第二章表面性质与表面接触

1、校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net2表面性质与表面接触2.1金属表面形貌2.1.1表面形貌2.1.2表面粗糙度2.1.3表面粗糙度的测量2.2表面吸附与表面氧化2.2.1金属表面性质2.2.2表面吸附2.2.3表面氧化2.3表面张力与接触角2.3.1表面张力2.3.2接触角2.4表面特征与接触面积2.4.1表面特征2.4.2接触面积2.5表面塑性粗糙化2.5.1金属变形与表面粗糙化2.5.2润滑条件下金属变形表面粗糙化校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net 2表面性质与表面接触Th

2、ePropertyofSurfaceandSurfaceContact由摩擦的起因是由两和互接触表面的相対运动，因此表而性质和表面接触状况必然会影响到接触表面间的摩擦。从基本的摩擦学说可知，无论接触表面是光滑的,还是粗糙的，摩擦总是存在，而其人小与接触表而状况有关。就材料成形过程而言，工件表面一般比工模具表而粗糙，接触时发生塑性变形，同时两表面间还存在润滑剂，这样导致成形过程中的摩擦、磨损和润滑问题与表面性质和接触表面状况密切相关。金属表面形貌MetalsSurfaceTopography2i.i表面形貌SurfaceTopography任何表而都不可能是绝对光滑的，即使在宏观看来似乎很光滑，

3、但是在显微镜卜观察仍然是非常粗糙的。从微观上看，金属表而是由连续凹凸不平的峰和谷组成。图2-1为金属三维表面形貌。很明显金属表面凹凸不平，而且表面纹理还具有方向性。从图2-1侧面可以看到沿X和y方向剖而轮廓图。图2-1金属表面显微形貌金属的表面形貌是指其儿何形状的详细图形，尤其是着重研究表而微凸体(Aspeity)高度的变化。按照凹凸不平的儿何特征和形成原因，实际的金属表而形貌由形状偏差、波度偏差和表面粗糙度组成,如图22所示。表而形状偏差表而形状偏差是实际表而形状与理想表面形状的宏观偏差。平面的形状公差由直线度和平而度确定。国家标准(GB/T1182-1996)规定了形状和位置公差。波纹偏差

4、波纹偏差又称波纹度，是被加工金属表而周期性出现的儿何形状误差，通常用波距与波高表示。表面粗糙度表面粗糙度又称微观表面粗糙度，是指表面微观儿何形状误差。国家标准GB/tl31-1993规定了表而粗糙度的代号、符号及其标注方法。形状偏差一表面粗糙度2.1.2表面粗糙度SurfaceRoughness决定表而靡擦学特征的还主耍是表而粗糙度。表而粗糙度的实质就是表而微凸体的高度与分布。有时表面形貌又称表面粗糙度，或表面光洁度(SurfaceFinish)o由微凸体在表面上分布的不规则性，因此表面粗糙度的测鼠方法也不同，一般用在给定长度上微凸体的数目和波高来表征表而粗糙度，其中有关主要参数代表的物理意义

5、如卜：Rz十点平均高度(TenPointHeightofIrregula门ties)；Ra中线平均值(MeanHeightofPiofileIrregularities)；&均方根值(RootMeanSquareDeviationoftliePiofiles)；Ry轮廓最人高度(MaximumHeightoftheRofiles):Rp轮廓最人峰值(MaximunHeightofProfilePeak):R屏仑廓最人谷深(MaximumDepthofProfileValley):Sm轮廓不平度间距(MeanSpacingofthePiofileIiregulanties)；S轮廓凸峰间距(Me

6、anSpacingofLocalPeaksoftheProfiles)；Rz十点平均高度念指在给定长度内的五个最人轮廓峰高和五个最人轮廓谷深的平均值之和，即：R,55X1=1K-+X1=15(2-1)Ra中线平均值用一条中线将轮廓分成上卜相等的两部分，见图2-3,Ra是中线对表而轮廓的算术平均值。中线平均值的计算公式为：校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net # #校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net (2-2)若轮廓线可

