第二章摩擦学概论课件

第二章摩擦学概论第二章摩擦学概论1Diagram1摩擦是不可避免的自然现象。2磨损是摩擦的必然结果。3润滑则是改善摩擦、减缓磨损的有效方法。Diagram1摩擦是不可避免的自然现象。2磨损是摩擦的必然2

当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移，即磨损，磨损会导致表面损坏和材料损耗。润滑是降低摩擦和减少磨损的有效手段。

引言当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的3摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。

当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。这种反方向的研究领域也属于摩擦学的学科范畴。摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，4

摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界大约有的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损是机械设备失败的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。 同时，摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也有重要作用。由于摩擦学对工农生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视，成为近三十年来迅速发展的技术学科，并得到日益广泛的应用。 摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世5

摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例如流体力学、固体力学、流变学、热物理、应用数学、材料科学、物理化学，以及化学和物理学等内容。因此多学科的综合分析是摩擦学研究的显著特点。

由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析和实验研究都较为困难，因而理论与实验研究的相互促进和补充是摩擦学研究的另一个特点。随着理论研究的日益深入和实验技术日益先进，目前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观进入微观；由定性进入定量；由静态进入动态；以及由单一学科角度的分析进入多学科的综合研究。摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例6 第二章摩擦学概论 第一节物体表面的性质

任何摩擦表面都是由许多不同形态的微凸峰和凹谷组成。表面几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下的摩擦磨损和润滑起着决定性影响，因此，了解和研究表面形貌及其参数是十分有必要的。 一、物体的表面 物体的表面总是凹凸不平的。表面粗糙度是表示表面凹凸不平的程度，表面愈粗糙，实际接触面积愈小，单位面积压力愈大，要求油膜厚度愈大。反之．粗糙度愈小，实际接触面积愈大，单位面积压力愈小，要求油膜厚度也就可以小一些。 第二章摩擦学概论 第一节物体表面的性质7（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。①起动摩擦阻力小，节能；按相对运动的位移特征分类②两表面间应该具有足够大的相对运动速度，其运动方向从楔形较大较小的一端；接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。①润滑剂的分子链环具有较强分子吸引力，能阻止表面微凸体将润滑剂膜穿透，因而可以缓和磨损过程该学说的摩擦系数:

f=Σfi/ΣNi=F/N=tanθ斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。应选用疲劳强度高、防腐性能好、耐磨耐高温的新钢种、新材料。在某些新的摩擦表面上，因接触点较少，压力较大，容易产生小麻点状的点蚀。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中材料的迁移现象。不同金属的摩擦副，由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦因数一般较低。吸附能力越强，油性越好。当机械的运动速度很低，而载荷又很太时，即使用粘度很大的润滑油也很难在摩擦表面间形成完整的油层。国产润滑脂牌号是以针入度大小为依据划六、摩擦时表面上发生的现象②两表面间应该具有足够大的相对运动速度，其运动方向从楔形较大较小的一端；物体表面同相对静止的接触持续时间越长，摩擦系数增大。任何摩擦表面都是由许多不同形态的微凸峰和凹谷组成。（1）概念在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。表面形貌组成固体表面的微观几何形状，即形状公差、波纹度和表面粗糙度统称为表面形貌。（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。8二、表面结构:加工后的表面金属表面组成是复杂的，微观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质发生相互作用。大致分为5个部分。污染层油污、灰尘吸附层液体、气体氧化层氧化物

金属表面组成二、表面结构:金属表面组成9贝氏层加工中表面分子层熔化和表面分子层流动产生的冷硬层，晶粒很细，有利于耐磨。变形层机加工过程中形成的变质层。金属表面组成贝氏层加工中表面分子层熔化和表面分子层流金属表面组成10观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质如图23中的AB段，经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。流体摩擦以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。是摩擦表面在很宽的速度范围内以及静止状态下都能承受外力作用而不发生磨损。例如水泵、水轮机，气力输送管道、火箭尾都喷管等产生的磨损。摩擦表面材料微体积受循环接触应力作用，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒，形成疲劳磨损。3)极压性能需依靠添加抗磨极压剂(硫、磷、氯的有机极性化合物)来改善这种性能。④保证供给适量的润滑剂，防止缺油和漏油；一般取脂的工作温度低于该脂的滴点20～30℃。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力:（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。不同金属的摩擦副，由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦因数一般较低。3．急剧磨损阶段(III阶段)．4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。磨损在固体摩擦表面上物质不断损耗的过程叫作磨损。观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质111.接触的本质两个粗糙表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表面上一些较高的微凸体发生接触，这些不连续的微小接触点的变形构成了真实的接触面积。随着载荷的的增加，其它次高微凸体也逐渐发生接触。2.接触表面的相互作用（1）分子相互作用，即粘着:接触只在少数较高微凸体上产生，实际接触面积很小，接触点上的应力很大，在接触点处发生塑性流动、粘着或冷焊。金属间的焊合性能将摩擦副分3类完全焊合(PbCu,AlCu)、部分焊合(ZnFe,AlFe)和有限焊合(MgFe,AgFe)摩擦副。(2)机械相互作用材料不发生粘着而是产生一定的变形和位移以适应相对运动。三、固体表面的接触1.接触的本质两个粗糙表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表12名义接触面积An接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。名义接触面积An13(2)轮廓接触面积Ap接触表面被压扁部分形成的面积，即在波纹度的波峰上形成的接触面积。是一种假设接触面积， 大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。(2)轮廓接触面积Ap14(3)实际接触面积Ar物体真实接触面积的总和，两接触物体通过表面微凸体直接传递界面相互作用，发生变形而产生的微接触面积之和。为名义接触面积的0.01~0.1%，黑点表示的接触面积。(3)实际接触面积Ar15实际接触面积的部分特性（1）由于表面粗糙度具有离散性，其接触也同样具有离散性。（2）实际接触点是由塑性变形和弹性变形共同作用的结果。（3）实际接触面积随载荷的增大而增大，接触点处的平均面积几乎保持不变。（4）实际接触面积的增加主要是由于接触点数的增加。实际接触面积的部分特性16滴点愈高，耐热性愈好，脂允许的工作温度也高。斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。金属材料基本符合，粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。原因在于理想粗糙表面模型过于简化。2)扩展性疲劳磨损（4）摩擦系数与滑动速度无关。3)极压性能需依靠添加抗磨极压剂(硫、磷、氯的有机极性化合物)来改善这种性能。气泡形成和溃灭的反复作用，使零件表面产生疲劳破坏，出现麻点直至扩展为海绵状空穴，这种磨损称气蚀磨损。作用在两接触面上的循环接触应力较大．由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。气泡形成和溃灭的反复作用，使零件表面产生疲劳破坏，出现麻点直至扩展为海绵状空穴，这种磨损称气蚀磨损。1．表面的污染如表面热处理(钢的表面淬火等)、表面化学热处理(钢的表面渗碳、渗氮等)、喷涂、喷焊、镀层、沉积、离子注入、滚压、喷丸等，改善表面的耐磨性。②确定正确的润滑方式和润滑方法，设计合理的润滑装置和系统；磨粒磨损有凿削式、高应力碾碎式及低应力擦伤式等三种形式。4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。脱落颗粒和新露出的金属表面与大气中的氧起反应生成氧化物。（6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。选用合适的润滑剂和润滑方法，用理想的流体摩擦取代干摩擦，这是减少摩擦和磨损的最有效方法。** 对于塑性接触状态，实际接触面积与载荷成正比。**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。原因在于理想粗糙表面模型过于简化。滴点愈高，耐热性愈好，脂允许的工作温度也高。** 对于塑性17摩擦的定义两个接触物体表面在外力作用下相互接触并作相对运动或有运动趋势时，在接触面之间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象就是摩擦。第二节摩擦第二节摩擦18一.摩擦的分类 1.摩擦按摩擦副运动状态可分为静摩擦两物体表面产生接触，有相对运动趋势但尚未产生相对运动时的摩擦。动摩擦两相对运动表面之间的摩擦。一.摩擦的分类192.按相对运动的位移特征分类滑动摩擦两接触物体接触点具有不同速度和(或)方向时的摩擦。滚动摩擦两接触物体接触点的速度之大小和方向相同时的摩擦。自旋摩擦两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋转时的摩擦。2.按相对运动的位移特征分类203.按表面润滑状态分类干摩擦两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。边界摩擦边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。流体摩擦以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。混合摩擦半干摩擦和半流体摩擦的统称。3.按表面润滑状态分类214.斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。4.斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表22三、摩擦定律——库仑摩擦定律1.古典摩擦定律(称为阿蒙顿库仑定律):（1）摩擦力和载荷成正比，即F=fN。除了在重载荷下实际接触面积接近表观面积外，都是正确的。可适用于一般工程实际。但对一些极硬或软的材料，摩擦力和法向载荷间并不是线性的正比关系。（2）摩擦系数与（名义）接触面积无关。有其局限性。一般仅对具有屈服极限的材料如金属材料是满足的，不适于弹性和粘弹性材料。当两表面加工得很光滑、很清洁时，如块规，它们之间会出现强烈的分子吸引力，此时摩擦力与接触面积不成正比。实际上应说成是与名义面积无关而与真实接触面积有关。三、摩擦定律——库仑摩擦定律23（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。（4）摩擦系数与滑动速度无关。金属材料基本符合，粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。

