第2章固体摩擦

1、 第第二二章章 固体摩擦固体摩擦外摩擦：外摩擦：两个相对滑动或滚动固体表面之间的摩擦只与接两个相对滑动或滚动固体表面之间的摩擦只与接触表面间的相互作用有关，而与固体内部状态无关。触表面间的相互作用有关，而与固体内部状态无关。内摩擦：内摩擦：液体或者气体内部各部分之间因相对移动而发生液体或者气体内部各部分之间因相对移动而发生的摩擦。的摩擦。边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其他表面膜之间的摩擦，边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其他表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦也属于外摩擦。2.1 摩擦的基本特性摩擦的基本特性 2.1.1 摩擦定律摩擦定律 经典摩擦定律。经典摩擦定律。 定律一定律一 摩擦力与正压力成正

2、比，可写为：摩擦力与正压力成正比，可写为： Ff = fW 式中，式中，Ff 是摩擦力；是摩擦力；f 为摩擦系数；为摩擦系数；W为正压力。为正压力。 可认为它是摩擦系数的定义。第一定律在大多数情况可认为它是摩擦系数的定义。第一定律在大多数情况下都下都 是成立的，但是当接触表面非常光滑、正压力很高或是成立的，但是当接触表面非常光滑、正压力很高或很小时，与实验结果不完全相符。很小时，与实验结果不完全相符。定律二定律二 摩擦系数与表观接触面积无关。摩擦系数与表观接触面积无关。 第二定律一般仅对具有屈服极限的材料如金属是满足第二定律一般仅对具有屈服极限的材料如金属是满足的，但不适用于弹性及粘弹性材料。

3、的，但不适用于弹性及粘弹性材料。定律三定律三 静摩擦系数大于动摩擦系数。静摩擦系数大于动摩擦系数。 这一定律不适用于粘弹性材料，尽管关于粘弹性材料这一定律不适用于粘弹性材料，尽管关于粘弹性材料究竟是否具有静摩擦系数还没有定论。究竟是否具有静摩擦系数还没有定论。定律四定律四 摩擦系数与滑动速度无关。摩擦系数与滑动速度无关。 严格地说，第四定律不具有普适性，对金属来说基本严格地说，第四定律不具有普适性，对金属来说基本符合这一规律，而对粘弹性体来说，摩擦系数则明显与滑符合这一规律，而对粘弹性体来说，摩擦系数则明显与滑动速度有关。动速度有关。 上述经典摩擦定律并非基本的物理定律，只是从实验结果中上述经

4、典摩擦定律并非基本的物理定律，只是从实验结果中总结得出的几条规律，大致适用于常规工况条件下比较洁净总结得出的几条规律，大致适用于常规工况条件下比较洁净或有污染膜的固体表面的干摩擦。或有污染膜的固体表面的干摩擦。经典摩擦定律并不完全正确。尽管如此，至今还没有发现或经典摩擦定律并不完全正确。尽管如此，至今还没有发现或总结出更好并且可被普遍接受的摩擦定律，因此在工程实际总结出更好并且可被普遍接受的摩擦定律，因此在工程实际问题中依然被近似地应用。问题中依然被近似地应用。2.1.2 静止接触时间的影响静止接触时间的影响 使摩擦副开始滑动所需要的切向力称为静摩擦力，而维持使摩擦副开始滑动所需要的切向力称为

5、静摩擦力，而维持滑动持续进行所需要的切向力则是动摩擦力。滑动持续进行所需要的切向力则是动摩擦力。通常工程材料的动摩擦力小于静摩擦力，粘弹性材料的动通常工程材料的动摩擦力小于静摩擦力，粘弹性材料的动摩擦力有时高于静摩擦力。摩擦力有时高于静摩擦力。 观察发现：静摩擦系数受到静止接触时间长短的影响。观察发现：静摩擦系数受到静止接触时间长短的影响。 2.1.3 粘滑现象粘滑现象 精细的实验研究证明：干摩擦运动并非连续平稳的滑动，精细的实验研究证明：干摩擦运动并非连续平稳的滑动，而是一个物体相对于另一个物体断续的滑动，就是所谓的而是一个物体相对于另一个物体断续的滑动，就是所谓的粘滑现象，也称为跃动现象。

