摩擦学基础知识讲解

1、 摩擦学基础知识摩擦学基础知识 摩擦的定义：摩擦的定义： 两个接触物体表面在外力两个接触物体表面在外力 作用下相互接触并作相对作用下相互接触并作相对 运动或有运动趋势时，在运动或有运动趋势时，在 接触面之间产生的切向运接触面之间产生的切向运 动阻力称为摩擦力，这种动阻力称为摩擦力，这种 现象就是摩擦。现象就是摩擦。 概述概述 2 . 2 . 摩擦的分类摩擦的分类 1. 1. 摩擦按摩擦副运动状态可分为：摩擦按摩擦副运动状态可分为： 静摩擦静摩擦：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但 尚未产生相对运动时的摩擦。尚未产生相对运动时的摩擦。 动摩擦动摩擦：两相对

2、运动表面之间的摩擦。：两相对运动表面之间的摩擦。 2. 2. 按相对运动的位移特征分类：按相对运动的位移特征分类： 滑动摩擦滑动摩擦：两接触物体接触点具有不同速度和：两接触物体接触点具有不同速度和( (或或) ) 方向时的摩擦。方向时的摩擦。 滚动摩擦滚动摩擦：两接触物体接触点的速度之大小和方向：两接触物体接触点的速度之大小和方向 相同时的摩擦。相同时的摩擦。 自旋摩擦自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相：两接触物体环绕其接触点处的公法线相 对旋转时的摩擦。对旋转时的摩擦。 3. 3. 按表面润滑状态分类按表面润滑状态分类： 干摩擦干摩擦：两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。：两表面之

3、间即无润滑剂又无湿气的摩擦。 边界摩擦边界摩擦：边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。：边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。 流体摩擦流体摩擦：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦， 即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。 混合摩擦混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。：半干摩擦和半流体摩擦的统称。 4. 4. Stribeck曲线曲线： 不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同， Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，曲线表现了这些摩擦状态，u、p 分别分别表示速度、表示速度、润滑剂粘度润滑剂粘度

4、和和压力压力。 摩擦的基本特性摩擦的基本特性 1.古典摩擦定律古典摩擦定律(称为阿蒙顿称为阿蒙顿- -库仑定律库仑定律) ): （1 1）摩擦力和载荷成正比，即摩擦力和载荷成正比，即F=fN。除了在重载。除了在重载 荷下实际接触面积接近表观面积外，都是正确的。荷下实际接触面积接近表观面积外，都是正确的。 （2）摩擦系数与（名义）接触面积无关。摩擦系数与（名义）接触面积无关。一般仅对一般仅对 具有屈服极限的材料如金属材料是满足的，不适于具有屈服极限的材料如金属材料是满足的，不适于 弹性和粘弹性材料。弹性和粘弹性材料。 （3）静摩擦系数大于动摩擦系数。静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材不适于

5、粘弹性材 料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。 （4）摩擦系数与滑动速度无关。摩擦系数与滑动速度无关。金属材料基本符合，金属材料基本符合， 粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。 2.修正摩擦定律：修正摩擦定律： 古典古典摩擦定律长期作为工程应用中的指导法则使用。摩擦定律长期作为工程应用中的指导法则使用。 但是，根据近代的研究，发现多数内容不完全正确，但是，根据近代的研究，发现多数内容不完全正确， 必须进行修正：必须进行修正： （1 1）摩擦力与摩擦力与名义接触面积名义接触面积无关，与无关，与真实接触

6、面积真实接触面积有有 关，当两者接近时，即法向压力很高时，摩擦力与关，当两者接近时，即法向压力很高时，摩擦力与 法向压力成非线性关系，摩擦力增加很快。法向压力成非线性关系，摩擦力增加很快。 （2）有一定有一定屈服极限屈服极限的材料（如金属），其摩擦的材料（如金属），其摩擦 力才与（名义）接触面积无关，力才与（名义）接触面积无关，粘弹性材料粘弹性材料的的 摩擦力与接触面积有关。摩擦力与接触面积有关。 （3）粘弹性材料的静摩擦系数粘弹性材料的静摩擦系数不大于不大于动摩擦系数。动摩擦系数。 （4）精确测量表明，摩擦力与滑动速度有关。一精确测量表明，摩擦力与滑动速度有关。一 般，速度对金属的摩擦力的影

