《摩擦磨损和润滑》课件

摩擦磨损和润滑摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的学科。它是一个跨学科的领域，涉及物理学、化学、材料科学和工程学等多个学科。摩擦和磨损的基本概念表面接触摩擦和磨损发生在两个接触表面的接触点。相对运动两个表面之间发生的相对运动，会导致摩擦力的产生。材料去除摩擦产生的能量会导致接触表面材料的磨损，形成磨屑。摩擦的形成机理1表面粗糙度即使表面看起来光滑，也存在微观上的凹凸不平，接触面积有限。这些微观凸起互相接触，形成微观接触点。2分子引力当两个表面相互接触时，表面的分子之间会产生相互吸引力，即范德华力。这种力在微观接触点上起作用，产生摩擦力。3表面变形当两个表面相对运动时，接触点处的材料会发生弹性变形或塑性变形，这些变形会消耗能量，产生摩擦热。摩擦力的测量和计算摩擦力的测量和计算是摩擦学研究的基础。摩擦力的大小可以通过实验方法直接测量，也可以通过理论计算得出。常用的测量方法包括摩擦系数测量法、摩擦力测量法等。摩擦力的计算主要基于库仑摩擦定律，该定律指出：摩擦力的大小等于正压力与摩擦系数的乘积。摩擦系数是表征材料表面摩擦性能的物理量，其数值与材料的性质、表面状况、温度、湿度等因素有关。摩擦力的计算方法多种多样，要根据具体情况选择合适的计算方法。在实际应用中，摩擦力的计算往往需要结合实验数据和经验公式进行。固体表面接触和润滑状态微观接触真实固体表面存在微观凹凸，实际接触面积远小于理论接触面积。润滑剂可以填补微观间隙，减少摩擦磨损。流体润滑润滑剂形成完整的油膜，分离摩擦表面，实现无摩擦接触。边界润滑润滑剂与摩擦表面形成吸附层，减小直接接触，减少摩擦磨损。混合润滑流体润滑和边界润滑同时存在，共同减少摩擦磨损。摩擦磨损的机理表面接触材料表面接触时，表面粗糙度和微观结构会造成实际接触面积小于理论接触面积。形变和粘着接触区域的压力导致材料表面变形，产生接触点。接触点处的原子相互作用导致粘着现象。剪切和磨损相对运动使粘着点发生剪切，导致表面材料剥落，形成磨损。能量转化摩擦过程中，机械能转化为热能，导致温度升高，影响材料性能和润滑状态。磨损的类型和特点粘着磨损金属表面相互接触时，由于表面凸起发生冷焊，并在相对运动过程中被撕裂，从而导致材料损失。常见的例子包括：两个金属表面之间的摩擦，工具和工件之间的磨损。磨粒磨损由于硬质颗粒（如砂粒、灰尘）嵌入到材料表面或被材料携带，从而在材料表面上造成刮擦和磨损。常见的例子包括：高速切削加工、机械零件的磨损、风沙对金属表面的磨损。疲劳磨损由于材料表面的重复应力作用，导致微裂纹的产生，并在不断累积下形成疲劳裂纹，最终导致材料断裂。常见的例子包括：齿轮的磨损、轴承的疲劳剥落、金属材料的疲劳断裂。腐蚀磨损腐蚀和磨损共同作用，导致材料的表面发生损坏，加速材料的损失。常见的例子包括：海洋环境下金属零件的腐蚀磨损、酸性环境下金属表面的腐蚀磨损。材料和表面处理对摩擦磨损的影响材料的特性和表面处理方法对摩擦磨损有很大影响。1硬度硬度高的材料，抗磨损能力强。2韧性韧性好的材料，可以承受更大的冲击和弯曲。3耐热性耐热性好的材料，可以在高温下保持其性能。4表面光洁度表面光洁度高的材料，摩擦系数低，磨损小。润滑剂的作用和分类1减少摩擦和磨损润滑剂在两个表面之间形成一层薄膜，减少接触面积，降低摩擦力和磨损率。2降低能耗摩擦力降低，机器运转效率提高，减少能源消耗，节约成本。3延长设备寿命减少磨损，延长设备的使用寿命，降低维护成本。4冷却和清洁润滑剂可以带走摩擦产生的热量，同时还可以清洗机械零件表面的污垢和杂质。常见润滑剂的特性和应用矿物油矿物油来源广泛，成本低廉。在轻负荷、低温环境下表现良好。适用于普通机械，例如汽车发动机、齿轮箱。