6、粘滑现象，也称为跃动现象。 在起动过程中，静摩擦系数明显高于动摩擦系数。在起动过程中，静摩擦系数明显高于动摩擦系数。 摩擦力随时间的变化呈锯齿状的曲线。摩擦力随时间的变化呈锯齿状的曲线。 粘滑问题的等效力学模型粘滑问题的等效力学模型 粘滑时的位移粘滑时的位移时间曲线时间曲线 滑动摩擦的粘滑现象会影响机器工作的平稳性。滑动摩擦的粘滑现象会影响机器工作的平稳性。例如摩擦离合器啮合产生的颤动、车辆在制动过程中的尖叫、例如摩擦离合器啮合产生的颤动、车辆在制动过程中的尖叫、刀具切削金属时的振动以及滑动导轨在缓慢移动时的爬行现刀具切削金属时的振动以及滑动导轨在缓慢移动时的爬行现象等都与摩擦粘滑现象有关。象

7、等都与摩擦粘滑现象有关。防止粘滑的途径有防止粘滑的途径有：一是设法增大系统刚度、阻尼和滑动体：一是设法增大系统刚度、阻尼和滑动体的质量；另一就是设法减小动、静摩擦系数的差异，如采用的质量；另一就是设法减小动、静摩擦系数的差异，如采用纸基摩擦材料就可以减小动、静摩擦比。纸基摩擦材料就可以减小动、静摩擦比。 2.1.4 预位移预位移 预位移问题对于机械零件设计十分重要。预位移问题对于机械零件设计十分重要。各种摩擦传动以及车轮与轨道之间的牵引能力都是基于相各种摩擦传动以及车轮与轨道之间的牵引能力都是基于相互紧压表面在产生预位移条件下的摩擦力作用。互紧压表面在产生预位移条件下的摩擦力作用。预位移状态下

8、的摩擦力对于制动装置的可靠性也具有重要预位移状态下的摩擦力对于制动装置的可靠性也具有重要意义。意义。预位移具有弹性，即切向力消除后物体预位移具有弹性，即切向力消除后物体沿反方向移动，试图回复到原来位置，沿反方向移动，试图回复到原来位置，但保留一定残余位移量。但保留一定残余位移量。当施加切向力时，物体沿当施加切向力时，物体沿OlP到达到达P点，点，其预位移量为其预位移量为OQ。当切向力消除时，物体沿当切向力消除时，物体沿PmS移动到移动到S点，点，出现残余位移量出现残余位移量OS。如果对物体重新施加原来的切向力，则如果对物体重新施加原来的切向力，则物体将沿物体将沿SnP移到移到P点。点。2.2

9、摩擦理论摩擦理论 经典摩擦定律既没有包含也没有回答摩擦的原因这个根本经典摩擦定律既没有包含也没有回答摩擦的原因这个根本性问题。几百年来，众多的科学研究工作一直在试图回答性问题。几百年来，众多的科学研究工作一直在试图回答这一问题，但至今没有比较满意的答案。这一问题，但至今没有比较满意的答案。机械啮合论：机械啮合论：早期的研究者都将摩擦解释为表面微凸体之早期的研究者都将摩擦解释为表面微凸体之间的机械啮合作用，即滑动过程中一个表面的微凸体会沿间的机械啮合作用，即滑动过程中一个表面的微凸体会沿着相对表面微凸体的斜坡爬升，摩擦力和这种爬升运动所着相对表面微凸体的斜坡爬升，摩擦力和这种爬升运动所作的功有关

10、。作的功有关。根据这种理解得出的摩擦系数等于微凸体倾角的正切值，根据这种理解得出的摩擦系数等于微凸体倾角的正切值，为一常数，与材料、粗糙度大小等其他因素无关，显然不为一常数，与材料、粗糙度大小等其他因素无关，显然不符合大多数实际情况。符合大多数实际情况。因此，机械啮合论存在一定局限性。因此，机械啮合论存在一定局限性。2.2.1 粘着摩擦理论粘着摩擦理论 表面承载后，在某些微凸体的顶端（真实接触点）产生了表面承载后，在某些微凸体的顶端（真实接触点）产生了很大的接触应力很大的接触应力，导致两表面（接触点）焊接（粘着）在，导致两表面（接触点）焊接（粘着）在一起。当两个表面作相对滑动时，必然要将这些焊

