润滑油及其工艺教学第二章摩擦学基础

第二章摩擦学基础,机械的润滑是为了降低两个相对运动的接触表面（简称摩擦副）间的摩擦及磨损。良好的润滑能提高机械效率；保证机械长期可靠的工作；节约能源。润滑不良的机械，轻则功率降低，磨损增大，重则使机械损坏。从节约能源的角度来看，润滑工作的意义是很重要的。据估计，世界能源的30-50%，最终以各种不同形式的摩擦消耗掉。因此，改进润滑工作，降低机械的摩擦损失，对节约能源的作用是巨大的。润滑是为了降低机械的摩擦和磨损。为了弄清润滑的原理，必须对机械表面的性状摩擦和磨损的情形进行研究。,第一节摩擦,互相接触的物体相对运动时产生的摩擦现象，在生产实践中早被人们认识到。1699年，法国工程师埃蒙顿（Amonton)归纳了两条有关摩擦的基本定律摩擦与两物体的接触面的大小无关；摩擦阻力与垂直负荷成正比根据此定律得出摩擦力与负荷的关系FWF=fW（）称为摩擦系数。,埃蒙顿库仑定律,1785年法国物理学家库仑(Coulomb)证实了埃蒙顿的定律是正确的，并增加了第三条内容在动摩擦中，摩擦阻力与滑动速度无关。上述摩擦定律又称为埃蒙顿库仑定律。在一定条件下，摩擦系数是一常数，如两块钢材在空气中的摩擦系数约为0.6，石墨与石墨的摩擦系数在不太干燥的空气中约为0.1，而在很干燥的空气中超过0.5。,埃蒙顿库仑定律的缺陷,埃蒙顿阐述的摩擦定律，是根据当时的实验结果建立的，直到现在还能在较大范围内适用。但由于当时技术条件的限制，不能对摩擦表面进行细致的观察，因而他的结论不够确切，并使对产生摩擦的原因在较长时间内得不到正确、全面的认识。随着科学技术的不断发展，在实际工作中出现了与摩擦定律相矛盾的现象，较明显的是对于非常光滑、洁净的表面，摩擦力是与接触面积成正比的；当滑动速度较大时，摩擦阻力会下降。此外，还发现对于光滑表面，摩擦阻力随着表面的光洁度的提高而变大。这与过去解释产生摩擦阻力的说法是矛盾的,埃蒙顿库仑定律的缺陷,过去认为产生摩擦阻力的原因是物体表面凸凹不平而引起的（凸凹说）。阿蒙顿建立摩擦定律时，未发现这些问题，是受到当时技术条件的限制。实际上摩擦阻力是与真实接触面积有关的。所谓摩擦力与接触面积无关是指的表观接触面积（或称名义接触面积、几何接触面积）。摩擦现象是产生在两个摩擦表面之间的，它与摩擦表面的相互作用有着密切的联系。因此，要正确认识摩擦定律，了解产生摩擦的真正原因，必须了解金属表面的性状,一、金属表面的性状,1、金属零件表面的形貌即使加工很光滑的零件表面，在显微镜下观察也是凸凹不平的，有如地球表面的地貌一样，布满了高山深谷零件表面的这种凸凹不平的几何形状，称之为表面形貌。表面上凸起处称为波峰，凹下处称为波谷。相邻的波蜂与波谷间的距离称为波幅，相邻波峰与相邻波谷间的距离称为波距（或波长）。,金属零件表面的形貌,对于个别微凸体来说,它的高度可能低于或高于平均值。对摩擦、磨损、润滑有影响的主要是那些较高的微凸体。例如，要是油膜将两摩擦表面完全分开时，油膜厚度必须比两表面的算术平均粗糙度大若干倍。,、金属表面层的结构,金属加工零件的表面层是由不同物质的薄层构成的,其性质与金属零件材料的基体不同.金属零件表面一般覆盖着3-4层不同物质。最外面的一层是脏污物质如手汗油污、灰尘等，其厚度约为300A；第二层是吸附分子膜,是从周围大气中吸附来的气体、液体分子，厚3-30A；第三层是氧化层，是金属表面与空气中的氧化合而成的,厚度为100-200A。第四层是加工变质层,约厚10000A，再下面就是金属的基体.,金属表面层结构,加工变质层是金属零件在加工过程中,表层受到车削/研磨等机械加工作用而熔化、流动，最后冷却，沉聚在冷的金属基体上,形成一不定形结构或是微晶结构的硬化层。变质层下面才是未曾受到影响的基体.,从以上所述看出，金属零件的表面是不平滑的，有凸峰及凹陷将其放大以后观察，犹如高低不平的山丘、壕谷，分布在起伏的大地上丘岭、壕谷的高低程度用粗糙度表示，粗糙度的大小由加工方法决定，加工越精细，粗糙度越小这些表面上的不同高度的微凸体，在表面上的分布密度是服从正态分布定律的此外，金属零件的表面是一多层结构。