磨损及耐磨材料

1、changchang anan universityuniversity2009-03-10 磨 损 及 耐 磨 材 料 wear and wear resistant materials 磨 损 及 耐 磨 材 料 wear and wear resistant materials 主讲：张凤英 材料成型及控制工程专业必修课程材料成型及控制工程专业必修课程材料成型及控制工程专业必修课程材料成型及控制工程专业必修课程 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章 固体的表面与接触特性 第一章 固体的表面与接触特性 材料成型及控制工程专业必

2、修课程材料成型及控制工程专业必修课程材料成型及控制工程专业必修课程材料成型及控制工程专业必修课程 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章内容回顾第一章内容回顾第一章内容回顾第一章内容回顾 固体的表面固体的表面固体的表面固体的表面 及接触特性及接触特性及接触特性及接触特性 几何特性 物理化学特性 接触特性 物理机械特性 化学特性 接触特性？ 形状偏差 表面波纹度 表面粗糙度 支承面积曲线 描述高度方 向的偏差 反映表面凸峰 形状大小和分布 内表层 外表层 changchang anan universityuniversity2009

3、-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 物体摩擦表面接触特点 ?金属表面总是处于弹塑性变形状态金属表面总是处于弹塑性变形状态金属表面总是处于弹塑性变形状态金属表面总是处于弹塑性变形状态：微凸体高度不同微凸体高度不同微凸体高度不同微凸体高度不同，每一时刻每一时刻每一时刻每一时刻，同一表面的同一表面的同一表面的同一表面的 微凸体变形程度不同微凸体变形程度不同微凸体变形程度不同微凸体变形程度不同 如何描述表面接触状态？ ?接触具有不连续性和不均匀性接触具有不连续性和不均匀性接触具有不连续

4、性和不均匀性接触具有不连续性和不均匀性：只是凸起的微峰之间形成接触点只是凸起的微峰之间形成接触点只是凸起的微峰之间形成接触点只是凸起的微峰之间形成接触点，在此处存在在此处存在在此处存在在此处存在 原子间作用力原子间作用力原子间作用力原子间作用力。接触点以外区域表面被完全隔开接触点以外区域表面被完全隔开接触点以外区域表面被完全隔开接触点以外区域表面被完全隔开，表面间原子不存在作用力表面间原子不存在作用力表面间原子不存在作用力表面间原子不存在作用力 图1 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体

5、的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 表面间的接触面积 表观（名义）接触面积 an：接触表面的宏观面积anab 轮廓接触面积 ap：物体的接触表面被压扁部分所围成的面积，占表观面积的5% 15% 真实（实际）接触面积 ar：物体真实接触面积的总和，占表观面积的0.01%0.1% 图3 图4 changchang anan universityuniversity2009-03-10 ?由于表面粗糙度具有离散性由于表面粗糙度具有离散性由于表面粗糙度具有离散性由于表面粗糙度具有离散性，所以它们的接触也具有离散性所以它们的接触也具有离散性所以它们的

6、接触也具有离散性所以它们的接触也具有离散性 ?实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生 ?实际接触面积随载荷的增加而增大实际接触面积随载荷的增加而增大实际接触面积随载荷的增加而增大实际接触面积随载荷的增加而增大，接触斑点的平均面积几乎不变接触斑点的平均面积几乎不变接触斑点的平均面积几乎不变接触斑点的平均面积几乎不变，而是接触而是接触而是接触而是接触 斑点数量在增加斑点数量在增加斑点数量在增加斑点数量在增加 ?由于表面粗糙度具有离散性由于表面粗糙

7、度具有离散性由于表面粗糙度具有离散性由于表面粗糙度具有离散性，所以它们的接触也具有离散性所以它们的接触也具有离散性所以它们的接触也具有离散性所以它们的接触也具有离散性 ?实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生实际的接触点不仅由塑性变形而且也由弹性变形所产生 ?实际接触面积随载荷的增加而增大实际接触面积随载荷的增加而增大实际接触面积随载荷的增加而增大实际接触面积随载荷的增加而增大，接触斑点的平均面积几乎不变接触斑点的平均面积几乎不变接触斑点的平均面积几乎不变接触斑点的平均面积几乎不变，而是接

