摩擦與磨損原理

1、摩擦與磨損原理（復(fù)習(xí)資料）摩擦學(xué)定義：摩擦學(xué)是研究作相對運動的相互作用表面及其有關(guān)的理論和實踐的一門科學(xué)技術(shù)。摩擦學(xué)又是一門涉及多學(xué)科的邊緣學(xué)科，其涉及的主要學(xué)科為物理學(xué)、化學(xué)、機械工程、斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)等等。摩擦學(xué)涉及領(lǐng)域廣泛，主要的研究內(nèi)容可以歸納為以下幾個方面：1、摩擦；2、磨損；3、流體潤滑理論；4、邊界潤滑；5、潤滑劑與潤滑技術(shù)；6、摩擦學(xué)測試技術(shù)。摩擦學(xué)設(shè)計的任務(wù)就是利用摩擦學(xué)的現(xiàn)有知識，對一個特定對象通過合理的設(shè)計方法使其獲得良好的摩擦學(xué)性能。摩擦學(xué)設(shè)計過程中需要注意摩擦學(xué)的幾個主要特性：(1)、摩擦學(xué)的系統(tǒng)性；（2）、摩擦學(xué)的時空性；（3）、摩擦學(xué)的多學(xué)科性。固體表

2、面的微觀幾何形狀統(tǒng)稱為表面形貌。真實表面形貌，它由表面形狀誤差、波紋度和表面粗糙度組成。1、 表面形狀誤差：在制造機器零件的過程中，機床-工件-刀具系統(tǒng)的誤差及彈性變形，導(dǎo)致表面形狀誤差，數(shù)值由最大偏差表示，一般用平面度、圓度和圓柱度等誤差來表示。2、 波紋度是制造機器零件過程中，機床工件-刀具系統(tǒng)的振動和機床傳動件的缺陷周期性重復(fù)在機器零件已加工表面上的結(jié)果。3、 波紋度是制造機器零件過程中，機床工件-刀具系統(tǒng)的振動和機床傳動件的缺陷周期性重復(fù)在機器零件已加工表面上的結(jié)果。表面形貌參數(shù)：微觀不平度也稱為微觀不平度十點平均高度，是在取樣長度L內(nèi)，5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的

3、平均值之和稱為Rz。在取樣長度內(nèi),被測輪廓線上各點到中線距離的絕對值總和的算術(shù)平均值，稱為輪廓算術(shù)平均偏差Ra。表面的物理吸附和化學(xué)吸附：物理吸附是非常快的可逆過程，吸附分子保持自己的特性，并可脫吸?；瘜W(xué)吸附比物理吸附具有更大的活化能，吸附過程是不可逆的，化學(xué)吸附膜比物理吸附穩(wěn)定。金屬表面層是由若干層次組成的表面層：外表面層有物理吸附和化學(xué)吸附作用生長的吸附層及因氧化形成的氧化膜層。塑性變形層稱內(nèi)層。真實物體的表面不是理想光滑的表面，當(dāng)兩個表面相接觸時，只是在表面的個別地方接觸，這些離散的接觸面積的總和構(gòu)成實際接觸面積。名義接觸面積：又稱表面接觸面積或幾何接觸面積，它是兩接觸物體的宏觀界面的邊

4、界所確定的面積。真實接觸面積：兩接觸物體通過各微凸體直接傳遞界面相互作用力，發(fā)生變形而產(chǎn)生的微接觸面積之和，不到名義接觸面積的0.010.1%。赫茲接觸理論：赫茲早在1881年就提出了著名的彈性接觸理論，其假設(shè)條件為：認為材料是均勻的，各向同性的、完全彈性的；接觸表面的摩擦力可忽略不計，表面是理想的光滑表面，在上述假設(shè)下，基本公式才能成立。摩擦理論：當(dāng)兩個互相接觸的固體，在外力作用下作相對的切向運動、或具有相對切向運動趨勢時，在兩固體接觸表面之間就會產(chǎn)生一種運動阻力，這種阻力稱為摩擦力。這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象。a，按摩擦副的運動狀態(tài)分類：（1）靜摩擦：兩個物體在作宏觀運動前的微觀滑移，其接觸表面

