摩擦磨损润滑

摩擦磨损润滑第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期日第一节概述机械的运转必然产生零、部件的相对运动，有相对运动就必然产生摩擦和磨损。

润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。

摩擦学（Tribology）是专门研究相对运动和相互作用的两表面间现象和有关实践的一门科学技术，是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称。摩擦是造成能量损失的主要原因。

磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中，大约有80%是由于各种形式的磨损造成的。第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期日第二节表面性质及表面接触

摩擦、磨损和润滑等摩擦学现象都是在两物体接触的表面间发生的，因此，有必要对物体表面性质有一个初步的了解。在此，本书主要对机械设计中最典型的金属表面的性质做一个简单的介绍。第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期日1、表面形貌

在工程中使用的金属表面，都不是理想的光滑表面，尽管宏观上看上去大都很光滑，但微观上看，实际表面凹凸不平。一、表面性质金属表面性质主要包括两方面的内容：表面形貌和表面组成。第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期日表面形貌中的三个主要参量：表面粗糙度

指细密空间的不规则性跳动，反映的是金属表面微观几何形状误差。它体现了表面加工方法的固有特性。表面波度指较大空间内周期性出现的不规则性波动。往往是因为机床刀具或工件振动的结果。形状误差实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。在表面形貌分析中，通常是不考虑的。第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期日

从摩擦学观点讲，表面粗糙度对材料表面性质影响最大，通常用轮廓算术平均偏差Ra值的大小来度量金属表面的粗糙程度。

第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期日2、表面组成

金属表面在切削加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面由若干层次构成，典型的金属表面结构如图所示。金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质。第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期日研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先是了解它们之间的接触状况。一般经过机械加工的金属表面，都有一定的粗糙度。二、表面接触因此，两摩擦表面在相互接触时，实际只是个别的微凸体之间接触。如图所示

第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期日金属表面的实际接触面积非常小，通常只是名义面积的1%到0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。表面接触的一些结论：表面微凸体大小、高度不等，接触时一部分弹性变形，一部分塑性变形，这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。由于实际接触面积非常小，所以接触面积上的应力非常大，因此，大多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体。实际接触面积随着法向载荷的增大而增大，它的增大主要体现在接触点的数量增加，而各个接触点因弹性和塑性变形而使接触面积的增加是次要的。第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期日第三节摩擦

在外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一现象叫做摩擦，这时所产生的阻力叫做摩擦力。摩擦可分为两大类：一类是发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的内摩擦；另一类是在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动的外摩擦。第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期日对于外摩擦，根据摩擦副的运动状态，可将其分为静摩擦和动摩擦。

动摩擦还可根据摩擦副的运动形式，可将其分为滑动摩擦和滚动摩擦。根据摩擦副的表面摩擦状态（或称润滑状态），又可将其分为干摩擦、边界摩擦（边界润滑）、液体摩擦（液体润滑）和混合摩擦（混合润滑）。

第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期日一、干摩擦

是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。在工程实际中，真正的干摩擦是不存在的，因为任何零件的表面不仅会因为氧化而形成氧化膜，而且多少也会被含有润滑剂分子的气体所湿润或受到“油污”。在机械设计中，通常将两接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦。干摩擦时，摩擦阻力最大，金属间的摩擦系数f=0.15~1.5。

干摩擦动画第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期日

古典摩擦理论摩擦力F

与正压力FN

成正比F=fFN

古典摩擦理论有一定的局限性，例如，法向力很大的时候，实际接触面积接近名义接触面积，摩擦力和法向力就不再成线性关系。摩擦力F与表面名义接触面积的大小无关

F静>F动，且F动与v无关第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期日鉴于古典摩擦理论的局限性，人们进一步研究有关摩擦的机理，并逐渐形成了现今被广泛接受的以下几种干摩擦理论：

1、机械啮合理论

认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表面微凸体机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形。2、分子作用理论

认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引力形成的。第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期日3、粘着摩擦理论

粘着理论认为：摩擦表面处于塑性接触的状态；滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。

两金属表面在法向载荷FN作用下的实际接触面积Ar和名义接触面积A相比是很小的，这样微凸体接触区所受的压力很高，使材料发生塑性变形，表面边界膜遭到破坏，从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点。第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期日