合成油合成油具有优异的化学稳定性和热稳定性，在高温、高压环境下表现出色。适用于航空发动机、精密仪器等对润滑剂要求较高的场合。脂脂具有良好的粘附性，可长时间保持润滑效果，适合在高温、高压、低温等恶劣环境下使用。适用于轴承、齿轮等需要长期润滑的部件。固体润滑剂固体润滑剂具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，适用于极端工况。例如石墨、二硫化钼，广泛应用于航空航天、冶金等领域。润滑系统的设计与选择需求分析明确润滑系统的使用环境、工况、负载等因素，为润滑系统选择合适的润滑剂和润滑方式。系统设计根据需求分析结果，设计润滑系统的结构、尺寸、材料，选择合适的润滑泵、油管、过滤器等部件。润滑剂选择根据润滑系统的工况和要求，选择合适的润滑剂，例如矿物油、合成油、半合成油等。系统调试调试润滑系统，确保系统运行正常，润滑剂能够有效地传递到摩擦表面。维护保养定期对润滑系统进行维护保养，更换润滑剂，清理过滤器等，确保润滑系统的可靠运行。边界润滑和混合润滑1边界润滑润滑剂薄层不足，固体表面直接接触，摩擦系数高，磨损严重。2混合润滑边界润滑和流体润滑共存，润滑剂起到部分隔离作用，摩擦系数中等，磨损较低。3应用场景边界润滑多用于低速、重载条件下，混合润滑应用范围广，例如发动机、齿轮。4研究重点提高润滑剂的极压性能和抗磨性能，降低摩擦系数，减少磨损。流体润滑的工作原理1形成油膜润滑油在两个相互运动的表面之间形成一层连续的油膜2分离表面油膜能够将相互接触的表面分离，降低摩擦系数3承载压力油膜能够承受外部载荷，防止金属表面直接接触4散热降温润滑油可以将摩擦产生的热量带走，防止设备过热流体润滑系统的设计1选择合适的润滑油考虑工况、温度、压力等2润滑油的供给系统油泵、油管、油过滤器3润滑油的冷却系统确保润滑油保持合适的温度4润滑油的过滤系统清除杂质、保持润滑油清洁5润滑油的监测系统监测润滑油的压力、温度、流量等流体润滑系统的设计需要考虑许多因素，例如润滑油的类型、润滑油的供给、润滑油的冷却、润滑油的过滤、润滑油的监测等。一个完善的流体润滑系统可以有效地减少摩擦和磨损，延长设备的使用寿命。润滑油品质评价与检测指标评价方法意义粘度粘度计润滑油流动性闪点闪点测定仪燃点安全性酸值滴定法酸性腐蚀性灰分灼烧法添加剂含量润滑油品质评价与检测至关重要，可以确保润滑油的性能满足设备要求，延长设备使用寿命，提高生产效率。新型润滑材料的应用纳米润滑剂纳米材料具有独特的表面特性和摩擦学性能，如低摩擦系数、高承载能力等。纳米润滑剂可用于减小摩擦、延长机械寿命、提高效率。固体润滑材料固体润滑材料在高温、高压、真空等恶劣环境下具有优异的润滑性能。常用固体润滑剂包括石墨、二硫化钼等。生物润滑剂生物润滑剂以生物资源为原料，具有可降解性、环保性等优点。生物润滑剂可应用于生物医药、食品加工等领域。智能润滑剂智能润滑剂能够根据环境变化自动调节其性能，如温度、压力等。智能润滑剂可实现自修复、自适应等功能。摩擦学对工程设计的指导作用优化零件设计减少摩擦和磨损，提高零件的耐用性和可靠性。提高效率降低能量损失，提高机器的效率和性能。延长使用寿命选择合适的润滑剂和润滑方式，延长机器的使用寿命。节约成本通过摩擦学分析，减少材料浪费，降低生产成本。摩擦和磨损对环境的影响能源消耗摩擦会导致能量损失，造成能源浪费。污染排放润滑油泄漏和磨损颗粒会导致环境污染。资源浪费磨损会导致设备寿命缩短，增加资源消耗。噪音产生摩擦会导致噪音产生，影响环境质量。摩擦节能的意义和方法11.降低能源消耗减少摩擦损失，可以提高机械效率，降低能源消耗，节约能源成本。22.延长设备寿命减少摩擦磨损，可以延长设备的使用寿命，减少维修保养费用，提高生产效率。33.降低环境污染减少摩擦损失可以降低设备运行的温度和噪声，减少对环境的污染。