5、之間的摩擦稱為靜摩擦。（2）動摩擦：兩個物體作相對運動時，其接觸表面之間的摩擦稱為動摩擦。一般情況下，動摩擦系數(shù)小于最大靜摩擦系數(shù)。b，按摩擦副的運動形式分類：（1）滑動摩擦：兩個相互接觸的表面作相對滑動時摩擦，稱為滑動摩擦。（2）滾動摩擦：物體在力矩的作用下，沿接觸表面滾動時的摩擦，稱為滾動摩擦。例如各種車輛的車輪在地面的滾動等。c，按摩擦副表面的潤滑狀況分類：（1）干摩擦：常指名義上無潤滑的摩擦。（2）流體摩擦：被具有體積特性的流體層隔開的兩固體相對運動的摩擦。摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間，摩擦力的大小與摩擦副表面狀態(tài)無關(guān)，而只與流體內(nèi)部的分子運動阻力有關(guān)，即與流體粘性有關(guān)。（3）邊界摩擦：

6、兩固體接觸表面間被存在一層極薄的潤滑膜隔開，其摩擦和磨損不取決于潤滑劑的粘度，而是取決于兩固體表面的特征和潤滑劑的特性。經(jīng)典摩擦定律：第一定律：滑動摩擦力的大小與接觸面之間的法向載荷成正比。第二定律：滑動摩擦力的大小與各義接觸面積無關(guān)。第三定律：滑動摩擦力的大小與滑動速度無關(guān)。粘著摩擦理論：當(dāng)兩表面相接觸時，在載荷作用下，主要在微凸體的頂端接觸，接觸點的單位壓力很大，使其產(chǎn)生塑性變形，表面變形點將牢固的粘著，使兩表面形成一體，即稱為粘著或冷焊。當(dāng)一表面相對另一表面滑動時，則剪斷這些連接粘著點的力就是摩擦力。一般來說，對于理想的彈-塑性材料，摩擦力主要就是剪斷金屬粘結(jié)點所需的剪切力。設(shè)粘結(jié)點部分

7、的剪切強度為b，則摩擦力為：因而 (6-30)式中Ar實際接觸面積； 壓縮屈服極限。滾動摩擦可以分為三種基本形式：（1）自由滾動：滾動元件沿著平面無約束地作直線滾動，這是最簡單的滾動形式，或稱純滾動。（2）受制滾動：滾動元件受制動或驅(qū)動力矩的作用，因而在接觸區(qū)同時有法向壓力和表面切向力的作用。（3）槽內(nèi)滾動：兩個相互滾動的表面，由于幾何形狀造成接觸區(qū)內(nèi)各點的切向速度不等因而伴隨滑動的滾動。滾動摩擦阻力的起因主要有以下幾個方面：1、微觀滑移；2、彈性滯后：滾動元件滾過滾道時，滾道要產(chǎn)生彈性變形，這需要消耗一定能量，當(dāng)接觸消除時，大部分變形能又得到釋放。由于松馳效應(yīng)，釋放的能要比原先的變形能小，這

8、個能量差即被認為是滾動摩擦的損耗；3、塑性變形；4、粘附效應(yīng)。磨損理論：磨損是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果，它是相互接觸的物體在相對運動時，表層材料不斷發(fā)生損耗的過程。磨損過程大致可分為三個階段：(1)、“跑合階段”；(2)、“穩(wěn)定”磨損階段；(3)、“急劇”磨損階段。一般磨損的分類要考慮三方面的作用影響：（1）表面的作用。如機械運動的形式、是滑動還是滾動、表面分子作用形式等。（2）表層的變化。物理性能的變化，如硬度等；化學(xué)性能的變化，如化學(xué)膜的作用變化；表層的結(jié)構(gòu)變化，是變形還是無變形等，以及組織成份的變化，如鋼的表層含碳量等。（3）破壞的形式。主要是磨屑形式和表面磨損形狀。1、粘著磨損: 當(dāng)摩

