材料摩擦磨損課件

材料摩擦磨損材料摩擦磨損1引言

摩擦學(xué)(Tribology)是近三十多年來迅速發(fā)展起來的一門新興邊沿學(xué)科。它主要包括摩擦、磨損和潤(rùn)滑等研究領(lǐng)域。摩擦導(dǎo)致大量機(jī)械能的損耗，而磨損則是機(jī)械零件失效的一個(gè)重要原因。據(jù)估計(jì)，工業(yè)化國(guó)家能源的約30％消耗于摩擦。對(duì)一個(gè)高度工業(yè)化的國(guó)家，每年因摩擦和磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失差不多占其國(guó)民經(jīng)濟(jì)年產(chǎn)值的l～2％。摩擦與磨損的研究是一個(gè)有重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的課題。摩擦與磨損自古以來就存在，利弊共存。引言摩擦學(xué)(Tribology)是近三十多年2摩擦與磨損

摩擦與磨損是涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體之間的界面的科學(xué)和技術(shù)問題的一門學(xué)科。包含著許多物理、化學(xué)及力學(xué)過程。物理學(xué)、化學(xué)及材料科學(xué)工作者對(duì)此相當(dāng)關(guān)注。摩擦與磨損直接影響機(jī)械零件間力、功或運(yùn)動(dòng)的傳遞，因此，又是機(jī)械工程師們重視的問題。不難看出，摩擦和磨損的研究將是多學(xué)科的綜合，涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程等方面的很多基礎(chǔ)知識(shí)。摩擦與磨損摩擦與磨損是涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上作相3三個(gè)問題

為解決摩擦學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)問題，必須弄清楚摩擦學(xué)基本的問題。摩擦學(xué)的這三個(gè)方面問題顯然是互相聯(lián)系的。因此，為了能全面解決摩擦學(xué)問題，必須對(duì)這三個(gè)方面問題有所了解。(1)通過物理和化學(xué)作用，環(huán)境對(duì)表面特征的影響；(2)接觸表面之間的力的產(chǎn)生和傳輸；(3)作用在表面接觸點(diǎn)處的外力附近表面材料的特性。三個(gè)問題為解決摩擦學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)問題4前景隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是在現(xiàn)代工業(yè)與技術(shù)中高速、重載的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，核反應(yīng)堆、宇宙飛船那樣的惡劣工作環(huán)境，微型機(jī)構(gòu)、生物等方面，對(duì)摩擦與磨損提出了越來越高的要求，為這門新興學(xué)科的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力。目前的研究熱點(diǎn)：空間、生物、微納米、高速機(jī)械等。前景隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是在現(xiàn)代工業(yè)與技術(shù)5課程內(nèi)容

1、材料表面特性及接觸力學(xué)2、材料的摩擦3、材料的磨損課程內(nèi)容1、材料表面特性及接觸力學(xué)6第一章固體表面特性

第一節(jié)固體表面特性及結(jié)構(gòu)表面是一個(gè)抽象的概念，實(shí)際常把無厚度的抽象表面叫數(shù)學(xué)表面，把厚度在幾個(gè)原子層內(nèi)的表面叫作物理表面，而把我們常說實(shí)際的固體表面叫工程表面。但物質(zhì)不是無限的，在晶體中原子或分子的周期性排列發(fā)生大面積突然終止的地方就出現(xiàn)了界面，如固體－液體、固體－氣體及固體－固體的界面，常把固體－氣體（或真空）、固體－液體的界面稱為固體的表面。很多物理化學(xué)過程：催化、腐蝕、摩擦和電子發(fā)射等都發(fā)生在“表面”，可見其重要性。第一章固體表面特性第一節(jié)固體表面特性及結(jié)構(gòu)7金屬表面的實(shí)際構(gòu)成示意圖

工程表面金屬表面的實(shí)際構(gòu)成示意圖工程表面8表面結(jié)構(gòu)

面心立方表面原子的配位數(shù)在表面的位置配位數(shù)表面所處晶面配位數(shù)角上原子3原子在(111)上9邊緣原子5原子在(100)上8表面原子M的配位數(shù)為5。而基體中的任一個(gè)原子的配位數(shù)為6。表面結(jié)構(gòu)面心立方表面原子的配位數(shù)在表面的位置配位數(shù)表面所處9表面的電子分布

