第四章 摩擦磨損與潤滑概述

1、第四章 摩擦、磨損與潤滑概述4-1 摩擦 4-2 磨損 4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法 4-4 流體潤滑原理簡介 4-0 概述 q 摩擦是相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；摩擦是相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；q 磨損是由于摩擦或其他原因而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；磨損是由于摩擦或其他原因而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；q 潤滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。潤滑是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學科構(gòu)成了摩擦學關(guān)于摩擦、磨損與潤滑的學科構(gòu)成了摩擦學(Tribology(Tribology) )。摩擦學 摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和

2、潤滑，以及三者間摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學科相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學科( (涉及流體力學、固體力學、流變學、涉及流體力學、固體力學、流變學、數(shù)學、材料學、物理、化學、機制工藝學等多門學科）。數(shù)學、材料學、物理、化學、機制工藝學等多門學科）。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，摩擦學的理論和應(yīng)用必將由宏觀進入微觀，由靜隨著科學技術(shù)的發(fā)展，摩擦學的理論和應(yīng)用必將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。 世界上使用的能源大約有世界上使用的能源大約有 1/3

3、1/2 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機械產(chǎn)品的易損零件大部分是無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備由于磨損超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。維修次數(shù)和費用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。4-0 概述4-1 摩 擦摩 擦1二、摩擦的分類二、摩擦的分類內(nèi)內(nèi) 摩摩 擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對運動的現(xiàn)象。擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子

4、之間相對運動的現(xiàn)象。外外 摩摩 擦：在相對運動的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。擦：在相對運動的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。靜靜 摩摩 擦：僅有相對運動趨勢時的摩擦。擦：僅有相對運動趨勢時的摩擦。動動 摩摩 擦：在相對運動進行中的摩擦。擦：在相對運動進行中的摩擦?；瑒幽Σ粒何矬w表面間的運動形式是相對滑動?；瑒幽Σ粒何矬w表面間的運動形式是相對滑動。滾動摩擦：物體表面間的運動形式是相對滾動。滾動摩擦：物體表面間的運動形式是相對滾動。q “機械說機械說”產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；產(chǎn)生摩擦的原因是表面微凸體的相互阻礙作用；q “分子說分子說”產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力

5、作用；產(chǎn)生摩擦的原因是表面材料分子間的吸力作用；一、摩擦的機理一、摩擦的機理q “機械分子說機械分子說”兩種作用均有。兩種作用均有。 17851785年，法國的庫侖用機械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后年，法國的庫侖用機械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論。來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論。19351935年，英國的鮑登等人開年，英國的鮑登等人開始用材料粘附概念研究干摩擦，始用材料粘附概念研究干摩擦，19501950年，鮑登提出了粘附理論。年，鮑登提出了粘附理論。4-1 摩 擦三、三、 種滑動摩擦狀態(tài)種滑動摩擦狀態(tài). . 干摩擦是指表面間無任何

6、潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。. . 邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質(zhì)取決于邊界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，其摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦。邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦。摩 擦34-1 摩 擦混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。混合摩擦能混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦時要小得多。有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦時要小得多。流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部

7、分子間粘流體摩擦是指摩擦表面被流體膜隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。流體摩擦時的摩擦系數(shù)最小，且不會有磨損產(chǎn)生，是理想的摩性阻力的摩擦。流體摩擦時的摩擦系數(shù)最小，且不會有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。擦狀態(tài)。邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為不完全液體摩擦 （或稱非液體摩擦）。（或稱非液體摩擦）。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于摩擦學的研究已逐漸深入到微觀研究領(lǐng)域，形隨著科學技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于摩擦學的研究已逐漸深入到微觀研究領(lǐng)域，形成了微納米摩擦學理論，引發(fā)出許多新的概念，比如提出了超潤滑的概念等。成了微納米摩擦