9、擦副接觸時，由于表面不平，發(fā)生的是點接觸。在相對滑動和一定載荷作用下，在接觸點發(fā)生塑性變形或剪切，使其表面膜破裂，摩擦表面溫度升高，嚴重時表層金屬會軟化或熔化，此時，接觸點產(chǎn)生粘著。然后出現(xiàn)粘著剪斷再粘著再剪斷的循環(huán)過程，這就形成粘著破壞（或粘著磨損）。 2、磨粒磨損: 對于粗糙硬表面把軟的工作表面劃傷，或者兩接觸面受外界硬粒劃傷工作表面，都屬于磨粒磨損。磨粒磨損主要是磨粒對金屬表面進行切削的過程。3、表面疲勞磨損: 表面疲勞磨損是指摩擦?xí)r表面有周期性的載荷作用，使接觸區(qū)產(chǎn)生很大的變形和應(yīng)力，并形成裂紋而破壞的現(xiàn)象。疲勞磨損最普遍形式是出現(xiàn)在滾動接觸的表面上。4、腐蝕磨損：腐蝕磨損是材料在摩擦

10、時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)相互作用的磨損，它是一種需要考慮環(huán)境介質(zhì)影響的磨損過程。腐蝕磨損時材料的摩擦表面破壞是同時發(fā)生了兩個過程，即腐蝕和機械磨損。5、微動磨損：微動是發(fā)生于接觸表面上極小振幅的運動。微動磨損是微動狀態(tài)下材料接觸表面的破壞過程。1992年，Zhou通過了大量試驗證明每對摩擦副同時存在的材料的二類微動圖：a, 運行工況微動圖；b, 材料響應(yīng)微動圖。影響磨損的因素：1、摩擦副材質(zhì)的影響；2、環(huán)境介質(zhì)的影響；3、外界機械作用的影響；4、溫度的影響；5、接觸表面狀態(tài)的影響。材料的耐磨性：材料的耐磨性是指在一定摩擦條件下某種材料抵抗磨損的能力。由于材料的磨損性能不是材料的固有特性，而

11、是與磨損過程相關(guān)因素（如載荷、溫度、速度等）、材料特性等因素有關(guān)的系統(tǒng)特性。表面處理技術(shù)的主要目的是利用各種物理、化學(xué)或機械工藝過程改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)或形成表面覆層，優(yōu)化材料表面，達到提高表面耐磨性。表面工藝方法主要有下列幾類：a，電化學(xué)方法：利用電極反應(yīng)，在基體上形成鍍覆層，如電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。b，化學(xué)方法：利用化學(xué)物質(zhì)的相互作用，在基體表面形成鍍覆層，如化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化等。c，熱加工法：利用高溫條件下材料熔融或熱擴散，在基體表面形成鍍、滲層，如熱浸，表面合金化等。d，高真空法：利用材料在高真空下氣化或受激離子化而形成表面鍍覆層，如真空蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍等。e，其他物理

12、方法：如機械鍍、涂裝、激光表面加工等。潤滑材料：潤滑油是用石油經(jīng)減壓蒸餾所得的餾份油或殘渣油，根據(jù)需要經(jīng)過脫臘、脫瀝青，加氫，酸堿處理等精制過程，得到半成品，再經(jīng)過調(diào)和，加入適量的添加劑而成。潤滑油在機械中的作用主要是降低摩擦和減緩磨損，其次還具有冷卻、防護、密封和清洗作用。潤滑油降低摩擦和減緩磨損的能力稱為潤滑性能。在液體摩擦狀態(tài)下，油的潤滑性僅與粘度有關(guān)，在其他條件相同時，油的粘度大，則潤滑性能好。粘度就是液體流動時在液體分子之間的內(nèi)摩擦，即流體膜的剪切阻力。在礦物油中加入某些物質(zhì)，盡管量很少，但對潤滑油的使用性能的改進卻十分顯著，這些加入的少量物質(zhì)統(tǒng)稱為添加劑。添加劑大致可分為二大類。一