7、响不像对粘弹性般，速度对金属的摩擦力的影响不像对粘弹性 显著的弹性体的摩擦力那样明显。一般认为，显著的弹性体的摩擦力那样明显。一般认为， f=F/Nk，k=2/31。 1. 1. 摩擦一般特征：摩擦一般特征： 一般压力与速度下对确定的摩擦副和环境气一般压力与速度下对确定的摩擦副和环境气 氛，摩擦力大体与载荷成比例，可以认为摩氛，摩擦力大体与载荷成比例，可以认为摩 擦系数为常数。初步近似，摩擦力与物体面擦系数为常数。初步近似，摩擦力与物体面 积无关。积无关。 滑动摩擦滑动摩擦 2. 2. 滑动摩擦理论：滑动摩擦理论： 1. 1. 机械啮合学说机械啮合学说 摩擦是由表面粗糙不平的凸起之间的摩擦是由

8、表面粗糙不平的凸起之间的机械啮机械啮 合合作用的结果，解释了作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数表面越粗糙，摩擦系数 越大越大的现象，但无法解释经过精密研磨的的现象，但无法解释经过精密研磨的洁净洁净 表面的摩擦系数反而增大表面的摩擦系数反而增大的现象。该学说的摩的现象。该学说的摩 擦系数擦系数: : f=fi/Ni=F/N=tan 是接触微凸体的倾斜角。是接触微凸体的倾斜角。 2. 2. 分子吸引理论分子吸引理论 当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作 用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之 间距离的

9、关系导出了摩擦系数与接触面积成正比：间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比： F=f(N+pAr) p为分子引力，为分子引力，Ar为真实接触面积为真实接触面积 3. 3. 分子分子机械理论机械理论 克拉盖尔斯基克拉盖尔斯基1939年提出分子年提出分子-机械摩擦理论，认机械摩擦理论，认 为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合， 并非常量，并非常量，用摩擦二项式定律表示：用摩擦二项式定律表示： f=Ar/N+ 如果如果=b，则分子分量与下述的粘着是一致的。则分子分量与下述的粘着是一致的。 金属的，塑料的金属的，塑料的=0.060.12=0.017

10、0.06。 4.粘着理论粘着理论 （1）概念：概念：在外载荷的作用下，两表面的微凸体在外载荷的作用下，两表面的微凸体 之间的接触压力很大，造成接触点的之间的接触压力很大，造成接触点的粘着粘着(冷焊冷焊)。 当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬 度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。 剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力: F=Wb/s =F/W=b/s b、s分别是分别是较软材料较软材料的的剪切强度极限（或界面剪切强度极限（或界面 剪切强度）和屈服极限。剪切强度

11、）和屈服极限。 (2)(2)粘着理论粘着理论基本要点：基本要点： 摩擦表面处于塑性接触状态摩擦表面处于塑性接触状态: :实际接触面只实际接触面只 占名义面积很小部分，接触点处应力达到受占名义面积很小部分，接触点处应力达到受 压屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力压屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力 不再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增不再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增 加的载荷。加的载荷。 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程: : 接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬 时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很

12、强时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强 的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被 剪切产生滑动。剪切产生滑动。 摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和: :粘粘 着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中 材料的迁移现象。材料的迁移现象。 * * * * *两点说明两点说明: : (1)(1)上式表明，摩擦力与载荷成正比，与名义接触面上式表明，摩擦力与载荷成正比，与名义接触面 积无关，摩擦系数决定于较软材料的力学性质积无关，摩擦系数决定于较软材料的力学性质. . (2)(2

13、)实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力 相比很小，可以忽略不计。相比很小，可以忽略不计。b 是黏结点上分子键是黏结点上分子键 的剪切强度极限，的剪切强度极限，s 是材料的受压屈服极限。是材料的受压屈服极限。 （3 3）修正粘着理论：修正粘着理论： 结点增大效应：结点增大效应： 简单粘着理论中分析实际接触面积时简单粘着理论中分析实际接触面积时, ,只考虑只考虑 受压屈服极限，而计算摩擦力时又只考虑剪受压屈服极限，而计算摩擦力时又只考虑剪 切强度极限，对静摩擦是合理的。对于滑动切强度极限，对静摩擦是合理的。对于滑动 摩擦状态，由于存在切向力，实际接触

