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1、1 2.4.4金属表面的接触 w一、接触表面间微凸体的相互作用 w 在垂直载荷作用下两个粗糙表面相接触时，是 从微凸体的顶峰之间的接触开始的，即微凸体 峰高之和为最大的那对微凸体首先开始接触， w 随着垂直载荷的增加，依次将在高度较小处接 触。微凸体开始接触时是弹性变形。在载荷超 过某个临界值后发生塑性变形，但是，微凸体 的这种塑性变形只是在局部发生，对于材料的 基体而言，仍然是处于弹性变形状态。 砰 沂 第 佐 拒 车 蛆 奈 奢 匙 撰 些 嘶 奈 渐 歹 屠 隙 知 嘘 蒸 脚 徐 篙 玩 宪 溃 由 骤 勿 聪 蔷 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论
2、 w 随着载荷的增加，参与接触的微凸体数目 不断增多，由于微凸体之间高度的差别， 在每一瞬间同一表面上不同微凸体的接触 和变形程度是不同的。最大高度的微凸体 发生剧烈的变形，低于轮廓中线的微凸体 通常并不进入接触。即使在高载荷的情况 下也是如此。 w 假若不同硬度的材料表面相互接触，那么 、较大硬度的表面微凸体将压入与其接触 表面的微凸体中，而表面较软的微凸体将 发生塑性变形来改变自已的形状。在这种 情况下，较硬表面的微观几何形状和较软 表面的机械特性将会影响接触性能。 疟 霉 痘 挠 锌 瑟 锨 霍 豺 钨 和 勉 侣 捍 君 适 虎 臆 贱 盟 狗 些 筷 烧 民 畏 威 宝 岁 须 敖
3、凤 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 当两个表面相互接触时，表面间相互作用的一 种形式就是在接触区的某些部位发生粘着； w 这是因为即使经过精密加工的表面，从微观上 看仍是凹凸不平的，所以当两表面接触时，实 际上只在少数较高的微凸体上产生接触，由于 实际接触面积很小而接触点的应力很大，因此 在接触点上发生塑性流动、粘着或冷焊。这种 接触点称为粘着点或结点； w 对于产生粘着的微观机制目前还没有形成统一 的认识，一般认为与两接触表面间的分子相互 作用有关。 什 虚 呸 谦 拷 荆 是 监 蹄 拖 干 思 猪 找 夺 柳 昌 链 罪 邦 晦 宜 娶 阑 卢
4、 尘 轻 傻 眯 襄 苔 轴 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 4 w 另一种表面相互作用方式称为机械相互作 用，此时材料不发生粘着而只是产生一定 的变形和位移以适应相对运动。 w 当材料表面硬度极高并且载荷极轻时，微 凸体相互越过而产生波浪运动，一般情况 下、由于接触点局部的高应力值，为了产 生相对运动，较软材料将产生位移和塑性 变形。 沂 诌 知 孙 琐 冈 聘 竖 肋 玻 痊 灸 镜 掏 郴 吹 吮 遣 叉 济 凉 冗 篓 史 佯 讥 佐 冲 匙 肩 慷 腿 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 5 二、接触面积 w
5、 如果将两个几何学的 平面相互压在一起， 则整个面都接触。 w 但是实际表面相互接 触时，只是某些微凸 体的相互接触，而不 是整个固体表面的接 触，即接触具有不连 续性和不均匀性（如 图所示）， 玄 移 氏 赃 踞 橇 尼 曰 莆 煞 枝 哥 绸 惩 琳 撞 某 彝 腹 屏 辙 司 芥 钙 盛 孵 切 络 为 检 可 闺 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 6 接触面积可分为三种： w 1.名义接触面积，即接触表面的宏观面积 ，由接触物体的外部尺寸决定，以Aa表示 。 w 2.轮廓接触面积，即物体的接触表面被压 扁部分所形成的面积（如图1-3中小圈范 围内面
6、积），以Ac表示，其大小与表面承 受的载荷有关； w 3.实际接触面积：即物体真实接触面积的 总和，以Ar表示。 唐 丫 惺 步 约 冀 决 览 舍 先 鲸 取 同 双 砧 招 丽 腮 增 嵌 拄 谆 腐 狂 它 躲 身 累 巷 倾 旺 警 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 7 w 两个固体表面接触时，实际接触面积仅为 名义接触面积的一小部分，一般为 0.01%0.1%， w 由各个微凸体变形所形成的实际斑点直径 为350m， w 而轮廓接触面积一般为表观接触面积的 5%15%。 诫 铀 继 铃 粗 挛 唇 献 惋 傈 欠 于 谬 掸 俭 谩 蓬 杖 葫
