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1、第二章第二章 固体的表面性质固体的表面性质固体表面固体表面-金属加工表面金属加工表面-摩擦学特性、润滑机理基础摩擦学特性、润滑机理基础摩擦学研究基础：摩擦学研究基础：1 1、表面形貌和表面组成、表面形貌和表面组成 2 2、表面接触的力与变形、表面接触的力与变形第一节第一节 金属固体表面形貌金属固体表面形貌即：即：即：即：表面图形、表面图形、表面图形、表面图形、表面结构、表面结构、表面结构、表面结构、表面粗糙度、表面光洁度表面粗糙度、表面光洁度表面粗糙度、表面光洁度表面粗糙度、表面光洁度显微组成：微凸体显微组成：微凸体显微组成：微凸体显微组成：微凸体波峰、波谷波峰、波谷波峰、波谷波峰、波谷形成原
2、因：加工刀痕、系统振动形成原因：加工刀痕、系统振动形成原因：加工刀痕、系统振动形成原因：加工刀痕、系统振动一、表面的几何形状特征一、表面的几何形状特征1 1、微观几何形状误差、微观几何形状误差 加工过程固有误差引起表面对设计要求的形状偏差加工过程固有误差引起表面对设计要求的形状偏差, ,用表面波纹度、用表面波纹度、表面粗糙度描述表面粗糙度描述2 2、表面波纹度、表面波纹度 切削加工过程中系统有害振动引起的表面波纹（波高切削加工过程中系统有害振动引起的表面波纹（波高h h、波距、波距s s）宏观粗糙度宏观粗糙度 h /s1h /s1：40 40 ；s s一一般般110mm110mm 3 3、表面
3、粗糙度、表面粗糙度 不象波纹度那样有明显的周期性，波距较小、波高较小不象波纹度那样有明显的周期性，波距较小、波高较小波度实际轮廓粗糙度波纹度表面形貌加工方法刀具振动系统误差表面形貌轮廓中线：实体面积=空间面积空间实体Zi实际表面实际表面 平面度MM 又称微观粗糙度，无明显的周期性 波距s s较短（约2800m） 波高h h较小（约0.03400m ） 表面粗糙度越低，则表面越光亮。 评定指标：Ra-轮廓算术平均偏差、Rq-轮廓均方根偏差Rz-微观不平度十点高度、Ry-轮廓最大高度。二、表面粗糙度参数二、表面粗糙度参数- 高度特性参数、间距特性参数、形状特性参数-一维、二维、三维形貌参数中线m：
4、实体面积空间面积Zi以中线为起点度量出的廓形高度n在样品标准长度l内的测量次数l 随粗糙度而定，粗糙度等级不同， l 值不同1 1、高度特性参数、高度特性参数（1 1）轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差 Ra概率统计表达式：数学表达式：（2 2）轮廓均方根偏差轮廓均方根偏差 RqRq轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值的平方根Zi大的点比重大，能高度反映粗糙度Ra0.8Rq数学表达式：概率统计表达式：是在标准长度L内五个最高的轮廓峰高的平均值与五个最低的轮廓谷深的平均值之和 hpi第i个最高的轮廓峰高hvi 第i个最低的轮廓谷深（3 3）微观不平度十点高度微观不平度十点高度 RzRz(4)(
5、4)轮廓最大高度轮廓最大高度 RyRy是表面经常出现的微观不平度的最大高度。即在标准取样长度内轮廓顶线和轮廓谷底线之间的距离。一般取若干段，求Ry的平均值，避免出现用R偶然代替Ry加工方法表面微观特征粗车、粗刨微见刀痕2080车、铣微见加工痕迹1040镗、粗刮微见加工痕迹520磨、拉看不清加工痕迹2.510精铰、滚压可辨加工痕迹方向1.256.3精镗、刮微辨加工痕迹方向0.633.2珩磨、研磨不可辨加工痕迹方向0.321.6精磨、抛光暗光泽面0.160.8超精磨、精抛亮光泽面0.080.4镜面磨、超精抛光镜面0.010.05各种加工方法的表面特征及其粗糙度v相互换算（在一定程度上）相互换算（在