(a)電荷密度分布(b)電荷分布表面的電子分布(a)電荷密度分布10表面缺陷表面缺陷11點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷

點(diǎn)缺陷：在三維方向上都很小的缺陷。線缺陷：它是在一個(gè)方向上尺寸較大，而在另外兩個(gè)方向上尺寸較小的線缺陷。面缺陷：晶體的缺陷若主要是沿二維方向伸展開來，而在另一維方向上的尺寸變化相對(duì)地甚小，則稱為面缺陷。各種界面如晶體表面、晶界、亞晶界及相界等都是面缺陷，它們通常只有一個(gè)至幾個(gè)原子層厚。

由于界面特殊的結(jié)構(gòu)和界面能量，使得界面有許多與晶體內(nèi)部不同的性質(zhì)。例如，界面的擴(kuò)散、界面吸附、界面腐蝕、界面與位錯(cuò)的相互作用等，并對(duì)材料的機(jī)械性能（強(qiáng)度、韌性）以及對(duì)變形、再結(jié)晶和相變過程等都有重要影響。點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷點(diǎn)缺陷：在三維方向上都很小的缺陷。12第二節(jié)表面熱力學(xué)

一、表面張力與表面能1.表面熱力學(xué)函數(shù)在表面，晶格的周期性被切斷，因此表面原子處于與固體內(nèi)部不同的環(huán)境之中。其實(shí)，表面的組成和物理性質(zhì)是由單一相慢慢地變化而來的領(lǐng)域，雖然很難把它當(dāng)作原來的熱力學(xué)相，但能作為一種由溫度、面積、曲率半徑以及各組分原子的質(zhì)量等決定的特殊相來處理?？傊?，固體表面相的熱力學(xué)性質(zhì)必須與固體內(nèi)部區(qū)別開來考慮。第二節(jié)表面熱力學(xué)一、表面張力與表面能在表13熱力學(xué)函數(shù)現(xiàn)就其周圍包含有N個(gè)原子的固體平面而言，若每一原子的體能量為E0，則每單位面積的表面能ES與總能量E之間有下述關(guān)系：每單位面積的表面熵為SS，體熵為S0，則固體的總的熵S為：a是表面積。熱力學(xué)函數(shù)現(xiàn)就其周圍包含有N個(gè)原子的固體平面而14熱力學(xué)函數(shù)表面每單位面積的吉布斯（Gibbs）自由能為：系統(tǒng)總的自由能為：表面每單位面積的功為:熱力學(xué)函數(shù)表面每單位面積的吉布斯（Gibbs）自由能為：系15表面張力

在建立新的表面時(shí)，鄰近的原子丟失、鍵被切斷。為此，必須作某種功。在一定的溫度、壓力下，保持平衡條件，當(dāng)表面積a只增加da時(shí)，該系統(tǒng)也必須做功。這個(gè)可逆的表面功WS由下式給出：如果沒有任何非可逆過程，那么這個(gè)可逆功就等于表面能量的變化。因此表面張力在建立新的表面時(shí)，鄰近的原子丟失、鍵16表面張力

高溫時(shí)，在由解理而制得的新的表面的情況下，表面原子自由地在表面擴(kuò)散的時(shí)候，與面積無關(guān)，則所以（表面張力與表面自由能相一致）低溫，解理表面的原子不能自由擴(kuò)散時(shí)，由于在表面殘留有畸變，因此表面張力高溫時(shí)，在由解理而制得的新的17表面能的物理圖像以面心立方金屬的（100）面作為表面只有當(dāng)每個(gè)原子有12個(gè)最近鄰，能量才最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。當(dāng)少了四個(gè)最近鄰原子，出現(xiàn)了四個(gè)“斷鍵”時(shí)，表面原子的能量就會(huì)升高。和表面原子的這種高出來的能量相連的就是表面能。表面能的物理圖像以面心立方金屬的（100）面作為表面18晶面的表面能