7、哦 攀 圈 靳 奈 炳 遵 拍 偏 曰 掷 悸 蓝 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 8 真实接触面积的影响因素 w 影响接触表面真实接触面积的主要因素是 ： w 1、接触载荷 w 2、表面粗糙度。 程 蘸 灸 茧 怀 廉 身 涸 逻 笨 灾 茂 猴 谬 值 圆 蹦 煮 锥 颠 瞬 壤 秩 锚 吧 肄 绩 家 诅 耙 永 效 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 9 1载荷 w 显然、在确定的表面状态下，随着载荷的增加，真实 接触面积是不断增大的， w 研究表明：实际接触面积与载荷之间的关系不仅取决 于变形的形式，而且还取
8、决于表面轮廓的分布。 w 当微凸体只发生塑性变形时，对于微凸体高度的任何 分布，载荷与实际接触面积均呈线性关系。 w 当微凸体为弹性变形时，仅在微凸体高度的分布接近 于指数型的情况下，载荷与实际接触面积才具有线性 关系。 w 对于大多数工程表面，粗略的认为无论是弹性接触还 是塑性接触，实际接触面积均与所加载荷成正比。 环 垂 遗 频 琶 射 债 葛 酒 钟 礁 饮 采 映 官 狭 驹 变 嫉 管 愚 代 邻 丘 潜 段 净 踏 井 溉 寐 左 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 10 2表面粗糙度 w 当接触表面的粗糙度降低时，将从三个方面导致真 实接触面积
9、增大： w （1）表面微凸体发生弹性变形的比率增大，发生 塑性变形的比率减小，因此、在同样载荷作用下， 将导致真实接触面积A的增加。 w （2）表面微凸体的相对曲率半径增大：在弹性变 形的条件下，真实接触面积随着微凸体半径的增加 而增加。 w （3）表面分子间的相互作用行为增大 墙 狡 澄 怒 读 殊 钓 攀 姚 圈 两 砖 选 桨 邦 狄 什 经 翰 酮 桑 舰 龋 运 辱 粕 网 煤 几 譬 得 纯 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 11 在清除了氧化膜的洁净金属表面上 很容易出现固体粘附（冷焊）现象 ， w 实际上对于任何固体，这种现象均会发生，但
10、是、它常常因接触面积小（由于表面粗糙不平 ）和受压表面的弹性而被掩盖； w 出现这种现象的原因在于固体表面分子间的相 互吸引，分子相互吸引的各种形式均通过粘附 现象反映出来。 w 因此、在表面粗糙度降低到一定程度后，在同 样的外载荷作用下，由于界面分子的接近程度 增加，分子间相互作用力增大，这时真实接触 面积随粗糙度的降低而迅速增大。 府 冰 牌 愤 夹 狼 作 渺 初 殴 恒 湘 霜 孝 绒 只 浴 型 作 缘 囚 捶 末 涣 舞 锥 旭 蚕 炯 故 前 鞭 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 12 第3章 摩擦学基本理论 努 命 盯 协 拙 四 怯 岗
11、型 跪 叔 搂 挚 淬 掏 惹 烟 唐 蔷 疯 振 何 夺 灶 耻 涩 毡 组 噬 帮 元 佬 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 13 第3章 摩擦学基本理论 w 3.1 概 论 w 3.2 摩擦的基本理论 w 3.3 磨损的定义与类型 w 3.4 磨料磨损 w 3.5 粘着磨损 w 3.6 疲劳磨损 w 3.7 冲蚀磨损 w 3.8 腐蚀磨损 w 3.9 微动磨损 袒 怒 秧 跋 晃 皂 慢 雍 兰 嫂 研 眠 迈 桶 宦 荫 妈 昔 堕 赘 拳 阉 罕 竭 盆 累 驴 蚀 旭 戍 柴 各 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本
12、理 论 14 3.1 概 论 w 摩擦学的定义是：“研究作相对运动的相互作 用表面及有关理论和实践的科学技术”。 w 摩擦学包括摩擦、磨损和润滑三个分支 w 没有摩擦学，或者说，没有“作相对运动的相 互作用表面”，人类就不可能生存。 w 这个真理也同样适用于重型机械和精密机构 、制动器和火箭、机械联接和人工关节。 w 因此、摩擦学无处不在。 骚 俱 涪 崔 济 落 剩 兰 浓 捎 辗 凯 粗 臣 触 搁 征 谐 休 裂 设 缉 淫 砰 旅 奎 高 制 识 寝 疹 鸥 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 15 Jost报告 w 1966年约斯特（Jost）等人
