第一章 材料的摩擦

1、QQQQ糖糖 材料磨損原理材料磨損原理及其耐磨性及其耐磨性Page 2第一章第一章 材料的摩擦材料的摩擦固體材料表面的幾何特性固體材料表面的幾何特性固體表面的物理特性固體表面的物理特性摩擦的基本知識和分類摩擦的基本知識和分類摩擦與磨損的關系摩擦與磨損的關系固體表面的化學特性固體表面的化學特性材料磨損與磨損參量材料磨損與磨損參量Page 3實際的零件表面不可能是絕實際的零件表面不可能是絕對平整光滑的，因為任何零對平整光滑的，因為任何零件都是由某種加工方法制造件都是由某種加工方法制造出來的。如：鑄造、模壓成出來的。如：鑄造、模壓成型、切削、研磨、腐蝕、電型、切削、研磨、腐蝕、電鍍、噴涂、濺射等。它

2、們都鍍、噴涂、濺射等。它們都會造成各種各樣的表面粗糙會造成各種各樣的表面粗糙度度。01、固體材料表面的幾何特性、固體材料表面的幾何特性 機械拋光表面的SEM（掃描電子顯微鏡）形貌電鍍表面的SEM形貌Page 4 表面輪廓一般可分為三個范疇：表面輪廓一般可分為三個范疇：幾何偏差、波紋度及粗糙度。幾何偏差、波紋度及粗糙度。n幾何偏差：如圓孔出現(xiàn)了橢圓度，圓柱體出現(xiàn)了錐度，這種偏差往往不被認為是表面形貌的的組成部分。n波紋度：大體上周期出現(xiàn)的波峰與波谷的分布。經常是由于機加工時不均勻的進刀，不均勻的切削力或機床的振動引起的。n粗糙度：在較短的距離內（2800um）出現(xiàn)的凹凸不平，它是摩擦它是摩擦學研

3、究中最重要的一類表面特性學研究中最重要的一類表面特性。1.1、表面輪廓范疇、表面輪廓范疇Page 5n任取任一間隔，對此間隔內的輪廓高度進行統(tǒng)計，可獲得高度分布曲線，一般呈高斯分布。若用其積分形式表示表面形貌特征，則為承載面積曲線承載面積曲線。該曲線可以表示當一理想平面與實際粗糙表面接觸時，在某一高度，承載面積（或接觸面積）的百分數(shù)。1.2、表面形貌特征的表示方法、表面形貌特征的表示方法n還可以根據(jù)大量平行的二維形貌曲線用計算機繪制三維形貌三維形貌圖圖或“地形圖地形圖”。該方法可以反映較大面積的表面形貌特征，較直觀，但費時。 加工表面的三維形貌圖 “地形圖”Page 6 物理特性主要指的是硬度

4、、殘余應力、組織物理特性主要指的是硬度、殘余應力、組織轉變、塑性變形、微觀缺陷等等。總之是加工轉變、塑性變形、微觀缺陷等等。總之是加工過程中引起的表面層塑性變形及局部加熱造成過程中引起的表面層塑性變形及局部加熱造成的結果。的結果。 一般加工表面層的組織是不均勻的。 邊界層1是由吸附的氣體、水分及潤滑冷卻液形成的，只能在真空中加熱去除；表層2是強烈變形層，晶格歪扭，晶粒碎化，并可能出現(xiàn)脫碳、空洞及微裂紋；表層3是變形層，在其中可能由于高溫的作用而出現(xiàn)自由滲碳體；表層4為原始組織。在精加工時2,3層的厚度可能相應減小。02、固體表面的物理特性、固體表面的物理特性Page 7n 表面層的強化表面層的

5、強化反映在硬度的變化上。最表面顯微硬度反映在硬度的變化上。最表面顯微硬度值可超過原始硬度的值可超過原始硬度的30%50%。易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象（。易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象（金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，金屬材料在再結晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象）。而塑性和韌性降低的現(xiàn)象）。n 加工過程中，塑性變形和溫度場都會產生應力，兩者引起加工過程中，塑性變形和溫度場都會產生應力，兩者引起的應力是同時在起作用的。最后的應力狀態(tài)取決于哪方面的應力是同時在起作用的。最后的應力狀態(tài)取決于哪方面的作用更強。若加工表面的溫度低于從彈性變形到塑性變的作用更強。若加工表面的溫度低

6、于從彈性變形到塑性變形的轉變溫度，則溫度應力將是暫時的，在完全冷卻后便形的轉變溫度，則溫度應力將是暫時的，在完全冷卻后便會消失。會消失。2.1、加工過程中表面層的特性、加工過程中表面層的特性Page 8n 機械加工可能引起表面層組織結構的變化，如形成織構。機械加工可能引起表面層組織結構的變化，如形成織構。當溫度很高時，可能引起相變。二次淬火可能形成一層奧當溫度很高時，可能引起相變。二次淬火可能形成一層奧氏體氏體馬氏體組織。局部熱量較集中可能出現(xiàn)局部相變現(xiàn)馬氏體組織。局部熱量較集中可能出現(xiàn)局部相變現(xiàn)象。由于不同的組織具有不同的比容，表面層會出現(xiàn)由于象。由于不同的組織具有不同的比容，表面層會出現(xiàn)由

