我的摩擦学导论第五章

.第5章摩擦，目录，5.1引言5.2固体接触的摩擦5.3液膜介质的摩擦5.4材料的摩擦特性，5.2.1滑动摩擦法则5.2.2滑动摩擦的机理5.2.3其他摩擦机理5.2.4摩擦状态过度为5.2.5静态摩擦5.2.6粘滑现象5.2.7滚动摩擦， 5.4.1金属的摩擦特性5.4.2陶瓷的摩擦特性5.4.3聚合物的摩擦特性5.4.4固体润滑材料的摩擦特性，引言，摩擦为运动阻力：一个固体相对于另一个固体有切线滑动或滚动时发生。 如图5.1.1(a )所示，切线阻力的作用方向与运动方向恰好相反，将该切线阻力称为摩擦力。 图5.1.1(a )物体在表面滑动。 (b )物体在水平面上滚动。 (w为法向载重力，f为摩擦力)、摩擦的种类、运动状态、运动形式、润滑状态、常见的两种摩擦类型：干摩擦、干摩擦是指表面之间没有润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。 又称库仑摩擦，流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦的性质依赖于流体内部分子间的粘性阻力的摩擦。 是流体摩擦时摩擦系数最小且不发生磨损的理想摩擦状态。 工程中实际上不存在干摩擦。 通常将非人为润滑的摩擦状态作为干摩擦处理。 干摩擦摩擦阻力大，磨损严重，必须避免。引言、两个固体放在一起会产生切向力(f )。 静止并相对运动所需的切向力的大小称为静止摩擦力(Fstatic或Fs )。 用数微秒的时间克服静摩擦力，直到进入相对运动状态。 维持相对运动的切向力称为动摩擦力(Fkinetic或Fk )。 如图5.1.2所示，(在一定条件下)静摩擦力为动摩擦力以上。 图5.1.2切向力与滑动时间或位移的关系。 Fstatic是克服物体运动的静摩擦力。 Fkinetic是维持运动所必需的动摩擦力。引言、摩擦不是材料的固有属性，而是由系统产生的。 两个固体表面清洁，无化学粘膜和吸附物可产生较高的摩擦。 表面的污垢和薄膜会影响摩擦。 表面之间有良好的润滑会产生低粘性和低摩擦。 但是，如果表面之间存在少量的流体，流动会滞留，产生较高的摩擦，特别是在两个光滑的表面之间产生。 引言，摩擦力好还是坏没有摩擦力就不能走路，汽车不能在道路上行驶，不能捡到物体。 即使在车辆制动器、离合器、以摩擦力为动力的传动装置(传动带等)等机械的情况下，也需要使摩擦最大化。 但是，轴承等其他折动部件和旋转部件大多不想摩擦密封圈，因此摩擦会导致能量损失和接触面的磨损。 在这些情况下，摩擦需要最小化。 本章阐述了固体与固体接触、液体润滑面接触的各种摩擦机理，并介绍了典型材料的摩擦特性。固体接触摩擦最初提出摩擦的基本概念是： 15世纪达芬奇(rendo Vinci )，滑动摩擦法则，古典摩擦法则的内容如下： (1)摩擦力的大小与接触面间的法向力成正比，与接触面积的大小无关，摩擦力、法向力、摩擦因素(系数)数，2 )摩擦力的方向始终是接触面的相对运动速度的方向摩擦力的大小与接触面间的相对折动速度无关。 静摩擦力大于动摩擦力。 根据(5.2.1)、式5.2.1，是独立于载荷的量。 根据静止角和摩擦角，该法则通过s=tan(5.2.2)的方程式表现为斜面角度，无论何种重量的物体被放置在斜面上相对于水平面的倾斜角度小，物体都保持静止，但是当倾斜角度变大时，物体开始滑动，如图5.2.1所示。 这个系数在干摩擦下变化很大的范围是从0.05到10。 清洁的软金属也可以在真空中折动。另外，折动摩擦法则、图5.2.1物体放置于斜面的力平衡图、折动摩擦法则、固体接触的摩擦、载荷的影响产生的摩擦系数，如图5.2.2(a )所示，在空气中未润滑的铝表面折动。 尽管载荷变化系数水平较大，摩擦系数仍保持不变。 图5.2.2(a )钢在空气中在铝表面滑动，有固体接触的摩擦，但材料表面有薄膜时，无论有意加上环境相互作用，受载荷的影响摩擦系数不变。 例如，铜在空气中在铜表面滑动，低负荷时摩擦系数低，负荷增大时摩擦系数增加到更高的值。 图5.2.2(b )。 图5.2.2(b )铜在空气中滑动，产生低摩擦的原因是铜在空气中容易氧化，在低负荷时氧化膜有效分离两个金属表面，实际上很少金属表面接触。 但是，氧化膜的剪切强度很低。 