摩擦学读书报告

1、界面科学与技术读书报告温诗铸，黄平.界面科学与技术M，北京：清华大学出版社.2011摩擦学的三项基本内容（摩擦理论、磨损理论、润滑理论）之一，也是被人类认识最早、接触最为广泛的摩擦学现象。在后期的认知、研究过程中，我们已从摩擦表面、材料、摩擦副组织结构等方面来进一步解释摩擦机理。在摩擦表面分析中，关于摩擦副的表面形貌参数及统计是最为基础的内容。表面形貌又称表面几何特征，它是指零件等表面粗糙度、坡度、几何误差及纹理等不规则几何特性。在现实世界物体中，没有绝对光滑的存在，在物理学中对质点运动的研究大多是在理想状态下，即忽略了摩擦的存在。然而在实际的研究中发现：世界上使用的能源大约有1/31/2消耗

2、于摩擦，因此对于摩擦现象的研究势在必行，并形成了一门理论与应用的边缘学科。文献作者主要从微观世界出发详细介绍了固、液、气三相各自的表面性质及其任意两相界面微观世界及其性质。1. 固体表面结构分析固体表面形貌包括：表面几何形状误差、表面粗糙度及表面形貌的数量化。在物体的加工过程中，由于热变形以及塑性变形以及其他原因如加工设备的振动等造成材料加工表面的波状纹理，正是这些纹理的存在对物体的摩擦以及润滑等起着决定性作用。其在宏观方面主要包括：直线度、平面度以及圆柱度等。如图1.1所示，直线度是指在制定方向上实际轮廓线与理论直线的偏差（可以描述为特定方向上幅值大小）；平面度是指在整个平面上的最大直线度（

3、可以描述为在整个平面上的最大幅值分布）；圆柱度（椭圆度）是指圆柱形物体表面某一位置“法线方向上的直线度”（可以描述为该方向上的幅值大小）。微观方面主要是指表面粗糙度，其本身具有非周期性，也是影响摩擦性能的重要特征，如图1.2所示。另外，还有一种重要的表面特征类型被定义为：波纹度，其不同于粗糙度，它具有周期性。以上三种表面特征最大的区别在于波距的大小，分别对应：。（波距：两个相邻波峰或波谷之间的距离）图1.1 宏观集合形状误差 图1.2 表面粗糙度 图1.3 波纹度在摩擦学中，最常用的表面相貌参数是表面粗糙度，根据表示方法的不同可分为一维、二维以及三维相貌参数。一维相貌参数主要是指在某方向上轮廓

4、高度的起伏变化，将其量化可分为：（1）轮廓算术平均值，其表达式为 （2）轮廓均方根值，其表达式为另外，还包括：最大峰谷距（最高峰与最低谷的高度差）；支撑面曲线（根据表面粗糙度图谱绘制并用于计算实际接触面积）等。根据理论研究精度要求，一维形貌参数很难完整说明几何特征，比如不饿能够很好地表达轮廓曲线坡度、曲率等磨损特性，因此，在参考书中进一步介绍了二维形貌参数，如：（1）坡度绝对值的算术平均值，其表达式为 （2）坡度均方根值，其表达式为 其中，为坡度，即表面轮廓曲线个点斜率。实际中，描述表面粗糙度最好的方法是采用三维形貌参数，比如表面形貌等高线。固体接触 当两个摩擦表面接触时，由于表面粗糙度的存在

5、，实际接触只发生在占表面积很小的一部分。因此在分析表面接触是，要首先分析其接触面积与接触模型，再分析接触应力和接触变形。下面以圆柱体接触为例来分析。图1.4 两圆柱体接触图1.4是两个圆柱体接触，半径分别为,压力为，由于接触面局部变形，形成了长为、宽为的长方形接触面积。按照赫兹计算公式可得：; 式中，分别为两个圆柱体材料的弹性模量，分别为两个圆柱体材料的泊松比，为接触面中线上的最大接触应力。综上所述，接触面的接触应力应与其外载荷的大小呈非线性关系。另外，我们还要分析接触体内的应力应变量。固体表面性能要分析固体表面性能，首先就要了解固体表面的基本特征。固体表面原子不能够自由流动，且受力不对称，由

6、此研究固体表面比液体更为困难。晶体中，每个质点周围都会存在一个力场，就固体而言，表面力场主要包括：化学力和范德华力。化学力的本质是静电力，主要来自于表面质点的不饱和键，当固体表面质点和被吸附物间发生电子转移时，就产生化学力。范德华力又称分子力，其主要来源有三种：定向作用力、诱导力和分散作用力。在固体表面，化学力和范德华力可以同时存在。固体表面能是指通过向表面增加附加原子，从而在新表面形成时所做的功。若用来表示，则为：。式中，为一个原子表面及内部两种状态的能差，为新增表面积。表面张力是沿表面作用在单位长度的力。基体表面能与晶格能的关系为：式中，为第个原子晶体表面能与晶格能的能差，分别为第个原子在