7、于相變過程而造成的組織應力。相變過程而造成的組織應力。 n 表面層的塑性變形還會造成各種各樣的微觀缺陷表面層的塑性變形還會造成各種各樣的微觀缺陷空穴空穴、間隙原子、位錯、微裂紋等等、間隙原子、位錯、微裂紋等等它們會削弱材料的強它們會削弱材料的強度，并成為表面損傷的根源。度，并成為表面損傷的根源。 2.1、加工過程中表面層的特性、加工過程中表面層的特性Page 903、 固體表面的化學特性固體表面的化學特性 除去表面物理及冶金性能以外，材料的化學性能也非常的重要。摩擦除去表面物理及冶金性能以外，材料的化學性能也非常的重要。摩擦學表面的化學特性可由環(huán)境或集體材料所決定。當材料中含有少量的合金學表面

8、的化學特性可由環(huán)境或集體材料所決定。當材料中含有少量的合金元素時，它們可以改變固體表面的特性。元素時，它們可以改變固體表面的特性。 如圖中所示為一含3%碳灰鑄鐵磨痕表面的形貌照片。在磨痕中可以觀察到很多黑斑，用儀器對黑斑進行分析，證明其為碳，表明鑄鐵中的石墨一再摩擦過程中擴散到表面，并形成了一層表面保護膜。起到了固體潤滑劑的作用，它可以減少粘著磨損，并防止金屬的轉移。Page 10n 實際的摩擦學表面都是固體表面與環(huán)境相互作用的產物。通過這些相互作用，可以形成氧化物、氮化物或氫氧化物等各種表面膜。n 通過固體與潤滑油，添加劑或固體表面之年的化學反應形成的。這些化學反應都有可以顯著地降低表面能，

9、并改變固體表面的成分。n 從前面的例子可以看出，合金元素可以顯著的改變固體表面的從前面的例子可以看出，合金元素可以顯著的改變固體表面的化學特性，它們與表面的化學作用，或形成表面膜，都能防止化學特性，它們與表面的化學作用，或形成表面膜，都能防止固體表面之間的粘著現(xiàn)象。固體表面之間的粘著現(xiàn)象。3.1、表面膜的形成機制、表面膜的形成機制Page 11n 吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象是固體表面的物理化學特性。具有最大吸附能力是固體表面的物理化學特性。具有最大吸附能力的是表面活性物質，其分子排列與表面垂直（有機酸、酒精等的是表面活性物質，其分子排列與表面垂直（有機酸、酒精等），而且它們的分子中存在兩個異號的空間電荷

10、，這種極化了），而且它們的分子中存在兩個異號的空間電荷，這種極化了的分子可以被固體表面吸引。如把金屬放入脂肪酸溶液中，脂的分子可以被固體表面吸引。如把金屬放入脂肪酸溶液中，脂肪酸分子會從液固界面排除溶劑分子，而與金屬表面連接。肪酸分子會從液固界面排除溶劑分子，而與金屬表面連接。n 表面活性介質的存在會影響固體表面的變形方式及破壞過程，表面活性介質的存在會影響固體表面的變形方式及破壞過程，由于表面活性物質的吸附，可以顯著地降低變形計破壞的抗力由于表面活性物質的吸附，可以顯著地降低變形計破壞的抗力、其原因是吸附膜能降低固體的表面能，從而使位錯易于開動、其原因是吸附膜能降低固體的表面能，從而使位錯易

11、于開動。3.2、表面吸附現(xiàn)象、表面吸附現(xiàn)象Page 1204、 摩擦的基本知識和分類摩擦的基本知識和分類n 摩擦力摩擦力當兩個互相接觸的固體當兩個互相接觸的固體， 在外力作用下作相對的切向運動、在外力作用下作相對的切向運動、 或具有相對切向運動趨勢時，在兩或具有相對切向運動趨勢時，在兩 固體接觸表面之間就會產生一種運固體接觸表面之間就會產生一種運 動阻力。這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象。動阻力。這種現(xiàn)象稱為摩擦現(xiàn)象。 n 外摩擦外摩擦摩擦與兩物體接觸部分的表面相互作用有關，摩擦與兩物體接觸部分的表面相互作用有關，而與物體的內部狀態(tài)無關的摩擦。而與物體的內部狀態(tài)無關的摩擦。 n 內摩擦內摩擦阻礙同一物體各

