第一章-摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識(摩擦表面)課件

第一章摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識

11摩擦表面1.表面形貌組成：

固體表面的微觀幾何形狀，即形狀公差、波紋度和表面粗糙度統(tǒng)稱為表面形貌。1摩擦表面2（1）表面形狀誤差：

實(shí)際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差，是一種連續(xù)而不重復(fù)的形狀偏差。它是機(jī)床-工件-刀具系統(tǒng)的誤差和彈性變形等造成，如機(jī)床和刀具精度不夠、不正確的加工規(guī)范或溫度應(yīng)力等。表面形狀誤差的數(shù)值由最大偏差表示，國家標(biāo)準(zhǔn)GB1182～1184-80規(guī)定了形狀和位置公差。（1）表面形狀誤差：3（2）表面波紋度：

表面周期性重復(fù)出現(xiàn)的幾何形狀誤差，是有規(guī)律、周期性、峰和谷的大小幾乎相等的表面宏觀誤差。是由機(jī)床-工件-刀具系統(tǒng)的振動和機(jī)床傳動件的缺陷引起的。它的存在對摩擦磨損是有害的，減少配合件的實(shí)際接觸面積，導(dǎo)致真實(shí)接觸表面壓強(qiáng)增加，加快零件的磨損。

波高h(yuǎn)：波峰與波谷之距離。波距s：相鄰波形對應(yīng)點(diǎn)距離。（2）表面波紋度：4（3）表面粗糙度(surfaceroughness)：是固體表面的基本形貌，又稱表面微觀粗糙度，波距小，約2~800μm，波高較低0.03~400μm，屬表面微觀幾何形狀誤差。主要與切削加工方法、刀具的運(yùn)動軌跡、磨損及工藝系統(tǒng)的高頻振動有關(guān)。GB1031-83規(guī)定了表面粗糙度的參數(shù)和數(shù)值。工程上通常采用表面粗糙度表征表面的形貌參數(shù)。（3）表面粗糙度(surfaceroughness)：是固5表面粗糙度的特征：1.變化規(guī)律：呈現(xiàn)某種規(guī)律性變化或?yàn)闊o規(guī)律的隨機(jī)變化特征。如車削、鉆孔或刨削等工藝加工的表面微凹凸體分布往往具有一定的規(guī)律和方向性；磨削、研磨或拋光等精加工表面則為無規(guī)律的隨機(jī)分布特征。2.與摩擦磨損關(guān)系密切：表面粗糙度的特征對接觸表面的壓力分布、接觸變形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力和摩擦成因等有決定性的影響。表面粗糙度的特征：6

2.表面粗糙度的評定參數(shù)

z為輪廓上各點(diǎn)的高度，m-m為輪廓中線，L為取樣長度，h為峰或谷距任一平行于中線的基線距離。（1）輪廓算術(shù)平均偏差Ra(Arithmeticaverageroughness)輪廓上各點(diǎn)高度在測量長度范圍內(nèi)的算術(shù)平均值，數(shù)學(xué)表達(dá)式：

2.表面粗糙度的評定參數(shù)

z為輪廓上各點(diǎn)的高度，m7

概率統(tǒng)計(jì)表達(dá)式：zi以中線為起點(diǎn)度量出的輪廓高度；

n標(biāo)準(zhǔn)長度內(nèi)測量的次數(shù)；

?(x)輪廓圖形的分布函數(shù)。算術(shù)平均偏差Ra反映了取樣長度范圍內(nèi)輪廓隨機(jī)分布高度偏離概率分布中心的絕對平均情況，不能真實(shí)反映出表面輪廓的離散性和波動性，但由于其定義與測量儀表讀數(shù)設(shè)計(jì)原理一致，作為衡量表面粗糙度的主要參數(shù)，被廣泛采用。