11、接点剪一起。当两个表面作相对滑动时，必然要将这些焊接点剪断。断。同时，因表面上的凸起部分穿入软表面，从而使软表面犁同时，因表面上的凸起部分穿入软表面，从而使软表面犁成沟槽。成沟槽。剪断焊接点的力和在表面上犁沟的力之和，就是摩擦阻力。剪断焊接点的力和在表面上犁沟的力之和，就是摩擦阻力。这个理论对这个理论对金属摩擦副金属摩擦副的解释是比较满意的。的解释是比较满意的。由于表面粗糙度的存在，两物体接触时，真正的接触只发由于表面粗糙度的存在，两物体接触时，真正的接触只发生在个别粗糙峰生在个别粗糙峰(即微凸体即微凸体)的顶部，接触点呈离散分布状的顶部，接触点呈离散分布状态，而大部分区域都是有间隙的。态，而

12、大部分区域都是有间隙的。这些真正发生接触的点称为真实接触点，各接触点的接触这些真正发生接触的点称为真实接触点，各接触点的接触面积总和称为真实接触面积。面积总和称为真实接触面积。认识到接触只发生在真实接触点而非整个表观接触面积认识到接触只发生在真实接触点而非整个表观接触面积(也也称名义接触面积称名义接触面积)是一个突破性的进展，成为现代摩擦学的是一个突破性的进展，成为现代摩擦学的基础。基础。 1.真实接触点与真实接触面积真实接触点与真实接触面积 2. 真实接触点处于塑性接触状态真实接触点处于塑性接触状态 由于真实接触面积只占表观接触面积的很小部分，在载荷由于真实接触面积只占表观接触面积的很小部分

13、，在载荷作用下接触峰点处的应力会达到材料的抗压屈服极限，而作用下接触峰点处的应力会达到材料的抗压屈服极限，而产生塑性变形。产生塑性变形。此后，接触点的应力不再改变，只能依靠扩大接触面积承此后，接触点的应力不再改变，只能依靠扩大接触面积承受继续增加的载荷。受继续增加的载荷。 由于接触点的应力值为由于接触点的应力值为摩擦副中软材料的抗压摩擦副中软材料的抗压屈服极限，因而真实接屈服极限，因而真实接触面积触面积A可以表示为可以表示为 sWA3. 摩擦力计算摩擦力计算 在忽略犁沟效应的情况下，摩擦力就等于剪断粘着结点所在忽略犁沟效应的情况下，摩擦力就等于剪断粘着结点所需的剪切力。需的剪切力。设粘着结点的

14、剪切强度为设粘着结点的剪切强度为 ，则摩擦力，则摩擦力Ff 与摩擦系数与摩擦系数 f 为为bfbbsWFAfbsFfW一般来说，若粘着结点处无边界润滑膜，可以取为较软一般来说，若粘着结点处无边界润滑膜，可以取为较软一方材料的剪切强度；一方材料的剪切强度；若存在边界润滑膜或固体润滑膜，则取为润滑膜的剪切若存在边界润滑膜或固体润滑膜，则取为润滑膜的剪切强度。强度。 4. 真实接触面积的修正真实接触面积的修正 从以上简单粘着理论式计算出的摩擦系数与实测结果并不从以上简单粘着理论式计算出的摩擦系数与实测结果并不相符。相符。大多数金属材料的剪切强度与屈服极限的关系为大多数金属材料的剪切强度与屈服极限的关

15、系为 ，于是计算的摩擦系数于是计算的摩擦系数 f =0.2。事实上，许多金属摩擦副在空气中的摩擦系数可达事实上，许多金属摩擦副在空气中的摩擦系数可达0.5，在，在真空中则更高。为此，对上述理论又作了修正。真空中则更高。为此，对上述理论又作了修正。 fbsFfW0.2bs假设具有软材料表面膜的摩擦副滑动时，粘着结点的剪切假设具有软材料表面膜的摩擦副滑动时，粘着结点的剪切发生在膜内，其剪切强度较低。发生在膜内，其剪切强度较低。由于表面膜很薄，实际接触面积则由硬基体材料的抗压屈由于表面膜很薄，实际接触面积则由硬基体材料的抗压屈服极限决定，服极限决定，fsf软表面膜的剪切强度极限硬基体材料受压屈服极限

