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1、第3章 磨擦、磨损及润滑（计划学时：12h）一）教学要求掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程和机理及润滑的类型及润滑剂类型二）教学的重点与难点摩擦副基本性质和典型磨损过程三）教学内容1 摩擦摩擦两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动 的切向阻力，这种现角叫磨擦磨损由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。 使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏一精度、可靠性（效率（直至破坏 润滑减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。摩擦学（Tribology）包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、工程热物理学等学科，是一门边缘和交叉学科。摩擦J 内摩擦发
2、生在物质内部1外摩擦一一两个相互接触表面之间的摩擦摩擦特性曲线接运动状态一一摩擦J静摩擦一一仅有相对滑动趋势时的摩擦 1动摩擦本节只讨论金属摩擦副的滑动摩擦最不利 最低要求 如图 3-1 所示 最理想根据摩擦面间存在润滑剂的状况，干摩擦町干摩擦b）边界摩擦c）液体摩擦边界摩擦（边界润滑） 流体摩擦（流体润滑） 混合摩擦（混合润滑）一、干摩擦两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦而实际上，即使很洁净的表面上也存在脏污膜和的氧化膜，实际f比在真空中测定值 小很多。摩擦理论：库仑公式卩丁叮仃一法向力）一至今沿用机理：机械摩擦理论一认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦力为啮合点问切向阻力的
3、总和，表面越粗糙，摩擦力就越大。但不能解释光滑表面间的摩擦现象表面愈光滑、接触面越大，F越大，且与滑动速度V有关。f新理论：分子一机械理论、能量理论、粘着理论一常用简单粘着理论：如图3-3所示，摩擦副真实接触面积Ar只有表现接触面积A的百分之 一和万分之一，Ar二A/(10010000),.接触面上压力很大，很容易达到材料的压缩屈 服极限G 产生塑性流动一接触面F f应力并不升高sy nF. Ar = n(3-1)csy接触点塑性变形后一脏污膜遭破坏，容易使基本金属产生粘着现象一产生冷焊结点一滑 动时，先将结点切开，设结点的剪切强度极限为T，则摩擦力为BFF 二 A T 二 n-T(3-2)f
4、 r B c Bsy F T金属摩擦系数f = f = 4(3-3)Fcn syt I两接触金属中较软者的剪切强度一一剪切发生在软金属站L界面的剪切强度极限tt (脏污表面)一一剪切发生在结点金属上B f fBc 较硬的基本材料的压缩屈服极限sy大多数金属t /c 很相近，f很相近B sy降低摩擦系数的措施：在硬金属基体表面涂覆一层极薄的软金属(使) c 取决于基 sy体材料， t 取决于软金属。B二、边界摩擦(边界润滑)摩擦面上有一层边界膜起润滑作用边界膜 物理吸附膜润滑油中脂肪酸极性分子与金属表面相互吸引而引成的吸附膜，其摩擦 如图3-4a和3-4b所示，图3-5为吸附在金属表面上的多层分
5、子膜模型，距表面愈远吸附能 力愈弱，剪切强度愈低，f随层数而下降。膜一一边界膜较薄(一个分子长约2nm,如膜有10个分子厚，其厚度为0.02 Mm，远 小于两摩擦表面的粗糙度之和)，磨损不可避免。另外，温度对物理吸附膜影响较大一受 热膜易脱附、乱向甚至破坏，适于常温、轻载、低速下工作。化学吸附膜由润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附的称强度、稳 定性好于物理吸附膜，受热后熔化温度较高，适合于中等载荷、速度和温度下工作。化学反应膜润滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加剂）与金属表面进行化学 反应而形成的膜 较厚、熔点较高、剪切强度较低、稳定性较好，：适合于重载、高速和 高温。减小边界摩