14、面积摩擦状态，由于存在切向力，实际接触面积 和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生 的压应力和切向力的联合作用。实际接触面的压应力和切向力的联合作用。实际接触面 积要大于只考虑法向载荷时的接触面积。积要大于只考虑法向载荷时的接触面积。 . 表面膜效应：表面膜效应： 当摩擦副表面生成氧化膜或被污染形成污染当摩擦副表面生成氧化膜或被污染形成污染 膜时，摩擦系数将降低。污染膜的剪切强度膜时，摩擦系数将降低。污染膜的剪切强度 较底时，粘着结点增长不明显。当剪切应力较底时，粘着结点增长不明显。当剪切应力 达到污染膜的剪切强度时，表面膜被剪断，达到污染膜的剪切强度时，

15、表面膜被剪断， 摩擦副开始运动，摩擦系数表示为：摩擦副开始运动，摩擦系数表示为： =f/y f界面膜的剪切强度，界面膜的剪切强度， y金属副的屈服强度，金属副的屈服强度， 只适用与金属摩擦副。只适用与金属摩擦副。 犁沟效应：犁沟效应： 犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后， 在滑动中推挤软金属，产生塑性流动并划在滑动中推挤软金属，产生塑性流动并划 出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的 组成部分，在磨粒磨损和檫伤磨损中，为组成部分，在磨粒磨损和檫伤磨损中，为 主要分量。主要分量。 （4 4）粘着磨损理论优缺点：粘着磨损理论

16、优缺点： 优点：优点：表面膜减摩作用、滑动摩擦的跃动现象、表面膜减摩作用、滑动摩擦的跃动现象、 胶合磨损机理、材料转移等。胶合磨损机理、材料转移等。 存在的问题：存在的问题： （1）摩擦系数与摩擦系数与 表面粗糙度无关，表面粗糙度无关， 不符合实验结果。不符合实验结果。 （2 2）接点处产生的粘着机理，至今没弄清：接点处产生的粘着机理，至今没弄清： 鲍登鲍登认为接点处产生粘着。认为接点处产生粘着。 其他：许多情况下，粘着点温度并不高，不可能其他：许多情况下，粘着点温度并不高，不可能 产生金属间的扩散，粘着力一般很小。产生金属间的扩散，粘着力一般很小。 （3 3）假设接点处产生牢固粘着，实际压力

17、去除假设接点处产生牢固粘着，实际压力去除 后，很难测出粘着力。后，很难测出粘着力。 接触点非完全塑性变形，一部分处于弹性接接触点非完全塑性变形，一部分处于弹性接 触，压力去除后，弹性变形回弹，破坏了部触，压力去除后，弹性变形回弹，破坏了部 分粘着结点。分粘着结点。 （4）无法解释脆性材料具有的和金属材料相无法解释脆性材料具有的和金属材料相 似的摩擦性能。似的摩擦性能。 （5 5）粘着理论很好解释了粘着理论很好解释了“相溶性较大的金相溶性较大的金 属之间容易发生黏着属之间容易发生黏着,摩擦系数较大摩擦系数较大”现象现象. 对于大多数金属对于大多数金属, b =0.2s ,计算的摩擦系数计算的摩擦

18、系数 为为 0.2左右左右.正常大气中测的摩擦系数都高达正常大气中测的摩擦系数都高达 0.5 ,在真空中更高在真空中更高. 5.5.机械机械粘着粘着犁沟综合作用理论犁沟综合作用理论 粘着理论的基础上提出粘着理论的基础上提出“机械机械粘着粘着犁沟犁沟” 综合作用的学说：综合作用的学说： = = d d + + a a + + p p 一般认为，犁沟和机械作用可能大于粘着一般认为，犁沟和机械作用可能大于粘着 作用。静摩擦系数决定于微凸体的变形的作用。静摩擦系数决定于微凸体的变形的 机械作用。机械作用。 6.6.滑动摩擦机理分析：滑动摩擦机理分析： 两相对滑动表面摩擦系数是微凸体变形、磨粒和两相对滑