在简单粘着理论中摩擦系数f的表达式则为：

简单粘着理论由于在分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限，而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，

没有考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切应力的联合作用，因此得出的滑动摩擦系数与实测结果有很大的出入，为此，Bowden等人于1964年又提出了一种更切合实际的修正粘着理论。可参考有关资料。第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期日4、分子—机械理论（摩擦二项式定律）认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分子吸引力的过程，因而摩擦力就是接触面积上的分子和机械作用所产生的阻力总和。其摩擦系数的表达式为：式中：

为与表面分子特性有关的参数;.为与表面机械特性有关的参数;

Ar为实际接触面积;FN为法向载荷

分子—机械理论考虑的因数较多，比较符合实验的结果。能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态。第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期日二、边界摩擦（边界润滑）指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与液体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关。

虽然边界润滑不能完全避免金属间的直接接触，但可以大大地减小摩擦力，一般摩擦系数f=0.1

左右。边界润滑动画单层分子边界膜模型

单层分子边界膜摩擦

第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期日边界膜按形成的机理，分为吸附膜（物理吸附膜和化学吸附膜）和反应膜。润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上，就形成物理吸附膜。润滑剂中分子受化学键力作用而吸附在金属表面上，就形成化学吸附膜。

反应膜是当润滑剂中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时，它们与金属表面进行化学反应而生成的薄膜。这种反应膜与金属表面接合牢固，强度高，熔点高，比前两种膜都更稳定，可在十分苛刻的条件下保护金属表面不发生粘着。第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期日三、液体摩擦（液体润滑）

当摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面完全隔开，即形成了完全的液体摩擦。这时，润滑剂中的分子已大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动，摩擦只发生在液体内部的分子之间，所以摩擦系数极小，大约f=0.0010.008，而且不会有粘着磨损产生，是理想的摩擦状态。液体摩擦动画第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期日四、混合摩擦（混合润滑）

当摩擦表面间处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。在一定条件下，混合摩擦能有效地降低摩擦阻力，其摩擦系数要比边界摩擦时小得多，大约f=0.010.08，但因仍有金属的直接接触，所以不可避免地仍有磨损存在。混合摩擦动画第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期日第四节磨损

磨损是表面物质在摩擦过程中不断损失的现象，是伴随摩擦而产生的必然结果。磨损会消耗材料，降低运转精度，影响寿命和可靠性。但磨损并非都是有害的，如机械的跑合、利用磨损原理进行的加工（研磨、抛光）等。一、一般磨损的过程机械零件的一般磨损过程大致分为三个阶段

第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期日一般磨损的过程第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期日跑合阶段

新的摩擦副表面较粗糙，在10%50%的额定载荷下进行试运转，使摩擦表面的微凸体被磨平，实际接触面积逐步增大，压强减小，磨损速度在跑合开始阶段很快，然后减慢。跑合阶段对新的机械是十分必要的。稳定磨损阶段

经过跑合，摩擦表面逐步被磨平，微观几何形状发生改变，建立了弹性接触的条件，进入稳定磨损阶段，零件的磨损速度减慢，它表征零件正常工作寿命的长短。急剧磨损阶段

经过长时间的稳定磨损阶段，积累了较大的磨损量，零件开始失去原来的运动轨迹，磨损速度急剧增加，间隙加大，精度降低，效率减小，出现异常的噪声和振动，最后导致零件失效。第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期日

从磨损过程的变化来看，为了提高零件的使用寿命，在设计或使用机械时，应力求缩短跑合期，延长稳定磨损期，推迟急剧磨损期的到来。若设计不当或工作条件恶化，则不能建立稳定磨损阶段，在短暂的跑合后，就立即进入急剧磨损阶段，使零件很快损坏，如图2-8中的虚线所示，要力求避免。

一般磨损过程图第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期日二、磨损的分类

机械零件的磨损，按磨损机理主要分为四种：1、粘着磨损

机理：材料转移。发生场合：重载下油膜或边界膜破裂，金属直接接触，硬度不足。程度：轻微磨损、涂抹、擦伤、胶合。2、磨粒磨损机理：机械刻划作用。发生场合：有较硬杂质产生的场合，如密封不良、硬表面粗糙度大、润滑油过滤不严等。第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期日3.表面疲劳磨损（点蚀）