13、類是影響潤滑油物理性質(zhì)的添加劑，如各種降凝劑、增粘劑、消泡劑等；另一類是在化學(xué)方面起作用的添加劑，如各種抗氧劑、防銹劑、極壓抗磨劑等。潤滑脂是由稠化劑（分散相）和稠化液體潤滑劑（基礎(chǔ)油、分散介質(zhì)）以及少量的穩(wěn)定劑和添加劑所構(gòu)成。潤滑脂是一種介于液體和固體之間的膏狀潤滑材料。用于機械的潤滑脂能起到潤滑、密封和保護作用，但不具備清洗和冷卻作用。與潤滑油相比較，潤滑脂有以下特點：主要優(yōu)點為具有較高的承載能力，抗極壓性能好；能用于比較苛刻的環(huán)境，適應(yīng)性好，減震性強，保護密封性好；有良好的充填和保持能力；使用壽命較長，成本低。而缺點是粘滯性強，內(nèi)摩擦系數(shù)大；流動性差，無冷卻作用；高溫下會發(fā)生相變，膠體結(jié)

14、構(gòu)破壞而析油，喪失正常的潤滑能力。固體潤滑材料是指那些介于摩擦副表面間，以減少摩擦或磨損的粉末狀或薄膜狀的固體材料。在某些特殊工況條件下（高溫、低溫、高真空、強輻射、易燃等），使用油、脂潤滑會顯得不適用或者根本無效，此時，使用固體潤滑材料就能較好地滿足對潤滑的要求。固體潤滑材料多數(shù)具有層狀結(jié)構(gòu)。雷諾方程：雷諾方程是從粘性流體力學(xué)的基本方程出發(fā)，作了一定的假設(shè)而導(dǎo)出的微分方程，這些假設(shè)條件是：（1）體積力忽略不計，即不考慮任何外力場對潤滑過程的影響，如電力、磁力和重力等；（2）沿油膜厚度方向油壓為常數(shù)，這是因為油膜厚度很薄，一般為百分之幾毫米，油壓不可能有很大變化；（3）摩擦表面的曲率半徑遠大于

15、油膜厚度，為此可展成平面，推導(dǎo)公式時便于采用笛卡爾直角坐標；（4）流體和摩擦表面接觸處沒有滑動，即與摩擦表面接觸的油層其流動速度與摩擦表面速度一致；（5）潤滑劑是牛頓粘性流體，剪切應(yīng)力與速度梯度成正比，符合牛頓粘性公式；（6）潤滑油膜中流體作層流運動；（7）流體的慣性力忽略不計。圖6.22（a）所示的兩滑動表面間流體作層流運動，并形成動壓油膜。取空間坐標系X、Y和Z，而U、V和W分別代表流體沿X、Y和Z方向的流動速度，上表面沿X和Z方向的運動速度為U1與W1，下表面沿X和Z方向的運動速度為U2與W2。在油膜中取出一個柱體（圖6.22(b)），其底面為dxdy，其高度為h。用qx表示沿y方向單位

16、寬度的流量，而分別沿x和y方向上流量的變化率。則單位時間內(nèi)沿X方向自左面流入柱體的容積流量為qxdy，而自右流出柱體的流量為，與此相同，在Y方向流入柱體的流量為qydx，流出柱體的流量為。由此可知，沿X和Y方向流出和流入柱體流量的差值為： (6-40)如果柱體上底面的運動速度為W1，下底面的運動速度為W2，則柱體容積以速度（W1-W2）dxdy增長。由于流體流動的連續(xù)性和不可壓縮性，流體流入與流出柱體流量差值必等于柱體體積的增量，即： (6-41)上式右邊前兩項表示流體沿X和Y方向上流量的變化，而后一項表示柱體上下底面垂直速度引起的流量變化。YUW1UtU2W2hdxdyXZuwv（a）W1h

17、W2dxdyqx dyqy dx(b) 圖6.22 流體流動的連續(xù)性在動壓油膜中取一微元體，其邊長分別為dx、dy和dz（圖6.23）。如果沿X方向上，左面的壓強為p，其正壓力則為pdydz；右面的壓強為，則相應(yīng)的正壓力為。如微元體下表面的剪應(yīng)力為，則其剪切力為dxdy；在上表面的剪應(yīng)力為，則相應(yīng)的剪切力為。由微元體力的平衡得：去括弧并簡化得：為了避免混淆，準確地表示出剪應(yīng)力的作用面及方向，將上式改寫為： (6-42)下標x表示剪應(yīng)力沿X方向，下標z表示作用在垂直于z軸的平面內(nèi)。dydx圖6.23 微元體力的平衡 同樣可以證明：根據(jù)假設(shè)條件（2）可知，沿Z方向上油膜壓力梯度為零，即，亦即為零。