不同晶面作表面時(shí)，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同。晶面的表面能不同晶面作表面時(shí)，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同19表面能還可以更直觀地說明表面能，設(shè)有一橫截面為1cm2的固體柱，在理想條件下（真空中）將它分成兩段時(shí)所作的功稱為內(nèi)聚功Wc，它表征了相同物質(zhì)間的吸引強(qiáng)度。拉斷后的固體柱增加了兩個(gè)面積為1cm2的新表面，相應(yīng)增加的表面能為2γa，γa為固體a增加的表面能。根據(jù)功能原理得Wc＝2γa

表面能還可以更直觀地說明表面能，設(shè)有一橫截面為1c20物質(zhì)的表面能和界面能

假如柱的上段為物質(zhì)a，下段為物質(zhì)b，則接觸部分的界面能為γab。若使柱在a、b界面上斷開，對(duì)柱所作的功稱為粘附功Wab。斷開后柱增加表面能γa和γb。根據(jù)功能原理得

Wab＝γa＋γb－γab

物質(zhì)的表面能和界面能假如柱的上段為物質(zhì)a，下21界面能實(shí)驗(yàn)證明，界面能γab約為1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、b兩物質(zhì)能相互溶解或能形成金屬間化合物，其界面能較小，約為。若a、b兩物質(zhì)不能相互溶解，其界面能較大，約為。a、b為同一物質(zhì)Wc＝2γa或Wc＝2γb由上式可以看出，Wc＞W(wǎng)ab，即相同物質(zhì)間的摩擦要大于不同物質(zhì)間的摩擦。

a、b相互溶解a、b不能相互溶解界面能實(shí)驗(yàn)證明，界面能γab約為1/4～1/2(γa＋γb)22第三節(jié)表面吸附與化學(xué)反應(yīng)

表面吸附是實(shí)際固體重要的表面現(xiàn)象，它的存在可以顯著降低表面的系統(tǒng)能量。吸附作用是固體表面最重要的特征之一。被吸附的分子稱為吸附物（質(zhì)），固體作為吸附劑。表面吸附按其作用力的性質(zhì)可分為兩類：物理吸附和化學(xué)吸附。在吸附過程中，一些能量較高的吸附分子，可能克服吸附勢(shì)的束縛而脫離固體表面，稱為“脫附”或“解吸”。當(dāng)吸附與解吸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，固體表面保存著一定數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定的吸附分子，這種吸附，稱為平衡吸附。第三節(jié)表面吸附與化學(xué)反應(yīng)表面吸附是實(shí)際固23物理吸附

物理吸附的作用力，是范得瓦爾斯（VanderWaals）分子力。范得瓦爾斯分子力是由于表面原子與吸附原子之間的極化作用而產(chǎn)生的。ＱP表示吸附能（吸附熱），r0中吸附分子在平衡時(shí)離開表面的距離。物理吸附物理吸附的作用力，是范得瓦爾斯（VanderWa24化學(xué)吸附

化學(xué)吸附，在吸附劑和吸附物的原子或分子間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，改變了吸附分子的結(jié)構(gòu)。

化學(xué)吸附中的庫(kù)侖力主要是吸引力，它按ｒ-2

規(guī)律變化。當(dāng)吸附物的原子離表面很近時(shí)，也有按ｒ-13規(guī)律變化的斥力出現(xiàn)。按照吸附過程中電子轉(zhuǎn)移的程度，化學(xué)吸附還可以分為，離子吸附和化學(xué)鍵吸附。在化學(xué)吸附中，吸附劑和吸附物分子或原子之間的作用力，主要是靜電庫(kù)侖力。化學(xué)吸附化學(xué)吸附，在吸附劑和吸附物的原子或分子間發(fā)生電子的25物理吸附和化學(xué)吸附的比較

用于判別化學(xué)吸附和物理吸附的另一個(gè)判據(jù)是活化能。當(dāng)產(chǎn)生化學(xué)吸附時(shí)，需要有一定的活化能。這可能是由于存在一個(gè)溫度界限的緣故，低于此界限就不會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附。

物理吸附無需活化能，在任何溫度下都會(huì)以一定的速率，即以使吸附物布滿固體表面的速率發(fā)生物理吸附。物理吸附和化學(xué)吸附的比較用于判別26

物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)反應(yīng)表面氧化膜

表面化學(xué)反應(yīng)

