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1、第四章摩擦、磨损及润滑概述,概述,当在正压力作用下相互作用的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时产生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或转移，即磨损。 据估计世界上在工业方面约有30%的能量消耗于摩擦过程中。为了替换易损零件，我国每年都要用一大批钢材去制造配件，而磨损件又占了其中很大的比例.磨损会使零件的表面形状和尺寸遭到缓慢和连续的破坏，使机器的效率和可靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终还可能导致零件的突然破坏。虽然从十七世纪就开始了对摩擦的研究，但近三
2、十年来已在某些机器或设备的使用中采用了考虑磨损寿命的设计方法，但是对于摩擦磨损的机理，至今尚未完全弄清。不过人们为了控制摩擦磨损，提高机器效率，减小能量损失，降低材料消耗保证机器工作的可靠性，已经找到了一个有效的手段润滑。 现在把研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为摩擦学。本章将概述介绍机械设计中有关摩擦学的一些基本知识。,第一节 摩擦,摩擦可分为两类：一类发生在物质内部，阻碍分子间相互运动的内摩擦；另一类是相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对运动的外摩擦。仅有相对滑动趋势的摩擦叫做静摩擦；相对滑动进行中的摩擦叫做动摩擦。根据位移形式中的不同，动
3、摩擦又分为滑动摩擦与滚动摩擦。由于滚动摩擦的机理与规律完全不同于滑动摩擦，这已在物理学中阐明，本节将只着重讨论金属表面间的滑动摩擦。根据摩擦面间存在的润滑剂的情况，滑动摩擦又分为干摩擦、边界摩擦（边界润滑）、混合摩擦（混合润滑）及流体摩擦（流体润滑），第二三种统称为非流体摩擦。干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。在工程实际中并不存在真正的干摩擦，因为任何零件的表面不仅会因氧化而形成氧化膜，而且多少也会被润滑油所湿润或受到“油污”。在机械设计中，通常把人们无意加以润滑而又不会出现明显润滑现象的摩擦当作“干”摩擦处理。,(一)干摩擦,固体之间的摩擦，虽然早就有人进行系统的研究
4、，并在十八世纪就提出了至今仍在沿用的，关于摩擦力的表达式： F=fFn 式中F摩擦力 f摩擦系数 Fn法向压紧力 但是，有关摩擦的机理，知道本世际的中叶才比较清楚的揭示出来，并逐渐形成先进被广泛接受的分子机械理论。这种理论认为，两个无润滑物体之间的摩擦，主要是由两种因素构成：一是摩擦面实际接触区内出现的粘着；二是较硬表面上的微凸突体在较软表面上所起的犁刨作用。 任何机械物体的表面，都是带有不同形状（如球形锥形等）和尺寸的不平度和波纹度的粗糙面。两个物体在正压力作用下的接触面积，根据现代的精密测定表明，并非两个物体互相覆盖的公称接触面积（或叫表观接触面积）Ao，而是由一些微凸体相互接触所形成的接
5、触斑点的微面积的总和，叫实际接触面Ar。随着载荷的增大，这些接触斑点的数目也将增加。在这些接触斑点上有相当高的局部压力，即使在冬天的载荷下也会引起塑性变形。受表面间分子结合力（又叫范德华力或远程表面力）的作用，这些接触斑点就会牢固的粘结（或冷焊）在一起形成如图4-1（图中取单位厚度）所示的结点群。当两物体相对滑动时，首先就要剪断这些结点，这就构成摩擦力的分量Fa。一个硬的微凸体在一个较软的表面上滑过而切出沟纹时，变产生了犁刨作用。这就意味着金属表层要发生塑性变形（对韧性材料）或破裂（对脆性材料），因而就构成了摩擦力的机械分量Fm。,因此摩擦力可近似取为 F=Fa+Fm 或近似取f=fa+fm