19、动表面摩擦系数是微凸体变形、磨粒和 微凸体犁沟以及表面粘着综合作用的结果，可以微凸体犁沟以及表面粘着综合作用的结果，可以 把摩擦特性和时间的关系分几个典型阶段描述：把摩擦特性和时间的关系分几个典型阶段描述： （1 1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料表面被污染，摩擦系数主要取决于材料 组合、表面特性和环境条件。组合、表面特性和环境条件。 （2 2）粘着起作用，摩擦系数开始上升，如果粘着起作用，摩擦系数开始上升，如果 微凸体断裂，产生的磨粒将产生犁沟作用，微凸体断裂，产生的磨粒将产生犁沟作用， 使摩擦系数升高。使摩擦系数升高。 （3 3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，滑动表面的磨粒数增加

20、，犁沟作用增大， 摩擦系数急剧上升。摩擦系数急剧上升。 （4 4）进入和离开界面的磨粒数相等时，摩擦进入和离开界面的磨粒数相等时，摩擦 系数保持不变，即稳定摩擦状态。系数保持不变，即稳定摩擦状态。 （5 5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑 表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁沟作表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁沟作 用减弱。同时微凸体变形也减弱，摩擦系数用减弱。同时微凸体变形也减弱，摩擦系数 有所下降。有所下降。 （6 6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表 面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。面也可能达到同样光滑，摩

21、擦系数趋于平稳。 （？）（？）如果硬表面不是静止的，而是相对于静如果硬表面不是静止的，而是相对于静 表面运动的，则硬表面将始终是粗糙的，后表面运动的，则硬表面将始终是粗糙的，后 两个阶段不可能实现。两个阶段不可能实现。 影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 1.1.摩擦副材料：摩擦副材料：相同金属或互溶性较大的金相同金属或互溶性较大的金 属摩擦副摩擦系数较大；二者之间容易发生属摩擦副摩擦系数较大；二者之间容易发生 粘着，而互溶性差的金属不易发生粘着。粘着，而互溶性差的金属不易发生粘着。 2.2.摩擦副表面特性：摩擦副表面特性： （1 1）表面粗糙度：表面粗糙度：非常粗糙的表面非常粗糙的表面，表

22、面须，表面须 越过另一表面的微凸体，摩擦系数高。越过另一表面的微凸体，摩擦系数高。非常非常 光滑的表面光滑的表面摩擦系数甚至更高：实际接触面摩擦系数甚至更高：实际接触面 积大，分子作用增强。积大，分子作用增强。在塑性接触下，在塑性接触下，实际实际 接触面积总是与载荷成正比，表面粗糙度的接触面积总是与载荷成正比，表面粗糙度的 实际影响并不大。实际影响并不大。 （2 2）表面膜：表面膜： 表面膜具有减摩作用，表面膜具有减摩作用， 降低表面分子力的作降低表面分子力的作 用使摩擦副之间的原用使摩擦副之间的原 子结合力或离子结合子结合力或离子结合 力被较弱的范德华力力被较弱的范德华力 所代替。所代替。

23、表面膜的机械强度低表面膜的机械强度低 于基体材料，滑动时于基体材料，滑动时 剪切阻力较小，摩擦剪切阻力较小，摩擦 表面不发生粘着。表面不发生粘着。 3. 3.滑动速度：滑动速度： 当滑动速度不引起表面当滑动速度不引起表面 层性质发生变化时，摩层性质发生变化时，摩 擦系数几乎与滑动速度擦系数几乎与滑动速度 无关。无关。 滑动速度引起表面层发滑动速度引起表面层发 热、变形和化学变化及热、变形和化学变化及 磨损，而显著影响摩擦磨损，而显著影响摩擦 系数。实验表明，滑动系数。实验表明，滑动 速度的影响主要取决于速度的影响主要取决于 温度状况。温度状况。 4.4.载荷：载荷： 通过接触面积的大小和变形来