6、一定程度上） 表面Rq/RaRz/RaRy/Ra车削磨削研磨随机统计1.101.151.181.301.301.501.254557-457147148.02 2、间距特性参数、间距特性参数（1 1） 微观不平度的平均间距微观不平度的平均间距S Sm m: :含有一个轮廓峰与相邻谷的一段中线长度（2）轮廓峰的密度）轮廓峰的密度D:单位长度内轮廓峰的（微凸体）个数（）（） Ra相同，形貌不一定相同（）（）一维形貌参数仅适合描述同一加工方法的具有相似轮廓的表面（）（）一维高度参数和一维间距参数配合，可以粗略构成表面形貌的二维图象摩擦学意义上的粗糙度讨论摩擦学意义上的粗糙度讨论峰顶曲率半径的计算峰顶
7、曲率半径的计算、形状特性参数、形状特性参数微凸体峰顶曲率半径r:微凸体峰顶曲率半径反映微凸体尖峭与平缓的程度，两个固体表面相接触，微凸体峰顶曲率半径对金属的变形性质影响很大峰顶曲率半径的计算峰顶曲率半径的计算式中： 横向轮廓图形（沿加工方向）微凸体峰顶曲率半径； 纵向轮廓图形（沿加工方向垂直）微凸体峰顶曲率半径； 分别代表轮廓图形在垂直方向和水平方向的放大倍数； h从每个微凸体峰顶向下度量的相同高度，一般 或 、在h处横向或纵向轮廓图形的水平截断宽度；如图，各值不等。n微凸体所取数目，一般n5。、三、表面轮廓高度的分布三、表面轮廓高度的分布以表面轮廓中线为x轴，在标准长度L内，每隔一定距离L，
8、测量轮廓图形距参考中线的高度Z1、Z2、Zi然后求出同一Z值的个数，作为该高度的纵标频数。均方根差：1、在表面轮廓曲线上按间隔量取高度值Zi；2、统计得出值的概率3、算数平均偏差为4、用代替用代替：称为概率密度涵数那么若加工表面粗糙度高度分布为通常为正态分布其涵数表达式：设正态分布曲线面积故：微凸体高度分布微凸体高度分布曲线表面粗糙度越低，曲线越接近正态分布磨削表面轮廓高度分布曲线四、支承面积曲线四、支承面积曲线支承长度率曲线微观不平度的形状特性参数： 在取样长度内，一平行于中线的线与轮廓相截，得各 截段长度之和与取样长度之比 能表示粗糙表层的微凸体的高度分布表示表面磨损到一定程度时，支承面积
9、的大小主要用于计算实际接触面积简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线 a3a2a1Ay(a) 表面轮廓曲线(b) 支承曲线图3-6 粗糙表面的支承面曲线理想支承面积曲线第二节固体表面的组成第二节固体表面的组成一、金属的表面结构一、金属的表面结构普通脏污层吸附层氧化层贝氏层严重变形层轻度变形层金属表层的组成（）（）贝氏层加工过程中金属表层熔化和塑性流动，然后聚冷而成（）（）严重变形层和轻微变形层由于加工过程变形，晶格变形扭曲，产生不同程度加工硬化（）（）必须指出：机械加工硬化表面硬度不均匀，摩擦表面耐磨能力主要由表面强化工艺实现。1、表面张力、表面张力（比表面能）（比表面能）：单位表面积所具有
10、的表面能或增加单位表面积时所引起体系表面能的增加。液面上的分子受内部分子的吸引力大于受空气分子的吸引力，使处于液面上的分子的能量增加，产生使液体表面缩小而形成平行于表面的力，叫做表面张力。二、固体表面的物理化学特性二、固体表面的物理化学特性（一）、固体的表面力和表面能表面即两种相的交界面。我们所研究的表面现象，都是发生在界面上的现象，通常称之为表面。设 L即为细棒的长度，一般认为，F=aL,a为一个系数，即：拉力大小与拉起的液体长度成正比,a可以通过实验测算,即根据测得的F和L求得a,不同的液体a一般不同。a既是表面张力,它是一种广义力。在力F作用下，细棒移动高度为h，做功为W=Fh=alh=
11、as，s为拉起的薄膜的面积，当s为单位面积时，W既是表面能。2、表面能、表面能：表面张力的单位是NM。表面张力的大小与液体的性质、纯度和温度有关。表面张力乘表面的面积即为表面能。即表面分子比内部分子具有多的能量。表面积越大，表面的分子越多，消耗的功越大。固体表面的质点(分子、原子、离子)也和液面上的质点一样，处于力场的不平衡状态中，这些力场延伸到固体以外的空间，使表面具有一定的表面能。（二）、实验检测：（二）、实验检测：当两个物体彼此靠近而进入接触时，两物体便被其表面的凸峰所分开，两物体的表面越光洁，接近的程度就越高，可见粗糙度小的物体，表面能大。 表面上的大多数质点都表现出很高的化学活性，急
