摩擦学基础知识

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1、摩擦学基摩擦学基础知知识摩擦学基摩擦学基础知知识 摩擦力是指两个相互接触的物体在外力作用下摩擦力是指两个相互接触的物体在外力作用下发生相生相对运运动（或具有相（或具有相对运运动趋势）时在接触面在接触面间产生的切向运生的切向运动阻力。摩擦力方向沿接触面的切阻力。摩擦力方向沿接触面的切线方向，方向， 与物体与物体间的相的相对运运动或相或相对运运动趋势相反，阻碍物体相反，阻碍物体间的相的相对运运动 。 摩擦造成大量能耗，世界能源的摩擦造成大量能耗，世界能源的1/2-1/3消耗在克服摩擦上；摩擦使相消耗在克服摩擦上；摩擦使相对运运动的零的零件表面件表面发生磨生磨损，导致配合致配合间隙增大，影响机器的精

2、度、寿命和可靠性。摩擦使摩擦隙增大，影响机器的精度、寿命和可靠性。摩擦使摩擦副工作温度升高，将副工作温度升高，将发生咬死；或生咬死；或过热使使润滑滑剂失效，加失效，加剧磨磨损。摩擦学基摩擦学基础知知识 降低摩擦、减少磨降低摩擦、减少磨损的措施：用的措施：用滚动摩擦代替滑摩擦代替滑动摩擦，以摩擦，以润滑或固体滑或固体润滑代滑代替干摩擦，以减摩合金代替一般金属等。替干摩擦，以减摩合金代替一般金属等。 摩擦的好摩擦的好处？摩擦？摩擦带来的有效来的有效应用？用？摩擦的益摩擦的益处：如摩擦如摩擦传动，离合器，离合器，制制动器，器，火火车和汽和汽车的的驱动轮，螺栓和螺母之螺栓和螺母之间的摩擦的摩擦紧固等。

3、固等。4摩擦学基摩擦学基础知知识一、摩擦的分一、摩擦的分类 (一一) 按摩擦副的运按摩擦副的运动状状态分分 （1）静摩擦：一个物体沿着另）静摩擦：一个物体沿着另 一个物体表面有相一个物体表面有相对运运动趋势但无相但无相对运运动时产生的摩擦。静摩擦力大小随作用于物体上的外力而生的摩擦。静摩擦力大小随作用于物体上的外力而变化。化。 当外力克服最大静摩擦力当外力克服最大静摩擦力时，物体才开始宏，物体才开始宏观运运动。 （2）动摩擦：一个物体沿着另摩擦：一个物体沿着另 一个物体表面有宏一个物体表面有宏观相相对运运动时接触表面接触表面间的的摩擦。摩擦。这时的摩擦力就是的摩擦力就是动摩擦力。摩擦力。请依次

4、依次举出静摩擦和出静摩擦和动摩擦的摩擦的实例例5摩擦学基摩擦学基础知知识一、摩擦的分一、摩擦的分类 (二二) 按摩擦副的运按摩擦副的运动方式分方式分 （1）滑）滑动摩擦：两物体接触表面作相摩擦：两物体接触表面作相对运运动（或具有相（或具有相对滑滑动趋势）的摩）的摩擦。擦。 （2）滚动摩擦：一物体在力矩作用下沿着另摩擦：一物体在力矩作用下沿着另 一个物体表面一个物体表面滚动时接触表接触表面面间的摩擦。的摩擦。 6摩擦学基摩擦学基础知知识 (三三) 按摩擦副的表面按摩擦副的表面润滑状况分滑状况分 (1)无无润滑摩擦滑摩擦(干摩擦干摩擦) 这种摩擦常用于制种摩擦常用于制动器、摩擦器、摩擦传动和和纺织

5、、食品、化工机械的部件、食品、化工机械的部件(从从污染或安全染或安全考考虑，不允，不允许使用使用润滑滑剂)，以及在高温下工作的机械部件。，以及在高温下工作的机械部件。 这种摩擦具有分子和机械的特性，即在种摩擦具有分子和机械的特性，即在实际接触面接触面积上作用着分子引力，其作用上作用着分子引力，其作用距离比晶格中原子距离比晶格中原子间距大几十倍，并随温度上升而增加。分子引力可以引起局部的粘距大几十倍，并随温度上升而增加。分子引力可以引起局部的粘着，粘着力与着，粘着力与实际接触面接触面积成正比，施加的成正比，施加的载荷通荷通过实际接触面接触面积影响粘着力的大小。影响粘着力的大小。7摩擦学基摩擦学基

6、础知知识 分子力都垂直于表面在表面分子力都垂直于表面在表面发生切向位移生切向位移时不会作功。但由于不会作功。但由于发生了粘着，生了粘着，切向位移会引起材料的切向位移会引起材料的变形，要消耗一定能量，即必形，要消耗一定能量，即必须施加施加较大的切向力，才能造大的切向力，才能造成位移。因此，摩擦力成位移。因此，摩擦力F决定于分子的和机械的作用：决定于分子的和机械的作用： F = aAr + bP 式中式中 ：a 为摩擦力分子作用分量的平均摩擦力分子作用分量的平均强度，度， Ar 为实际接触面接触面积， b 为反映摩擦力机械作用分量的系数，反映摩擦力机械作用分量的系数， P 为载荷。荷。8摩擦学基摩