12、部分間相對移動的摩擦。阻礙同一物體各部分間相對移動的摩擦。 Page 13n 經典摩擦定律：經典摩擦定律：第一定律：第一定律：滑動摩擦力的大小與接觸面之間的法向載荷成正比。第二定律：第二定律：滑動摩擦力的大小與各義接觸面積無關。第三定律：第三定律：滑動摩擦力的大小與滑動速度無關。n 粘著摩擦理論：粘著摩擦理論：當兩表面相接觸時，在載荷作用下，主要在微凸體的頂端接觸，接觸點的單位壓力很大，使其產生塑性變形，表面變形點將牢固的粘著，使兩表面形成一體，即稱為粘著或冷焊。當一表面相對另一表面滑動時，則剪斷這些連接粘著點的力就是摩擦力。一般來說，對于理想的彈一般來說，對于理想的彈- -塑性材料，摩擦力主

13、要就是剪斷金屬粘結點所塑性材料，摩擦力主要就是剪斷金屬粘結點所需的剪切力。需的剪切力。4.1、 摩擦的基本知識摩擦的基本知識Page 14n a，按摩擦副的運動狀態(tài)分類：，按摩擦副的運動狀態(tài)分類：（1）靜摩擦：兩個物體在作宏觀運動前的微觀滑移，其接觸表面之間的摩擦稱為靜摩擦。（2）動摩擦：兩個物體作相對運動時，其接觸表面之間的摩擦稱為動摩擦。一般情況下，動摩擦系數(shù)小于最大靜摩擦系數(shù)。n b，按摩擦副的運動形式分類：，按摩擦副的運動形式分類：（1）滑動摩擦：兩個相互接觸的表面作相對滑動時摩擦，稱為滑動摩擦。（2）滾動摩擦：物體在力矩的作用下，沿接觸表面滾動時的摩擦，稱為滾動摩擦。如各種車輛的車輪

14、在地面的滾動等。4.2、 摩擦的分類摩擦的分類Page 15n c，按摩擦副表面的潤滑狀況分類：，按摩擦副表面的潤滑狀況分類：（1）干摩擦：常指名義上無潤滑的摩擦。（2）流體摩擦：被具有體積特性的流體層隔開的兩固體相對運動的摩擦。摩擦發(fā)生在流體內部分子之間，摩擦力的大小與摩擦副表面狀態(tài)無關，而只與流體內部的分子運動阻力有關，即與流體粘性有關。（3）邊界摩擦：兩固體接觸表面間被存在一層極薄的潤滑膜隔開，其摩擦和磨損不取決于潤滑劑的粘度，而是取決于兩固體表面的特征和潤滑劑的特性。4.2、 摩擦的分類摩擦的分類Page 1605、 摩擦與磨損的關系摩擦與磨損的關系n 摩擦與磨損之間有內在聯(lián)系，摩擦是

15、原因，磨損是結果，摩擦與磨損之間有內在聯(lián)系，摩擦是原因，磨損是結果，摩擦與磨損都是表面現(xiàn)象，且必須先有接觸，才能出現(xiàn)這摩擦與磨損都是表面現(xiàn)象，且必須先有接觸，才能出現(xiàn)這些現(xiàn)象。研究摩擦與磨損的目的是在于控制摩擦，減小磨些現(xiàn)象。研究摩擦與磨損的目的是在于控制摩擦，減小磨損。損。Page 1706、 材料磨損與磨損參量材料磨損與磨損參量n 材料磨損材料磨損：相互接觸的物體在相對運動中，表層材料不斷損失、轉移或產生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產生的必然結果。n 磨損時零件表面的損壞是材料表面單個微觀體積損壞的總和。目前對材料磨損的主要參量由三種：磨損量、耐磨性磨損量、耐磨性和磨損比。和磨

16、損比。Page 186.1、 磨損參量磨損參量n 材料磨損材料磨損：相互接觸的物體在相對運動中，表層材料不斷損失、轉移或產生殘余變形的現(xiàn)象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產生的必然結果。n 磨損時零件表面的損壞是材料表面單個微觀體積損壞的總和。目前對材料磨損的主要參量由三種：磨損量、耐磨性磨損量、耐磨性和磨損比。和磨損比。Page 19n 1、磨損量磨損量n 評定材料磨損的三個基本磨損量是長度磨損量 Wt、體積磨損量 Wv 和重量磨損量 Ww 。長度磨損量是指磨損過程中零件表面尺寸的該變量，這在實際設備的磨損過程中經常使用。體積磨損量和重量磨損量是指磨損過程中零件或試樣的體積或重量的該變量。在實驗室試驗中，往往是首先測量試樣的重量磨損量，然后再換算成為體積磨損量來比較和分析研究的。從磨損失效的形式來說，用體積磨損量比用重量磨損量來表達，更為合理些。n 在所有的情況下，磨損都是時間的函數(shù)，因此用磨損率來表示時間的特性。其他指標還有磨損強度和磨損速度。6.1、 磨損參量磨損參量Page 20n 2 2、 耐磨性耐磨性n 材料的耐磨性是指在一定工作條件下材料的耐磨損的特性。材料的耐磨性分為相對耐磨性和絕對耐磨性，材料的相對耐磨性是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值。n 磨損量一般用體積磨損量，特殊情況下也可以使用其他磨損量。n 耐磨性