考试摩擦磨损

1、用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。当产生化学吸附时，需要有一定的活化能。这可能是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。化学反应膜能适用于高速、高温、重载等“极压”条件下使用。普通脏污层吸附层氧化层贝氏层严重变形层轻度变形层(1)普通脏污层手指的油污或灰尘等；(2)吸附层大气中的液体或气体分子吸附膜；(3)氧化层金属表面与空气中的氧形成的氧化物层。(4)贝氏层由于机加工中表面熔化和表面分子层的流动而产生的微晶层；(5)变形层由于机加工而形成的变质层。其变形层的强烈程度取决于加工时的变形功和金属本身的性质。观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面，目前比较先进的原子力显

2、微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）可以达到原子的尺度。在测量表面轮廓和粗糙度的仪器中，以电子放大的触针式仪器使用最为普及。 表面粗糙度标准参数轮廓算术平均偏差（Ra），又称中位线算术平均偏差，定义为一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值。轮廓均方根偏差（Rq） 统计学认为，Rq能比Ra更好地描述表面轮廓的粗糙度特征。其定义为，在一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根。微观不平度十点平均高度（Rz） 定义为取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深的轮廓谷深的平均值之和。轮廓最大高度（Ry）定义为取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之

3、间的距离。 名义接触面积：即接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定，以An表示轮廓接触面积：即物体的接触表面被压扁部分所形成的面积，以AC表示，其大小与表面承受的载荷有关；一般为名义接触面积的515。 实际接触面积：即物体真实接触面积的总和，图中小圈内的黑点表示的各接触点面积的总和，以Ar表示。一般为0.0l0.1。实际接触面积在摩擦学中具有重要意义。实际接触面积与所加载荷的关系，Archard(阿查德)认为在弹性接触的情况下可用下式表示：ArkLm式中:k-接触系数,与材料弹性性质和假设的表面结构有关； m-依不同的表面接触模型而异，在塑性接触状态下等于1，而在弹性接触状态下小于1。表

4、面接触的形式愈复杂，实际接触面积与载荷愈接近线性关系。对于理想弹性接触，实际接触面积与载荷的2/3次方成正比。这是因为随着载荷的增加，接触面积也增大，但增长较载荷的增长为慢1）实际粗糙表面的接触发生在粗糙微凸体上，具有离散性，微凸体高度呈高斯分布；2）单个球体与球体接触或球体与平面接触或理想粗糙表面接触（弹性接触条件下），其实际接触面积均随载荷的2/3次方变化；但对于实际粗糙表面，由于微凸体高度呈高斯分布，实际接触面积与载荷成正比（无论弹性接触或塑性接触）。3）粗糙表面弹性接触过程中，接触点的平均尺寸不随载荷变化，实际接触面积主要随接触点的数量而增加。综上所述，实际接触面积与载荷的关系取决于表

5、面轮廓曲线和接触状态当粗糙峰为塑性接触时，不论高度分布曲线如何，实际接触面积都与载荷成线性关系而在弹性接触状态下，大多数表面的轮廓高度接近于Gauss分布，其实际接触面积与载荷也具有线性关系古典摩擦定律（阿蒙顿-库仑定律）：第一定律：摩擦力的大小与接触面积间的法向载荷成正比 F µ N 或 F N 当法向压力不大时，对于普通材料，摩擦力与法向载荷成正比，即摩擦系数为常数。实际上，摩擦系数是与材料和环境条件有关的综合特性系数。 当法向压力大时，对于某些极硬材料（如钻石）或软材料（如聚四氯乙烯）摩擦力与法向载荷不呈线性比例第二定律：摩擦力的大小与接触物体间名义接触面积的大小无关。对于有一

6、定屈服点的材料（如金属）才能成立。对于弹性材料（如橡胶）或粘弹性材料（如某些聚合物），摩擦力与名义接触面积大小有关。对于很洁净、很光滑的表面或承受载荷很大时，接触面间有强烈分子引力，摩擦力和名义接触面积成正比。第三定律：摩擦力的大小与接触面间的相对滑动速度无关。对于粘弹性材料都不适用。粘弹性材料的静摩擦系数不一定大于动摩擦系数第四定律：静摩擦力大于动摩擦力。 对于很多材料，摩擦系数和滑动速度有关。现代摩擦理论1、摩擦分类（1）、干摩擦接触表面无任何润滑剂，但仍有环境介质，如气体，水气其他污物的摩擦（2）、边界摩擦 这是指在摩擦表面上存在一种具有润滑性能的边界膜的摩擦，通常也称为边界润滑。（发动