7、擦学基础知知识 摩擦系数摩擦系数 = F= FP P， F = aAr + bP 所以所以 = = aAr/ P + b b 这个表达式个表达式对无无润滑和有滑和有润滑的摩擦都适用。在摩擦力中，机械作用分量滑的摩擦都适用。在摩擦力中，机械作用分量( (由由塑性塑性变形所引起形所引起) )一般比一般比较小，占百分之几。摩擦系数主要由分子作用分量决定。小，占百分之几。摩擦系数主要由分子作用分量决定。 如果在金属表面存在氧化膜、水分或如果在金属表面存在氧化膜、水分或污染物，它染物，它们之之间的分子引力比清的分子引力比清洁金金属表面会成百倍下降，使摩擦系数属表面会成百倍下降，使摩擦系数显著降低。著降低

8、。 9摩擦学基摩擦学基础知知识(2)边界界润滑摩擦滑摩擦 在在边界界润滑状滑状态，两接触表面被一，两接触表面被一层很薄的油膜隔开很薄的油膜隔开(可从一个分子可从一个分子层到到0.1 m)。这个个边界界层或或边界膜可使摩擦力降低界膜可使摩擦力降低 210倍，使表面磨倍，使表面磨损显著减少。著减少。 （ 所有油所有油类都能在金属表面上吸附。但吸附膜的都能在金属表面上吸附。但吸附膜的强度决定于其中是否存在活性分度决定于其中是否存在活性分子，以及它子，以及它们的数量和特性。的数量和特性。虽然一般然一般矿物油由非活性的碳物油由非活性的碳氢化合物化合物组成，但除去超成，但除去超纯的的矿物油外，其中物油外，

9、其中总会含有一些有机酸、会含有一些有机酸、树脂或其它表面活性物脂或其它表面活性物质。因此，几乎所。因此，几乎所有有润滑油都能在金属表面形成小于滑油都能在金属表面形成小于0.1 m厚、准晶厚、准晶态的、并与表面有一定的、并与表面有一定结合合强度的度的边界膜界膜.）10摩擦学基摩擦学基础知知识 (2)边界界润滑摩擦滑摩擦 在在载荷作用下，荷作用下，实际接触表面会接触表面会发生生弹塑性塑性变形而使微凸体互相形而使微凸体互相挤入，滑入，滑动的的阻力来自阻力来自边界膜的剪切和互相界膜的剪切和互相挤入微凸体入微凸体“耕犁耕犁”作用的抗力。此外，在某些遭受作用的抗力。此外，在某些遭受最大塑性最大塑性变形，或

10、形，或产生局部高温的接触点上，可能引起生局部高温的接触点上，可能引起边界膜的破坏，界膜的破坏，导致金属的致金属的直接接触，增加滑直接接触，增加滑动的阻力。的阻力。 11摩擦学基摩擦学基础知知识 边界膜必界膜必须具有具有较高抗高抗压强度和度和较低剪切低剪切强度，才能起度，才能起润滑作用。可采用石墨、滑作用。可采用石墨、MoS2和和软金属作金属作为固体固体润滑膜。滑膜。 软金属常用材料是金属常用材料是铅、锡、铟等，它等，它们都具有很低的剪切都具有很低的剪切强度。度。12思考思考题 ：请从晶体从晶体结构构的角度解的角度解释具有固体具有固体润滑特性的原因？滑特性的原因？13摩擦学基摩擦学基础知知识 石

11、墨、石墨、MoS2都具有六方都具有六方结构，沿构，沿c轴的晶格常数均大于的晶格常数均大于a轴，因此，因此层与与层原子原子间结合合强度低于度低于层内原子内原子间结合合强度，度，层与与层之之间剪切剪切强度度较弱。弱。 具有具有层状状结构的常用固体构的常用固体润滑材料滑材料14摩擦学基摩擦学基础知知识 (3)流体流体润滑摩擦滑摩擦 流流体体润滑的特点是摩擦表面完全被油膜隔开，靠油膜的滑的特点是摩擦表面完全被油膜隔开，靠油膜的压力平衡外力平衡外载荷，油荷，油膜厚度越大，固体表面膜厚度越大，固体表面对远离它的油分子影响越小。在流体离它的油分子影响越小。在流体润滑中，摩擦阻力决滑中，摩擦阻力决定于定于润滑

12、油的内摩擦滑油的内摩擦( (粘度粘度) )。 这种摩擦条件具有最小摩擦系数。从种摩擦条件具有最小摩擦系数。从节能、延能、延长寿命和减少磨寿命和减少磨损考考虑，流体流体润滑摩擦滑摩擦是最理想的条件，摩擦力也与接触表面的状况无关。是最理想的条件，摩擦力也与接触表面的状况无关。 15摩擦学基摩擦学基础知知识 （在（在润滑油中的表面活性分子吸附在滑油中的表面活性分子吸附在固体表面形成固体表面形成单分子分子层-边界界层-微紊流区微紊流区-层流区流区(见右右图)。 为实现流体流体润滑，最小油膜厚度必滑，最小油膜厚度必须不小于两接触表面不小于两接触表面轮廓高度算廓高度算术平均平均值之之和，同和，同时还要考要