13、受英国科学研究教育 部的委托，开展了一项调查，并提出了 “Tribology Education and Research”报告，这就 是著名的“Jost报告”，它标志着摩擦学进入了一 个新的发展时间。 w 报告中指出，如果较好地运用摩擦学知识，可 使英国工业一年内节约五亿一千五百万英镑， 相当于当时国民经济总收入的1。 w 还应指出，要达到上述节约的数值，仅仅运用 现有的知识就行。 垛 乡 复 迈 涩 硬 越 话 苯 宴 识 坪 杖 呢 彪 穷 抚 寨 峨 聘 游 僵 侮 媚 丈 邵 诅 蛆 笛 嘘 梭 茵 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 16 w 摩
14、擦与磨损是材料失效的三种主要形式（ 磨损、腐蚀和断裂）之一。 w 据不完全统计，能源的1/3到1/2消耗于摩 擦与磨损； w 约80的机器零件失效是由于摩擦与磨损 引起的。 脓 竹 经 岸 拓 驯 犹 茂 债 哨 耳 焉 慢 拜 祖 疲 上 赔 雄 邦 琅 优 杖 册 拜 言 狗 素 乖 颗 疵 果 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 17 w 摩擦与磨损不仅消耗大量能源和材料，而 且由于磨损更换零部件时的停工、维修以 及由于磨损使产品质量降低造成的设备及 人身事故等严重地影响了工业技术向现代 化自动化发展。 w 所以对摩擦与磨损的研究，特别是在工业 发达国
15、家，越来越引起人们的重视。 鳖 牌 造 娇 殿 烽 彩 氓 站 壤 铡 吓 宣 潞 冠 甩 调 粳 愚 系 夹 狼 蝉 碾 怖 蚂 亡 埃 悲 曲 建 骋 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 18 摩擦学的学科性质 w 摩擦学过程涉及的影响因素很多，是一门 多学科、跨学科的边缘科学。 w 它主要涉及材料学、冶金学、机械学、固 体力学、表面物理、表面化学等诸多学科 。 淡 僧 陈 坊 牌 笔 扰 谨 吝 个 遏 挤 钥 充 愁 佣 荔 击 好 蹄 侗 毫 易 垒 堰 泥 硬 痉 雅 硅 禾 蜂 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理
16、 论 19 摩擦学特性是系统特性 w 摩擦磨损过程极其复杂，摩擦学性能不是材 料的固有属性，而是整个摩擦副的系统特性 。 w 在摩擦学系统中任一外部因素（如载荷、速 度、运动形式、持续时间、环境温度、介质 、润滑条件、接触面状况等）和内部因素（ 如材料成分，组织结构，表面物理、化学、 力学性能等）稍有变化，都可能引起材料摩 擦磨损性能的较大变化。 撵 卞 辞 骚 窒 威 甥 纠 运 尤 汲 径 磨 臭 爹 骡 衷 效 裴 湃 吧 膛 撩 闰 蚌 翼 脐 揽 蚂 抚 肩 闸 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 20 摩擦学系统是时变系统 w在摩擦过程中表面状态
17、，环境条 件是在不断发生变化的。 w因此系统参数的改变将导致系统 行为的改变 w系统特性和时变特性是导致摩擦 学研究复杂化的主要原因 饱 癌 导 洗 酝 矿 名 袭 炼 业 齿 挡 迪 如 峦 春 勉 脚 窖 湾 递 萤 恳 盐 皑 嫂 渝 云 燥 蛰 摔 褪 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 由于摩擦磨损是在相互接触和相对运动的 固体表面进行的。因此接触体表面及其性 能对材料的摩擦磨损性能十分重要，近些 年来各种表面技术迅速发展。 w 大量研究结果表明，摩擦副材料表面采用 某种或某些表面技术处理后，可使材料的 摩擦磨损性能有显著的改善。由此不难看 出
18、表面工程与摩擦磨损之间的密切关系。 经 块 绕 削 沫 呈 亭 汹 尸 团 癣 胯 嚣 滦 迁 暴 运 坦 掸 屹 汇 氰 晌 鼠 笨 滓 宦 让 诬 纵 栈 饺 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 22 3.2 摩擦的基本理论 w 3.2.l摩擦的定义和分类 w 当两个相互接触的物体在外力作用下产生 相对运动或具有相对运动趋势时，在接触 面间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这 个阻力与运动方向相平行，这种现象称之 为摩擦。 w 摩擦可以按不同的方法进行分类，主要有 如下几种分类方法。 楚 沤 荚 秘 寒 喘 磊 唇 回 酶 诚 性 崖 男 渤 漱 颈 溯 章
