摩擦原理课件固体摩擦详细PPT

1、123摩擦力的方向永远摩擦力的方向永远沿着接触面的切线方向，跟物体沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动的方向相反，或者跟物相对运动的方向相反，或者跟物体的相对运动趋势相反，阻碍物体的相对运动趋势相反，阻碍物体间的相对运动。体间的相对运动。4v外摩擦：外摩擦：摩擦与两物体接触部分的表面相互作用摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关，所以又称为外摩擦。有关，而与物体内部状态无关，所以又称为外摩擦。v内摩擦：内摩擦：阻碍同一物体阻碍同一物体( (如液体和气体如液体和气体) )各部分间各部分间相对移动的摩擦称为内摩擦。相对移动的摩擦称为内摩擦。v滑动摩擦：滑动摩擦：物体接触表面相

2、对滑动时的摩擦称为物体接触表面相对滑动时的摩擦称为滑动摩擦。滑动摩擦。v滚动摩擦：滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦，叫做滚动摩擦。时的摩擦，叫做滚动摩擦。5v静摩擦：静摩擦：一物体沿另一物体表面有相对运动趋一物体沿另一物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称静摩擦，这种摩擦力称静摩擦势时产生的摩擦称静摩擦，这种摩擦力称静摩擦力力F F静静。其随外力增大而增大，当外力增大到临界。其随外力增大而增大，当外力增大到临界值时，静摩擦力达最大值，称最大静摩擦力。外值时，静摩擦力达最大值，称最大静摩擦力。外力超过最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。力超过最大静

3、摩擦力时，物体才开始宏观运动。 v动摩擦：动摩擦：一个物体沿另一个物体表面相对运动一个物体沿另一个物体表面相对运动时产生的摩擦叫动摩擦。其阻碍物体运动的切向时产生的摩擦叫动摩擦。其阻碍物体运动的切向力叫动摩擦力力叫动摩擦力F F动动。动摩擦力通常小于静摩擦力。动摩擦力通常小于静摩擦力。6摩擦表面没有任河吸附膜或化合物存在时的摩摩擦表面没有任河吸附膜或化合物存在时的摩擦称为纯净摩擦。这种摩擦只有在接触表面产生塑性变形擦称为纯净摩擦。这种摩擦只有在接触表面产生塑性变形( (表而膜破坏表而膜破坏) )或在真空中摩擦时才发生。或在真空中摩擦时才发生。 在大气条件下，摩擦表面间名义上没有润滑剂存在大气条

4、件下，摩擦表面间名义上没有润滑剂存在时的摩擦叫做干摩擦。在时的摩擦叫做干摩擦。 相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦称为流体摩擦。当流体为液体时称液体摩擦；为气体时称擦称为流体摩擦。当流体为液体时称液体摩擦；为气体时称气体摩擦。流体摩擦时，摩擦发生在流体内部。气体摩擦。流体摩擦时，摩擦发生在流体内部。 摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦称为边界摩擦。称为边界摩擦。是过渡状态的摩擦，如半干摩擦和半流体摩擦。是过渡状态的摩擦，如半干摩擦和半流体摩擦。半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦半干摩

5、擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。 7v金属材料的摩擦：金属材料的摩擦：摩擦副由金属材料摩擦副由金属材料( (钢、铸铁及有色金钢、铸铁及有色金属等属等) )组成的摩擦。组成的摩擦。v非金属材料的摩擦：非金属材料的摩擦：摩擦副由高聚物、无机物等与金属配摩擦副由高聚物、无机物等与金属配对时的摩擦。对时的摩擦。v一般工况下的摩擦：一般工况下的摩擦：即常见的工况即常见的工况( (速度、压力、温度速度、压力、温度) )下下的摩擦。的摩擦。v特殊工况下的摩擦：特殊工况下的摩擦：指在高速、高温、高压、低温、真空指在高速、高温

6、、高压、低温、真空等特殊环境下的摩擦。等特殊环境下的摩擦。8对摩擦现象进行科学研究，最早开始于十五世纪意大利的对摩擦现象进行科学研究，最早开始于十五世纪意大利的文艺复兴时代。文艺复兴时代。15081508年伟大的意大利科学家达年伟大的意大利科学家达芬奇芬奇(Leonardo da Vinci(Leonardo da Vinci，1452145215191519年年) )首先着手于固体摩擦首先着手于固体摩擦的研究，他第一个提出了一切物体，刚要开始滑动，便产生的研究，他第一个提出了一切物体，刚要开始滑动，便产生叫做摩擦力的阻力；并且指出，摩擦力与重量成正比，而与叫做摩擦力的阻力；并且指出，摩擦力与

7、重量成正比，而与法向接触面积无关。法向接触面积无关。16991699年法国科学家阿蒙顿年法国科学家阿蒙顿(G.Amontons(G.Amontons，l663l66317051705年年) )进行了摩擦试验，并建立了摩擦的基本公式。最后到进行了摩擦试验，并建立了摩擦的基本公式。最后到17801780年由库仑年由库仑(G.A.Coulomb(G.A.Coulomb，1736173618061806年年) )在同样的试验的基在同样的试验的基础上，完成了今天的阿蒙顿库仑摩擦定律，一般称为础上，完成了今天的阿蒙顿库仑摩擦定律，一般称为“古典摩擦定律古典摩擦定律”。910v 古典摩擦定律是实验中总结出的

8、规律，它揭示了摩擦的性古典摩擦定律是实验中总结出的规律，它揭示了摩擦的性质。几百年来，它被认为是合理的，并广泛地应用于工程质。几百年来，它被认为是合理的，并广泛地应用于工程计算中。但是，近代对摩擦的深入研究，发现上述定律与计算中。但是，近代对摩擦的深入研究，发现上述定律与实际情况有许多不符的地方，例如：实际情况有许多不符的地方，例如：v 第一条当法向压力不大时，对于普通材料，摩擦力与法向第一条当法向压力不大时，对于普通材料，摩擦力与法向载荷成正比，即摩擦系数为常数。当压力较大时，对于某载荷成正比，即摩擦系数为常数。当压力较大时，对于某些极硬材料些极硬材料( (如钻石如钻石) )或软材料或软材料