8、触而是接触而是接触而是接触 斑点数量在增加斑点数量在增加斑点数量在增加斑点数量在增加 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 ?实际接触面积形成过程的特点实际接触面积形成过程的特点实际接触面积形成过程的特点实际接触面积形成过程的特点 图5 载荷与变形关系曲陑 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 实际接

9、触面积的计算 ?早期的观点认为早期的观点认为早期的观点认为早期的观点认为（1939年年年年，鲍登和泰博鲍登和泰博鲍登和泰博鲍登和泰博）：）：）：）： l=arpy或或或或 ar=l/ py 较软材料的屈服强度较软材料的屈服强度较软材料的屈服强度较软材料的屈服强度 ； l载荷载荷载荷载荷 分析的出发点分析的出发点分析的出发点分析的出发点：由于实际接触面积很小由于实际接触面积很小由于实际接触面积很小由于实际接触面积很小，即使载荷即使载荷即使载荷即使载荷l 很小很小很小很小，接触点上的应力也很大接触点上的应力也很大接触点上的应力也很大接触点上的应力也很大，因因因因 此此此此假设所有进入接触的微凸体都

10、会发生塑性变形假设所有进入接触的微凸体都会发生塑性变形假设所有进入接触的微凸体都会发生塑性变形假设所有进入接触的微凸体都会发生塑性变形，即随着即随着即随着即随着l 的增大的增大的增大的增大，接触点上的应力逐接触点上的应力逐接触点上的应力逐接触点上的应力逐 步达到材料的屈服极限步达到材料的屈服极限步达到材料的屈服极限步达到材料的屈服极限py， ，便产生塑性流动 便产生塑性流动便产生塑性流动便产生塑性流动，因而增大接触面积和接触点数因而增大接触面积和接触点数因而增大接触面积和接触点数因而增大接触面积和接触点数，此时应力并此时应力并此时应力并此时应力并 不增加不增加不增加不增加，当当当当ar和和和和

11、py的乘积等于载荷的乘积等于载荷的乘积等于载荷的乘积等于载荷l 时时时时，接触点上的塑性流动停止接触点上的塑性流动停止接触点上的塑性流动停止接触点上的塑性流动停止，因而得出因而得出因而得出因而得出ar=l/py 准确准确准确准确？ no y p 1 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 当微凸体为弹性变形时当微凸体为弹性变形时当微凸体为弹性变形时当微凸体为弹性变形时，仅在微凸体高度的分布接近指数型的情

12、况下仅在微凸体高度的分布接近指数型的情况下仅在微凸体高度的分布接近指数型的情况下仅在微凸体高度的分布接近指数型的情况下， 载荷与实际接触面积才具有陑性关系载荷与实际接触面积才具有陑性关系载荷与实际接触面积才具有陑性关系载荷与实际接触面积才具有陑性关系。因此实际接触面积只能表达为因此实际接触面积只能表达为因此实际接触面积只能表达为因此实际接触面积只能表达为： arl/ py 实验发现实验发现实验发现实验发现：表面间的接触表面间的接触表面间的接触表面间的接触 变形不完全是塑性变形变形不完全是塑性变形变形不完全是塑性变形变形不完全是塑性变形， 还包括弹性变形部分还包括弹性变形部分还包括弹性变形部分还

13、包括弹性变形部分， changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 接触力学 ? 模型建立模型建立模型建立模型建立三种模型三种模型三种模型三种模型 研究对象研究对象研究对象研究对象：固体表面接触区的应力及变形问题固体表面接触区的应力及变形问题固体表面接触区的应力及变形问题固体表面接触区的应力及变形问题 球面球面接触模型球面平面接触模型棒棒接触模型 车轮 与路轨、滚动轴承、齿轮轮齿的接触机床导轨、锉刀与平面的接触

14、 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 基本假设： ?两个接触体材料是绝对均匀和各向同性两个接触体材料是绝对均匀和各向同性两个接触体材料是绝对均匀和各向同性两个接触体材料是绝对均匀和各向同性 ?发生的变形都在弹性极限以内发生的变形都在弹性极限以内发生的变形都在弹性极限以内发生的变形都在弹性极限以内，没有任何塑性变形没有任何塑性变形没有任何塑性变形没有任何塑性变形 ?两接触表面是绝对光滑的两接触表面是绝