表面化學(xué)反應(yīng)是指吸附質(zhì)與固體表面相互作用形成了一種新的化合物。這時(shí)無論是吸附質(zhì)還是吸附劑的特性都發(fā)生了根本變化。金屬表面特別是多晶體金屬表面往往包含有很多缺陷：晶界、位錯(cuò)、臺(tái)階等，這些部位能量高，氧化也就往往從這些高能位置開始，一直到將表面覆蓋。物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)27固—液界面上的效應(yīng)

在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，液—固界面上發(fā)生的物理和化學(xué)過程有非常重要的影響。潤(rùn)滑劑和固體在界面上相互作用形成邊界膜的機(jī)制有三種類型：一是物理吸附；二是化學(xué)吸附；三是化學(xué)反應(yīng)。1.物理吸附如同氣體在固體表面上的物理吸附，潤(rùn)滑劑(如液體脂肪酸)分子是以范德瓦爾斯力與固體表面原子作用而吸附的。吸附質(zhì)與固體表面間的作用力很弱，受熱時(shí)就可能產(chǎn)生脫附或使膜熔化。物理吸附膜對(duì)溫度比較敏感。由物理吸附而產(chǎn)生的邊界潤(rùn)滑，一般只適用于比較低的溫度和摩擦熱較小，即低載荷、低滑動(dòng)速度的情況。固—液界面上的效應(yīng)在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，液—固界面上28硬脂酸在固體表面物理吸附硬脂酸在固體表面物理吸附29化學(xué)吸附

這是一種很強(qiáng)的短程作用力?；瘜W(xué)吸附的吸附熱較大，一般是41.87～418.68kJ／mol。這種吸附的一個(gè)典型例子是，在邊界潤(rùn)滑時(shí)，硬脂酸和氧化鐵在有水存在時(shí)所產(chǎn)生的吸附。吸附結(jié)果是表面上形成了一層硬脂酸“金屬皂膜”。這種“金屬皂膜”不僅有較低的切變強(qiáng)度，相對(duì)說來也有比較高的熔點(diǎn)。例如，硬脂酸的熔點(diǎn)是69℃，而這種金屬皂膜的熔點(diǎn)約為120℃。因此，這種化學(xué)吸附膜作為潤(rùn)滑劑，可以在中等裁荷、中等溫度及中等滑動(dòng)速度下使用。化學(xué)吸附這是一種很強(qiáng)的短程作用力。化學(xué)吸附的吸附熱較大，一30硬脂酸化學(xué)吸附

吸附結(jié)果是表面上形成了一層硬脂酸“金屬皂膜”硬脂酸化學(xué)吸附吸附結(jié)果是表面上形成了一層硬脂酸“金屬皂膜”31化學(xué)反應(yīng)

當(dāng)潤(rùn)滑劑分子和固體表面之間出現(xiàn)價(jià)電子交換，并且形成新的化合物時(shí)，則表明液—固界面上發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。由化學(xué)反應(yīng)形成的邊界膜，在厚度上可以是沒有限制的，并且它們有較高的活性與結(jié)合能量。在邊界潤(rùn)滑中，大部分參加化學(xué)反應(yīng)的邊界潤(rùn)滑劑中均含有硫、氯和磷原子。形成低切變強(qiáng)度和高熔點(diǎn)金屬鹽膜的作用，如硫化物、氯化物、磷化物等。這種膜比物理吸附及化學(xué)吸附膜更穩(wěn)定，因而適合于高載荷、高溫度和高的滑動(dòng)速度下使用?；瘜W(xué)反應(yīng)當(dāng)潤(rùn)滑劑分子和固體表面之間出現(xiàn)價(jià)電32小結(jié)1、固體表面特性2、表面熱力學(xué)——表面熱力學(xué)函數(shù)、表面張力、表面能

3、表面吸附——物理吸附和化學(xué)吸附、表面化學(xué)反應(yīng)4、吸附的應(yīng)用小結(jié)1、固體表面特性33第二章固體表面形貌與表面接觸