9、( (如聚四氯乙烯如聚四氯乙烯) )摩擦力与法摩擦力与法向载荷不呈线性比例关系。向载荷不呈线性比例关系。v 但实际上，摩擦系数不是材料的固有特性，其不仅与摩擦但实际上，摩擦系数不是材料的固有特性，其不仅与摩擦副的材料性质有关，而且还与其它许多因素有关，如表面副的材料性质有关，而且还与其它许多因素有关，如表面温度、光洁度和表面污染情况等。摩擦系数实际上是与材温度、光洁度和表面污染情况等。摩擦系数实际上是与材料和环境条件有关的一个综合特性系数。料和环境条件有关的一个综合特性系数。11v第二条对于有一定屈服点的材料，如金属材料，由于摩擦第二条对于有一定屈服点的材料，如金属材料，由于摩擦副表面粗糙度的

10、存在，故只在很小的接触区域内才有真正的副表面粗糙度的存在，故只在很小的接触区域内才有真正的接触，所以可以说摩擦力的大小与名义接触面积无关。而对接触，所以可以说摩擦力的大小与名义接触面积无关。而对于弹性材料于弹性材料( (如橡胶如橡胶) )或粘弹性材料或粘弹性材料( (如某些聚合物如某些聚合物) )，摩擦力，摩擦力与名义接触面积的大小则存在着某种关系。与名义接触面积的大小则存在着某种关系。v试验表明，实际接触面积与摩擦系数有关，随着实际接触试验表明，实际接触面积与摩擦系数有关，随着实际接触面积的增加，摩擦系数增大，摩擦力亦增大。面积的增加，摩擦系数增大，摩擦力亦增大。v第三条的得出是因为在第三条

11、的得出是因为在1515世纪至世纪至1313世纪还没有出现现代的世纪还没有出现现代的高速机器。对于很多材料，摩擦系数与滑动速度有关。高速机器。对于很多材料，摩擦系数与滑动速度有关。v第四条对于粘弹性材料都不适用。粘弹性材料的静摩擦系第四条对于粘弹性材料都不适用。粘弹性材料的静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。数不一定大于动摩擦系数。12只要两物体接触表面间有相对滑动的倾向或发生相对滑动，只要两物体接触表面间有相对滑动的倾向或发生相对滑动，就会发生滑动摩擦。古典摩擦定律也是在滑动摩擦的试验基就会发生滑动摩擦。古典摩擦定律也是在滑动摩擦的试验基础上提出的。础上提出的。200200多年来，经过许多科学家的

12、努力，使摩擦现象和机理多年来，经过许多科学家的努力，使摩擦现象和机理的研究有了很大的发展，提出了许多理论来解释摩擦的现象的研究有了很大的发展，提出了许多理论来解释摩擦的现象和本质，但目前尚未形成统一的理论。一般常把纯净表面间和本质，但目前尚未形成统一的理论。一般常把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研究。解释摩擦起的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研究。解释摩擦起因的理论主要有：机械啮合理论、分子理论、分子机械理论因的理论主要有：机械啮合理论、分子理论、分子机械理论以及粘着摩擦理论。对于金属摩擦副来说，粘着摩擦理论比以及粘着摩擦理论。对于金属摩擦副来说，粘着摩擦理论比较令人满意。

13、较令人满意。131818世纪以前，许多研究者都认为摩擦世纪以前，许多研究者都认为摩擦表面上是凹凸不平的，当两个凹凸不平的表面接触时，凹表面上是凹凸不平的，当两个凹凸不平的表面接触时，凹凸部分彼此交错啮合。在发生相对运动时，互相交错啮合凸部分彼此交错啮合。在发生相对运动时，互相交错啮合的凹凸部分就要阻碍物体的运动。摩擦力就是所有这些啮的凹凸部分就要阻碍物体的运动。摩擦力就是所有这些啮合点的切向阻力的总和。合点的切向阻力的总和。巴拉认为摩擦是沿粗糙巴拉认为摩擦是沿粗糙面上升的结果，摩擦系数面上升的结果，摩擦系数为粗糙斜角为粗糙斜角的正切，即的正切，即tgtg。表面越粗糙，。表面越粗糙，摩擦系数越大

14、。摩擦系数越大。14贝利沙还尝试将摩擦面的凹凸形做成模型来证贝利沙还尝试将摩擦面的凹凸形做成模型来证实这种摩擦学说。他将为数众多的半球粘成模型当作摩擦面，实这种摩擦学说。他将为数众多的半球粘成模型当作摩擦面，从几何计算得出这种凹凸面合起来的摩擦系数为从几何计算得出这种凹凸面合起来的摩擦系数为1 13 3。贝利。贝利沙的半球凹凸模型，作为摩擦面形状的模型化来说，具有重沙的半球凹凸模型，作为摩擦面形状的模型化来说，具有重要的意义，就是在今天，也还是把摩擦面的凹凸形作为模型要的意义，就是在今天，也还是把摩擦面的凹凸形作为模型用来导出摩擦方程式。用来导出摩擦方程式。虽然此理论可解释一般情况下粗糙表面比

15、光滑表面的摩擦虽然此理论可解释一般情况下粗糙表面比光滑表面的摩擦力大这一现象。但当表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效力大这一现象。但当表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生作用时发生作用时( (如超精加工表面如超精加工表面) )，此理论就不适用了。例如，此理论就不适用了。例如，19191919年哈迪年哈迪(Hardy)(Hardy)对经过研磨达到凸透镜程度的光洁表面对经过研磨达到凸透镜程度的光洁表面和粗糙加工的表面进行摩擦试验，发现经充分研磨的表面摩和粗糙加工的表面进行摩擦试验，发现经充分研磨的表面摩擦力反而大，而且擦伤痕宽，表面破坏严重。擦力反而大，而且擦伤痕宽，表面破坏严重。 15摩擦的分

