摩擦學基礎知識

1、 摩擦學基礎知識摩擦學基礎知識摩擦的定義：摩擦的定義：兩個接觸物體表面在外力兩個接觸物體表面在外力作用下相互接觸并作相對作用下相互接觸并作相對運動或有運動趨勢時，在運動或有運動趨勢時，在接觸面之間產生的切向運接觸面之間產生的切向運動阻力稱為摩擦力，這種動阻力稱為摩擦力，這種現(xiàn)象就是摩擦?，F(xiàn)象就是摩擦。概述概述2 . 2 . 摩擦的分類摩擦的分類1. 1. 摩擦按摩擦副運動狀態(tài)可分為：摩擦按摩擦副運動狀態(tài)可分為：靜摩擦靜摩擦：兩物體表面產生接觸，有相對運動趨勢但：兩物體表面產生接觸，有相對運動趨勢但 尚未產生相對運動時的摩擦。尚未產生相對運動時的摩擦。 動摩擦動摩擦：兩相對運動表面之間的摩擦。：

2、兩相對運動表面之間的摩擦。 2. 2. 按相對運動的位移特征分類：按相對運動的位移特征分類：滑動摩擦滑動摩擦：兩接觸物體接觸點具有不同速度和：兩接觸物體接觸點具有不同速度和( (或或) )方向時的摩擦。方向時的摩擦。 滾動摩擦滾動摩擦：兩接觸物體接觸點的速度之大小和方向：兩接觸物體接觸點的速度之大小和方向相同時的摩擦。相同時的摩擦。 自旋摩擦自旋摩擦：兩接觸物體環(huán)繞其接觸點處的公法線相：兩接觸物體環(huán)繞其接觸點處的公法線相對旋轉時的摩擦。對旋轉時的摩擦。 3. 3. 按表面潤滑狀態(tài)分類按表面潤滑狀態(tài)分類：干摩擦干摩擦：兩表面之間即無潤滑劑又無濕氣的摩擦。：兩表面之間即無潤滑劑又無濕氣的摩擦。 邊

3、界摩擦邊界摩擦：邊界膜隔開相對運動表面時的摩擦。：邊界膜隔開相對運動表面時的摩擦。 流體摩擦流體摩擦：以流體層隔開相對運動表面時的摩擦，：以流體層隔開相對運動表面時的摩擦， 即由流體的粘性阻力或流變阻力引起的摩擦。即由流體的粘性阻力或流變阻力引起的摩擦。 混合摩擦混合摩擦：半干摩擦和半流體摩擦的統(tǒng)稱。：半干摩擦和半流體摩擦的統(tǒng)稱。 4. 4. Stribeck曲線曲線：不同的摩擦狀態(tài)表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)不同，不同的摩擦狀態(tài)表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)不同，Stribeck曲線表現(xiàn)了這些摩擦狀態(tài)，曲線表現(xiàn)了這些摩擦狀態(tài)，u、p分別分別表示速度、表示速度、潤滑劑粘度潤滑劑粘度和和壓力壓力。摩擦的基本特性摩擦的基本

4、特性1.古典摩擦定律古典摩擦定律(稱為阿蒙頓稱為阿蒙頓- -庫侖定律庫侖定律) ): （1 1）摩擦力和載荷成正比，即摩擦力和載荷成正比，即F=fN。除了在重載。除了在重載荷下實際接觸面積接近表觀面積外，都是正確的。荷下實際接觸面積接近表觀面積外，都是正確的。（2）摩擦系數(shù)與（名義）接觸面積無關。摩擦系數(shù)與（名義）接觸面積無關。一般僅對一般僅對具有屈服極限的材料如金屬材料是滿足的，不適于具有屈服極限的材料如金屬材料是滿足的，不適于彈性和粘彈性材料。彈性和粘彈性材料。（3）靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)。靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)。不適于粘彈性材不適于粘彈性材料，盡管改材料究竟是否具有靜摩擦系數(shù)還沒定論

5、。料，盡管改材料究竟是否具有靜摩擦系數(shù)還沒定論。（4）摩擦系數(shù)與滑動速度無關。摩擦系數(shù)與滑動速度無關。金屬材料基本符合，金屬材料基本符合，粘彈性顯著的彈性材料，與滑動速度有關。粘彈性顯著的彈性材料，與滑動速度有關。2.修正摩擦定律：修正摩擦定律：古典古典摩擦定律長期作為工程應用中的指導法則使用。摩擦定律長期作為工程應用中的指導法則使用。但是，根據近代的研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)內容不完全正確，但是，根據近代的研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)內容不完全正確，必須進行修正：必須進行修正：（1 1）摩擦力與摩擦力與名義接觸面積名義接觸面積無關，與無關，與真實接觸面積真實接觸面積有有關，當兩者接近時，即法向壓力很高時，摩擦力與關，

