摩擦系数也就越低 30 摩擦学基础知识 6 材料强度与硬度强度与硬度越高 塑性变形抗力越大 越不容易在接触点形成焊合 摩擦系数也越低 除去材料参数外 大量试验证明 摩擦系数还受到很多其它因素的影响 如化学环境 载荷 速度 润滑条件 温度等等 所有这些表明 摩擦现象是一个非常复杂的系统问题 摩擦系数并非材料的属性 认为摩擦系数是个常数 只有当材料及其它条件完全固定情况下才成立 31 摩擦学基础知识 二 摩擦系数的影响因素1 接触点的生长 接触面积生长 切向力的效果 造成摩擦系数上升 但受污染层限制 主要是摩擦初始阶段 32 摩擦学基础知识 2 表面膜的存在大多数表面污染都是由于暴露在空气中的金属表面上迅速生成的氧化膜所构成 因此金属之间的接触 实际上是被氧化膜所隔开 除去氧化膜外 还可能形成表面的气体吸附膜和润滑油吸附膜 在油润滑条件下 由于吸附油膜的存在 实际发生金属与金属接触的面积只占真实接触面积的一部分 33 摩擦学基础知识 3 润滑油粘度 润滑油的粘度越高 摩擦系数越低 因为粘度越高 油膜厚度越大 使剪切应力集中在油膜内 金属微凸体之间接触减少 摩擦系数下降 34 摩擦学基础知识 4 载荷 一般来说载荷增加 摩擦系数上升 35 摩擦学基础知识 4 载荷 载荷增加 油膜厚度减少 吸附层及氧化层受到压缩 金属表面层发生加工硬化 微凸体变平 使接触面积增大 结果使摩擦系数上升 但这个趋势只在一定的载荷条件下存在 当载荷再增大时 摩擦系数不再增加 36 摩擦学基础知识 四 摩擦引起的各种效应 一 温度效应金属在互相摩擦过程中 由于产生弹性变形 特别是塑性变形 将消耗很大的能量 而这些能量至少有90 转变成热 如果这些热量保留在金属表面层 则瞬时温度可以达到相当高的程度 因为金属的加工表面都具有一定的粗糙度 实际的接触面积只分布在少数微凸体上 因此在微凸体处将发生更大程度的塑性变形和断裂 出现更高的能量集中 从而形成比整个表面层更高的温度 为了区分这两种情况 一般把表面层的温度称为平均温度 把微凸体处瞬时 10 6 10 3s 形成的温度称为闪温 37 摩擦学基础知识 在接触表面能够达到的最高温度可以用平均温度与闪温之和表示 TT TM TF接触表面摩擦温度的形成和变化 常常是和磨损现象的发展和转化密切联系在一起的 特别是粘着磨损 右图是灰铸铁与17Cr不锈钢在大气中干摩擦时 磨损速率与温度之间的关系 从图中可见 在闪温达到 300 时 出现最大磨损速率 38 摩擦学基础知识 因此摩擦温度是反映磨损现象的一个十分敏感的效应 利用两者的对应关系 可以通过测量接触温度的变化来监控磨损过程的发展 另一方面 摩擦温度的形成必然会影响表面层的组织结构及其性能 如果温度高到相变点以上 则会引起表面层组织的相变过程 39 摩擦学基础知识 在一般钢铁材料中 在磨损表面形成的 白层 就是相变的产物 既使在温度不太高 低于相变点的情况下 也会引起回火软化 回复再结晶等过程 使材料性能发生变化 到现在为止 很多磨损理论涉及到材料的力学性能时 使用的都是常温条件下的性能数据 这显然是个极大的误差 由于摩擦温度的作用 必然会显著地影响磨损机制的变化 软材料所以能磨损硬材料 不考虑摩擦温度的作用是无法理解的 40 摩擦学基础知识 除去对材料性能的影响以外 摩擦温度的变化 还会影响润滑油的性能及润滑条件 从而改变总的摩擦磨损状态 鉴于摩擦温度在研究摩擦与磨损机理方面的重要作用 各国的摩擦学工作者都对摩擦温度的测量技术给予了极大的重视 进行了大量的工作 但这个任务是非常困难的 因为表面的最高温度是在极小的微凸体上接触时瞬时产生的 要能精确地测出闪温 必须设计制造出一种高灵敏度的 精细的而本身又不被磨损 或虽然被磨损 但不影响测量结果 的传感器 但到目前为止 这种传感器还在研究探索之中 41 摩擦学基础知识 现在大量应用的测温方法 实际上都是用于测量表面平均温度 主要包括热电偶方法 红外线方法等 由于测量误差的存在 测出的温度数据彼此差别很大 鉴于测温的困难 很多人企图用理论计算的方法来求出闪温 有的是根据传热学的理论推导出来 有的是根据经验公式 但因为影响摩擦温度的因素太复杂 计算结果出入相当大 这些计算公式的验证 