7、以用曲线f(x)表示，则有:(2-3)&=弐轲式中中线为起点的微凸体高度；口一测最长度内微凸体数目；L一测最长度。直均方根值3)同样是一条中线将轮廓分成上下相等的两部分，乩是中线对表面轮廓的均方根值，即:(2-4)或者，写成(2-5)其实，表面粗糙度分布具有统计学特征，式(2二)可以进一步写成:式中忌一各高度区间相同高度的数目；刃一各高度区间高度值；P】一各高度区间出现的概率；e（y）轮廓高度分布的概率密度。yiPJ“弟咔(刃(2_6)=n同样，式（24）可以写成1-=XytPt1=1若表而粗糙度服从正态分布，则有根据正态分布可以进一步导出:R=125&0971(2-7)(2-8)(2-9)C

8、-10)但是，上述方法也只能表示表而轮廓线在垂直方向上各微凸体的高度偏差，其中，Rz方法简单实用，测最方便，Ra较为全面、准确，而&便J：计算分析。但是上述方法都并不能说明微凸体的形状、丿、小及分布情况等特征，也不能表明轮廓线波浪的疏密程度以及是否有一定的规律性等问题。表2-1列举了一些常见的金属机械加工及塑性加工所能达到的表面粗糙度。表2-1机械加工及塑性加工所能达到的表面粗糙度机械加工表而粗糙度/um塑性加工表而粗糙度/nm车外园（精）0.1-16热轧6.0车端面（精）0.4-16模锻1.6磨平面0.025-0.4挤压0.4研磨0.012-0.2冷轧0.2抛光0.01-1.62.1.3表面

9、粗糙度的测量Measuring表面粗糙度的测起通常用显微镜和表面轮廓仪，其中，表面轮廓仪不仅可以测最全部16个表面参数，I何且还可以得到表而轮廓的图形。表2二为常用的表面粗糙度测帚仪器及测量范围。表22常用的表面粗糙度测量仪器及测量范围。测量仪器分辨率/um横向纵向光学显微镜0.250.250.18-0.35干涉显微镜0.250.025反射电子显微镜0.0050.005表而轮廓仪1.35-1.50.0050.25图2-4为使用表而轮廓仪测晟的不锈钢板表而轮廓图形，表2-3为该表而粗糙度各参数测最结果。图2-4使用表面轮廓仪测量的不锈钢板表面轮廓图形$S1.22120.32520.40681.9

10、965167400.97678.2949480297表2-3不锈钢板表面粗糙度参数（Um）SurfaraMapTxy90ObliquePLot-1.57140.256mm0.344mm00002.04750.000校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net #校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net 表面吸附与表面氧化SurfaceAdsorptionandSurfaceOxidation金属表面性质TheMetaPsproper

11、ty金属及其合金都是由原子或分子组成的，金属的性能不但取决J：其组成的原子的本性和原子结合键的类型，而且述取决J：原子的排列方式。固态金属的规则排列的原子称为晶体结构，其基本排列形式有体心立方晶格、而心立方晶格和密排六方晶格等三种，如表2-4所示。体心立方晶格的金属有铁(a-Fe)、钻(6)、钳(Mo)、钩(W)、饥(V)等。面心立方晶格的金属有铁(?-Fe)铜(Cu)、铝(Al)、银(Ni)、铅(Pb)等。密排六方晶格的金属存镁饱)、锌(Zn)、镉(Cd)、彼(Be)等。表24金属晶体结构与滑移系淆移面滑移方向6x2=124x3=12晶格体心立加ft格面心立方咼格密并大方品格1x3=3滑移系

