第一章 材料的摩擦

1、QQQQ糖糖 材料磨損原理材料磨損原理及其耐磨性及其耐磨性Page 2第一章第一章 材料的摩擦材料的摩擦固體材料表面的幾何特性固體材料表面的幾何特性固體表面的物理特性固體表面的物理特性摩擦的基本知識(shí)和分類摩擦的基本知識(shí)和分類摩擦與磨損的關(guān)系摩擦與磨損的關(guān)系固體表面的化學(xué)特性固體表面的化學(xué)特性材料磨損與磨損參量材料磨損與磨損參量Page 3實(shí)際的零件表面不可能是絕實(shí)際的零件表面不可能是絕對(duì)平整光滑的，因?yàn)槿魏瘟銓?duì)平整光滑的，因?yàn)槿魏瘟慵际怯赡撤N加工方法制造件都是由某種加工方法制造出來的。如：鑄造、模壓成出來的。如：鑄造、模壓成型、切削、研磨、腐蝕、電型、切削、研磨、腐蝕、電鍍、噴涂、濺射等。它

2、們都鍍、噴涂、濺射等。它們都會(huì)造成各種各樣的表面粗糙會(huì)造成各種各樣的表面粗糙度度。01、固體材料表面的幾何特性、固體材料表面的幾何特性 機(jī)械拋光表面的SEM（掃描電子顯微鏡）形貌電鍍表面的SEM形貌Page 4 表面輪廓一般可分為三個(gè)范疇：表面輪廓一般可分為三個(gè)范疇：幾何偏差、波紋度及粗糙度。幾何偏差、波紋度及粗糙度。n幾何偏差：如圓孔出現(xiàn)了橢圓度，圓柱體出現(xiàn)了錐度，這種偏差往往不被認(rèn)為是表面形貌的的組成部分。n波紋度：大體上周期出現(xiàn)的波峰與波谷的分布。經(jīng)常是由于機(jī)加工時(shí)不均勻的進(jìn)刀，不均勻的切削力或機(jī)床的振動(dòng)引起的。n粗糙度：在較短的距離內(nèi)（2800um）出現(xiàn)的凹凸不平，它是摩擦它是摩擦學(xué)研

3、究中最重要的一類表面特性學(xué)研究中最重要的一類表面特性。1.1、表面輪廓范疇、表面輪廓范疇Page 5n任取任一間隔，對(duì)此間隔內(nèi)的輪廓高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可獲得高度分布曲線，一般呈高斯分布。若用其積分形式表示表面形貌特征，則為承載面積曲線承載面積曲線。該曲線可以表示當(dāng)一理想平面與實(shí)際粗糙表面接觸時(shí)，在某一高度，承載面積（或接觸面積）的百分?jǐn)?shù)。1.2、表面形貌特征的表示方法、表面形貌特征的表示方法n還可以根據(jù)大量平行的二維形貌曲線用計(jì)算機(jī)繪制三維形貌三維形貌圖圖或“地形圖地形圖”。該方法可以反映較大面積的表面形貌特征，較直觀，但費(fèi)時(shí)。 加工表面的三維形貌圖 “地形圖”Page 6 物理特性主要指的是硬度

4、、殘余應(yīng)力、組織物理特性主要指的是硬度、殘余應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變、塑性變形、微觀缺陷等等?？傊羌庸まD(zhuǎn)變、塑性變形、微觀缺陷等等?？傊羌庸み^程中引起的表面層塑性變形及局部加熱造成過程中引起的表面層塑性變形及局部加熱造成的結(jié)果。的結(jié)果。 一般加工表面層的組織是不均勻的。 邊界層1是由吸附的氣體、水分及潤(rùn)滑冷卻液形成的，只能在真空中加熱去除；表層2是強(qiáng)烈變形層，晶格歪扭，晶粒碎化，并可能出現(xiàn)脫碳、空洞及微裂紋；表層3是變形層，在其中可能由于高溫的作用而出現(xiàn)自由滲碳體；表層4為原始組織。在精加工時(shí)2,3層的厚度可能相應(yīng)減小。02、固體表面的物理特性、固體表面的物理特性Page 7n 表面層的強(qiáng)化表面層的