44.提高产品性能通过降低摩擦，可以提高产品的性能，例如降低发动机油耗，提高汽车行驶速度等。摩擦学实验与测试方法摩擦系数测试使用摩擦系数测试仪，测量材料之间的摩擦系数。这需要控制负载、速度和温度，并分析摩擦力和运动方向。磨损测试通过测量磨损量的变化，评估材料的耐磨性。常用测试方法包括磨损测试机、擦拭测试机和滚珠测试机。润滑性能测试评价润滑剂的性能，包括粘度、磨损性能、防腐性能和高温性能。常用测试方法包括粘度计、四球机和高温试验台。表面分析使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术，分析摩擦表面形貌和成分变化。摩擦学研究的前沿与热点纳米级摩擦学研究纳米尺度下的摩擦、磨损和润滑现象，揭示材料表面相互作用的机制。微流体润滑利用微流体技术设计新型润滑系统，提高润滑效率，降低摩擦损失。生物摩擦学研究生物体内的摩擦、磨损和润滑现象，为生物医学工程提供理论指导。可持续润滑开发环保、高效、长效的润滑材料和技术，减少摩擦损失和环境污染。摩擦学理论的发展历程从古至今，人类对摩擦现象一直保持着浓厚的兴趣。早在公元前，古希腊的亚里士多德就对摩擦力进行了研究，并提出了“摩擦力与物体接触面积成正比”的观点。1现代摩擦学纳米摩擦学、生物摩擦学2经典摩擦学流体润滑理论、边界润滑理论3早期摩擦学亚里士多德的摩擦力研究摩擦与磨损问题的诊断与分析现象观察观察摩擦表面磨损痕迹，例如划痕、磨损斑点、表面粗糙度等，以初步判断磨损类型。通过声学、振动等方法检测摩擦过程中的异常声音或振动，判断磨损程度。数据分析分析摩擦系数、磨损率、摩擦温度等数据，识别摩擦过程中的异常变化。利用机器学习等技术，建立摩擦磨损预测模型，对磨损进行早期预警。摩擦学知识在机械设计中的应用降低磨损机械设计时，应选择合适的材料和表面处理工艺，以降低摩擦系数和磨损率，延长机械的使用寿命。润滑设计根据机械的工作条件，选择合适的润滑剂和润滑方式，以保证机械的正常运转，降低摩擦热和磨损。提高效率通过优化机械的结构和运动方式，降低摩擦损失，提高机械的效率和节能效果。摩擦学在关键设备中的应用案例摩擦学在关键设备中发挥着至关重要的作用，例如航空发动机、精密机床、涡轮机和医疗器械。这些设备对摩擦和磨损有严格的要求，需要优化的摩擦学设计和材料来确保可靠性和寿命。例如，航空发动机叶片使用特殊的涂层和润滑油，以降低摩擦和磨损，提高燃油效率。精密机床的轴承需要低摩擦和高精度，以确保加工产品的质量。摩擦学与可持续发展节能减排减少摩擦损耗，降低能源消耗，实现可持续发展。材料利用优化材料选择，延长设备寿命，减少材料浪费。环境保护降低噪声污染，减少润滑剂使用，保护环境。摩擦学在汽车、航空中的应用汽车应用摩擦学在汽车领域至关重要。它优化发动机、变速箱、制动系统和轮胎的设计，提高燃油效率，降低噪音和磨损。摩擦学原理应用于汽车零部件，例如轴承、活塞环和离合器，以减少摩擦和磨损，延长其使用寿命。航空应用航空领域对轻量化、节能和可靠性要求极高。摩擦学在飞机发动机、起落架、机翼和机身设计中发挥着关键作用。通过降低摩擦和磨损，提高发动机效率，减少燃料消耗，延长飞机寿命，并提升安全性。摩擦学在生物医疗领域的应用1人工关节减少摩擦和磨损，提高关节的寿命和舒适度。2生物材料控制表面性质，改善生物材料的生物相容性和生物活性。3医疗器械优化摩擦学特性，提高医疗器械的性能和安全性。4药物输送开发新型药物输送系统，提高药物的疗效和安全性。摩擦学在微纳米器件中的应用纳米摩擦微纳米器件具有尺寸小、重量轻、功耗低的特点。摩擦学在微纳米器件的设计、制造和应用中扮演着重要角色。纳米润滑纳米润滑剂可以有效降低摩擦系数，提高微纳米器件的可靠性和使用寿命。纳米材料纳米材料具有独特的表面性质和