材料的摩擦特性

1、材料的摩擦特性第1页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四金属材料的摩擦 材料相容性 拉宾诺维奇发现，纯金属组合之间的摩擦系数与摩擦对之间的粘着能Wab及较软金属的压入硬度P之间存在下述关系： c1为一与表面几何特性有关的常数。 Wababab Wab的最大值应为(ab)，而最小值是零。 可以把上式改写成 Wabc2(ab) c2是介于 1 与零之间的常数。 第2页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四材料相容性上式表明，摩擦系数与表面能对软金属硬度的比值有关。比值越大，摩擦系数越大；反之越小。相容性参数c2越大（趋近1时）摩擦系数也越大。为了了解相容性参数的物

2、理意义，拉宾诺维奇把二百多对金属组合，按其二元相图的特征进行了分类。发现它们有的具有较大互溶度，有的只有很小互溶度，而有的完全不互溶。并且发现金属对之间互溶度大的，摩擦系数大，相容性参数c2也大。因此，他认为相容性参数c2是与互溶度有关。对于同种金属组成的摩擦副，其相容性参数定义为1。 第3页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四金属表层在摩擦过程中的变化 在力和热的共同作用下，将使摩擦表面发生一系列变化。这些变化主要有：1) 表面几何形状的变化；2) 亚表层晶体缺陷及组织结构的变化；3) 表面化学成分的变化。 第4页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四1.

3、摩擦表面几何形状的变化 （1）平衡粗糙度摩擦副滑动时，表面粗糙度不断改变而趋于一个稳定值。原来粗糙的表面可能变得光滑，而原来光滑的表面也可能变得粗糙。同一种材料在相同外部条件下发生摩擦时，经过几个小时的磨合，其表面都会达到同样的粗糙度。人们把在摩擦磨损过程中，除了摩擦初期外，在任何后继过程中都会重复出现的固定不变的粗糙度称为“平衡粗糙度”。 平衡粗糙度可理解为在磨合结束后，摩擦状态不变时在摩擦接触面上新形成的粗糙度。而且平衡粗糙度与原始粗糙度无关。 第5页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四（2）塑性变形 摩擦表面的塑性变形是通过微凸体间的相互作用造成的，其变形特点: 1)

4、摩擦表面的接触先发生在较高的微凸体上，外力加大，接触的微凸体数目增多，且接触的微凸体发生弹塑性变形。各微凸体上变形的程度不一；2) 摩擦表面的塑性变形是不连续的、反复发生的。其程度由摩擦工况条件决定；3) 摩擦表面的接触状态决定了应力状态的不均匀性，这将导致巨大的微观应力；4) 摩擦表面的近表层(10100nm)，塑性变形使组织呈强烈的方向性，产生表面层织构；5) 摩擦表面晶体缺陷密度大。第6页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四表面层发生的变化 摩擦金属表面的塑性变形将使该表面层发生一系列物理和力学性质的变化以及组织结构的变化，如： 1) 使表面产生加工硬化；2) 形成变形

5、织构，增大内应力；3) 表面晶粒明显细化，亚晶尺寸减小，即发生恢复和再结晶，甚至有时在表层形成微薄熔化层；4) 由于变形和摩擦温升的共同作用，可使摩擦表面产生二次淬火和二次回火，并促进表面扩散过程。 第7页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四摩擦表面组织结构的变化 摩擦过程中，表层中存在的复杂变形以及摩擦产生大量的热，会使表层中组织、结构发生很大变化。这包括位错大量增殖以及与之相连的胞状亚结构形成、表面织构形成、表层加工硬化以及恢复与再结晶，还有表面层内可能发生相变，甚至产生所谓的“白层”结构等等。 （1）摩擦过程中表层相结构的变化 1) 同素异构转变 2) 二次淬火 表层温

6、度超过Ac1，奥氏体将形成，冷却时，奥氏体转变为更加稳定的相，如马氏体。这种由二次奥氏体转变得来的马氏体称为摩擦马氏体。这种过程称为二次淬火。 如果在冷却时，奥氏体不发生马氏体相变而保持至室温，这种奥氏体称为摩擦奥氏体。摩擦奥氏体的特点是硬度高于原始（残余）奥氏体的硬度。 第8页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四组织结构的变化3) 二次回火 淬火钢在摩擦热的作用下会发生二次回火，其回火程度取决于摩擦温度和时间等。快速回火组织具有下述的特征：a) 马氏体分解后形成的相是具有高弥散性与高应力状态的亚组织，并且具有高的显微硬度；b) 残余奥氏体分解和碳化物质点的聚集受阻；c) 原