6、擦的措施：1）控制PV （控制摩擦发热，防止脱附）；2）合理选择摩擦副材料及润滑剂；3）降低表面粗糙度；4）在润滑剂中加入油性润滑剂和极压添加剂，提高边界膜的强度。三、混合摩擦（润滑）膜厚比九二h /（R + R ）lin a1 a 2h两滑动表面间，最小公称油膜厚度；R ,R （卩m）lina1 a 2R , R 分别为两表面轮廓算术平均偏差。a1 a 2九W 1 边界摩擦九W 1 5混合摩擦。九越大，油膜承载比例截止大，此时虽仍有一些微凸体直接 接触，但其摩擦阻力小得多， f 也比边界摩擦小得多。四、流体摩擦（润滑）一一膜厚比九5 摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时，
7、即形成了全液体摩擦， f 极小，是理想摩擦状态。2 磨损磨损是摩擦的直接结果，一使材料损耗耳（，工作精度（，可靠性（，一般是有害的， 但工程上也有利用磨损作用的场合：如精加工中的磨削与抛光、机器的跑合等。一、典型的磨损过程1、磨合磨损过程形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继 续改变，所占时间比率较小。2、稳定磨损阶段经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条 件保持相对稳定，磨损较缓习该段时间长短反映零件的寿命。3、急剧磨损阶段经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大一动载、振动一 润滑状态改变一温升匸一使磨损速度急剧上升一直至零件失效注意：实际机械零件在使
8、用过程中，这三个过程无明显界限。 若不经跑合，压力过大， v 过高或润滑不良等，则经跑合直接进入剧烈磨损阶段。二、磨损的类型1、粘着磨损由于吸附膜破裂而使轮廓直接接触形成冷焊结点（粘着），并由于接 触表面间的相对运动使材料由表面一转移至另一表面，载荷越大，温度越高，粘着越严重。粘着磨损程度：1）轻微磨损（较浅层）2）涂抹（剪切在软金属浅层）f 3）划伤（剪切在软金属浅层硬表面划伤）4）撕脱（剪切在基本金属较深处）1 胶合一一高速重载接触副常 5）咬死J-见失效形式2、磨粒磨损由于外部进入的硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物在较软的材料表 面（犁刨出很多沟没时被移去的材料）进行微切削的过程叫磨粒磨
9、损。零件材料表面越硬，磨损越小，一般要求金属材料的硬度应至少比磨粒硬度大30%。3、表面疲劳磨损受交变接触应力的摩擦副表面微体积材料在重复变形时疲劳破坏 而从摩擦副表面剥落下来，这种现象称表面疲劳磨损（点蚀）。减少表面疲劳磨损的措施：1）减小接触应力；2）提高硬度；3）减小表面粗糙度；4） 适当提高润滑油的粘度，在润滑油中加入极压添加剂和固体润滑剂。4、腐蚀磨损摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的磨 损。腐蚀磨损氧化磨损一一铝合金表面酸、水、氧化膜起保护作用，钢铁表面脆性氧化膜JFe O、Fe O起腐蚀作用。2234-特殊介质腐蚀磨损一一与酸、碱、盐等特殊介质作用而引起的