6、當兩者接近時，即法向壓力很高時，摩擦力與法向壓力成非線性關系，摩擦力增加很快。法向壓力成非線性關系，摩擦力增加很快。（2）有一定有一定屈服極限屈服極限的材料（如金屬），其摩擦的材料（如金屬），其摩擦力才與（名義）接觸面積無關，力才與（名義）接觸面積無關，粘彈性材料粘彈性材料的的摩擦力與接觸面積有關。摩擦力與接觸面積有關。（3）粘彈性材料的靜摩擦系數(shù)粘彈性材料的靜摩擦系數(shù)不大于不大于動摩擦系數(shù)。動摩擦系數(shù)。（4）精確測量表明，摩擦力與滑動速度有關。一精確測量表明，摩擦力與滑動速度有關。一般，速度對金屬的摩擦力的影響不像對粘彈性般，速度對金屬的摩擦力的影響不像對粘彈性顯著的彈性體的摩擦力那樣明顯。

7、一般認為，顯著的彈性體的摩擦力那樣明顯。一般認為，f=F/Nk，k=2/31。1. 1. 摩擦一般特征：摩擦一般特征： 一般壓力與速度下對確定的摩擦副和環(huán)境氣一般壓力與速度下對確定的摩擦副和環(huán)境氣氛，摩擦力大體與載荷成比例，可以認為摩氛，摩擦力大體與載荷成比例，可以認為摩擦系數(shù)為常數(shù)。初步近似，摩擦力與物體面擦系數(shù)為常數(shù)。初步近似，摩擦力與物體面積無關。積無關?；瑒幽Σ粱瑒幽Σ?. 2. 滑動摩擦理論：滑動摩擦理論：1. 1. 機械嚙合學說機械嚙合學說 摩擦是由表面粗糙不平的凸起之間的摩擦是由表面粗糙不平的凸起之間的機械嚙機械嚙合合作用的結果，解釋了作用的結果，解釋了表面越粗糙，摩擦系數(shù)表面越

8、粗糙，摩擦系數(shù)越大越大的現(xiàn)象，但無法解釋經過精密研磨的的現(xiàn)象，但無法解釋經過精密研磨的潔凈潔凈表面的摩擦系數(shù)反而增大表面的摩擦系數(shù)反而增大的現(xiàn)象。該學說的摩的現(xiàn)象。該學說的摩擦系數(shù)擦系數(shù): : f=fi/Ni=F/N=tan是接觸微凸體的傾斜角。是接觸微凸體的傾斜角。2. 2. 分子吸引理論分子吸引理論當兩表面的材料分子接近時，分子之間的吸引作當兩表面的材料分子接近時，分子之間的吸引作用是產生摩擦阻力的假說，利用分子力與分子之用是產生摩擦阻力的假說，利用分子力與分子之間距離的關系導出了摩擦系數(shù)與接觸面積成正比：間距離的關系導出了摩擦系數(shù)與接觸面積成正比：F=f(N+pAr)p為分子引力，為分子

9、引力，Ar為真實接觸面積為真實接觸面積3. 3. 分子分子機械理論機械理論克拉蓋爾斯基克拉蓋爾斯基1939年提出分子年提出分子-機械摩擦理論，認機械摩擦理論，認為摩擦阻力是由機械變形抗力和分子引力的綜合，為摩擦阻力是由機械變形抗力和分子引力的綜合，并非常量，并非常量，用摩擦二項式定律表示：用摩擦二項式定律表示：f=Ar/N+如果如果=b，則分子分量與下述的粘著是一致的。則分子分量與下述的粘著是一致的。金屬的，塑料的金屬的，塑料的=0.060.12=0.0170.06。 4.粘著理論粘著理論（1）概念：概念：在外載荷的作用下，兩表面的微凸體在外載荷的作用下，兩表面的微凸體之間的接觸壓力很大，造成

10、接觸點的之間的接觸壓力很大，造成接觸點的粘著粘著(冷焊冷焊)。當相對滑動時，粘著點被剪斷。如果兩表面的硬當相對滑動時，粘著點被剪斷。如果兩表面的硬度不同，硬的微凸體還會在軟表面上產生犁溝。度不同，硬的微凸體還會在軟表面上產生犁溝。剪切力與犁溝作用的總和就構成了摩擦阻力剪切力與犁溝作用的總和就構成了摩擦阻力:F=Wb/s=F/W=b/sb、s分別是分別是較軟材料較軟材料的的剪切強度極限（或界面剪切強度極限（或界面 剪切強度）和屈服極限。剪切強度）和屈服極限。(2)(2)粘著理論粘著理論基本要點：基本要點：摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài)摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài): :實際接觸面只實際接觸面只占名義面積很小