7、始组织的位向不变。第9页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四组织结构的变化 4) 碳化物的溶解与析出 KK其中铁素体或马氏体；奥氏体； K弥散碳化物。 a) 固溶体中碳浓度的变化可能使材料局部微区的耐磨性发生变化； b) 在摩擦时析出的石墨可起润滑作用。 5) 再结晶 6) 逆变马氏体 第10页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四（2）白层 白层是摩擦表面常见到的一层与基体组织明显不同的组织形态，它硬度高、难以腐蚀，在金相显微镜和扫描电镜下呈白亮色，故称为“白层”或“白亮层”。白层的存在范围十分广泛。但是白层产生的条件以及它的相组成和性能到目前为止尚不很清楚

8、。一般认为白层主要是由塑性流动、急冷急热、表面反应三种作用所致。白层有两种形态，一种是均匀而不易腐蚀的薄白亮层，称为均匀白层；另一种是白亮层与暗带相间的带状白层。白层厚度都在30120m之间。均匀白层的显微硬度明显高于带状白层，白层硬度高达Hv1000。 第11页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四白层 一般认为白层是一种复杂的多相高弥散组织，其中含有奥氏体、马氏体和碳化物。迄今为止对白层提出的各种组织上的推测是：a) 马氏体或马氏体为主的组织；b) 主要是奥氏体；c) 奥氏体与马氏体共格存在；d) 由于同外部介质作用，金属表面被氧、氮富化，或润滑剂中存在有的碳使表面碳化物富

9、集。关于白层的摩擦学特性，许多人认为，白层的硬度高、粗糙度低，它的形成有助于摩擦系数的降低和耐磨性的改善。也有资料报导，虽然白层硬度很高，但对提高耐磨性并不特别有效，原因是不平衡的白层组织疲劳抗力很低，经一定循环后，白层将会剥落。 第12页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四3. 摩擦过程中表层成分的变化 表面与介质的相互作用 Fe2O3与Fe3O4 膜的摩擦特性最主要的一种是发生氧化反应，形成氧化物。氧化物的性质如硬度、薄厚、膜的成分、与基体的结合强度等强烈影响着摩擦磨损性能。若形成薄而致密的表面膜，且膜与基体的结合牢固时，则摩擦系数大大降低。 第13页，共49页，2022

10、年，5月20日，4点27分，星期四转移膜 钢盘表面在与铝销滑动接触前后的俄歇谱 接触前 一次 十次 二十 第14页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四表面偏聚 在摩擦过程中，由于摩擦的热效应以及表层形变造成的各种缺陷，使表层附近的扩散系数比基体的要大得多。这些缺陷本身在其周围造成的畸变，也易于使某些溶质原子富集。在摩擦过程中将更容易出现合金元素的表面偏聚，而且偏聚的浓度也可能更大些。 Fe-Ni(0.18Si)合金与工具钢 硅将偏聚于表面，并且形成一个“玻璃膜” 第15页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四第二节 非金属材料摩擦 一、脆性固体的摩擦 脆性材料

11、（如岩盐、石英、玻璃和陶瓷等）的性质与金属明显不同，它们被认为是非可延性的，在很小的拉应力下它们就可能断裂和破碎。实验表明，脆性材料的摩擦，事实上重复性很好，重复的程度与金属一样，而且大致符合古典摩擦定律。 1. 脆性固体的摩擦机理 我们以典型的脆性固体岩盐（NaCl）为研究对象。当硬金属球在岩盐上滑过时，表面的损伤表现出两个主要特征：第一是表面有微观碎裂和若干可见裂纹；其次是宏观的摩擦痕迹与其一般的金属或其它延性材料的磨痕相似，也就是说表现出明显的塑性变形特征。第16页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四脆性固体 鲍登等人在对岩盐的摩擦机理进行详细研究发现，金属的粘着摩擦理

12、论基本能适用于解释岩盐的摩擦，即岩盐在摩擦过程中也存在粘着现象。但在真空中的实验得到，对洁净的岩盐来说，摩擦的增加是很小的，这说明岩盐没有出现金属那样产生大规模的接点长大现象。通过对岩盐的摩擦研究，并结合其它一些脆性材料的研究，我们可以得到：脆性材料在摩擦过程中，尽管表面有微小的破碎和裂纹，总的摩擦机理与金属很相似，即产生粘着和塑性变化，然而作为洁净金属特征的大规模的接点生长，在脆性材料中不会发生。所以，脆性材料洁净表面的摩擦系数一般不会超过1.0 的数值。 第17页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四玻璃与陶瓷 玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特点的材料。从广泛的意义来说，可以把