固體表面形貌固體表面接觸第二章固體表面形貌與表面接觸固體表面形貌34固體表面形貌機(jī)械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，以及接觸剛度和傳熱性能，影響界面間的導(dǎo)電性能與密封性能。磨具的表面形貌影響它的磨削性能；噴涂表面預(yù)處理后的形貌影響表面涂層(如油漆)的質(zhì)量與外觀；飛機(jī)跑道的表面形貌影響飛機(jī)起降的平穩(wěn)性與飛機(jī)機(jī)件的壽命；公路路面的表面形貌影響汽車行駛的平穩(wěn)性與汽車的壽命；海洋表面的形貌直接同船舶航行有關(guān)，而電子的發(fā)射、電磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的關(guān)系。所以，表面形貌越來越為工程技術(shù)界所重視。固體表面形貌機(jī)械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，以35表面形貌的定量測(cè)量表面形貌的定量測(cè)量對(duì)于解決摩擦學(xué)問題是極為重要的，測(cè)量表面微觀或宏觀的幾何性能，可用很多方法。在觀察和測(cè)量表面形貌的方法中，比較常用的有用干涉或反射顯微術(shù)的光測(cè)法以及用電子顯微鏡等方法。觀測(cè)表面形貌和表面輪廓的分辨率方面，目前比較先進(jìn)的原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）可以達(dá)到原子的尺度。在測(cè)量表面輪廓和粗糙度的儀器中，以電子放大的觸針式儀器使用最為普及。表面形貌的定量測(cè)量表面形貌的定量測(cè)量對(duì)于解決摩擦學(xué)問題是極為36AFM圖象AFM圖象37輪廓儀得到的表面形貌輪廓儀得到的表面形貌38固體表面形貌的表征

固體表面形貌的表征39宏觀和微觀粗糙度

宏觀和微觀粗糙度40表面輪廓高度方向一維表征

輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）輪廓算術(shù)平均偏差（Ra），又稱中位線算術(shù)平均偏差，定義為一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，表面輪廓線偏離其中位線的絕對(duì)值的算術(shù)平均值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其離散化計(jì)算公式為表面輪廓高度方向一維表征輪廓算術(shù)平均偏差（Ra）其離散41Ra值相同的輪廓RaRq2.292.542.292.542.292.642.292.682.292.682.292.59Ra值相同的輪廓RaRq42輪廓均方根偏差（Rq）

統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，均方根偏差（Rq），能比Ra更好地描述表面輪廓的粗糙度特征。其定義為，在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，表面輪廓線偏離其中位線的距離的平方的算術(shù)平均值的平方根。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其離散化計(jì)算公式為對(duì)絕大多數(shù)的固體表面而言，Ra與Rq之間有如下的近似關(guān)系，即輪廓均方根偏差（Rq）統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，均方根偏差（Rq），能比43微觀不平度十點(diǎn)平均高度（Rz）

定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)最大的輪廓峰高的平均值與5個(gè)最深的輪廓谷深的平均值之和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為微觀不平度十點(diǎn)平均高度（Rz）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)最大的44輪廓最大高度（Ry）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的距離。輪廓最大高度（Ry）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線45

46表面輪廓水平方向的表征1.高點(diǎn)數(shù)所謂高點(diǎn)數(shù)，是指在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，高出中位線或與中位線平行的某一預(yù)先設(shè)定高度的線的完整表面輪廓峰的數(shù)目。如圖所示的表面輪廓，其高點(diǎn)數(shù)為7。表面輪廓水平方向的表征1.高點(diǎn)數(shù)所謂高點(diǎn)數(shù)，是指在評(píng)定長(zhǎng)47輪廓微觀不平度的平均間距Sm

含有一個(gè)輪廓峰（與中位線有交點(diǎn)的峰）和相鄰輪廓谷（與中位線有交點(diǎn)的谷）的一段中位線長(zhǎng)度，稱為輪廓微觀不平度間距。在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓微觀不平度間距的平均值，稱為輪廓微觀不平度平均間距，用Sm表示，輪廓的單峰平均間距也是反映表面微觀幾何形狀上峰谷間距特性方面的表面粗糙度參數(shù)，同樣，其數(shù)值愈大，表面愈粗糙。輪廓微觀不平度的平均間距Sm含有一個(gè)輪廓峰（與中位線有交點(diǎn)48固體表面形貌的二維表征