5、強(qiáng)化反映在硬度的變化上。最表面顯微硬度反映在硬度的變化上。最表面顯微硬度值可超過原始硬度的值可超過原始硬度的30%50%。易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象（。易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象（金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高，金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí)強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象）。而塑性和韌性降低的現(xiàn)象）。n 加工過程中，塑性變形和溫度場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，兩者引起加工過程中，塑性變形和溫度場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，兩者引起的應(yīng)力是同時(shí)在起作用的。最后的應(yīng)力狀態(tài)取決于哪方面的應(yīng)力是同時(shí)在起作用的。最后的應(yīng)力狀態(tài)取決于哪方面的作用更強(qiáng)。若加工表面的溫度低于從彈性變形到塑性變的作用更強(qiáng)。若加工表面的溫度低

6、于從彈性變形到塑性變形的轉(zhuǎn)變溫度，則溫度應(yīng)力將是暫時(shí)的，在完全冷卻后便形的轉(zhuǎn)變溫度，則溫度應(yīng)力將是暫時(shí)的，在完全冷卻后便會(huì)消失。會(huì)消失。2.1、加工過程中表面層的特性、加工過程中表面層的特性Page 8n 機(jī)械加工可能引起表面層組織結(jié)構(gòu)的變化，如形成織構(gòu)。機(jī)械加工可能引起表面層組織結(jié)構(gòu)的變化，如形成織構(gòu)。當(dāng)溫度很高時(shí)，可能引起相變。二次淬火可能形成一層奧當(dāng)溫度很高時(shí)，可能引起相變。二次淬火可能形成一層奧氏體氏體馬氏體組織。局部熱量較集中可能出現(xiàn)局部相變現(xiàn)馬氏體組織。局部熱量較集中可能出現(xiàn)局部相變現(xiàn)象。由于不同的組織具有不同的比容，表面層會(huì)出現(xiàn)由于象。由于不同的組織具有不同的比容，表面層會(huì)出現(xiàn)由

7、于相變過程而造成的組織應(yīng)力。相變過程而造成的組織應(yīng)力。 n 表面層的塑性變形還會(huì)造成各種各樣的微觀缺陷表面層的塑性變形還會(huì)造成各種各樣的微觀缺陷空穴空穴、間隙原子、位錯(cuò)、微裂紋等等、間隙原子、位錯(cuò)、微裂紋等等它們會(huì)削弱材料的強(qiáng)它們會(huì)削弱材料的強(qiáng)度，并成為表面損傷的根源。度，并成為表面損傷的根源。 2.1、加工過程中表面層的特性、加工過程中表面層的特性Page 903、 固體表面的化學(xué)特性固體表面的化學(xué)特性 除去表面物理及冶金性能以外，材料的化學(xué)性能也非常的重要。摩擦除去表面物理及冶金性能以外，材料的化學(xué)性能也非常的重要。摩擦學(xué)表面的化學(xué)特性可由環(huán)境或集體材料所決定。當(dāng)材料中含有少量的合金學(xué)表面

8、的化學(xué)特性可由環(huán)境或集體材料所決定。當(dāng)材料中含有少量的合金元素時(shí)，它們可以改變固體表面的特性。元素時(shí)，它們可以改變固體表面的特性。 如圖中所示為一含3%碳灰鑄鐵磨痕表面的形貌照片。在磨痕中可以觀察到很多黑斑，用儀器對(duì)黑斑進(jìn)行分析，證明其為碳，表明鑄鐵中的石墨一再摩擦過程中擴(kuò)散到表面，并形成了一層表面保護(hù)膜。起到了固體潤(rùn)滑劑的作用，它可以減少粘著磨損，并防止金屬的轉(zhuǎn)移。Page 10n 實(shí)際的摩擦學(xué)表面都是固體表面與環(huán)境相互作用的產(chǎn)物。通過這些相互作用，可以形成氧化物、氮化物或氫氧化物等各種表面膜。n 通過固體與潤(rùn)滑油，添加劑或固體表面之年的化學(xué)反應(yīng)形成的。這些化學(xué)反應(yīng)都有可以顯著地降低表面能，