11、部分，接觸點處應力達到受占名義面積很小部分，接觸點處應力達到受壓屈服極限產生塑性變形后，接觸點的應力壓屈服極限產生塑性變形后，接觸點的應力不再改變，只能靠擴大接觸面積承受繼續(xù)增不再改變，只能靠擴大接觸面積承受繼續(xù)增加的載荷。加的載荷?；瑒幽Σ潦钦持c滑動交替發(fā)生的躍動過程滑動摩擦是粘著與滑動交替發(fā)生的躍動過程: :接觸點處于塑性流動狀態(tài)，在摩擦中產生瞬接觸點處于塑性流動狀態(tài)，在摩擦中產生瞬時高溫，使金屬產生粘著，粘著結點有很強時高溫，使金屬產生粘著，粘著結點有很強的粘著力，隨后在摩擦力作用下，粘結點被的粘著力，隨后在摩擦力作用下，粘結點被剪切產生滑動。剪切產生滑動。摩擦力是粘著效應和犁溝效應產

12、生阻力的總和摩擦力是粘著效應和犁溝效應產生阻力的總和: :粘粘著結點的剪切常發(fā)生在軟材料內部，造成磨損中著結點的剪切常發(fā)生在軟材料內部，造成磨損中材料的遷移現(xiàn)象。材料的遷移現(xiàn)象。* * * * *兩點說明兩點說明: :(1)(1)上式表明，摩擦力與載荷成正比，與名義接觸面上式表明，摩擦力與載荷成正比，與名義接觸面積無關，摩擦系數(shù)決定于較軟材料的力學性質積無關，摩擦系數(shù)決定于較軟材料的力學性質. . (2)(2)實驗證明，接觸點上的變形阻力和分子間作用力實驗證明，接觸點上的變形阻力和分子間作用力相比很小，可以忽略不計。相比很小，可以忽略不計。b 是黏結點上分子鍵是黏結點上分子鍵的剪切強度極限，的

13、剪切強度極限，s 是材料的受壓屈服極限。是材料的受壓屈服極限。（3 3）修正粘著理論：修正粘著理論：結點增大效應：結點增大效應：簡單粘著理論中分析實際接觸面積時簡單粘著理論中分析實際接觸面積時, ,只考慮只考慮受壓屈服極限，而計算摩擦力時又只考慮剪受壓屈服極限，而計算摩擦力時又只考慮剪切強度極限，對靜摩擦是合理的。對于滑動切強度極限，對靜摩擦是合理的。對于滑動摩擦狀態(tài)，由于存在切向力，實際接觸面積摩擦狀態(tài)，由于存在切向力，實際接觸面積和接觸點的變形條件都取決于法向載荷產生和接觸點的變形條件都取決于法向載荷產生的壓應力和切向力的聯(lián)合作用。實際接觸面的壓應力和切向力的聯(lián)合作用。實際接觸面積要大于只

14、考慮法向載荷時的接觸面積。積要大于只考慮法向載荷時的接觸面積。.表面膜效應：表面膜效應：當摩擦副表面生成氧化膜或被污染形成污染當摩擦副表面生成氧化膜或被污染形成污染膜時，摩擦系數(shù)將降低。污染膜的剪切強度膜時，摩擦系數(shù)將降低。污染膜的剪切強度較底時，粘著結點增長不明顯。當剪切應力較底時，粘著結點增長不明顯。當剪切應力達到污染膜的剪切強度時，表面膜被剪斷，達到污染膜的剪切強度時，表面膜被剪斷，摩擦副開始運動，摩擦系數(shù)表示為：摩擦副開始運動，摩擦系數(shù)表示為：=f/y f界面膜的剪切強度，界面膜的剪切強度， y金屬副的屈服強度，金屬副的屈服強度，只適用與金屬摩擦副。只適用與金屬摩擦副。犁溝效應：犁溝效

15、應：犁溝效應是硬金屬的粗糙峰嵌入軟金屬后，犁溝效應是硬金屬的粗糙峰嵌入軟金屬后，在滑動中推擠軟金屬，產生塑性流動并劃在滑動中推擠軟金屬，產生塑性流動并劃出一條溝槽。犁溝效應的阻力是摩擦力的出一條溝槽。犁溝效應的阻力是摩擦力的組成部分，在磨粒磨損和檫傷磨損中，為組成部分，在磨粒磨損和檫傷磨損中，為主要分量。主要分量。（4 4）粘著磨損理論優(yōu)缺點：粘著磨損理論優(yōu)缺點：優(yōu)點：優(yōu)點：表面膜減摩作用、滑動摩擦的躍動現(xiàn)象、表面膜減摩作用、滑動摩擦的躍動現(xiàn)象、膠合磨損機理、材料轉移等。膠合磨損機理、材料轉移等。存在的問題：存在的問題：（1）摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)與 表面粗糙度無關，表面粗糙度無關， 不符合實驗結