直至目前，兩個(gè)相對(duì)成熟且有一定應(yīng)用前途的表面形貌特征的二維表征參數(shù)是：輪廓高度分布的概率密度函數(shù)、輪廓的支承長(zhǎng)度率及支承曲線、表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)。表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)這兩者是相互關(guān)聯(lián)的，其中，表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)從空間域角度，刻劃了表面輪廓不同點(diǎn)間的相互依賴關(guān)系，而功率譜密度函數(shù)則在頻域上揭示表面輪廓的頻率結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)通過傅立葉變換建立聯(lián)系，它們相互構(gòu)成一對(duì)傅立葉變換對(duì)。固體表面形貌的二維表征直至目前，兩個(gè)相對(duì)成熟且有一定應(yīng)用前49輪廓高度分布的概率密度函數(shù)所謂輪廓高度分布的概率密度函數(shù)f(z)，是指在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓高度為z的概率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為輪廓高度分布的概率密度函數(shù)所謂輪廓高度分布的概率密度函數(shù)f50概率密度函數(shù)

常用的概率密度函數(shù)有：三角形分布、矩形分布、高斯分布、韋布分布和伽瑪分布等。常用高斯分布(Gaussiandistribution)，又稱正態(tài)分布。m——為z的平均值；——為標(biāo)準(zhǔn)方差，即Rq。概率密度函數(shù)常用的概率密度函數(shù)有：三角形分布、矩形分布、高51正態(tài)分布通常認(rèn)為，機(jī)加工表面的輪廓高度接近正態(tài)分布。右圖為實(shí)測(cè)的電蝕表面的輪廓高度分布和正態(tài)分布的概率密度，鋸齒線所示為實(shí)測(cè)值，光滑曲線所示為正態(tài)分布曲線，可見實(shí)際電蝕表面的輪廓高度接近正態(tài)分布。一般在-3到+3包含99%的分布，常以3

作為Gauss的極限分布，越大數(shù)據(jù)越分散。正態(tài)分布通常認(rèn)為，機(jī)加工表面的輪廓高度接近正態(tài)分布。右圖為實(shí)52支承面積曲線

在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，距峰頂線距離為p且與中位線平行的一條線，與輪廓相截所得的各段截線長(zhǎng)度bi之和，稱為此高度下的支承長(zhǎng)度，用p表示。支承面積曲線在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，距峰頂線距離為p且53支承長(zhǎng)度p與取樣長(zhǎng)度l之比，稱為輪廓支承長(zhǎng)度率，用tp表示，即有以距峰頂線的距離p為縱坐標(biāo)，以輪廓支承長(zhǎng)度率tp為橫坐標(biāo)作圖，就可得到輪廓的支承面積曲線。支承長(zhǎng)度p與取樣長(zhǎng)度l之比，稱為輪廓支承54支承面積曲線按支承面積的大小將輪廓圖形分為三個(gè)高度層：支承面積在25％以內(nèi)的部分稱為波峰，為最高層；支承面積在25％至75％之間的部分稱為波中，為中間層；支承面積大于75％的部分稱為波谷，為最低層。研究表明，材料的摩擦磨損狀況、電觸點(diǎn)、熱觸點(diǎn)等與波峰有很大關(guān)系，而波谷則與潤(rùn)滑情況下儲(chǔ)油性有關(guān)。支承面積曲線按支承面積的大小將輪廓圖形分為三個(gè)高度層：55第二節(jié)固體表面接觸

固體表面的接觸是研究摩擦磨損的基礎(chǔ)，如果不了解兩個(gè)固體表面接觸時(shí)的情況，就無法搞清摩擦和磨損的實(shí)質(zhì)。第二節(jié)固體表面接觸固體表面的接觸是研究56接觸表面間的相互作用

實(shí)際上只在少數(shù)較高的微凸體上產(chǎn)生接觸，由于實(shí)際接觸面積很小而接觸點(diǎn)上的應(yīng)力很大，因此在接觸點(diǎn)上發(fā)生塑性流動(dòng)、粘著或冷焊。這種接觸點(diǎn)叫做接點(diǎn)，也稱粘著點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)。金屬間的焊合性：與兩金屬性質(zhì)有關(guān)。機(jī)械相互作用：較硬的表面微凸體會(huì)嵌入較軟的表面中，較軟的材料表面微凸體被壓扁和改變形狀。接觸表面間的相互作用實(shí)際上只在少數(shù)較高的微凸體上產(chǎn)生接觸，57理想固體表面間的接觸

