中科大材料摩擦与磨损课件02金属表面的接触

第二章

金属表面的接触§1接触表面的相互作用

接触位置两个表面相应微凸体高度之和的最大值部分开始接触变形弹塑性变形状态，成对最高的微凸体变形最大粘着作用粘着点---面积小应力大---分子相互作用

机械相互作用以变形和位移适应相对运动

摩擦副分类（按金属焊合性）完全焊合性：Pb-Cu、Zn-Cu、Al-Cu、Cu-Fe、Mg-Al、Mg-Cu；部分焊合性：Cu-Ag、Zn-Fe、Al-Fe、Zn-Al、Zn-Ti、Al-Ti；有限焊合性：Ag-Zr、Pb-Fe、Ag-Fe、Mg-Fe；

机械相互作用发生变形和位移以适应相对运动较硬的材料的微凸体会嵌入较软材料的表面中，较软材料的表面微凸体被压扁和改变形状。

运动方向AB微凸体互嵌——微凸体不发生变形就不能产生运动宏观位移——在运动中硬球A压向较软的表面B时引起材料B的位移§2接触面积

分类：名义接触面积-----------An即接触面积的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定，又称表观接触面积。轮廓接触面积---------Ap即物体的接触面积被压扁部分所形成的面积，与载荷相关。实际接触面积-----------Ar即物体实际接触面积的总和

实际接触面积与所加载荷的关系K为与材料弹性性质和假设的表面结构有关的系数；m依表面接触模型而异；表面接触的形式愈复杂，实际接触面积与载荷愈接近线形关系。两个固体表面接触时，Ar仅为An的很少一部分，一般为0.01~0.1%，而Ap一般为An的5~15%。Ar=KLm理查德Archard实际接触面积与载荷的关系

微凸体等高的情况：假设：粗糙表面、微凸体、半径为R、球面弓形体、载荷影响独立、基准平面xx′、高度相等、单位名义面积的光滑平面。

xx′zd弹性接触

实际接触面积Ai比An小名义接触面积接触半径δ为法向接近量原因：加载时弹性球的侧向变形受到限制。故实际接触面积Ai比An小。

按赫兹理论计算每个微凸体各个微凸体发生相同变形并承受相同载荷Li，当单位面积有n个微凸体，总载荷L为nLi（z-d）为法向接近量Ｅ′综合弹性模量、υ为泊松系数

实际接触面积与载荷的关系塑性接触假设载荷使微凸体在一恒定流动压力p下发生塑性变形，材料作垂直向下的位移而不作水平扩展。则实际接触面积Ar等于名义接触面积2πRδ实际接触面积Ar与载荷成线形关系载荷可表示：§3接触力学

1.接触模型分类：3种球面与球面的接触球面与平面的接触棒与棒的接触

所有金属表面都是由很多微凸体组成，而微凸体可以看作微小的球体，所以平直物体的接触可以看作粗糙球面接触。

1第一、二种模型：车轮、滚动轴承、齿轮接触第三种模型：只适用于微凸体数目较多且彼此大小相近的情况，如机床导轨、锉刀与平面的接触2.接触应力分析

2.1球面与球面的接触假设：两球体接触，半径R1，R2，压力L，表面局部弹性变形，形成半径为a的圆形接触面。LR1R22a接触应力：压力经过接触面传递到第二个表面而在接触面上形成的应力，是一种表面应力。接触面压力分布不均匀，呈椭圆分布。

赫兹假定：（1）材料为完全弹性体（2）表面是光滑的（3）接触物体没有相对滚动（4）接触物体不传递切向力

当两球为钢球时，E1=E2=E，υ1=υ2=0.3综合曲率半径R满足：最大接触应力位于接触圆面的中心；而r=a处，应力为零。

2.2球面与平面的接触令接触两球中的一球半径R2趋于无穷大设圆球面积为R0LO·2a弹性压入面积压缩应力2.3

圆球面与凹球面的接触

在接触两球中，令凹球半径为-R2。可看作球面与凹球面的接触。

最大的剪应力τmax在x=0处，且离表面0.47a的材料内部。如o点。两个钢制圆柱体接触

平均压力q=L/s，s为圆柱体长。

在弹性变形时，最大接触压应力与载荷不成线形关系，而是与载荷的平方根或立方根成正比①应力和载荷成非线形关系；②应力与材料的弹性模量E和泊松系数υ有关

2.5接触应力的特征3种接触情况只是综合曲率半径R的意义不同，起最大接触应力的表达式是完全相同的。而且，最大接触应力是在表面上，位于接触面中心。§4接触变形

球体和平面的接触为例载荷L，半径R的球体，刚性平面，弹性接触，球体弹性变形。

1.变形量：2.实际接触面积：

弹性接触3.平均接触应力：

时由弹性变形进入塑性变形。

当Ｈ－材料布氏硬度4.塑性变形的条件：过渡点：由完全弹性到完全塑性

同除Rs1/2得：Ｒs－微凸体高度均方根5.塑性指数：通常将的倒数称为塑性指数，用ψ表示。ψ－塑性指数（无量纲）Ｅ―综合弹性模量（Ｎ／cm２）Ｈ－材料布氏硬度（Ｎ／cm２）Ｒs－微凸体高度均方根（μm）Ｒ－微凸体曲率半（μm）表面粗糙度