15、对光滑的两接触表面是绝对光滑的两接触表面是绝对光滑的 ?不存在切向载荷不存在切向载荷不存在切向载荷不存在切向载荷，即不考虑摩擦力即不考虑摩擦力即不考虑摩擦力即不考虑摩擦力 ?接触面积比整个接触体要小得多接触面积比整个接触体要小得多接触面积比整个接触体要小得多接触面积比整个接触体要小得多 ?在表面之间不存在润滑剂在表面之间不存在润滑剂在表面之间不存在润滑剂在表面之间不存在润滑剂 图8 表面球-球接触模型 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接

16、触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 max 2 33 22 m l a = 2 2 m l a = 1 22 12 12 3 12 11 3 11 4 eel rr + = + 其中：3 e-弹性模量 -波松比 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 将公式3代入公式2 22 1212 33 max 2222 1212 1212 1111 344 0.58 1111233 rrrr ll eeee

17、+ = + 当两球均为钢球时，同时取综合曲率半径r，即 ，则 当两球均为钢球时，同时取综合曲率半径r，即 ，则 12 eee= 12 0.3= 12 111 rrr =+ 2 3 max 2 0.388 le r = 钢球与钢平面的接触，则r2趋于无穷大，可得 钢球与钢平面的接触，则r2趋于无穷大，可得 2 3 max 2 0 0.388 le r = 钢球与凹球面的接触，则r2改为-r2，可得，其中 钢球与凹球面的接触，则r2改为-r2，可得，其中 2 3 max *2 0.388 le r = * 12 111 rrr = 4 changchang anan universityunive

18、rsity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 两圆柱体接触 s 2 m l bs = 1 max 42 m l bs = 2 22 12 12 12 11 4 11 eel b s rr + = + 其中：3 将3代入2， 得到 12 max 22 12 12 11 11 rrl s ee + = + 4 图9 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质

19、固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 当两圆柱体均为钢制时，同时取综合曲率半径r，即 ，且设平均压力，则 当两圆柱体均为钢制时，同时取综合曲率半径r，即 ，且设平均压力，则 12 eee= 12 0.3= 12 111 rrr =+ max 0.418 qe r = l q s = 弹性变形时，表面接触应力的大小与外加载荷呈非陑性关系 当两球面或一球面与一平面陒接触时， l当两圆柱体或一圆柱体与一平面陒接触时， 3 l l changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触

20、性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 接触变形 金属接触表面在受到外力作用时不但产生表面接触应力，而且材料本身还发生弹性和塑性变形。由宏 观来看，作用于接触的固体上的外力使固体呈弹性状态，而从微观上来分析，由于实际接触发生在表 面微凸体处，故产生局部的塑性变形 金属接触表面在受到外力作用时不但产生表面接触应力，而且材料本身还发生弹性和塑性变形。由宏 观来看，作用于接触的固体上的外力使固体呈弹性状态，而从微观上来分析，由于实际接触发生在表 面微凸体处，故产生局部的塑性变形 球体与平面的接触 弹性接触时，实际接触面积： 平均接触应力： 赫

21、兹弹性接触理论得变形量： 12 3 2 9 () 16 l e r = 13 22 4 3 ler= 1 r ar = 2 1 2 4 () 3 m r l e ar = 1 1 2 2 3 4 m r e = 3 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 当m1/3 时，开始由弹性变形进入塑性变形，故塑性变形条件为： 1 11 2 22 0.78 4 hrh r ee = h - 变形材料的布氏硬度(n

22、/cm2) 由于从完全弹性变形过渡到完全塑性接触并非瞬时完成，需要有一个过程，假定 有一个过渡点，在此点上 11 22 h r e =公式两端同时除以rs1/2，可得 11 22 ()() ss hr rer = 其中，将的倒数称为塑性指数，用表示，则 1 2 () s re hr = 1 2 () s r 4 5 6 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 塑性变形指数的应用意义 表面状态分类 当 0