8（2）輪廓均方根偏差Rq：輪廓圖形上各點(diǎn)和中線之間距離平方和平均值的平方根。均方根偏差比算術(shù)平均偏差優(yōu)越，在理論上普遍采用。（3）微觀不平度十點(diǎn)平均高度Rz：在取樣長度范圍內(nèi)以平行輪廓中線的任一條直線為基準(zhǔn)，測量輪廓上五點(diǎn)最高的凸峰和五點(diǎn)最低的凹谷之間的算術(shù)平均距離，hpi第i個(gè)最高的輪廓峰高，hvi第i個(gè)最低的輪廓峰高。這一參數(shù)對表面輪廓的評定，在測量時(shí)易受人為因素的影響，不能穩(wěn)定反映出表面的幾何特征。（2）輪廓均方根偏差Rq：輪廓圖形上各點(diǎn)和中線之間距離平方9(4)中線截距平均值Sm：取樣長度范圍內(nèi)，表面輪廓曲線與中線交點(diǎn)各波形之間距離的算術(shù)平均值。該參數(shù)反應(yīng)了表面不規(guī)則起伏的波長或間距以及粗糙峰的疏密程度。(4)中線截距平均值Sm：取樣長度范圍內(nèi)，表面輪廓曲10（5）支承面曲線：即能表示粗糙表面的微凸體高度分布，也能反映摩擦表面磨損到一定程度時(shí)支承面積的大小。主要用于計(jì)算實(shí)際接觸面積，一般用二維作圖法求支承面曲線。（5）支承面曲線：即能表示粗糙表面的微凸體高度分布，也能反映11（1）以通過最高峰頂點(diǎn)的直線為零位線，在標(biāo)準(zhǔn)長度L的輪廓曲線上，作與中線平行的一系列直線，如h1、h2、h3…..（2）將各平行線截取輪廓圖形中微凸體的長度相加，畫在輪廓圖右側(cè)，直到輪廓圖形的最低點(diǎn)為止，連接圖中各點(diǎn)，即得到支承面曲線。（3）描述參數(shù)（GB3505-83)：相對支承長度率：

支承面積：

Ax離峰頂h處面積

Ao離峰頂最大高度面積（1）以通過最高峰頂點(diǎn)的直線為零位線，在標(biāo)準(zhǔn)長度L的輪廓曲線12（4）按支承面積的大小將輪廓圖形分三個(gè)高度層：支承面積小于25%的部分稱為波峰，為最高層；在25%~75%之間部分稱為波中，為中間層；大于75%部分為波谷，最低層。（5）評定摩擦表面的接觸和表面磨合:(a)圖中，支撐面曲線在微凸體頂部處的斜率較大，曲線較陡，這種表面組成的摩擦副，接觸面積小，耐磨性差。(b)圖中的支撐面曲線在微凸體頂部處的斜率較小，曲線較平緩，這種表面組成的摩擦副，接觸面積較大，耐磨性能較好。（4）按支承面積的大小將輪廓圖形分三個(gè)高度層：支承面積小于2133表面形貌統(tǒng)計(jì)學(xué)特性

切削加工的金屬表面形貌包含了周期變化和隨即變化兩個(gè)部分，單一形貌參數(shù)不能夠描述復(fù)雜的表面形貌，采用形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)能反映更多的表面形貌信息。（1).輪廓高度分布函數(shù)：切削加工表面的輪廓高度接近于正態(tài)分布（Gauss分布）：σ為粗糙度的均方值，正態(tài)分布中稱標(biāo)準(zhǔn)偏差，σ2為方差。相關(guān)參數(shù)定義為：3表面形貌統(tǒng)計(jì)學(xué)特性14(2).分布曲線的數(shù)字特征(矩）：（1）一次矩算術(shù)平均值：確定中線位置。（2）二次矩-均方偏差：衡量高度分布的離散性。(2).分布曲線的數(shù)字特征(矩）：15（3）三次矩-偏態(tài)S：分布曲線偏離對稱位置的指標(biāo)，正態(tài)分布曲線S=0，非正態(tài)分布可正可負(fù)。（4）四次矩-峰態(tài)K：分布曲線的陡峭度。正態(tài)K=3，K<3概率分散，表面凸峰較平緩。K>3概率集中，凸峰較尖銳。（3）三次矩-偏態(tài)S：分布曲線偏離對稱位置的指標(biāo)，正態(tài)分布16(3).自相關(guān)函數(shù)R(l)：

