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1、材料摩擦磨损,引言,摩擦学(Tribology)是近三十多年来迅速发展起来的一门新兴边沿学科。它主要包括摩擦、磨损和润滑等研究领域。摩擦导致大量机械能的损耗，而磨损则是机械零件失效的一个重要原因。,据估计，工业化国家能源的约30消耗于摩擦。对一个高度工业化的国家，每年因摩擦和磨损所造成的经济损失差不多占其国民经济年产值的l2。摩擦与磨损的研究是一个有重大社会经济效益的课题。,摩擦与磨损自古以来就存在，利弊共存。,摩擦与磨损,摩擦与磨损是涉及两个或两个以上作相对运动物体之间的界面的科学和技术问题的一门学科。,包含着许多物理、化学及力学过程。物理学、化学及材料科学工作者对此相当关注。摩擦与磨损直接
2、影响机械零件间力、功或运动的传递，因此，又是机械工程师们重视的问题。不难看出，摩擦和磨损的研究将是多学科的综合，涉及物理、化学、数学、材料科学和机械工程等方面的很多基础知识。,三个问题,为解决摩擦学领域中的技术问题，必须弄清楚摩擦学基本的问题。,摩擦学的这三个方面问题显然是互相联系的。因此，为了能全面解决摩擦学问题，必须对这三个方面问题有所了解。,(1)通过物理和化学作用，环境对表面特征的影响；(2)接触表面之间的力的产生和传输；(3)作用在表面接触点处的外力附近表面材料的特性。,前景,随着工业的发展，特别是在现代工业与技术中高速、重载的运转条件，核反应堆、宇宙飞船那样的恶劣工作环境，微型机构
3、、生物等方面，对摩擦与磨损提出了越来越高的要求，为这门新兴学科的发展提供了强大动力。,目前的研究热点：空间、生物、微纳米、高速机械等。,课程内容,1、材料表面特性及接触力学 2、材料的摩擦 3、材料的磨损,第一章 固体表面特性,第一节 固体表面特性及结构,表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。,但物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面，如固体液体、固体气体及固体固体的界面，常把固体气体（或真空）、固体液体的界面称为固体的表面。,很多物理化学过程：催化、腐
4、蚀、摩擦和电子发射等都发生在“表面”，可见其重要性。,金属表面的实际构成示意图,工程表面,表面结构,表面原子M 的配位数为 5。而基体中的任一个原子的配位数为 6。,表面的电子分布,(a) 电荷密度分布 (b) 电荷分布,表面缺陷,点缺陷、线缺陷和面缺陷,点缺陷：在三维方向上都很小的缺陷。 线缺陷：它是在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。 面缺陷：晶体的缺陷若主要是沿二维方向伸展开来，而在另一维方向上的尺寸变化相对地甚小，则称为面缺陷。各种界面如晶体表面、晶界、亚晶界及相界等都是面缺陷，它们通常只有一个至几个原子层厚。,由于界面特殊的结构和界面能量，使得界面有许多与晶体内
5、部不同的性质。例如，界面的扩散、界面吸附、界面腐蚀、界面与位错的相互作用等，并对材料的机械性能（强度、韧性）以及对变形、再结晶和相变过程等都有重要影响。,第二节 表面热力学,一、表面张力与表面能 1. 表面热力学函数,在表面，晶格的周期性被切断，因此表面原子处于与固体内部不同的环境之中。其实，表面的组成和物理性质是由单一相慢慢地变化而来的领域，虽然很难把它当作原来的热力学相，但能作为一种由温度、面积、曲率半径以及各组分原子的质量等决定的特殊相来处理。总之，固体表面相的热力学性质必须与固体内部区别开来考虑。,热力学函数,现就其周围包含有N个原子的固体平面而言，若每一原子的体能量为E0，则每单位面
6、积的表面能ES与总能量E之间有下述关系 ：,每单位面积的表面熵为SS ，体熵为S0，则固体的总的熵S为：,a是表面积。,热力学函数,表面每单位面积的吉布斯（Gibbs）自由能为：,系统总的自由能为：,表面每单位面积的功为:,表面张力,在建立新的表面时，邻近的原子丢失、键被切断。为此，必须作某种功。在一定的温度、压力下，保持平衡条件，当表面积a只增加da时，该系统也必须做功。这个可逆的表面功W S由下式给出：,如果没有任何非可逆过程，那么这个可逆功 就等于表面能量的变化。因此,表面张力,高温时，在由解理而制得的新的表面的情况下，表面原子自由地在表面扩散的时候，与面积无关，则,所以,（表面张力与表
7、面自由能相一致 ）,低温，解理表面的原子不能自由扩散时，由于在表面残留有畸变，因此,表面能的物理图像,以面心立方金属的（100）面作为表面,只有当每个原子有12个最近邻，能量才最低，结构最稳定。当少了四个最近邻原子，出现了四个“断键”时，表面原子的能量就会升高。和表面原子的这种高出来的能量相连的就是表面能。,晶面的表面能,不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。,表面能,还可以更直观地说明表面能，设有一横截面为1cm2的固体柱，在理想条件下（真空中）将它分成两段时所作的功称为内聚功Wc，它表征了相同物质间的吸引强度。拉断后的固体柱增加了两个面积为1cm2的新表面，相应增加的表面能为2a
8、，a为固体a增加的表面能。,根据功能原理得 Wc2a,物质的表面能和界面能,假如柱的上段为物质a，下段为物质b，则接触部分的界面能为ab。若使柱在a、b界面上断开，对柱所作的功称为粘附功Wab。断开后柱增加表面能a和b。根据功能原理得Wababab,界面能,实验证明，界面能ab约为1/41/2(ab)。如果a、b两物质能相互溶解或能形成金属间化合物，其界 面能较小，约为 。若a、b 两物质不能相 互溶解，其界面能较大，约为 。,a、b为同一物质 Wc2a 或 Wc2b,由上式可以看出，WcWab，即相同物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦。,a、b相互溶解,a、b不能相互溶解,第三节 表面吸附与
9、化学反应,表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可以显著降低表面的系统能量。,吸附作用是固体表面最重要的特征之一。被吸附的分子称为吸附物（质），固体作为吸附剂。表面吸附按其作用力的性质可分为两类：物理吸附和化学吸附。,在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面，称为“脱附”或“解吸”。当吸附与解吸达到动态平衡时，固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为平衡吸附。,物理吸附,物理吸附的作用力，是范得瓦尔斯（Vander Waals）分子力。范得瓦尔斯分子力是由于表面原子与吸附原子之间的极化作用而产生的。,P 表示吸附能（吸附热），r0 中吸附分