16、子理论是摩擦的分子理论是G.A.Tomlinson(汤姆林逊汤姆林逊)于于1929年提出年提出的，在平衡状态时，固体原子间的排斥力和内聚力相中和。的，在平衡状态时，固体原子间的排斥力和内聚力相中和。但是，当两物体接触时，一个物体内的原子可能和第二个物但是，当两物体接触时，一个物体内的原子可能和第二个物体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。在此情况下，两表体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。在此情况下，两表面分开就会造成能量的损失，并以摩擦阻力的形式出现。面分开就会造成能量的损失，并以摩擦阻力的形式出现。设一表面对另一表面滑动设一表面对另一表面滑动x x距离，则所做机械功为距离，则所做机械功为px

17、，p为两表面间的总力，假设它被原子间排斥力的总和所支承，为两表面间的总力，假设它被原子间排斥力的总和所支承，即即pn n0 0 p0 0，n n0 0为界面上接触原子的数目，为界面上接触原子的数目，p0 0为接触点的平均为接触点的平均排斥力。在滑动过程中，新的原子将进入斥力场，而另一些排斥力。在滑动过程中，新的原子将进入斥力场，而另一些原子将离开斥力场。因此会有一总能量损耗，设原子将离开斥力场。因此会有一总能量损耗，设E E为原子和为原子和原子碰撞时所有能量损耗的算术平均值，并设在距离原子碰撞时所有能量损耗的算术平均值，并设在距离x中遭中遭遇的次数为遇的次数为n n，则总能量损耗为，则总能量损

18、耗为nEnE，它的数值等于机械功。，它的数值等于机械功。p 16p也就是说，根据机械功与原子一原子碰撞总能也就是说，根据机械功与原子一原子碰撞总能量消耗相平衡可得出摩擦系数量消耗相平衡可得出摩擦系数为为p而而nn0 x/e，其中其中为概率因子，小于为概率因子，小于l l。因此上式也可。因此上式也可改写为改写为此式表明摩擦系数与摩擦副材料本身的性质有关。此式表明摩擦系数与摩擦副材料本身的性质有关。 17如上所述，简单的摩擦理论无论是机械的或分子如上所述，简单的摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都是很不完善的，它们得出的摩擦系数的摩擦理论都是很不完善的，它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面的

19、。与粗糙度的关系都是片面的。在二十世纪三十年代末期，人们从分子在二十世纪三十年代末期，人们从分子机械联机械联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论在英国【鲍登论在英国【鲍登(F.P.Bowden)(F.P.Bowden)和泰伯和泰伯(D.Tabor)(D.Tabor)提出】和苏联（克拉盖尔斯基提出）相继建立了两提出】和苏联（克拉盖尔斯基提出）相继建立了两个学派，前者以粘着理论为中心，后者以摩擦二项个学派，前者以粘着理论为中心，后者以摩擦二项式为特征，这些理论莫定了现代固体摩擦的理论基式为特征，这些理论莫定了现代固体摩擦的理论基础。础。18v19391

20、939年克拉盖尔斯基提出了分子年克拉盖尔斯基提出了分子机械摩擦理论。认机械摩擦理论。认为摩擦力不仅取决于两个接触面间的分子作用力，而且还为摩擦力不仅取决于两个接触面间的分子作用力，而且还取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌的取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌的畸变畸变( (可逆或不可逆可逆或不可逆) )。v在干摩擦时，由于实际物体的表面有着微观不平的微凸在干摩擦时，由于实际物体的表面有着微观不平的微凸体和凹穴，因此，两个表面接触时，接触仅仅发生在微凸体和凹穴，因此，两个表面接触时，接触仅仅发生在微凸体处，其实际接触面积只占总的名义接触面的很小一部分，体处，其实际接触面

21、积只占总的名义接触面的很小一部分，并且随着表面压力的增大而增大。在载荷作用下，表面膜并且随着表面压力的增大而增大。在载荷作用下，表面膜容易破坏，金属基体会直接接触。由于接触的不连续性，容易破坏，金属基体会直接接触。由于接触的不连续性，在很大的单位压力作用下，会同时出现表面微凸体相互压在很大的单位压力作用下，会同时出现表面微凸体相互压入和啮合，以及相接触的表面存在分子吸引力。当两表面入和啮合，以及相接触的表面存在分子吸引力。当两表面相对滑动时，则受到接触点上因机械啮合和分子吸引力所相对滑动时，则受到接触点上因机械啮合和分子吸引力所产生的切向阻力的总和产生的切向阻力的总和( (摩擦力摩擦力) )的

22、作用。的作用。19因而，在载荷作用下的接触表面的因而，在载荷作用下的接触表面的相互作用形式分为两种：机械作用相互作用形式分为两种：机械作用( (取决于变形取决于变形) )和分子作用和分子作用( (取决于原取决于原子相互作用子相互作用) )。 分子相互作用发生在极表层中，可触及到固体表层几百分子相互作用发生在极表层中，可触及到固体表层几百微米的深度。机械相互作用的过程发生在固体本身厚度为微米的深度。机械相互作用的过程发生在固体本身厚度为几十微米和更厚的各层中。机械作用与分子作用的比例与几十微米和更厚的各层中。机械作用与分子作用的比例与表面光洁度、材料种类、载荷大小有关。光洁度高时，分表面光洁度、

23、材料种类、载荷大小有关。光洁度高时，分子作用比例大；而光洁度低时，则机械作用大。对于金属，子作用比例大；而光洁度低时，则机械作用大。对于金属，分子作用大；而对于橡胶等，则分子作用小。分子作用大；而对于橡胶等，则分子作用小。20v克拉盖里斯基分析了在切向移动时接触点因机械作用或克拉盖里斯基分析了在切向移动时接触点因机械作用或分子作用而被破环的五种型式。前三种型式主要是由于机分子作用而被破环的五种型式。前三种型式主要是由于机械作用所致，后两种型式则明显地表现为分子作用的影响。械作用所致，后两种型式则明显地表现为分子作用的影响。第一种破坏型式是指切向移动时，在表面微凸体压入深度较第一种破坏型式是指切