7、内部和表面上时与最近原子的数目，分别为第个原子在内部和表面上时最近原子的作用能。理论上得到的表面能一般要大于实际值，其原因是真实表面有松弛，重排造成配位数降低，所以造成的实际表面能也降低。2.液体及其表面性质在研究液体表面性质时，应包括以下几个方面：液体的表面张力和表面能以及液体的表面活性。表面张力又称表面能量，是吸引力倾向将液体表面分子拉向内部。表面层分析相对体分子是受力不均匀的体相分子对表面分子的引力有使表面缩小的趋势，因此若使物体的表面积增加，外界需要做功，这部分功可以被等价看作液体表面能。在研究固-液界面时，首先就要研究该界面的湿润性。湿润性是指液体在固体表面的铺展或凝聚的能力。一般认

8、为：边界润滑膜的机理与润滑剂的湿润性有关。研究该特性需要考虑的内容包括：表面张力、接触角以及表面张力引起的内部压力。在研究液体流动时，必须要考虑其边界问题，否则该研究就没有任何意义。一般情况下，连续介质力学假设下与固体接触的流体（液体或气体）速度与固体表面的速度相等，既是常说的无滑移边界条件，但是流体的剪切应力超过流体承受剪切的极限值，则流体与固体界面将出现滑移，而形成速度差，从而形成滑流区，如图2.1所示。图2.1 边界滑移示意图边界滑移模型有几种：一阶边界滑移模型、二阶边界滑移模型以及一阶半边界滑移模型（在文献中P53有给出）。液体性质在研究粘性流体流动时，最基本公式为牛顿定律： ； ；

9、；式中，为剪应变率，为剪应力，为动力粘度，为运动粘度。图2.2 不同流体的曲线如图2.2所示，A代表的是塑性体，也被称作Bingham体，它显示一种屈服应力，当剪应力超过屈服应力时才产生流动，流变关系为：本构方程本构方程是指：描述特定物质或材料性质和响应特性的方程；通常把应力和应变率，或应力张量与应变张量之间的函数关系称为本构方程。对于牛顿流体：(1)粘度=(T，p),函数的具体形式随流体和温度范围而变；(2)应力张量的一部分是压力p，此外，还加上同粘性和变形率（见流体力学）有关的张量，其分量为公式中Up(U1,U2,U3)为流速U的三个分量;(3)rho;(x,y,z,t)=常数,或任何形式

10、的具体状态方程f1(p,rho;,T)=0,f2(e,p,S)=0。对于非牛顿流体，有诸多本构方程：Ree-Eyring本构方程、年塑性本构方程、圆形本构方程、温度效应本构方程、线性粘弹性本构方程、非线性粘弹性本构方程、简单粘弹性本构方程。关于流体的粘度，还有其它方面的性质：粘度与温度的关系、粘度与压力的关系。依次可以推导出诸多粘温方程、粘压方程以及温压方程。3.固液界面固液界面的粘着现象与液体的表面张力密切相关。表面张力可以表述为液体表面在单位长度上的牵引力。表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上

11、。 表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分。是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转。在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用，受力不均，使速度较大的分子很容易冲出液面，成为蒸汽，结果在液体表面层（跟气体接触的液体薄层）的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说，它们处在特殊的情况中。表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊层中分子间的引力作用占优势

12、。因此，如果在液体表面上任意划一条分界线把液面分成两部分。这两部分彼此的吸引力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。表面张力F的大小跟分界线的长度成正比。严格的来讲，在固-液界面中，液体的表面张力为气-液表面张力，如图3.1所示。图3.1 表面张力与接触角-固气表面张力；-固液表面张力-气液表面张力；-接触角-气体、液体、固体液体表面自动收缩的现象也可以从能量的角度来分析。一般情况下，湿润性是通过测量液体在表面的接触角来实现的。如图3.1所示，接触角定义为

13、固、液、气三相交界点上固-液界面与液-气界面切线之间的夹角。那么我们可以得到接触角与表面张力之间的关系为：。一般当时被称为湿润；当时被称为不湿润。表面接触角大，则表示该表面是疏润性的；反之表示该表面为亲润性，这时它的粘附能大于液体的内聚能。而表面接触角的大小是由固体和液体的表面张力或表面自由能所决定的。接触角可以用投影法得到，液体的表面张力可以用表面张力测试仪测出。另外，接触角还与固体表面的粗糙度以及温度等因素有关。当两个平行的固体平板之间存有一滴液体时，会在液滴的端部形成弯月面。若液滴内部的压力小于环境压力，则弯月内凹；反之，弯月面外凸；如图3.2所示。 图3.2 液体弯月面弯月面内外的压力