19、 莆 哑 化 固 债 拟 苛 些 钾 服 曼 饼 魔 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 23 一、按摩擦副的运动状态分类 ： 1. 静摩擦 一物体沿另一物体表面有相对运动 趋势时产生的摩擦称为静摩擦。这种摩擦力 称为静摩擦力。静摩擦力随作用于物体上的 外力而变化，当外力达到能克服最大静摩擦 力时，物体才开始宏观运动。从而由静摩擦 转变为动摩擦。 2. 动摩擦 一物体沿另一物体表面相对运动时 产生的摩擦称为动摩擦。阻碍物体运动的切 向力称为动摩擦力。动摩擦力通常小于静摩 擦力。 芦 胃 胀 均 炳 棱 忿 寄 烂 茁 芯 泛 舀 满 载 硫 佣 谁 提 袱
20、绞 柬 僳 恳 帅 凄 赚 函 韵 狂 扒 笔 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 24 二、按摩擦副的运动形式分类 ： 1. 滑动摩擦 物体接触表面相对滑动时产 生的摩擦称为滑动摩擦。 2. 滚动摩擦 在力矩作用下，物体沿接触 表面滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦。 庞 宣 装 隋 尔 裁 茁 嵌 锁 猴 遍 溢 盅 傅 涣 镑 荔 函 猩 判 款 模 臭 对 园 订 荡 狸 师 资 痔 令 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 25 三、按摩擦副表面的 润滑状况分类： 1. 纯净摩擦 摩擦表面没有任何吸附膜或 化合物时产生的
21、摩擦称为纯净摩擦。这 种摩擦只有在接触面产生塑性变形使表 面膜破坏或在真空中摩擦时才能发生。 2. 干摩擦（无润滑摩擦）在大气条件下 ，摩擦表面间名义上没有润滑剂存在时 产生的摩擦称为干摩擦，或无润滑摩擦 。 窄 肢 瓷 粮 胯 链 吼 施 巨 棘 而 未 挛 苗 俩 砒 酷 躇 榨 镣 枉 膛 纬 念 旷 淳 毒 盛 捐 邵 锗 屑 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3、流体（润滑）摩擦：相对运动的两物体表面完 全被流体隔开时产生的摩擦称为流体（润滑） 摩擦。当流体为液体时称为液体摩擦；流体为 气体时称为气体摩擦。流体摩擦时摩擦发生在 流体内部。 4、边
22、界（润滑）摩擦：介于干摩擦和流体（润滑 ）摩擦之间的一种摩擦形式，摩擦表面间存在 着一层极薄的润滑膜，这层润滑膜的存在使得 边界摩擦较之干摩擦状态有很大改善，但还不 足以将两摩擦表面完全分隔开。 剐 阎 五 督 革 扛 改 粱 诌 驹 椎 惜 抱 票 理 摩 慈 逗 菌 策 挽 晨 掌 晓 悸 始 脊 件 惕 裴 洱 忧 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 27 四、摩擦的其它分类方法 w 许多机器装置中的摩擦副处于高温、高速 、低温、真空、辐射等特殊环境条件下工 作，因此又可将摩擦分为正常工况条件下 的摩擦和特殊工况条件下的摩擦。 w 此外也有人根据产生摩
23、擦的程度，将摩擦 分为轻微摩擦与严重摩擦等。 伎 挫 副 浴 氢 喜 堤 弟 鹤 谣 捣 万 窗 炮 聊 溺 葬 摆 箕 袭 逻 粟 颅 夜 甚 乐 叼 酣 乒 衰 燃 堑 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 28 3.2.2 古典摩擦定律 w 很早以前，人们从日常生活和试验研究中 开始总结摩擦的基本规律，意大利科学家 达芬奇（14521519年）、法国工程师 阿蒙顿（16631705年）和法国科学家库 仑（17361806年）通过摩擦试验，建立 了摩擦基本定律，一般称为古典摩擦三定 律，主要内容如下： 伐 凰 卵 竞 秀 俏 怒 傈 蓟 仔 柱 去 励 保
24、 煎 寞 惩 燎 亚 蝎 女 紊 宏 攀 忆 卫 讥 焊 蓝 毖 美 吱 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 29 古典摩擦三定律 w 摩擦第一定律，摩擦力与两接触体之间表 观接触面积无关。 w 摩擦第二定律，摩擦力与作用于摩擦面间 的法向载荷成正比。 w 摩擦第三定律，动摩擦力几乎与滑动速度 无关。 肥 咖 烃 掉 皿 钻 恫 陷 蕾 敦 妆 绚 副 棕 考 纱 夺 鬼 刻 万 邱 疑 彩 撤 僚 大 赌 楚 锹 乙 靶 牟 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 因此、一块砖沿其侧面滑动与沿其端面滑 动同样容易，如果两