24、影响摩擦力。一通过接触面积的大小和变形来影响摩擦力。一 般情况下，摩擦系数随载荷增加而降低，然后般情况下，摩擦系数随载荷增加而降低，然后 逐渐趋于稳定。逐渐趋于稳定。 5.5.温度：温度： 金属摩擦副，温度升高金属摩擦副，温度升高100 100 ，摩擦系数仅降，摩擦系数仅降 低百分之几。低百分之几。由于金属接点的接触面积取决于由于金属接点的接触面积取决于 载荷和屈服压强：高温时，屈服强度降低，接载荷和屈服压强：高温时，屈服强度降低，接 点的总面积有所增加，同时剪切强度下降，使点的总面积有所增加，同时剪切强度下降，使 剪切接点的力（摩擦力）大致保持不变。除非剪切接点的力（摩擦力）大致保持不变。除

25、非 高温使金属发生明显地软化。高温使金属发生明显地软化。 1. 1.滚动摩擦定义：滚动摩擦定义： 成点接触或线接触的两物体在接触处的速成点接触或线接触的两物体在接触处的速 度大小和方向均相同（纯滚动）时的滚动阻度大小和方向均相同（纯滚动）时的滚动阻 力矩称为滚动摩擦力矩，这种现象称为滚动力矩称为滚动摩擦力矩，这种现象称为滚动 摩擦。摩擦。 引起滚动摩擦的因素是多方面的，主要包引起滚动摩擦的因素是多方面的，主要包 括接触处变形的微观滑移、弹性滞后、塑性括接触处变形的微观滑移、弹性滞后、塑性 变形和粘着等变形和粘着等。 滚动摩擦滚动摩擦 2. 2. 滚动摩擦形式：滚动摩擦形式： （1 1）自由滚动

26、）自由滚动滚动元件沿平面无约束地作滚动元件沿平面无约束地作 直线滚动，为最简单的滚动形式。直线滚动，为最简单的滚动形式。 （2 2）具有牵引力的滚动）具有牵引力的滚动-滚动元件受到法向滚动元件受到法向 载荷和牵引力的作用产生的滚动形式。载荷和牵引力的作用产生的滚动形式。 （3 3）伴随滑动的滚动）伴随滑动的滚动-几何形状造成接触面几何形状造成接触面 上切向速度不等时，必将伴有滑动。上切向速度不等时，必将伴有滑动。 3. 3. 滚动摩擦系数滚动摩擦系数 （1）有量纲滚动摩擦系数：）有量纲滚动摩擦系数： 驱动力矩与法向载荷之比，即：驱动力矩与法向载荷之比，即： =FR/W=W e/W=e （2）无

27、量纲滚动摩擦系数：）无量纲滚动摩擦系数： 称为滚动阻力系数，数值上等于驱动力矩称为滚动阻力系数，数值上等于驱动力矩 在单位距离所作的功与法向载荷之比，即：在单位距离所作的功与法向载荷之比，即： =FR/RW=F/W=/R #滚动摩擦系数较小，一般钢滚动摩擦系数较小，一般钢钢的滚钢的滚 动摩擦系数动摩擦系数 =0.0001。 4. 4. 滚动摩擦机理滚动摩擦机理 （1 1）微观滑移效应）微观滑移效应 雷诺雷诺(Reynolds)滑移：滑移： 弹性常数不同的两个物体发生赫芝接触并自弹性常数不同的两个物体发生赫芝接触并自 由滚动，作用在每一个物体界面上的压力相由滚动，作用在每一个物体界面上的压力相

28、同，但两表面上引起切向位移不相等，而导同，但两表面上引起切向位移不相等，而导 致界面的滑移过程。致界面的滑移过程。 （理解）当刚性滚轮沿弹性平面滚动时，在（理解）当刚性滚轮沿弹性平面滚动时，在 一整周内滚轮走过的距离要小于圆周长。一整周内滚轮走过的距离要小于圆周长。 （理解）当弹性滚轮沿刚性平面滚动时，在（理解）当弹性滚轮沿刚性平面滚动时，在 一整周内滚轮走过的距离要大于圆周长。一整周内滚轮走过的距离要大于圆周长。 Carter-Poritsky-Foppl滑移：滑移： 滚动接触面切向力的作用引起的微观滑移。滚动接触面切向力的作用引起的微观滑移。 两滚动接触的各点受切向力后，产生的弹性两滚动接