12、于吸引其邻近质点，即外来的分子、原子、离子而得到某种补偿，结果就降低了固体的表面能(自由焓)。金属表面形成的氧化膜降低了金属的表面能。同样，对表面进行润滑的结果，就是明显减弱了物体的表面能。(相当于铜原子的直径)时，在P点上，吸力和斥力相平衡；OP为其平衡原子距。对于所有原子，分子间的作用都具有图25的形式，Q点是使两个原子分离的临界点。物体的表面力是指两相或两物体相互作用时有助于物体内聚的各种力，按照固体晶体结构的不同，这些力可以是离子键力、共价键力、金属键力和范德华力等。吸力斥力吸力468102合力斥力原子距OPQCA 图2-5 原子吸引力与原子距的关系1.1.离子键力离子键力 离子晶体的
13、结合力，叫做离子键力。当电离能较小的金属原子与电子亲和能较大的非金属元素的原子相互接近时，前者放出最外层电子而形成正离子，后者吸收前者放出的电子而变成负离子，正负离子由于库仑引力而相互靠近到一定程度时，两闭合壳层的电子云因重叠而产生排斥力，当斥力和吸力相等时就可以形成稳定的离子键。氯化钠晶体就是典型的离子晶体。2 2共价共价键力力 原子晶体的结合力称为共价键力，原子晶体又称为共价晶体，典型的是氢分子(H2)中的两个原子之间的结合。两个氢原子相互靠近形成分子时，两个价电子集中在两原子核之间运动，为两原子核所共有，且两电子的自旋相反，故共价键是由两原子之间一对自旋相反的共有电子形成的。共价键的结合
14、力很强，具有方向性和饱和性。具有代表性的共价晶体是金刚石。3 3、金属、金属键力力 在金属晶体中，原子失去了它的部分或全部价电子而成为离子实，这些离开原子的价电子，不同于某一个离子实所专有，而为全体离子实所共有，金属键力就是靠共有价电子和离子实之间的相互作用而形成的。金属键没有饱和性和明显的方向性，因此金属的结合很牢固。4 4、 范德范德华力力分子之间的相互作用力称为范德华(Vander Waals)力。分子晶体的结构单元就是分子，分子晶体的结合力就是范德华力，故称为范德华键，这种键没有方向性和饱和性。由于相互极化而产生的引力很弱，晶体结合力很小，熔点和硬度都很低。范德华键就是靠偶极矩或瞬时偶
15、极矩的相互作用、相互极化而产生吸引力。 三、力的定义三、力的定义由于界面上的吸引力而形成一层界面吸附层，吸附有两种物理吸附和化学吸附。吸附层在边界润滑中起着十分重要的作用。在特殊条件下工作的轴承，其摩擦的大小取决于轴承表面上形成的表面膜。原子能够获得电子或失掉电子而成为负电性或正电性。例如直链碳氢化合物的感应分子中电荷抵消，而在饱和脂肪酸的非感应分子中，分子的一端为正，另一端为负，两端形成偶极子。偶极矩等于其偶极电荷乘以极距。具有偶极矩的分子称为高极性分子，如脂肪酸的极性分子中的羟基COOH为极性头。它不同于相应的烃类中的CH3。碳基C=O中的氧吸引碳原子，而使碳原子失去电子带正电，羟基中氧化
16、了的碳原子反过来又吸引氢原于中的电子，而使氢原于带正电(图26)。该偶极矩有大小也有方向，永久性偶极子称为极性分子。eVOOHOCOOeVO图2-6 脂肪酸中的极性头四、吸附和固体的表面膜四、吸附和固体的表面膜吸附+_+_+粘聚HOHHCHHCHHCHHCHHCHHCHOHHCHHCHHCHHCHHCHHCHOHCHHCHHCHHCHHCHHCH图2-8 物理吸附膜示意图1 1、物理吸附、物理吸附固体表面和被吸附分子之间只依靠分子之间的引力形成的吸附叫物理吸附，物理吸附(图28)没有电子交换，结合力很弱，形成的吸附膜是单层分子或多层分子，过程是可逆的。如硬脂酸在金属表面上的吸附膜厚度只有19
17、。 物理吸附对温度很敏感，高温可以引起脱吸或分子的重新排列等。因此，物理吸附只能在低载荷、低温度、低速工作状态下存在。粘聚FeFe吸附OOCHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHHCHOOCOOCOOC图2-9 化学吸附膜示意图2化学吸附化学吸附极性分子有价电子与基体表面的电子发生交换而产生的化学结合力，使极性分子定向地排列在固体表面上形成的吸附现象，叫做化学吸附。在吸附物和吸附剂之间有电子转移而生成化学键。化学吸附具有一定的选择性。吸附和脱吸是不完全可逆的过程，化学吸附和物理吸附相比，具有较高的吸附热(物理吸附热约为