12、Mg、Zn、Cd、aTi晶格缺陷实际上金属的晶体结构并非理论上的单晶体按照一定的规律整齐地排列，晶体结构中存在着许多不同类型的缺陷，影响金属的表面性质。晶体缺陷主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷。在晶体中原子脱离原平衡位置而进入晶格间隙中，致使其原来的位置空着成为空位。跑出的原子挤入晶格间隙破坏了原子的有序排列,形成多余的间隙原子。其中以杂质原子比较常见，杂质原子也可以取代金属原子而占据晶体结点位置，成为替换原子。空位、间隙原子和替换原子都会影响晶体的点阵结构，导致畸变发生，产生点缺陷。线缺陷就是指晶体中的位错。位错破坏了原子的有序排列，位错运动可以使晶体产生弹性畸变和塑性变形。位错的产生使金属表面

13、生成微孔隙，当孔隙凝聚就产生和平行的裂纹,当裂纹生长到极限长度时，材料表面可能岀现剥落。当位错密度随变形程度増加时，许多位错相互作用导致材料加工碘化。晶体结构变化晶体结构的变化也可以改变金属表面摩擦学特性。例如元素钻在加热时晶体结构从常温的密排六方晶格转变为面心立方晶格，摩擦系数也相应增人。另外在外力的作用卜，表层反复变形，温度也发生改变，变形区的晶体结构与材料结构在不断变化，导致相互作用的表面性质发生改变。表面吸附SurfaceAdsorption由固体表面具有较人的表面张力，因此在成形过程中形成的晶格歪扭、缺陷和加工碾化使表而原子处不稳定或不饱和状态。另外，材料成形过程中产生人覺新表面，新

14、表面上的原子由于失去平衡而使其能最高材料本体，较高的能最使表面貝有较高的活性，力图获得更多的原子，也即容易发生物理和化学吸附。根据吸附膜的性质不同，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是发生在气体与固体表面接触时由分子间的作用力(范德华力)而产生的吸附，其特征是不改变吸附层的分子结构或电子分布，所以吸附能力较弱。当温度升高时易发生解吸。化学吸附是指接触面上分子间产生了电子交换，或电子对偏移，电子的分布发生改变而形成化学结合力，但结合能比物理吸附要高，在较高温度才会发生解吸。金属表面对不同气体的化学吸附有一定的选择性。一些金属对某种气体可产生化学吸附，而对另种气体不产生化学吸附。为此，在摩擦副的选

15、配与不同介质中工作时应该注意。例如，表2-5中铁(Fe)几乎对所有气体都能发生化学吸附,而锌(Zn)、锡(Sn)和铅(Pb)等対氧有化学吸附。对氧不起化学吸附的金属只有金(Au)。表25化学吸附的选择性金属气体0-n3h2coC3H4c2h3W,Ta,Mo,TiZr,FeCa,Ba+Ni,Pt,Rn,Pd,+-+Cu,Al+-+Zn,Cd,Sn,Pb,Ag+-Au-+“+”发生化学吸附；不发生化学吸附表面氧化SurfaceOxidation金属表面氧化属化学吸附性质，从表2-5中可以看到，除金(Au)外，氧刈所有金属都能形成化学吸附，因此，在金属成形过程中新生表面一口裸露，很快就与大气中的氧发

16、生化学吸附，即化学反应。随着氧化膜厚度的增加，氧化速度取决J：氧向金属表面内层的扩散速度。一般认为，由/氧化物与金属本体的晶格常数不同，将妨碍氧继续向金属内部扩散。氧化膜的出现是金属表面吸附了氧原子、水分子和二氧化碳后发生的化学反应的结果,尤其是当氧的浓度与金属表面的温度较高时，很容易在金属表而产生氧化物而形成氧化膜。因此摩擦可以使金属表面的氧化明显加剧。图2-5为钢表面在不同条件卜氧化膜生成厚度与时间的关系曲线。很明显塑性变形时生成氧化膜厚度比未变形表而低温氧化膜厚度增加约200倍。(一乙翌鱼刃卜護芒杯校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料