所謂理想的固體表面，是指不考慮其粗糙度的理想光滑表面。理想固體表面的接觸問題是接觸力學(xué)研究的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。根據(jù)其接觸特點(diǎn)，通常可將理想固體表面的接觸問題分為點(diǎn)接觸和線接觸兩種情況加以討論。而根據(jù)外加載荷的大小或變形是否可逆，固體表面的接觸又有彈性接觸和塑性接觸之分。此外，還可根據(jù)外加載荷的方向，將固體表面的接觸問題分為單一法向載荷、單一切向載荷和法向-切向載荷聯(lián)合作用等情況加以討論。理想固體表面間的接觸所謂理想的固體表面，是指58單一法向載荷作用的彈性接觸

（1）接觸體的材質(zhì)均勻且各向同性；（2）接觸表面是理想光滑狀態(tài)，不考慮實(shí)際的粗糙度；（3）接觸體只承受法向外載荷，而不存在切向載荷，即不考慮摩擦力；（4）

接觸體的變形是完全可逆的彈性變形，沒有殘余塑性變形；（5）

與接觸體大小相比，兩固體之間的接觸面積很小；赫茲彈性接觸公式：（6）兩接觸表面間沒有潤(rùn)滑劑。單一法向載荷作用的彈性接觸（1）接觸體的材質(zhì)均勻且各向同性591．點(diǎn)接觸球與球、球與平面的接觸都是點(diǎn)接觸問題。接觸區(qū)為圓形，其半徑為：接觸位移（法向接近量）為：1．點(diǎn)接觸球與球、球與平面的接觸都是點(diǎn)接觸問題60赫茲公式接觸面積：r——接觸面上距接觸中心O的距離。接觸面中心處的接觸壓應(yīng)力

：接觸壓力的分布：注意：式(2-24)為赫茲公式接觸面積：61最大應(yīng)力最大接觸壓應(yīng)力位于接觸面的中心（即r=z=0處），其值為最大拉應(yīng)力位于接觸面的邊緣（即r=a，z=0處），其值為最大剪應(yīng)力位置r=0,z=0.47a處，其值為以上各式中，R為兩接觸面等效曲率半徑，E為綜合彈性模量，P為法向外載荷。最大應(yīng)力最大接觸壓應(yīng)力位于接觸面的中心（即r=z=0處），其62等效曲率半徑和彈性模量對(duì)球體與球體的接觸，有對(duì)R2為凹球的半徑，則只要將上式中的R2用-R2代即可。對(duì)于球與平面的接觸，因平面的曲率半徑R2→∞。以上三種不同的點(diǎn)接觸都可等效為圓球與平面的接觸問題。等效曲率半徑和彈性模量對(duì)球體與球體的接觸，有63線接觸

線接觸64兩平行圓柱體接觸的赫茲公式接觸區(qū)為矩形，其半寬度為接觸面中心的接觸壓應(yīng)力為接觸面上的壓力分布為兩平行圓柱體接觸的赫茲公式接觸區(qū)為矩形，其半寬度為接觸面中65赫茲公式最大剪應(yīng)力位置r=0,z=0.786a處，其值為接觸位移赫茲公式最大剪應(yīng)力位置r=0,z=0.786a處，其值為接66在彈性變形時(shí)，最大接觸壓應(yīng)力與載荷不成線性關(guān)系，而是與載荷的平方根或立方根成正比。這是因?yàn)殡S著載荷的增加，接觸面積也增大，其結(jié)果使接觸面上的最大壓應(yīng)力的增長(zhǎng)較載荷的增長(zhǎng)為慢。應(yīng)力與載荷成非線性關(guān)系是接觸應(yīng)力的重要特征之一。在彈性變形時(shí)，最大接觸壓應(yīng)力與載荷不成線性關(guān)系，而是與載荷67實(shí)際粗糙表面的接觸