16、果。不符合實驗結果。（2 2）接點處產生的粘著機理，至今沒弄清：接點處產生的粘著機理，至今沒弄清： 鮑登鮑登認為接點處產生粘著。認為接點處產生粘著。 其他：許多情況下，粘著點溫度并不高，不可能其他：許多情況下，粘著點溫度并不高，不可能產生金屬間的擴散，粘著力一般很小。產生金屬間的擴散，粘著力一般很小。（3 3）假設接點處產生牢固粘著，實際壓力去除假設接點處產生牢固粘著，實際壓力去除 后，很難測出粘著力。后，很難測出粘著力。 接觸點非完全塑性變形，一部分處于彈性接接觸點非完全塑性變形，一部分處于彈性接觸，壓力去除后，彈性變形回彈，破壞了部觸，壓力去除后，彈性變形回彈，破壞了部分粘著結點。分粘著結

17、點。（4）無法解釋脆性材料具有的和金屬材料相無法解釋脆性材料具有的和金屬材料相似的摩擦性能。似的摩擦性能。（5 5）粘著理論很好解釋了粘著理論很好解釋了“相溶性較大的金相溶性較大的金屬之間容易發(fā)生黏著屬之間容易發(fā)生黏著,摩擦系數(shù)較大摩擦系數(shù)較大”現(xiàn)象現(xiàn)象.對于大多數(shù)金屬對于大多數(shù)金屬, b =0.2s ,計算的摩擦系數(shù)計算的摩擦系數(shù)為為 0.2左右左右.正常大氣中測的摩擦系數(shù)都高達正常大氣中測的摩擦系數(shù)都高達 0.5 ,在真空中更高在真空中更高.5.5.機械機械粘著粘著犁溝綜合作用理論犁溝綜合作用理論 粘著理論的基礎上提出粘著理論的基礎上提出“機械機械粘著粘著犁溝犁溝” 綜合作用的學說：綜合作

18、用的學說： = = d d + + a a + + p p 一般認為，犁溝和機械作用可能大于粘著一般認為，犁溝和機械作用可能大于粘著作用。靜摩擦系數(shù)決定于微凸體的變形的作用。靜摩擦系數(shù)決定于微凸體的變形的機械作用。機械作用。 6.6.滑動摩擦機理分析：滑動摩擦機理分析：兩相對滑動表面摩擦系數(shù)是微凸體變形、磨粒和兩相對滑動表面摩擦系數(shù)是微凸體變形、磨粒和微凸體犁溝以及表面粘著綜合作用的結果，可以微凸體犁溝以及表面粘著綜合作用的結果，可以把摩擦特性和時間的關系分幾個典型階段描述：把摩擦特性和時間的關系分幾個典型階段描述： （1 1）表面被污染，摩擦系數(shù)主要取決于材料表面被污染，摩擦系數(shù)主要取決于材

19、料組合、表面特性和環(huán)境條件。組合、表面特性和環(huán)境條件。 （2 2）粘著起作用，摩擦系數(shù)開始上升，如果粘著起作用，摩擦系數(shù)開始上升，如果微凸體斷裂，產生的磨粒將產生犁溝作用，微凸體斷裂，產生的磨粒將產生犁溝作用，使摩擦系數(shù)升高。使摩擦系數(shù)升高。 （3 3）滑動表面的磨粒數(shù)增加，犁溝作用增大，滑動表面的磨粒數(shù)增加，犁溝作用增大，摩擦系數(shù)急劇上升。摩擦系數(shù)急劇上升。 （4 4）進入和離開界面的磨粒數(shù)相等時，摩擦進入和離開界面的磨粒數(shù)相等時，摩擦系數(shù)保持不變，即穩(wěn)定摩擦狀態(tài)。系數(shù)保持不變，即穩(wěn)定摩擦狀態(tài)。（5 5）硬表面的微凸體被逐漸磨平，形成光滑硬表面的微凸體被逐漸磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在

20、光滑的表面，犁溝作表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁溝作用減弱。同時微凸體變形也減弱，摩擦系數(shù)用減弱。同時微凸體變形也減弱，摩擦系數(shù)有所下降。有所下降。（6 6）硬表面的表面粗糙度達到最佳值，軟表硬表面的表面粗糙度達到最佳值，軟表面也可能達到同樣光滑，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)。面也可能達到同樣光滑，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)。（？）（？）如果硬表面不是靜止的，而是相對于靜如果硬表面不是靜止的，而是相對于靜表面運動的，則硬表面將始終是粗糙的，后表面運動的，則硬表面將始終是粗糙的，后兩個階段不可能實現(xiàn)。兩個階段不可能實現(xiàn)。影響滑動摩擦的因素影響滑動摩擦的因素1.1.摩擦副材料：摩擦副材料：相同金屬或互溶性較大的金相

21、同金屬或互溶性較大的金屬摩擦副摩擦系數(shù)較大；二者之間容易發(fā)生屬摩擦副摩擦系數(shù)較大；二者之間容易發(fā)生粘著，而互溶性差的金屬不易發(fā)生粘著。粘著，而互溶性差的金屬不易發(fā)生粘著。2.2.摩擦副表面特性：摩擦副表面特性： （1 1）表面粗糙度：表面粗糙度：非常粗糙的表面非常粗糙的表面，表面須，表面須越過另一表面的微凸體，摩擦系數(shù)高。越過另一表面的微凸體，摩擦系數(shù)高。非常非常光滑的表面光滑的表面摩擦系數(shù)甚至更高：實際接觸面摩擦系數(shù)甚至更高：實際接觸面積大，分子作用增強。積大，分子作用增強。在塑性接觸下，在塑性接觸下，實際實際接觸面積總是與載荷成正比，表面粗糙度的接觸面積總是與載荷成正比，表面粗糙度的實際影