8、學理論，引發(fā)出許多新的概念，比如提出了超潤滑的概念等。從理論上講，超潤滑是實現(xiàn)摩擦系數(shù)為零的摩擦狀態(tài)，但在實際研究中，一般從理論上講，超潤滑是實現(xiàn)摩擦系數(shù)為零的摩擦狀態(tài)，但在實際研究中，一般認為摩擦系數(shù)在認為摩擦系數(shù)在0.0010.001量級（或更低）的摩擦狀態(tài)即可認為屬于超潤滑。關(guān)于量級（或更低）的摩擦狀態(tài)即可認為屬于超潤滑。關(guān)于這方面的研究也是目前微納米摩擦學研究的一個重要方面，同學們應(yīng)對此給這方面的研究也是目前微納米摩擦學研究的一個重要方面，同學們應(yīng)對此給予關(guān)注。予關(guān)注。 F 流體摩擦動畫流體摩擦動畫 4-1 摩 擦對于要求低摩擦的摩擦副，液體摩擦是比較理想的的狀態(tài)，對于要求低摩擦的摩擦

9、副，液體摩擦是比較理想的的狀態(tài)，維持邊界摩擦或混合摩擦是最低要求：如用于水力和火力發(fā)維持邊界摩擦或混合摩擦是最低要求：如用于水力和火力發(fā)電機組的動壓滑動軸承，用于內(nèi)燃機曲軸的邊界摩擦或混合電機組的動壓滑動軸承，用于內(nèi)燃機曲軸的邊界摩擦或混合摩擦滑動軸承摩擦滑動軸承。 對于要求高摩擦的摩擦副，則希望處于干摩擦狀態(tài)或邊界對于要求高摩擦的摩擦副，則希望處于干摩擦狀態(tài)或邊界摩擦狀態(tài)：如皮帶傳動、摩擦輪傳動、摩擦離合器等。摩擦狀態(tài)：如皮帶傳動、摩擦輪傳動、摩擦離合器等。123n2n1磨損是運動副之間的摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會磨損是運動副之間的摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。

10、磨損會影響機器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使機器提前報廢。影響機器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使機器提前報廢。磨 損1在設(shè)計或使用機器時，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇在設(shè)計或使用機器時，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。為此就必須對形成磨損的機理有所了解。烈磨損的到來。為此就必須對形成磨損的機理有所了解。一個零件的磨損過程大致可分為三個階段，即：一個零件的磨損過程大致可分為三個階段，即： 磨合階段新的零件在開始使用時一般處于這一階段，磨損率較高。磨合階段新的零件在開始使用時一般處于這一階段，磨損率較高。 磨合磨合(跑合）跑合）-指機器使用初期，為改善

11、機器零件的指機器使用初期，為改善機器零件的適應(yīng)性、表面形貌和摩適應(yīng)性、表面形貌和摩 擦相容性擦相容性的過程。的過程。 磨損率磨損率單位時間內(nèi)材料的單位時間內(nèi)材料的磨損量。磨損量。磨損量可以用體積、重量或厚度來衡量。磨損量可以用體積、重量或厚度來衡量。 穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。穩(wěn)定磨損階段屬于零件正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。 劇烈磨損階段屬于零件即將報廢的階段，磨損率急劇升高。劇烈磨損階段屬于零件即將報廢的階段，磨損率急劇升高。摩 擦2 對磨損的研究開展較晚，對磨損的研究開展較晚，2020世紀世紀5050年代提出粘著理論后，年代提出粘著理論后，6060年代在相繼年