在一般情况下是对的，但在近代弹性流体动压润滑理论中就不适用。（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管改材料24当温度在100度以上时，油很快就被氧化。为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并非常量，用摩擦二项式定律表示针入度愈小，润滑脂愈稠，承载能力强，密封性能好；利用摩擦表面形状和相对运动，使润滑油自然产生油压，把接触着的两个表面分开，这种情况称为液体动压润滑另外，溶解在液体中的气体也会析出形成气泡，一旦气泡运动到高压区，高压大于气泡压力，气泡遭到溃灭，瞬间产生极大的冲击力和高温。增加了冲击，润滑油膜易破坏，磨损速度急剧增加，致使机械效率下降，精度降低，出现异常的噪声和振动，最后导致意外事故。2．使摩擦表面发生变化通过一套液压供油系统，将具有一定压力的高压油强行供到摩擦表面的间隙中，使两相对运动的摩擦表面，在运动之前就被高压油分隔开，从而保证运动副在承受一定载荷情况下，完全处于液体润滑状态，称为液体静压润滑。经过B点后，由于摩擦条件发生较大的变化，如温度快速增加，金属组织发生变化。τb、σs分别是较软材料的剪切强度极限（或界面4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。两个接触物体表面在外力（4）摩擦系数与滑动速度无关。特点是磨损量与时间成正比增加。作用在两接触面上的循环接触应力较大．由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。吸附能力越强，油性越好。磨粒磨损有凿削式、高应力碾碎式及低应力擦伤式等三种形式。其表现为物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。在载荷继续作用下，形成凹坑。在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0. 四、摩擦机理 1．机械理论 2．分子理论 3．分子—机械理论 4．粘着理论 5．能量理论*

当温度在100度以上时，油很快就被氧化。 四、摩擦机理25滑动摩擦理论

1.机械啮合学说

摩擦是由表面粗糙不平的凸起之间的机械啮合作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数越大的现象，但无法解释经过精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象。该学说的摩擦系数:

f=Σfi/ΣNi=F/N=tanθ

θ是接触微凸体的倾斜角。

滑动摩擦理论

1.机械啮合学说

摩擦是由表面粗262.分子吸引理论 当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比F=f(N+pAr)

p为分子引力，Ar为真实接触面积但这结果与试验结果不一致2.分子吸引理论273.分子—机械理论克拉盖尔斯基1939年提出分子机械摩擦理论，认为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并非常量，用摩擦二项式定律表示f=αAr/N+β如果α=τb，则分子分量与下述的粘着是一致的。金属的，塑料的β=0.06～0.12β=0.017～0.06。

3.分子—机械理论284.粘着理论（1）概念在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力:F=Wτb/σsμ=F/W=τb/σs

τb、σs分别是较软材料的剪切强度极限（或界面剪切强度）和屈服极限。4.粘着理论29(2)粘着理论基本要点摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占名义面积很小部分，接触点处应力达到受压屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加的载荷。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程:接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被剪切产生滑动。(2)粘着理论基本要点30摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中材料的迁移现象。****两点说明:(1)上式表明，摩擦力与载荷成正比，与名义接触面积无关，摩擦系数决定于较软材料的力学性质.(2)实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力相比很小，可以忽略不计。τb

是黏结点上分子键的剪切强度极限，σs

是材料的受压屈服极限。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发31犁沟效应犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤软金属，产生塑性流动并划出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和擦伤磨损中，为主要力量。犁沟效应326.滑动摩擦机理分析两相对滑动表面摩擦系数是微凸体变形、磨粒和微凸体犁沟以及表面粘着综合作用的结果，可以把摩擦特性和时间的关系分几个典型阶段描述6.滑动摩擦机理分析33