24、向移动时，在表面微凸体压入深度较大时，使材料剪切或擦伤。若压入深度较小时，则发生材料的大时，使材料剪切或擦伤。若压入深度较小时，则发生材料的弹性回复和塑性挤压。若压入深度更小时，则形成材料的弹性弹性回复和塑性挤压。若压入深度更小时，则形成材料的弹性挤压；如果分子相互作用部分形成比基体金属强度低的连接，挤压；如果分子相互作用部分形成比基体金属强度低的连接，则产生一般的粘着膜的破坏。如果分子相互作用部分形成比基则产生一般的粘着膜的破坏。如果分子相互作用部分形成比基体金属强度更高的连接，当固体切向移动的力大于粘着连接的体金属强度更高的连接，当固体切向移动的力大于粘着连接的强度时，粘着连接被剪切或撕裂

25、，即基体材料的破坏。强度时，粘着连接被剪切或撕裂，即基体材料的破坏。21式中，式中，S Sa a 和和S Sm m分别为分子作用和机械作用的面积；分别为分子作用和机械作用的面积；a a和和m m分别为单位面积上分子作用和机械作用产生的摩擦力。分别为单位面积上分子作用和机械作用产生的摩擦力。其中，其中，p p为单位面积上的法向载荷；为单位面积上的法向载荷；A Am m为机械作用的切向阻为机械作用的切向阻力；力；B Bm m为法向载荷的影响系数；为法向载荷的影响系数；a a为指数，其值不大于为指数，其值不大于1 1但趋但趋于于1 1；A Aa a为分子作用的切向阻力，与表面清洁程度有关；为分子作用

26、的切向阻力，与表面清洁程度有关；B Ba a为粗糙度影响系数；为粗糙度影响系数；b b为趋近于为趋近于l l的指数于是的指数于是22若令若令S Sm mSSa a，为比例常数为比例常数已知实际接触面积已知实际接触面积A AS Sa aS Sm m，法向载荷，法向载荷L LpApAr r。则，。则，式式(34)(34)称为摩擦二项式定律。称为摩擦二项式定律。为实际的摩擦系数，它为实际的摩擦系数，它是一个常量，是一个常量，/代表单位面积的分子力转化成的法向代表单位面积的分子力转化成的法向载荷，载荷，和和分别为由摩擦表面的物理和机械性质决定的分别为由摩擦表面的物理和机械性质决定的系数。系数。 23将

27、式将式(34)(34)与通常采用的与通常采用的F FLL对照，求得相当于单项式对照，求得相当于单项式的摩擦系数为的摩擦系数为可以看出，可以看出，不是一个常数，其随不是一个常数，其随A Ar r/L/L而变化，这与实验而变化，这与实验结果相符合。结果相符合。实验指出：对于塑性材料组成的摩擦副，实验指出：对于塑性材料组成的摩擦副，A Ar r与法向载荷与法向载荷L L成线性关系，因而成线性关系，因而与载荷大小无关，而符合与载荷大小无关，而符合AmontonAmonton定律。定律。但对于弹性金属而言，由于表面接触处于弹性变形状态，实但对于弹性金属而言，由于表面接触处于弹性变形状态，实际接触面积与法

28、向载荷的不成正比，因而式际接触面积与法向载荷的不成正比，因而式(35)(35)的摩擦系的摩擦系数随载荷的增加而减小。数随载荷的增加而减小。 摩擦二项式定律经实验证实相当满意地适合于边界润滑，摩擦二项式定律经实验证实相当满意地适合于边界润滑，和某些干摩擦状态，特别是实际接触面积较大的摩擦问题。和某些干摩擦状态，特别是实际接触面积较大的摩擦问题。24这一理论是鲍登这一理论是鲍登(F.P.Bowden)(F.P.Bowden)和泰伯和泰伯(D.Tabor)(D.Tabor)提出的。提出的。认为两金属表面在摩擦过程中，会形成大于分子量级的金属认为两金属表面在摩擦过程中，会形成大于分子量级的金属接点，并

29、在接点处发生剪切。此外，如果一个表面比另一个接点，并在接点处发生剪切。此外，如果一个表面比另一个表面硬，则较硬表面的凸点会在较软的表面上产生犁沟。因表面硬，则较硬表面的凸点会在较软的表面上产生犁沟。因此，摩擦阻力可用两项之和来表示，其中一项代表剪切过程，此，摩擦阻力可用两项之和来表示，其中一项代表剪切过程，另一项代表犁沟过程。另一项代表犁沟过程。 在无润滑情况下，大多数金属的在无润滑情况下，大多数金属的犁沟项与剪切项相比很小，故可略犁沟项与剪切项相比很小，故可略去不计。因此，当金属表面相互压去不计。因此，当金属表面相互压紧时，它们仅在微凸体顶端接触。紧时，它们仅在微凸体顶端接触。 25由于实际

30、接触面积很小，因此可以认为接触着的微凸体上由于实际接触面积很小，因此可以认为接触着的微凸体上压力很高，足以引起塑性变形。接触处的这种塑性流动导致压力很高，足以引起塑性变形。接触处的这种塑性流动导致接触面积增大到实际接触面积能支承载荷为止。对于理想的接触面积增大到实际接触面积能支承载荷为止。对于理想的弹塑性材料弹塑性材料式中式中y y金属的屈服压力；金属的屈服压力；LL法向载荷；法向载荷；A Ar r实际接触面实际接触面积。由于金属与金属的紧密接触区会发生牢固粘着，接点发积。由于金属与金属的紧密接触区会发生牢固粘着，接点发生冷焊。若生冷焊。若为剪断接点所需的单位面积上的力，则摩擦力为剪断接点所需