13、考虑在在载荷作用下表面的荷作用下表面的变形程度，零件加工与装配的形程度，零件加工与装配的误差，以及差，以及润滑油中出滑油中出现硬硬杂质的可能性。油膜有足的可能性。油膜有足够厚度才能避免金属直接接触。）厚度才能避免金属直接接触。）16摩擦学基摩擦学基础知知识 二、摩擦的机理二、摩擦的机理 (一一)早期摩擦理早期摩擦理论 ( 最早提出摩擦基本概念的是最早提出摩擦基本概念的是15世世纪的的Leonado da Vinci(14521519)。他的。他的著名假著名假说启启发了法国科学家了法国科学家Amontons进行大量摩擦的行大量摩擦的试验研究，于研究，于1699年年发表了表了他的他的试验结果果:

14、发现摩擦力摩擦力总是等于法向是等于法向载荷的荷的13，而与摩擦表面的面，而与摩擦表面的面积无关。无关。 后来后来Coulumb于于1785年，年，继续进行了仔行了仔细的的试验研究，不但肯定研究，不但肯定Amontons的的结论，而且，而且发展了他的工作。展了他的工作。 )17摩擦学基摩擦学基础知知识 (由由这些初期研究中得出的摩擦些初期研究中得出的摩擦规律，可概括律，可概括为以下几个摩擦的基本定律：以下几个摩擦的基本定律：) 第一定律：摩擦力与两接触体之第一定律：摩擦力与两接触体之间的法向的法向载荷成荷成 正比。正比。 FP 或或 F= P 式中式中称称为摩擦系数。摩擦系数。 第二定律：摩擦系

15、数与两接触体之第二定律：摩擦系数与两接触体之间的表的表观接触接触 面面积无关。无关。 第三定律：摩擦系数与滑第三定律：摩擦系数与滑动速度无关。速度无关。18摩擦学基摩擦学基础知知识 这些基本定律些基本定律经历了了许多年，一直到近代没有重大修改，因而理多年，一直到近代没有重大修改，因而理应承承认它它们是能是能够成立的。但是根据后来的研究，成立的。但是根据后来的研究，发现这些定律在很多情况下是不正确些定律在很多情况下是不正确的。的。 例如第二定律（摩擦系数与两接触体之例如第二定律（摩擦系数与两接触体之间的表的表观接触面接触面积无关）。无关）。仅对有有一定屈服点的材料一定屈服点的材料(如金属如金属)

16、才能成立，它不适用于才能成立，它不适用于弹性及粘性及粘弹性材料。第三定性材料。第三定律（摩擦系数与滑律（摩擦系数与滑动速度无关），速度无关），则完全不适用于任何材料。完全不适用于任何材料。19摩擦学基摩擦学基础知知识 用于用于阐明干摩擦特性的早期摩擦理明干摩擦特性的早期摩擦理论主要是：主要是：1 1机械机械联结理理论 1699 1699年年AmontonsAmontons和和de la Hirede la Hire提出，金属的摩擦可能是由于粗糙表面的微凸体之提出，金属的摩擦可能是由于粗糙表面的微凸体之间的互的互锁作用所引起。作用所引起。这个理个理论对静摩擦的存在作了解静摩擦的存在作了解释，同，

17、同时它把它把动摩擦解摩擦解释为使上表使上表面的微凸体越面的微凸体越过下表面微凸体所需的力。下表面微凸体所需的力。20摩擦学基摩擦学基础知知识 2 2分子吸引理分子吸引理论 1929 1929年年TomlinsonTomlinson及及19361936年年HardyHardy先后提出，当一种材料的原子从它先后提出，当一种材料的原子从它们的配合表面上的吸力范的配合表面上的吸力范围内被拉出内被拉出时，要消耗一定能量，构成了摩擦力。，要消耗一定能量，构成了摩擦力。后来的研究后来的研究认为，摩擦是由于分子运，摩擦是由于分子运动键的断裂的断裂过程所引起在程所引起在这个个过程程中。由于表面及次表面分子周期性

18、地拉伸、破裂及松弛，中。由于表面及次表面分子周期性地拉伸、破裂及松弛，导致能量的消耗。致能量的消耗。 21摩擦学基摩擦学基础知知识 ( (二二) )焊合、剪切及犁削理合、剪切及犁削理论 比比较新的摩擦理新的摩擦理论是是BowdenBowden和和TaborTabor于于19501950年提出，即年提出，即焊合剪切及犁削理合剪切及犁削理论：当接：当接触表面相互触表面相互压紧时它它们只在微凸体的只在微凸体的顶端接触，由于接触面端接触，由于接触面积很小，微凸体上的很小，微凸体上的压力力很高，足以引起塑性很高，足以引起塑性变形和形和“冷冷焊”现象。象。这样形成的形成的焊合点因表面的相合点因表面的相对滑

19、滑动而被剪而被剪断。断。这一部分力量构成摩擦力的粘着分量一部分力量构成摩擦力的粘着分量 F Fadhadh= A= A S 式中式中,A,A为剪切的剪切的总面面积。S S为焊合点的平均剪切合点的平均剪切强度。度。 22摩擦学基摩擦学基础知知识 除除焊合、剪切合、剪切外外较硬表面的微凸体硬表面的微凸体对较软材料会造成犁削作用。它构成摩擦力的材料会造成犁削作用。它构成摩擦力的犁削分量犁削分量F Fpl,pl, 总的摩擦力的摩擦力 F = F F = Fadhadh+ F+ Fpl = AS + FAS + Fplpl 大多数情况，大多数情况，Fpl与与Fadh相比很小，可忽略不相比很小，可忽略不计