7、机中的汽缸与活塞环、凸轮与挺杆以及机床导轨、蜗杆传动中产生的摩擦都属于这类）。 （3）、流体摩擦这是指相对运动的固体表面完全被润滑剂隔开的一种摩擦，摩擦主要发生在该润滑剂所形成的流体膜内部，即它是一种发生在流体内部的内摩擦。因此，通常将这类摩擦称为流体润滑。（4）、混合摩擦又可分为半干摩擦和半流体摩擦两种。前者是指同时存在干摩擦和边界摩擦的一种混合状态的摩擦。而后者则是指同时存在边界摩擦和流体摩擦的一种混合状态的摩擦。 2、按照摩擦副的运动形式，可以将摩擦分为以下两大类：（1）.滑动摩擦如在各种滑动轴承和机床导轨以及钻机中的刹车与气动离合器中相对滑动表面产生的摩擦。（2）.滚动摩擦 如各种滚动

8、轴承中产生的摩擦。 3、按照摩擦副的运动状态，还可以将摩擦分为以下两种类型：（1）、静摩擦 这是指物体在外力作用下，还不足以克服摩擦表面上产生的切向阻力，因而还没有产生相对运动的一种摩擦状态。对于外力刚好能克服摩擦表面上的切向阻力，使物体刚刚产生相对运动的那一瞬间的摩擦状态，称为极限静摩擦。 （2）、动摩擦 这是指物体已经产生相对运动后的一种摩擦状态。动摩擦系数一般小于静摩擦系数。这两个数值如果相差太大，将会使离合器的挂合过程和刹车的制动过程不稳定。对于机床导轨，会产生抖动，即所谓爬行现象，它会严重影响到工件的加工精度。 4、按照摩擦副的各种特性，又可将摩擦分为如下两大类：（1）、减摩摩擦 这

9、类摩擦的作用是通过减小摩擦以减小摩擦损失，从而提高机器的效率和能量利用率。 （2）、增摩摩擦 这类摩擦的作用是通过增加摩擦以实现特定的功能，或达到特定的工作要求(如刹车副增加摩擦以更好地吸收动能)。 5、分子机械理论 这种理论认为：在摩擦过程中有表面凸峰间的机械啮合和表面分子间的相互吸引，其二相式描述-摩擦表面的物理性质系数（分子吸引力）-摩擦表面的机械性质系数（凸峰的机械啮合力）6、简单粘着理论这种理论认为金属表面接触时只有少数高峰接触，接触区有塑性变形，因而接触面积逐渐增加，直至载荷平衡。即：7、修正粘着理论（1）剪应力的影响剪应力会产生两个影响。一个是使表面层受力后变成复合应力状态另一个

10、是接触面积增大，使单位面积上压应力下降（2）由于剪切受力后接触区产生塑性流动，显然接触面积增大故知摩擦系数增加（3）表面膜的影响相对滑动时接触表面膜被剪断，8、影响滑动摩擦的因素（1）、材料本身的性质(包括两种对摩的材料) 对于一般材料，摩擦力随硬度的增加而减小，因硬金属的塑性变形的能力减小，其粘着能力也随之减小。相同金属或互溶性大的金属摩擦副易发生粘着，因而其摩擦系数较大。（2）、载荷 古典摩擦理论认为摩擦系数与载荷无关。实际上，载荷对摩擦系数的影响与真实接触面积的大小有关。 （3）、 滑动速度 古典摩擦理论认为摩擦系数与滑动速度无关，事实上，摩擦系数随滑动 速度变化的规律非常复杂，目前在这

11、方面还缺乏一致的认识。 滑动速度对摩擦系数的影响，在很大程度上与摩擦表面的温度密切相关，因后者往往会使表面性质发生变化。 （4）、温度 摩擦表面和周围介质的温度都会对摩擦系数产生十分复杂的影响，而且往往表现为综合性的影响因素。由于温度主要是通过改变材料的性质而对摩擦系数产生影响。因此，对于不同类型的材料具有不同的温度特性。 粘着点的剪切强度随温度的升高而下降，所以，摩擦系数也相应减小，但这种减小的趋势却会因载荷、材料的硬度或弹性模量的减小而减慢。 材料的硬度会随着温度的升高而减小，但硬度下降会增大粘着力，因而使摩擦系数增大。 （5）、表面特性 1)表面几何特性 表面粗糙度小，表面较光滑，产生摩

12、擦的主要原因是粘着 。真实接触面积的大小起主要作用。因此，在这个区域内，随着表面粗糙度的逐渐增大，真实接触面积逐渐减小，摩擦系数也相应地逐渐减小。对应于中等粗糙度的表面，也就是一般工程实际中的工程表面，其摩擦系数几乎不受表面粗糙度的影响。表面非常粗糙，摩擦主要起因于表面微凸体的变形和犁削作用，因而摩擦系数随表面粗糙度的增大而增大。 2)表面膜 表面膜包括水蒸气、二氧化碳、氯和硫在纯净表面的吸附膜和反应膜，这类膜能使摩擦系数降低。因为膜本身的剪切强度低于基体材料，滑动时剪切阻力小。而且还可以避免或减轻粘着现象，从而使摩擦系数减小。 滑动摩擦系数的确定9、刚性球在弹性体上滑动时的摩擦系数只计算粘着

