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1、材料摩擦磨损,第四章 材料的摩擦,金属材料的摩擦 非金属材料的摩擦 层状固体的摩擦 减摩材料 摩阻材料,金属材料的摩擦,材料相容性 拉宾诺维奇发现，纯金属组合之间的摩擦系数与摩擦对之间的粘着能Wab及较软金属的压入硬度P之间存在下述关系：,c1为一与表面几何特性有关的常数。,Wababab,一般a与b大多可以从文献查出，而ab的试验值却很少。Wab的最大值应为(ab)，而最小值是零。,可以把上式改写成,Wabc2(ab),c2是介于 1 与零之间的常数。,材料相容性,上式表明，摩擦系数与表面能对软金属硬度的比值有关。比值越大，摩擦系数越大；反之越小。相容性参数c2越大（趋近1时）摩擦系数也越大
2、。为了了解相容性参数的物理意义，拉宾诺维奇把二百多对金属组合，按其二元相图的特征进行了分类。发现它们有的具有较大互溶度，有的只有很小互溶度，而有的完全不互溶。并且发现金属对之间互溶度大的，摩擦系数大，相容性参数c2也大。因此，他认为相容性参数c2是与互溶度有关。对于同种金属组成的摩擦副，其相容性参数定义为1。,金属表层在摩擦过程中的变化,在力和热的共同作用下，将使摩擦表面发生一系列变化。这些变化主要有： 1) 表面几何形状的变化； 2) 亚表层晶体缺陷及组织结构的变化； 3) 表面化学成分的变化。,1. 摩擦表面几何形状的变化,（1）平衡粗糙度 摩擦副滑动时，表面粗糙度不断改变而趋于一个稳定值
3、。原来粗糙的表面可能变得光滑，而原来光滑的表面也可能变得粗糙。同一种材料在相同外部条件下发生摩擦时，经过几个小时的磨合，其表面都会达到同样的粗糙度。人们把在摩擦磨损过程中，除了摩擦初期外，在任何后继过程中都会重复出现的固定不变的粗糙度称为“平衡粗糙度”。,平衡粗糙度可理解为在磨合结束后，摩擦状态不变时在摩擦接触面上新形成的粗糙度。而且平衡粗糙度与原始粗糙度无关。,（2）塑性变形,摩擦表面的塑性变形是通过微凸体间的相互作用造成的，其变形特点:,1) 摩擦表面的接触先发生在较高的微凸体上，外力加大，接触的微凸体数目增多，且接触的微凸体发生弹塑性变形。各微凸体上变形的程度不一； 2) 摩擦表面的塑性
4、变形是不连续的、反复发生的。其程度由摩擦工况条件决定； 3) 摩擦表面的接触状态决定了应力状态的不均匀性，这将导致巨大的微观应力； 4) 摩擦表面的近表层(10100nm)，塑性变形使组织呈强烈的方向性，产生表面层织构； 5) 摩擦表面晶体缺陷密度大。如在相同变形量条件下，摩擦表面位错密度比一般变形高一、二个数量级。空位密度比一般金属表面多2500倍。,表面层发生的变化,摩擦金属表面的塑性变形将使该表面层发生一系列物理和力学性质的变化以及组织结构的变化，如：,1) 使表面产生加工硬化； 2) 形成变形织构，增大内应力； 3) 表面晶粒明显细化，亚晶尺寸减小，即发生恢复和再结晶，甚至有时在表层形
5、成微薄熔化层； 4) 由于变形和摩擦温升的共同作用，可使摩擦表面产生二次淬火和二次回火，并促进表面扩散过程。,塑性变形深度,材料的屈服强度越高，载荷越小，塑性变形深度越浅。,塑性变形量随深度的分布是变化的，一般有两种情况。,摩擦表面组织结构的变化,摩擦过程中，表层中存在的复杂变形以及摩擦产生大量的热，会使表层中组织、结构发生很大变化。这包括位错大量增殖以及与之相连的胞状亚结构形成、表面织构形成、表层加工硬化以及恢复与再结晶，还有表面层内可能发生相变，甚至产生所谓的“白层”结构等等。,（1）摩擦过程中表层相结构的变化 1) 同素异构转变 2) 二次淬火 表层温度超过Ac1，奥氏体将形成，冷却时，
