第一章 材料的摩擦

1、QQQQ糖糖 材料磨损原理材料磨损原理及其耐磨性及其耐磨性Page 2第一章第一章 材料的摩擦材料的摩擦固体材料表面的几何特性固体材料表面的几何特性固体表面的物理特性固体表面的物理特性摩擦的基本知识和分类摩擦的基本知识和分类摩擦与磨损的关系摩擦与磨损的关系固体表面的化学特性固体表面的化学特性材料磨损与磨损参量材料磨损与磨损参量Page 3实际的零件表面不可能是绝实际的零件表面不可能是绝对平整光滑的，因为任何零对平整光滑的，因为任何零件都是由某种加工方法制造件都是由某种加工方法制造出来的。如：铸造、模压成出来的。如：铸造、模压成型、切削、研磨、腐蚀、电型、切削、研磨、腐蚀、电镀、喷涂、溅射等。它

2、们都镀、喷涂、溅射等。它们都会造成各种各样的表面粗糙会造成各种各样的表面粗糙度度。01、固体材料表面的几何特性、固体材料表面的几何特性 机械抛光表面的SEM（扫描电子显微镜）形貌电镀表面的SEM形貌Page 4 表面轮廓一般可分为三个范畴：表面轮廓一般可分为三个范畴：几何偏差、波纹度及粗糙度。几何偏差、波纹度及粗糙度。n几何偏差：如圆孔出现了椭圆度，圆柱体出现了锥度，这种偏差往往不被认为是表面形貌的的组成部分。n波纹度：大体上周期出现的波峰与波谷的分布。经常是由于机加工时不均匀的进刀，不均匀的切削力或机床的振动引起的。n粗糙度：在较短的距离内（2800um）出现的凹凸不平，它是摩擦它是摩擦学研

3、究中最重要的一类表面特性学研究中最重要的一类表面特性。1.1、表面轮廓范畴、表面轮廓范畴Page 5n任取任一间隔，对此间隔内的轮廓高度进行统计，可获得高度分布曲线，一般呈高斯分布。若用其积分形式表示表面形貌特征，则为承载面积曲线承载面积曲线。该曲线可以表示当一理想平面与实际粗糙表面接触时，在某一高度，承载面积（或接触面积）的百分数。1.2、表面形貌特征的表示方法、表面形貌特征的表示方法n还可以根据大量平行的二维形貌曲线用计算机绘制三维形貌三维形貌图图或“地形图地形图”。该方法可以反映较大面积的表面形貌特征，较直观，但费时。 加工表面的三维形貌图 “地形图”Page 6 物理特性主要指的是硬度

4、、残余应力、组织物理特性主要指的是硬度、残余应力、组织转变、塑性变形、微观缺陷等等。总之是加工转变、塑性变形、微观缺陷等等。总之是加工过程中引起的表面层塑性变形及局部加热造成过程中引起的表面层塑性变形及局部加热造成的结果。的结果。 一般加工表面层的组织是不均匀的。 边界层1是由吸附的气体、水分及润滑冷却液形成的，只能在真空中加热去除；表层2是强烈变形层，晶格歪扭，晶粒碎化，并可能出现脱碳、空洞及微裂纹；表层3是变形层，在其中可能由于高温的作用而出现自由渗碳体；表层4为原始组织。在精加工时2,3层的厚度可能相应减小。02、固体表面的物理特性、固体表面的物理特性Page 7n 表面层的强化表面层的

5、强化反映在硬度的变化上。最表面显微硬度反映在硬度的变化上。最表面显微硬度值可超过原始硬度的值可超过原始硬度的30%50%。易发生加工硬化现象（。易发生加工硬化现象（金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象）。而塑性和韧性降低的现象）。n 加工过程中，塑性变形和温度场都会产生应力，两者引起加工过程中，塑性变形和温度场都会产生应力，两者引起的应力是同时在起作用的。最后的应力状态取决于哪方面的应力是同时在起作用的。最后的应力状态取决于哪方面的作用更强。若加工表面的温度低于从弹性变形到塑性变的作用更强。若加工表面的温度低