反映了相鄰輪廓的關(guān)系和輪廓曲線的變化趨勢。對于任一條輪廓曲線，自相關(guān)函數(shù)是各點(diǎn)的輪廓高度與該點(diǎn)相距一定間隔處的輪廓高度乘積的數(shù)學(xué)期望，即

離散函數(shù)：測量長度內(nèi)測量點(diǎn)n，高度值xi，則

連續(xù)函數(shù)的輪廓曲線為積分形式：(3).自相關(guān)函數(shù)R(l)：174表面形貌的測量1.光學(xué)法：光學(xué)顯微鏡，適用于測量較規(guī)則表面的Sm值。包括光切法和干涉法。2.電子顯微鏡：適用于評定不均勻表面的粗糙度。3.截面法：直接將輪廓表面切開進(jìn)行表面幾何形狀的觀察。4表面形貌的測量184.流量法：當(dāng)流體從測量儀器與被測表面之間的縫隙流過時(shí)，如果控制流體壓力并測出一定量流體經(jīng)過縫隙的時(shí)間，根據(jù)流體力學(xué)原理，就可以推算出表面的當(dāng)量粗糙度。根據(jù)表面粗糙度的程度不同，使用的流體有氣體和液體兩種。5.針描法：利用儀器的觸針與被測表面相接觸，并使觸針等速的沿表面輪廓移動以描述出輪廓的圖形。最常使用的是表面輪廓儀。4.流量法：195.表面化學(xué)性質(zhì)：

金屬零件在加工過程中，表面材料發(fā)生變形，位錯密度增加，具有較高的能量,表面原子處于不飽和或非穩(wěn)定態(tài)，空氣中的氣體分子或潤滑油分子與金屬表面發(fā)生作用，形成吸附層。這種吸附層隔開了相對運(yùn)動的表面，減少了表面直接接觸，起到減小摩擦、減輕磨損的作用。5.表面化學(xué)性質(zhì)：20（1）物理吸附：當(dāng)氣體或液體與金屬表面接觸時(shí)，分子或原子相互吸引而產(chǎn)生的吸附。物理吸附是靠范德華力，吸附能較弱，小于104J/mol。對溫度敏感，吸附層薄，熱量可使分子脫吸。（2）化學(xué)吸附：吸附物與固體表面之間發(fā)生電子交換或存在共用電子對，形成化學(xué)鍵結(jié)合。吸附膜牢固，吸附能大，超過104J/mol。由于化學(xué)鍵力的作用范圍多在單分子層，化學(xué)吸附基本為單分子層。其減磨作用好于物理吸附層。（1）物理吸附：當(dāng)氣體或液體與金屬表面接觸時(shí)，分子或原子相互21（3）氧化：

加工后的金屬表面化學(xué)活性大，容易氧化生成氧化膜，如鐵表面的氧化膜從基體內(nèi)層到外層的氧化物依次為：

FeO-Fe3O4-Fe2O3

**氧化膜對表面的保護(hù)作用取決于氧化膜的結(jié)構(gòu)和厚度。

（3）氧化：22較薄的氧化膜結(jié)合強(qiáng)度高，能阻止黏著。

FeO和Fe3O4的保護(hù)作用較好，F(xiàn)e2O3脆性大易被磨掉成磨粒，加劇磨損。鐵氧化形成氧化膜較薄的氧化膜結(jié)合強(qiáng)度高，能阻止黏著。FeO和Fe3O4236.金屬表層的組成:加工后的表面金屬表面組成是復(fù)雜的，微觀是凹凸不平的微凸體，而且與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用。大致分為5個(gè)部分。污染層：油污、灰塵吸附層：液體、氣體氧化層：大氣中氧

金屬表面組成6.金屬表層的組成:金屬表面組成24貝氏層：加工中表面熔化和表面分子層流動產(chǎn)生的微晶層。變形層：機(jī)加工過程中形成的變質(zhì)層。金屬表面組成貝氏層：加工中表面熔化和表面分子層流金屬表面組成25第一章-摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識(摩擦表面)ppt課件26吸附膜：表面的潔凈程度較高時(shí)，極易將周圍介質(zhì)的分子吸附到表面上形成吸附膜。