23、.6，完全弹性接触 当0.6 10时，完全塑性接触 增大材料硬度及微凸体的峰顶曲率半径，减小微凸体高度均可降低塑性指数，使表面 呈弹性接触状态，以达到减小磨损的目的 采取措施：抛光、研磨、磨合或利用特殊加工方法提高表面光洁度；表面改性技术提 高表面硬度等 1 2 () s re hr = 6 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第一章第一章第一章第一章 固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质固体的表面与接触性质接触特性接触特性接触特性接触特性 图10 磨合过程中塑性指数随时间的变化关系图 决定磨合时间 根据塑性指数

24、的变化预 计接触表面是否正在向 弹性状态转变，即磨合 是否完成状态转变 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章 摩擦及其理论 friction and friction theory 第二章 摩擦及其理论 friction and friction theory 磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料 changchang anan universityuniversity2009-03-10 摩摩摩摩 擦擦擦擦 概概概概 述述述述 摩摩摩摩 擦擦擦擦 概概概概 述述述述 磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料

25、磨损及耐磨材料 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦分类摩擦分类摩擦分类摩擦分类 摩擦分类 按摩擦副的 运动状态分类 静摩擦：一个物体相对于另一个物体有相对运动趋势时产生的摩擦 （只发生微观位移时其接触面之间的摩擦） 动摩擦：一个物体沿另一个物体表面相对运动时产生的摩擦 按摩擦副的 运动形式分类 滑动摩擦：物体表面相对滑动时的摩擦 滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦 changchang anan universityuniversity200

26、9-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦分类摩擦分类摩擦分类摩擦分类 按摩擦副表面的 润滑状态分 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 干摩擦：摩擦表面间名义上无润滑剂存在的摩擦 (表面通常具有从周围介质中吸附的气体、水气、油脂的薄膜) 边界摩擦：摩擦表面间具有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦 流体摩擦：相对运动两物体被流体完全隔开时的摩擦，摩擦力大小 取决于流体的粘度 混合摩擦：处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦的混合状态下的一种 摩擦 changchang anan universityuniversity2009-03-10

27、滑动摩擦的基本理论滑动摩擦的基本理论滑动摩擦的基本理论滑动摩擦的基本理论 滑动摩擦的基本理论滑动摩擦的基本理论滑动摩擦的基本理论滑动摩擦的基本理论 磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论古典摩擦定律古典摩擦定律古典摩擦定律古典摩擦定律 古典摩擦定律-实用而并不严密的定律 始于始于始于始于15世纪意大利的文艺复兴时代世纪意大利的文艺复兴时代世纪意大利的文艺复兴时代世纪意大利的文艺复兴时代，达芬奇提出摩擦概念达芬

28、奇提出摩擦概念达芬奇提出摩擦概念达芬奇提出摩擦概念。1718 世纪世纪世纪世纪， 法国的阿蒙顿法国的阿蒙顿法国的阿蒙顿法国的阿蒙顿、 库仑先后进行了摩擦实验库仑先后进行了摩擦实验库仑先后进行了摩擦实验库仑先后进行了摩擦实验，建立了古典摩擦定律建立了古典摩擦定律建立了古典摩擦定律建立了古典摩擦定律 始于始于始于始于15世纪意大利的文艺复兴时代世纪意大利的文艺复兴时代世纪意大利的文艺复兴时代世纪意大利的文艺复兴时代，达芬奇提出摩擦概念达芬奇提出摩擦概念达芬奇提出摩擦概念达芬奇提出摩擦概念。1718 世纪世纪世纪世纪， 法国的阿蒙顿法国的阿蒙顿法国的阿蒙顿法国的阿蒙顿、 库仑先后进行了摩擦实验库仑先

29、后进行了摩擦实验库仑先后进行了摩擦实验库仑先后进行了摩擦实验，建立了古典摩擦定律建立了古典摩擦定律建立了古典摩擦定律建立了古典摩擦定律 ?摩擦力与作用于摩擦面间的法向载荷成正比，即fl，摩擦系数，l载荷 ?摩擦力大小与名义接触面积无关 ?静摩擦力大于动摩擦力 ?摩擦力的大小与滑动速度无关 ?摩擦力的方向总是与接触表面间的陒对运动速度陒反 存在问题？ changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论古典摩擦定律古典摩擦定律古典摩擦定律古典摩擦定律 古典摩擦定律中的参数 ?摩擦系

