摩擦学课程报告

1、高等摩擦学读书报告姓名：段留洋学号：9表面科学或者界面科学的研究对象都是物质体系中由一相向着另一相转变的空间区域。通常表面与界面的概念难以明确区分，严格的定义应该是：表面是一个凝聚相（固相或者液相）与一个气相或者真空构成的空间区域；而界面则是两个凝聚相（固相与固相、固相与液相、液相与液相）之间的空间区域。由此可知，在西安市中存在的绝大多数表面通常都是固体或者液体与气体构成的界面，它是一种特定的界面，这样界可以采用界面一词来统称界面和表面。界面世界上是具有一定厚度的空间区域，即界面层。整个体系的固有性能在界面层中由一相按一定规律转变成另一相，所以界面层是固有性能变化的过度区。它的结构和性能都很复

2、杂，而且依照空间位置的不同而变化。界面稳定存在的必要条件是需要具有一定数量的界面自由能，通过外界对它做功输入能量就可以使界面扩大，反之，如果界面不具有一定数量的自由能，就不可能有稳定的界面存在。事实上，摩擦学属于表面科学范畴，只是研究对象聚局限于研究摩擦表面之间发生的现象、变化、损伤机理和控制。通常所说的摩擦表面是由两个固体表面沿切向相对滑动所构成的界面。如果研究的界面的构成物质不限于两个固体而相对运动也不限于切向滑动，那么摩擦学的研究领域就扩展到了界面科学与技术的研究领域。1固体表面1.1固体表面形貌从宏观上看光滑且平整的表面，在显微镜下观察却显示出由许多不规则的微凸峰和凹谷所组成。表面几何

3、特征对混合润滑和干摩擦状态下的摩擦、磨损和润滑有着决定性影响。表面的宏观几何形状误差又称为表面形状偏差，主要用不直度和不平度表示，波距大于10mm。中间几何形状误差称为表面波纹度，是一种较宏观几何形状误差范围更小的误差，用波纹度表示，波距在110mm之间。表面围观几何形状误差称为表面粗糙度，波距小于1mm。一般来说，表面粗糙度是影响摩擦性能最重要的表现几何形状特征。表面粗糙度可根据表示方法不同分为一维、二维和三维的表面形貌参数。一维形貌通常用轮廓曲线的高度参数表示，可分为轮廓算数平均偏差或中心线平均值Ra、轮廓均方根偏差或均方根值Rq、最大峰谷间距Rmax、中线截距平均值Sm。1.2固体表面结

4、构固体为多晶体，其原子排列的周期性，在垂直由于表面的方向上突然中断，临近的原子所受内外部的力失去平衡，因此需要通过自给作用达到新的平衡，这使得表层原子的键长和键角均与体内不同，一般表现为表层原子沿垂直于表面的方向产生一定位移，位移可向外（膨胀），也可向内（收缩），此称为表面弛豫。表面区中不同原子层的弛豫程度不同。表层内原子新的平衡位置也可表现为沿表面产生了横向移动，而且其二维周期性也与体内不同，此称为表面重构。表面区内还可能存在各种缺陷，例如空位、填隙原子、阶梯、畴界等各种偏离二维周期性的结构。来自环境的外来原子或分子由于物理作用和化学作用粘附于固体表面的过程称为吸附，吸附物可在固体便面形成无

5、序或有序的覆盖层。1.3固体接触当两个摩擦表面接触时，由于表面粗糙度的存在，实际接触只发生占表观面积的极小部分上。实际接触面积的大小和分布对于摩擦磨损起着决定性影响。固体材料受载后，不是发生弹性变形就是发生塑性变形。弹性变形的特点是应力与应变的关系是确定的，因而变形是可逆的；而塑性变形时，应力与应变关系比较复杂，卸载后扔存在一定残余变形。实际上，接触状态大多数是出于弹塑性变形的混合状态，有时表现为先弹性后塑性，有时则表现为这一部分虽然处于弹性变形状态，另一部分却已达到塑性变形状态了。硬度相近的固体相互接触，与硬度差别很大的固体相互接触的情况完全不同。金属与塑料相接触，塑料的硬度比金属低很多，变

6、形基本只发生在塑料表面上。1.4固体表面的基本特征固体表面上的原子受力是不对称的。固体表面的不均一性主要表现在：1从微-纳米或原子尺度上看，实际固体表面是凹凸不平的。2绝大多数晶体是各向异性的，因此固体表面在不同方位上也是各向异性的。3同种固体的表面性质会发生与植被或加工过程密切相关的变化。4晶体中晶格缺陷如空位或位错等会再表面存在并引起表面性质的变化。5固体暴露在空气中，表面被外来物污染，被吸附的外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列。晶体中每个质点周围都存在一个力场。在晶体内部，这个力场可以认为是有心得、对称的；但在固体表面，指点排列的周期性被中断，使处于表面上的质点力场对称性破