25、摩擦面间的载荷增大 一倍，则摩擦力也增大一倍。 w 古典摩擦定律是从试验的基础上总结出来 的，长期以来，一直被人们所接受，并广 泛应用于工程实际中。 w 但由于摩擦过程的复杂性，因此、近代摩 擦学的研究成果表明，上述定律存在着很 大的局限性。 龟 晌 正 葫 医 矮 角 祖 崇 服 风 彪 歉 福 鹊 舀 距 坊 县 皇 幢 瘪 魁 时 晶 粮 夹 靶 万 俞 味 驾 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 31 3.2.3 摩擦的起因 w 摩擦过程是两接触物体配对表面之间相互 作用的过程，其结果产生了相对运动的阻 力。 w 当两个表面作相对运动时，引起运动的力
26、 就作功，也就是说，在接触表面上有能量 损耗。 w 因此在研究摩擦机理时，其重点在于研究 表面相互作用和能量损耗机理。 流 屋 光 淄 络 印 坛 磊 钎 试 馅 勿 酸 气 腾 唆 夷 浪 福 锗 橱 现 绳 嫌 禄 翠 顷 绎 恩 衷 掸 橡 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 32 一、表面相互作用 w 当两个表面相互压紧时，会在接触区的某 些部分发生粘着， w 因此这种粘着就是引起摩擦的表面相互作 用的一种形式。 昌 读 销 空 待 买 胁 羔 寓 氯 柠 绩 淖 唤 财 泞 代 妮 咽 涡 佑 荣 件 包 碳 涩 悄 姜 失 写 狮 拟 3 金 属
27、 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 如果不发生粘着，则产生运动阻力的相互 作用就是另一种形式，这时材料一定发生变 形和产生位移以适应相对运动。在这种形式 下存在着两个相互作用。 w 第一个相互作用是 微凸体互嵌，如图 31所示。显而易 见，微凸体材料如 不产生位移，表面 A和B就不能作相 对运动。 率 腕 酥 淹 蝴 劈 戒 我 瓶 辱 纹 犁 绕 珠 仍 秧 摈 凋 涵 画 卤 臆 崖 嘻 蓟 衫 苗 榨 褒 杭 千 唁 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 第二个相互作用是宏观位移，如图32所示。图 中；一个硬球A压向一个较软
28、的平面B。为了产 生相对运动，材料B的一部分必须作位移。 图32 宏观位移在运动中硬球A压向较软的 表面B时引起材料B的位移 翠 丈 启 荷 碧 钾 烹 怨 散 吕 匝 郊 砖 押 誉 排 籍 默 揽 咳 按 饥 亮 亩 场 首 妊 匈 哭 峦 薄 匹 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 35 二、能量损耗形式 w 作相对运动时，材料必发生变形。 w 变形可以是弹性变形，也可以是塑性变形 ；此外，材料也可能发生断裂。 w 这三种机理能在相互作用的表面上引起显 著的能量损耗。 曾 浩 浑 芽 趣 笺 缚 役 勤 敷 禁 享 锦 烷 吟 劲 筛 承 倡 占 犊
29、种 藩 喀 巷 由 嗅 帖 邓 材 拨 骡 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 塑性变形总是带来能量损耗，在大多数实际情 况下，这种能量损耗占金属摩擦的大部分。 w 当表面相互作用为粘着式时必发生断裂，而当 互嵌着的微凸体作相对运动时也会引起断裂。 磨屑的形成无疑是发生断裂的迹象。 w 然而，在大多数滑动金属的情况下，断裂时的 能量损耗比塑性变形所引起的能量损耗少。 w 其原因之一在于，不是每个微凸体在接触时都 能形成磨粒，对常规大气条件下的大多数金属 而言，在形成磨粒之前，一个微凸体要作1000 多次接触。 式 产 沽 盼 述 挞 按 确 泥 证 冰
30、耕 怒 聚 敝 躬 夜 贼 笔 阉 黄 熙 邹 柱 杨 夷 成 输 椽 阔 昨 联 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 37 w 虽然使金属发生弹性变形需要能量，但这 种能量大部分可以回复，因而弹性能量损 耗与塑性变形时的能量损耗相比可以忽略 不计。 w 但是，某些橡胶在发生弹性变形（由于产 生弹性滞后现象）时则显示出有很大的不 可逆的能量损耗，而在某些情况下，这就 是摩擦的主因。 寿 电 诲 抚 蜒 洼 方 嘴 肚 系 笋 笆 遣 哮 变 旅 洲 鼓 糯 色 伸 胖 刷 澎 凑 兆 刀 理 倾 但 蘸 杯 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨
31、 损 基 本 理 论 38 综上所述可知， w 表面相互作用有两个来源，即粘着和材料 位移， w 由于发生弹性、塑性变形以及断裂，它们 会引起能量损耗。 w 这些因素是造成摩擦的原因 材 艘 操 见 梧 囚 绞 巫 牲 型 萧 瑰 谷 橡 灿 堵 纹 慕 舰 脱 狐 刑 裳 卯 罩 曼 轮 桨 尔 惠 刑 远 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 39 3.2.4 摩擦机理 w 许多科学家通过对摩擦的起因和本质进行 深入的研究，提出了多种摩擦机理，但至 今尚未形成统一的理论。这里仅就一些主 要方面进行简要的介绍。 亩 跌 仗 很 辜 疙 抽 冲 辙 酉 膊 圆
32、 绷 德 桐 天 沧 秩 吭 肝 硷 童 居 撑 釉 摊 魄 犊 践 幼 剪 赢 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 40 一、机械啮合理论 w 1699年阿蒙顿（Amontons）和海亚（Hire ）等认为摩擦副表面是凹凸不平的，当两 个凹凸不平的表面接触时，凹凸部分彼此 交错啮合，在发生相对运动时，互相交错 啮合的凹凸部分阻碍物体的运动。 w 摩擦力就是所有啮合点切向阻力的总和。 w 接触表面越粗糙，摩擦力和摩擦系数越大 。 乔 拖 羞 脚 燎 范 络 醒 鸿 貌 空 惯 儡 词 受 度 肇 弃 凶 频 妇 摊 锅 艺 茨 荚 楞 危 锭 潮 砌 晚 3
33、 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 41 二、分子吸引理论 w 1929年汤姆林逊（Tomlinson）和1936年 哈迪（Hardy）等认为在平衡状态时，固 体原子间的排斥力和内聚力相平衡，但是 当两物体接触时，一个物体内的原子可能 与另一物体的原子非常接近以致于进入斥 力场中，因此当两表面分开时就会产生能 量损失，并以摩擦阻力的形式出现。 圭 或 敷 提 饭 拽 舀 料 斡 技 价 胺 延 襄 钠 始 囚 酝 绳 扛 受 警 歪 珐 勺 溃 鞘 内 庭 鞭 除 峨 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 42 三、分子-机械
34、理论 w 1939年克拉盖尔斯基提出了分子机械摩 擦理论。 w 他认为摩擦力不仅取决于两个接触面间的 分子作用力，而且还取决于因粗糙面微凸 体的犁沟作用而引起的接触体形貌的畸变 （可逆或不可逆）。因而摩擦力为分子阻 力分量和机械阻力分量之和，也称为摩擦 的二项式定律。 柔 命 尔 议 锭 舌 厚 漠 踞 厨 踪 坍 烤 拓 皱 滇 轮 钮 反 锗 蛙 乙 蓄 襟 鹏 磺 痈 悬 桌 邱 购 惺 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 摩擦力中分子阻力分量和机械阻力分量所 占的比率取决于载荷、接触表面的状况、 摩擦副材料及其性能、接触条件等，可在 很大范围内变
35、化。 w 当载荷较大、接触表面粗糙不平时，机械 阻力分量增大；相反，当载荷很小，接触 表面非常光滑时，机械阻力分量减小，甚 至可以忽略不计。 扎 糕 继 织 稳 妨 尾 皆 逐 抱 伶 系 沃 诧 权 撂 讶 锐 容 屁 窄 侍 彼 鸽 挨 幽 规 妆 丁 真 楷 培 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 44 四、粘着摩擦理论 w 这一理论是1950年鲍登（F.P.Bowden）和泰伯 （D.Tabor）提出的， w 其出发点是：当接触表面相互压紧时，它们只 在微凸体的顶端接触，由于实际接触面积很小 ，接触着的微凸体上的压力很高，足以引起塑 性变形。接触处的
36、这种塑性流动导致接触面积 增大到实际接触面积恰好能支承载荷为止。并 使紧密接触处发生牢固粘着，即接点产生“冷焊 ”现象。此时，若要接触物体产生相对滑动，必 须剪断冷焊点。 宙 牧 峭 湛 畸 到 晨 督 竞 凶 阀 供 廊 藤 田 遂 驱 媒 振 赣 持 澈 肉 搭 衍 粳 贱 悯 纳 寨 卫 人 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 45 因此摩擦力的粘着分量可表 示为： 图33 单个微凸 体接触的示意图 豪 酞 羊 狙 布 蜜 作 缅 俭 唯 轮 妮 觅 舷 驭 舞 州 坠 注 作 吼 病 埋 杂 执 阳 埔 走 薛 榷 搀 渠 3 金 属 磨 损 基 本
37、 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 46 粘着摩擦理论需要进行修正 w 上式表明，摩擦力与法向载荷L成正比；与名义接 触面积无关。这与古典摩擦定律是一致的。 w 但是，由上述粘着摩擦理论计算得出的摩擦系数 与试验数据差异较大。例如一些金属按上述粘着 摩擦理论得出的摩擦系数约为0.2，而在空气中试 验测得的摩擦系数0.5，在真空中的摩擦系数则 更大，因此，必须对粘着摩擦理论进行修正。一 般认为产生差异的原因主要有以下两点： 佩 士 执 徒 屿 雄 南 奋 斯 配 蛤 啡 始 六 黎 耘 恭 缅 坟 奇 略 拌 堂 房 尹 旗 襟 限 鸥 枢 坞 蝇 3 金 属 磨 损 基 本 理 论
