中科大材料摩擦与磨损课件03摩擦

第三章

摩擦§1摩擦的定义及分类一、定义：摩擦力：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力。摩擦：上述现象称为～。外摩擦：摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关，称为～内摩擦：阻碍同一物体（如液体和气体）部分间相对移动的摩擦。二、分类：

1.按摩擦副的运动状态①静摩擦：静摩擦力随作用于物体的外力变化而变化。当外力克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。②动摩擦：一个物体沿另一物体表面相对运动时产生的摩擦。动摩擦力一般小于静摩擦力。2.按摩擦副的运动状态①滑动摩擦：物体接触表面相对滑动时的摩擦。②滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。3.按摩擦副的运动状态①纯净摩擦：摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦。在接触表面产生塑性变形（表面膜破坏）或在真空中摩擦时才发生。②干摩擦：在大气条件下，摩擦表面间没有润滑剂存在时的摩擦。③流动摩擦：相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦。摩擦发生在流体内部，流体可以是液体或气体。④边界摩擦：摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦。该膜称为边界膜，厚度大约为0.01μm或更薄。⑤混合摩擦：属于过渡状态的摩擦。如：半干摩擦，半流体摩擦。半干摩擦：同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦：同时有流体摩擦和边界摩擦的情况4.按摩擦副工作条件①正常工况条件下摩擦②特殊工况条件下摩擦现代机器设备中的摩擦副很多处于高速、低温、真空、辐射等特殊环境下，其摩擦磨损的性能也各具特点。

§2古典摩擦定律二、古典摩擦定律①摩擦力与作用与摩擦面的法向载荷成正比，（库仑定律）②摩擦力的大小与名义接触面积无关③静摩擦力大于动摩擦力④摩擦力的大小与滑动速度无关⑤摩擦力的方向总与接触表面间的相对速度的方向相反。一、历史渊源：古典摩擦定律片面性分析①第一条：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。②第二条：对于有一定屈服点的材料（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。③第三条：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。④第四条：对于很多材料，摩擦系数和滑动速度有关。在15至18世纪还没有出现现代的高速机器。§3滑动摩擦古典摩擦定律是在滑动摩擦的实验基础上提出的。滑动摩擦理论一般把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态。

一、滑动摩擦理论1.机械啮合理论（18世纪以前）观点：摩擦表面凹凸不平，凹凸部分交错啮合，阻碍物体相对运动。摩擦力是所有啮合点的切向阻力的总和。摩擦系数为粗糙斜角θ的正切，表面越粗糙，摩擦系数越大。不适用粗糙度达到表面分子引力发生作用的情况（如超精加工）。1919年哈迪实验：对经过研磨达到凸透镜程度的光洁表面和粗糙加工表面进行摩擦实验，发现前者的摩擦力大，且擦伤痕宽，表面破坏严重。2.分子理论（汤姆林逊假说）观点：在平衡状态时，固体原子间的排斥力和内聚力相中和。但是，当两个物体接触时，一个物体内的原子可能和第二个物体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。此时，两表面分开会造成能量的损失，并以摩擦阻力的形式出现。运动方向x１２３AAe设一表面对另一表面移动x，则机械功为μPx，P为两表面间总力，P=n0P0，其P0为接触点平均斥力，n0为界面接触原子数。E为原子碰撞能量损耗的平均值，设距离x中遭遇次数为n，则总能量损耗为nE，另外，a为概率因子，小于1。

结论：表明摩擦系数与摩擦副材料本身的性质有关。3.分子机械理论（1939年，克拉盖尔斯）观点：摩擦不仅取决于两个接触面间的分子作用，还取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌畸变。

分析：分子相互作用发生在极表层中，可触及到固体表层几百微米的深度。机械相互作用发生在固体本身厚度为几十微米和更厚的各层中。由于两者发生部位不同，可以把分子阻力和机械阻力近似相加。结论（摩擦分量的可加性已得到实验验证）分子分量和机械分量所占比率取决于载荷、表面粗糙度和波纹度、机械性能、摩擦副的分子特性及接触条件。比值可在很大范围变化。表面粗糙度或载荷增加，机械分量增大。流变性能表现愈突出，机械分量越大。对于十分光滑表面，其变形分量很小，机械分量可以忽略不记（在弹性接触情况下）分子机械理论既适用于干滑动摩擦，也适用于边界摩擦。推论4.粘着摩擦理论（鲍登和泰伯

）观点：两金属表面在摩擦过程中，会形成大于分子量级的金属接点，并在接点处发生剪切。此外，如果一个表面比另一个表面硬，则较硬表面的凸点会在较软表面上产生犁沟。因此，摩擦阻力可用剪切过程和犁沟过程两项之和表示。分析：在无润滑情况下，大多数金属的犁沟项与剪切项相比很小，可忽略。当金属表面相互压紧时，它们仅在微凸体顶端接触，实际接触面积很小，接触着的微凸体上压力很高，引起塑性变形。塑性流动使接触面积增大到实际接触面积能支承载荷为止。①简单粘着摩擦理论σy—金属屈服应力