22、響并不大。實際影響并不大。（2 2）表面膜：表面膜：表面膜具有減摩作用，表面膜具有減摩作用， 降低表面分子力的作降低表面分子力的作 用使摩擦副之間的原用使摩擦副之間的原 子結合力或離子結合子結合力或離子結合 力被較弱的范德華力力被較弱的范德華力 所代替。所代替。表面膜的機械強度低表面膜的機械強度低 于基體材料，滑動時于基體材料，滑動時 剪切阻力較小，摩擦剪切阻力較小，摩擦 表面不發(fā)生粘著。表面不發(fā)生粘著。3. 3.滑動速度：滑動速度：當滑動速度不引起表面當滑動速度不引起表面 層性質發(fā)生變化時，摩層性質發(fā)生變化時，摩 擦系數(shù)幾乎與滑動速度擦系數(shù)幾乎與滑動速度 無關。無關?；瑒铀俣纫鸨砻鎸影l(fā)滑動

23、速度引起表面層發(fā) 熱、變形和化學變化及熱、變形和化學變化及 磨損，而顯著影響摩擦磨損，而顯著影響摩擦 系數(shù)。實驗表明，滑動系數(shù)。實驗表明，滑動 速度的影響主要取決于速度的影響主要取決于 溫度狀況。溫度狀況。4.4.載荷：載荷：通過接觸面積的大小和變形來影響摩擦力。一通過接觸面積的大小和變形來影響摩擦力。一般情況下，摩擦系數(shù)隨載荷增加而降低，然后般情況下，摩擦系數(shù)隨載荷增加而降低，然后逐漸趨于穩(wěn)定。逐漸趨于穩(wěn)定。5.5.溫度：溫度：金屬摩擦副，溫度升高金屬摩擦副，溫度升高100 100 ，摩擦系數(shù)僅降，摩擦系數(shù)僅降低百分之幾。低百分之幾。由于金屬接點的接觸面積取決于由于金屬接點的接觸面積取決于載

24、荷和屈服壓強：高溫時，屈服強度降低，接載荷和屈服壓強：高溫時，屈服強度降低，接點的總面積有所增加，同時剪切強度下降，使點的總面積有所增加，同時剪切強度下降，使剪切接點的力（摩擦力）大致保持不變。除非剪切接點的力（摩擦力）大致保持不變。除非高溫使金屬發(fā)生明顯地軟化。高溫使金屬發(fā)生明顯地軟化。 1. 1.滾動摩擦定義：滾動摩擦定義： 成點接觸或線接觸的兩物體在接觸處的速成點接觸或線接觸的兩物體在接觸處的速 度大小和方向均相同（純滾動）時的滾動阻度大小和方向均相同（純滾動）時的滾動阻 力矩稱為滾動摩擦力矩，這種現(xiàn)象稱為滾動力矩稱為滾動摩擦力矩，這種現(xiàn)象稱為滾動 摩擦。摩擦。 引起滾動摩擦的因素是多方

25、面的，主要包引起滾動摩擦的因素是多方面的，主要包 括接觸處變形的微觀滑移、彈性滯后、塑性括接觸處變形的微觀滑移、彈性滯后、塑性 變形和粘著等變形和粘著等。 滾動摩擦滾動摩擦2. 2. 滾動摩擦形式：滾動摩擦形式：（1 1）自由滾動）自由滾動滾動元件沿平面無約束地作滾動元件沿平面無約束地作直線滾動，為最簡單的滾動形式。直線滾動，為最簡單的滾動形式。（2 2）具有牽引力的滾動）具有牽引力的滾動-滾動元件受到法向滾動元件受到法向載荷和牽引力的作用產生的滾動形式。載荷和牽引力的作用產生的滾動形式。（3 3）伴隨滑動的滾動）伴隨滑動的滾動-幾何形狀造成接觸面幾何形狀造成接觸面上切向速度不等時，必將伴有滑

26、動。上切向速度不等時，必將伴有滑動。3. 3. 滾動摩擦系數(shù)滾動摩擦系數(shù)（1）有量綱滾動摩擦系數(shù)：）有量綱滾動摩擦系數(shù)：驅動力矩與法向載荷之比，即：驅動力矩與法向載荷之比，即：=FR/W=W e/W=e（2）無量綱滾動摩擦系數(shù)：）無量綱滾動摩擦系數(shù)：稱為滾動阻力系數(shù)，數(shù)值上等于驅動力矩稱為滾動阻力系數(shù)，數(shù)值上等于驅動力矩在單位距離所作的功與法向載荷之比，即：在單位距離所作的功與法向載荷之比，即： =FR/RW=F/W=/R#滾動摩擦系數(shù)較小，一般鋼滾動摩擦系數(shù)較小，一般鋼鋼的滾鋼的滾 動摩擦系數(shù)動摩擦系數(shù) =0.0001。4. 4. 滾動摩擦機理滾動摩擦機理（1 1）微觀滑移效應）微觀滑移效應