12、代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。4-2 磨 損 磨 損2F磨粒磨損也簡稱磨損，是外部進入摩擦表面的游離硬顆?；蛴驳妮喞迥チＤp也簡稱磨損，是外部進入摩擦表面的游離硬顆?；蛴驳妮喞寮馑鸬牟牧厦撀涞默F(xiàn)象。尖所引起的材料脫落的現(xiàn)象。F 4-2 磨 損 關(guān)于磨損機理與分類的見解頗不一致，大體上可概括為：關(guān)于磨損機理與分類的見解頗不一致，大體上可概括為： 滾動軸承外套圈受載部位產(chǎn)生磨滾動軸承外套圈受載部位產(chǎn)生磨粒磨損粒磨損蝸輪輪齒產(chǎn)生磨粒磨損后輪齒變薄蝸輪輪齒產(chǎn)生磨粒磨損后輪齒變薄4-2 磨磨 損損F 疲勞磨

13、損也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，疲勞磨損也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復變形所產(chǎn)生的疲勞點蝕，有小塊金屬剝落的現(xiàn)象。反復變形所產(chǎn)生的疲勞點蝕，有小塊金屬剝落的現(xiàn)象。 滾動軸承套圈和滾動體上產(chǎn)生點蝕滾動軸承套圈和滾動體上產(chǎn)生點蝕 齒輪齒面上產(chǎn)生點蝕齒輪齒面上產(chǎn)生點蝕4-2 磨磨 損損粘附磨損也稱膠合，當摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各接點處由于瞬時粘附磨損也稱膠合，當摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各接點處由于瞬時的溫升和壓力發(fā)生的溫升和壓力發(fā)生“冷焊冷焊”后，在相對運動時，材料從一個表面遷移到另后，在相對運動時，材料從一個表面遷移到另一個表面，便

14、形成粘附磨損。一個表面，便形成粘附磨損。蝸桿傳動產(chǎn)生膠合后，蝸輪的青蝸桿傳動產(chǎn)生膠合后，蝸輪的青銅材料融化后粘附到蝸桿上銅材料融化后粘附到蝸桿上齒輪齒面上產(chǎn)生膠合（沿滑動方向齒輪齒面上產(chǎn)生膠合（沿滑動方向有條狀的溝紋，齒面發(fā)亮）有條狀的溝紋，齒面發(fā)亮）4-2 磨磨 損損F 沖蝕磨損流體中所夾帶的硬質(zhì)物質(zhì)或顆粒，在流體沖擊力作用下而在沖蝕磨損流體中所夾帶的硬質(zhì)物質(zhì)或顆粒，在流體沖擊力作用下而在摩擦表面引起的磨損。如用高壓空氣輸送砂子、水泥泥漿或碎礦石時，摩擦表面引起的磨損。如用高壓空氣輸送砂子、水泥泥漿或碎礦石時，管道內(nèi)壁產(chǎn)生的機械磨損即為沖蝕磨損。管道內(nèi)壁產(chǎn)生的機械磨損即為沖蝕磨損。F 腐蝕磨

15、損當摩擦表面材料在環(huán)境的化學或電化學作用下引起腐蝕，在腐蝕磨損當摩擦表面材料在環(huán)境的化學或電化學作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。氧化磨損（生銹）是最摩擦副相對運動時所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。氧化磨損（生銹）是最常見的常見的腐蝕磨損之一。腐蝕磨損之一。F 微動磨損是指摩擦副在微幅運動時，由上述各種磨損機理共同形成的復微動磨損是指摩擦副在微幅運動時，由上述各種磨損機理共同形成的復合磨損。微幅運動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運動。它發(fā)生合磨損。微幅運動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運動。它發(fā)生在名義上相對靜止，實際上存在循環(huán)的微幅相對滑動的兩個緊密接觸的表在

16、名義上相對靜止，實際上存在循環(huán)的微幅相對滑動的兩個緊密接觸的表面上（如軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面上（如軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴取＃┟?、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴取＃〧 潤滑劑、添加劑和潤滑方法F 一、潤滑劑一、潤滑劑q 潤滑油潤滑油粘度的種類有很多，如：動力粘度、運動粘度、條件粘度等。粘度的種類有很多，如：動力粘度、運動粘度、條件粘度等。1 1、 粘度：粘度：流體抵抗變形的能力，衡量流體內(nèi)摩擦阻力大小的指標流體抵抗變形的能力，衡量流體內(nèi)摩擦阻力大小的指標，粘度粘度 摩擦力摩擦力發(fā)熱發(fā)熱 GB/T314-1994GB/T314