6、奥氏体转变为更加稳定的相，如马氏体。这种由二次奥氏体转变得来的马氏体称为摩擦马氏体。这种过程称为二次淬火。 如果在冷却时，奥氏体不发生马氏体相变而保持至室温，这种奥氏体称为摩擦奥氏体。摩擦奥氏体的特点是硬度高于原始（残余）奥氏体的硬度。,组织结构的变化,3) 二次回火 淬火钢在摩擦热的作用下会发生二次回火，其回火程度取决于摩擦温度和时间等。快速回火组织具有下述的特征： a) 马氏体分解后形成的相是具有高弥散性与高应力状态的亚组织，并且具有高的显微硬度； b) 残余奥氏体分解和碳化物质点的聚集受阻； c) 原始组织的位向不变。,组织结构的变化,4) 碳化物的溶解与析出 KK 其中铁素体或马氏体；
7、 奥氏体； K弥散碳化物。 a) 固溶体中碳浓度的变化可能使材料局部微区的耐磨性发生变化； b) 在摩擦时析出的石墨可起润滑作用。 5) 再结晶 6) 逆变马氏体,（2）白层,白层是摩擦表面常见到的一层与基体组织明显不同的组织形态，它硬度高、难以腐蚀，在金相显微镜和扫描电镜下呈白亮色，故称为“白层”或“白亮层”。白层的存在范围十分广泛。但是白层产生的条件以及它的相组成和性能到目前为止尚不很清楚。一般认为白层主要是由塑性流动、急冷急热、表面反应三种作用所致。由于具体的工况不同，上述三种因素的作用效果也有差异，从而白层形态也有差别。越是活动的摩擦副和载荷越大，越容易形成白层。白层出现在擦伤底部，在
8、摩擦表面呈白亮块状，在磨屑组织中也曾观察到白层。 白层有两种形态，一种是均匀而不易腐蚀的薄白亮层，称为均匀白层；另一种是白亮层与暗带相间的带状白层。白层厚度都在30120m之间。均匀白层的显微硬度明显高于带状白层，白层硬度高达Hv1000。,白层,一般认为白层是一种复杂的多相高弥散组织，其中含有奥氏体、马氏体和碳化物。迄今为止对白层提出的各种组织上的推测是： a) 马氏体或马氏体为主的组织，这是多数人的意见； b) 主要是奥氏体，原因是塑性变形使奥氏体稳定化； c) 奥氏体与马氏体共格存在，即白层是奥氏体与马氏体伪平衡系统。 d) 由于同外部介质作用，金属表面被氧、氮富化，或润滑剂中存在有的碳
9、使表面碳化物富集。 关于白层的摩擦学特性，许多人认为，白层的硬度高、粗糙度低，它的形成有助于摩擦系数的降低和耐磨性的改善。也有资料报导，虽然白层硬度很高，但对提高耐磨性并不特别有效，原因是不平衡的白层组织疲劳抗力很低，经一定循环后，白层将会剥落。,3. 摩擦过程中表层成分的变化,（1）表面与介质的相互作用,Fe2O3与Fe3O4 膜的摩擦特性,最主要的一种是发生氧化反应，形成氧化物。氧化物的性质如硬度、薄厚、膜的成分、与基体的结合强度等强烈影响着摩擦磨损性能。若形成薄而致密的表面膜（小于几个nm），且膜与基体的结合牢固时，则摩擦系数大大降低。,转移膜,钢盘表面在与铝销滑动接触前后的俄歇谱,接触
10、前,一次,十次,二十,表面偏聚,在摩擦过程中，由于摩擦的热效应以及表层形变造成的各种缺陷，使表层附近的扩散系数比基体的要大得多。这些缺陷本身在其周围造成的畸变，也易于使某些溶质原子富集。在摩擦过程中将更容易出现合金元素的表面偏聚，而且偏聚的浓度也可能更大些。,Fe-Ni(0.18Si)合金与工具钢,硅将偏聚于表面，并且形成一个“玻璃膜”,第二节 非金属材料摩擦,一、脆性固体的摩擦,脆性材料（如岩盐、石英、玻璃和陶瓷等）的性质与金属明显不同，它们被认为是非可延性的，在很小的拉应力下它们就可能断裂和破碎。实验表明，脆性材料的摩擦，事实上重复性很好，重复的程度与金属一样，而且大致符合古典摩擦定律。,
11、1. 脆性固体的摩擦机理,我们以典型的脆性固体岩盐（NaCl）为研究对象。当硬金属球在岩盐上滑过时，表面的损伤表现出两个主要特征：第一是表面有微观碎裂和若干可见裂纹；其次是宏观的摩擦痕迹与其一般的金属或其它延性材料的磨痕相似，也就是说表现出明显的塑性变形特征。,脆性固体,鲍登等人在对岩盐的摩擦机理进行详细研究发现，金属的粘着摩擦理论基本能适用于解释岩盐的摩擦，即岩盐在摩擦过程中也存在粘着现象。但在真空中的实验得到，对洁净的岩盐来说，摩擦的增加是很小的，这说明岩盐没有出现金属那样产生大规模的接点长大现象。 通过对岩盐的摩擦研究，并结合其它一些脆性材料的研究，我们可以得到：脆性材料在摩擦过程中，尽