27、 雷諾雷諾(Reynolds)滑移：滑移：彈性常數(shù)不同的兩個物體發(fā)生赫芝接觸并自彈性常數(shù)不同的兩個物體發(fā)生赫芝接觸并自由滾動，作用在每一個物體界面上的壓力相由滾動，作用在每一個物體界面上的壓力相同，但兩表面上引起切向位移不相等，而導同，但兩表面上引起切向位移不相等，而導致界面的滑移過程。致界面的滑移過程。（理解）當剛性滾輪沿彈性平面滾動時，在（理解）當剛性滾輪沿彈性平面滾動時，在一整周內滾輪走過的距離要小于圓周長。一整周內滾輪走過的距離要小于圓周長。（理解）當彈性滾輪沿剛性平面滾動時，在（理解）當彈性滾輪沿剛性平面滾動時，在一整周內滾輪走過的距離要大于圓周長。一整周內滾輪走過的距離要大于圓周長

28、。 Carter-Poritsky-Foppl滑移：滑移：滾動接觸面切向力的作用引起的微觀滑移。滾動接觸面切向力的作用引起的微觀滑移。兩滾動接觸的各點受切向力后，產生的彈性兩滾動接觸的各點受切向力后，產生的彈性變形不同，使接觸面的一部分發(fā)生微觀彈性變形不同，使接觸面的一部分發(fā)生微觀彈性滑移?；啤eathcote滑移滑移：幾何形狀的差異，致使接觸點上兩表面的切幾何形狀的差異，致使接觸點上兩表面的切向速度不等，引起的微觀滑移。這種滑移引向速度不等，引起的微觀滑移。這種滑移引起的摩擦阻力，取決于滾動體的曲率半徑、起的摩擦阻力，取決于滾動體的曲率半徑、材料特性以及表面狀態(tài)等。材料特性以及表面狀態(tài)等

29、。（2 2）彈性滯后效應）彈性滯后效應接觸時的彈性變形要消耗能量，脫離接觸時要釋接觸時的彈性變形要消耗能量，脫離接觸時要釋放出彈性變形能。由于材料彈性滯后、松弛效應，放出彈性變形能。由于材料彈性滯后、松弛效應，釋放的能量小于彈性變形能，兩者之差就是滾動釋放的能量小于彈性變形能，兩者之差就是滾動摩擦的損耗。摩擦的損耗。粘彈性材料的彈性滯后大，摩擦損粘彈性材料的彈性滯后大，摩擦損失大于金屬。失大于金屬。（3 3）塑性變形效應）塑性變形效應滾動表面接觸應力超過一定限度時，將首先在表滾動表面接觸應力超過一定限度時，將首先在表面層下的一定深度產生塑性變形，隨載荷的增大，面層下的一定深度產生塑性變形，隨載

30、荷的增大，逐漸擴展到表面。塑性變形消耗的能量構成了滾逐漸擴展到表面。塑性變形消耗的能量構成了滾動摩擦的損耗。動摩擦的損耗。在反復循環(huán)滾動摩擦接觸時，由在反復循環(huán)滾動摩擦接觸時，由于硬化等，會產生相當復雜的塑性變形過程。于硬化等，會產生相當復雜的塑性變形過程。（4 4）粘附效應）粘附效應滾動接觸粘附效應與滑動摩擦不同，表面滾動接觸粘附效應與滑動摩擦不同，表面粘著力作用在滾動接觸界面的法向，不發(fā)粘著力作用在滾動接觸界面的法向，不發(fā)生粘著點剪切、增大等現(xiàn)象。生粘著點剪切、增大等現(xiàn)象。滾動粘附力屬范德華力，只作用在微觀滑滾動粘附力屬范德華力，只作用在微觀滑移區(qū)內的微觀觸點上。在滾動接觸區(qū)的后移區(qū)內的微

31、觀觸點上。在滾動接觸區(qū)的后緣將受拉力而分離，不像滑動接觸受剪切緣將受拉力而分離，不像滑動接觸受剪切而分離，因此引起的滾動阻力很小。而分離，因此引起的滾動阻力很小。滾動摩擦的粘附分量只占摩擦阻力的很小滾動摩擦的粘附分量只占摩擦阻力的很小部分。部分。5 5 滾動摩擦力矩的計算：滾動摩擦力矩的計算： （圓柱體在平面上的滾動）（圓柱體在平面上的滾動）摩擦阻力摩擦阻力：F=2Wa/3R滾動摩擦系數(shù)：滾動摩擦系數(shù)： =F/W=2a/3R =2(4W R/ E )1/2/3R滾動阻力系數(shù)與滾柱的幾何尺寸、載荷與滾動阻力系數(shù)與滾柱的幾何尺寸、載荷與彈性模量有關。彈性模量有關。1. 1. 高速摩擦：高速摩擦：航