6、于从弹性变形到塑性变形的转变温度，则温度应力将是暂时的，在完全冷却后便形的转变温度，则温度应力将是暂时的，在完全冷却后便会消失。会消失。2.1、加工过程中表面层的特性、加工过程中表面层的特性Page 8n 机械加工可能引起表面层组织结构的变化，如形成织构。机械加工可能引起表面层组织结构的变化，如形成织构。当温度很高时，可能引起相变。二次淬火可能形成一层奥当温度很高时，可能引起相变。二次淬火可能形成一层奥氏体氏体马氏体组织。局部热量较集中可能出现局部相变现马氏体组织。局部热量较集中可能出现局部相变现象。由于不同的组织具有不同的比容，表面层会出现由于象。由于不同的组织具有不同的比容，表面层会出现由

7、于相变过程而造成的组织应力。相变过程而造成的组织应力。 n 表面层的塑性变形还会造成各种各样的微观缺陷表面层的塑性变形还会造成各种各样的微观缺陷空穴空穴、间隙原子、位错、微裂纹等等、间隙原子、位错、微裂纹等等它们会削弱材料的强它们会削弱材料的强度，并成为表面损伤的根源。度，并成为表面损伤的根源。 2.1、加工过程中表面层的特性、加工过程中表面层的特性Page 903、 固体表面的化学特性固体表面的化学特性 除去表面物理及冶金性能以外，材料的化学性能也非常的重要。摩擦除去表面物理及冶金性能以外，材料的化学性能也非常的重要。摩擦学表面的化学特性可由环境或集体材料所决定。当材料中含有少量的合金学表面

8、的化学特性可由环境或集体材料所决定。当材料中含有少量的合金元素时，它们可以改变固体表面的特性。元素时，它们可以改变固体表面的特性。 如图中所示为一含3%碳灰铸铁磨痕表面的形貌照片。在磨痕中可以观察到很多黑斑，用仪器对黑斑进行分析，证明其为碳，表明铸铁中的石墨一再摩擦过程中扩散到表面，并形成了一层表面保护膜。起到了固体润滑剂的作用，它可以减少粘着磨损，并防止金属的转移。Page 10n 实际的摩擦学表面都是固体表面与环境相互作用的产物。通过这些相互作用，可以形成氧化物、氮化物或氢氧化物等各种表面膜。n 通过固体与润滑油，添加剂或固体表面之年的化学反应形成的。这些化学反应都有可以显著地降低表面能，

9、并改变固体表面的成分。n 从前面的例子可以看出，合金元素可以显著的改变固体表面的从前面的例子可以看出，合金元素可以显著的改变固体表面的化学特性，它们与表面的化学作用，或形成表面膜，都能防止化学特性，它们与表面的化学作用，或形成表面膜，都能防止固体表面之间的粘着现象。固体表面之间的粘着现象。3.1、表面膜的形成机制、表面膜的形成机制Page 11n 吸附现象吸附现象是固体表面的物理化学特性。具有最大吸附能力是固体表面的物理化学特性。具有最大吸附能力的是表面活性物质，其分子排列与表面垂直（有机酸、酒精等的是表面活性物质，其分子排列与表面垂直（有机酸、酒精等），而且它们的分子中存在两个异号的空间电荷

10、，这种极化了），而且它们的分子中存在两个异号的空间电荷，这种极化了的分子可以被固体表面吸引。如把金属放入脂肪酸溶液中，脂的分子可以被固体表面吸引。如把金属放入脂肪酸溶液中，脂肪酸分子会从液固界面排除溶剂分子，而与金属表面连接。肪酸分子会从液固界面排除溶剂分子，而与金属表面连接。n 表面活性介质的存在会影响固体表面的变形方式及破坏过程，表面活性介质的存在会影响固体表面的变形方式及破坏过程，由于表面活性物质的吸附，可以显著地降低变形计破坏的抗力由于表面活性物质的吸附，可以显著地降低变形计破坏的抗力、其原因是吸附膜能降低固体的表面能，从而使位错易于开动、其原因是吸附膜能降低固体的表面能，从而使位错易

11、于开动。3.2、表面吸附现象、表面吸附现象Page 1204、 摩擦的基本知识和分类摩擦的基本知识和分类n 摩擦力摩擦力当两个互相接触的固体当两个互相接触的固体， 在外力作用下作相对的切向运动、在外力作用下作相对的切向运动、 或具有相对切向运动趋势时，在两或具有相对切向运动趋势时，在两 固体接触表面之间就会产生一种运固体接触表面之间就会产生一种运 动阻力。这种现象称为摩擦现象。动阻力。这种现象称为摩擦现象。 n 外摩擦外摩擦摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关，摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体的内部状态无关的摩擦。而与物体的内部状态无关的摩擦。 n 内摩擦内摩擦阻碍同一物体各