29、触的各点受切向力后，产生的弹性 变形不同，使接触面的一部分发生微观弹性变形不同，使接触面的一部分发生微观弹性 滑移。滑移。 Heathcote滑移滑移： 几何形状的差异，致使接触点上两表面的切几何形状的差异，致使接触点上两表面的切 向速度不等，引起的微观滑移。这种滑移引向速度不等，引起的微观滑移。这种滑移引 起的摩擦阻力，取决于滚动体的曲率半径、起的摩擦阻力，取决于滚动体的曲率半径、 材料特性以及表面状态等。材料特性以及表面状态等。 （2 2）弹性滞后效应）弹性滞后效应 接触时的弹性变形要消耗能量，脱离接触时要释接触时的弹性变形要消耗能量，脱离接触时要释 放出弹性变形能。由于材料弹性滞后、松弛

30、效应，放出弹性变形能。由于材料弹性滞后、松弛效应， 释放的能量小于弹性变形能，两者之差就是滚动释放的能量小于弹性变形能，两者之差就是滚动 摩擦的损耗。摩擦的损耗。粘弹性材料的弹性滞后大，摩擦损粘弹性材料的弹性滞后大，摩擦损 失大于金属。失大于金属。 （3 3）塑性变形效应）塑性变形效应 滚动表面接触应力超过一定限度时，将首先在表滚动表面接触应力超过一定限度时，将首先在表 面层下的一定深度产生塑性变形，随载荷的增大，面层下的一定深度产生塑性变形，随载荷的增大， 逐渐扩展到表面。塑性变形消耗的能量构成了滚逐渐扩展到表面。塑性变形消耗的能量构成了滚 动摩擦的损耗。动摩擦的损耗。在反复循环滚动摩擦接触

31、时，由在反复循环滚动摩擦接触时，由 于硬化等，会产生相当复杂的塑性变形过程。于硬化等，会产生相当复杂的塑性变形过程。 （4 4）粘附效应）粘附效应 滚动接触粘附效应与滑动摩擦不同，表面滚动接触粘附效应与滑动摩擦不同，表面 粘着力作用在滚动接触界面的法向，不发粘着力作用在滚动接触界面的法向，不发 生粘着点剪切、增大等现象。生粘着点剪切、增大等现象。 滚动粘附力属范德华力，只作用在微观滑滚动粘附力属范德华力，只作用在微观滑 移区内的微观触点上。在滚动接触区的后移区内的微观触点上。在滚动接触区的后 缘将受拉力而分离，不像滑动接触受剪切缘将受拉力而分离，不像滑动接触受剪切 而分离，因此引起的滚动阻力很

32、小。而分离，因此引起的滚动阻力很小。 滚动摩擦的粘附分量只占摩擦阻力的很小滚动摩擦的粘附分量只占摩擦阻力的很小 部分。部分。 5 5 滚动摩擦力矩的计算：滚动摩擦力矩的计算： （圆柱体在平面上的滚动）（圆柱体在平面上的滚动） 摩擦阻力摩擦阻力： F=2Wa/3R 滚动摩擦系数：滚动摩擦系数： =F/W=2a/3R =2(4W R/ E )1/2/3R 滚动阻力系数与滚柱的几何尺寸、载荷与滚动阻力系数与滚柱的几何尺寸、载荷与 弹性模量有关。弹性模量有关。 1. 1. 高速摩擦：高速摩擦：航空、化工机械中，摩擦表面航空、化工机械中，摩擦表面 的滑动速度常超过的滑动速度常超过50m/s50m/s，有