金属零件在加工过程中，表面的晶体发生变化，形成一硬化层，在与空气接触时形成氧化。这些情况对金属零件的摩擦、磨损、润滑都有重大影响。,二、真实接触面与负荷的关系,古典的摩擦定律认为摩擦阻力与正压力成正比，而与接触面积无关，如：阿蒙顿定律，F=W。实际上摩擦阻力是与真实面积有关的如前所述，金属零件的表面是按正态分布布满了高低不平的微凸体两个金属表面接触时，首先接触的地方是最高的一些微凸体最初由于接触点少，接触处的压力就非常大，接触点产生弹性变形，如果压力值超过材料的屈服强度极限，触点就会产生塑性变形，两者的效果都会使接触处的面积增大前人对金属接触面与负荷的关系的研究结果表明，当金属表面的微凸体是按高斯定律分布时，无论是弹性变形还是塑性变形，真实接触面与负荷成正比，即：,实际上，大部分经过机械加工的金属表面的微凸体高度分布都接近于高斯定律，因之实际接触面积与负荷是成正比的，即：（）真实接触面上的平均压力为：（）由式（）知，即常数，这说明，负荷增大时，两摩擦面的接触面积增大了，而平均压力不变,另外，粗糙表面的平均微观接触面积也为一常数，即：常数为接触总面积，为接触点的数目，为一微凸体的平均真实接触面积。上式说明当负荷加大时，总的真实接触面积的增加是由于接触点数目增多了，而不是每一触点的面积增大，每一触点的平均接触面积是接近不变的真实接触面积与表观接触面积之比是很小的，它随着压力的变化而变化。如在钢的接触中，当20cm2表观面积上受的负荷为20N时,真实接触面积与表观面积之比为10万分之一；负荷为200N时,真实接触面积与表观面积之比为万分之一。,三、摩擦机理,了解金属表面的性状和负荷与真实接触面的关系，是为了研究产生摩擦的原因以及减少摩擦和磨损的方法。现在首先讨论产生阻力的原因。关于产生摩擦的原因，有多种说法。目前对于宏观范围的金属摩擦现象，多数人认为粘附理论较为合理。,粘附理论,粘附理论认为金属表面间的摩擦首先是在接触点发生了粘结当两表面相对运动时，必须要有足够大的切向力来剪断这些粘结点；另外，较硬的金属表面的微凸体会在软的金属表面上犁出沟来。粘结和犁沟就是引起摩擦的原因，剪断粘结点和犁沟时所需的切向力就是用来克服摩擦阻力的,粘附的形成,两摩擦面间在一些部位之所以会发生粘附，是因为金属表面压在一起时，仅微凸体的尖端相互接触，由于接触处的面积很小，触点之间的应力很大，大到足以引起接触处的材料产生塑性变形。在接触处产生塑性流动时，摩擦表面的油污等薄膜和氧化层被破坏，暴露出洁净的金属表面。当洁净的金属表面接触时，表面的原子间会形成较强的金属键结合，出现了两表面金属材料的粘附。,粘附力的存在已被实验所证实。(用一洁净的钢球压在洁净的铟的表面上，二者就会粘附在一起，要用力才能拉开。压紧时用多大的力，拉开时也用多大的力）粘附力与垂直载荷成正比，二者的比例常数约为。两个摩擦表面之间出现的这种粘附力的作用范围很小，约在几个之内，所以只有在洁净的金属表面，或是表面严重变形，特别是被剪应力破坏后，使金属表面的原子直接接触时，才可能出现粘附。上述金属与金属紧密接触的表面发生的材料的粘附，有人称之为冷焊或粘着等如果表面受到切向力的作用而发生移动时，先要剪断这些焊接起来的点才能发生相互运动。,第二节润滑的基本概念和分类,两个物体接触，在没有润滑剂存在时,发生相对运动后其摩擦系数很大，这是因为变形的微凸体之间，由于分子力发生粘着(adhesive)，将粘着的微凸体分开要花费一定的力才能使表面维持相对运动状态，所以在没有润滑剂存在的干摩擦的情况下,摩擦系数很高，其数值在0.2-0.3以上。这时，磨损也比较严重。润滑就是通过润滑剂的作用，将摩擦付用润滑剂的液体层,或润滑剂中的某些分子形成的表面膜将摩擦付的表面隔开,这时变干摩擦为液体摩擦，其摩擦系数很小,在0.001-0.005之间。这时，磨损也大为减轻。下面讨论各种类型的润滑。