9、并改變固體表面的成分。n 從前面的例子可以看出，合金元素可以顯著的改變固體表面的從前面的例子可以看出，合金元素可以顯著的改變固體表面的化學(xué)特性，它們與表面的化學(xué)作用，或形成表面膜，都能防止化學(xué)特性，它們與表面的化學(xué)作用，或形成表面膜，都能防止固體表面之間的粘著現(xiàn)象。固體表面之間的粘著現(xiàn)象。3.1、表面膜的形成機(jī)制、表面膜的形成機(jī)制Page 11n 吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象是固體表面的物理化學(xué)特性。具有最大吸附能力是固體表面的物理化學(xué)特性。具有最大吸附能力的是表面活性物質(zhì)，其分子排列與表面垂直（有機(jī)酸、酒精等的是表面活性物質(zhì)，其分子排列與表面垂直（有機(jī)酸、酒精等），而且它們的分子中存在兩個(gè)異號(hào)的空間電荷

10、，這種極化了），而且它們的分子中存在兩個(gè)異號(hào)的空間電荷，這種極化了的分子可以被固體表面吸引。如把金屬放入脂肪酸溶液中，脂的分子可以被固體表面吸引。如把金屬放入脂肪酸溶液中，脂肪酸分子會(huì)從液固界面排除溶劑分子，而與金屬表面連接。肪酸分子會(huì)從液固界面排除溶劑分子，而與金屬表面連接。n 表面活性介質(zhì)的存在會(huì)影響固體表面的變形方式及破壞過程，表面活性介質(zhì)的存在會(huì)影響固體表面的變形方式及破壞過程，由于表面活性物質(zhì)的吸附，可以顯著地降低變形計(jì)破壞的抗力由于表面活性物質(zhì)的吸附，可以顯著地降低變形計(jì)破壞的抗力、其原因是吸附膜能降低固體的表面能，從而使位錯(cuò)易于開動(dòng)、其原因是吸附膜能降低固體的表面能，從而使位錯(cuò)易

11、于開動(dòng)。3.2、表面吸附現(xiàn)象、表面吸附現(xiàn)象Page 1204、 摩擦的基本知識(shí)和分類摩擦的基本知識(shí)和分類n 摩擦力摩擦力當(dāng)兩個(gè)互相接觸的固體當(dāng)兩個(gè)互相接觸的固體， 在外力作用下作相對(duì)的切向運(yùn)動(dòng)、在外力作用下作相對(duì)的切向運(yùn)動(dòng)、 或具有相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在兩或具有相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在兩 固體接觸表面之間就會(huì)產(chǎn)生一種運(yùn)固體接觸表面之間就會(huì)產(chǎn)生一種運(yùn) 動(dòng)阻力。這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象。動(dòng)阻力。這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象。 n 外摩擦外摩擦摩擦與兩物體接觸部分的表面相互作用有關(guān)，摩擦與兩物體接觸部分的表面相互作用有關(guān)，而與物體的內(nèi)部狀態(tài)無關(guān)的摩擦。而與物體的內(nèi)部狀態(tài)無關(guān)的摩擦。 n 內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦阻礙同一物體各

12、部分間相對(duì)移動(dòng)的摩擦。阻礙同一物體各部分間相對(duì)移動(dòng)的摩擦。 Page 13n 經(jīng)典摩擦定律：經(jīng)典摩擦定律：第一定律：第一定律：滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面之間的法向載荷成正比。第二定律：第二定律：滑動(dòng)摩擦力的大小與各義接觸面積無關(guān)。第三定律：第三定律：滑動(dòng)摩擦力的大小與滑動(dòng)速度無關(guān)。n 粘著摩擦理論：粘著摩擦理論：當(dāng)兩表面相接觸時(shí)，在載荷作用下，主要在微凸體的頂端接觸，接觸點(diǎn)的單位壓力很大，使其產(chǎn)生塑性變形，表面變形點(diǎn)將牢固的粘著，使兩表面形成一體，即稱為粘著或冷焊。當(dāng)一表面相對(duì)另一表面滑動(dòng)時(shí)，則剪斷這些連接粘著點(diǎn)的力就是摩擦力。一般來說，對(duì)于理想的彈一般來說，對(duì)于理想的彈- -塑性材料，摩擦力主