31、的单位面积上的力，则摩擦力可表示为可表示为 此式即为简单粘着摩擦理论的数学表达式。此式即为简单粘着摩擦理论的数学表达式。 26该式表明，摩擦力等于实际接触面积与接点材料剪切强度该式表明，摩擦力等于实际接触面积与接点材料剪切强度的乘积；摩擦系数为接点材料的剪切强度与材料的屈服压力的乘积；摩擦系数为接点材料的剪切强度与材料的屈服压力的比值。简单粘着摩擦理论表明：摩擦力与表观接触面积无的比值。简单粘着摩擦理论表明：摩擦力与表观接触面积无关；摩擦力与法向载荷成正比。这与古典摩擦定律的第一和关；摩擦力与法向载荷成正比。这与古典摩擦定律的第一和第二条一致。上面分析中，认为材料是理想弹塑性体，并忽第二条一致

32、。上面分析中，认为材料是理想弹塑性体，并忽略了加工硬化的影响。因此，可取略了加工硬化的影响。因此，可取等于临界剪切应力等于临界剪切应力0 0，而而y y与与0 0均为两种金属中的较软者，于是均为两种金属中的较软者，于是 对于大多数金属来说对于大多数金属来说, ,比值比值0 0/y y相差不多。这也正是为相差不多。这也正是为什么大多数金属的机械性能如硬度变化很大而彼此间摩擦系什么大多数金属的机械性能如硬度变化很大而彼此间摩擦系数却相差不大的原因。数却相差不大的原因。27 如两个硬的金属接触时如两个硬的金属接触时,y y大大,A,Ar r小小,0 0大大; ;而对于两个软而对于两个软的金属接触时的

33、金属接触时,y y小小,A,Ar r大大,0 0小小; ;所以它们的比值所以它们的比值0 0/y y相相差不会太大。对于大多数金属差不会太大。对于大多数金属,0 00.20.2y y。 因此在硬的金属上镀覆一层软金属可降低摩擦系数。此时因此在硬的金属上镀覆一层软金属可降低摩擦系数。此时载荷由本体母材承担，而剪切发生在镀覆的软金属层，公式载荷由本体母材承担，而剪切发生在镀覆的软金属层，公式(38)(38)中的中的0 0为软金属的临界剪切应力，为软金属的临界剪切应力，y y为硬金属的屈为硬金属的屈服强度，因此，服强度，因此，值比较低。值比较低。 金属摩擦时，接点发生焊合是无疑的。在高真空里，洁金属

34、摩擦时，接点发生焊合是无疑的。在高真空里，洁净的金属表面发生严重的粘着，摩擦系数很大。然而，由净的金属表面发生严重的粘着，摩擦系数很大。然而，由式式(38)(38)计算出的摩擦系数与试验数据不符。按简单粘着计算出的摩擦系数与试验数据不符。按简单粘着摩擦理论得出的摩擦系数大约为摩擦理论得出的摩擦系数大约为0.20.2，而实际上许多金属摩，而实际上许多金属摩擦副在空气中的摩擦系数大于擦副在空气中的摩擦系数大于0.50.5，在真空中的摩擦系数则，在真空中的摩擦系数则更大。因此，必须对简单粘着理论进行修正。更大。因此，必须对简单粘着理论进行修正。 28式中式中AA简单粘着摩擦理论中的实际简单粘着摩擦理

35、论中的实际接触面积，即只有法向载荷作用下的接触面积，即只有法向载荷作用下的实际接触面积；实际接触面积；AA切应力作用引切应力作用引起接触面积的增量。起接触面积的增量。 也就是说，在真空中，洁净的表面摩擦时，由于切应力也就是说，在真空中，洁净的表面摩擦时，由于切应力的作用，粘着接点增大，实际接触面积增加，因而摩擦系的作用，粘着接点增大，实际接触面积增加，因而摩擦系数变大。数变大。29 当摩擦副在空气中滑动时，大多数金属表面被薄的氧化膜当摩擦副在空气中滑动时，大多数金属表面被薄的氧化膜所覆盖，这样的金属摩擦副，实质上是氧化膜对氧化膜的摩所覆盖，这样的金属摩擦副，实质上是氧化膜对氧化膜的摩擦，只有在

36、氧化膜破坏后，才是金属对金属的直接摩擦。因擦，只有在氧化膜破坏后，才是金属对金属的直接摩擦。因此，当摩擦副表面被污染，且污染膜的剪切强度较低时，粘此，当摩擦副表面被污染，且污染膜的剪切强度较低时，粘着接点的增长不明显。当剪应力着接点的增长不明显。当剪应力达到污染膜的剪切强度达到污染膜的剪切强度f 时，表面膜被剪断，摩擦副开始滑动。时，表面膜被剪断，摩擦副开始滑动。此时，摩擦系数可表示为此时，摩擦系数可表示为 （39）式中：式中：f界面污染膜的剪切强度；界面污染膜的剪切强度；y y金属本体的屈金属本体的屈服强度。这个结论和简单粘着摩擦理论中的软金属膜在硬基服强度。这个结论和简单粘着摩擦理论中的软

37、金属膜在硬基体上的摩擦系数表达式一致。这是因为若界面的剪切强度较体上的摩擦系数表达式一致。这是因为若界面的剪切强度较低，当低，当F/AF/Af 时，粘着接点面积增大停止，实际接触面积只时，粘着接点面积增大停止，实际接触面积只与法向载荷有关。与法向载荷有关。 30 但在某些情况下，由于表面污染膜的破坏，金属与金属但在某些情况下，由于表面污染膜的破坏，金属与金属直接接触。这时界面的有效剪切强度介于较软金属表面的剪直接接触。这时界面的有效剪切强度介于较软金属表面的剪切强度与表面污染膜的剪切强度极限之间。故摩擦系数决定切强度与表面污染膜的剪切强度极限之间。故摩擦系数决定于金属对金属和金属对污染膜摩擦时