12、管表面有微小的破碎和裂纹，总的摩擦机理与金属很相似，即产生粘着和塑性变化，然而作为洁净金属特征的大规模的接点生长，在脆性材料中不会发生。所以，脆性材料洁净表面的摩擦系数一般不会超过1.0 的数值。,玻璃与陶瓷,玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特点的材料。从广泛的意义来说，可以把玻璃及结构陶瓷认为是很好控制成分和组织结构的岩石。陶瓷与各种材料的摩擦在工程应用上是非常重要的，如在陶瓷的轴承及轴瓦、密封面、滑道、汽车及航天器推进系统中的陶瓷元件等的设计上都要考虑摩擦的影响。,陶瓷,陶瓷主要是由离子键和共价键形成的，它们的相溶性很低，自配对的摩擦系数比较小。但环境因素的影响是非常大的。陶瓷的摩擦有两个基本的
13、状态，一种是发生严重磨损和表面断裂的情况，另一种是只有轻微磨损的情况。对于前者，滑动摩擦系数可达0.50.8，而后者只有0.10.3。严重磨损时，摩擦由于不断发生的断裂和产生硬磨屑而增加。很多陶瓷在干燥情况下都会促进磨损的发生，因此会使摩擦提高。在空气中，随着滑动温度的增加，表面的水蒸汽要脱附，这会使摩擦增大。但随着温度的进一步提高，由于具有润滑作用的氧化膜达到足够的厚度，这样又会使摩擦下降。许多陶瓷在摩擦时发生摩擦化学反应，能获得非晶态表面层，它不同于晶体结构的基体，在适当的条件下可以减摩、耐磨。,陶瓷材料在摩擦磨损方面的应用,与金属材料相比，陶瓷具有强度重量比高、刚度弹性模量比大、高温强度
14、好、抗腐蚀性强等特点。有些陶瓷，如碳化物、氮化物、硼化物及耐熔金属的氧化物，都有很高的熔点，显示出很好的高温性能。这类材料主要用于苛刻的工作条件，如高温、高压和高滑速等。陶瓷性脆，受拉伸、机械冲击或热冲击时容易破碎。 陶瓷在摩擦磨损方面的应用年代较长，早先用在精密计时计上，后来用作金属切削刀具、电刷等等。近年国防及宇航工业提出的超高温工作条件，要求开发新的陶瓷品种及探索表面改性新工艺。上世纪八十年代绝热发动机研制的浪潮也是陶瓷学科迅速发展的一个重要推动因素。,二、聚合物的摩擦,聚合物一般处在玻璃态、高弹态或粘流态。聚合物的摩擦可分为三种类型：(a)玻璃态或晶态的摩擦；(b)橡胶态的摩擦；(c)
15、粘流态的摩擦。,摩擦机理,聚合物的基本摩擦机理与金属材料是类似的，也就是说微凸体的粘着及犁划变形是影响聚合物和与之相对材料之间摩擦的主要因素。但是，金属的摩擦特性是不同于聚合物的，原因是金属的摩擦特性属于弹塑性范畴，而弹性模量和熔点较低的聚合物的摩擦特性属于粘弹性范畴。因此，聚合物的摩擦特性对外加载荷、温度和滑动速度更为敏感。另外，当聚合物处在高弹态时，在摩擦力中增加了一项迟滞分量。,聚合物的摩擦特征,聚合物产生粘着的原因与金属是不同的。一般说，聚合物粘着的根源在于表面有三种力存在：一种是静电力；另一种是范德瓦尔斯力；如果聚合物中有某种极性原子存在，那就还有偶极的相互作用（色散力）和氢键的作用
16、力。另外，由于聚合物一般是热的不良导体，在滑动过程中，摩擦表层的温度可升至可观的程度。所以，聚合物表层由于摩擦热而熔融的情况很普遍。在这种状态下，熔融层的物质很容易发生粘着和转移，这时的摩擦特性与聚合物的粘流特性有很大关系，而且摩擦明显取决于速度和温度情况。通过研究还发现，在聚合物干摩擦时，粘着点的增长程度不很明显，因而简单的粘着理论看来比金属更适合于聚合物。聚合物的犁沟作用方式一般不是采取塑性变形或弹性变形的方式，而是采取粘弹的方式。,温度关系,聚合物的摩擦与温度、载荷及速度等有很大关系，甚至加载时间都会对摩擦产生很大影响。在弹性聚氨酯与钢的摩擦实验中得到，随着加载时间的增加，聚氨酯的摩擦系数明显提高。,聚四氟乙烯,聚四氟乙烯（PTFE）在工程塑料中占有非常重要的地位，有“塑料王”的美称。它的用途相当广泛，从普通机械到有极端苛刻使用条件的尖端装置上都在使用。,聚四氟乙烯的大分子构形。它在温度低于19时呈三棱体形，螺旋形大分子中每13个碳原子扭转180，其轴向间距为1.7nm；在高于19时呈六面体形
