固体表面

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1、固体表面的特性与接触,目录,固体表面的几何性质,表面张力和表面能,固体表面的接触,固体表面的原子排列和结构缺陷,摩擦状态下的表面,概述,概述,工程材料中，大部分材料属于晶体，如金属、陶瓷和许多高分子材料。一般的将固相和气相之间的分界面称为表面，把固相之间的分界面称为界面。 表面的定义：在物理学中，把两种物质的界面称为表面（在弹性力学中，表面应该满足以下边界条件：其上各点的法向应力n和切向应力n均为零）。 通常，这个表面层的状态是复杂的。宏观上具有一定的几何形状，微观上存在各种晶格缺陷，在一定的环境下还存在各种吸附膜、反应膜和污染膜。 典型的固体表面： 1.理想表面 2.清洁表面 3.机械加 工

2、过的表面 4.一般表面,固体表面的几何性质,一、表面粗糙度 表面的凹凸不平程度与表面积之比称为表面粗糙度，是表面的亚微观状况。它直接影响摩擦系数和磨损。 描述表面粗糙度，不是用其最大的波峰波谷之差。国标规定了两种表面粗糙度的表示方法：中线平均值（CLA）和平均平方根值（RMS）。 中线平均值（CLA）表示表面轮廓上各点相对于中线的算术平均偏差。 平均平方根值（RMS）表示表面轮廓上各点相对于中线的偏差值之平方的平均值的开方。,固体表面的几何性质,二、表面微凸体 由电子显微镜观测到的图形可以看到，表面上的峰与谷实际上是比较平缓的，因此人们通常取微凸体为近似的半球状、锥状或柱状来进行几何因素的分析

3、。 表面微凸体的高度各点不同，如用统计学的方法进行研究，可以画出表面轮廓上各点的高度（Zi）是个随机的变量，将其不同高度出现的频率（概率）记录下来画成光滑的曲线 凡经过一般机械加工的表面，其微凸体高度的分布通常接近于正态分布,固体表面的原子排列和结构缺陷,经过不同加工过程形成的表面，因机械作用，往往导致材料的晶格扭歪、晶界开裂；由于温升导致金属发生相变而再结晶，使晶粒长大；或因为表层材料变形导致表层密度和体积发生变化，从而在表层的塑性变形层中产生残余应力，甚至产生微裂纹。金属表层内种种微观性状的改变，均对其摩擦磨损有密切的关系。 当承受载荷发生滑动时，原子密度高（原子数多）表面能低的面上，容易

4、发生滑移。立方晶系中几个可能滑移的晶面：（100）面、（110）面和（111）面。面心立方的（111）面和体心立方的（110）面，以及密排六方的（001）面都是原子密度高的晶面，沿这类晶面滑移的阻力最小。,图1.8 表面结构缺陷模型,表面张力和表面能,液体受到拉向内部力的作用，使其表面肌收缩和凝聚，这种力叫表面张力。表面能是指将液体内部分子拉到表面上所需作的功。 不同的液体在同种固体表面上，得到不同的接触角。接触角小的液体表面张力小。接触角的大小衡量着固体表面与液体之间的润湿性。图1.9（a）中的接触角小，表示固液间的润湿性好。而图1.9（b）中的接触角大，表示固液间的润湿性差。,固体表面的接

5、触,一、分子原子间的接触 分子（或原子）间存在着吸力和斥力，当吸力和斥力相平衡时，分子（或原子）间有一个正常的距离d。 原子沿解理面滑移比较容易，晶体往往沿解理面开裂。要拉开非解理面的原子需要的能量就比沿解理面移动原子的能量大。单晶体不同方位解理而裂开时所需的功是不一样的，所以是各向异性的。而金属（多晶体）因晶体排列错乱，故为各向同性。 对于金属晶体来说，施加外力可使晶格变形。当外力卸除后能恢复到原有形状的称为弹性变形；如外力卸除后不能恢复到原有形状时，残留下来的永久变形称塑性变形。外力产生弹性变形作的功是可逆的，而产生塑性变形作的功是不可逆的。,两表面间的接触,一、接触面积 固体表面不论如何

6、精加工都是凹凸不平的。当在法向力N的作用下，使两固体表面相互压紧时，通常只在很小的面积上发生接触。 接触表面的面积可分为： a.名义接触面积：即表面宏观面积An b.真实接触面积：在表观接触面积中，实际传递力的微小面积的总和称真实接触面积Ar。,一般材料在塑性变形范围内的真实接触面积与载荷成正比，与表面的大小和形状无关。假设接触材料的压缩屈服极限（塑性流动极限）为b，在法向载荷N作用下相互压紧时，真实接触面积可表示为：N塑性流动压力分布赫兹分布图1.12 赫兹接触和实际接触 Ar=N/b,两表面间的接触,二、赫兹（Hertz）接触 经过精细加工的表面，常假定其微凸体为半球状、柱状、 锥状等。对