10、子在平衡时离开表面的距离 。,化学吸附,化学吸附，在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生电子的转移，改变了吸附分子的结构。,化学吸附中的库仑力主要是吸引力，它按-2 规律变化。当吸附物的原子离表面很近时，也有按-13 规律变化的斥力出现。,按照吸附过程中电子转移的程度，化学吸附还可以分为，离子吸附和化学键吸附。在化学吸附中，吸附剂和吸附物分子或原子之间的作用力，主要是静电库仑力。,物理吸附和化学吸附的比较,用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。当产生化学吸附时，需要有一定的活化能。这可能是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定
11、的速率，即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。,表面化学反应,表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物。这时无论是吸附质还是吸附剂的特性都发生了根本变化。,金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化也就往往从这些高能位置开始，一直到将表面覆盖。,固液界面上的效应,在润滑系统中，液固界面上发生的物理和化学过程有非常重要的影响。 润滑剂和固体在界面上相互作用形成边界膜的机制有三种类型：一是物理吸附；二是化学吸附；三是化学反应。,1. 物理吸附如同气体在固体表面上的物理吸附，润滑剂(如液体脂肪酸)分子是以范德瓦尔斯力与固体表面原
12、子作用而吸附的。吸附质与固体表面间的作用力很弱，受热时就可能产生脱附或使膜熔化。物理吸附膜对温度比较敏感。由物理吸附而产生的边界润滑，一般只适用于比较低的温度和摩擦热较小，即低载荷、低滑动速度的情况。,硬脂酸在固体表面物理吸附,化学吸附,这是一种很强的短程作用力。化学吸附的吸附热较大，一般是41.87418.68kJmol。这种吸附的一个典型例子是，在边界润滑时，硬脂酸和氧化铁在有水存在时所产生的吸附。吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂膜” 。这种“金属皂膜”不仅有较低的切变强度，相对说来也有比较高的熔点。,例如，硬脂酸的熔点是69，而这种金属皂膜的熔点约为120。因此，这种化学吸附膜作
13、为润滑剂，可以在中等裁荷、中等温度及中等滑动速度下使用。,硬脂酸化学吸附,吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂膜”,化学反应,当润滑剂分子和固体表面之间出现价电子交换，并且形成新的化合物时，则表明液固界面上发生了化学反应。由化学反应形成的边界膜，在厚度上可以是没有限制的，并且它们有较高的活性与结合能量。在边界润滑中，大部分参加化学反应的边界润滑剂中均含有硫、氯和磷原子。,形成低切变强度和高熔点金属盐膜的作用，如硫化物、氯化物、磷化物等。这种膜比物理吸附及化学吸附膜更稳定，因而适合于高载荷、高温度和高的滑动速度下使用。,小结,1、固体表面特性 2、表面热力学 表面热力学函数、 表面张力、表面
14、能 3、表面吸附物理吸附和化学吸附、表面化学反应 4、吸附的应用,第二章 固体表面形貌与表面接触,固体表面形貌 固体表面接触,固体表面形貌,机械零件的表面形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。 磨具的表面形貌影响它的磨削性能； 喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层(如油漆)的质量与外观； 飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命； 公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命； 海洋表面的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的关系。 所以，表面形貌越来越为工程技术界所重视。,表面形貌的定量
15、测量,表面形貌的定量测量对于解决摩擦学问题是极为重要的，测量表面微观或宏观的几何性能，可用很多方法。在观察和测量表面形貌的方法中，比较常用的有用干涉或反射显微术的光测法以及用电子显微镜等方法。 观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面，目前比较先进的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）可以达到原子的尺度。在测量表面轮廓和粗糙度的仪器中，以电子放大的触针式仪器使用最为普及。,AFM图象,轮廓仪得到的表面形貌,固体表面形貌的表征,宏观和微观粗糙度,表面轮廓高度方向一维表征,轮廓算术平均偏差（Ra）轮廓算术平均偏差（Ra），又称中位线算术平均偏差，定义为一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的
16、绝对值的算术平均值。其数学表达式为,其离散化计算公式为,Ra值相同的轮廓,Ra Rq 2.29 2.542.29 2.542.29 2.642.29 2.682.29 2.682.29 2.59,轮廓均方根偏差（Rq）,统计学认为，均方根偏差（Rq），能比Ra更好地描述表面轮廓的粗糙度特征。其定义为，在一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根。其数学表达式为,其离散化计算公式为,对绝大多数的固体表面而言，Ra与Rq之间有如下的近似关系，即,微观不平度十点平均高度（Rz）,定义为取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深的轮廓谷深的平均值之和。其数学表达式为,