30、数(定律第一条）：古典摩擦定律中，摩擦系数是一个常数，但是实验证 明，仅在一定的周围环境介质内，摩擦系数才为常数，摩擦系数不是材料固有的特 性，而是材料和环境条件的综合指数 ?摩擦系数(定律第一条）：古典摩擦定律中，摩擦系数是一个常数，但是实验证 明，仅在一定的周围环境介质内，摩擦系数才为常数，摩擦系数不是材料固有的特 性，而是材料和环境条件的综合指数 ?正压力(定律第一条）：对一些很硬（钻石）或很软（如聚四氟乙烯）的材料，摩 擦力与正压力之间呈非陑性关系 flb，其中摩擦系数，l正压力，b指数 2/31 ?正压力(定律第一条）：对一些很硬（钻石）或很软（如聚四氟乙烯）的材料，摩 擦力与正压力

31、之间呈非陑性关系 flb，其中摩擦系数，l正压力，b指数 2/31 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论古典摩擦定律古典摩擦定律古典摩擦定律古典摩擦定律 ?接触面积(定律第二条）：第二条定律仅适用于有一定屈服极限的材料(如金属)，不 适用于弹性、粘弹性材料和十分光滑的表面间的接触。 ?接触面积(定律第二条）：第二条定律仅适用于有一定屈服极限的材料(如金属)，不 适用于弹性、粘弹性材料和十分光滑的表面间的接触。 ?滑动速度(定律第四条）：实践表明，对许多材料 来讲，

32、摩擦系数与滑动速度有关。而且在不同的单 位载荷下，滑动速度和摩擦系数的关系也有所不同 ?滑动速度(定律第四条）：实践表明，对许多材料 来讲，摩擦系数与滑动速度有关。而且在不同的单 位载荷下，滑动速度和摩擦系数的关系也有所不同 12 ?定律第三条：不适用于粘弹性材料，部分粘弹性 材料的静摩擦系数大于动摩擦系数 ?定律第三条：不适用于粘弹性材料，部分粘弹性 材料的静摩擦系数大于动摩擦系数 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论现代滑动摩擦理论现代滑动摩擦理论现代滑动摩擦

33、理论现代滑动摩擦理论 现代滑动摩擦理论 机械啮合理论 机械啮合理论 分子理论 分子理论 分子机械理论 分子机械理论 粘着理论 粘着理论 能量理论 能量理论 15世纪至今世纪至今世纪至今世纪至今，摩擦理论得到了很大发展摩擦理论得到了很大发展摩擦理论得到了很大发展摩擦理论得到了很大发展，提出许多理论阐明摩擦的本质提出许多理论阐明摩擦的本质提出许多理论阐明摩擦的本质提出许多理论阐明摩擦的本质，但是至今但是至今但是至今但是至今 为止还没有形成同一的理论为止还没有形成同一的理论为止还没有形成同一的理论为止还没有形成同一的理论 15世纪至今世纪至今世纪至今世纪至今，摩擦理论得到了很大发展摩擦理论得到了很大

34、发展摩擦理论得到了很大发展摩擦理论得到了很大发展，提出许多理论阐明摩擦的本质提出许多理论阐明摩擦的本质提出许多理论阐明摩擦的本质提出许多理论阐明摩擦的本质，但是至今但是至今但是至今但是至今 为止还没有形成同一的理论为止还没有形成同一的理论为止还没有形成同一的理论为止还没有形成同一的理论 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论机械啮合理论机械啮合理论机械啮合理论机械啮合理论 机械啮合理论(18世纪以前） ?理论内容及建立基础：摩擦的产生是由于两固体表面接触时，表面凹凸

35、不平处互陒 咬合，因而产生了阻碍两物体运动的阻力。该理论完全建立在纯几何概念上，将固 体看作刚体来研究。 ?理论内容及建立基础：摩擦的产生是由于两固体表面接触时，表面凹凸不平处互陒 咬合，因而产生了阻碍两物体运动的阻力。该理论完全建立在纯几何概念上，将固 体看作刚体来研究。 图13 机械啮合理论模型 当ii物体陒对于i物体运动时，首先要沿 i物体凸起的斜面克服n力的作用而被抬 起，超过i物体的顶端，此时，陒当于物 体在斜面上摩擦，其开始滑动时的静摩 擦系数为 tan= changchang anan universityuniversity2009-03-10 ?机械啮合理论认为：摩擦系数只取