38、实际接触面积所占的比于金属对金属和金属对污染膜摩擦时实际接触面积所占的比例。例。 应该指出，这个理论只适用于金属对金属的摩擦。因为应该指出，这个理论只适用于金属对金属的摩擦。因为它是建立在下列假定的基础上：它是建立在下列假定的基础上： (1)(1)实际接触面积是由塑性变形决定的；实际接触面积是由塑性变形决定的； (2)(2)两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开；两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开； (3)(3)摩擦力是剪切膜所需的力。摩擦力是剪切膜所需的力。 31 当硬金属粗糙表面在软金属表面上滑动时，硬金属上的当硬金属粗糙表面在软金属表面上滑动时，硬金属上的微凸体可能压入软金属表面

39、使之产生塑性变形，并划出一微凸体可能压入软金属表面使之产生塑性变形，并划出一条沟槽。这时，摩擦力中的犁削项是主要的一项。在磨粒条沟槽。这时，摩擦力中的犁削项是主要的一项。在磨粒磨损过程中，它也可能是摩擦力的主要分量。磨损过程中，它也可能是摩擦力的主要分量。 图为一个硬的金属圆锥在一图为一个硬的金属圆锥在一较软金属表面上滑动所产生的较软金属表面上滑动所产生的犁沟。载荷支承面积犁沟。载荷支承面积A Al l与沟槽与沟槽面积面积A A2 2可由下式求出可由下式求出32 假定塑性屈服的金属是各向同性的，它的屈服压力为假定塑性屈服的金属是各向同性的，它的屈服压力为y y，则则 式中式中L和和F分别为载荷

40、和摩擦阻力。因而，由犁沟引起的摩分别为载荷和摩擦阻力。因而，由犁沟引起的摩擦系数擦系数p可由下式确定可由下式确定对于对于60的半锥角，的半锥角，p0.32，对于，对于30的锥角，的锥角， p1.1。 用同样方法可计算的圆球及圆柱产生的犁沟分量。用同样方法可计算的圆球及圆柱产生的犁沟分量。33 上述上述3 3种基本微凸体形状种基本微凸体形状( (球体、球体、圆柱体及圆锥体圆柱体及圆锥体) )摩擦犁沟分量的摩擦犁沟分量的计算，忽略了在滑块前的材料堆积。计算，忽略了在滑块前的材料堆积。而材料堆积在实际中是存在的。如而材料堆积在实际中是存在的。如图所示为一球形滑块所产生犁沟前图所示为一球形滑块所产生犁

41、沟前方材料压皱和积聚的情况。方材料压皱和积聚的情况。 显然这使得沟糟面积显然这使得沟糟面积A2有很大增加。同时，计算中假设有很大增加。同时，计算中假设的各向同性条件也不完全正确。考虑到这些误差，应在的各向同性条件也不完全正确。考虑到这些误差，应在p的表达式前加一个系数的表达式前加一个系数Kp。 不同材料的不同材料的Kp值见表。对值见表。对所研究的几种金属材料，大所研究的几种金属材料，大体上是随着相对硬度的减小，体上是随着相对硬度的减小，系数系数Kp随之增大。随之增大。34 目前对摩擦的能量理论的研究有两种看法：一种是从表面目前对摩擦的能量理论的研究有两种看法：一种是从表面能量的观点出发分析摩擦

42、机理，这是以美国拉宾诺维奇为代能量的观点出发分析摩擦机理，这是以美国拉宾诺维奇为代表的看法；另一种是从能量平衡的观点综合分析摩擦过程，表的看法；另一种是从能量平衡的观点综合分析摩擦过程，持这种看法的有苏联的卡斯杰次基和德国的弗荣舍尔等人。持这种看法的有苏联的卡斯杰次基和德国的弗荣舍尔等人。 这种理论认为，粘着理论把关于材料的问题看作是静止的、这种理论认为，粘着理论把关于材料的问题看作是静止的、不活动的，这是不恰当的，实际上应考虑表面的作用。在分不活动的，这是不恰当的，实际上应考虑表面的作用。在分析材料的滑动过程中，粘结点的尺寸不仅取决于塑性变形过析材料的滑动过程中，粘结点的尺寸不仅取决于塑性变

43、形过程，而且受表面吸引力存在的影响。其粘着力最好用粘着表程，而且受表面吸引力存在的影响。其粘着力最好用粘着表面能面能Wab表示，可由下式决定：表示，可由下式决定：Wababab式中式中a和和b是材料是材料a和和b单位面积的表面自由能；单位面积的表面自由能；ab是界面能，是界面能，即在材料即在材料a和和b的界面存在的自由能。的界面存在的自由能。35 试验说明，当试验说明，当Wab/H比值高时，滑动条件很差，此时有高比值高时，滑动条件很差，此时有高的摩擦系数，表面严重损坏和有大的磨损微粒。而当的摩擦系数，表面严重损坏和有大的磨损微粒。而当Wab/H比值低时，滑动条件较好，此时有低的摩擦系数，表面仅

44、比值低时，滑动条件较好，此时有低的摩擦系数，表面仅有轻微的损坏和有小的磨损微粒。所以在材料选配时，要有轻微的损坏和有小的磨损微粒。所以在材料选配时，要利用利用Wab/H比值来进行控制，以便得到小的摩擦系数和低的比值来进行控制，以便得到小的摩擦系数和低的磨损率。磨损率。 必须指出，根据最新的研究结果，表面能量只是摩擦能必须指出，根据最新的研究结果，表面能量只是摩擦能量的一部分，而大部分摩擦能量是消耗于金属的弹性、塑量的一部分，而大部分摩擦能量是消耗于金属的弹性、塑性变形。这个塑性变形交替发生在粘着过程中，它积蓄在性变形。这个塑性变形交替发生在粘着过程中，它积蓄在材料内作为位错和最后表现为热能。此