18、4.242kJ/mol，化学吸附热约为42420kJ/mol)。硬脂酸和氧化铁及水相互作用所生成的硬脂酸铁皂膜具有理想的剪切性能，其熔点高达120(硬脂酸的熔点为69)。这种吸附膜可在中速、中载的工作状态下存在。3 3氧化膜氧化膜 氧化膜是指金属在与任何含氧气氛相接触时生成的一种表面膜，表面氧化膜具有化学吸附膜的性质。 表面上先发生氧的物理吸附，然后氧原子和金属原子发生化学反应生成氧化膜，其厚度随原子的扩散过程而增加。在铁的表面可以生成几种铁的氧化物，其排列顺序通常是，依次由表至里氧化物的含氧量逐渐减少。 通常，Fe2O3会加剧磨损，而Fe3O4和FeO会减少磨损。氧化膜的存在可以阻止摩擦表面
19、的冷焊。Fe2O3Fe3O4FeOFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeFeSSSSSFeSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSFeFeFeFeSSSSSFe金属表面图2-11 化学反应膜示意图4 4化学反应膜化学反应膜化学反应膜是指金属表面与润滑油添加剂中的硫、磷、氯等元家发生化学反应，所形成的一种新的化合物膜层。反应过程是在高温下进行的，是完全不可逆的。其持点是结合力大，强度高，稳定性好。这种膜存在于重载荷、高速度的工作状态。五、接触角与五、接触角与润湿能力湿能力 液体对固体表面润湿程度可用表示。它是在液滴、固体、气体接触的三相界面点。而润湿角的大小
20、取决于它们的表面张力的大小。当一滴液滴在固体表面上达到平衡时，应满足下列方程：增加润湿程度，应该增加cos、减小或提高固气表面张力。当0时，即呈完全润湿。说明，只有液体的表面张力小于固体的表面张力时，才有可能润湿。液滴对材料的润湿模型式中：rS固、气表面张力rL液、气表面张力rSL固、液表面张力接触角s=Lcos+sL 其中：s为固体表面张力；L为液体表面张力；sL为固体和液体界面张力。该方程叫做Yong方程式。它表明接触角的大小与三相界面之间的定量关系。当ssL时，则cos0为正值，90，此时为润湿；而且s与sL相差越大，角越小，润湿性越好。当ssL时，则cos90，此时不润湿；而且s越大和
21、sL越小时，角越大，不润湿程度越严重。应当指出的是，上面的平衡式仅适用于固、液、气三相的稳定接触的情况。这时三个界面张力之间必须满足下列不等式ssLL否则，分子大于分母，角就无意义了。这时三相接触不能建立平衡。由Young方程可以看出：表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液体所润湿。所以在生产上可以通过改变三个相界面上的值来调整接触角。如加入一种使L和sL减少的所谓表面活性物质，可使减小，润湿程度增加；反之，若加入某种使L增大的表面惰性物质，可使增大，润湿程度减小.润湿作用可以从分子间的作用力来分析：润湿与否取决于液体分子间的相互作用力（内聚力）和液固分子间的吸引力（粘附力）的相对大小，若后
22、者较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若前者占优势则不铺展，呈不润湿。液体和固体之间的吸附粘结力可以表示为：ISL=L+s-sL=L（1+cos）可见，粘结力大小与液体表面张力L及接触角有关。愈小，则ISL越大，粘结越牢。摩擦系数0.10.20.30.40.5温度（）图2-12 各种表面膜的摩擦学特性分析分析 上述几种表面膜的摩擦特性如图所示。 曲线I代表非极性化的基础油所形成的物理吸附膜，它具有最高的摩擦系数并随温度的升高而升高。 曲线代表含有脂肪酸的基础油在表面生成的化学吸附皂膜，在高温下皂膜破坏。 曲线代表加有极压添加剂的润滑油在一临界温度后发生化学反应，生成化学反应膜，其摩擦系数急剧下降。 曲线为稳定的化学反应膜，具有I、共同产生的效果。六、纯净表面六、纯净表面所谓纯净表面即表面上不存在任何其它物质，这种表面只能在保持在高真空条件下。