还有待于准确的测温技术的实现 随着测量技术的提高 及表面层组织结构变化分析定量化的实现 以及两个方面的互相补充 将有可能获得真实的摩擦温度 这将对摩擦理论及磨损机理产生重大影响和带来新的突破 42 摩擦学基础知识 二 冶金效应大量的金相研究证明 金属表面层的塑性变形是滑动摩擦的普遍现象 下图为45号钢表面塑性变形层截面的扫描电镜形貌及其示意图 可见在塑性变形区中靠近表面的部分形成一个高度变形层 显微组织强烈细化 取向性显著提高 其流线几乎与表面平行 在经过大距离的滑动摩擦后 表面变形层会达到稳定状态 即高度变形层的厚度趋于恒定 43 摩擦学基础知识 在塑性变形层的微观结构分析中 会发现位错结构的剧烈变化 如对低碳钢的摩擦表面层进行透射电镜薄膜样品的观察 可看到不同深度处的位错结构 摩擦前原始材料的位错 数量很少且分布均匀 摩擦后在15um深度的位错结构已发生明显变化 可看到很多高位错密度的窄带 在8 10um深度处位错的胞状结构已开始形成 在5um深度处胞状结构已完全形成 胞的尺寸约为1 3um 在最表层的位错胞尺寸还要小一些 而且沿滑动方向被拉长 甚至发生碎化 在周期运动中 这些位错胞壁将形成应力集中 特别是与滑动方向垂直的那些胞壁 这些区域将在循环载荷作用下产生微裂纹 成为疲劳磨损的根源 44 摩擦学基础知识 如果同时考虑到摩擦过程的温度效应 则可以想象 塑性变形所引起组织结构及性能变化必然受到摩擦温度的影响而发生回复再结晶过程 对这种综合效应在摩擦表面层的组织与性能方面造成的效果还很少进行研究 但这对于摩擦与磨损机理的研究是一个十分重要的问题 45 摩擦学基础知识 对一般钢铁材料 滑动摩擦可能引起表面层组织结构变化的另一个典型现象 就是形成 白层 结构 它的一般特征是具有相当高的硬度 可达700 1200HV 耐腐蚀 在制备金相试样时 用一般的腐蚀液很难被腐蚀 因呈现白色 故称 白层 其厚度根据摩擦条件可以从几个um到100um不等 这种现象并不限于摩擦表面 在喷丸强化 磨削加工 电火花切割 激光处理后的表面 以及长期使用的铁轨接头处都会形成 46 摩擦学基础知识 在摩擦过程中 特别是干摩擦 在微凸体接触区域的温度可能超过相变点 表面层存在的温度梯度将促进新相形成的过程 同时摩擦过程还会引起元素的扩散 这些都将促进相变过程的加速进行而形成白层结构 关于白层的组织结构及其高硬度的原因还存在很多争论 如有以下一些观点 1 由于激热激冷 形成了超细晶粒的淬火马氏体 2 与环境介质作用 吸收了氧与氮形成一定数量的氧化物与氮化物 3 与润滑油作用 吸收了碳形成了较多的碳化物 但多数人认为白层结构主要是马氏体 奥氏体 碳化物三者的混合物 这已为大量的电镜与X射线分析所证实 47 摩擦学基础知识 整个白层不一定是一层均匀的组织 还可能出现层状结构 这种情况决定于相变完成的程度 与摩擦条件有密切关系 重要的是必须建立充分的温度及变形条件 不能保证这个条件 相变过程不能充分进行 就可能出现层状结构的过渡状态 白层结构具有高硬度是肯定的 但它对摩擦与磨损的作用还有待于研究 如白层是在摩擦过程中形成 还是在停止摩擦之后才形成的 如果属于后者 则在摩擦过程中金属表面处于奥氏体状态 它对摩擦与磨损的影响就会是另一种情况 再有白层是否都能形成一层均匀等厚的组织 如果是不均的 是否会引起较大的残余应力或应力集中等 48 摩擦学基础知识 三 化学效应在摩擦过程中 表面层的化学组成会发生显著的变化 虽然这个薄层很薄 甚至只有几个纳米的数量级 但它对材料的摩擦与磨损却起了十分重要的作用 化学成分的变化主要来自以下几个方面 金属与气体 金属与润滑剂 金属与金属 49 1 金属与气体之间的相互作用这种相互作用可能有三种基本形式 物理吸附 化学吸附及化学反应 物理吸附是靠分子之间引力形成的 具有比较弱的结合键 化学吸附和化学反应都可以形成比较强的结合键 由于表面吸附了气体 一般都会使摩擦系数降低 降低的程度因不同气体而异 在H2 02 CO2 H2S等气体中以氧的作用最显著 所以人们常称之为天然润滑剂 50 摩擦学基础知识 2 金属与润滑剂之间的相互作用大部分润滑剂用的是矿物油 其分子结构一般是氢与碳原子连接成的长链 51 摩擦学基础知识 润滑