,流体润滑可分为液体动压润滑、液体静压润滑和气体润滑。气体润滑是用空气、氢气、氦气等作润滑剂。液体静压润滑是利用外部设备，向摩擦表面间供给一种具有压力的液体将两摩擦表面分开，并由液体的压力平衡外载荷。液体动压润滑则是由摩擦面间的相对运动，使收敛形缝隙中的粘性液体产生压力用以平衡外负荷,并使液体形成足够厚的油膜将两摩擦表面完全隔开。液体动压润滑又包括一般载荷下的情形即流体动力润滑和重载荷下的弹性流体动力润滑，此外还有边界润滑。流体润滑的主要优点是摩擦阻力小。,一、流体动力润滑,在运动的部件之间形成液体润滑层将摩擦付表面完全隔开叫流体动力润滑，也是最理想的润滑。但是形成流体动力润滑是有条件的,不是在所有的情况下都能形成流体动力润滑。流体动力润滑是利用粘性液体能牢固地粘附在机械表面，机械运转时,液体被带入机械间隙中的作用实现的.当机械表面的间隙呈收敛形时,进入间隙中的液体压力会逐渐增大,当液体的粘度和机械的转速、负荷、间隙等配合恰当时,在液体中就会产生较高的压力，使两个摩擦面分开。也就是说,液体动力润滑不需借助外在力量，而靠部件本身运动，在摩擦表面间建立一高压油膜，使摩擦面分开，减少机械表面间的摩擦和磨损。,轴承示意图,当轴静止时,轴上的负荷使它紧紧地贴在轴承的下部，此时轴和轴承之间并没有液体层形成。当轴开始转动，轴沿着轴瓦向上移动。当轴转动起来以后，它带动油以相同的方向移动，这样油就从较宽的缝隙挤入较窄的缝隙，形成油锲力。当油锲力大到足以克服轴的负荷时轴被升起,这时轴和轴承间形成液体层,这种润滑就是流体动力润滑。,油锲力的大小与液体的粘度和轴承的转速有关。粘度越大，转速越快，油锲力也越大。这是有利于形成流体动力润滑的条件。负荷增加，则需要更大的油锲力才能形成流体动力润滑，所以这是不利的因素。对于具体的机械，转速和负荷都是既定的因素，只能选择润滑油的粘度，使它能满足形成液体润滑的条件。从以上的讨论可以看出，高速低负荷的机械，使用粘度较小的润滑油，慢速高负荷的机械则需要粘度大的润滑油。,流体动力润滑形成条件,从上述讨论可以看出，粘度、轴的转速和负荷是决定轴和轴承能否形成流体动力润滑的三个因素。三者联系起来可用轴承特性因数C来表示C=NP-润滑油的粘度，cP；N-轴承转速，转分;P-轴单位投影面积上的负荷，公斤厘米2。经验表明，C的数值达到500-600时即能保证可靠的流体动力润滑。,混合润滑和边界润滑的出现,流体动力润滑并不总是能够形成的。当摩擦付的几何形状不利，速度小,油的粘度低,负荷过大等都会使流体动力润滑膜不能形成或不能完全形成。例如C值减小到一定程度时,流体动力润滑膜的厚度不足以将两个表面隔开,微凸体开始接触，这时在部分表面上保持流体动力润滑膜,部分表面发生接触，而且接触是间断的.这时叫做混合润滑。当接触变为连续时,叫做边界润滑。,司垂帕克曲线,司垂帕克曲线是NP和摩擦系数关系的曲线。曲线的右方,即NP足够大时形成了流体动力润滑。这时液体膜的厚度足以将固体表面隔开，即hR,没有微凸体的碰撞,完全为液体润滑。这个区域为流体动力润滑区(右面曲线的右方).可以看出一旦形成流体动力润滑以后，再增加NP的数值，例如增加粘度，是没有好处的,因为这将使摩擦系数f加大,在运动中要增加阻力。,第二个区域在图中两条虚线的中间，属混合润滑区。在这个区域内随着NP数值的减小，f值迅速增加。这是因为当NP值小到左面虚线处,开始发生微凸体间的接触。这时摩擦系数由两部分组成，一部分是固体摩擦(或有边界膜存在)的摩擦系数，一部分是液体间的摩擦系数。众所周知,前者比后者大的多。所以当NP的数值减小时固体接触的分额增加，摩擦系数急剧上升。第三个区域为边界润滑区。当NP小到一定程度时,微凸体发生连续的接触，这个区域叫做边界润滑区。这时固体靠金属表面吸附的极性物质润滑，其摩擦系数决定于吸附膜上的性质，理论上不受NP值的影响。,二、弹性流体动力润滑,在以上讨论的流体动力润滑区域内,滑动轴承两摩擦表面的几何形状比较吻合，两表面传递的压力不高,没有考虑到压力对材料和润滑油的影响，两表面是靠油锲力建立起的油膜将摩擦付表面隔开，这只有在轻负荷下才是可能的。