7、于工程上单个微凸体而言，也并非几何学中的球、柱、锥形。 赫兹接触是在弹性接触范围内分析理想光滑的球（柱、锥）在无润滑条件下的接触。而实际上也并非全是弹性变 形，在接触点处有塑性变形。 从图1.12所示的“光滑”半球体 赫兹接触下真实情况的照片， 证实了赫兹压力中心处的接触斑点比较密集，而在赫兹压力边远处接触分布比较稀疏。说明固体表面接触只在传力的微凸体顶端发生塑性变形，离开这小小的塑性变形区变形在弹性范围中。,两表面间的接触,二、赫兹（Hertz）接触 可以根据弹性理论来计算微凸体（球、柱或锥）接触时的压力分布。 a.椭球与椭球接触：在法向压力N的作用下相互压紧（见图1.13），在接触部分产生

8、弹性变形。形成的接触面积，假定为以a和b为半径的椭圆形。 在应力椭圆上积分，求的总和得接触面上的正压力和最大赫兹压力分别为,两表面间的接触,b.球与球接触：则接触面积呈圆形，即ab。 其压力分布曲线为： 同样经积分可求得最大压力： 平均压力： 接触区的半径： R为接触两球的综合曲率半径，与两接触球半径的关系： E为两球的综合弹性模量，与两接触材料性能的关系：,两表面间的接触,c.球与平面的接触：可对两球接触的公式中取:R2=R1=R, 可有,两表面间的接触,d.圆柱与圆柱的接触：接触面积为矩形。 长度为L，宽度为b ，则 总压力为： 最大压力为： 接触半宽： 最后简化得： 式中：R 综合曲率半

9、径； E 综合弹性模量。,两表面间的接触,e.圆柱对平面的接触：将R2，R1R 代入圆柱对圆柱接触公式 则有：,两表面间的接触,赫兹接触的变形和接触面积 表面下的变形区赫兹压力分布曲线表明，最大压应力在接触区的中心。最大剪切应力在距压力中心处深度约0.5a的表层下，max0.30。最大拉应力作用在接触面边界处，0.1330。 剪切屈服极限与抗拉屈服极限的关系为：s0.5s 即在接触承载时，材料发生塑性变形时的压应力相当于3倍的拉伸屈服极限。 对于大多数金属而言：H6s3s 因此材料发生塑性变形时的真实接触面积： 此值大约只有表观接触面积的11000。由此可见，真实接触面积的大小只取决于载荷和材

10、料的流动压力，而与表面粗糙度的关系不大，与宏观表面积也无关。,理想的粗糙表面接触,假设微凸体都是理想光滑的半球，而且具有等高度、等半径的。当一个理想光滑的刚性平面在法向力N的作用下与之接触时的情况如图1.16所示 当处于弹性变形范围内，每个微凸体承受的法向载荷为 经代入前面导出的公式，并简化后得到接 触总面积 这说明，弹性变形范围内，具有等高度、等半径的微凸体表面，在承载时，其接触面积Ar与载荷N成指数关系，为与N的23次幂成正比。,图1.16 理想的粗糙表面接触,实际粗糙表面的接触,实际工程表面微凸体的高度为正态分布。假设与理想平面接触，法相接近量为Zd。那么只有高度Zd的微凸体才能与之接触

11、（见1.17）。,图1.17 实际粗糙表面的接触,根据赫兹接触公式及假设微凸体高度为指数分布，并设h=d/。可推导出,由此得到的结论是：两个实际工程表面接触时，不论微凸体的顶端在弹性变形范围，还是在塑性变形范围，变形后所形成的真实接触面积A都与法向载荷N之间呈简单的线性关系。,接触变形性质的判据,在实际工程表面间的接触，往往是高的微凸体可能产生塑性变形，低的则为弹性变形。说明实际情况是弹、塑性混有的状态。载荷越大，法向接近越大，塑性接触点越多。所以法向接近量的大小，在N确定的情况下，反映了表面微凸体接触后发生塑性变形的程度。 将 定义为塑性指数（为表面粗糙度RMS）。用来 表示，则：,这里可见

12、，接触变形的性质不完全取决于载荷，而是与材料性质、表面粗糙度、微凸体顶端的平均曲率半径有关。反映了接触表面的某些物理与几何性质的影响。如一些零件经过磨合，由于表面粗糙度在磨合前后发生明显变化，而使迅速降低。,表面间有表面膜存在时的接触,表面膜的存在，对于真实接触面积的计算没有什么影响。因为表面的粗糙不平为10100nm，远大于表面污染膜的厚度几nm，表面氧化膜的1030nm，两表面接触时只有少数高点接触，大部分面积上的表面膜与对摩面上的表面膜相隔甚远，所以多数原子（或分子）间并不发生作用。,但是，表面膜的存在对于表面的粘着是很有影响的。洁净表面的真实接触面积上金属分子的相互作用很强，很容易粘着。而接触面间有表面膜存在时对摩擦磨损的影响都是很明显的。,图1.18 有表面膜存在时的表面接触状况,摩擦状态下的表面,前面讨论的都是静态下表面的特征和表面接触状态。摩擦一开始表面就是动态状况了。一旦开始运动，由于载荷下接触时表面会发生变形，有弹性变形，也有塑性变形。使表面与未接触时的原始状态发生了明显的变化。 在摩擦过程中，由于摩擦功变成热能使表面温度升高，引起表面的物理化学性能发生某些变化，从而又影响其接触状态。 摩擦过程中，由于接触而发生材料间的粘着。 摩擦过程中润滑剂也将引入摩擦面。 因此，摩擦状态下的表面以及摩擦的整个过程，是一个非常复杂的系统。,谢谢大家！,