33、时高达，有时高达600m/s600m/s以以 上，此时接触面产生大量的摩擦热，由于滑上，此时接触面产生大量的摩擦热，由于滑 动速度很高，接触点的持续接触时间短，瞬动速度很高，接触点的持续接触时间短，瞬 时产生的大量摩擦热来不及向内部扩散，因时产生的大量摩擦热来不及向内部扩散，因 此摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温此摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温 度升高，温度梯度大而容易产生胶合。度升高，温度梯度大而容易产生胶合。 特殊工况的摩擦特殊工况的摩擦 2.高温摩擦学：高温摩擦学：如发动机、原子反应堆和如发动机、原子反应堆和 宇航设备。高温摩擦时，各种材料的摩擦宇航设备。高温摩擦时，各种材料的

34、摩擦 系数随温度变化趋势相同。即摩擦系数随系数随温度变化趋势相同。即摩擦系数随 温度升高，先缓慢降低，然后迅速升高。温度升高，先缓慢降低，然后迅速升高。 摩擦系数存在最小值，约摩擦系数存在最小值，约600700左右。左右。 （3）低温摩擦学：）低温摩擦学： 工作温度在工作温度在0以下。此时摩擦热影响很小，以下。此时摩擦热影响很小， 摩擦材料的冷脆性和组织结构对摩擦影响摩擦材料的冷脆性和组织结构对摩擦影响 最大。最大。 （4 4）真空摩擦学）真空摩擦学 在宇航和真空环境工作的摩擦副。由于在宇航和真空环境工作的摩擦副。由于 周围介质稀薄，摩擦表面的吸附和氧化周围介质稀薄，摩擦表面的吸附和氧化 膜发

35、生破裂后，难以再生，造成金属直膜发生破裂后，难以再生，造成金属直 接接触，产生强烈的粘着磨损，真空度接接触，产生强烈的粘着磨损，真空度 越高，摩擦系数越大。同时，真空中无越高，摩擦系数越大。同时，真空中无 对流散热现象，摩擦热难以排出，表面对流散热现象，摩擦热难以排出，表面 温度升高。而且由于真空的蒸发作用，温度升高。而且由于真空的蒸发作用， 使液体润滑剂失效。使液体润滑剂失效。 边界摩擦边界摩擦 1 1. .基本概念：基本概念： 摩擦界面上存在一层极薄的润滑膜时产生摩擦界面上存在一层极薄的润滑膜时产生 的摩擦，也称为边界润滑。的摩擦，也称为边界润滑。 物理、化学吸附或化学反应膜称为润滑膜，物

36、理、化学吸附或化学反应膜称为润滑膜， 小于小于0.1m0.1m，起到润滑作用。摩擦性能取，起到润滑作用。摩擦性能取 决于表面和薄膜的性质，不取决于润滑剂决于表面和薄膜的性质，不取决于润滑剂 的黏度，摩擦摩擦系数一般在的黏度，摩擦摩擦系数一般在0.040.15之之 间。间。 2.2.边界膜的分类：边界膜的分类： （1 1）物理吸附膜：物理吸附膜： 分子的吸引力使极性分子定向排列而吸附分子的吸引力使极性分子定向排列而吸附 到金属表面，吸附和脱吸完全可逆，高温到金属表面，吸附和脱吸完全可逆，高温 时脱吸。时脱吸。 润滑油中具有长链的碳氢化合物分子，在润滑油中具有长链的碳氢化合物分子，在 金属表面上形

37、成物理吸附膜，可防止金属金属表面上形成物理吸附膜，可防止金属 直接接触，降低粘着分量。直接接触，降低粘着分量。如脂肪酸极性如脂肪酸极性 分子吸附在金属表面，形成的脂肪酸膜，分子吸附在金属表面，形成的脂肪酸膜， 可作为滑动导轨、轻载的蜗杆传动润滑。可作为滑动导轨、轻载的蜗杆传动润滑。 （2 2）化学吸附膜：化学吸附膜： 润滑剂极性分子与金属表面化学结合形成的吸附润滑剂极性分子与金属表面化学结合形成的吸附 膜，吸附和脱吸不完全可逆，高温下脱吸。润滑膜，吸附和脱吸不完全可逆，高温下脱吸。润滑 油分子受化学键力的作用，而贴附到金属表面上，油分子受化学键力的作用，而贴附到金属表面上， 就形成了化学吸附膜