36、决于，也就是物体表面的几何形貌，而与 载荷以及接触面积无关 ?机械啮合理论认为：摩擦系数只取决于，也就是物体表面的几何形貌，而与 载荷以及接触面积无关 ?机械啮合理论局限性：机械摩擦理论仅适用于粗糙表面，无法解释当两接触表 面过于光滑时，摩擦系数反而增大的现象。 ?机械啮合理论局限性：机械摩擦理论仅适用于粗糙表面，无法解释当两接触表 面过于光滑时，摩擦系数反而增大的现象。 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论机械啮合理论机械啮合理论机械啮合理论机械啮合理论 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章

37、第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论分子理论分子理论分子理论分子理论 分子理论 17世纪英国物理学家徳萨古力埃（j.t.desaguliers)首次提出摩擦力的产生原因在于两摩擦 表面间所特有的分子力，其后尤因(j.a.ewing)、哈迪(w.hardy)、捷里亚金(前苏联)和汤姆 林森(g.a.tomlinson)等都用“分子说”解释摩擦原因。其中汤姆林森于1929年正式提出分子理论 17世纪英国物理学家徳萨古力埃（j.t.desaguliers)首次提出摩擦力的产生原因在于两摩擦 表面间所特有的分子力，其后尤因(j.a.ewing)、哈迪(w.hardy)、

38、捷里亚金(前苏联)和汤姆 林森(g.a.tomlinson)等都用“分子说”解释摩擦原因。其中汤姆林森于1929年正式提出分子理论 基本假说：在平衡状态时，固体原子键的排斥力和吸引力陒中和。但是，当两个物体接触 时，一个物体的原子可能和另外一个物体的原子足够近以至于进入斥力场中，此时，两表面 分开就会造成能量损失，并以摩擦力的形式存在。 基本假说：在平衡状态时，固体原子键的排斥力和吸引力陒中和。但是，当两个物体接触 时，一个物体的原子可能和另外一个物体的原子足够近以至于进入斥力场中，此时，两表面 分开就会造成能量损失，并以摩擦力的形式存在。 changchang anan university

39、university2009-03-10 分子间的引力和斥力是分子间距离的函数。 由于表面存在粗糙度，某些接触点分子距 离很小产生斥力，某些接触点分子距离较 大产生引力，由力的平衡条件可知，外法 向压力加上所有引力的和等于所有斥力之 和，即 ic ppp+= 1 2 图14 除表层原子外，摩擦副内部的所有分子间的引力之和与斥力之和陒等，所以 c pp= 2pc-表层原子的斥力之和 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论分子理论分子理论分子理论分子理论 changchang anan universityuniversity2009-03-10 在运动距离x内

40、陒接触又分 离的原子对数为n，则 0 x na n e = i 图15 设界面上陒接触的原子数目为n0，接触点的平均排斥力为p0，则 00 pnp=i 3 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论分子理论分子理论分子理论分子理论 a-概率系数，小于1 4 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论分子理论分子理论分子理论分子理论 如果每对原子碰撞所消耗能量的算数平均值为e，则 0 an xe nxne e = 0 an e ne ep

41、= 5 将3代入5 0 ae ep =6 ?摩擦系数的大小与摩擦副材料本身的性质有关 ?摩擦系数与正压力大小无关 ?摩擦系数的大小与摩擦副材料本身的性质有关 ?摩擦系数与正压力大小无关 changchang anan universityuniversity2009-03-10 分子机械理论 (1939,克拉盖尔斯基） 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论分子机械理论分子机械理论分子机械理论分子机械理论 am fff=+1 其中： 0ar fal=+ 2 外摩擦具有双重特性，即：摩擦力由机械分量和分子分量组成，摩擦表面做陒对运动时，不仅 要克服表面间分子陒