12、部分间相对移动的摩擦。阻碍同一物体各部分间相对移动的摩擦。 Page 13n 经典摩擦定律：经典摩擦定律：第一定律：第一定律：滑动摩擦力的大小与接触面之间的法向载荷成正比。第二定律：第二定律：滑动摩擦力的大小与各义接触面积无关。第三定律：第三定律：滑动摩擦力的大小与滑动速度无关。n 粘着摩擦理论：粘着摩擦理论：当两表面相接触时，在载荷作用下，主要在微凸体的顶端接触，接触点的单位压力很大，使其产生塑性变形，表面变形点将牢固的粘着，使两表面形成一体，即称为粘着或冷焊。当一表面相对另一表面滑动时，则剪断这些连接粘着点的力就是摩擦力。一般来说，对于理想的弹一般来说，对于理想的弹- -塑性材料，摩擦力主

13、要就是剪断金属粘结点所塑性材料，摩擦力主要就是剪断金属粘结点所需的剪切力。需的剪切力。4.1、 摩擦的基本知识摩擦的基本知识Page 14n a，按摩擦副的运动状态分类：，按摩擦副的运动状态分类：（1）静摩擦：两个物体在作宏观运动前的微观滑移，其接触表面之间的摩擦称为静摩擦。（2）动摩擦：两个物体作相对运动时，其接触表面之间的摩擦称为动摩擦。一般情况下，动摩擦系数小于最大静摩擦系数。n b，按摩擦副的运动形式分类：，按摩擦副的运动形式分类：（1）滑动摩擦：两个相互接触的表面作相对滑动时摩擦，称为滑动摩擦。（2）滚动摩擦：物体在力矩的作用下，沿接触表面滚动时的摩擦，称为滚动摩擦。如各种车辆的车轮

14、在地面的滚动等。4.2、 摩擦的分类摩擦的分类Page 15n c，按摩擦副表面的润滑状况分类：，按摩擦副表面的润滑状况分类：（1）干摩擦：常指名义上无润滑的摩擦。（2）流体摩擦：被具有体积特性的流体层隔开的两固体相对运动的摩擦。摩擦发生在流体内部分子之间，摩擦力的大小与摩擦副表面状态无关，而只与流体内部的分子运动阻力有关，即与流体粘性有关。（3）边界摩擦：两固体接触表面间被存在一层极薄的润滑膜隔开，其摩擦和磨损不取决于润滑剂的粘度，而是取决于两固体表面的特征和润滑剂的特性。4.2、 摩擦的分类摩擦的分类Page 1605、 摩擦与磨损的关系摩擦与磨损的关系n 摩擦与磨损之间有内在联系，摩擦是

15、原因，磨损是结果，摩擦与磨损之间有内在联系，摩擦是原因，磨损是结果，摩擦与磨损都是表面现象，且必须先有接触，才能出现这摩擦与磨损都是表面现象，且必须先有接触，才能出现这些现象。研究摩擦与磨损的目的是在于控制摩擦，减小磨些现象。研究摩擦与磨损的目的是在于控制摩擦，减小磨损。损。Page 1706、 材料磨损与磨损参量材料磨损与磨损参量n 材料磨损材料磨损：相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。n 磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对材料磨损的主要参量由三种：磨损量、耐磨性磨损量、耐磨性和磨损比。和磨

16、损比。Page 186.1、 磨损参量磨损参量n 材料磨损材料磨损：相互接触的物体在相对运动中，表层材料不断损失、转移或产生残余变形的现象称为磨损，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。n 磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对材料磨损的主要参量由三种：磨损量、耐磨性磨损量、耐磨性和磨损比。和磨损比。Page 19n 1、磨损量磨损量n 评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量 Wt、体积磨损量 Wv 和重量磨损量 Ww 。长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的该变量，这在实际设备的磨损过程中经常使用。体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的该变量。在实验室试验中，往往是首先测量试样的重量磨损量，然后再换算成为体积磨损量来比较和分析研究的。从磨损失效的形式来说，用体积磨损量比用重量磨损量来表达，更为合理些。n 在所有的情况下，磨损都是时间的函数，因此用磨损率来表示时间的特性。其他指标还有磨损强度和磨损速度。6.1、 磨损参量磨损参量Page 20n 2 2、 耐磨性耐磨性n 材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料的耐磨损的特性。材料的耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性，材料的相对耐磨性是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值。n 磨损量一般用体积磨损量，特殊情况下也可以使用其他磨损量。n 耐磨性