16、利用材料力学的理论利用材料力学的理论进行若干假设进行若干假设可以推导出摩擦系数可以推导出摩擦系数122 (1)fcfc当当c趋近于趋近于1时，时，f 趋近于趋近于 ，这说明纯净金属表面在真空中产生极高的，这说明纯净金属表面在真空中产生极高的摩擦系数。摩擦系数。而当而当c不断减小时，不断减小时，f 值迅速下降，这表明软材料表面膜的减摩作用。值迅速下降，这表明软材料表面膜的减摩作用。 5.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 由于接触点的金属处于塑性流动状态，摩擦过程中接触点由于接触点的金属处于塑性流动状态，摩擦过程中接触点还可能产生瞬时高温，因而使两金属产

17、生粘着，粘着结点还可能产生瞬时高温，因而使两金属产生粘着，粘着结点具有很强的粘着力。具有很强的粘着力。随后在摩擦力作用下，粘着结点被剪断而产生滑动。这样随后在摩擦力作用下，粘着结点被剪断而产生滑动。这样滑动摩擦就是粘着结点的形成和剪切交替发生的过程。滑动摩擦就是粘着结点的形成和剪切交替发生的过程。实验还证明：当滑动速度增加时，粘着时间和摩擦系数的实验还证明：当滑动速度增加时，粘着时间和摩擦系数的变化幅度都将减小，因而摩擦系数值和滑动过程趋于平稳。变化幅度都将减小，因而摩擦系数值和滑动过程趋于平稳。 6. 犁沟效应犁沟效应 除粘着结点的剪切抗力外，犁沟效应的阻力也是摩擦力的除粘着结点的剪切抗力外

18、，犁沟效应的阻力也是摩擦力的组成部分。组成部分。犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤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，使之塑性流动并犁出一条沟槽。软金属，使之塑性流动并犁出一条沟槽。 假设硬金属表面的粗糙峰由许假设硬金属表面的粗糙峰由许多半角为多半角为 的圆锥体组成，在的圆锥体组成，在法向载荷作用下，硬峰嵌入软法向载荷作用下，硬峰嵌入软金属的深度为金属的深度为h，滑动摩擦时，滑动摩擦时，只有圆锥体的前沿面与软金属只有圆锥体的前沿面与软金属接触。接触。接触表面在水平面上的投影面接触表面在水平面上的投影面积积A= ；在垂直面上的；在垂直面上的投影面积投影面积S

19、=dh/2。 2/8d如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限为如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限为 ，于，于是法向载荷是法向载荷W、犁沟力、犁沟力Fe分别为分别为 218ssWAd12essFSdh由犁沟效应产生的摩擦系数为由犁沟效应产生的摩擦系数为42coteFhfWds同时考虑粘着效应和犁沟效应同时考虑粘着效应和犁沟效应如果同时考虑粘着效应和犁沟效应，单个粗糙峰滑动时的如果同时考虑粘着效应和犁沟效应，单个粗糙峰滑动时的摩擦力包括剪切力和犁沟力，即：摩擦力包括剪切力和犁沟力，即： fbsFAS则摩擦系数则摩擦系数对于大多数切削加工的表面，粗糙峰的对于大多数切削加工的表面，粗糙峰的

20、 角较大，式中右角较大，式中右端第二项甚小，所以通常可以忽略犁沟效应。然而当粗糙端第二项甚小，所以通常可以忽略犁沟效应。然而当粗糙峰的峰的 角较小时，犁沟项将为不可忽视的因素。角较小时，犁沟项将为不可忽视的因素。 2cotfbsbssFASfWA粘着理论相当完善地解释了许多滑动摩擦现象，例如表面粘着理论相当完善地解释了许多滑动摩擦现象，例如表面膜的减摩作用、滑动摩擦中的粘滑现象以及胶合磨损机理膜的减摩作用、滑动摩擦中的粘滑现象以及胶合磨损机理等。等。 然而，与其他摩擦理论一样，粘着理论过分简化了摩擦中然而，与其他摩擦理论一样，粘着理论过分简化了摩擦中的复杂现象，因而还有一些不完善之处。例如实际