32、空、化工機械中，摩擦表面航空、化工機械中，摩擦表面的滑動速度常超過的滑動速度常超過50m/s50m/s，有時高達，有時高達600m/s600m/s以以上，此時接觸面產生大量的摩擦熱，由于滑上，此時接觸面產生大量的摩擦熱，由于滑動速度很高，接觸點的持續(xù)接觸時間短，瞬動速度很高，接觸點的持續(xù)接觸時間短，瞬時產生的大量摩擦熱來不及向內部擴散，因時產生的大量摩擦熱來不及向內部擴散，因此摩擦熱集中在表面很薄的區(qū)間，使表面溫此摩擦熱集中在表面很薄的區(qū)間，使表面溫度升高，溫度梯度大而容易產生膠合。度升高，溫度梯度大而容易產生膠合。特殊工況的摩擦特殊工況的摩擦2.高溫摩擦學：高溫摩擦學：如發(fā)動機、原子反應堆和

33、如發(fā)動機、原子反應堆和宇航設備。高溫摩擦時，各種材料的摩擦宇航設備。高溫摩擦時，各種材料的摩擦系數(shù)隨溫度變化趨勢相同。即摩擦系數(shù)隨系數(shù)隨溫度變化趨勢相同。即摩擦系數(shù)隨溫度升高，先緩慢降低，然后迅速升高。溫度升高，先緩慢降低，然后迅速升高。摩擦系數(shù)存在最小值，約摩擦系數(shù)存在最小值，約600700左右。左右。（3）低溫摩擦學：）低溫摩擦學：工作溫度在工作溫度在0以下。此時摩擦熱影響很小，以下。此時摩擦熱影響很小，摩擦材料的冷脆性和組織結構對摩擦影響摩擦材料的冷脆性和組織結構對摩擦影響最大。最大。（4 4）真空摩擦學）真空摩擦學在宇航和真空環(huán)境工作的摩擦副。由于在宇航和真空環(huán)境工作的摩擦副。由于周圍

34、介質稀薄，摩擦表面的吸附和氧化周圍介質稀薄，摩擦表面的吸附和氧化膜發(fā)生破裂后，難以再生，造成金屬直膜發(fā)生破裂后，難以再生，造成金屬直接接觸，產生強烈的粘著磨損，真空度接接觸，產生強烈的粘著磨損，真空度越高，摩擦系數(shù)越大。同時，真空中無越高，摩擦系數(shù)越大。同時，真空中無對流散熱現(xiàn)象，摩擦熱難以排出，表面對流散熱現(xiàn)象，摩擦熱難以排出，表面溫度升高。而且由于真空的蒸發(fā)作用，溫度升高。而且由于真空的蒸發(fā)作用，使液體潤滑劑失效。使液體潤滑劑失效。邊界摩擦邊界摩擦1 1. .基本概念：基本概念：摩擦界面上存在一層極薄的潤滑膜時產生摩擦界面上存在一層極薄的潤滑膜時產生的摩擦，也稱為邊界潤滑。的摩擦，也稱為邊

35、界潤滑。物理、化學吸附或化學反應膜稱為潤滑膜，物理、化學吸附或化學反應膜稱為潤滑膜，小于小于0.1m0.1m，起到潤滑作用。摩擦性能取，起到潤滑作用。摩擦性能取決于表面和薄膜的性質，不取決于潤滑劑決于表面和薄膜的性質，不取決于潤滑劑的黏度，摩擦摩擦系數(shù)一般在的黏度，摩擦摩擦系數(shù)一般在0.040.15之之間。間。2.2.邊界膜的分類：邊界膜的分類：（1 1）物理吸附膜：物理吸附膜：分子的吸引力使極性分子定向排列而吸附分子的吸引力使極性分子定向排列而吸附到金屬表面，吸附和脫吸完全可逆，高溫到金屬表面，吸附和脫吸完全可逆，高溫時脫吸。時脫吸。 潤滑油中具有長鏈的碳氫化合物分子，在潤滑油中具有長鏈的碳

36、氫化合物分子，在金屬表面上形成物理吸附膜，可防止金屬金屬表面上形成物理吸附膜，可防止金屬直接接觸，降低粘著分量。直接接觸，降低粘著分量。如脂肪酸極性如脂肪酸極性分子吸附在金屬表面，形成的脂肪酸膜，分子吸附在金屬表面，形成的脂肪酸膜，可作為滑動導軌、輕載的蝸桿傳動潤滑?？勺鳛榛瑒訉к墶⑤p載的蝸桿傳動潤滑。（2 2）化學吸附膜：化學吸附膜： 潤滑劑極性分子與金屬表面化學結合形成的吸附潤滑劑極性分子與金屬表面化學結合形成的吸附膜，吸附和脫吸不完全可逆，高溫下脫吸。潤滑膜，吸附和脫吸不完全可逆，高溫下脫吸。潤滑油分子受化學鍵力的作用，而貼附到金屬表面上，油分子受化學鍵力的作用，而貼附到金屬表面上，就形