7、坏，产生有指向性的剩余力场，这种剩余力场表现出固体表面对其他物质有吸附作用，这种作用力称为固体表面力。表面力可分为化学力和范德华力。化学力的本质是静电力。主要来自表面质点的不饱和键，当固体表面质点和被吸附物间发生电子转移时，就产生化学力。它可用表面能的数值来估计，表面能与晶格能成正比，而与吸附物体积成反比。范德华力是分子引力，来源分为三种：1静电力：主要发生在极性物质之间，相邻两个极化电炬因极性不同而发生的作用力。2诱导力：发生在极性物质与非极性物质之间。诱导是指在极性物质作用下，非极性物质被极化诱导出暂态的极化电炬，随后与极性物质产生定向作用。3色散力：主要发生在非极性物质之间。非极性物质是

8、指其核外电子云呈球形而不显示永久的偶极炬。但就电子在绕核运动的某一瞬间，在空间各个位置上，电子分布并非严格对称，这样就呈现出瞬间的极化电炬。许多瞬间极化电炬之间以及它对相邻物质的诱导作用都会引起相互作用，这成为色散力。固体的表面能是指通过向表面增加附加原子，从而在新表面形成时所做的功。表面张力是沿表面作用在单位长度上的力。对于一般的表面系统，如果没有外力作用，其系统的总表面能将自发趋向于最低化。由于表面张力或表面能反应的是物质质点间的引力作用，因此随温度的升高，表面能一般为减小。这是因为热运动削弱了质点间的引力。1.5固体表面重构任何表面都有自发降低表面能的趋势。在表面张力的作用下，液体是以形

9、成球形表面来降低表面能的，而固体由于质点不能自由流动，只能借助离子重排、变形、极化并引起晶格畸变来降低表面能。如果把固体的表面结构看成和体内相同，即体内的晶体结构不变地延续到表面后中断，则这种表面称为理想表面。表面结构研究表明，真实的清洁表面与理想表面存在以下不同。1表面弛豫：弛豫是指表面结构与体内基本相同，但点阵参数略有差异，特别表现在垂直于表面质点方向上的法向弛豫。2表面重构：重构是指表面结构和体结构出现了本质的不同。重构通常表现为超结构的出现，即二维晶胞的基矢按整数倍扩大。3表面双电层：离子晶体在表面力作用下，表面结构会受离子极化而重排。为降低表面能，各离子周围的作用能将尽量趋于对称，因

10、而正离子在内部质点作用下向晶体内靠拢，而易极化的负离子受诱导极化偶极子的排斥而被推向外侧，从而形成表面双电层。2液体及其表面性质2.1液体性质流体的粘度是流体作为液体时最重要的性能参数。流体流动时，由于流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作用，将不断产生剪切变形，而流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能力。粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦。牛顿提出粘滞剪应力与剪应变率成正比的假设，称为牛对粘性定律，即=式中，是剪应力，即单位面积上的摩擦力，=FA，为剪应变率，即剪应变随时间的变化率。常数 为流体的动力粘度。在工程中常常将流体的动力粘度与密度的壁纸作为流体的粘度，这你粘度称为运动

11、粘度，用表示，运动粘度表达式：=在通常的使用条件下，大部分润滑油可视为牛顿流体。对于牛顿流体，剪应力与剪应变率的关系是通原点的直线，如图3.1中的C，直线的斜率表示粘度数值，因此牛顿流体的年度只随温度和压力而改变，而与剪应变率无关。凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体，而不符合牛顿定律的流体为非牛顿流体。大多数润滑油特别熟矿物油均属于牛顿流体。非牛顿流体特性如图3.1中的A，B和D所示，非牛顿流体可以表现为塑性、伪塑性和膨胀性等形式。2.2液体边界层性质一般情况下，连续介质力学假设下与固体接触的流体（液体或气体）速度与固体表面的速度先更，即常说的无滑移边界条件。但是如果由于流体的剪应力超过