（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料组合、表面特性和环境条件。（2）粘着起作用，摩擦系数开始上升，如果微凸体断裂，产生的磨粒将产生犁沟作用，使摩擦系数升高。（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。（4）进入和离开界面的磨粒数相等时，摩擦系数保持不变，即稳定摩擦状态。（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料组合、表面特性和34（5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁沟作用减弱。同时微凸体变形也减弱，摩擦系数有所下降。（6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。（7）如果硬表面不是静止的，而是相对于静表面运动的，则硬表面将始终是粗糙的，后两个阶段不可能实现。（5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在35 五、影响摩擦的因素 1．润滑条件 在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0.3～0.5；而在液体动压润滑的表面上摩擦因数为0.001～0.01。 2．表面氧化膜在一般情况下，由于表面氧化膜的塑性和机械强度比金属材料差，在摩擦过程中，膜先被破坏，金属表面不易发生粘着，使摩擦因数降低，磨损减少。纯净金属材料的摩擦副不存在表面氧化膜，摩擦因数都较高。在摩擦表面上涂上铟、镉、铅等软金属，能有效地降低摩擦因数。 五、影响摩擦的因素36 3．材料性质 相同金属或互溶性较大的金属摩擦副易发生粘着，摩擦因数增高；不同金属的摩擦副，由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦因数一般较低。第二章摩擦学概论课件37

4．载荷 在弹性接触的情况下，由于真实接触面积与载荷有关，摩擦因数将随载荷的增加而越过一极大值，当载荷足够大时，真实接触面积变化很小，因而使摩擦因数趋于稳定。在弹塑性接触情况下，材料的摩擦因数随载荷的增大而越过一极大值，然后随载荷的增加而逐渐减小。 4．载荷38 5．滑动速度 在一般情况下，摩擦因数随滑动速度的增加而升高，越过一极大值后，又随滑动速度的增加而降低。有时摩擦因数随滑动速度的减小而增大，并不是由于速度的直接影响，而是速度减小时摩擦表面粗糙凸起相互作用的时间长了，使它们发生塑性变形和增大实际接触面积。 5．滑动速度39 6．静止接触的持续时问 物体表面同相对静止的接触持续时间越长，摩擦系数增大。 7．温度 摩擦副相互滑动时，温度的变化使表面材料的性质发生改变，从而影响摩擦因数。 8．表面粗糙度 在塑性接触的情况下，由于表面粗糙度对真实接触面积的影响不大，因此可认为摩擦因数不受影响，保持为一定值。对弹性或弹塑性接触的干摩擦，当表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效地发挥作用时，机械啮合理论不能适用，表面粗糙度愈小，真实接触面积愈大，摩擦因数也愈大。 6．静止接触的持续时问40 六、摩擦时表面上发生的现象 1．表面的污染 2．金属的转移 3．温度作用 4．产生振动 5．预位移

六、摩擦时表面上发生的现象41第三节磨损 磨损在固体摩擦表面上物质不断损耗的过程叫作磨损。其表现为物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。使机械零件丧失精度，影响使用寿命与可靠性。 一、磨损的实质 1．磨损是物体在摩擦中相互作用的结果第三节磨损 磨损在固体摩擦表面上物质不断损耗的过程叫作42例如水泵、水轮机，气力输送管道、火箭尾都喷管等产生的磨损。经过B点后，由于摩擦条件发生较大的变化，如温度快速增加，金属组织发生变化。通过一套液压供油系统，将具有一定压力的高压油强行供到摩擦表面的间隙中，使两相对运动的摩擦表面，在运动之前就被高压油分隔开，从而保证运动副在承受一定载荷情况下，完全处于液体润滑状态，称为液体静压润滑。其表现为物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。选用合适的润滑剂和润滑方法，用理想的流体摩擦取代干摩擦，这是减少摩擦和磨损的最有效方法。接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。随着理论研究的日益深入和实验技术日益先进，目前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观进入微观；斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。针入度愈小，润滑脂愈稠，承载能力强，密封性能好；原因在于理想粗糙表面模型过于简化。②润滑剂在表面所生成的膜具有较低的剪切强度，即摩擦力较小；不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。一般取脂的工作温度低于该脂的滴点20～30℃。(4)摩擦表面间材料的转移极压性能--润滑膜承受载荷而不被挤出摩擦表面,导致摩擦面缺少润滑的能力在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0. 零件的工作表面在摩擦中产生磨损。在磨损过程中，零件不仅改变外形和尺寸，从摩擦表面上分离出材料颗粒，或在表面上产生残留变形，而且还会发生各种物理、化学和机械的现象。表面摩擦的多次重复作用使表面上的材料产生疲劳裂纹和微观鳞状物，并以颗粒的形式脱落下来。例如水泵、水轮机，气力输送管道、火箭尾都喷管等产生的磨损。 43 2．使摩擦表面发生变化 摩擦时，零件表面微观凹凸不平的相互接触处会发生弹性或塑性变形。它会产生一连串派生的物理、化学和力学变化。主要有热的作用、氧化作用、机械作用、疲劳作用，从而导致材料的磨损。 (1)表面微观裂纹的生成及其破坏作用 (2)化学反应过程 (3)润滑剂作用 (4)摩擦表面间材料的转移 2．使摩擦表面发生变化44这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。实际上应说成是与名义面积无关而与真实接触面积有关。②运动粘度滴点愈高，耐热性愈好，脂允许的工作温度也高。二、典型磨损过程（3）实际接触面积随载荷的增大而增大，接触点处的平均面积几乎保持不变。大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。气蚀和冲蚀磨损统称浸蚀磨损。如石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、尼龙、铅等。⑥能适应各种不同的要求。7)机械杂质 8)水分9)其它第二章摩擦学概论经磨合后，接触面积扩大，实际压力降低，小麻点停止扩展。一般取脂的工作温度低于该脂的滴点20～30℃。表面摩擦的多次重复作用使表面上的材料产生疲劳裂纹和微观鳞状物，并以颗粒的形式脱落下来。吸附能力越强，油性越好。(1)浸蚀磨损表面粗糙度是表示表面凹凸不平的程度，表面愈粗糙，实际接触面积愈小，单位面积压力愈大，要求油膜厚度愈大。气泡形成和溃灭的反复作用，使零件表面产生疲劳破坏，出现麻点直至扩展为海绵状空穴，这种磨损称气蚀磨损。作用在两接触面上的循环接触应力较大．由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。 二、典型磨损过程 1．磨合阶段(I阶段) 新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度。在载荷作用下，实际接触面积较小，故接触应力很大。因此，在运行初期，表面的塑性变形与磨损的速度较快。随着磨合的进行，摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，表面应力减小，磨损减缓。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。 二、45第二章摩擦学概论课件46 2．稳定磨损阶段(Ⅱ阶段) 如图23中的AB段，经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，工作时间可以延续很长。特点是磨损量与时间成正比增加。