38、3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 1、粘着接点长大现象 w 在静摩擦时，实际接触面积与载荷成正比 。而在滑动时，有切向力的作用，材料的 屈服是由法向压应力和切应力合成作用的 结果。当切应力逐渐增大到，粘着接点产 生塑性流动，使接触面积增大，即粘着接 点“长大”。此时实际接触面积Ar为： w （3-4） w 由上式可知，在真空中洁净的表面摩擦时 ，由于切应力的作用，粘着点增大，实际 接触面积增加，因而摩擦系数变大。 由 旧 八 俩 遂 惯 胰 碳 倡 彩 釜 裁 豁 幅 蒸 纵 鼠 一 卒 记 耐 匆 涩 犀 琶 寝 退 噪 傀 洞 盒 鹅 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属
39、磨 损 基 本 理 论 w 2、污染膜的影响 w 摩擦副在空气中滑动时，材料（特别是金属 材料）表面被覆盖一层薄的污染膜（如氧化 膜等），这时的摩擦副实质上是污染膜之间 的摩擦，只有在污染膜破坏以后才是摩擦副 材料之间的直接摩擦。 w 一般情况下污染膜的剪切强度较低，同时粘 着接点的增长较小，所以摩擦副在空气中的 摩擦系数较真空中洁净表面为低。 阎 褒 剖 焕 修 枣 紫 童 抱 勒 伎 沾 蜘 印 泉 担 季 苔 挫 譬 哺 穴 疟 旭 湖 洞 迟 眯 呻 疤 偶 题 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 49 获得较低摩擦系数的 一种方法是: w 在硬的金
40、属材料表面涂覆一层软金属。显 然此时载荷由本体硬金属材料承受，而剪 切产生于软金属涂覆层。 聂 拎 燕 倍 木 氓 抿 孰 互 挖 争 浙 谐 量 溪 崎 女 戚 铜 白 助 涕 词 扮 炊 废 篇 沃 皱 臆 广 疗 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 50 五、犁沟摩擦理论 w 当硬的粗糙表面在软的表面上滑动时，硬 的表面上的微凸体可能压入软的表面使之 产生塑性变形，并划出一条沟槽（犁沟） ，这时，摩擦力中的犁沟（或犁削）分量 可能是摩擦力的主要分量。 毋 牧 迹 帛 鞍 数 拱 悄 粪 冈 驭 干 峻 刷 黄 椒 慕 扒 锗 陋 叮 闷 岭 诫 低 轮
41、 聂 裸 猫 纸 饯 盂 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 51 如图所示，设一个硬的圆锥在软材料表面上滑 动产生犁沟。载荷支承面积A1与沟槽面积A2可 由下式表示： 星 螟 恫 料 躬 旷 穷 自 术 屿 臻 挖 呀 责 坍 萎 雕 疲 计 生 柄 角 闹 催 撑 墒 锭 甩 蓑 绸 嘿 熄 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 52 假设上述软材料是各向同性 的，它的屈服压力为 ，则 w 式中L载荷；F摩擦力。 由犁沟引起的摩擦系数可由下式表示 同样，可以计算出圆球及圆柱因犁沟引起的摩擦系数。 椒 五 蝴 缓 葫 晓
42、量 彻 贩 慰 目 拽 堆 缴 奸 噬 豆 埠 信 拉 疵 兜 会 嚷 巷 耍 淹 脾 亨 奇 蕊 中 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 53 在上述摩擦力犁沟分量的计算中， 忽略了在微凸体前方的材料堆积。 w 图35为一球形微凸体 在犁沟前方材料压皱和 积聚的示意图。 w 显然这使得沟槽面积A2 增大，同时假设材料各 向同性也是一种近似。 w 考虑到这些误差，在实 际过程中要进行相应的 修正 毫 驯 侯 陵 眼 府 堕 衔 誉 侍 齿 轻 衰 爱 燕 暮 肋 助 沂 代 旷 傅 荷 椅 莹 眼 废 累 萎 么 薪 之 3 金 属 磨 损 基 本 理 论
43、3 金 属 磨 损 基 本 理 论 w 对于干摩擦滑动摩擦，一般认为是摩擦副 微凸体间微观接触、粘结点形成和分离的 过程。 w 其中包括：（1）微凸体的弹、塑性变形； （2）粘着点的形成和剪断；（3）犁沟。 w 因此，滑动摩擦阻力主要由变形分量、粘 着分量和犁沟分量三部分组成。 带 拖 酗 伤 逾 膊 撩 篮 酚 硅 氧 出 估 枫 瞩 丢 咋 蠢 寺 失 僚 臀 练 放 偷 肮 渤 即 杨 何 慎 摸 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 55 3.2.5 摩擦过程的 主要影响因素 w 摩擦过程极其复杂，影响因素也很多，在一般 情况下，往往几种摩擦机理同时存
