中科大材料摩擦与磨损课件01金属表面特性

第一章

金属表面特性§1

金属表面几何形状固体的表面性质表面形貌：表面的形状表面组成：表面结构和物理、化学性质微凸体：…凸起的波峰……表面几何形状误差用表面波纹度、表面粗糙度描述1.表面波纹度又称宏观粗糙度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。减少零件实际支承表面面积，在动配合中使零件磨损加剧。波高h：波峰与波谷之间的距离。波距s：相邻两波形对应点的距离。

h/s≈1：40；s一般1~10mm

表面形貌轮廓微凸体xmm样品长度l中线：实体面积=空间面积空间实体Zi2.表面粗糙度又称微观粗糙度，无明显的周期性波距s较短（约2~800μm）波高h较小（约0.03~400μm）表面粗糙度越低，则表面越光亮。评定指标：Ra---轮廓算术平均偏差、Rq---轮廓均方根偏差Rz---微观不平度十点高度、Ry---轮廓最大高度。

中线m：实体面积＝空间面积

Zi—以中线为起点度量出的廓形高度n—在样品标准长度l内的测量次数l—随粗糙度而定，粗糙度等级不同，l值不同轮廓算术平均偏差Ra轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值的平方根Zi大的点比重大，能高度反映粗糙度Ra≈0.8Rq

轮廓均方根偏差Rq是在标准长度l内五个最高的轮廓峰高的平均值与五个最低的轮廓谷深的平均值之和

hpi—第i个最高的轮廓峰高hvi—第i个最低的轮廓谷深微观不平度十点高度Rz轮廓最大高度Ry是表面经常出现的微观不平度的最大高度。即在标准取样长度内轮廓顶线和轮廓谷底线之间的距离。一般取若干段，求Ry的平均值，避免出现用R偶然代替

Ry相互换算（在一定程度上）

表面Rq/Ra

Rz/Ra

Ry/Ra

车削磨削研磨随机统计1.10~1.151.18~1.301.30~1.501.254~55~7----

----4~57~147~148.03.表面轮廓高度的分布

以表面轮廓中线为x轴，在标准长度l内，每隔一定距离Δl，测量轮廓图形距参考中线的高度Z1、Z2、……Zi然后求出同一Z值的个数，作为该高度的纵标频数。微凸体高度分布微凸体高度分布曲线表面粗糙度越低，曲线越接近正态分布

ΔlZ1Z2ZiZx频率磨削表面轮廓高度分布曲线

-075-05–02500.250.50.75高度z（μ）80604020频率§2支承面积曲线能表示粗糙表层的微凸体的高度分布表示表面磨损到一定程度时，支承面积的大小主要用于计算实际接触面积简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线

llx3x2x1a1a2a3b1b2c1c2c3a1c1a2b2c2a3b3c3理想支承面积曲线轮廓支承长度率tp

tp=(a+b+c+……)/ltp=Ax/A0tp=bxν(近似逼近支承面积开始的一小段)

Ax—距峰顶为x处的支承面积

A0—距峰顶为Ry处的支承面积

x—距峰顶的距离B、ν—支承面积曲线参数，实测或计算获得支承面积曲线即轮廓支承长度率是所有纵坐标分布曲线的累计分布，由于大多数工程表面轮廓高度都接近正态分布支承面积曲线可表示为

Z为从中线开始测量的轮廓高度ψ（z）为轮廓高度分布的概率密度函数轮廓图形的高度层按支承面积大小将轮廓图形分为三个高度层<25%-----为波峰，为最高层25%~75%------为波中，为中间层>75%--------为波谷，为最低层

波峰与摩擦磨损有很大关系波谷与润滑情况下贮油性有关

§3金属的表面结构

金属的晶体结构面心立方晶胞fcc铜、银、金、铝、镍、铅、铑、γ铁、…….体心立方晶胞bcc钒、铌、钼、铬、钡、α铁、α钨……密排六方晶胞hcp镁、锌、镉、锆、α铍、α钛、α钴

表面晶体结构及缺陷

点缺陷肖脱基空位、弗兰克尔空位线缺陷位错---刃型位错、螺型位错、混合位错面缺陷界面

固态金属材料的重要界面表面指所研究的金属材料系统与周围气相或液相介质的接触面。晶界、亚晶界指多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向不同的两部分晶体之间的界面。相界指晶体内部，结构不同，甚至成分也不同的两部分晶体之间的界面§4表面能与表面张力

表面能大小与晶格类型有关随结合键能增加而增加。根据结合键能可以预计断开一个粘着接点所需的能量。表面自由能指晶体表面的单位面积自由能的增加，J/m2也可以用单位长度的表面张力（N/m）来表示。表面张力作用与表面上，力图使表面缩小。低表面能的晶面暴露在晶体的外表面晶体中各个晶面能不相同密排面的表面能较小（因为层面间距较大）。表面能愈低的面，摩擦也越小。§5金属表面的化学性质

物理吸附由于分子或原子相互吸引而产生的吸附。吸附能力较弱，对温度敏感，热量可使分子脱吸一般能量小于104J/mol。一般是在常温、低速、轻载条件形成。吸附和脱吸是完全可逆

化学吸附

吸附膜与固体表面之间发生电子互换或存在共用电子对。吸附膜与固体表面的结合力强。稳定，不可逆，高温下才脱吸。一般是在中等载荷、中等滑动速度及中等温度下形成。吸附强弱与固体表面和被吸附物质的特性有关。基本是一单层过程。氧化金属表面在加工过程中，新生表面一旦暴露，很快与空气中的氧起化学反应，形成金属氧化膜

Fe2O3Fe3O4FeOFe§6金属表层的组成

普通脏污层---油污或灰尘吸