2．稳定磨损阶段(Ⅱ阶段)47 3．急剧磨损阶段(III阶段)． 如图23中曲线B点以右部分。经过B点后，由于摩擦条件发生较大的变化，如温度快速增加，金属组织发生变化。增加了冲击，润滑油膜易破坏，磨损速度急剧增加，致使机械效率下降，精度降低，出现异常的噪声和振动，最后导致意外事故。第二章摩擦学概论课件48 磨损规律的意义 第一，了解机件一般工作在稳定磨损阶段，一旦转入急剧磨损阶段，机件必须进行修复或更换。第二，磨损的发展过程是由自然(正常的)磨损和事故(过早的、迅速增长的或突然发生意外的)磨损组成。自然磨损是不可避免的，事故磨损可以延缓，甚至避免。 磨损规律的意义49三、磨损的分类和机理三、磨损的分类和机理50 1．粘着磨损两个固体表面接触，由于表面不平，实际上是微凸体之间的接触，在相对滑动和一定载荷作用下，接触点发生塑性变形或剪切，摩擦表面温度增高，严重时表层金属局部会软化或熔化，使接触点发生粘着或焊合。然后出现粘着一剪断一再粘着一再剪断的循环过程，形成了材料的转移，造成了粘着磨损。 1．粘着磨损51第二章摩擦学概论课件52 2．磨粒磨损它是指一个表面同它相匹配表面上的质硬物体或硬质颗粒，产生切削或刮擦作用，引起材料表面破坏，分离出磨屑或形成划伤的磨损，磨粒磨损是机械磨损的一种。磨粒磨损有凿削式、高应力碾碎式及低应力擦伤式等三种形式。 2．磨粒磨损53 磨粒的来源有外界砂尘、切屑侵入、流体带入、表面磨损产物、材料组织的表面硬点及夹杂物等。减少磨粒磨损的措施 一是防止或减少磨粒进入摩擦表面； 二是增强零件的抗磨性能。 磨粒的来源有外界砂尘、切屑侵入、流体带入、表面磨损产物、材54 3．疲劳磨损 形成原理 摩擦表面材料微体积受循环接触应力作用，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒，形成疲劳磨损。疲劳裂纹一般在固体有缺陷的地方出现，这些缺陷可能是机械加工时造成的，也可能是材料在冶金过程中造成的，还可能在金属相之间和晶界之间形成，在摩擦磨损过程中，表面层发生塑性变形和发热，润滑油的作用等条件对疲劳磨损都会产生重要影响。 3．疲劳磨损55解释 (1)裂纹从表面产生在滚动接触过程中，材料表层受到周期性载荷作用引起塑性变形，表面硬化，最后在表面出现初始裂纹，并沿45度的倾角方向由表向里扩展。润滑油进入微裂纹，受挤压后产生楔裂作用加速裂纹的扩展。在载荷继续作用下，形成凹坑。 (2)裂纹从接触表层下产生根据弹性力学，两接触物体在距表面下0．786b处(B为赫芝接触区宽度之半)剪应力最大。该处塑性变形最剧烈，在周期载荷作用下的反复变形使材料局部弱化、并在剪应力最大处出现裂纹，沿着最大剪应力方向扩展到表面，形成疲劳磨损。解释56 分类 1)非扩展性疲劳磨损在某些新的摩擦表面上，因接触点较少，压力较大，容易产生小麻点状的点蚀。经磨合后，接触面积扩大，实际压力降低，小麻点停止扩展。这种疲劳磨损对运动速度不高的摩擦副影响不大。 2)扩展性疲劳磨损作用在两接触面上的循环接触应力较大．由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。 分类57摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。在弹性接触的情况下，由于真实接触面积与载荷有关，摩擦因数将随载荷的增加而越过一极大值，当载荷足够大时，真实接触面积变化很小，因而使摩擦因数趋于稳定。脱落颗粒和新露出的金属表面与大气中的氧起反应生成氧化物。如表面热处理(钢的表面淬火等)、表面化学热处理(钢的表面渗碳、渗氮等)、喷涂、喷焊、镀层、沉积、离子注入、滚压、喷丸等，改善表面的耐磨性。在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0.1)非扩展性疲劳磨损物体真实接触面积的总和，两接触物体通过表面微凸体直接传递界面相互作用，发生变形而产生的微接触面积之和。大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。(4)固体润滑它是利用固体粉末、薄膜或复合材料代替润滑油、脂，达到润滑目的。静摩擦两物体表面产生接触，有相对运动趋势但尚未产生相对运动时的摩擦。④保证供给适量的润滑剂，防止缺油和漏油；实际接触面积的部分特性摩擦副相互滑动时，温度的变化使表面材料的性质发生改变，从而影响摩擦因数。①静压浮起、动压工作，常用于重载的球磨机、轧钢机、水轮发电机、重型机床等，特别是带载荷起动的机械；在弹性接触的情况下，由于真实接触面积与载荷有关，摩擦因数将随载荷的增加而越过一极大值，当载荷足够大时，真实接触面积变化很小，因而使摩擦因数趋于稳定。③静压工作为主．动压作用为辅，常用于对安全和主轴旋转精度要求较高的精密机床。(2)实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力相比很小，可以忽略不计。液体润滑是比较理想的润滑，除了轴承和导轨以外不易实现。反之．粗糙度愈小，实际接触面积愈大，单位面积压力愈小，要求油膜厚度也就可以小一些。 4．腐蚀磨损 分类 (I)氧化磨损影响氧化磨损的因素 滑动速度、接触载荷、氧化膜的强度、介质的含氧量、温度、润滑条件及材料性能等。在通常情况下，氧化磨损比其它磨损轻微得多。 (2)特殊介质腐蚀磨损 但磨损速度较快，摩擦表面遍布点状或丝状磨蚀痕迹，一般比氧化磨损痕迹深。摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计58 5．其它磨损 (1)浸蚀磨损零件与液体接触并作相对运动，当接触处的局部压力低于液体蒸发压力时，将形成气泡。另外，溶解在液体中的气体也会析出形成气泡，一旦气泡运动到高压区，高压大于气泡压力，气泡遭到溃灭，瞬间产生极大的冲击力和高温。气泡形成和溃灭的反复作用，使零件表面产生疲劳破坏，出现麻点直至扩展为海绵状空穴，这种磨损称气蚀磨损。 5．其它磨损59 夹带尘埃、砂粒、矿物粉末等固体颗粒，以一定的角度和速度冲击固体表面引起的磨损叫冲流体蚀磨损。例如水泵、水轮机，气力输送管道、火箭尾都喷管等产生的磨损。 气蚀和冲蚀磨损统称浸蚀磨损。 (2)微动磨损它是两个接触物体作相对微振幅振动而产生的一种磨损。 夹带尘埃、砂粒、矿物粉末等固体颗粒，以一定的角度和速度冲击60 发生过程是接触压力使接合面上实际承载的微凸体产生塑性变形而发生粘着，微振幅振动使粘着结点受剪脱落，露出基体金属表面。脱落颗粒和新露出的金属表面与大气中的氧起反应生成氧化物。留在接合面上起磨粒作用若振动应力足够大，微动磨损点形成应力源，使疲劳裂纹扩展，最终导致表面完全破坏。由此可见，微动磨损是粘着、腐蚀、磨粒、疲劳磨损复合作用的结果。它经常发生在相对静止的摩擦副中，如过盈配合的接合面、链传动的链节处，摩擦离台器中摩擦片的接台面和受振动影响的联接螺纹结合面等. 发生过程是61 四、影响磨损的因素零件材料、运转条件、几何因素，环境因素等，详细内容见表2—5。 五、防止或减少磨损的方法与途径 1．润滑 选用合适的润滑剂和润滑方法，用理想的流体摩擦取代干摩擦，这是减少摩擦和磨损的最有效方法。 四、影响磨损的因素62 2．正确选择材料 提高耐磨性。应选用疲劳强度高、防腐性能好、耐磨耐高温的新钢种、新材料。同时要注意配对材料曲互溶性，使其有合适的组合. 3．进行表面处理 如表面热处理(钢的表面淬火等)、表面化学热处理(钢的表面渗碳、渗氮等)、喷涂、喷焊、镀层、沉积、离子注入、滚压、喷丸等，改善表面的耐磨性。这是最有效和最经济的方法之一。