6、式中fa fm分别为摩擦系数的粘着分量和机械分量。 根据研究表明，对于经过跑和的表面，在微凸体的弹性接触时，摩擦力或摩擦系数的粘着分量要比机械分量大得多；在微凸体的塑性接触时，机械分量的比例就增大了。 根据以上的分析和实验研究的结果，可以归纳出干摩擦时摩擦力与表观接触面积无关而与载荷成正比的结论。 两个相互接触的物体在切向外力的作用下开始相对滑动之前，要发生一定的切向平移，叫预位移。这个量甚小，一般不超过几微米。当预位移达到一个极限值时，两物体相互作用的大小相等，方向相反的摩擦力F便发生一个突变，物体就进入相对滑移阶段。对应于极限预位移时的摩擦力就是极限静摩擦力；对应于稳定滑移阶段的摩擦力就是
7、动摩擦力。可见，动摩擦力小于极限静摩擦力。实验证明，在预位移的前一大段摩擦力与预位移成正比；在接近与极限预位移时，二者间就明显地转变为非线性关系了。 影响摩擦系数的因素很多，除了摩擦副的配偶材料性质而外，主要还有表面膜与镀层，滑动速度，环境温度及表面粗糙度等。 摩擦副的配偶材料性质对摩擦系数的影响，主要取决于材料的互溶性。对于相同的相同的金属或互溶性大的金属所组成的摩擦副，易产生粘着现象，故摩擦系数大。反之，则其值较小。,摩擦副的配偶金属接触的表面因受到污染或氧化而形成的表面膜，一方面要降低金属材料之间的分子吸力；另一方面由于这种薄膜的剪切程度较低，所以摩擦系数也随之降低。故可认为，对于摩擦表
8、面来说，任何表面膜都是一种广义的润滑剂。实验研究表明，硬金属表面的软镀层(如镀铟)，在镀层极薄时，镀层的剪切阻力在摩擦力中所占的比例不大，这是主要是摩擦力的机械分量在其作用，所以随着镀层的逐步加厚，摩擦系数会迅速下降。但当镀层厚度增大到一定值后，两表面上的微凸体大多被埋没，这时摩擦力便主要取决于镀层的剪切强度，而摩擦系数的机械分量反而影响甚微，因而随着镀层的继续加厚，摩擦系数就要缓慢的上升。 相对滑动速度对摩擦系数的影响，主要是由于摩擦表面温度升高将表面材料引起材料的机械性能发生变化。当相对滑动速度低于音速的十分之一（30m/s）时，摩擦表面的性质和状态不致发生明显的改变，一般可不考虑它的影响
9、。在高于这个速度时摩擦系数将随速度的增大而降低，而且用导热性过差的材料（如合金钢）比用导热性较好的材料（如铜），摩擦系数要降的更多。 周围介质温度对摩擦系数的影响（例如燃气涡轮机和原子反应堆等用的一些摩擦副就应该考虑这种影响）根据鲍登（F.P.Bowden）等人的实验研究，金属材料的摩擦副随着温度的升高，摩擦系数先是下降，在700800时降到一个最低点，然后又随温度的升高而增大。克拉格里斯基认为这种现象是由于温度升高，使得分子的剪切阻抗减小，因而形成前一阶段摩擦系数下降；当温度继续升高时，由于金属的硬度急速下降，塑性加大，因而摩擦系,数的机械分量增大，所以随着温度的继续升高，摩擦系数也迅速加大
10、。 在干摩擦的情况下，如摩擦表面较为粗糙时，则把表面加工的光洁一些以减小表面的粗糙度值，将会使摩擦力的机械分量明显下降，而粘着分量增加不大，故摩擦系数会下降较多；但当表面粗糙度值减小到一定水平后，如再进一步减小时，则因实际接触面积增大，使表面间分子吸力的增长胜过机械分量的下降，因而摩擦系数就会缓慢上升。,（二）边界摩擦（边界润滑）,摩擦表面间，由于润滑油的存在而大大改变了摩擦的特性。当两个受油污的表面在重载作用下考得非常紧（两表面间可能只有一微米，甚至只有一两个分子那样厚的油膜存在，以致有相当多的微凸体发生接触），而润滑油的体积性质（又叫粘性）还不能起作用时其摩擦特性便主要取决于润滑油和金属表
11、面的化学性质。这种能保护金属不致粘着的薄膜，叫做边界膜。这时两表面间所形成的摩擦就叫边界摩擦。 边界膜的形成原理有以下三种： 1.物理吸附作用 当润滑油与金属接触时，润滑油就在两者的分子吸力的作用下紧贴到金属表面上，形成物理吸附膜。它可以是单分子层的或多分子层的。具有长链的碳氢化合物它们分子的一端是带有强电荷的极性团（如硬脂酸的COOH），又对金属表面垂直取向的特性，就像鬃毛直立在毛刷上一样。这些极性分子彼此聚集一起，形成一种能防止微凸体穿透，避免金属直接触的薄膜，但各层分子之间的剪切程度较低，而且离金属表面越远的分子层抗剪能力越差。当两表面做相对滑动时，剪切仅在边界膜各分子层之间进行，所以摩