13、要就是剪斷金屬粘結(jié)點(diǎn)所塑性材料，摩擦力主要就是剪斷金屬粘結(jié)點(diǎn)所需的剪切力。需的剪切力。4.1、 摩擦的基本知識(shí)摩擦的基本知識(shí)Page 14n a，按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類：，按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類：（1）靜摩擦：兩個(gè)物體在作宏觀運(yùn)動(dòng)前的微觀滑移，其接觸表面之間的摩擦稱為靜摩擦。（2）動(dòng)摩擦：兩個(gè)物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其接觸表面之間的摩擦稱為動(dòng)摩擦。一般情況下，動(dòng)摩擦系數(shù)小于最大靜摩擦系數(shù)。n b，按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類：，按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類：（1）滑動(dòng)摩擦：兩個(gè)相互接觸的表面作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)摩擦，稱為滑動(dòng)摩擦。（2）滾動(dòng)摩擦：物體在力矩的作用下，沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)的摩擦，稱為滾動(dòng)摩擦。如各種車輛的車輪

14、在地面的滾動(dòng)等。4.2、 摩擦的分類摩擦的分類Page 15n c，按摩擦副表面的潤(rùn)滑狀況分類：，按摩擦副表面的潤(rùn)滑狀況分類：（1）干摩擦：常指名義上無潤(rùn)滑的摩擦。（2）流體摩擦：被具有體積特性的流體層隔開的兩固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦。摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部分子之間，摩擦力的大小與摩擦副表面狀態(tài)無關(guān)，而只與流體內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)阻力有關(guān)，即與流體粘性有關(guān)。（3）邊界摩擦：兩固體接觸表面間被存在一層極薄的潤(rùn)滑膜隔開，其摩擦和磨損不取決于潤(rùn)滑劑的粘度，而是取決于兩固體表面的特征和潤(rùn)滑劑的特性。4.2、 摩擦的分類摩擦的分類Page 1605、 摩擦與磨損的關(guān)系摩擦與磨損的關(guān)系n 摩擦與磨損之間有內(nèi)在聯(lián)系，摩擦是

15、原因，磨損是結(jié)果，摩擦與磨損之間有內(nèi)在聯(lián)系，摩擦是原因，磨損是結(jié)果，摩擦與磨損都是表面現(xiàn)象，且必須先有接觸，才能出現(xiàn)這摩擦與磨損都是表面現(xiàn)象，且必須先有接觸，才能出現(xiàn)這些現(xiàn)象。研究摩擦與磨損的目的是在于控制摩擦，減小磨些現(xiàn)象。研究摩擦與磨損的目的是在于控制摩擦，減小磨損。損。Page 1706、 材料磨損與磨損參量材料磨損與磨損參量n 材料磨損材料磨損：相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，表層材料不斷損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。n 磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。目前對(duì)材料磨損的主要參量由三種：磨損量、耐磨性磨損量、耐磨性和磨損比。和磨

16、損比。Page 186.1、 磨損參量磨損參量n 材料磨損材料磨損：相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，表層材料不斷損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。n 磨損時(shí)零件表面的損壞是材料表面單個(gè)微觀體積損壞的總和。目前對(duì)材料磨損的主要參量由三種：磨損量、耐磨性磨損量、耐磨性和磨損比。和磨損比。Page 19n 1、磨損量磨損量n 評(píng)定材料磨損的三個(gè)基本磨損量是長(zhǎng)度磨損量 Wt、體積磨損量 Wv 和重量磨損量 Ww 。長(zhǎng)度磨損量是指磨損過程中零件表面尺寸的該變量，這在實(shí)際設(shè)備的磨損過程中經(jīng)常使用。體積磨損量和重量磨損量是指磨損過程中零件或試樣的體積或重量的該變量。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，往往是首先測(cè)量試樣的重量磨損量，然后再換算成為體積磨損量來比較和分析研究的。從磨損失效的形式來說，用體積磨損量比用重量磨損量來表達(dá)，更為合理些。n 在所有的情況下，磨損都是時(shí)間的函數(shù)，因此用磨損率來表示時(shí)間的特性。其他指標(biāo)還有磨損強(qiáng)度和磨損速度。6.1、 磨損參量磨損參量Page 20n 2 2、 耐磨性耐磨性n 材料的耐磨性是指在一定工作條件下材料的耐磨損的特性。材料的耐磨性分為相對(duì)耐磨性和絕對(duì)耐磨性，材料的相對(duì)耐磨性是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值。n 磨損量一般用體積磨損量，特殊情況下也可以使用其他磨損量。n 耐磨性