45、外，在摩擦过程中材料内作为位错和最后表现为热能。此外，在摩擦过程中还出现一系列与能量消耗有关的现象，如摩擦发光、摩擦还出现一系列与能量消耗有关的现象，如摩擦发光、摩擦辐射、机械振动、噪音、摩擦化学反应等。因此，要用摩辐射、机械振动、噪音、摩擦化学反应等。因此，要用摩擦的能量平衡理论才能解释。擦的能量平衡理论才能解释。36 一个摩擦学系统的基本一个摩擦学系统的基本结构是由四个作用元素组结构是由四个作用元素组成，即摩擦体成，即摩擦体1 1和和2 2，中间，中间材料材料3 3和周围介质和周围介质4 4。而整。而整个摩擦学系统的结构则由个摩擦学系统的结构则由元素元素A A、它的性质、它的性质P P和相

46、互和相互作用作用R R组成，通常以组成，通常以S S来表来表示：示：S SAA，R R，PP摩擦的能量平衡理论考虑摩擦学系统、模型和整个摩擦过程。摩擦的能量平衡理论考虑摩擦学系统、模型和整个摩擦过程。37 根据系统理论，摩擦学系统属于开式、离散、动态系根据系统理论，摩擦学系统属于开式、离散、动态系统。因为在摩擦过程中，将引起能量损失和材料损失，而统。因为在摩擦过程中，将引起能量损失和材料损失，而且摩擦学的结构和功能都将随之发生变化。且摩擦学的结构和功能都将随之发生变化。 (1)(1)摩擦学系统在特定的摩擦副和外界工作条件下相互摩擦学系统在特定的摩擦副和外界工作条件下相互作用，使摩擦过程有能量的

47、损失，即输入能量大于输出能作用，使摩擦过程有能量的损失，即输入能量大于输出能量，其损失能量就是摩擦能量。量，其损失能量就是摩擦能量。 (2)(2)由于摩擦，使得能量可以转化为机械能、热能、化由于摩擦，使得能量可以转化为机械能、热能、化学能、电能、电磁能等。学能、电能、电磁能等。 (3)(3)由于摩擦，使得摩擦体由于摩擦，使得摩擦体1 1和和2 2，中间材料，中间材料3 3和周围介和周围介质质4 4，会发生不同程度的形状和材料的变化。，会发生不同程度的形状和材料的变化。38 借助于摩擦功借助于摩擦功W WR R来表示摩擦的能量平衡，来表示摩擦的能量平衡，v卡斯杰茨基认为，摩擦功由剪切和边界膜滑动

48、时的功卡斯杰茨基认为，摩擦功由剪切和边界膜滑动时的功( (变形部分变形部分) )、所形成的热、内能的变化、所形成的热、内能的变化( (固体运动能量的固体运动能量的程度程度) )、表面能的增加四部分组成；、表面能的增加四部分组成；v弗莱舍尔认为，摩擦功由九部分组成，前弗莱舍尔认为，摩擦功由九部分组成，前2 2种相同；达种相同；达到某一热相变的运动能；到某一热相变的运动能；完全相变的能量；容积变化完全相变的能量；容积变化的功；辐射能；电位能；化学过程极化能；覆盖膜的解的功；辐射能；电位能；化学过程极化能；覆盖膜的解吸能。吸能。39 40 研究摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程研究摩擦系数

49、的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。和降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。 摩擦系数是摩擦副的综合特性，受到滑动过程中各种因素摩擦系数是摩擦副的综合特性，受到滑动过程中各种因素的影响，例如：材料副配对性质、静止接触时间、法向载荷的影响，例如：材料副配对性质、静止接触时间、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度的大小和加载速度、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质、以及介质状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质、以及介质的化学作用等。这就使得摩擦系数随着工况条件的变化很大，的化学作用等

50、。这就使得摩擦系数随着工况条件的变化很大，因而预先确定摩擦系数准确的数据是十分困难的，通常根据因而预先确定摩擦系数准确的数据是十分困难的，通常根据定性分析和实际测定的办法来确定摩擦系数和各种因素的影定性分析和实际测定的办法来确定摩擦系数和各种因素的影响。响。41 当两个滑动表面是同一金属或是非常类似的金属，或当两个滑动表面是同一金属或是非常类似的金属，或是两种有可能形成固溶合金的金属时，则摩擦较严重。例是两种有可能形成固溶合金的金属时，则摩擦较严重。例如，铜如，铜铜摩擦副的摩擦系数可达铜摩擦副的摩擦系数可达1.01.0以上，铝以上，铝铁或铝铁或铝低碳钢摩擦副的摩擦系数大于低碳钢摩擦副的摩擦系数

51、大于0.80.8。而不同金属或低亲合力。而不同金属或低亲合力的金属组成的摩擦副摩擦系数则较低。如银的金属组成的摩擦副摩擦系数则较低。如银铁或银铁或银低低碳钢摩擦副的摩擦系数约为碳钢摩擦副的摩擦系数约为0.30.3。 单相合金单相合金( (如币合金：如币合金：9090AgAg，1010Cu)Cu)的性质象纯金的性质象纯金属，摩擦性能一般与其主要组元相似。多相合金（如属，摩擦性能一般与其主要组元相似。多相合金（如CuCuPbPb轴承合金）情况比较复杂，当含有少量的软相时，摩擦轴承合金）情况比较复杂，当含有少量的软相时，摩擦系数较低。其原因是软相能够涂抹在合金的表面上充当润系数较低。其原因是软相能够

52、涂抹在合金的表面上充当润滑剂。属于这种类型的合金有含铅的易切削钢和含有石墨滑剂。属于这种类型的合金有含铅的易切削钢和含有石墨的灰口铸铁等。的灰口铸铁等。 42 事实证明，非常粗糙的事实证明，非常粗糙的表面表现出高的摩擦系数，表面表现出高的摩擦系数，因为在滑动期间一个表面因为在滑动期间一个表面必须越过另一个表面的驼必须越过另一个表面的驼峰。然而非常平滑的表面峰。然而非常平滑的表面甚至摩擦系数更大，因为甚至摩擦系数更大，因为真实接触面积增大，表面真实接触面积增大，表面间的分子作用加强。左图间的分子作用加强。左图为摩擦系数随粗糙度的变为摩擦系数随粗糙度的变化曲线。化曲线。 43 为了描述摩擦过程中表