例如一般颈轴承负荷只能在70kgcm2以下才能维持流体动力润滑。,但是还有一种情况，在齿轮、滚动轴承等零件中,两摩擦面的几何形状差别很大，实际接触面较小,因此承受的压力也较高。如象所谓线接触的齿轮和点接触的滚动轴承，它们的接触面积仅为滑动轴承的千分之几,接触面的平均压力高于滑动轴承的上千倍。在很高的压力下,材料产生的弹性变形和使润滑油粘度增大的影响便不能忽视。在较大压力下,考虑到压力对零件弹性变形和润滑油粘度影响的润滑称为弹性流体动力润滑(Elastohydrodynamiclubrication,简称EHD)。例如滚球、滚柱和齿轮等都属于这种情况。,1、负荷对接触面的影响,齿轮和滚动轴承在高负荷下接触处会形成一有限的表面，接触表面的面积随负荷的增大而增加。即使在负荷不大的情况下，滚动元件接触压力就超过690MNm2，特别是滚珠轴承，在负荷很小的情况下就可以达到这样高的压力。在高压力下材料会产生弹性变形，滚珠的接触处形成一小的椭圆形接触面,滚棒的接触处形成状似长方形的接触面。这个小的接触面保持住了油膜，并承担了零件传递的负荷。,如果将滚棒与轨道的接触面放大来看，接触面之间由于材料的弹性变形已非原来的形状，而变成一平面。这个接触面通常称为赫兹区(弹性接触问题首先由赫兹在1881年解出,故称之为赫兹接触)。赫兹区的宽度与材料的性质及负荷的大小有关。在接触区的中央压力最大，在边缘上的压力为零。赫兹压力是接触表面发生弹性变形时的弹性压力。在滚动轴承或齿轮中产生的赫兹压力甚高，最大值能达1.4109N/m2。,赫兹区的形成,在赫兹接触条件下,接触面是平的。离开接触区,两表面就逐渐分开，距赫兹区越远,分开的距离就越大。在弹性流体动力润滑中，润滑油首先进入收敛区,再进到平面区,然后从扩散区流出。弹性接触面的这种形式，有利于润滑油在收敛区产生较高的流体动压，造成了液体薄膜进入赫兹区的先决条件。,2、负荷对润滑油粘度的影响,高压力的另一重要影响是使润滑油的粘度变大。粘度与压力的关系可用指数函数表示0eP式中为压力P时的粘度，0为在大气压下的粘度，为粘压系数，其值随润滑油而异。当值大时,润滑油的粘度随压力的增加而增大得很快，反之，则增大的较慢。环烷基润滑油的粘度在压力增加时比石蜡基的上升的快。,粘度是衡量流体流动阻力的,粘度越大润滑油越不易流动，也就越不易从摩擦表面间挤出,可以想象的到,如果润滑油的粘度在高压下增大到数千,甚至数万mPa.s，那么，摩擦面之间的油膜将不易被挤出,在摩擦面之间始终保持有连续的油膜，防止了高负荷摩擦表面的直接接触。必须引起注意的是,压力同时作用于润滑油粘度和表面变形所引起的共同效果，远远比单独作用于其中之一所引起的效果大。,在弹性流体动力润滑中，由于在很高压力下粘度的增大和表面变平的联合作用，产生了增效应，使摩擦表面间得以保持住足够厚的油膜，在油膜中产生较大的压力，足以和赫兹压力抗衡,保证了油膜不被挤出，防止了机件表面的磨损。,三、边界润滑,在液体动压润滑中，润滑油膜有效地隔开了两摩擦面,由于表面不直接接触，因之就不出现粘附磨损和磨料磨损，摩擦阻力的大小仅由润滑油的粘度决定。但是液体动压润滑必须在润滑油的粘度与运动零件的转速、负荷配合适当的条件下才能实现。在负荷增大或粘度、转速降低、粗糙度太大的情况下,液体动压油膜将会变薄，当油膜厚度变薄到小于摩擦面微凸体的高度时,两摩擦面较高的微凸体将会直接接触，其余的地方被一到几层分子厚的极性吸附油膜即边界膜隔开，由这层边界膜提供的润滑叫边界润滑。,边界膜在日常生活中是经常碰到的,只是容易被忽略罢了。例如新加工的金属表面会立即被周围环境中的气体、液体所覆盖，或是经过一段时间，在表面生成一层氧化膜,当金属表面有油污,在用干净的布擦静时,实际上金属表面仍然留下一层边界膜边界膜的厚度是以几个分子层计,所以一般用肉眼是看不出的,但是，它的影响是不可低估的,它能降