14、差称为毛细压力或者拉普拉斯压力，可以为正值（内部压力大于外部压力），也可以为负值。根据拉普拉斯公式，毛细压力引起的两平行圆盘的作用力为：式中，分别表示液体上下两表面之间的接触角；为圆盘的半径。由上式可以分析：弯月面力的大小与球面的半径，液体的表面张力以及接触角有关，而与液体的体积无关。在微尺寸的环境中，弯月面力应被作为重要的作用力不能被忽视。固液界面吸附膜吸附是指在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象。由于固体表面具有一定的表面张力，且在加工成型过程中形成的许多晶格缺陷使得表面的院子处于不饱和或者不稳定状态，液体的极性基团容易产生吸附，而使表面形成各种摸。表面吸附效应对于边界润滑和干摩擦

15、状态都是十分重要的；有物理吸附膜和化学吸附膜之分。当气体或液体与固体表面接触时，由于分子或原子相互吸引的作用力而产生的吸附为物理吸附；由于极性分子的有价电子与基体表面的电子发生交换而产生化学合力，使得极性分子定向排列，被称作化学吸附。两者示意图如图3.3、3.4所示。前者吸附膜较弱，对温度很敏感，加热可使分子解除吸附，且产生吸附于解除吸附是可逆的；后者较为稳定，且有不可逆性，要在高温下才能解除吸附。 图3.3 物理吸附 图3.4 化学吸附除上述的吸附膜之外，在不同的相体界面层还会存在化学反应膜。化学反应膜又被称为表面反应膜，通常指外部物质与接触表面产生化学反应形成不同于表面基体成分的化学物质的

16、界面。这种反应是不可逆的，一般在重载、高温、高速的条件下形成，如图3.5所示。图3.5 化学反应膜4.气固界面气体停留下固体表面上称为气体在固体表面的吸附。被吸附的物质称为吸附物，具有吸附能力的固体被称为吸附剂。物理吸附的吸附力是分子间的范德华力引起的，力的强度较弱。产生的吸附热较低。化学吸附相当于吸附剂表面分子和被吸附分析发生了化学反应，其吸附力是有吸附剂与吸附质分子间产生的化学键力，一般较强。物理吸附和化学吸附有可能同时发生，吸附过程都是散热过程，因此接下来我们要研究吸附热力学。吸附曲线当吸附过程达到平衡时，吸附量是温度和吸附质压力的函数。有时会用吸附曲线来反映固体吸附气体时，吸附量与温度

17、、压力的关系。在一定温度下，改变气体压力测定该压力下的平衡吸附量，并作曲线，该曲线就是吸附曲线。吸附曲线包括等温线、等压线两种，如图4.1、4.2所示。 图4.1 等温吸附曲线 图4.2 等压吸附曲线吸附热可以分为积分吸附热和微分吸附热。积分吸附热是在吸附平衡中，已经被气体覆盖的那部分表面的平均吸附热，它反映了在吸附过程中，长时间的热量变化平均值。微分吸附热是在已经被吸附一定热量的吸附质的基础上再吸收少量气体时所释放的热量，它反映了在吸附过程中某一瞬时的热量变化。由于吸附曲线的复杂形状和多种形式，我们可以通过动力学途径推导以下吸附等温方程。Freundlich吸附等温式式中，q为气体吸附量；p

18、为气体平衡压力；k、n为指定温度下气体相关常数。Langmuir吸附等温方程若表面由个吸附单位组成，已经被占的位置个，空位个。蒸发速度正比于，凝结速度正比于和压力，所以达到平衡时，有式中，和分别为蒸发系数和凝结系数。BET公式BET理论为多分子层吸附理论。由该理论推导出的结果为：式中，p为气体平衡压力；p*为吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压；V为平衡压力下的吸附量；Vm为单分子层的饱和吸附量；C为与吸附热有关的常数。注：BET公式适用于相对压力p/p*=0.050.35的适用范围。吸附表面性质影响吸附表面性质因素包括：固体表面粗糙度、固体表面缺陷、固体表面不均匀性、固体表面能，等。5.固-固界面范德华力是一种电磁力，根据产生的机制包括：取向力、诱导力和色散力。表面能 如图5.1所示，真空中将两个单位面积的两种介质A