20、。 则 F A F AS S = F/P = AS/Ap = F/P = AS/Ap = S/p 式中式中 p p为材料的屈服材料的屈服压力力, , A为剪切的剪切的总面面积；S为焊合点的平均剪切合点的平均剪切强度度23摩擦学基摩擦学基础知知识 ( (三三) )摩擦的能量理摩擦的能量理论 固体之固体之间的摩擦是非常复的摩擦是非常复杂的表面物理化学的表面物理化学现象。一些象。一些简单的摩擦理的摩擦理论，只能解只能解释局部的个局部的个别的的现象，而且多数是象，而且多数是单纯从力学角度从力学角度进行研究，而没有考行研究，而没有考虑到摩擦到摩擦过程中可能程中可能产生的各种物理的、化学的、生的各种物理的

21、、化学的、电学的、学的、热学的等等学的等等现象。象。近年来，近年来，发展了摩擦的能量理展了摩擦的能量理论，即从能量平衡的，即从能量平衡的观点点综合分析摩擦合分析摩擦过程。程。这个理个理论目前不目前不够成熟，成熟，还只限于定性分析。只限于定性分析。 24摩擦学基摩擦学基础知知识 右右图表示一个摩擦表示一个摩擦过程中能量程中能量转化的框化的框图。在摩擦。在摩擦过程中，程中，输入的能入的能量量总是大于是大于输出的能量，出的能量，损失的能量失的能量即相当于摩擦即相当于摩擦过程中力学的、物理的程中力学的、物理的和化学的和化学的变化能量消耗的化能量消耗的总和。和。 25摩擦学基摩擦学基础知知识 在金属的摩

22、擦中，主要的能量消耗在在金属的摩擦中，主要的能量消耗在塑性塑性变形形过程中。由裂程中。由裂纹的形成、的形成、扩展及展及新表面的形成所消耗的断裂能量，只有在新表面的形成所消耗的断裂能量，只有在磨磨损过程中才是主要的。二次程中才是主要的。二次过程能量一程能量一般所占比例般所占比例较小。因此研究摩擦小。因此研究摩擦过程中的程中的塑性塑性变形形规律及其影响因素，是深入摩擦律及其影响因素，是深入摩擦现象本象本质的一个重要的一个重要问题。26摩擦学基摩擦学基础知知识 三、摩擦系数及其影响因素三、摩擦系数及其影响因素（一）摩擦系数与（一）摩擦系数与这些材料参数有关？些材料参数有关？晶粒度晶粒度晶体晶体结构构

23、各向异性各向异性硬度硬度层错能能弹性模量性模量27摩擦学基摩擦学基础知知识 三、摩擦系数及其影响因素三、摩擦系数及其影响因素（一）摩擦系数与材料参数有关（一）摩擦系数与材料参数有关 1晶体晶体结构构 具有密排六方具有密排六方结构的构的钴，表，表现出出较低的摩擦系数，当在高温低的摩擦系数，当在高温转变成立方成立方结构构时，摩擦，摩擦系数迅速上升。系数迅速上升。 实验证明明 uhexufccubcc 2晶体的各向异性晶体的各向异性 同一种金属，在不同的晶面和晶向会表同一种金属，在不同的晶面和晶向会表现出不同的摩擦系数，如在真空中出不同的摩擦系数，如在真空中钨对钨的摩的摩擦系数在擦系数在(110)面

24、面为1.33，在，在(210)面面为1.90，在，在(100)面面为3.00。 28摩擦学基摩擦学基础知知识 3晶粒度晶粒度 晶粒越晶粒越细，摩擦系数越低，摩擦系数越低，这可能与晶粒度可能与晶粒度对材料硬度的影响有关。随硬度提高，材料硬度的影响有关。随硬度提高，摩擦系数下降。摩擦系数下降。 4层错能能 层错能决定了材料位能决定了材料位错交滑移的交滑移的难易程度。易程度。层错能越高，交滑移和攀移越容易能越高，交滑移和攀移越容易进行，行，摩擦系数越低。摩擦系数越低。 5弹性模量性模量 它是拉伸金属内部它是拉伸金属内部结构所需构所需应力的度量。原子之力的度量。原子之间结合力越合力越强，弹性模量越大，

25、摩性模量越大，摩擦系数也就越低。擦系数也就越低。 29摩擦学基摩擦学基础知知识 6材料材料强度与硬度度与硬度 强度与硬度越高，塑性度与硬度越高，塑性变形抗力越大，越不容易在接触点形成形抗力越大，越不容易在接触点形成焊合，摩擦系数也合，摩擦系数也越低。越低。 除去材料参数外，大量除去材料参数外，大量试验证明，摩擦系数明，摩擦系数还受到很多其它因素的影响，如化学受到很多其它因素的影响，如化学环境，境，载荷，速度，荷，速度，润滑条件，温度等等。所有滑条件，温度等等。所有这些表明，摩擦些表明，摩擦现象是一个非常复象是一个非常复杂的系的系统问题，摩擦系数并非材料的属性，摩擦系数并非材料的属性，认为摩擦系