Ar—实际接触面积

L—法向载荷结果：由于金属间紧密接触区发生牢固粘着，接点发生冷焊。摩擦力等于实际接触面积与接点材料的乘积；摩擦系数为接点材料剪切强度与材料屈服强度的比值。摩擦力与表观接触面积无关；摩擦力与法向载荷成正比。表明：认为材料是理想弹塑性体，忽略加工硬化影响。可取τ=τ0（临界剪切应力）而σy与τ0为两种金属中较软者得出：推论：对于大多数金属，τ0/比值相差不多，σy=5τ0在硬金属上镀覆一层软金属可降低摩擦系数（因为，载荷有母材承担，对应σy剪切发生在镀覆软金属层，对应τ0、μ值较小。）②修正的粘着摩擦理论Ⅰ、粘着接点长大现象：在滑动时，因切向力作用，材料的屈服是σ和τ的合成，当逐渐加大到τy，粘着点发生塑性流动，使接触面积增大产生接点增大。Ar=A+ΔA（实际接触面积）

如：在高真空里洁净金属表面严重粘着，理论摩擦系数与实际实验数据不符。说明：真空中，洁净表面摩擦，由于切向力作用，粘着接点增大，实际接触面积增加，因而摩擦系数增大。举例：假定：⑴实际接触面积是由塑性变形决定的；⑵两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开；⑶摩擦力是剪切膜所需的力。Ⅱ、污染膜的影响结果：τf为界面污染膜的剪切强度；σy为金属本体的屈服强度某些情况，由于表面污染膜的破坏，金属与金属直接接触，界面的有效剪切强度介于较软金属表面剪切强度和表面污染膜的剪切强度之间。故摩擦系数决定于金属对金属和金属对污染膜摩擦时实际接触面积所占比例。摩擦副在空气中，大多数金属表面被薄的氧化膜所覆盖。当剪切力τ0达到污染膜剪切强度τf，表面膜被剪断，摩擦副开始滑动。结论与简单摩擦理论中的软金属膜在硬基体上的摩擦系数表达式一致。讨论说明：当硬金属粗糙表面在软金属表面滑动时，硬金属上的微凸体可能压入软金属表面使之产生塑性变形，并划出沟槽。此时，摩擦力中的犁削项是主要项。在磨粒磨损过程中，是摩擦力主要分量。Kp：由于摩擦时犁沟前方材料的压皱和积聚，使A2大大增加。同时，考虑各向同性假设的不完全性等误差，在μp前加以系数Kp。一般随相对硬度的减小，系数Kp随之增大。

Ⅲ、犁沟分量ddFA1A2滑动方向金属圆锥：载荷支承面积：沟槽面积：假定：塑性屈服的金属各向同性，屈服压力为σy，则载荷摩擦阻力因而，有犁沟引起的摩擦系数μp为二、影响滑动摩擦的因素1.金属性质2.粗糙度3.温度4.速度5.表面膜Ⅰ、同一或类似的金属或有可能形成固溶合金的金属，摩擦较严重。Ⅱ、不同金属或低亲和力的金属组成的摩擦副摩擦系数较低。Ⅲ、单相合金的性质象纯金属，摩擦性能一般与主要组元相似。Ⅳ、多相合金（如Cu-Pb轴承合金）情况较复杂，当含少量软相时，摩擦系数较低，原因是软相能涂抹在合金表面充当润滑剂。1.金属性质Ⅰ、非常粗糙表面出现高的摩擦系数。因为滑动时，一个表面必须越过另一表面的驼峰Ⅱ、非常光滑表面的摩擦系数更大。因为真实接触面积增大，表面间分子作用加强。2.粗糙度粗糙度μⅠ、温度升高两金属摩擦副的可焊性增加，强度降低，表面氧化。Ⅱ、高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决于其高温强度、可焊性以及所形成的表面膜Ⅲ、一般金属摩擦副的摩擦系数随温度升高而下降，但变化不大。（金-金摩擦副不同）3.温度1882年，德国学者，弗兰克，μ0——静摩擦系数，v——速度，c——常数。克拉盖尔斯基等人，0.004~25m/s，0.0008~0.17Mpa，摩擦实验：⑴当速度增大，摩擦系数通过一个最大值。⑵当压力增大，该最大值对应于最小的速度值。4.速度金属表面常覆盖有氧化膜、吸附气体膜及其他形式的污染膜。Ⅰ、有润滑的摩擦系数均小于无润滑的摩擦系数。Ⅱ、表面存在各种薄膜时，膜的剪切强度一般小于金属，同时摩擦发生在膜内，使摩擦表面不易发生粘着，使摩擦系数降低。Ⅲ、膜的厚度对摩擦系数影响很大。摩擦系数随氧化膜厚加大而增大。5.表面膜§4滚动摩擦F0ORO1沿平面滚动的物体计算简图一、基本概念一类传递很大切向力，如机车主动轮。另一类传递较小的切向力，通常称为“自由滚动”。1.无滑动滚动（纯滚动）转过角度φ后，轮轴相对于基础移动了Rφ2.瞬时旋转轴过O1点而垂直与轮子的滚动平面的轴3.驱动力矩F0力的作用线与瞬时旋转轴相距一段非零的距离形成力对O1点的力矩。数值上等于滚动阻力距。4.滚动摩擦系数Ⅰ（mm）5.滚动摩擦系数Ⅱ（无量纲）轮子转过角度Δφ，驱动力作功：Ａφ＝Ｆ0RΔφ=MΔφ而轮子所走过距离Δs=RΔφ