12、流体承受剪切的极限值，则流体于固体截面间将出现滑移，形成速度差，从而形成滑流区，如图3.8。固体和液体接触时，固体表面普遍存在荷电现象，它导致了固/液界面的液体一侧带着相反电荷。固体表面在溶液中荷电后，静电引力会吸引该溶液中带相反电荷的离子。它向固体表面靠拢而聚集在距离二相界面一定距离的液体一侧界面区内，以补偿其电荷平衡，于是构成了液体边界上的双电层。根据双电层理论，当两个双电层相互接近时，两双电层产生叠加，并且两双电层间存在相互作用力。一般情况下两个相同的双电层（即两双电层界面处的固体一方呈现相同的电性）之间的作用力表现为电斥力，导致液体具有更高的粘度。这一现象称为电粘度效应。这一效应可以导

13、致液体在双电层范围内的承载能力增加。2.3液体表面性质在液体本体内的分子所受的力是对称的，但是构成液体的分子在表面上所受的力与体内不同，由于没有外流体分子，表面分子的受力不再对称。因为受体内分子吸引师徒将表面分子拉入体内，从而使表面面积尽量缩小。这个力称为表面张力，或单位面积上的自由能。影响表面张力的因素有：1分子间作用力。分子间的作用力增大，表面张力就增大。即金属键离子键极性键非极性键。2温度。一般情况下温度升高，表面张力降低。临界温度时，气、液相无区别，界面消失，表面张力趋近于零。3接触的另一相物质。液体的毛细效应是在一个细小管径的管子浸入液体时，液体上升或下降的一种现象。这种狭窄的管子或

14、是流道称为毛细管。液体在毛细管中的自由曲面称为凹凸面。水在玻璃表面的边缘会稍微向上弯曲，但是水银会在边缘处向下弯曲。另外，毛细上升与管径成反比，所以管子的内径越小，管仲液体的上升越多。毛细上升也与液体密度成反比，所以密度较小的液体毛细上升越大。当溶剂中加入溶质，溶液的表面张力会发生改变。通常把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的表面活性剂。表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团和憎水性的非极性基团两部分构成的。当加入活性剂后，憎水基被推出水面，伸向空气，亲水基留在水中，结果表面活性剂分子在界面上定向排列，形成单分子表面膜。当分散在水中的表面活性剂分子以其非极性部位自相结合时，形成憎水基向里，

15、亲水基朝外的多分子聚集体，称为缔合胶体或胶束，呈近似球状、层状或棒状。表面活性剂有广泛的应用，例如：1润湿作用（渗透作用），可用作润湿剂、渗透剂；2乳化作用、分散作用、增溶作用，可用作乳化剂、分散剂、增溶剂；3发泡作用、消泡作用，可用作起泡剂、消泡剂；4洗涤作用，可用作洗涤剂。3固-液界面3.1固液界面湿润性液体的湿润性通常指它在固体表面的铺展或聚集的能力。液体表面倾向于收缩，这表现在当外力的影响很小时液滴趋于球形。一般认为边界润滑莫的机理与润滑剂的湿润性有关。另外，存在润滑油的两固体间的粘着等现象也与润滑油的表面张力大小密切相关。润滑剂的湿润性对边界润滑有重要影响，润滑剂分子在摩擦表面生成吸

16、附膜所依靠的粘附能与其表面湿润性有关。3.2固-液吸附膜吸附石指在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象。由于固体表面具有一定的表面张力，润滑油的极性基团等都容易产生吸附，而使表面形成各种膜。根据膜的结构性质不同，表面膜可以分为吸附膜和反应膜两种。当气体或液体与固体表面接触时，由于分子或原子相互吸引的作用力而缠身的吸附叫物理吸附。这种吸附并不改变吸附层的分子或电子分布，其吸附膜较弱，对温度敏感，加热可使分子解吸。物理吸附一般是在常温、低速、轻载条件下形成的。物理吸附于解附使完全可逆的。由于急性分子的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，使急性分子定向排列，吸附在金属表面上所形

17、成的吸附膜叫做化学吸附膜。化学吸附膜要比物理吸附膜稳定的多，并且在同样条件下是不可逆的，要在高温下踩能解附。化学吸附一般在中等在和、中等滑动速度即中等温度条件下形成。在在和过大、冲击性过大、气动停车过于频繁、速度过低或间歇摆动等工况下，一般很难获得足够厚度的润滑膜。当表面过于粗糙时，润滑膜的厚度也难以保证粗糙峰脱离接触，这时可以利用润滑油中的极性物质吸附在金属表面形成吸附膜以防止和减轻磨损。为有效利用吸附膜润滑，需要注意：合理的选择摩擦表面材料和润滑剂以及控制表面粗糙度。加入必要的油性添加剂，通常的油性添加剂有高级脂肪酸、酯、醇等。控制工况条件，在中苏和中轻载荷条件下，吸附膜能有效的减轻粘着磨