13、玻璃及结构陶瓷认为是很好控制成分和组织结构的岩石。陶瓷与各种材料的摩擦在工程应用上是非常重要的，如在陶瓷的轴承及轴瓦、密封面、滑道、汽车及航天器推进系统中的陶瓷元件等的设计上都要考虑摩擦的影响。 第18页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四陶瓷陶瓷主要是由离子键和共价键形成的，它们的相溶性很低，自配对的摩擦系数比较小。但环境因素的影响是非常大的。陶瓷的摩擦有两个基本的状态，一种是发生严重磨损和表面断裂的情况，另一种是只有轻微磨损的情况。对于前者，滑动摩擦系数可达0.50.8，而后者只有0.10.3。严重磨损时，摩擦由于不断发生的断裂和产生硬磨屑而增加。很多陶瓷在干燥情况下都会

14、促进磨损的发生，因此会使摩擦提高。在空气中，随着滑动温度的增加，表面的水蒸汽要脱附，这会使摩擦增大。但随着温度的进一步提高，由于具有润滑作用的氧化膜达到足够的厚度，这样又会使摩擦下降。许多陶瓷在摩擦时发生摩擦化学反应，能获得非晶态表面层，它不同于晶体结构的基体，在适当的条件下可以减摩、耐磨。第19页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四陶瓷材料在摩擦磨损方面的应用 与金属材料相比，陶瓷具有强度重量比高、刚度弹性模量比大、高温强度好、抗腐蚀性强等特点。有些陶瓷，如碳化物、氮化物、硼化物及耐熔金属的氧化物，都有很高的熔点，显示出很好的高温性能。这类材料主要用于苛刻的工作条件，如高温

15、、高压和高滑速等。陶瓷性脆，受拉伸、机械冲击或热冲击时容易破碎。陶瓷在摩擦磨损方面的应用年代较长，早先用在精密计时计上，后来用作金属切削刀具、电刷等等。近年国防及宇航工业提出的超高温工作条件，要求开发新的陶瓷品种及探索表面改性新工艺。上世纪八十年代绝热发动机研制的浪潮也是陶瓷学科迅速发展的一个重要推动因素。 第20页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四二、聚合物的摩擦 聚合物一般处在玻璃态、高弹态或粘流态。聚合物的摩擦可分为三种类型：(a)玻璃态或晶态的摩擦；(b)橡胶态的摩擦；(c)粘流态的摩擦。第21页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四摩擦机理 聚合物

16、的基本摩擦机理与金属材料是类似的，也就是说微凸体的粘着及犁划变形是影响聚合物和与之相对材料之间摩擦的主要因素。但是，金属的摩擦特性是不同于聚合物的，原因是金属的摩擦特性属于弹塑性范畴，而弹性模量和熔点较低的聚合物的摩擦特性属于粘弹性范畴。因此，聚合物的摩擦特性对外加载荷、温度和滑动速度更为敏感。另外，当聚合物处在高弹态时，在摩擦力中增加了一项迟滞分量。第22页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四聚合物的摩擦特征聚合物产生粘着的原因与金属是不同的。一般说，聚合物粘着的根源在于表面有三种力存在：一种是静电力；另一种是范德瓦尔斯力；如果聚合物中有某种极性原子存在，那就还有偶极的相互

17、作用（色散力）和氢键的作用力。另外，由于聚合物一般是热的不良导体，在滑动过程中，摩擦表层的温度可升至可观的程度。所以，聚合物表层由于摩擦热而熔融的情况很普遍。在这种状态下，熔融层的物质很容易发生粘着和转移，这时的摩擦特性与聚合物的粘流特性有很大关系，而且摩擦明显取决于速度和温度情况。通过研究还发现，在聚合物干摩擦时，粘着点的增长程度不很明显，因而简单的粘着理论看来比金属更适合于聚合物。聚合物的犁沟作用方式一般不是采取塑性变形或弹性变形的方式，而是采取粘弹的方式。 第23页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四温度关系 聚合物的摩擦与温度、载荷及速度等有很大关系，甚至加载时间都会

18、对摩擦产生很大影响。在弹性聚氨酯与钢的摩擦实验中得到，随着加载时间的增加，聚氨酯的摩擦系数明显提高。 第24页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四聚四氟乙烯 聚四氟乙烯（PTFE）在工程塑料中占有非常重要的地位，有“塑料王”的美称。它的用途相当广泛，从普通机械到有极端苛刻使用条件的尖端装置上都在使用。 聚四氟乙烯的大分子构形。它在温度低于19时呈三棱体形，螺旋形大分子中每13个碳原子扭转180，其轴向间距为1.7nm；在高于19时呈六面体形，每15个碳原子扭转180，轴向间距为2nm。第25页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四聚四氟乙烯性能聚四氟乙烯的分子