42、互作用的连接力，还要克服因表面层形状畸变而引起的机械阻力(变形阻力) 0 r n mir h fkldn r = 3 当摩擦表面十分光滑时，机械分量可忽略不计，那么 00r a lp =+=+ 4 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论分子机械理论分子机械理论分子机械理论分子机械理论 图16 机械分量、分子分量、总摩擦系数与法向载荷的关系 (a) 钢-铬摩擦 (b) 钢-锡摩擦 分子分量和机械分量所占的比率取决于载荷、表面粗糙度和波纹度、材料的机械性能、摩 擦副的分

43、子特性以及接触条件。 分子机械理论既适用于干滑动摩擦，也适用于边界摩擦 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 粘着理论 摩擦力是由剪断金属粘结点所需的剪切力和微凸体在较软材料表层内的犁削 力所组成 摩擦力是由剪断金属粘结点所需的剪切力和微凸体在较软材料表层内的犁削 力所组成 fsp=+1 假设为剪断粘着接点所需的单位面积上的力，那么摩擦力f为 r fsa=3 简单粘着理论 忽略犁沟分量，且假设接触点的压力足以引起塑性变形，则对于理陝

44、的弹 塑性材料 ry al= 2 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 则摩擦系数为 y f l = 4 对于理陝弹塑性材料，等于临界剪切应力0，则 0 y f l = 5 存在问题存在问题存在问题存在问题：对大多数金属来讲，采用公式5计算获得，大 多数金属材料的摩擦系数较低，约为0.2，与实验测量结果不符。 0 0.2 y = changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二

45、章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 须对粘着理论进行改进须对粘着理论进行改进须对粘着理论进行改进须对粘着理论进行改进 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 简单粘着理论存在的问题 ?分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限 s，而计算摩擦力又只考虑了剪切而计算摩擦力又只

46、考虑了剪切而计算摩擦力又只考虑了剪切而计算摩擦力又只考虑了剪切 强度极限强度极限强度极限强度极限 b，这对于静摩擦来讲是合理的这对于静摩擦来讲是合理的这对于静摩擦来讲是合理的这对于静摩擦来讲是合理的，但对滑动摩擦来讲过于简单但对滑动摩擦来讲过于简单但对滑动摩擦来讲过于简单但对滑动摩擦来讲过于简单 ?未考虑在空气中金属表面自然生成的氧化膜或其他污染膜的影陞未考虑在空气中金属表面自然生成的氧化膜或其他污染膜的影陞未考虑在空气中金属表面自然生成的氧化膜或其他污染膜的影陞未考虑在空气中金属表面自然生成的氧化膜或其他污染膜的影陞 ?当硬金属的粗糙峰嵌入软金属后当硬金属的粗糙峰嵌入软金属后当硬金属的粗糙峰

47、嵌入软金属后当硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，犁沟效应不可忽略犁沟效应不可忽略犁沟效应不可忽略犁沟效应不可忽略，即应考虑犁沟分量即应考虑犁沟分量即应考虑犁沟分量即应考虑犁沟分量p changchang anan universityuniversity2009-03-10 修正的粘着理论 考虑粘着接点长大 考虑污染膜的影陞 考虑犁沟分量 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 changchang anan universityuniversity2009-03-10 粘着接点长大现象 材料的屈服是由压应力和切应力共同作用的结果，

48、当逐渐 增大到y，粘着点发生塑性流动，实际接触面积增大，因而摩 擦系数增大 图1 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 rf ry a f la = 1 污染膜的影响 具有表面膜的摩擦副滑动时，表面膜剪切点的剪切发生在膜内，剪 切强度降低为f，而同时由于表面膜很薄，实际接触面积由硬基体 材料的受压屈服极限决定，因而摩擦系数减小

49、 changchang anan universityuniversity2009-03-10 犁沟分量的影响 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 2 1 1 8 ad= 2 2 1 cot 4 ad= 1 2 假设塑性屈服的金属是各向同性的，则 2 2 11 2 cot y p y a ap laa = i i 3 图2 p l h changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理

50、论粘着理论 2 2 1 22 p ar arr = 图3 立着的圆柱体在软金属上的滑动立着的圆柱体在软金属上的滑动立着的圆柱体在软金属上的滑动立着的圆柱体在软金属上的滑动 1 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论粘着理论粘着理论粘着理论粘着理论 2 1 1 (2)21 p ab abrr = 1 2 2 2 22 1 1 (2sin2 ) 4 2 (2sin2 ) 8 p r ar dad =2 图4 图5 changchang anan universityun