17、学院孙建林Sun-jl263net # #图2-5钢表面氧化膜生成厚度与时间的关系曲线。（1-未变形表面上低温氧化膜；2塑性变形表面上氧化膜）因为氧化膜阻止了金属表而直接与外界接触，金属氧化膜的存在能防止金属的进一步氧化。例如:铁因外界温度不同可形成三种稳定的氧化物,FeO、Fg和Fe2O3,见图2-6.当温度低J570C时,FeO是不稳定的，将转变成Fe3O4,这时氧化物主要有两层，外层的Fe3O3和内层的Fe3O4:温度高J570C时，由外向内出现Fe、Fe3O4和FeO三层氧化物。FesOq较坚硬，成形过程中将起磨粒作用，使摩擦和磨损加剧，但在高温时FeO具有减摩润滑作用。当氧化膜较薄时

18、其强度较高，能够防止接触表面的粘结，但是随着氧化膜的厚度增加，使其强度降低，在摩擦磨损过程中易脱落形成磨粒，这将增加摩擦和加剧磨损。Fe23Fe3C)4FeO校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net # #校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net # #图2-6铁氧化膜示意图校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net # 2.3表面张力与接触角Su

19、rfaceTensionandContactAngle表面张力SurfaceTension液体表面的分子受到指向液体内部的拉力作用，如果把液体内分子由内部移向表面就必须克服这种拉力做功。这样，位r液体表面的分子比液体内分子貝有较人的势能。把液体表而全部分子貝有的势能总和称为表而能。表而能是内能的一种形式，液面分子在指向液内引力作用卜，有从表而进入内部的趋势，因U液体将尽可能地缩小表面面积。使液面自动收缩的能力称为表面张力。表2-6列出了儿种液体和润滑油的表而张力。表26几种液体和润滑油的表面张力(209,lON/m)液体和油表而张力液体和油表面张力水72.88正乙烷18.43乙醇22.50正庚

20、烷20.14丙酮23.32正辛烷21.62乙龊17.10丙酸26.69苯28.88丁酸26.51甲苯28.52辛酸27.53氯仿27.13油酸32.50四氯化碳26.66棉子油35.40液体石蜡33.10篦麻油39.0013.2接触角ContactAngle固体的表面能可以通过与液体接触时其形状的改变而推断，当固体表面上的液体、气体三者表面的自由能平衡时,见图27有(a)心90(b)(K90校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net # #校公共选修课摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net校公共选修课

21、摩擦学讲稿，材料学院孙建林Sun-jl263net 图27固一液接触接触角(2-11)0=cos1+6.gcos&=叽(2-12)式中匕一固体的表面张力:4.1一固一液界面的界面张力；。览一液体的表面张力；“一接触角。当衣90。时，固体表面能够被液体润湿；当90。时固体表面不能够被润湿。为此，可用接触角3表示液体対固体表而的润湿程度。根据式（2-12）可知：液体的表面张力越小，接触角0就越小，固体表面就容易被液体表而润湿。一般认为，液体的表而张力小固体的表面张力即可润湿固体表面。2.4表面特征与接触面积SurfaceCharacteristicsandAreaofContact表面特征Surf

22、aceCharacteristics宏观地研究接触表面并不能充分解释许多摩擦磨损现彖，只有从界面的微观分析才能深刻地分析与认识这些现彖，因为：（1）表面粗糙度：工模具和工件的表而是由许多微小的峰和谷组成的，其范围、大小、间距及方向性对摩擦磨损、润滑油膜的形成、储存润滑剂的数駅以及维持润滑油膜厚度都有重要影响。（2）工模貝性质与热处理影响表面状况：工模具材料一般为多相组织，各部分碘度不同，硬的抗磨质点（一般为中间金属化合物）被埋藏在延展性好的基体中。在摩擦磨损时，坚硬相比基体耐磨，在磨损后表而容易形成凸峰。此外，工模具经热处理提高耐磨性后，有时会因扩散使合金元素在表面聚集或分散，这样也会影响表面