21、的摩擦的复杂现象，因而还有一些不完善之处。例如实际的摩擦表面相接触处于弹塑性变形状态，因而摩擦系数随法向载表面相接触处于弹塑性变形状态，因而摩擦系数随法向载荷而变化。荷而变化。 2.2.2 机械机械-分子作用理论分子作用理论 滑动摩擦是克服表面粗糙峰的机械啮合和分子吸引力的过滑动摩擦是克服表面粗糙峰的机械啮合和分子吸引力的过程。因而摩擦力就是机械作用和分子作用阻力的总和，即：程。因而摩擦力就是机械作用和分子作用阻力的总和，即： 00fmmFSS式中，式中，S0和和Sm分别为分子作用和机械作用的面积。分别为分子作用和机械作用的面积。 和和 分别为单位面积上分子作用和机械作用产生的摩擦分别为单位面

22、积上分子作用和机械作用产生的摩擦力。力。 0m摩擦二项式定律摩擦二项式定律AfW 分别为由摩擦表面的物理和机械性质决定的系数。分别为由摩擦表面的物理和机械性质决定的系数。 实际接触面积为实际接触面积为A，法向载荷为，法向载荷为W。则，摩擦系数则，摩擦系数和f 并不是一个常量，它随并不是一个常量，它随AW比值而变化，这与实验结果比值而变化，这与实验结果相符。相符。摩擦二项式定律经实验证实相当适用于边界润滑，也适用摩擦二项式定律经实验证实相当适用于边界润滑，也适用于某些实际接触面积较大的干摩擦问题于某些实际接触面积较大的干摩擦问题。 2.3 滑动摩擦滑动摩擦研究摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制

23、摩擦过程和研究摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。影响摩擦系数的各种因素：影响摩擦系数的各种因素：材料副配对性质、静止接触时材料副配对性质、静止接触时间、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度、滑动速间、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度、滑动速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质以及环境介质的化学作用等。以及环境介质的化学作用等。摩擦系数随着工况条件的变化很大，因而预先确定摩擦系摩擦系数随着工况条件的变化很大，因而预先确定摩擦系数准确的

24、数据和全面估计各种因素的影响是十分困难的。数准确的数据和全面估计各种因素的影响是十分困难的。2.3.1 载荷对摩擦系数的影响载荷对摩擦系数的影响 载荷通过真实接触面积的大小和变形状态影响摩擦力。载荷通过真实接触面积的大小和变形状态影响摩擦力。 当粗糙峰处于塑性接触时，摩擦系数与载荷大小无关。当粗糙峰处于塑性接触时，摩擦系数与载荷大小无关。在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态。由于真实在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态。由于真实接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的增加而降低。增加而降低。 2.3.2 滑动速度和温度对摩擦系

25、数的影响滑动速度和温度对摩擦系数的影响 当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。与滑动速度无关。然而在一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形，然而在一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形，发生化学变化和磨损等，从而显著影响摩擦系数。发生化学变化和磨损等，从而显著影响摩擦系数。 1-载荷极小载荷极小 2、3一般弹塑性接触状态一般弹塑性接触状态 4-极大的载荷极大的载荷 温度影响摩擦系数温度影响摩擦系数温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多数实验结果表明

26、：随着温度的升高，摩擦系数增加；而当数实验结果表明：随着温度的升高，摩擦系数增加；而当表面温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。表面温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。 摩擦热对摩擦性能的影响表现在两方面：摩擦热对摩擦性能的影响表现在两方面：一是发生润滑状态转化，如从油膜润滑转化为边界润滑甚一是发生润滑状态转化，如从油膜润滑转化为边界润滑甚至干摩擦；至干摩擦；另一是引起摩擦过程表面层组织的变化，即摩擦表面与周另一是引起摩擦过程表面层组织的变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，如表面原子或分子间的扩散、吸附或围介质的作用改变，如表面原子或分子间的扩散、吸附或解附、表层结构变化和相变等。解附、表