高负荷下氧化膜破坏，发生了紧密的金属表面接触，引起了较高的摩擦和表面破坏。 固体接触的摩擦，固体接触的摩擦，图5.2.2(c)AISI440C不锈钢在空气中滑过Ni3Al合金表面，这种摩擦转变在其他金属中也很常见。 许多金属摩擦副在高负荷下，摩擦系数随负荷的增加而减小，如图5.2.2(c )。 减少的主要原因可能是表面粗糙度增大和产生了大量磨损碎片。在非常光滑的表面，负荷降低到纳米左右时，摩擦系数如图5.2.3所示发生变化。 图5.2.3是金刚石探针和Si(111 )、二氧化硅层和天然金刚石表面的动摩擦系数和磨损深度受载荷的影响，固体接触的摩擦，图5.2.3，固体接触的摩擦，木材在空气中未润滑的钢表面折动，摩擦系数如图5.2.4所示，载荷恒定，名义接触面积的变化系数接近250。 由图可知，摩擦系数不变。 这个事实支持第二摩擦定律。 像橡胶一样具有光滑清洁表面的柔软材料，摩擦系数不变。 例如，车辆在轮胎道路表面的摩擦系数随着轮胎宽度的增大而增大。 木材和刚性的名义接触面积对摩擦系数的影响，图5.2.4，固体接触的摩擦，图4.2.5钛在3N的负荷下在钛表面折动时的折动速度对摩擦系数的影响，表明摩擦力与速度无关总是不有效的。 在速度作用的影响下动摩擦系数总是减小，固体接触的摩擦总之，上述摩擦法则在大多数情况下都一致。 需要强调的是，只有给定的相互折射材料和给定的折射过程中进行的条件(温度、湿度、压力、折射速度)，是严格的常数。 许多材料在干摩擦和润滑摩擦中，载荷、折动速度和直接接触面积显示出独立的静摩擦系数和动摩擦系数。 因此，给予的数值应慎重使用！折动摩擦机理、库仑及其他研究人员认为，金属摩擦起因于微细凹凸体接触面之间的机械相互作用。 库仑理论模型认为，随着两面之间的滑动，v型粗糙面之间的作用会在两面分离后接近。 从一个地方移动到另一个地方，表面变粗糙，另外，在两个表面接近的过程中，大部分的运动积蓄了潜能。 粗糙表面滑动所消耗的能量很少。 由于摩擦是消耗能量的过程，因此该机械相互作用理论不适用。 因此，真正的摩擦学理论应包括能耗原理。折动摩擦的机理Bowden和Tabor(1950 )提出，通过两金属间的折动接触，在单一接触点的高压下产生焊接，随之产生的接触相对折动破坏。之后，提出微细的凹凸体不一定会引起焊接，但粗糙面之间的表面粘接能够克服金属和陶瓷的摩擦(Bowden和Tabor )。 摩擦力除了为了克服由凹凸表面的接触引起的粘接而消耗能量以外，对于相对移动的接触表面的微小变形也需要消耗能量。 若忽略折动中的粘接剂与变形剂的相互作用，则可以计算总的内摩擦力Fi等于克服粘接剂所需的力Fa与克服变形所需的力Fd的和。 因此，对于Fi=Fa Fd(5.2.3)、摩擦系数i=a d、折动摩擦机构、聚合物(特别是人造橡胶)，d几乎可以表示为i。 粘结理论和变形理论的区别很明显，没有相互作用的假设不成立。 在这两种情况下，均有局部变形，摩擦的大小受到相互作用的表面的物理化学特性、载荷、折动速度、温度等的影响。 此外，还有两个组成部分的相互作用。 关于脆性材料，必须考虑物质的变形和粘接接触的断裂。 除此之外，物质的断裂韧性也很重要。 折动摩擦机构、粘摩擦机构在两个名义上的光滑的表面在负荷下相互接触时，形成凹凸体的顶部的接触，接触的凹凸体承受负荷。 图5.2.6，所有接触点的总面积构成了真正的接触面，在正常负荷下材料的大部分，真正的接触面积仅占名义面积的一小部分。 凹凸体的接触会引起其他物理特性的粘接接触。 剪切现有接触交叉面形成的粘结点需要侧力，形成新的接触。 因为两表面间的分子引力粘着，对于同种材料，像分子间的引力一样存在粘着力。 因此，交叉面像材料一样坚硬，而且，实际上在剪切面上滑动的过程中材料的碎片会破裂。 在这种情况下，摩擦力取决于材料的剪切强度。 此外，图5.2.7的表面粗糙度对摩擦系数产生的影响(a )表示在金刚石样电镀硬盘和Mn-Zn的铁氧体滑块之间产生弹性变形的摩擦系数。 随着粗糙度的增加，摩擦系数的值减小。 (b )表示铜和铜在10N的负荷下以0.1mm/s的速度折动(铜和铜接触的塑性变形情况，对于中等程度的粗糙度，摩擦系数随着与粗糙度无关的真正接触面积的增加，在低粗糙度条件下摩擦系数的值变大的情况较多。 粘摩擦机理、粘摩擦机理、塑性变形的粘摩擦：大多数固体材料的剪切强度取决于接触情况。 