13、力滑动摩擦系数的确定10、滚动摩擦机理（1）微观滑移由于两接触材料弹性模量不同引起相对表面发生微观滑移（2）Heathcote滑移（3）弹性滞后（4）塑性变形11、滚动摩擦系数（1）定义：产生滚动时的外力矩M与垂直压力FN之比（2）定义：前进单位距离所消耗的功与载荷FN之比FN12、影响滚动摩擦的因素（1）、载荷 （2）、表面粗糙度 （3）、硬度第五章 磨损原理（15）1、磨损的定义磨损是由于机械作用和(或)化学反应(包括热化学、电化学和力化学等反应)，在固体的摩擦表面上产生的一种材料逐渐损耗的现象，这种损耗主要表现为固体表面尺寸和(或)形状的改变。2、磨损的三个主要特征：（1) 磨损是发生在

14、物体上的一种表面现象。材料内部裂纹引起的材料整体疲劳破坏和断裂不属于磨损的范畴；（2) 磨损是发生在物体摩擦表面上的一种现象，其接触表面必须有相对运动。单纯的腐蚀和某些高分子材料表面的老化都是在静止表面上发生化学反应(包括氧化)的结果，也不属于磨损的范畴；（3) 磨损必然产生物质损耗(包括材料转移)，而且它是具有时变特征的渐进的动态过程。因此，不产生材料逐渐损耗的、单纯的塑性变形也不属于磨损的范畴。 3、衡量磨损特性的主要参数是磨损率，通常可采用以下三种磨损率：（1）、线性磨损率： （2）、体积磨损率： （3）、重量磨损率：4、磨损的分类（1）、粘着磨损 (Adhesive wear)；两洁净

15、金属表面相互接触会形成强的金属接点；当表面粗糙的两固体，在法向压力作用下相互接触时，一小部分微凸体的顶峰受到很大压应力，摩擦表面润滑油膜、吸附膜或其他表面膜就会发生破裂，使接触峰点产生粘着，随后在滑动中粘着节点破坏，金属从表面撕裂下来，形成磨粒。当达到了流动压力时，就发生塑性变形。提高耐粘着磨损性能的措施 摩擦副的配合采用互溶性小的材料，减小亲合力，降低粘结的可能性。 采用润滑剂和添加剂 润滑油膜一方面可防止金属表面直接接触，另一方面可减小摩擦，成倍提高抗粘着磨损的能力。 采用表面处理 采用表面处理改变摩擦表面金属组织结构，避免同类金属表面接触。 （2）、磨料磨损或磨粒磨损 (Abrasive

16、 wear)；微切削或犁沟机制：磨料磨损是磨粒对金属表面进行微量切削的过程。（常见于塑性材料）磨料磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和水平分力。垂直分力使硬质点压入材料表面；水平分力使硬质点与表面之间产生相对位移，硬质点与材料相互作用的结果，使被磨损表面产生犁皱或一次切屑，形成磨损或在表面留下沟槽。犁皱多次变形后产生脱落而形成二次切屑。断裂机制：提高措施：提高材料的硬度； 进行表面耐磨处理 ；采用防护措施 （3）、疲劳磨损或表面疲劳磨损(Surface fatigue wear)；1最大切应力理论根据赫兹接触，最大切应力出现在材料接触表面下一定深度，在外力反复作用一定周次后，材料表面就会产生

17、局部塑性变形和加工硬化。在最大切应力处首先出现裂纹源，并沿着切应力方向发展。当裂纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落2缺陷引发微裂纹 在承受力和相对运动的情况下，材料表面及亚表面不仅有多变的接触应力而且还有切应力，这些外力反复作用一定周次后，材料表面就会产生局部塑性变形和加工硬化。在某些缺陷及组织不均匀处，由于应力集中，形成裂纹源，并沿着夹杂物走向发展。当裂纹扩展到表面时或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落3、油楔理论4、微观点蚀磨损理论 与宏观点蚀相比，微观点蚀的最大切应力更接近表面，裂纹深度浅。在循环应力下，可以诱发二次裂纹，扩展为宏观点蚀。提高措施合理选择润滑剂 润滑剂可避免材料表

18、面直接接触，并均化接触应力，缓冲冲击。润滑剂粘度越高越好，固体润滑剂比液体润滑剂好。 进行表面强化处理 采用喷丸、滚压等强化方法，使材料表面金属受压缩产生塑性变形，并产生宏观压缩应力，有利于提高抗疲劳磨损的能力。（4）、腐蚀磨损(Corrosive wear)或摩擦化学磨损(Tribo-chemical wear)。第一阶段：在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，形成反应物；第二阶段：表面反应物在随后的摩擦过程中被磨掉。反应物被磨掉后，新鲜表面暴露出来，重新与周围介质发生化学或电化学反应，重复第一阶段。（5）、其他。包括侵蚀磨损或冲蚀磨损 (Erosive wear) 和微动磨损(Fretting wear)等。微动磨损机理：发生于两个作小振幅（几十到几百微米）往复滑动的表面之间的微动损伤称为微动磨损，摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应力集中的根源，因而也是零件受动载失效的根源。提高措施：设计表面处理及涂层润滑表面加工硬化材料的选择 第五