38、。就形成了化学吸附膜。 硬脂酸硬脂酸十十FeO-FeO-硬脂酸铁金属皂膜硬脂酸铁金属皂膜 # # 化学吸附膜剪切强度低，熔点高，适用于中化学吸附膜剪切强度低，熔点高，适用于中 等温度、速度、载荷。等温度、速度、载荷。 （3 3）化学反应膜：化学反应膜： 化学反应形成的膜。化学反应形成的膜。较高的温度（较高的温度（150-150- 200200）下，润滑油中的硫、氯、磷与金属）下，润滑油中的硫、氯、磷与金属 起化学反应，形成化合物，在油与金属界面起化学反应，形成化合物，在油与金属界面 处形成化学反应膜。处形成化学反应膜。 # # 化学反应膜具有较低的剪切强度和更高化学反应膜具有较低的剪切强度和更

39、高 熔点，稳定性好，适于高温、高速、重载的熔点，稳定性好，适于高温、高速、重载的 场合。场合。 # # 边界摩擦时的摩擦规律与干摩擦相同，边界摩擦时的摩擦规律与干摩擦相同， 只是摩擦系数小些。只是摩擦系数小些。 3.3.边界膜结构边界膜结构 (1)(1)边界膜典型成分边界膜典型成分 润滑油主要成分是碳氢化合物，硬脂酸是润滑油润滑油主要成分是碳氢化合物，硬脂酸是润滑油 中常含的一种脂肪酸。中常含的一种脂肪酸。 硬脂酸硬脂酸( (C17H2n-1COOH)为长链为长链型极性化合物，一型极性化合物，一 端含有极性基团端含有极性基团(-(-COOH)，能牢固地吸附在金属能牢固地吸附在金属 表面。离表面

40、越近，吸附能力越强。表面。离表面越近，吸附能力越强。 当接触表面相对运动时，第一层吸附分子不发生当接触表面相对运动时，第一层吸附分子不发生 相对位移，上面的分子之间发生位移，代替了金相对位移，上面的分子之间发生位移，代替了金 属之间的直接接触，保护了金属表面。属之间的直接接触，保护了金属表面。 边界润滑边界润滑 膜的结构膜的结构 （2 2）边界膜的分子结构边界膜的分子结构 被吸附的分子都具有一个极性团，即分子被吸附的分子都具有一个极性团，即分子 中存在一端为正，另一端为负的偶极。中存在一端为正，另一端为负的偶极。 链状分子成束吸附在固体表面，链之间具链状分子成束吸附在固体表面，链之间具 有内聚

41、力，形成一层侧向强度很强的单分有内聚力，形成一层侧向强度很强的单分 子膜，具有一定的承载能力。子膜，具有一定的承载能力。 极性端吸附在金属表面，并垂直于表面，极性端吸附在金属表面，并垂直于表面， 整个链状分子按一定方向排列。整个链状分子按一定方向排列。 4. 4. 边界摩擦机理边界摩擦机理 (1)(1)边界润滑的接触，发生在润滑剂的非极性端之间，边界润滑的接触，发生在润滑剂的非极性端之间， 摩擦力源于边界膜分子层之间的相互作用。摩擦力源于边界膜分子层之间的相互作用。 (2)(2)由于摩擦副表面粗糙不平，接触微凸体的压力很由于摩擦副表面粗糙不平，接触微凸体的压力很 大，当两表面相互滑动时，接触点温度很高，部大，当两表面相互滑动时，接触点温度很高，部 分边界膜破坏分边界膜破坏, ,使金属直接接触。使金属直接接触。 (3)摩擦力为剪断表面粘着部分的剪切抗力和边界摩擦力为剪断表面粘着部分的剪切抗力和边界 膜间的剪切阻力之和：膜间的剪切阻力之和： F=Arb+(1-)f 正压力等于正压力等于Ars，混合摩擦系数为：混合摩擦系数为： m=b+(1-)f/s Ar承担载荷总的实际面积；承担载荷总的实际面积； 总的接触面积中总的接触面积中 发生金属直接接触部分的百分数；发生金属直接接触部分的百分数； b软金属剪软金属剪 切强度；切强度； f 边界膜剪切强度；边界膜剪切强度； s软体金属的屈软体金