18、由牛頓粘性公式： (6-43)u為X方向的流動速度，v為Y方向的流動速度，代入壓力梯度的公式后，得： (6-44)此處假定粘度沿油膜厚度方向（Z方向）上為常量。這個假定與實際情況不符，在中等速度的滑動軸承中沿油膜厚度上的溫差在2225的范圍內(nèi)，由此引起的粘度變化達510倍。假定粘度為常數(shù)，目的在于簡化計算。則得：因壓強p沿坐標Z方向為常量，p不是z的函數(shù)，因此對進行兩次積分，求得油膜中任意點的流速公式為： (6-45)式中C1、C2為積分常數(shù)，由邊界條件確定，根據(jù)假設(shè)條件（4），油膜上下表層的流動速度與摩擦表面的速度相等，即：z = k, u = U1； z = 0, u = U2代入（6-4

19、5）式，得：將C1、C2代入（6-45）式，得到油膜中任意點的流速為： （6-46）則沿X方向單位寬度上的流量為：代入上下限并簡化，得： (6-47)同理可得： (6-48)式中： U1、U2為上、下摩擦表面沿X方向的運動速度；V1、V2為上、下摩擦表面沿Y方向的運動速度；將qx、qy值代入流量連續(xù)方程（6-41）式：得 令，經(jīng)整理后則得雷諾方程的完整表達式為： (6-49)上式稱全雷諾方程，也即三維雷諾方程。表達了流體動壓潤滑時，油膜壓力沿X和Y兩方向發(fā)生變化以及流速沿X、Y和Z三方向發(fā)生變化時，壓力梯度、流速、油膜厚度、潤滑油粘度等參數(shù)之間的關(guān)系。式中等號左邊部分的兩項表征沿X和Y方向油壓

20、的變化，等號右部方括號內(nèi)前兩項考慮沿X和Y方向上速度和油膜厚度變化的影響，而最后一項表征摩擦面作平行移動對油膜的擠壓作用，W1-W2亦可寫成。流體動壓軸承分為徑向軸承和推力軸承兩大類。承受徑向載荷的軸承稱為徑向軸承，承受軸向載荷的軸承稱為推力軸承。流體潤滑中兩摩擦表面間完全被潤滑油膜隔開，避免了粗糙表面上微凸體間的直接接觸，減小了金屬表面磨損，摩擦力的大小取決于流體的粘性。取決于潤滑劑和基體金屬表面的相互作用的特性，處于液體摩擦和干摩擦之間的一種潤滑狀態(tài)稱為邊界潤滑。由吸附或化學(xué)反應(yīng)生成的起潤滑作用的潤滑膜稱為邊界膜。邊界膜可分為三種：1、物理吸附作用；2、化學(xué)吸附作用；3、化學(xué)反應(yīng)作用。含有

21、硫、磷或氯等活性原子的添加劑（極壓添加劑）在摩擦所產(chǎn)生的高溫（通常在150200）下與金屬起化學(xué)反應(yīng)，形成硫、氯、磷等化合物（如硫化鐵）的邊界膜，即為化學(xué)反應(yīng)膜。摩擦學(xué)試驗研究方法：根據(jù)試驗的目的和條件，摩擦磨損試驗可分為：1，使用試驗；2，臺架試驗；3，試樣試驗。 使用試驗：這是在實際使用條件下，用真實零件進行的摩擦磨損試驗。作為對零件材料的性能和結(jié)構(gòu)的直接鑒定，試驗所得數(shù)據(jù)資料具有真實性和可靠性。但是這種試驗也存在一些困難和缺點，主要有：1）試驗過程中的測量很困難，甚至需要研制專門的測量裝置。有時為了減少偶然因素的影響，提高數(shù)據(jù)的精確度，需要在不同地點進行摩擦磨損試驗，測量有關(guān)數(shù)據(jù)。因此，試驗周期都相當(dāng)長，一般需要幾個月甚至幾年時間才能獲得試驗結(jié)果，耗費