19、链结构形式与聚乙烯的完全一样，只是用氟原子置换了氢原子，而正是这一点使它具有一些优异的性能，特别是具有优异的摩擦特性。 1) CC 键与CF 键结合能大，分子内结合牢固；分子间结合为范德瓦尔斯力，结合力弱。所以，相比之下，分子链不易断裂与分解，而大分子易于解脱与滑移。2) 聚四氟乙烯大分子上具有对称的氟原子，电性中和，大分子不带极性，因而具有优良的介电性能。 第26页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四聚四氟乙烯特性 3) 相邻大分子的氟原子的负电荷有相斥作用，导致了极低的内聚力。4) 由于氟原子体积大，又相互排斥，以致整个大分子链不能呈平面锯齿形而呈螺旋形，并且比较僵硬。大

20、分子链的这种硬棒状特性，加上上面所说的分子间引力小，使得它的熔体粘度极高，不溶于任何溶剂，具有表面不粘性与润滑性等。5) 分子链没有支链。通过X射线衍射的研究指出，聚四氟乙烯大分子的外部由分布得相当平滑的电子所包围，分子呈柱状的“流线型”结构，这也使得分子间的相互作用大大减小。 第27页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四聚四氟乙烯的摩擦如果将聚四氟乙烯滑块在光滑和洁净的表面上低速滑行，起始阶段的摩擦系数相当高，可达0.20.3，这时会有一些材料团块转移到对摩表面上，这些团块的厚度为0.10.3m数量级。一旦继续运动，摩擦系数就急剧下降到0.08左右，而且以薄膜形式转移到对摩

21、件表面上，薄膜的厚度为510nm数量级。这层薄膜在对摩面上紧密贴合，薄膜的大分子依照运动方向高度定位。初始的粘着一旦被滑块接触区周围的物料克服，材料内部的大分子就很容易被拉出结晶区而按滑动方向定向，这不依赖于它们的结晶度或分子量，似乎主要与分子链的光滑外形有关。很多研究指出，摩擦过程中材料形成转移膜是PTFE摩擦的主要特性。 第28页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四主要缺点 尽管PTFE在大约300以下具有非常低的摩擦系数，作为实际轴承材料，它有四个主要缺点：1)机械强度不够；2)热传导性差；3)热膨胀系数高；4)在高速时，0.3。 若直接用PTFE作轴承材料，则它一定会

22、发热、膨胀并粘住。如把它渗在多孔材料的表面上（如烧结铜），这些困难就可以克服。 第29页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四PTFE高速滑动在应用PTFE时必须广泛使用填料，以期获得长的寿命和低的摩擦。无添加剂的纯PTFE无疑将继续被用在能避免摩擦过热的场合 。真空条件下使用100的PTFE表面，则会发生过度磨损。 第30页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四金刚石 金刚石是人们所知的最硬的材料。它压入和划伤最硬的金属及陶瓷时不产生永久变形。它的屈服压力超过2000公斤毫米2，它的杨氏模量约为钢的4或5倍。 载荷在570克范围以内，我们可以近似地写成： 可由

23、赫芝理论推出 ，这说明是弹性接触。第31页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四金刚石的摩擦2)金刚石表面无论是彻底洗净和清除了油渍的、或是有矿物油或脂肪酸覆盖的，其摩擦实际上都相同；3)载荷减小时，摩擦系数上升；4)表明摩擦与方向性有明显关系。 金刚石在空气中的摩擦有以下四种特征：1)摩擦系数一般是低的（0.05）；金刚石针与金刚石的摩擦 第32页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四高真空 高真空中加热到大约700，许多污染膜清除掉，值明显地上升了。在空气中 0.40.6；而在真空中 13。 真空中金刚石与清洁金属的摩擦 金刚石不可能发生连接点的生长。但金属

24、塑性流动，可以有大得多的接触面积，并伴随着高的摩擦系数。 第33页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四金刚石的高速摩擦 高速情况下，由于金属大量地熔化，金刚石上覆盖一层薄的转移金属膜，这样，金属只碰到覆盖在金刚石表面上的金属，与金刚石不能接触。然而在某临界滑动速度以下，摩擦产生的热不足以产生大规模的金属熔化。这时在金刚石表面上形成许多热点，热点的温度由滑动金属的熔点决定。由于高温，金刚石转变成无定形碳，这个过程在1000时是缓慢的，但超过1600后就很快了。所以金刚石的抛光大部分是由于一种碳形态的高温改变（石墨化）所致，各种金属造成金刚石磨损的效果，随着金属熔点的升高而迅速增