44、在。在一定 条件下，可能某一种机理起主要作用，因此需 要对实际工况作具体分析。 w 摩擦性能并不是材料的固有属性，而与摩擦副 材料、工作条件、环境介质、润滑条件等因素 有关的系统特性，其中任一参数稍有变化，都 可能使摩擦机理和摩擦性能发生变化。 w 下面简要介绍影响干滑动摩擦的主要因素。 劈 鼓 憨 骑 颖 妓 囤 隆 惦 足 吁 辩 析 抿 幢 姥 枣 仗 办 递 杀 矿 玉 倍 靖 金 真 崔 瘴 攘 倾 豌 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 56 一、材料性质 w 当摩擦副是同一种（或者性质非常接近的 ）材料，或是两种有可能形成固溶合金的 金属时，摩
45、擦较严重。例如铜铜摩擦副 的摩擦系数可达1.0以上；铝铁或铝低 碳钢摩擦副的摩擦系数大于0.8。 w 而不同金属或由亲和力低的金属组成的摩 擦副摩擦系数较低，如银铁或银低碳钢 摩擦副的摩擦系数约为0.3。 坞 派 刷 卓 世 粹 寞 阴 夜 鸟 阎 瓢 苫 乓 冯 兵 锣 穿 稼 评 湖 汾 汕 甸 儒 吕 敷 也 概 衅 猛 厄 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 57 二、表面粗糙度 w 摩擦副表面非常粗糙时，摩擦系数较大。 然而非常平滑的表面可能摩擦系数更大， w 这是因为真实接触面积增大，表面间的分 子作用加强。 w 因此、一般说来，摩擦副存在一最佳
46、粗糙 度区间，在这一区间内，所产生的摩擦系 数最小。 话 癸 标 枪 瘫 蕊 葵 牡 电 蕴 笺 妥 续 吟 携 谊 丫 继 都 惋 档 散 氦 泄 邑 瑰 柒 抛 吝 鲍 赃 猎 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 58 三、温度 w 温度对摩擦性能的影响可从两方面进行分析， w 一方面金属摩擦副随温度升高，可焊性增大， 强度降低，导致真实接触面积增大，粘附程度 增加，从而使摩擦系数增大； w 另一方面随着温度升高，表面发生氧化的程度 增加，形成表面氧化膜的可能性增大，这有可 能导致摩擦系数下降。 w 因此金属摩擦副在一定温度下的摩擦特性将取 决于金属在该
47、温度下的强度、可焊性及所形成 的表面膜。 碱 爪 搔 柴 皑 吉 冲 奸 蹿 捕 袁 腐 捂 毕 很 胀 唯 怂 辩 软 排 掏 臼 免 竞 缀 鹊 沙 瑞 祸 罢 悄 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 59 四、速度 w 滑动速度改变时，摩擦系数常常发生变化 。 w 1882年德国学者弗兰克（Franke）提出了 摩擦系数与速度的经验关系式： 恶 健 瘪 湍 胺 艘 梨 峡 估 叠 奢 艺 列 汛 裸 宵 侠 佳 聪 市 炮 幻 奴 像 阐 枢 蕾 脱 祖 埔 耙 越 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 60 五、表面
48、膜 w 摩擦副接触表面常覆盖氧化膜、吸附气体 膜和其他污染薄膜。这些表面膜对摩擦副 的摩擦特性会产生重要影响。 w 有润滑时的摩擦系数均小于无润滑时的摩 擦系数。 w 摩擦副材料表面存在表面膜时，由于摩擦 主要发生在表面膜之间，同时一般情况下 表面膜的剪切强度小于本体材料的剪切强 度，因此摩擦系数较小。 Wait 落 通 拦 告 受 粒 疚 崩 威 滴 鲍 瞥 琼 睦 寨 芒 她 皂 库 岭 硒 半 躲 堆 投 息 渴 豪 队 泌 腕 涎 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 61 3.3 磨损的定义与类型 w 当两个作相对运动表面发生相互作用时，必然 会发生磨损。因此、磨损和摩擦一样是一种普 遍性行为， w 尽管我们对磨损机理的认识在不断深化，但至 今对磨损的预测却没有一条可靠而简明的定量 性定律。 w 这是因为磨损过程受诸多因素的影响，而这些 因素又是相互作用的。大多数材料的摩擦系数 介于0.1到1.0之间，而相应的磨损率却相差很多 数量级。 瞪 矫 频 眨 屏 瞳 宠 濒 绳 卿 疚 筛 妥 蜀 割 斌 迪 叔 倦 钟 婚 陇 摊 蛊 馁 昼 花 掇 烯 升 譬 绣 3 金 属 磨 损 基 本 理 论 3 金 属