2．正确选择材料63 4．合理的结构设计 正确合理的结构设计，要有利于摩擦副间表面保护膜的形成和恢复、压力的均匀分布、摩擦热的散逸、磨屑的排出、以及防止外界磨粒、灰尘的进入等。5．改善工作条件 尽量避免过大的载荷、过高的运动速度和工作温度，创造良好的环境条件。第二章摩擦学概论课件64 6．提高修复质量 提高机械加工质量，提高修复质量，提高装配质量。 7．正确地使用和维护 要加强科学管理和人员培训，严格执行遵守操作规程和其它有关规章制度。机械设备使用期要进行磨合。要尽量采用先进的监控和测试技术。第二章摩擦学概论课件65第四节润滑 润滑是利用润滑剂使摩擦副的接触面隔开，以减少相对运动物体摩擦表面的摩擦力、磨损或其它形式的破坏。 一、作用 控制摩擦、减少磨损、降温冷却、防止锈蚀、具有冲洗、密封、减振作用等。第四节润滑 润滑是利用润滑剂使摩擦66 二、要求 合理润滑的基本要求是 ①根据摩擦的工作条件和作用性质，选用适当的润滑剂； ②确定正确的润滑方式和润滑方法，设计合理的润滑装置和系统； ③严格保持润滑剂和润滑部位的清洁； ④保证供给适量的润滑剂，防止缺油和漏油； ⑤适时清洗换油，既保证润滑又要节省润滑油 二、要求67四、分类 1．根据摩擦副表面间的润滑状态(1)无润滑(干摩擦)(2)流体润滑(流体摩擦)(3)边界润滑(边界摩擦)(4)混合润滑(混合摩擦)四、分类68其表现为物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。但对一些极硬或软的材料，摩擦力和法向载荷间并不是线性的正比关系。摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0.在弹性接触的情况下，由于真实接触面积与载荷有关，摩擦因数将随载荷的增加而越过一极大值，当载荷足够大时，真实接触面积变化很小，因而使摩擦因数趋于稳定。它会产生一连串派生的物理、化学和力学变化。(1)表面微观裂纹的生成及其破坏作用三、润滑剂的主要质量指标不同金属的摩擦副，由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦因数一般较低。观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质载荷小，润滑油油性好，选用的油粘度应较低。在摩擦表面上涂上铟、镉、铅等软金属，能有效地降低摩擦因数。它会产生一连串派生的物理、化学和力学变化。极压性能--润滑膜承受载荷而不被挤出摩擦表面,导致摩擦面缺少润滑的能力二、典型磨损过程在塑性接触的情况下，由于表面粗糙度对真实接触面积的影响不大，因此可认为摩擦因数不受影响，保持为一定值。滴点用按规定加热试管中的脂开始滴下第一滴时的温度来表示。例如水泵、水轮机，气力输送管道、火箭尾都喷管等产生的磨损。⑤适时清洗换油，既保证润滑又要节省润滑油 2．按润滑介质 (1)气体润滑用气体，例如空气、氧气、氯气、二氧化碳、氮气等作润滑剂。 (2)液体润滑以动植物油、矿物油、合成油、水、乳化液和液态金属等作润滑剂。其中矿物油应用最广泛。 (3)半液体润滑它是在液体润滑剂中加人稠化剂而成的半固体膏状物，即润滑脂。(4)固体润滑它是利用固体粉末、薄膜或复合材料代替润滑油、脂，达到润滑目的。固体润滑剂有无机化合物、有机化合物和金属。如石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、尼龙、铅等。其表现为物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。 2．按润滑介69 （一）．液体动压润滑利用摩擦表面形状和相对运动，使润滑油自然产生油压，把接触着的两个表面分开，这种情况称为液体动压润滑 （一）．液体动压润滑70 2工作原理图24所表示的是滑动轴承液体动压润滑的形式。当轴处于静止状态时，见图24a，有间隙s，轴在载荷F的作用下被支承在轴承的下部，当轴开始转动时，见图24b，由于润滑油的粘性使轴对润滑油有携带作用，油被轴由轴承楔形间隙的宽空隙带到狭窄空隙，并集结产生压力——形成“油楔"。若油楔产生的压力平衡轴的载荷时，便把轴在轴承中“浮起，见图24c。当油膜的厚度使轴颈和轴承表面完全分开时， 2工作原理71 3实现液体动压润滑的条件是 ①两相对运动的摩擦表面，即能形成收敛的楔形间隙； ②两表面间应该具有足够大的相对运动速度，其运动方向从楔形较大较小的一端； ③润滑油必须具有适当的粘度．能保证连续供应，油量充足；④外裁荷必须小于油膜所能承受的负荷极限值。 3实现液体动压润滑的条件是72（二）．液体静压润滑 通过一套液压供油系统，将具有一定压力的高压油强行供到摩擦表面的间隙中，使两相对运动的摩擦表面，在运动之前就被高压油分隔开，从而保证运动副在承受一定载荷情况下，完全处于液体润滑状态，称为液体静压润滑。（二）．液体静压润滑73 1、特点 是摩擦表面在很宽的速度范围内以及静止状态下都能承受外力作用而不发生磨损。①起动摩擦阻力小，节能；②使用寿命长；③可适应较广的速度范围④抗振性能好⑤运动精度高；⑥能适应各种不同的要求。 1、特点74 （三）、液体静压润滑原理 液体动静压润滑是在液体动压润滑与液体静压润滑的基础上发展起来的，兼有两者的作用。 三种基本类型 ①静压浮起、动压工作，常用于重载的球磨机、轧钢机、水轮发电机、重型机床等，特别是带载荷起动的机械； ②动静压混台作用，常用于机床，特别是机床主轴轴承； ③静压工作为主．动压作用为辅，常用于对安全和主轴旋转精度要求较高的精密机床。 （三）、液体静压润滑原理75