17、-1994規(guī)定采用潤滑油在規(guī)定采用潤滑油在4040CC時的運動粘度中心值作為潤滑油時的運動粘度中心值作為潤滑油的牌號，如：牌號為的牌號，如：牌號為L-AN10L-AN10的油在的油在4040時的運動粘度大約為時的運動粘度大約為10 cSt10 cSt。具體說明具體說明 4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法工程中常用運動粘度，單位是：工程中常用運動粘度，單位是：St(St(斯斯) )或或 cStcSt( (厘斯厘斯) )，量綱為，量綱為(m(m2 2/s)/s)；：動植物油、礦物油、合成油。動植物油、礦物油、合成油。溫度對粘度的影響：溫度對粘度的影響：溫度溫度 -粘度粘度 粘粘-溫特性溫特性壓力對粘

18、度的影響：壓力對粘度的影響：壓力壓力20MPa20MPa時對粘度的影響可忽略不計時對粘度的影響可忽略不計壓力壓力 -粘度粘度 粘粘-壓特性壓特性選擇原則選擇原則高溫時，粘度應(yīng)高一些；低溫時，粘度可低一些。高溫時，粘度應(yīng)高一些；低溫時，粘度可低一些。轉(zhuǎn)速高、壓力小時，油的粘度應(yīng)低一些；反之，粘度應(yīng)高一些。轉(zhuǎn)速高、壓力小時，油的粘度應(yīng)低一些；反之，粘度應(yīng)高一些。4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法3、極壓性：極壓性：潤滑油中的活性分子與摩擦表面形成抗磨、耐高壓的化學潤滑油中的活性分子與摩擦表面形成抗磨、耐高壓的化學反應(yīng)邊界膜的性能。它在高速、重載、高溫條件下，可改善邊界潤滑反應(yīng)邊界膜的性能。它在高速、

19、重載、高溫條件下，可改善邊界潤滑性能。性能。4、閃點：閃點：當油在標準儀器中加熱所蒸發(fā)出的油汽，以遇火焰即能發(fā)出閃當油在標準儀器中加熱所蒸發(fā)出的油汽，以遇火焰即能發(fā)出閃光時的最低溫度。它是衡量油的易燃性的一種尺度，高溫下工作的機器，光時的最低溫度。它是衡量油的易燃性的一種尺度，高溫下工作的機器，應(yīng)該選用閃點高的潤滑油。應(yīng)該選用閃點高的潤滑油。5 5、凝點：凝點：這是指潤滑油在規(guī)定條件下，不能再自由流動時所達到的最高這是指潤滑油在規(guī)定條件下，不能再自由流動時所達到的最高溫度。它是油在低溫下工作的一個重要指標，低溫下工作的機器，應(yīng)溫度。它是油在低溫下工作的一個重要指標，低溫下工作的機器，應(yīng)該選用凝

20、點低的潤滑油。該選用凝點低的潤滑油。2、潤滑性（油性）潤滑性（油性）：是指潤滑油中極性分子與金屬表面吸附形成一層邊界是指潤滑油中極性分子與金屬表面吸附形成一層邊界油膜，以減小摩擦和磨損的性能。潤滑性越好，油膜與金屬表面的吸附能力油膜，以減小摩擦和磨損的性能。潤滑性越好，油膜與金屬表面的吸附能力越強。越強。潤滑劑、添加劑和潤滑方法一、潤滑劑一、潤滑劑q 潤滑脂潤滑脂q 固體潤滑劑固體潤滑劑潤滑脂的主要質(zhì)量指標是：錐入度，反映其稠度大小。潤滑脂的主要質(zhì)量指標是：錐入度，反映其稠度大小。滴點，決定工作溫度。滴點，決定工作溫度。4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法：潤滑油潤滑油+ +稠化劑（鈣、鋰、鈉與各