26、数是个常数，只有当材料及其它摩擦系数是个常数，只有当材料及其它条件完全固定情况下才成立。条件完全固定情况下才成立。30摩擦学基摩擦学基础知知识（二）摩擦系数（二）摩擦系数的影响因素的影响因素 1、接触点的生、接触点的生长（ 接触面接触面积生生长） 切向力的效果，造成摩擦系数上升，但受切向力的效果，造成摩擦系数上升，但受污染染层限制限制 主要是摩擦初始主要是摩擦初始阶段段31摩擦学基摩擦学基础知知识 2. 表面膜的存在表面膜的存在 大多数表面大多数表面污染都是由于暴露在空气中的金属表面上迅速生成的氧化膜所构染都是由于暴露在空气中的金属表面上迅速生成的氧化膜所构成。因此金属之成。因此金属之间的接触

27、，的接触，实际上是被氧化膜所隔开。上是被氧化膜所隔开。 除去氧化膜外，除去氧化膜外，还可能形成表面的气体吸附膜和可能形成表面的气体吸附膜和润滑油吸附膜。在油滑油吸附膜。在油润滑条滑条件下，由于吸附油膜的存在，件下，由于吸附油膜的存在，实际发生金属与金属接触的面生金属与金属接触的面积只占真只占真实接触面接触面积的一部分。的一部分。32摩擦学基摩擦学基础知知识 3. 润滑油粘度滑油粘度 润滑油的粘度越高，摩擦系数越低。因滑油的粘度越高，摩擦系数越低。因为粘度越高，油膜厚度越大，使粘度越高，油膜厚度越大，使剪切剪切应力集中在油膜内，金属微凸体之力集中在油膜内，金属微凸体之间接触减少，摩擦系数下降。接

28、触减少，摩擦系数下降。33摩擦学基摩擦学基础知知识 4. 载荷荷 一般来一般来说载荷增加，摩擦系数上升荷增加，摩擦系数上升34摩擦学基摩擦学基础知知识4. 载荷荷 载荷增加，油膜厚度减少，吸附荷增加，油膜厚度减少，吸附层及氧化及氧化层受到受到压缩，金属表面，金属表面层发生加生加工硬化，微凸体工硬化，微凸体变平，使接触面平，使接触面积增大，增大，结果使摩擦系数上升。果使摩擦系数上升。但但这个个趋势只在一定的只在一定的载荷条件下存在，当荷条件下存在，当载荷再增大荷再增大时，摩擦系数不再增加。，摩擦系数不再增加。35摩擦学基摩擦学基础知知识四、摩擦引起的各种效四、摩擦引起的各种效应 (一一)温度效温

29、度效应 金属在互相摩擦金属在互相摩擦过程中，由于程中，由于产生生弹性性变形特形特别是塑性是塑性变形，将消耗很大的能量，形，将消耗很大的能量，而而这些能量至少有些能量至少有90转变成成热。如果。如果这些些热量保留在金属表面量保留在金属表面层，则瞬瞬时温度可以温度可以达到相当高的程度。达到相当高的程度。 因因为金属的加工表面都具有一定的粗糙度金属的加工表面都具有一定的粗糙度实际的接触面的接触面积只分布在少数微凸体上，只分布在少数微凸体上，因此在微凸体因此在微凸体处将将发生更大程度的塑性生更大程度的塑性变形和断裂出形和断裂出现更高的能量集中从而形成比更高的能量集中从而形成比整个表面整个表面层更高的温

30、度。更高的温度。为了区分了区分这两种情况，一般把表面两种情况，一般把表面层的温度称的温度称为平均温度。把平均温度。把微凸体微凸体处瞬瞬时(10-610-3s)形成的温度称形成的温度称为闪温。温。36摩擦学基摩擦学基础知知识 在接触表面能在接触表面能够达到的最高温度可以用平均达到的最高温度可以用平均温度与温度与闪温之和表示：温之和表示： TT = TM+TF 接触表面摩擦温度的形成和接触表面摩擦温度的形成和变化常常是和化常常是和磨磨损现象的象的发展和展和转化密切化密切联系在一起的。特系在一起的。特别是粘着磨是粘着磨损。右。右图是灰是灰铸铁与与17Cr不不锈钢在在大气中干摩擦大气中干摩擦时磨磨损速

31、率与温度之速率与温度之间的关系。的关系。从从图中可中可见在在闪温达到温达到300时出出现最大最大磨磨损速率。速率。37摩擦学基摩擦学基础知知识 因此摩擦温度是反映磨因此摩擦温度是反映磨损现象的一个十分敏感的效象的一个十分敏感的效应利用两者的利用两者的对应关关系，可以通系，可以通过测量接触温度的量接触温度的变化来化来监控磨控磨损过程的程的发展。展。 另一方面，摩擦温度的形成必然会影响表面另一方面，摩擦温度的形成必然会影响表面层的的组织结构及其性能。如果构及其性能。如果温度高到相温度高到相变点以上，点以上，则会引起表面会引起表面层组织的相的相变过程。程。 38摩擦学基摩擦学基础知知识 在一般在一般

