固體表面與接觸特性綜述

1、固體表面與接觸特性摘要：簡要介紹了固體表面的幾何特性包括表面波紋度、表面粗糙度和支撐面積曲線，固體表面的物理物理與化學(xué)特性，接觸表面間的相互作用與接觸面積，接觸力學(xué)和接觸變形。關(guān)鍵詞：固體表面，幾何特性，物理特性，化學(xué)特性，接觸特性1固體表面特性摩擦磨損是在相互接觸的物體表面進(jìn)行的，因此研究接觸體摩擦表面的性質(zhì)是研究摩擦磨損的基礎(chǔ)。1固體的表面性質(zhì)主要包括兩方面的內(nèi)容，即表面形貌與表面組成。前者著重研究表面的形狀，后者著重研究表面的結(jié)構(gòu)及表面的物理、化學(xué)性質(zhì)。1.1 固體表面幾何特性1.1.1 表面波紋度表面波紋度是零件表面周期性重復(fù)出現(xiàn)的一種幾何形狀誤差，波紋度有兩個(gè)重要參數(shù)即波高h(yuǎn)和波距s

2、。波高h(yuǎn)表示波峰與波谷之間的距離，波距s表示相鄰兩波形對應(yīng)點(diǎn)的距離。表面波紋度會減少零件實(shí)際支承表面面積，在動(dòng)配合中會引起零件磨損加劇。1表面波紋度通常是由于機(jī)加工時(shí)不均勻的進(jìn)刀、不均勻的切削刀或機(jī)床的振動(dòng)引起的。21.1.2 表面粗糙度表面粗糙度不像表面波紋度那樣具有明顯的周期性，其波距和波高均較小，常用下列指標(biāo)對表面粗糙度進(jìn)行評定：(1) 輪廓算數(shù)平均偏差Ra(2)均方根偏差Rq(3)微觀不平十點(diǎn)高度Rz(4)輪廓最大高度Rmax3不同形狀和輪廓的表面用上述不同方法測得的粗糙度值也不同但在一定程度上，它們之間可以相互換算。以上參數(shù)僅能說明表面輪廓在高度方向的偏差，不能說明表面凸峰的形狀、大

3、小和分布狀況等待性。因此還需要有其它參數(shù)如微凸體的峰頂曲率半徑、微凸體的坡度、密度以及支承面積等來加以描述4。1.1.3 支撐面積曲線支承面積曲線不僅能表示粗糙表層的微凸體高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨損到某一程度時(shí)，支承面積的大小5。支撐面積曲線主要用于計(jì)算實(shí)際接觸面積。在標(biāo)準(zhǔn)長度1的輪廓線上，做與中線平行的一系列直線，將各條平行線截取的輪廓圖形中微凸體的長度相加，分別畫在輪廓圖的右邊。連接圖上各點(diǎn)，就得到支撐面積曲線6。對于各種不同的加工方法，由于加工方法不同，其表面的微凸體形狀也不同，因此得出的文承面積曲線不同，表面磨損到一定程度時(shí)，支撐面積曲線的變化情況也不一樣。支承面積曲線在研究

4、摩擦磨損時(shí)非常有用7。1.2 固體表面的物理與化學(xué)特性摩擦、磨損多發(fā)生在固體表面層，所以研究表面層的物理化學(xué)性質(zhì)很重要。1.2.1固體表面自由能根據(jù)功能原理，對分子所作的功可轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭菽?。這種屬于表面勢能的總和稱為固體與空氣相接觸時(shí)固體表面的界面自由能。如果固體處于真空狀態(tài)則稱為固體的表面自由能。單位面積上的表面（界面）自由能稱為比表面能，表面上的分子在指向內(nèi)部引力的作用下有從表面進(jìn)入內(nèi)部的趨執(zhí)使表面積盡量縮小，結(jié)果在表面切向方向產(chǎn)生表面張力9。1.2.2固體表面吸附現(xiàn)象固體表面的分子由于其周圍分子或原子吸引力的不平衡，在表面上產(chǎn)生一個(gè)指向空的力場，所以它有吸引別的分子的能力。當(dāng)固體表面

5、分子吸附了周圍的一些介質(zhì)后，內(nèi)部分子對表面分子的引力得到部分抵消，表面能也隨之降低，并釋放一部分熱量。釋放的熱量稱為吸附熱10。周圍介質(zhì)分子在固體表面的吸附平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。固體表面一方面吸引周圍介質(zhì)的分子；另一方面，在固體表面被吸附的分子因不斷的熱運(yùn)動(dòng)又有可能脫離固體表面，此過程稱為脫吸。當(dāng)吸附和脫吸的速度相等隊(duì)吸附達(dá)到平衡。吸附可以是物理作用的，也可以是化學(xué)作用的，分別稱為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是靠分子間的引力形成的。這類吸附一般是無選擇性的，任何固體對任何液體都有物理吸附這種吸附速度較大并且容易脫吸11?；瘜W(xué)吸附是有選擇性的，一種固體表面只對某幾種吸附物質(zhì)有吸附作用，而且其吸附熱