12、擦系数较低。又因这种边界膜的熔点较低（如硬脂酸的熔点约为69），受热后很易发生解除吸附，方向散乱乃至薄膜融化。所以只能在低速轻载下起作用。,2.化学吸附作用 当润滑油分子受化学键力（即原子与原子间的结合力，又叫近程表面力）的作用而贴附到金属表面上时，就形成化学吸附膜。例如硬脂酸同铁的氧化物（FeO）反应所形成的硬脂酸铁的金属皂膜就是一种化学吸附膜。它既有低的剪切强度，又有比原先的脂肪酸更高的熔点（约120 ），所以能在较高的速度及载荷下起润滑作用。 3.化学反应 当润滑油分子中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时，在较高的温度（通常在150200 ）下这些元素能与金属起化学反应，形成硫、氯、磷的化
13、合物（如硫化铁）。在油与金属界面处形成的这种反应膜，具有低剪切强度和高熔点，它比前两种吸附膜都更为稳定，可以在十分恶劣的条件（高压力、大滑动速度）下保护金属不发生粘着。 前两种边界膜的润滑性能通常叫润滑油的油性；后一种则叫极压性。 在边界摩擦时的摩擦规律，基本上与干摩擦相同，只是摩擦系数小些，通常约在0.1左右。因为不能完全避免金属的直接接触，所以这时仍有磨损产生。,（三）混合摩擦（混合润滑） 随着摩擦面间油膜厚度的增大，表面微凸体直接接触的数量在减小，而油膜承载的比例在增大。根据近十几年来对粗糙面相互作用的研究表明，在混合摩擦（混合润滑）时可用膜厚比来大致估计微凸体与油膜各自分组载荷的情况：
14、 =hmin/Ra 式中hmin两粗糙面间的最小公称油膜厚度m； Ra两表面的综合粗糙度Ra=（R2a1+ R2a2）2， m Ra1 Ra2分别为两表面的轮廓算术平均偏差m。 当0.4时为边界摩擦，载荷完全由微凸体承担；当0.4 3.0时为混合摩擦；随着的增大，油膜承担载荷的比例也在增大，在=1时，微凸体所承担的载荷约为总载荷的30%；当 35后则为液体摩擦。 很显然，在混合摩擦时，因仍然有微凸体的直接接触，所以不可避免地还有磨损存在，只是摩擦系数要比边界摩擦时小得多了。,（四）液体摩擦（液体润滑） 正如以上所指出，当摩擦面间的油膜厚度大到足以将两个表面的微凸体完全分开（35）时，即形成了完
15、全的液体摩擦。这时的油分子以大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动，摩擦是在流体内部的分子之间进行，所以摩擦系数极小（油润滑时约为0.0010.008），而且不会有磨损产生。特别是这时摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同了。关于液体摩擦（液体润滑）的问题将在下面作进一步的讨论。,第二节 磨损,运动副之间的摩擦将导致机件表面材料的逐渐丧失或转移，即形成磨损。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至使机器提前报废。因此在设计时预先考虑如何避免或减轻磨损，以保证机器达到设计寿命，就具有强大的现实意义。另外也应当指出工程上也有不少利用磨损作用的场合，如精加工中的磨削及抛光，机器的“跑合”过
16、程都是磨损的有用方面。 一个机件的磨损过程大致可分为三个阶段： 1.跑合磨损阶段 由于机件加工后的表面总具有一定的粗糙度，在运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单体面积上的实际载荷面积较大，因此磨损速度较快，而且在不断变化。但随着跑合的进行，如果摩擦副配偶材料及加工工艺选择得当，润滑良好，则由于实际接触面积不断地增大，磨损速度在达到某一定值后，即转入稳定磨损阶段。 2.稳定磨损阶段 这个阶段内，机件以平稳而缓慢的速度在磨损，它标志着摩擦条件保持相对恒定不变。这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。 3.剧烈磨损阶段,经过稳定磨损阶段后，机件的表面遭到破坏，运动副中的间隙增大，引起额外的动载荷，出现噪声和振动。这样就不能保证良好的润滑状态，摩擦副的温升便急剧增大，磨损速度也急剧增大。这时就必须停机，更换零件。 由此可见，在设计或使用机器时，应该力求缩短跑合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理及影响因素有所了解。