37、成了化學吸附膜。就形成了化學吸附膜。 硬脂酸硬脂酸十十FeO-FeO-硬脂酸鐵金屬皂膜硬脂酸鐵金屬皂膜 # # 化學吸附膜剪切強度低，熔點高，適用于中化學吸附膜剪切強度低，熔點高，適用于中等溫度、速度、載荷。等溫度、速度、載荷。（3 3）化學反應膜：化學反應膜： 化學反應形成的膜?；瘜W反應形成的膜。較高的溫度（較高的溫度（150-150-200200）下，潤滑油中的硫、氯、磷與金屬）下，潤滑油中的硫、氯、磷與金屬起化學反應，形成化合物，在油與金屬界面起化學反應，形成化合物，在油與金屬界面處形成化學反應膜。處形成化學反應膜。 # # 化學反應膜具有較低的剪切強度和更高化學反應膜具有較低的剪切強度

38、和更高熔點，穩(wěn)定性好，適于高溫、高速、重載的熔點，穩(wěn)定性好，適于高溫、高速、重載的場合。場合。 # # 邊界摩擦時的摩擦規(guī)律與干摩擦相同，邊界摩擦時的摩擦規(guī)律與干摩擦相同，只是摩擦系數(shù)小些。只是摩擦系數(shù)小些。3.3.邊界膜結構邊界膜結構(1)(1)邊界膜典型成分邊界膜典型成分潤滑油主要成分是碳氫化合物，硬脂酸是潤滑油潤滑油主要成分是碳氫化合物，硬脂酸是潤滑油中常含的一種脂肪酸。中常含的一種脂肪酸。硬脂酸硬脂酸( (C17H2n-1COOH)為長鏈為長鏈型極性化合物，一型極性化合物，一端含有極性基團端含有極性基團(-(-COOH)，能牢固地吸附在金屬能牢固地吸附在金屬表面。離表面越近，吸附能力越

39、強。表面。離表面越近，吸附能力越強。當接觸表面相對運動時，第一層吸附分子不發(fā)生當接觸表面相對運動時，第一層吸附分子不發(fā)生 相對位移，上面的分子之間發(fā)生位移，代替了金相對位移，上面的分子之間發(fā)生位移，代替了金屬之間的直接接觸，保護了金屬表面。屬之間的直接接觸，保護了金屬表面。邊界潤滑邊界潤滑膜的結構膜的結構（2 2）邊界膜的分子結構邊界膜的分子結構被吸附的分子都具有一個極性團，即分子被吸附的分子都具有一個極性團，即分子中存在一端為正，另一端為負的偶極。中存在一端為正，另一端為負的偶極。鏈狀分子成束吸附在固體表面，鏈之間具鏈狀分子成束吸附在固體表面，鏈之間具有內聚力，形成一層側向強度很強的單分有內

40、聚力，形成一層側向強度很強的單分子膜，具有一定的承載能力。子膜，具有一定的承載能力。極性端吸附在金屬表面，并垂直于表面，極性端吸附在金屬表面，并垂直于表面， 整個鏈狀分子按一定方向排列。整個鏈狀分子按一定方向排列。4. 4. 邊界摩擦機理邊界摩擦機理(1)(1)邊界潤滑的接觸，發(fā)生在潤滑劑的非極性端之間，邊界潤滑的接觸，發(fā)生在潤滑劑的非極性端之間， 摩擦力源于邊界膜分子層之間的相互作用。摩擦力源于邊界膜分子層之間的相互作用。(2)(2)由于摩擦副表面粗糙不平，接觸微凸體的壓力很由于摩擦副表面粗糙不平，接觸微凸體的壓力很 大，當兩表面相互滑動時，接觸點溫度很高，部大，當兩表面相互滑動時，接觸點溫度很高，部 分邊界膜破壞分邊界膜破壞, ,使金屬直接接觸。使金屬直接接觸。(3)摩擦力為剪斷表面粘著部分的剪切抗力和邊界摩擦力為剪斷表面粘著部分的剪切抗力和邊界膜間的剪切阻力之和：膜間的剪切阻力之和： F=Arb+(1-)f正壓力等于正壓力等于Ars，混合摩擦系數(shù)為：混合摩擦系數(shù)為：m=b+(1-)f/s Ar承擔載荷總的實際面積；承擔載荷總的實際面積； 總的接觸面積中總的接觸面積中發(fā)生金屬直接接觸部分的百分數(shù)；發(fā)生金屬直接接觸部分的百分數(shù)； b軟金屬剪軟金屬剪切強度；切強度； f 邊界膜剪切強度；邊界膜剪切強度； s軟體