物理吸附膜：如果是靠范德華力鍵合在表面上的稱物理吸附膜。吸附的量是吸附物的分壓（當(dāng)吸附分子為氣體時(shí)）或吸附物濃度（當(dāng)吸附物為液體）和絕對溫度的函數(shù)。ns=f（p,T）ns=f（c,T）式中：ns為吸附量；p為吸附氣體分壓；c為吸附液體濃度；T為絕對溫度。吸附熱值低，可逆，單層或多層分子，可在任何表面形成7.表面膜吸附膜：表面的潔凈程度較高時(shí)，極易將周圍介質(zhì)的分子吸附到表面27化學(xué)吸附膜：吸附分子與固體表面發(fā)生電子交換時(shí)（即改變了吸附層分子的電子分布），吸附分子與固體表面的作用是化學(xué)鍵結(jié)合，稱化學(xué)吸附膜。吸附熱值高，單分子層，有一定選擇性。反應(yīng)膜：極壓添加劑（EP劑），S，P，Cl等極性有機(jī)化合物。復(fù)合添加劑

表面氧化膜化學(xué)吸附膜：吸附分子與固體表面發(fā)生電子交換時(shí)（即改變了吸附層281.接觸的本質(zhì)：兩個(gè)粗糙表面在載荷作用下相互接觸時(shí)，最先是兩表面上一些較高的微凸體發(fā)生接觸，這些不連續(xù)的微小接觸點(diǎn)的變形構(gòu)成了真實(shí)的接觸面積。隨著載荷的的增加，其它次高微凸體也逐漸發(fā)生接觸。2.接觸表面的相互作用：（1）分子相互作用，即粘著:接觸只在少數(shù)較高微凸體上產(chǎn)生，實(shí)際接觸面積很小，接觸點(diǎn)上的應(yīng)力很大，在接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性流動、粘著或冷焊。金屬間的焊合性能將摩擦副分3類：完全焊合(Pb-Cu,Al-Cu)、部分焊合(Zn-Fe,Al-Fe)和有限焊合(Mg-Fe,Ag-Fe)摩擦副。(2)機(jī)械相互作用：材料不發(fā)生粘著而是產(chǎn)生一定的變形和位移以適應(yīng)相對運(yùn)動。8固體表面的接觸1.接觸的本質(zhì)：兩個(gè)粗糙表面在載荷作用下相互接觸時(shí)，最先是兩293.接觸面積名義接觸面積An：接觸表面的宏觀面積，由接觸物體的外部尺寸決定。3.接觸面積30(2)輪廓接觸面積Ap：接觸表面被壓扁部分形成的面積，即在波紋度的波峰上形成的接觸面積。是一種假設(shè)接觸面積，大小與載荷和表面幾何形狀有關(guān)，約占名義接觸面積的5~15%。(2)輪廓接觸面積Ap：31(3)實(shí)際接觸面積Ar：物體真實(shí)接觸面積的總和，兩接觸物體通過表面微凸體直接傳遞界面相互作用，發(fā)生變形而產(chǎn)生的微接觸面積之和。為名義接觸面積的0.01~0.1%，黑點(diǎn)表示的接觸面積。(3)實(shí)際接觸面積Ar：32實(shí)際接觸面積的部分特性：（1）由于表面粗糙度具有離散性，其接觸也同樣具有離散性。（2）實(shí)際接觸點(diǎn)是由塑性變形和彈性變形共同作用的結(jié)果。（3）實(shí)際接觸面積隨載荷的增大而增大，接觸點(diǎn)處的平均面積幾乎保持不變。（4）實(shí)際接觸面積的增加主要是由于接觸點(diǎn)數(shù)的增加。實(shí)際接觸面積的部分特性：33**對于塑性接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面積與載荷成正比。**通常認(rèn)為實(shí)際接觸面積與載荷保持線性關(guān)系，從理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性狀態(tài)這一關(guān)系才成立，而彈性接觸為非線性關(guān)系。原因在于理想粗糙表面模型過于簡化。**對于塑性接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面積與載荷成正比。34（4）實(shí)際粗糙表面的接觸實(shí)際表面的粗糙峰高度是按概率密度函數(shù)分布的，接觸的峰點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)