27、层结构变化和相变等。 2.3.3 表面膜对摩擦系数的影响表面膜对摩擦系数的影响 为了降低摩擦，常常人为地在摩擦表面生成薄的表面膜。为了降低摩擦，常常人为地在摩擦表面生成薄的表面膜。例如铟、镉、铅等软金属或者硫化物、氯化物、磷化物的例如铟、镉、铅等软金属或者硫化物、氯化物、磷化物的表面膜。表面膜。 工具钢表面上铟膜厚度与工具钢表面上铟膜厚度与摩擦系数的关系。当表面摩擦系数的关系。当表面膜厚度为膜厚度为10-3mm时，摩时，摩擦系数为极小值。擦系数为极小值。如果表面膜太薄，其作用如果表面膜太薄，其作用不能充分发挥。不能充分发挥。而厚度太大时，又因表面而厚度太大时，又因表面层较软使实际接触面积增层较

28、软使实际接触面积增大，摩擦系数相应增加。大，摩擦系数相应增加。 表面膜破坏以后摩擦系数将急剧增加。破坏的原因可以是表面膜破坏以后摩擦系数将急剧增加。破坏的原因可以是载荷引起的机械损坏，它取决于表面膜的硬度和与基体的载荷引起的机械损坏，它取决于表面膜的硬度和与基体的结合强度。结合强度。对于铅、铟等易熔金属的表面膜，当温度升高到熔点时也对于铅、铟等易熔金属的表面膜，当温度升高到熔点时也发生破坏。发生破坏。下表为表面膜的减摩作用，在干摩擦状态下其效果十分显下表为表面膜的减摩作用，在干摩擦状态下其效果十分显著。著。 摩擦条件摩擦条件摩擦副摩擦副摩擦系数摩擦系数纯净表面纯净表面氧化膜氧化膜硫化膜硫化膜干

29、摩擦干摩擦钢一钢钢一钢0.780.270.39铜一铜铜一铜1.210.760.74硬脂酸润滑硬脂酸润滑钢一钢钢一钢0.110.190.162.4 滚动摩擦滚动摩擦当圆柱体沿平面滚动时，由于接触区的变形使得以接触点当圆柱体沿平面滚动时，由于接触区的变形使得以接触点C为中心的接触压力分布不对称，因而支承面的反力产生为中心的接触压力分布不对称，因而支承面的反力产生偏移。偏移。此反力对于接触点的矩称为滚动摩擦力矩。此反力对于接触点的矩称为滚动摩擦力矩。 滚动摩擦系数滚动摩擦系数k定义为滚动摩擦力矩与法向载荷之比，即定义为滚动摩擦力矩与法向载荷之比，即 fF RkeW滚动摩擦系数与滑动摩擦系数不同，它滚

30、动摩擦系数与滑动摩擦系数不同，它是量纲不为一的量，常用单位为是量纲不为一的量，常用单位为mm。滚动摩擦系数一般在滚动摩擦系数一般在 10-5510-3之间，之间， 滚动的基本形式滚动的基本形式1)自由滚动自由滚动 无切向摩擦力和不发生切向滑动的滚动称为自由滚动无切向摩擦力和不发生切向滑动的滚动称为自由滚动或纯滚动，这是最简单的滚动形式。或纯滚动，这是最简单的滚动形式。2)具有牵引力的滚动具有牵引力的滚动 在接触区内同时受到法向载荷和切向牵引力的作用，在接触区内同时受到法向载荷和切向牵引力的作用，例如铁路的牵引车轮。例如铁路的牵引车轮。 3)伴随滑动的滚动伴随滑动的滚动 当两个滚动体的几何形状造

31、成当两个滚动体的几何形状造成接触面上的切向速度不相等时，滚接触面上的切向速度不相等时，滚动中必将伴随滑动，例如向心推力动中必将伴随滑动，例如向心推力球轴承中球与滚道之间的滚动。球轴承中球与滚道之间的滚动。引起滚动摩擦阻力引起滚动摩擦阻力的的因素因素1)微观滑动微观滑动 当两个弹性模量不同的物体接触而发生滚动时，由于当两个弹性模量不同的物体接触而发生滚动时，由于接触表面产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。接触表面产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑动摩擦相同。机理与滑动摩擦相同