32、钢铁材料中，在磨材料中，在磨损表面形成的表面形成的“白白层”就是相就是相变的的产物。既使在温度物。既使在温度不太高，低于相不太高，低于相变点的情况下，也会引起回火点的情况下，也会引起回火软化，回复再化，回复再结晶等晶等过程，使材料性程，使材料性能能发生生变化。到化。到现在在为止，很多磨止，很多磨损理理论涉及到材料的力学性能涉及到材料的力学性能时使用的都是常使用的都是常温条件下的性能数据，温条件下的性能数据，这显然是个极大的然是个极大的误差。由于摩擦温度的作用必然会差。由于摩擦温度的作用必然会显著著地影响磨地影响磨损机制的机制的变化。化。软材料所以能磨材料所以能磨损硬材料，不考硬材料，不考虑摩擦

33、温度的作用是无法摩擦温度的作用是无法理解的。理解的。 39摩擦学基摩擦学基础知知识 除去除去对材料性能的影响以外，摩擦温度的材料性能的影响以外，摩擦温度的变化，化，还会影响会影响润滑油的性能及滑油的性能及润滑条件从而改滑条件从而改变总的摩擦磨的摩擦磨损状状态。 鉴于摩擦温度在研究摩擦与磨于摩擦温度在研究摩擦与磨损机理方面的重要作用，各国的摩擦学工作机理方面的重要作用，各国的摩擦学工作者都者都对摩擦温度的摩擦温度的测量技量技术给予了极大的重予了极大的重视，进行了大量的工作。但行了大量的工作。但这个任个任务是非常困是非常困难的，因的，因为表面的最高温度是在极小的微凸体上接触表面的最高温度是在极小的

34、微凸体上接触时瞬瞬时产生的，生的，要能精确地要能精确地测出出闪温，必温，必须设计制造出一种高灵敏度的、精制造出一种高灵敏度的、精细的而本身又不被的而本身又不被磨磨损(或或虽然被磨然被磨损，但不影响，但不影响测量量结果果)的的传感器。但到目前感器。但到目前为止，止，这种种传感感器器还在研究探索之中。在研究探索之中。40摩擦学基摩擦学基础知知识 现在大量在大量应用的用的测温方法，温方法，实际上都是用于上都是用于测量表面平均温度，主要包括量表面平均温度，主要包括热电偶方法，偶方法，红外外线方法等。由于方法等。由于测量量误差的存在，差的存在，测出的温度数据彼此差出的温度数据彼此差别很大。很大。鉴于于测

35、温的困温的困难，很多人企很多人企图用理用理论计算的方法来求出算的方法来求出闪温，有的是根据温，有的是根据传热学的理学的理论推推导出来，有的是根出来，有的是根据据经验公式。但因公式。但因为影响摩擦温度的因素太复影响摩擦温度的因素太复杂，计算算结果出入相当大。果出入相当大。这些些计算公式的算公式的验证，还有待于准确的有待于准确的测温技温技术的的实现。 随着随着测量技量技术的提高，及表面的提高，及表面层组织结构构变化分析定量化的化分析定量化的实现，以及两个方面的互，以及两个方面的互相相补充，将有可能充，将有可能获得真得真实的摩擦温度。的摩擦温度。这将将对摩擦理摩擦理论及磨及磨损机理机理产生重大影响和

36、生重大影响和带来来新的突破。新的突破。41摩擦学基摩擦学基础知知识 ( (二二) )冶金效冶金效应 大量的金相研究大量的金相研究证明，金属表面明，金属表面层的塑性的塑性变形是滑形是滑动摩擦的普遍摩擦的普遍现象。下象。下图为4545号号钢表面塑性表面塑性变形形层截面的截面的扫描描电镜形貌及其示意形貌及其示意图。可。可见在塑性在塑性变形区中靠近表面的部形区中靠近表面的部分形成一个高度分形成一个高度变形形层，显微微组织强烈烈细化，取向性化，取向性显著提高，其流著提高，其流线几乎与表面平行。几乎与表面平行。在在经过大距离的滑大距离的滑动摩擦后，表面摩擦后，表面变形形层会达到会达到稳定状定状态，即高度，

37、即高度变形形层的厚度的厚度趋于恒于恒定。定。 42摩擦学基摩擦学基础知知识 在塑性在塑性变变形形层层的微的微观结观结构分析中，会构分析中，会发现发现位位错结错结构的构的剧剧烈烈变变化。如化。如对对低碳低碳钢钢的的摩擦表面摩擦表面层进层进行透射行透射电镜电镜薄膜薄膜样样品的品的观观察，可看到不同深度察，可看到不同深度处处的位的位错结错结构。摩擦前构。摩擦前原始材料的位原始材料的位错错，数量很少且分布均匀。摩擦后在，数量很少且分布均匀。摩擦后在15um15um深度的位深度的位错结构已构已发生明生明显变化，可看到很多高位化，可看到很多高位错密度的窄密度的窄带。在。在8-10um8-10um深度深度处

38、位位错的胞状的胞状结构已开始形成。构已开始形成。在在5um5um深度深度处胞状胞状结构已完全形成，胞的尺寸构已完全形成，胞的尺寸约为1-3um1-3um。在最表。在最表层的位的位错胞尺寸胞尺寸还要小一些，而且沿滑要小一些，而且沿滑动方向被拉方向被拉长，甚至，甚至发生碎化。在周期运生碎化。在周期运动中，中，这些位些位错胞壁胞壁将形成将形成应力集中，特力集中，特别是与滑是与滑动方向垂直的那些胞壁。方向垂直的那些胞壁。这些区域将在循些区域将在循环载荷作用荷作用下下产生微裂生微裂纹，成，成为疲疲劳磨磨损的根源。的根源。43摩擦学基摩擦学基础知知识 ( (如果同如果同时考考虑到摩擦到摩擦过程的温度效程的