21、種脂肪或脂肪酸反應(yīng)生成的稠化劑（鈣、鋰、鈉與各種脂肪或脂肪酸反應(yīng)生成的纖維狀產(chǎn)物纖維狀產(chǎn)物稱為金屬皂）稱為金屬皂） ：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。 q 潤滑油潤滑油 特點：無流動性，可在滑動表面形成一層薄膜，特點：無流動性，可在滑動表面形成一層薄膜， 承載能力大，但性能不穩(wěn)定，摩擦功耗大承載能力大，但性能不穩(wěn)定，摩擦功耗大 。 適用場合適用場合 ：要求不高、難以經(jīng)常供油，或者低速重載、：要求不高、難以經(jīng)常供油，或者低速重載、 溫度變化不大溫度變化不大 以及作擺動運動的以及作擺動運動的 軸承中。軸承中。添加劑提高油性、極壓性提高油性、極壓性 延長使用壽命延長使用壽

22、命 改善物理性能改善物理性能添加劑的作用添加劑的作用油性添加劑油性添加劑 極壓添加劑極壓添加劑 分散凈化劑分散凈化劑 消泡添加劑消泡添加劑 抗氧化添加劑抗氧化添加劑 降凝劑降凝劑 增粘劑增粘劑添加劑的種類添加劑的種類4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法 為了提高油的品質(zhì)和性能，常在潤滑油或潤滑脂中加入一些分量雖小為了提高油的品質(zhì)和性能，常在潤滑油或潤滑脂中加入一些分量雖小但對潤滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)叫添加劑。但對潤滑劑性能改善其巨大作用的物質(zhì)，這些物質(zhì)叫添加劑。二、添加劑 含油性添加劑含油性添加劑( (脂肪酸脂肪酸) )的油在低溫時減摩性好的油在低溫時減摩性好(f (f小小) )，

23、含極壓添加劑，含極壓添加劑(S,P,CL(S,P,CL的的化合物化合物) )的油在高溫時減摩性好的油在高溫時減摩性好(f (f小小) )，同時含，同時含油性和極壓添加劑的油在低溫油性和極壓添加劑的油在低溫和高溫時減摩性都好。和高溫時減摩性都好。潤滑方法潤滑油潤滑在工程中的應(yīng)用最普遍，常用的供油方式有：潤滑油潤滑在工程中的應(yīng)用最普遍，常用的供油方式有：滴油潤滑、浸油潤滑、飛濺潤滑、噴油潤滑、油霧潤滑等滴油潤滑、浸油潤滑、飛濺潤滑、噴油潤滑、油霧潤滑等 用于低速用于低速 用于高速用于高速 油脂潤滑常用于運轉(zhuǎn)速度較低的場合，將潤滑脂涂抹于需潤滑的零件油脂潤滑常用于運轉(zhuǎn)速度較低的場合，將潤滑脂涂抹于需潤滑的零件上。潤滑脂還可以用于簡單的密封。上。潤滑脂還可以用于簡單的密封。4-3 潤滑劑、添加劑和潤滑方法三、潤滑方法三、潤滑方法浸油與飛濺潤滑浸油與飛濺潤滑噴油潤滑噴油潤滑流體動力潤滑形成的必要條件：流體動力潤滑形成的必要條件： q 楔形空間；楔形空間； q 相對運動（保證流體由大口進入）；相對運動（保證流體由大口進入）； q 連續(xù)不斷地供油。連續(xù)不斷地供油。流體動力潤滑是指兩個作相對運動物體的摩擦表面，借助于相對速度而產(chǎn)流體動力潤滑是指兩個作相對運動物體的摩擦表面，借助于相對速度而產(chǎn)生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產(chǎn)