10、腐蚀磨损。a）侵蚀磨损由于流体在与零件作相对高速运动时产生气泡，气泡在溃灭的瞬间产 生极大的冲击力和高温，由于其反复作用，使零件表面产生疲劳破坏出现麻点，并扩展为海 绵状空穴气蚀磨损。侵蚀磨损；气蚀磨损内燃机和缸套外壁，水轮机叶片，水泵零件等t冲蚀磨损由于流体夹带硬质颗粒以一定速度冲击零件表面引起的磨损称为，如水泵零件、水轮机、火箭尾部喷管等。b）微动磨损是一种较隐蔽的由粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损共同形成 的一种复合磨损。它发生在名义上相对静止、实际上存在循环的微幅相对滑动的两个紧密接触的表面上。机理：1）先粘着磨损一氧化（腐蚀磨损）一氧化后的颗粒留在接触处而起磨粒作用， 造成表面
11、磨粒磨损f工作表面变粗糙，引起疲劳裂纹。3 润滑剂润滑剂的作用：除了降低摩擦，减小磨损外，还起到冷却、降温，减缓锈蚀，缓冲吸振、 清污和密封等作用。一、润滑剂及主要性能润滑剂液体（水、油）（橡胶、塑料零件的润滑）单固体一一润滑脂固体一一石墨、二硫化钼I1-气体一一（空气）J 适于高速高温、防污染等特殊场合常用 f润滑滑I润滑脂1、润滑油有机油（动植物油）使用较少，性能不稳定三 矿物油（石油产品）来源广、成本低，适用范围广且稳定性好，故应用最为广泛合成油（用化学手段合成）一一有特殊性能，针对特殊用途，且成本较高 性能指标：1）粘度表征润滑油流动时其油层内摩擦阻力的大小的一个主要指标，详见后面定
12、义。2）油性润滑油的极性分子与金属表面吸附形成的边界油膜的吸附能力。在低速、 重载的情况下，一般都是边界润滑，油性就有特别重要的意义。3）凝点润滑油冷却到不能流动时的温度称，在低温下工作的机械应用凝点低的 润滑油。4）闪点和燃点蒸发的油气，一遇火焰即能闪光时的最低温度，称为油的闪点。闪 光时间长达5S时油温称为燃点。高温工作时应选闪点较高的润滑油。5）极压性能是指加入含硫、磷、氯的有机极性化合物（极压添加剂）后，油中极 性分子在金属表面生成抗腐，耐高压化学反应边界膜的性能。在重载、高速、高温条件下极 压性很重要。6）氧化稳定性防止高温下润滑油氧化生成酸性物质从而影响润滑油的性能并腐蚀 金属。常
13、用润滑油新旧牌号对照及性能和应用见表3-2，注意，牌号数值越大，润滑油粘度越 高。2、润滑脂一一润滑油加稠化剂（如钙、钠、锂的金属皂）的膏状混合物分类一一按皂基不同钙基润滑脂一抗水性好，价谦，但耐热性差Tv5565CJ钠基润滑脂一耐热性较好，TV120C,但抗水性差，有一定防腐性I锂基润滑脂一抗水性良好，较好的吸附能力,有一定的防锈能力。 但耐热性较差 T50C （70C ） 此外，还有复合基润滑脂及特种润滑脂。润滑脂的主要性能指标：（1）针入度表示润滑脂稀周度的指标，是润滑脂的一项主要指标，润滑脂牌号即 为其针入度的等级，牌号越小，针入度等级越高。（2）滴点一一反映润滑脂的耐高温性能，润滑脂
14、的工作温度应低于滴点2030C。（3）安全性反映润滑脂在贮存和使用过程中维持润滑性能的能力，包括抗水性， 抗氧化性和机械安定性。常用润滑脂的牌号、性能及应用见表3-3。3、固体润滑剂用固体粉末代替润滑油膜，称为无机化合物石墨f=0.050.15 有良好的粘附性和高的导热、导电能性二硫化钳、最常用-氮化硼f=0.020.2有牢固的粘附性以上在低温和高温条件下使用有机化合物蜡j聚氟乙烯I酚醛树脂金属及金属化合物 Pb、 Zn、 Sn 等 一般用于不适合用油脂润滑的情况4、润滑剂的添加为改善润滑剂的性能而加进润滑剂中的某些物质称为种类 极压添加剂重载降凝剂降低凝固温度 油性添加剂增加吸附能力防锈剂防止锈蚀 粘度指数改进剂改变粘度抗蚀添加剂耐腐蚀 消泡添加剂高速运动时给出侵蚀磨损 最常用的有：极压添加剂在重载接触副中使用，能在高温下分解出一种活性元素与 金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄层，以增进抗粘着能力。它有各 种不同的类型 油性添加剂边界润滑添加剂，由极性很强的分子组成，在常温下也能吸附在金属表 面形成边界膜 二、粘性定律与润滑油的粘度1、粘性定律 粘度流体抵抗变形的能力，它标志着流体内摩擦阻力的大小如图3-7所示，流体（有一定粘度）在两个平行板之间（不可压缩）施力F于A板使 之以速度v移动，另一极B静止不动，两板间润滑油作层流运动，y处油层流动速度为|J，流动时