32、。2)塑性变形塑性变形 在滚动过程中，当表面接触应力达到一定值时，首先在滚动过程中，当表面接触应力达到一定值时，首先在距表面一定深度处产生塑性变形。随着载荷增加塑性变在距表面一定深度处产生塑性变形。随着载荷增加塑性变形区域扩大。塑性变形消耗的能量表现为滚动摩擦阻力，形区域扩大。塑性变形消耗的能量表现为滚动摩擦阻力，可以根据弹塑性力学计算。可以根据弹塑性力学计算。引起滚动摩擦阻力引起滚动摩擦阻力的的因素因素3)弹性滞后弹性滞后 滚动过程中产生弹性变形需要一定能量，而弹性变形滚动过程中产生弹性变形需要一定能量，而弹性变形能的主要部分在接触消除后得到回复，其中小部分消耗于能的主要部分在接触消除后得到

33、回复，其中小部分消耗于材料的弹性滞后现象。粘弹性材料的弹性滞后能量消耗远材料的弹性滞后现象。粘弹性材料的弹性滞后能量消耗远大于金属材料，它往往是滚动摩擦阻力的主要成分。大于金属材料，它往往是滚动摩擦阻力的主要成分。4)粘着效应粘着效应 滚动表面相互紧压形成的粘着结点在滚动中将沿垂直滚动表面相互紧压形成的粘着结点在滚动中将沿垂直接触面的方向分离。通常由粘着效应引起的阻力只占滚动接触面的方向分离。通常由粘着效应引起的阻力只占滚动摩擦阻力的很小部分。对于铁道运输中的轮轨摩擦还必须摩擦阻力的很小部分。对于铁道运输中的轮轨摩擦还必须保证一定的粘着性能，以防止滚动中打滑而加剧磨损。保证一定的粘着性能，以防

34、止滚动中打滑而加剧磨损。2.5 摩擦的其他问题摩擦的其他问题 在航空、化工和透平机械中，摩擦表面的相对滑动速度常在航空、化工和透平机械中，摩擦表面的相对滑动速度常超过超过50m/s，甚至达到，甚至达到600m/s以上。以上。摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温度高，温度梯度摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温度高，温度梯度大，容易发生胶合。大，容易发生胶合。 2.5.1 特殊工况下的摩擦特殊工况下的摩擦 1. 高速摩擦高速摩擦 铜铜铁铁3号钢号钢滑动速度滑动速度(ms)135250350140330150250350摩擦系数摩擦系数0.0560.0400.0350.0630.0270.0520

35、.0240.023高温摩擦出现在各种发动机、原子反应堆和宇航设备中。高温摩擦出现在各种发动机、原子反应堆和宇航设备中。用作高温工作的摩擦材料为难熔金属化合物或陶瓷，例如用作高温工作的摩擦材料为难熔金属化合物或陶瓷，例如钢、钛、钨金属化合物和碳化硅陶瓷等。钢、钛、钨金属化合物和碳化硅陶瓷等。 研究表明：高温摩擦时，各种材料的摩擦系数随温度的变研究表明：高温摩擦时，各种材料的摩擦系数随温度的变化趋势相同，即随着温度的增加，摩擦系数先缓慢降低，化趋势相同，即随着温度的增加，摩擦系数先缓慢降低，然后迅速升高。然后迅速升高。在这个过程中摩擦系数出现一个最小值。对于通常的高温在这个过程中摩擦系数出现一个最

36、小值。对于通常的高温摩擦材料，最小的摩擦系数出现在摩擦材料，最小的摩擦系数出现在600700 左右。左右。 2. 高温摩擦高温摩擦 在低温下或者各种冷却介质中工作的摩擦副，其环境温度在低温下或者各种冷却介质中工作的摩擦副，其环境温度常在常在0 以下。以下。此时摩擦热的影响甚小，而摩擦材料的冷脆性和组织结构此时摩擦热的影响甚小，而摩擦材料的冷脆性和组织结构对摩擦影响较大。对摩擦影响较大。低温摩擦材料主要的有铝、镍、铅、铜、锌、钛等合金以低温摩擦材料主要的有铝、镍、铅、铜、锌、钛等合金以及石墨、氟塑料等。及石墨、氟塑料等。 3. 低温摩擦低温摩擦 在宇航和真空环境中工作的摩擦副具有许多特点。在宇航