（五）．边界润滑 1、边界膜液体润滑是比较理想的润滑，除了轴承和导轨以外不易实现。当机械的运动速度很低，而载荷又很太时，即使用粘度很大的润滑油也很难在摩擦表面间形成完整的油层。此时，液体润滑膜遭到破坏，接触面上仍然存在着一层极薄的的油膜，称为边界膜。 （五）．边界润滑762、特点 边界润滑具有较低的摩擦因数，能有效地减少磨损、延长使用寿命、提高承载能力、扩大使用范围。3、分类①吸附膜润滑剂的极性分子吸附在摩擦表面上所形成的边界膜称吸附膜；②化学反应膜含硫、磷、氯等元素的润滑油添加剂能与摩擦表面起化学反应，生成的一层边界膜叫化学反应膜。2、特点77 4、对边界润滑剂的要求 ①润滑剂的分子链环具有较强分子吸引力，能阻止表面微凸体将润滑剂膜穿透，因而可以缓和磨损过程 ②润滑剂在表面所生成的膜具有较低的剪切强度，即摩擦力较小； ③润滑剂在表面所生成膜的熔点要高，以便在高温下也能产生保护膜 4、对边界润滑剂的要求78 5、影响边界膜润滑性能的主要因素 ①分子结构②温度③速度④载荷；⑤表面粗糙度等。三、润滑剂的主要质量指标(1)润滑油1)粘度油的分子间摩擦阻力即油的粘度。它表示油抵抗剪切变形的能力。表示方法 ①动力粘度 ②运动粘度恩氏粘度 5、影响边界膜润滑性能的主要因素79

2)油性 它是润滑油中极性分子润湿或吸附于摩擦表面形成一层边界油膜的性能，是影响边界润滑性能好坏的重要指标。吸附能力越强，油性越好。3)极压性能需依靠添加抗磨极压剂(硫、磷、氯的有机极性化合物)来改善这种性能。极压性能--润滑膜承受载荷而不被挤出摩擦表面,导致摩擦面缺少润滑的能力 极压性能--润滑膜承受载荷而不被挤出摩擦表面,导致摩擦面804)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。5)凝点一般润滑油的使用温度应比凝点高5～7°C。6)氧化安定性氧化是油品变质的主要原因，温度是影响氧化程度的最主要因素。当温度在100度以上时，油很快就被氧化。7)机械杂质 8)水分9)其它闪点，电力学概念，是燃油在规定结构的容器中加热挥发出可燃气体与液面附近的空气混合，达到一定浓度时可被火星点燃时的燃油温度。4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的81

(2)润滑脂 1)针入度表征润滑脂稀稠程度的指标，标志润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。针入度愈小，润滑脂愈稠，承载能力强，密封性能好；反之，流动性愈强，易被挤出。国产润滑脂牌号是以针入度大小为依据划 2)滴点它表示润滑脂由胶态变液态的温度，是脂的耐热性指标。滴点愈高，耐热性愈好，脂允许的工作温度也高。滴点用按规定加热试管中的脂开始滴下第一滴时的温度来表示。一般取脂的工作温度低于该脂的滴点20～30℃。 3)机械安定性它是指润滑脂在使用中抵抗机械破坏的能力。通常用微针入度计测定脂在进人滚筒试验前后的针入度值之羞来表示机械安定性。此差值愈大，机械安定性差，使用寿命也愈短。 (2)润滑脂824．润滑剂的选用 (1)运动速度摩擦表面间的相对运动速度愈高，润滑油形成油楔的能力愈强，应采用粘度较低的润滑油或针入度较大的润滑脂；运动速度低应选用粘度较高、粘性较好的润滑油或针入度较小的润滑脂。 (2)运动载荷载荷或压强愈大，选用粘度较高的润滑油或针入度较小的润滑脂。载荷小，润滑油油性好，选用的油粘度应较低。低速重载应考虑其承载能力。对边界润滑、重载荷的摩擦副，应选择极压性能好的润滑油。 对于冲击、振动、变载、不等速运动、往复与间歇运动、经常起动及停车、经常反转等工况条件，应选用粘度较高的润滑油或针入度较小的润滑脂。4．润滑剂的选用83第二章摩擦学概论第二章摩擦学概论84Diagram1摩擦是不可避免的自然现象。2磨损是摩擦的必然结果。3润滑则是改善摩擦、减缓磨损的有效方法。Diagram1摩擦是不可避免的自然现象。2磨损是摩擦的必然85

当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一自然现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一种不可逆过程，其结果必然有能量损耗和摩擦表面物质的丧失或迁移，即磨损，磨损会导致表面损坏和材料损耗。润滑是降低摩擦和减少磨损的有效手段。

引言当在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的86摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。

当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。这种反方向的研究领域也属于摩擦学的学科范畴。摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，87

摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界大约有的能源以各种形式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损是机械设备失败的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。 同时，摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也有重要作用。由于摩擦学对工农生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视，成为近三十年来迅速发展的技术学科，并得到日益广泛的应用。 摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世88

摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例如流体力学、固体力学、流变学、热物理、应用数学、材料科学、物理化学，以及化学和物理学等内容。因此多学科的综合分析是摩擦学研究的显著特点。

由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多，这就使得理论分析和实验研究都较为困难，因而理论与实验研究的相互促进和补充是摩擦学研究的另一个特点。随着理论研究的日益深入和实验技术日益先进，目前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观进入微观；由定性进入定量；由静态进入动态；以及由单一学科角度的分析进入多学科的综合研究。摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多门学科，例89 第二章摩擦学概论 第一节物体表面的性质