23、的摩擦磨损状况。（3）工件变形与表面状况：由工件在预先加工过程中的摩擦和变形不均匀，或者加工硬化，可能使工件表面层发生剧烈变形，此时产生的变形与摩擦热也将使工件表层组织发生变化，从而影响工件表面显微形貌。（4）接触表而并不能始终保持纯金属表面：由发生塑性变形，工件表面不断更新，同时接触表而常常覆盖有反应物（如氧化膜、吸附膜、污垢膜、润滑膜等）也都会改变表面形貌和特征。接触面积AreaofContact工模貝与工件表面无论被加工得多么光滑，从微观角度讲都是粗糙的，工件表面尤为不平。因此，当两个物体相接触时，其接触而积不可能是整个外观面积。正如F.P鲍登教授1950年在英国广播公司（BBC）讲话所

24、比喻的那样，“把两个固体放在一起，就象把瑞士倒过來放在澳丿、利亚上面，它们的直接接触而积是很少的。从三维观点观察，表面仅仅在微凸体顶部发生真正接触，其余存在着100A或更人的间隙，实际的或真正的接触面积只占总而积的极小部分，因此可以把接触面积分为：图2-8接触表面示意图表观接触而积(ApparentAreaofContact),或名义接触面积(NominalAi*eaofContact)：是指由两物体宏观界面的边界来定义的接触面积，以凡表示，A=axba表观接触面积只与表而几何形状有关。轮廓接触而积(ContourAreaofContact)：是指由物体接触表面上实际接触点所圈成的而积，以凡表

25、示，如图2-7中虚线围成的面积Z和。实际接触而积(RealAreaofContact)：是指在轮廓面积内各实际接触部分微小面积Z和，也是接触副Z间直接传递接触压力的各面积Z和，又称真实接触面积，以4表示，如图2-8中小黑点而积Z和。由J：表面凹凸不平，实际接触面积是很小的，一般只占表观接触面积的001%-1%,但是，当接触表面发生相对运动时，实际接触面积对摩擦和磨损起决定作用。同轮廓接触面积一样，实际接触面积不仅与表面几何形状有关，而且还与载荷有关。在载荷作用卜,互和接触的表而微凸体首先发生弹性变形，此时实际接触而积与接触点的数目、载荷成正比。当载荷继续増加，达到软材料的屈服极限时，微凸体发生

26、塑性变形，实际接触面积迅速扩人，此时有，Ar=(2-13)式中Fn法向载荷；6一软材料的屈服强度。2.5表面塑性粗糙化SurfaceRougheninPlasticDeformation金属变形与表面粗糙化MetalDeformationandSurfaceRoughening金属多晶体由许多位向不同的晶粒组成，变形时存在晶内变形和晶界变形两种形式。晶内变形的主要机制是滑移和李生，晶界变形的重要方式是晶粒Z间的相互滑动和转动。金属塑性变形的主要机制就是滑移，是指晶体在外力作用卜，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向和刈丁晶体的另一部分发生和対移动或切变，其结果在金属的表面出现一系列的滑移台阶，这就

27、是在适当的条件卜在金属表而上所能观察到的滑移带或滑移线现彖。金属的宏观塑性变形就是许许多多的位错在多个滑移系上同时协调作用的结果。由交叉滑移、多滑移使位错相互交割，使运动阻力増人，因此，塑性变形的结果，使得在坯料或制品表面产生塑性粗糙化现彖。如金属板冲压成形时，若金属晶粒比较人，冲压件表面会呈现凹凸不平，即所谓的“桔皮”现彖；又如粗晶粒金属挤压件表面变粗糙，甚至出现微裂纹。金属在塑性变形时表面产生粗糙化现彖的原因与金属的晶体结构特点密切和关。采用不同晶格类型与不同晶粒度的金属试样进行拉伸实验，给予不同延伸变形，然后测屋自由表面上的粗糙度。实验结呆表明，它们之间存在如卜关系：R=asd（2-14）如考虑金属变形前的原有粗糙度Ro,则有R=RQ+ad（2-15）式中一变形程度；d晶粒直径：a比例系数，反应了晶体结构异向性的影响。其中，密排六方：a=084-1.15；面心立方a=0.400.50；体心立方a0.23o由式（2-15）可见，金属的性质、组织状态以及变形程度都会直接影响表而粗糙化的程度，图2-9中示出了不同热轧钢板制作的拉伸