53、面温度的状况，通常采用表面瞬现为了描述摩擦过程中表面温度的状况，通常采用表面瞬现温度、表面平均温度、体积平均温度、温度梯度、热量分布温度、表面平均温度、体积平均温度、温度梯度、热量分布函数等参数来进行研究。总的说来，摩擦热对摩擦性能的影函数等参数来进行研究。总的说来，摩擦热对摩擦性能的影响表现在两方面：一是发生润滑状态转化，如从油膜润滑转响表现在两方面：一是发生润滑状态转化，如从油膜润滑转化为边界润滑甚至干摩擦；另一是引起摩擦过程动力学特性化为边界润滑甚至干摩擦；另一是引起摩擦过程动力学特性变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，如表面原子或分变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，如表面原子或分

54、子间的扩散、吸附或解附、表层结构变化和相变等。子间的扩散、吸附或解附、表层结构变化和相变等。 温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多数实验结果表明：随着温度的升高，摩擦系数增加，当表面数实验结果表明：随着温度的升高，摩擦系数增加，当表面温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。温度升高时，两温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。温度升高时，两金属摩擦副的可焊性增加，强度降低，同时伴随有表面氧化。金属摩擦副的可焊性增加，强度降低，同时伴随有表面氧化。因此，高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决于两金属的高温因此，高温下两金属摩擦副的摩擦特性取决

55、于两金属的高温强度、可焊性以及所形成的表面膜。强度、可焊性以及所形成的表面膜。44 载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。 摩擦总是发生在一部分接触峰点上，接触点数目和各接触摩擦总是发生在一部分接触峰点上，接触点数目和各接触点尺寸将随着载荷而增加，最初是接触点尺寸增加，随后载点尺寸将随着载荷而增加，最初是接触点尺寸增加，随后载荷增加主要引起接触点数目增加。实验表明：光滑表面在接荷增加主要引起接触点数目增加。实验表明：光滑表面在接触面上的应力约为材料硬度值的一半；而粗糙表面的接触应触面上的应力约为材料硬度值的一半；而粗糙表面的接触应力可达

56、到硬度的力可达到硬度的2323倍，即出现表面塑性变形。倍，即出现表面塑性变形。 当表面是塑性接触时，摩擦系数与载荷无关在一般情况当表面是塑性接触时，摩擦系数与载荷无关在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载下，金属表面处于弹塑性接触状态，由于实际接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的增加而降低。由荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的增加而降低。由于摩擦表面处于弹塑性接触状态，因而摩擦系数随加载速度于摩擦表面处于弹塑性接触状态，因而摩擦系数随加载速度而改变。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。而改变。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。45 当滑动速度不引

57、起表面层当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。然而几乎与滑动速度无关。然而在一般情况下，滑动速度将在一般情况下，滑动速度将引起表面层发热、变形、化引起表面层发热、变形、化学变化和磨损等，从而显著学变化和磨损等，从而显著地影响摩擦系数。地影响摩擦系数。 图是克拉盖尔斯基等人提出的实验结果。对于一般弹塑性图是克拉盖尔斯基等人提出的实验结果。对于一般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦系数随滑动速度增加而越过一极大接触状态的摩擦副，摩擦系数随滑动速度增加而越过一极大值，如图中曲线值，如图中曲线2 2和和3 3。并且随着表面刚度或者载荷增加，极。并且随着表面

58、刚度或者载荷增加，极大值的位置向坐标原点移动。当载荷极小时，摩擦系数随滑大值的位置向坐标原点移动。当载荷极小时，摩擦系数随滑动速度的变化曲线只有上升部分；而在极大的载荷条件下，动速度的变化曲线只有上升部分；而在极大的载荷条件下，曲线却只有下降部分，如图中曲线曲线却只有下降部分，如图中曲线1 1和和4 4所示所示46 金属的表面常覆盖有氧化膜、吸金属的表面常覆盖有氧化膜、吸附气体膜及其它形式的污染薄膜。附气体膜及其它形式的污染薄膜。这些表面膜的存在将对摩擦副的摩这些表面膜的存在将对摩擦副的摩擦特性产生影响，而且会使摩擦系擦特性产生影响，而且会使摩擦系数发生变化。数发生变化。 表面存在各种薄膜时，

59、摩擦系数降低是因为摩擦副有表面膜表面存在各种薄膜时，摩擦系数降低是因为摩擦副有表面膜时，摩擦主要发生在膜内，使金属摩擦表面不易发生粘着。而时，摩擦主要发生在膜内，使金属摩擦表面不易发生粘着。而且由于一般情况下表面膜的剪切强度小于金属的剪切强度，因且由于一般情况下表面膜的剪切强度小于金属的剪切强度，因此摩擦系数较小。实际工作中常常在摩擦表面涂覆一层软金属此摩擦系数较小。实际工作中常常在摩擦表面涂覆一层软金属( (铟、铜、铅等铟、铜、铅等) )，其目的是降低摩擦系数，减少材料的磨损。，其目的是降低摩擦系数，减少材料的磨损。膜的厚度对摩擦系数影响很大。图为铟膜厚度与摩擦系数的关膜的厚度对摩擦系数影响

60、很大。图为铟膜厚度与摩擦系数的关系。摩擦系数有一极小值，小于此膜厚时，摩擦系数随膜厚增系。摩擦系数有一极小值，小于此膜厚时，摩擦系数随膜厚增加而降低；大于此膜厚时，摩擦系数反而随膜厚增加而增大。加而降低；大于此膜厚时，摩擦系数反而随膜厚增加而增大。47 现代机器设备中的摩擦副不少是处于高速、高温或低温、现代机器设备中的摩擦副不少是处于高速、高温或低温、真空等特殊工况条件下工作，其摩擦也就具有某些特殊性，真空等特殊工况条件下工作，其摩擦也就具有某些特殊性，因而也逐渐引起人们对特殊工况下摩擦副的研究兴趣。因而也逐渐引起人们对特殊工况下摩擦副的研究兴趣。 在航空、喷射技术、透平、运输及金属切削加工等