51、iversity2009-03-10 能量理论 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论能量理论能量理论能量理论能量理论 在一个摩擦学系统中，输入的能量总是大于输出能量，损失能量即为 摩擦过程中力学、物理和化学的变化能量消耗的总和 0 0 /trp = 1 能量模型中包含了大量的材料参数，实际上，除材料参数外，摩擦系 数还受到很多其他因素的影陞，如化学环境、载荷、速度、润滑条件、 温度等。仅在材料和其他条件完全固定的情况下，摩擦系数才为常数。 changchang anan universityuniversity2009-03-10 影响滑动摩擦的因素影响滑

52、动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 影响滑动 摩擦的因素 金属性质 粗 糙 度 温度 环境气氛 速度 载荷 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二

53、章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 金属性质对滑动摩擦的影响 一般来讲，互溶性较大金属的摩擦副，其摩擦系数较大，反之 较小 分子或原子结构陒同或 陒近的两种材料互溶性 大，反之，互溶性小 分子或原子结构陒同或 陒近的两种材料互溶性 大，反之，互溶性小 互溶性大的材料组成的摩擦 副，易于发生粘着，互溶性小 的材料组成的摩擦副，不易发 生粘着 互溶性大的材料组成的摩擦 副，易于发生粘着，互溶性小 的材料组成的摩擦副，不易发 生粘着 changchang anan universityunivers

54、ity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 完全互溶mo 完全互溶部分互溶ni 完全互溶部分互溶无互溶性cu cunimo cu、ni、mo金属的互溶性 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 载荷对滑动摩擦的影响 45#钢-铸铁摩擦系数 随法向载荷的关系 图6 (

55、b) 滑动摩擦系数滑动摩擦系数滑动摩擦系数滑动摩擦系数 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 载荷对滑动摩擦的影响 摩擦系数随载荷的增加 而减小，然后趋于稳定 当载荷很小时，表面处于弹塑变形状态，摩 擦系数与载荷的1/3成反比 随载荷增大，接触表面进入弹塑性变形状 态，真实接触面积变化不大 载荷过大时，真实接触面积与载荷无关，摩 擦系数与载荷无关 changchang anan univers

56、ityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 粗糙度对滑动摩擦的影响 弹性接触时 塑性接触时 摩擦系数随粗糙度的 增大先减小而后增大 摩擦系数随粗糙度的 增大略有增大，但变化平缓 图7 changchang anan universityuniversity2009-03-10 温度对滑动摩擦的影响 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素

57、图8 (a) (b) changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 温度的变化将使材料的表面性质发生变 化，并进一步影陞摩擦系数，而且温度 对摩擦系数的影陞将随着摩擦副工作条 件的不同而变化 (c) (d) changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩

58、擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 滑动速度对滑动摩擦的影响 9 摩擦系数与滑动速度的关系 不是很明确 滑动速度对摩擦系数的影陞， 主要是它引起的温度变化所 致，温度的变化会改变摩擦表 面层的性质和接触状态，因而 摩擦系数会随之变化 changchang anan universityuniversity2009-03-10 第二章第二章第二章第二章 摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论摩擦及其理论影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素影响滑动摩擦的因素 环境气氛对滑动摩擦的影响 主要是大气中金属表面的氧化，在表面形成氧化膜，导致摩擦 系数下降。 其他条件一定时，真空度越高，摩擦系数越大 changchang anan universityuniversity2009-03-10 滑动摩擦对材料表层的影响滑动摩擦对材料表层的影响滑动摩擦对材料表层的影响滑动摩擦对材料表层的影响 滑动摩擦对材料表层的影响滑动摩擦对材料表层的影响滑动摩擦对材料表层的影响滑动摩擦对材料表层的影响 磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料磨损及耐磨材料 changchang anan universityuniversity2009-03-10 摩擦对材料摩擦对材料摩擦对材料摩擦对材料 表层的影响表层的影响表层的影响表层的影响 温度效应 表面受力与变形 扩散过程的发