一、滚动摩擦机理1.微观滑动①雷诺（1876）接触面积上存在有滑动摩擦力作用的滑移区是引起滚动阻力的原因之一。弹性常数不同的两个物体赫兹接触时，若两物体一起自由滚动，作用在每一个物体的压力一般在两表面上引起的切向位移不等，导致界面微观滑移。A132B硬的圆柱体在弹性平面上滚动加载后圆柱体在橡胶中压入一条沟槽压缩引起的伸长在1处比2、3处要大在滚动过程中，A、B表面伸长不同，B是弹性体，伸长大；A弹性差，表面伸长小。则A、B的界面由于伸长的差异而发生滑动。②希思柯特型滑移AA’Lβ当一个球在槽型滚道内滚动时，接触面积为椭圆形。球滚动时的瞬时转动中心为瞬时轴线AA’接触区内个接触点的线速度不同，导致滑移发生存在三个滑移区：接触区中央部分，滑移方向与滚动方向相反；但两侧与滚动方向相同。实验表明：研究球半径与槽半径的比值RB/RG>0.8时，希思柯特型滑动所造成的摩擦损失较大RB/RG=0.5~0.6时，摩擦损失达到最小值继续减小，则由于接触压力增大，使摩擦阻力增大。如果槽和球的曲率半径小于20%，则由滑移引起的阻力要比滞后损失大。材料受力变形时，在弹性范围内，如果将应变放大，常发现加载线和卸载线不重合，加载线高于卸载线。应力应变加荷线卸荷线Δr2.弹性滞后定义：加载时用于变形的功大于卸载时材料放出的功，有一部分功被材料吸收的现象。弹性滞后回线：加载线和卸载线所围成的封闭回线。所包围的面积，表示材料在一次应力循环中以不可逆方式吸收的能量。1952，泰伯，滚动摩擦的弹性滞后理论：例如：圆柱在平面滚动（移动单位距离后）接触区压力分布：接触区前部压力引起的力矩：前部材料压缩所作弹性功：滚动摩擦力：α以载荷L来表示：滚动摩擦系数：泰伯认为：微观滑移对滚动摩擦阻力影响较小；弹性滞后损失是滚动摩擦阻力主要原因。总之，在弹性范围内滚动，滚动摩擦由弹性滞后现象和微观滑移引起的。⑴滚动接触材料应力状态与单向拉伸不同。所以，圆柱滚动时弹性滞后损失系数α约为简单拉伸实验测得的α的3倍。⑵弹性滞后损失与变形速率有关。在低速情况下，接触区后部材料有充分时间恢复变形，接触区压力基本是对称分布，所以滚动摩擦阻力小；在高速情况下，滚动摩擦阻力增大。说明：默温—约翰逊，金属间滚动阻力，塑性变形机理：金属物体滚动接触时，若接触压力超过一定数值，将产生屈服。3.塑性变形自由滚动的圆柱体：球体在平面上滚动：泰伯，近似解法；滚动阻力主要由球体前方的塑性变形造成的。半径越大，接触面积和弹性变形越小，F愈小。4.粘着作用滚动摩擦副：产生粘着，粘着接点在分离时其方向垂直于界面，没有接点增大现象。滑动摩擦副：产生粘着，粘着接点在分离时其方向与界面相切，有接点增大现象。滚动摩擦的粘着力：主要是较弱的范德华力滚动摩擦系数小于干滑动摩擦的原因：

滚动摩擦副没有接点增大现象滚动摩擦的接点在分离时，仍有污染膜存在。摩擦副的结构形式、摩擦副的材料的不同匹配等都会影响滚动摩擦。材料副愈硬，球直径愈大，滚动摩擦阻力越小。随载荷增加，滚动摩擦阻力也增大。三、滚动摩擦的影响因素其中n=1.7~1.85m=1.5~1.6D滚子直径、F稳定摩擦力、L载荷。D不变，F和L呈函数关系。L不变，F和D呈函数关系§5边界摩擦一、基本概念与特点⒈定义：又称边界润滑，是指相对表面运动的两个表面被很薄的润滑膜（厚度在0.1μm以下）隔开，两表面间的摩擦和磨损不是取决于润滑