任何摩擦表面都是由许多不同形态的微凸峰和凹谷组成。表面几何特性对于混合润滑和干摩擦状态下的摩擦磨损和润滑起着决定性影响，因此，了解和研究表面形貌及其参数是十分有必要的。 一、物体的表面 物体的表面总是凹凸不平的。表面粗糙度是表示表面凹凸不平的程度，表面愈粗糙，实际接触面积愈小，单位面积压力愈大，要求油膜厚度愈大。反之．粗糙度愈小，实际接触面积愈大，单位面积压力愈小，要求油膜厚度也就可以小一些。 第二章摩擦学概论 第一节物体表面的性质90（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。①起动摩擦阻力小，节能；按相对运动的位移特征分类②两表面间应该具有足够大的相对运动速度，其运动方向从楔形较大较小的一端；接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。①润滑剂的分子链环具有较强分子吸引力，能阻止表面微凸体将润滑剂膜穿透，因而可以缓和磨损过程该学说的摩擦系数:

f=Σfi/ΣNi=F/N=tanθ斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。应选用疲劳强度高、防腐性能好、耐磨耐高温的新钢种、新材料。在某些新的摩擦表面上，因接触点较少，压力较大，容易产生小麻点状的点蚀。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中材料的迁移现象。不同金属的摩擦副，由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦因数一般较低。吸附能力越强，油性越好。当机械的运动速度很低，而载荷又很太时，即使用粘度很大的润滑油也很难在摩擦表面间形成完整的油层。国产润滑脂牌号是以针入度大小为依据划六、摩擦时表面上发生的现象②两表面间应该具有足够大的相对运动速度，其运动方向从楔形较大较小的一端；物体表面同相对静止的接触持续时间越长，摩擦系数增大。任何摩擦表面都是由许多不同形态的微凸峰和凹谷组成。（1）概念在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。表面形貌组成固体表面的微观几何形状，即形状公差、波纹度和表面粗糙度统称为表面形貌。（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。91二、表面结构:加工后的表面金属表面组成是复杂的，微观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质发生相互作用。大致分为5个部分。污染层油污、灰尘吸附层液体、气体氧化层氧化物

金属表面组成二、表面结构:金属表面组成92贝氏层加工中表面分子层熔化和表面分子层流动产生的冷硬层，晶粒很细，有利于耐磨。变形层机加工过程中形成的变质层。金属表面组成贝氏层加工中表面分子层熔化和表面分子层流金属表面组成93观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质如图23中的AB段，经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹塑性接触条件。流体摩擦以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。是摩擦表面在很宽的速度范围内以及静止状态下都能承受外力作用而不发生磨损。例如水泵、水轮机，气力输送管道、火箭尾都喷管等产生的磨损。摩擦表面材料微体积受循环接触应力作用，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒，形成疲劳磨损。3)极压性能需依靠添加抗磨极压剂(硫、磷、氯的有机极性化合物)来改善这种性能。④保证供给适量的润滑剂，防止缺油和漏油；一般取脂的工作温度低于该脂的滴点20～30℃。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力:（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。不同金属的摩擦副，由于互溶性差，不易发生粘着，摩擦因数一般较低。3．急剧磨损阶段(III阶段)．4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。磨损在固体摩擦表面上物质不断损耗的过程叫作磨损。观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质941.接触的本质两个粗糙表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表面上一些较高的微凸体发生接触，这些不连续的微小接触点的变形构成了真实的接触面积。随着载荷的的增加，其它次高微凸体也逐渐发生接触。2.接触表面的相互作用（1）分子相互作用，即粘着:接触只在少数较高微凸体上产生，实际接触面积很小，接触点上的应力很大，在接触点处发生塑性流动、粘着或冷焊。金属间的焊合性能将摩擦副分3类完全焊合(PbCu,AlCu)、部分焊合(ZnFe,AlFe)和有限焊合(MgFe,AgFe)摩擦副。(2)机械相互作用材料不发生粘着而是产生一定的变形和位移以适应相对运动。三、固体表面的接触1.接触的本质两个粗糙表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表95名义接触面积An接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。名义接触面积An96(2)轮廓接触面积Ap接触表面被压扁部分形成的面积，即在波纹度的波峰上形成的接触面积。是一种假设接触面积， 大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。(2)轮廓接触面积Ap97(3)实际接触面积Ar物体真实接触面积的总和，两接触物体通过表面微凸体直接传递界面相互作用，发生变形而产生的微接触面积之和。为名义接触面积的0.01~0.1%，黑点表示的接触面积。(3)实际接触面积Ar98实际接触面积的部分特性（1）由于表面粗糙度具有离散性，其接触也同样具有离散性。（2）实际接触点是由塑性变形和弹性变形共同作用的结果。（3）实际接触面积随载荷的增大而增大，接触点处的平均面积几乎保持不变。（4）实际接触面积的增加主要是由于接触点数的增加。实际接触面积的部分特性99滴点愈高，耐热性愈好，脂允许的工作温度也高。斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。金属材料基本符合，粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。原因在于理想粗糙表面模型过于简化。2)扩展性疲劳磨损（4）摩擦系数与滑动速度无关。3)极压性能需依靠添加抗磨极压剂(硫、磷、氯的有机极性化合物)来改善这种性能。气泡形成和溃灭的反复作用，使零件表面产生疲劳破坏，出现麻点直至扩展为海绵状空穴，这种磨损称气蚀磨损。作用在两接触面上的循环接触应力较大．由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。气泡形成和溃灭的反复作用，使零件表面产生疲劳破坏，出现麻点直至扩展为海绵状空穴，这种磨损称气蚀磨损。1．表面的污染如表面热处理(钢的表面淬火等)、表面化学热处理(钢的表面渗碳、渗氮等)、喷涂、喷焊、镀层、沉积、离子注入、滚压、喷丸等，改善表面的耐磨性。②确定正确的润滑方式和润滑方法，设计合理的润滑装置和系统；磨粒磨损有凿削式、高应力碾碎式及低应力擦伤式等三种形式。4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。脱落颗粒和新露出的金属表面与大气中的氧起反应生成氧化物。（6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。选用合适的润滑剂和润滑方法，用理想的流体摩擦取代干摩擦，这是减少摩擦和磨损的最有效方法。** 对于塑性接触状态，实际接触面积与载荷成正比。**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。原因在于理想粗糙表面模型过于简化。滴点愈高，耐热性愈好，脂允许的工作温度也高。** 对于塑性100摩擦的定义两个接触物体表面在外力作用下相互接触并作相对运动或有运动趋势时，在接触面之间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象就是摩擦。第二节摩擦第二节摩擦101一.摩擦的分类 1.摩擦按摩擦副运动状态可分为静摩擦两物体表面产生接触，有相对运动趋势但尚未产生相对运动时的摩擦。动摩擦两相对运动表面之间的摩擦。一.摩擦的分类1022.按相对运动的位移特征分类滑动摩擦两接触物体接触点具有不同速度和(或)方向时的摩擦。滚动摩擦两接触物体接触点的速度之大小和方向相同时的摩擦。自旋摩擦两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋转时的摩擦。2.按相对运动的位移特征分类1033.按表面润滑状态分类干摩擦两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。边界摩擦边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。流体摩擦以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。混合摩擦半干摩擦和半流体摩擦的统称。3.按表面润滑状态分类1044.斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。4.斯特里贝克Stribeck曲线