25、加。 第34页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四金刚石材料的应用 金刚石薄膜技术方面得到了很大发展。人们用各种热化学方法在不同基体材料上制造出各种金刚石薄膜，并使成本不断下降，目前已经得到了越来越广泛的应用。其中有一种叫类金刚石碳膜（DLC膜）非常有应用前景。这种膜是金刚石与非晶态碳的混合体，它的表面要比纯金刚石膜的表面更平整、更光滑，因此摩擦系数也更低。DLC膜已经在刀具及磁介质（磁盘、磁头）等方面得到了迅速的应用。 第35页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四纳米金刚石颗粒 1) 纳米金刚石在摩擦界面上优异的承载能力；2)纳米金刚石的小尺寸效应，对表面

26、抛光，形成一层金刚石固体边界润滑膜；3) 纳米金刚石的球形和准球形可在摩擦表面形成滚珠轴承效应，表现出良好的润滑性，将滑动摩擦变成滚动摩擦； 4)金刚石在摩擦过程中，尤其在黑色金属摩擦副中，向石墨转变，可提高润滑性。 结果表明，含有纳米金刚石颗粒的润滑油使钢铁材料摩擦副之间的摩擦系数降低约50%，使得动力消耗明显减少。在发动机的机油内加入纳米金刚石，加入量0.1wt%，可以提高发动机的寿命，油料节约10%左右。对于纳米金刚石减摩耐磨机理研究尚没有明确结果，主要有如下观点： 第36页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四冰的摩擦 冰的摩擦特性是非常重要的，如车辆安全行使、娱乐业（

27、滑冰、滑雪）以及破冰船的工作等都与冰雪的摩擦有关。尽管冰的分子式很简单H2O，但它是结构最复杂的固体之一。温度的变化对冰的性能有很大影响。冰粘附在金属上与它粘附在聚合物上看来是很不相同的。当水在干净的金属表面结冰时，界面比冰本身强，裂缝发生在冰的内部。金属表面污染的存在明显地使粘附力降低。对于聚合物材料，在一个宽广的温度范围内，界面力一般地小于整块冰内部的内聚力，因而破裂确实发生在界面处。不管是金属还是聚合物，实际粘附都与温度有关。对于聚合物，在-15到-30的范围内粘附对温度的相关性似乎是消失了。第37页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四冰的摩擦第38页，共49页，202

28、2年，5月20日，4点27分，星期四冰的摩擦 不同材料的雪橇在冰上的摩擦随速度的变化 第39页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四冰的摩擦冰的摩擦可概括为以下几点：1) 在冰点以下，动摩擦系数有随着温度下降而上升的趋势；2) 摩擦热及热量在周围的传导情况是控制动摩擦的主要机制； 在冰点下几度内，光滑冰面与不同材料的摩擦系数一般为0.010.05，但表面粗糙度的提高会使摩擦增大。 第40页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四第三节 层状固体的摩擦 具有片状或层状结构的固体，由于它们有十分明显的各向异性或方向性的性质，因而具有低的摩擦阻力。这类材料主要有石墨、二

29、硫化钼、滑石、云母及氮化硼等，它们也都是典型的固体润滑材料。 一、石墨 第41页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四石墨的摩擦 第42页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四二硫化钼 温度升到800以上，MoS2发生显著的分解。这样就剩下了固体钼，它产生很高的摩擦，二硫化钼在真空中的低摩擦使它特别适宜于太空中的应用。 应用：在制造烧结金属零件时使之含有MoS2。 MoS2作为润滑脂和润滑油的主要耐磨添加剂也取得了很好的效果。 第43页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四减摩材料 各种机器中许多摩擦副要求尽可能小的摩擦阻力，即尽量低的摩擦系数，以降低摩擦损耗，提高使用效率；同时还要有较好的耐磨性，以保持机器的使用寿命和可靠性。 对减摩材料的要求 减摩性 2) 耐磨性 3) 好的适应性和对异物的嵌藏性 4) 足够的强度 5) 良好的物理、化学性能 6) 工艺性好 第44页，共49页，2022年，5月20日，4点27分，星期四常用减摩材料按其构成的物质和制造方法的不同，减摩材料有以下几类：1)轴承合金；2)粉末冶金减摩材料；3)金属塑料减摩材料；4)金属纤维减摩材料；5) 减摩铸铁；6)化学渗减摩层；7)非金属减摩材料。 第45页，共4