6、較大，和化學(xué)反應(yīng)熱差不多。這類吸附靠化學(xué)鍵力把周圍分子吸附在表面上形成新的化合物12。2固體表面的接觸特性當(dāng)兩個(gè)粗糙的金屬表面接觸時(shí)，表面上的凸峰和凹谷相互作用，形成凸凹交錯(cuò)，最先接觸的應(yīng)是兩個(gè)表面的對應(yīng)微凸體高度之和為最大的部位，隨壓力的增加，其他新的成對的微凸體也相應(yīng)地接觸。每一個(gè)微凸體開始接觸時(shí)，首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)載荷超過某一臨界值時(shí)，則發(fā)生塑性變形13。隨著載荷的進(jìn)一步增加，則表面波紋度也將發(fā)生彈性交形，波紋度的彈性變形促使輪廓面積增加和承受載荷的微凸體數(shù)也增加。但是，由于微凸體的高度不同則在每一時(shí)刻，同一表面不同高度的微凸體變形也不同，成對最高微凸體的變形最大，高度小于中間微凸體的

7、地方，在大載荷時(shí)也不發(fā)生接觸14。2.1接觸界面間的作用當(dāng)兩金屬接觸時(shí)，界面之間的相互吸引力應(yīng)包括所有的能使它們相互附著的力，例如化學(xué)鍵，或稱短程力，化學(xué)吸咐就是這種力作用所形成的。此外，還有范德華力，或稱長程力，物理吸附多是這種力作用的結(jié)果15。經(jīng)過機(jī)械加工的金屬表面，在任何時(shí)候都不可能是理想的光滑表面，都存在一定的不平度，在金屬材料加工成形中工模具與工件表面情況更是如此。因此，當(dāng)兩個(gè)表面接觸時(shí)其接觸有不連續(xù)性和不均勻性則采用三種不同的表面面積來描述表面的接觸狀態(tài)（1）名義（或幾何）幾何面積（Am）名義接觸面積是二物體接觸相互重疊的表觀面積，即接觸表面的宏觀面積15。（2）輪廓接觸面積（Ai

8、）由于波紋度接觸斑點(diǎn)集聚在個(gè)別區(qū)域里的波頂，這些斑點(diǎn)集聚的不同區(qū)域之總和，也就是物體的接觸表面被壓皺部分所形成的面積的總和，叫做輪廓接觸面積，以Ai表示。Ai的大小與表面所承受的載荷有關(guān)。（3）真實(shí)（或?qū)嶋H）接觸面積（Az）微凸體接觸處各微觀面積之總和，即在輪廓接觸面積內(nèi)，各實(shí)際接觸部分的微小面積的總和，叫做真實(shí)接觸面積，以Az表示。2.2 接觸應(yīng)力與接觸變形通常接觸模型可分為三大類：球面與球面的接觸模型：球面與平面的接觸模型；棒形與棒形的接觸模型。在摩擦學(xué)的研究范圍內(nèi)，第、第二兩種模型比較接近實(shí)際情況第三種模型只適于某些特殊情況，即微凸體數(shù)目較多，而且彼此之間大小相近的情況16。就宏觀而言，

9、作用于接觸固體上的外力使固體呈彈性狀態(tài)；而在微觀方面，由于實(shí)際接觸必定發(fā)生在表面微凸體處，故產(chǎn)生局部的塑性變形。根據(jù)表面加工和處理的方法不同，彈一塑性變形可能有加工硬化或沒有加工硬化兩種?？梢哉J(rèn)為，表面微凸體的接觸變形有四種形式，即：彈性變形；塑性變形；沒有加工硬化的彈塑性變形；有加工硬化的彈塑性變形總的來說，表面接觸的性質(zhì)與形式取決于接觸條件（兩物體接觸處的幾何外形尺寸），作用外力的大小、方向與作用時(shí)間的持續(xù)性，以及接觸物體的材料質(zhì)量和表面狀態(tài)。參考文獻(xiàn)1 溫景林主編金屬材料成型摩擦學(xué)M.冶金工業(yè)出版社，2000.04.第一版2 德國霍斯特契可斯摩擦學(xué)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.33 葉

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