不同的摩擦状态表105三、摩擦定律——库仑摩擦定律1.古典摩擦定律(称为阿蒙顿库仑定律):（1）摩擦力和载荷成正比，即F=fN。除了在重载荷下实际接触面积接近表观面积外，都是正确的。可适用于一般工程实际。但对一些极硬或软的材料，摩擦力和法向载荷间并不是线性的正比关系。（2）摩擦系数与（名义）接触面积无关。有其局限性。一般仅对具有屈服极限的材料如金属材料是满足的，不适于弹性和粘弹性材料。当两表面加工得很光滑、很清洁时，如块规，它们之间会出现强烈的分子吸引力，此时摩擦力与接触面积不成正比。实际上应说成是与名义面积无关而与真实接触面积有关。三、摩擦定律——库仑摩擦定律106（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。（4）摩擦系数与滑动速度无关。金属材料基本符合，粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。

在一般情况下是对的，但在近代弹性流体动压润滑理论中就不适用。（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管改材料107当温度在100度以上时，油很快就被氧化。为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并非常量，用摩擦二项式定律表示针入度愈小，润滑脂愈稠，承载能力强，密封性能好；利用摩擦表面形状和相对运动，使润滑油自然产生油压，把接触着的两个表面分开，这种情况称为液体动压润滑另外，溶解在液体中的气体也会析出形成气泡，一旦气泡运动到高压区，高压大于气泡压力，气泡遭到溃灭，瞬间产生极大的冲击力和高温。增加了冲击，润滑油膜易破坏，磨损速度急剧增加，致使机械效率下降，精度降低，出现异常的噪声和振动，最后导致意外事故。2．使摩擦表面发生变化通过一套液压供油系统，将具有一定压力的高压油强行供到摩擦表面的间隙中，使两相对运动的摩擦表面，在运动之前就被高压油分隔开，从而保证运动副在承受一定载荷情况下，完全处于液体润滑状态，称为液体静压润滑。经过B点后，由于摩擦条件发生较大的变化，如温度快速增加，金属组织发生变化。τb、σs分别是较软材料的剪切强度极限（或界面4)闪点和燃点应选用闪点高于工作温度2030°C的油。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。两个接触物体表面在外力（4）摩擦系数与滑动速度无关。特点是磨损量与时间成正比增加。作用在两接触面上的循环接触应力较大．由于材料塑性差或润滑不当，在磨合阶段就产生小麻点，经过一段时间，小麻点发展成痘斑状凹坑，使零件迅速失效。吸附能力越强，油性越好。磨粒磨损有凿削式、高应力碾碎式及低应力擦伤式等三种形式。其表现为物体尺寸或形状的改变、表面质量的变化。在载荷继续作用下，形成凹坑。在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0. 四、摩擦机理 1．机械理论 2．分子理论 3．分子—机械理论 4．粘着理论 5．能量理论*

当温度在100度以上时，油很快就被氧化。 四、摩擦机理108滑动摩擦理论

1.机械啮合学说

摩擦是由表面粗糙不平的凸起之间的机械啮合作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数越大的现象，但无法解释经过精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象。该学说的摩擦系数:

f=Σfi/ΣNi=F/N=tanθ

θ是接触微凸体的倾斜角。

滑动摩擦理论

1.机械啮合学说

摩擦是由表面粗1092.分子吸引理论 当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比F=f(N+pAr)

p为分子引力，Ar为真实接触面积但这结果与试验结果不一致2.分子吸引理论1103.分子—机械理论克拉盖尔斯基1939年提出分子机械摩擦理论，认为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并非常量，用摩擦二项式定律表示f=αAr/N+β如果α=τb，则分子分量与下述的粘着是一致的。金属的，塑料的β=0.06～0.12β=0.017～0.06。

3.分子—机械理论1114.粘着理论（1）概念在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力:F=Wτb/σsμ=F/W=τb/σs

τb、σs分别是较软材料的剪切强度极限（或界面剪切强度）和屈服极限。4.粘着理论112(2)粘着理论基本要点摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占名义面积很小部分，接触点处应力达到受压屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加的载荷。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程:接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被剪切产生滑动。(2)粘着理论基本要点113摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中材料的迁移现象。****两点说明:(1)上式表明，摩擦力与载荷成正比，与名义接触面积无关，摩擦系数决定于较软材料的力学性质.(2)实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力相比很小，可以忽略不计。τb

是黏结点上分子键的剪切强度极限，σs

是材料的受压屈服极限。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发114犁沟效应犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤软金属，产生塑性流动并划出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和擦伤磨损中，为主要力量。犁沟效应1156.滑动摩擦机理分析两相对滑动表面摩擦系数是微凸体变形、磨粒和微凸体犁沟以及表面粘着综合作用的结果，可以把摩擦特性和时间的关系分几个典型阶段描述6.滑动摩擦机理分析116

（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料组合、表面特性和环境条件。（2）粘着起作用，摩擦系数开始上升，如果微凸体断裂，产生的磨粒将产生犁沟作用，使摩擦系数升高。（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。（4）进入和离开界面的磨粒数相等时，摩擦系数保持不变，即稳定摩擦状态。（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料组合、表面特性和117（5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁沟作用减弱。同时微凸体变形也减弱，摩擦系数有所下降。（6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。（7）如果硬表面不是静止的，而是相对于静表面运动的，则硬表面将始终是粗糙的，后两个阶段不可能实现。（5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在118 五、影响摩擦的因素 1．润滑条件 在不同的润滑条件下，摩擦因数差异很大，如洁净无润滑的表面摩擦因数为0.3～0.5；而在液体动压润滑的表面上摩擦因数为0.001～0.01。 2．表面氧化膜在一般情况下，由于表面氧化膜的塑性和机械强度比金属材料差，在摩擦过程中，膜先被破坏，金属表面不易发生粘着，使摩擦因数降低，磨损减少。纯净金属材料的摩擦副不存在表面氧化膜，摩擦因数都较高。在摩擦表面上涂上铟、镉、铅等软金属，能有效地降低摩擦因数