18、损、微动磨损和氧化磨损，而对磨粒磨损的减轻程度视磨粒大小而定。外部物质与接触表面发生化学反应形成不同于表面基体成分的化学物质为表面反应膜，也称为表面化学反应膜。这种化学反应膜具有高的熔点及低的剪切强度，并且比化学吸附膜和物理吸附膜要稳定的多，这种反应是不可逆的。化学反应莫一般在重载，高温、高速条件下形成。4气-固界面4.1固体吸附从物理学上，固相和气相是两个完全不同的相态，然而实际上，固-气界面处是两相交织的部分，它们按一定比例分配，这种分配就是通常讲的吸附或是化合。气体停留在固体表面上称为气体在固体的吸附。气-固界面的重要特性是固体对气体的吸附作用。固体界面上的原子或分子与液体界面分子相似，

19、受到的力是不平衡的，因此也有界面张力。任何界面都有自发降低界面能的倾向。由于固体原子或分子不能自由移动，固体界面难以收缩，只能通过降低界面更张力来降低界面能，这就是固体界面产生吸附作用的根本原因。以固体表面质点和吸附分子间作用力的性质区分没吸附作用大致可分为物理吸附和化学吸附两种类型。物理吸附石分子间范德华力作用的结果。化学吸附实质上是一种化学反应，它是发生多相催化反应的前提。4.2影响吸附和脱附的因素1固体表面性质对吸附和脱附的影响由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀，从而要吸附气体分子来降低表面自由能，影响吸附的表面性质包括以下几个方面：（1）固体表面粗糙度，粗糙表面在一定程度上增大

20、了固体的表面积；（2）固体表面缺陷，固体表面的点缺陷、位错等尽管所占比例很小，但对表面吸附、催化等具有重要作用；（3）固体表面的不均匀性，固体表层的组织与结构往往与体相不同，这种表面组成和结构的变化影响它的吸附和催化能力；（4）固体的表面能。2工况对吸附的影响（1）温度，气体吸附是放热过程，因此无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时，吸附量都减少。但不是温度越低越好。在物理吸附中，要发生明显的吸附作用，一般温度要控制在气体的沸点附近。温度不但影响吸附量，而且还影响吸附速率和吸附类型；（2）压力，吸附质压力增加时，无论物理吸附还是化学吸附，吸附量和吸附速率都会增加；（3）吸附质，吸附过程最重要的还

21、是取决于吸附剂和吸附质本身的性质。通常有以下规律：相似相吸，即极性吸附剂易于吸附极性吸附质，非极性吸附剂易于吸附非极性吸附质；无论极性吸附剂还是非极性吸附剂，一般吸附质的分子结构越复杂，沸点越高，表明其范德华力作用越强，气体越容易被凝结，则其被吸附的能力越强；酸性吸附剂易于吸附碱性吸附质，反之亦然。5固-固界面固-固界面是指结构或组分不同的两个固相接触时的界面。当结构或组分不同的两个图像相互接触形成界面时，单位面积的自由能爱扩大的界面区域的变化称为界面能。5.1粘附理论球-平面接触模型在不考虑表面力作用，且固-固接触时，如果满足以下条件：1接触体均质、各向同性；2接触体表面光滑、连续；3接触面

22、轮廓可以用二阶曲面描述；4满足小应变线弹性条件，且一般为半空间接触问题；5接触面无摩擦；6仅仅考虑接触力，不考虑接触面粘着力。那么球-平面接触的接触面积与外加在和存在以下关系：P=43Ka3R式中，K为复合弹性模量；R=R1R2R1+R2为等效接触半径；a为接触区半径。5.2粘附影响因素从能量角度，当两固体的表面相互接触、粘着并形成界面后，如果施加外力将该粘着界面分离，并使两固体相距无穷远，则外力在单位面积上所做的功定义为粘着能。粘着能从根本上取决于形成粘附界面的材料表面能的大小，而粘附力除了依赖于粘着能，还取决于脱附方式。1粗糙度对接触与粘着的影响：当两个理想光滑平面相距1mm时，范德华力的作用强度可达10-100Mpa；当距离为0.3-0.4mm时，可达100-1000MPa。如果两理想光滑物体接触，表面间范德华力可产生很强的粘着力，然而实际表面粗糙度使粘着力收到很大影响，实验得到的粘着力比理论预测的小100-1000倍。2表面微结构对粘着的影响：在微、纳米尺度下，微结构的变形和应力状态是研究粘着的关键问题，在对矩形薄膜表面残余应力和外加载荷下的粘附模型的研究中，得到膜表面存