39、温度效应，则可以想象，塑性可以想象，塑性变形所引起形所引起组织结构及性能构及性能变化必然受到摩擦温度的影响而化必然受到摩擦温度的影响而发生回复再生回复再结晶晶过程。程。对这种种综合效合效应在在摩擦表面摩擦表面层的的组织与性能方面造成的效果与性能方面造成的效果还很少很少进行研究，但行研究，但这对于摩擦与磨于摩擦与磨损机机理的研究是一个十分重要的理的研究是一个十分重要的问题。 ) )44摩擦学基摩擦学基础知知识 对一般一般钢铁材料，滑材料，滑动摩擦可能引起表面摩擦可能引起表面层组织结构构变化的另一个典型化的另一个典型现象，象，就是形成就是形成“白白层”结构，它的一般特征是具有相当高的硬度构，它的一

40、般特征是具有相当高的硬度( (可达可达700-1200HV)700-1200HV)，耐腐耐腐蚀，在制，在制备金相金相试样时，用一般的腐，用一般的腐蚀液很液很难被腐被腐蚀，因呈，因呈现白色，故称白色，故称“白白层”。其厚度根据摩擦条件可以从几个其厚度根据摩擦条件可以从几个um到到100um100um不等。不等。这种种现象并不限于摩象并不限于摩擦表面。在擦表面。在喷丸丸强化，磨削加工，化，磨削加工，电火花切割，激光火花切割，激光处理后的表面，以及理后的表面，以及长期使期使用的用的铁轨接接头处都会形成。都会形成。45摩擦学基摩擦学基础知知识 在摩擦在摩擦过程中，特程中，特别是干摩擦，在微凸体接触区域

41、的温度可能超是干摩擦，在微凸体接触区域的温度可能超过相相变点，表面点，表面层存存在的温度梯度将促在的温度梯度将促进新相形成的新相形成的过程，同程，同时摩擦摩擦过程程还会引起元素的会引起元素的扩散。散。这些都将促些都将促进相相变过程的加速程的加速进行而形成白行而形成白层结构。关于白构。关于白层的的组织结构及其高硬度的原因构及其高硬度的原因还存在很多存在很多争争论，如有以下一些，如有以下一些观点：点： 1 1由于激由于激热激冷，形成了超激冷，形成了超细晶粒的淬火晶粒的淬火马氏体。氏体。 2 2与与环境介境介质作用，吸收了氧与氮形成一定数量的氧化物与氮化物。作用，吸收了氧与氮形成一定数量的氧化物与氮

42、化物。 3. 3. 与与润滑油作用，吸收了碳形成了滑油作用，吸收了碳形成了较多的碳化物。多的碳化物。 但多数人但多数人认为白白层结构主要是构主要是马氏体氏体+ +奥氏体奥氏体+ +碳化物三者的混合物，碳化物三者的混合物，这已已为大量的大量的电镜与与X X射射线分析所分析所证实。 46摩擦学基摩擦学基础知知识 整个白整个白层不一定是一不一定是一层均匀的均匀的组织，还可能出可能出现层状状结构，构，这种情况决定于相种情况决定于相变完成的程度，与摩擦条件有密切关系。重要的是必完成的程度，与摩擦条件有密切关系。重要的是必须建立充分的温度及建立充分的温度及变形条件，不形条件，不能保能保证这个条件，相个条件

43、，相变过程不能充分程不能充分进行，就可能出行，就可能出现层状状结构的构的过渡状渡状态。 白白层结构具有高硬度是肯定的，但它构具有高硬度是肯定的，但它对摩擦与磨摩擦与磨损的作用的作用还有待于研究。如白有待于研究。如白层是在摩擦是在摩擦过程中形成，程中形成，还是在停止摩擦之后才形成的。如果属于后者，是在停止摩擦之后才形成的。如果属于后者，则在摩擦在摩擦过程程中金属表面中金属表面处于奥氏体状于奥氏体状态，它，它对摩擦与磨摩擦与磨损的影响就会是另一种情况。再有白的影响就会是另一种情况。再有白层是是否都能形成一否都能形成一层均匀等厚的均匀等厚的组织，如果是不均的，是否会引起，如果是不均的，是否会引起较大

44、的残余大的残余应力或力或应力力集中等。集中等。 47摩擦学基摩擦学基础知知识( (三三) )化学效化学效应 在摩擦在摩擦过程中，表面程中，表面层的化学的化学组成会成会发生生显著的著的变化，化，虽然然这个薄个薄层很薄，甚至只很薄，甚至只有几个有几个纳米的数量米的数量级，但它，但它对材料的摩擦与磨材料的摩擦与磨损却起了十分重要的作用。化学成分的却起了十分重要的作用。化学成分的变化主要来自以下几个方面：化主要来自以下几个方面： 金属与气体金属与气体金属与金属与润滑滑剂金属与金属金属与金属481 1金属与气体之金属与气体之间的相互作用的相互作用 这种相互作用可能有三种基本形式种相互作用可能有三种基本形