37、和真空环境中工作的摩擦副具有许多特点。由于周围介质稀薄，摩擦表面的吸附膜和氧化膜经一段时由于周围介质稀薄，摩擦表面的吸附膜和氧化膜经一段时间后发生破裂，而且难以再生，造成金属直接接触，产生间后发生破裂，而且难以再生，造成金属直接接触，产生强烈的粘着效应，真空度越高，摩擦系数越大；强烈的粘着效应，真空度越高，摩擦系数越大；在真空中无对流散热现象，摩擦热难以排出，使表面温度在真空中无对流散热现象，摩擦热难以排出，使表面温度高。高。由于真空中的蒸发作用，使得液体润滑剂失效，因而固体由于真空中的蒸发作用，使得液体润滑剂失效，因而固体润滑剂和自润滑材料得到有效的应用。润滑剂和自润滑材料得到有效的应用。为

38、了在摩擦表面上生成稳定的保护膜，真空摩擦副可以采为了在摩擦表面上生成稳定的保护膜，真空摩擦副可以采用含二硫化物和二硒化物的自润滑材料以及锡、银、镉、用含二硫化物和二硒化物的自润滑材料以及锡、银、镉、金、铅等金属涂层。金、铅等金属涂层。 4. 真空摩擦真空摩擦 通常土壤同时具有塑性和摩擦性能，土壤的性能决定了牵通常土壤同时具有塑性和摩擦性能，土壤的性能决定了牵引能力和承托车轮的能力。引能力和承托车轮的能力。对车轮施加的驱动力对车轮施加的驱动力TD是土壤摩擦性能和法向载荷的函数，是土壤摩擦性能和法向载荷的函数，这一公式通常用来评价软土和土壤的承载能力。这一公式通常用来评价软土和土壤的承载能力。 2

39、.5.2 地面摩擦地面摩擦 1.松软土壤松软土壤(例如软土或沙例如软土或沙)上的车轮滚动摩擦上的车轮滚动摩擦 (tan)DRRTpfpfhA上蜡的雪橇在压紧的雪上滑动时，由压力融化而产生水珠，上蜡的雪橇在压紧的雪上滑动时，由压力融化而产生水珠，上蜡的作用是在雪橇上建立疏水性的表面，产生一种排斥水上蜡的作用是在雪橇上建立疏水性的表面，产生一种排斥水珠的倾向。珠的倾向。 2. 雪撬在冰上的滑动摩擦雪撬在冰上的滑动摩擦 粘性摩擦系数为粘性摩擦系数为 4VVWLGvfp雪橇的材料：把雪橇的材料由硬铝改为酚醛塑料，可使滑动雪橇的材料：把雪橇的材料由硬铝改为酚醛塑料，可使滑动摩擦力降低至硬铝的摩擦力降低至

40、硬铝的14。硬度：硬钢的滑橇比软钢滑橇产生较大的融化效应。硬度：硬钢的滑橇比软钢滑橇产生较大的融化效应。表面粗糙度：在接近表面粗糙度：在接近0时光滑表面摩擦系数低，但在更低的时光滑表面摩擦系数低，但在更低的温度下粗糙表面摩擦系数低。温度下粗糙表面摩擦系数低。 影响雪橇摩擦的其它因素影响雪橇摩擦的其它因素微机电系统微机电系统(简称简称MEMS)是一类与传统机械系统在尺寸、是一类与传统机械系统在尺寸、材料、结构、制造工艺和功能等方面都显著不同的装置，材料、结构、制造工艺和功能等方面都显著不同的装置，是在是在20世纪世纪60年代兴起的半导体集成电路制造技术的基年代兴起的半导体集成电路制造技术的基础上发展起来的。础上发展起来的。 对于含有可动部件的