机理：接触疲劳。发生场合：交变载荷作用下。4.腐蚀磨损机理：氧化、气蚀、化学腐蚀等。发生场合：有腐蚀性的氛围下。

腐蚀磨损是一种机械化学磨损，单纯的腐蚀不属于磨损范畴，只有当腐蚀和摩擦过程相结合时，才能形成腐蚀磨损。第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期日三、减轻磨损的途径

1.设计环节：根据磨损机理类型选择配对材料；提高表面硬度或表面耐磨处理；合理的结构设计；耐腐蚀材料等。

2.润滑技术：润滑方式、润滑剂与添加剂

3.使用维护：润滑油过滤、密封防尘等。机械的使用寿命与正确的使用和精心的维护关系极大，同样的设备，使用维护的不同，其大修时间或者其寿命可以相差几倍或十几倍。

第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期日第五节润滑剂

向承载的两摩擦表面间引入润滑剂，形成润滑膜，这种方法称为润滑。润滑的主要作用是减小摩擦和磨损。此外还有防锈、减振、密封、冷却、清除污染和传递动力等作用。润滑剂可分为固体（石墨、二硫化钼、尼龙等）、半固体（各种润滑脂）、液体（各种润滑油、水、液态金属等）和气体（空气、氦气、氮气等）等四类。一、润滑剂的分类第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期日二、润滑剂的主要质量指标在机械设计中，最常用的润滑剂是润滑油和润滑脂。黏度指润滑油抵抗剪切变形的能力，它标志着油液内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小。黏度越大，内摩擦阻力也越大，流动性也就越差。黏度是润滑油最重要的指标，也是选择润滑油的主要依据。牛顿定律：两层流液体之间的切应力与其速度梯度成正比。

：动力粘度（单位Pa•S）1、润滑油的主要质量指标第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期日

黏度的度量有多种指标，如动力黏度、运动黏度n、恩氏黏度˚Et等。在国际单位制中，动力黏度的单位是Ns/m2

（即，Pas

单位名称为帕秒）

在厘米克秒制中，动力黏度的单位是dyns/cm2

（即P，单位名称为泊）其物理意义是：流体中相距1cm、面积各为1cm2的两流层，彼此以1cm/s的速度相对运动时，其阻力为1dyn。泊的百分之一为厘泊（cP）

动力黏度第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期日运动黏度n在国际单位制中，运动黏度的单位是m2/s

在厘米克秒制中，运动黏度的单位是

cm2/s

（即，St

单位名称为斯）斯的百分之一为厘斯cSt。

动力黏度与运动黏度n的关系是：式中

为液体密度

运动黏度没有明确的物理意义，但在理论分析和计算中常碰到动力黏度与密度的比值，此时用运动黏度n

来代替

/比较方便。

第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期日恩氏黏度˚Et

也叫相对黏度，即200cm3的试验油在规定的温度下（一般为20℃、50℃、100℃）流过恩氏黏度计的小孔所需要的时间（s）与同体积的蒸馏水在

20℃时流过同一小孔所需的时间（s）的比值。以符号˚Et表示。

黏度随着温度的升高而降低，随着压力的升高而增大。但压力不太高时（如小于20MPa

），变化极微，可略而不计。但温度对黏度的影响很大，在表明润滑油的黏度时，一定要注明温度，否则没有意义。

影响润滑油黏度的因素：压力和温度。第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期日几种常用润滑油在不同温度下的黏度—温度曲线第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期日

油性油性是指润滑油中极性分子湿润或吸附于摩擦表面形成边界油膜，以减小摩擦和磨损的性能。它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。

闪点和燃点润滑油蒸气在遇到火焰时能发出闪光（闪烁）时的最低温度称为闪点。闪烁持续5秒以上的最低温度称为燃点。它是衡量润滑油易燃性的一个重要指标，对于高温下工作的机械，应选择比工作温度高30℃40℃闪点的润滑油。