45、式: :物理吸附，化学吸附及化学反物理吸附，化学吸附及化学反应。 物理吸附是靠分子之物理吸附是靠分子之间引力形成的，具有比引力形成的，具有比较弱的弱的结合合键。 化学吸附和化学反化学吸附和化学反应都可以形成比都可以形成比较强的的结合合键。 由于表面吸附了气体，一般都会使摩擦系数降低，降低的程度因不同气体而异。在由于表面吸附了气体，一般都会使摩擦系数降低，降低的程度因不同气体而异。在H H2 2，0 02 2，COCO2 2，H H2 2S S等气体中以氧的作用最等气体中以氧的作用最显著。所以人著。所以人们常称之常称之为天然天然润滑滑剂。49摩擦学基摩擦学基础知知识2金属与金属与润滑滑剂之之间的

46、相互作用的相互作用 大部分大部分润滑滑剂用的是用的是矿物油，其分子物油，其分子结构一般是构一般是氢与碳原子与碳原子连接成的接成的长链： 50摩擦学基摩擦学基础知知识 润滑油所以具有高的粘度，可以滑油所以具有高的粘度，可以设想是由于它想是由于它们的的长链结构互相构互相缠结网网络而引起而引起的。一般植物油的分子在的。一般植物油的分子在链的一端有一个活性基，即其一端明的一端有一个活性基，即其一端明显地地变成具有正成具有正电荷，荷，而另一端而另一端变成具有成具有负电荷的所荷的所谓“极化极化”分子，分子，这这种极化分子种极化分子对对金属表面具有很金属表面具有很强强的的亲亲和力。但和力。但这这种种结结构的

47、化合物主要存在于构的化合物主要存在于动动物和植物油中，而不存在于物和植物油中，而不存在于矿矿物油中。物油中。怎么怎么办呢？呢？51摩擦学基摩擦学基础知知识 为了弥了弥补这个缺点，常在个缺点，常在矿物油中加入一定量的添加物油中加入一定量的添加剂，以增加，以增加润滑油的活性极滑油的活性极化分子。化分子。这些添加些添加剂可以透可以透过矿物油迁移到金属表面来，在摩擦的作用下，在表面上物油迁移到金属表面来，在摩擦的作用下，在表面上便形成一个牢固的便形成一个牢固的单分子分子层或化学覆盖或化学覆盖层。由于添加。由于添加剂的作用，可以使摩擦系数明的作用，可以使摩擦系数明显降低。降低。 还有有润滑油中的极滑油中

48、的极压添加添加剂，其作用是可以在，其作用是可以在较高温度下分解出活性元素，与金高温度下分解出活性元素，与金属表面属表面发生化学反生化学反应。生成一种低剪切。生成一种低剪切强度的金属化合物薄膜，随摩擦温度的上升，度的金属化合物薄膜，随摩擦温度的上升，反反应速度加快。整个反速度加快。整个反应速度决定于极速度决定于极压添加添加剂活性分子通活性分子通过边界界润滑膜向金属表面滑膜向金属表面的的扩散速度。散速度。52摩擦学基摩擦学基础知知识3 3金属之金属之间的相互作用的相互作用 在金属与金属相互摩擦在金属与金属相互摩擦过程中，会程中，会发生金属元素的生金属元素的转移和表面元素的偏析移和表面元素的偏析现象

49、。象。图3.353.35表示一表示一对45#45#钢凸凸轮与合金冷激与合金冷激铸铁摇臂摩擦副，在臂摩擦副，在经过一定一定时间的滑的滑动摩擦摩擦后，后，发生了合金元素从生了合金元素从摇臂明臂明显地地转移到凸移到凸轮表面的表面的现象。象。 53摩擦学基摩擦学基础知知识 图3.36所示所示则是一种比是一种比较宏宏观的金属的金属转移移现象，象，这种种现象象显然是由于粘着然是由于粘着过程引程引起的金属起的金属转移的移的结果。将引起接触表面一系列的果。将引起接触表面一系列的变化，如表面的成分、硬度、塑性、微化，如表面的成分、硬度、塑性、微凸体的大小及形状、凸体的大小及形状、实际接触面接触面积的大小等，的大

50、小等，这些些变化必然会影响摩擦与磨化必然会影响摩擦与磨损的状的状态。 54摩擦学基摩擦学基础知知识 图337所示是合金冷激所示是合金冷激铸铁表面表面层，经过滑滑动摩擦以后形成的元素偏析，可摩擦以后形成的元素偏析，可见这种种偏析也是有偏析也是有选择性的，即某些元素如性的，即某些元素如Cu与与Si，在表面，在表面层形成了明形成了明显的偏聚。的偏聚。55复复 习 思思 考考 题1.摩擦的定摩擦的定义？2.摩擦分摩擦分为几几类？分？分别为什么？什么？3.名名词解解释：干摩擦干摩擦 边界摩擦界摩擦 流体流体润滑摩擦滑摩擦4. 用于用于阐明干摩擦特性的早期摩擦理明干摩擦特性的早期摩擦理论主要有哪些：主要有哪些：分分别说明之。明之。5. 什么是什么是焊合、剪切及犁削理合、剪切及犁削理论？6. 摩擦系数与哪些材料参数有关摩擦系数与哪些材料参数有关？7.摩擦引起哪些效摩擦引起哪些效应？什么是？什么是“闪温温”、“白白层”和和“天然天然润滑滑剂”。56谢谢！