塑料和非金属材料分为(5.2.14a )和(5.2.14b )。 为容许剪切强度为压力系数，粘摩擦机理、弹性变形的粘接摩擦：大多数材料都适用有关摩擦的经典粘接理论，但不包括粘弹性材料人造橡胶。 在粘结模型中，从分子角度看，有些物理模型考虑了简单的粘结折动条件，有些还考虑了有关机械模型的信息。胶粘摩擦的机理，图5.2.9橡胶在硬表面之间产生胶粘的机理，如图5.2.9a所示，假定人造橡胶在刚性表面折动后，胶粘发生在a点。 这个小系统在移动一定距离的时候，把粘接保持一定时间后再解放。 产生与材料相关的张力，在元件的弹性变形中积蓄能量(图5.2.9b )。 弹性张力超过粘合力时，粘合点在a点断裂，元件松动。 然后在新的点a发生新的粘接，以下相同(图5.2.9c )。粘结摩擦系数可由下式表示： (5.2.15 )其中：衰减系数。 光滑的半球状橡胶在干净的光滑玻璃表面滑动时，它们之间会发生断续的分离，以高速从头到尾滑动。 粘接就像贯穿这样的波动中一样，橡胶表面出现折痕，也有可能在切线方向的压力下固定。切向应力梯度是断续分离的驱动力。 橡胶在玻璃上的动作不是交叉面之间的滑动，而是与通过地毯后残留的皱纹和毛毛虫一样的动作相似。 粘摩擦机理、粘摩擦机理如图5.2.10所示，橡胶通过接触区域时，有皱纹的一方断开粘接，另一方继续再粘接。 再粘接所需的能量比切断粘接所需的能量少。 在粘结切割和再粘结过程中，摩擦与能量损失有关。 图5.2.10 .示意图显示光滑橡胶在光滑玻璃上滑动时，如何断续地在接触区域滑动，犁沟效应，犁沟是焊料和系杆总摩擦力的一部分，机械作用也是形成阻力的另一种形式。 那是由于硬金属的粗糙度的山陷入软金属中而引起的，通过软金属的塑性流动挖出沟槽。 图为硬金属圆锥在软金属表面滑动产生的缝隙。 变形摩擦机构，接触表面在水平面上投影面积： A1=d2/8垂直面上的投影面积： A2=dh/2，球在软金属上滑动，犁沟效应，圆柱在横向，圆柱在软金属上滑动，圆柱在纵向，摩擦状态过度，在折动过程中摩擦副表面状态的变化对摩擦和磨损特性有一定的影响。 折动过程中摩擦系数增加的4种类型：1)摩擦系数在摩擦期间初始值几乎没有变化，然后逐渐增大到另一个稳定值。 2 )初始摩擦系数维持一定期间后，首先增加到高值，接着降低到低值(但比初始值高)。 3 )摩擦系数增加到高值后也不变化，降低到低值，进一步增加到高值。 4 )摩擦系数以不可重复的形式变化。静摩擦、接触面发生滑动所需的摩擦力为维持两物体的滑动状态的摩擦力以上，即静摩擦系数为动摩擦系数以上。 两个物体的静止时间(持续时间、粘附时间或接触持续时间)影响粘附和静止摩擦系数，静止摩擦系数可能随着静止时间的增加而增大。 当污染物附着在接触表面时，静摩擦系数趋于减小。 相反，如果接触表面非常干净，则静摩擦系数有增大的倾向。 粘滑现象，滑动中。 摩擦力的变化。 刚从粘着接触开始滑动，摩擦力就稳定地增加到最大值静摩擦力Fs。 表示静态极限剪应力。 此后，突然转向新的粘附接触，摩擦力减少至最小值，即动摩擦力Fk表示动态极限剪应力。 粘着和折动的交替过程开始周复一周，表面无磨损痕迹。 另外，达到静摩擦力后，滑动进行得非常快，从动摩擦转移到静摩擦是渐变的过程。 如图所示，该转移需要5s的时间。 此外，如图所示，振幅随着折射速度v增加而减小，频率增加，粘滑现象消除，直到达到临界折射速度vc为止。 然后，平滑地滑动动摩擦力Fk。 预防粘滑，滚动摩擦，车轮与地面的摩擦是滚动摩擦。 由于滚动摩擦的影响因素很多，研究滚动摩擦比研究滑动摩擦复杂。 本节介绍滚动摩擦的基本概念、摩擦机理及影响因素。 1 .基本概念(1)滚动摩擦的定义滚动摩擦是指某个表面在另一个表面上滚动的阻力，限定为表面光滑的形状连续的物理。 硬质材料在圆柱或球体之间的滚动或在平面上的滚动。 如图所示，球体在平面上滚动。 各种滚动运动可以认为是以下三种基本滚动形式的组合，这三种滚动形式的表面作用和摩擦机构各不相同。 自由滚动的圆柱体或球体是最简单的滚动形式，沿平面无约束地直线滚动。 有牵引力的滚动在接触区域内受到垂直载荷和切向牵引力的作用，如摩擦轮传动。在因两个滚动体的几何形状而导致接触面上的切线速度不相等的情况下，伴随滑动的滚动会伴随滑动。 例如，在向心