凝点润滑油冷却到完全失去流动性时的温度称为凝点。它是润滑油低温工作特性的一个重要指标，低温工作时应选择凝点低的润滑油。第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期日2、润滑脂的主要质量指标

润滑脂是润滑油与稠化剂的混合物，常用的稠化剂是金属皂，如钙基皂、钠基皂和锂基皂。润滑脂的主要质量指标有：锥入度用一个质量为25N的标准锥体，在25℃恒温下，从润滑脂表面自由下沉，经过5秒后所到达的深度即为锥入度（以0.1mm计）。它是表征润滑脂稀稠程度的指标，锥入度越大，润滑脂就越稀。

滴点在规定的加热条件下，润滑脂从标准量杯的孔口滴下第一滴时的温度。它是表征润滑脂耐高温的能力。润滑脂的工作温度至少应低于滴点20℃。第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期日三、润滑剂的选用润滑油

润滑及散热效果好，大多数情况下使用油润滑润滑脂

易保持在润滑部位，润滑系统简单，密封性能

好，适用于不易加油或低速重载的场合；气体

黏度极低，摩擦系数小，适用于高速轻载的场

合，如磨床高速磨头；水

常用于橡胶、塑料等零件中，本身就有自润滑

功能；固体

摩擦系数高，散热性差，适用于特殊的场合，

如高温、高压，极低温、真空、强辐射、不容易给油或不允许有污染的场合。1、润滑剂种类的选择

第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期日2、润滑剂牌号的选择工作载荷润滑油的粘度越大，油膜承载能力就越高！故载荷大，应选用粘度大，油性好的润滑油。受冲击振动或往复运动的零件，因不易形成液体油膜，要选择粘度大的润滑油或针入度小的润滑脂，或者用固体润滑剂。

润滑剂的种类确定好以后，牌号的选用可以从以下几个方面考虑：工作速度低速不易形成动压油膜，宜选用粘度大的润滑油，或润滑脂，高速时，为了减少功率损失，宜选用粘度小的润滑油或针入度大的润

滑脂。第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期日工作温度

低温时，应选用粘度小凝点低的润滑油，高温时，宜选用粘度大、闪点高、抗氧化性好的润滑。工作温度变化大的场合，应选用粘温特性好的润滑油。表面粗糙度和间隙

表面粗糙度大和间隙大，要求用粘度大的润滑油或针入度小的润滑脂。表面粗糙度小和间隙小，要求用粘度小的润滑油或针入度大的润滑脂。结构特点及环境条件

当被润滑零件为垂直润滑面的开式齿轮、链条等，应采用高黏度的润滑油或锥入度小的润滑脂，以保持较好的附着性。在多尘、潮湿环境下，宜采用抗水性好的钙基、锂基润滑脂。在强酸碱化学介质环境或真空、辐射等特殊条件下，常用固体润滑剂。第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期日四、润滑油和润滑脂中的中添加剂普通润滑油和润滑脂在一些十分恶劣的工作条件下（如高温、低温、重载、真空等）会很快劣化变质，失去工作能力。为了提高它们的品质和使用性能，常加入某些分量很小（从百分之几到百万分之几）但对其使用性能的改善起巨大作用的物质，这些物质称为添加剂。添加剂的种类很多，起到的作用也各不相同。第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期日抗氧化添加剂（如二烷基代磷酸盐等）可抑制润滑油氧化变质；

降凝添加剂（如烷基萘等）可降低油的凝点；

油性添加剂（如硬脂酸铝、磷酸三乙酯等）可提高油性；极压添加剂（又称EP添加剂，如二苯化二硫、二锌二硫化磷酸锌等）可以在金属表面形成一层保护膜，以减轻磨损；清净分散添加剂（如烷基酚盐、丁二酰亚胺等）可使油中的胶状物分散和悬浮，以防止堵塞油路和减少因沉积而造成的剧烈磨损。第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期日第六节润滑状态本节主要讨论工程中最常见的在摩擦面加入润滑油后形成的润滑系统，观察润滑油在表面间的不同状态，可将润滑分为液体润滑、边界润滑和混合润滑等三种状态，如图所示。（a）液体润滑

（b）边界润滑（c）混合润滑（d）干摩擦

（a）液体润滑（b）边界润滑（c）混合润滑（d）