對(duì)實(shí)際粗糙表面的接觸，定義了三種含義不同的接觸面積，即名義接觸面積An、輪廓接觸面積Ac和實(shí)際接觸面積Ar。實(shí)際粗糙表面的接觸對(duì)實(shí)際粗糙表面的接觸，定義68接觸面積所謂名義接觸面積，又稱表觀接觸面積，即是把參與接觸的兩表面看成是理想的光滑面的宏觀面積，記為An，它由接觸表面的外部尺寸決定。名義接觸面積為:輪廓接觸面積，即是接觸表面被壓平部分所形成的面積，如圖中的小圈范圍內(nèi)所示的面積，記作Ac。

實(shí)際接觸面積，即是兩接觸表面真實(shí)接觸面積的總和，記為Ar。實(shí)際接觸面積在摩擦學(xué)中具有重要意義。接觸面積所謂名義接觸面積，又稱表觀接觸面積，即是把參與接觸的69接觸面積

實(shí)際粗糙表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸面積僅為名義接觸面積的0.01~0.1%，而輪廓接觸面積為名義接觸面積的5~15%。阿查德（Archard）認(rèn)為，在彈性接觸的情況下，實(shí)際接觸面積與所加載荷的關(guān)系可用下式描述m——取決于表面接觸模型接觸面積實(shí)際粗糙表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸面積僅為名義接觸面積的70表面接觸模型

表面接觸模型71表面微凸體模型

表面微凸體模型72理想粗糙表面的接觸光滑表面在載荷作用下接近時(shí)，可以看出法向接近量將為(z-d)，各個(gè)微凸體發(fā)生相同的變形并承受相同的載荷Li，因此當(dāng)單位面積上有n個(gè)微凸體時(shí)，總載荷L將等于nLi。對(duì)于每個(gè)微凸體，載荷Li和實(shí)際接觸面積Ari可根據(jù)赫茲理論求得。理想粗糙表面的接觸光滑表面在載荷作用下接近時(shí)，可以看出法向接73理想粗糙表面的接觸

實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系：實(shí)際接觸面積與載荷的2／3次冪成正比。

設(shè)R為微凸體的曲率半徑，則有Ar=nAri

(根據(jù)的表達(dá)式)理想粗糙表面的接觸實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系：實(shí)際接觸面積與74理想粗糙表面塑性變形如果載荷使微凸體在一恒定的流動(dòng)壓力H下發(fā)生塑性變形，則我們就可假設(shè)材料作垂直向下的位移而不作水平擴(kuò)展，所以接觸面積A`將等于表觀接觸面積2R?？傒d荷：即實(shí)際接觸面積與載荷成線性關(guān)系。因此單獨(dú)載荷可表示為:當(dāng)粗糙表面接觸時(shí)，應(yīng)該預(yù)期得到實(shí)際接觸面積與載荷之間具有線性關(guān)系，這一結(jié)論是摩擦定律的基礎(chǔ)。理想粗糙表面塑性變形如果載荷使微凸體在一恒定的流動(dòng)壓力H下75隨機(jī)粗糙表面的接觸實(shí)際粗糙表面上的各個(gè)微凸體具有不同的高度，這可用其峰高的概率密度來表征。高度大于d的任何微凸體都將發(fā)生接觸。隨機(jī)粗糙表面的接觸實(shí)際粗糙表面上的各個(gè)微凸體具有不同的高度，76隨機(jī)粗糙表面的接觸f(z)為微凸體峰高分布的概率密度，高度為z的任何微凸體的接觸概率為：設(shè)表面單位名義面積上具有η個(gè)微凸體，則接觸點(diǎn)數(shù)量n可表示為：由于任何微凸體的法向接近量為(z-d)，總的實(shí)際接觸面積：預(yù)期的載荷：隨機(jī)粗糙表面的接觸f(z)為微凸體峰高分布的概率密度，高度為77隨機(jī)粗糙表面塑性變形當(dāng)微凸體服從塑性變形定律時(shí)，總的實(shí)際接觸面積：預(yù)期的載荷：則L=HAr，即載荷與實(shí)際接觸面積成線性關(guān)系，且與微凸體高度的分布f(z)無關(guān)。當(dāng)我們把這種效應(yīng)視為摩擦和磨損時(shí)，這些結(jié)果將具有重大的意義。隨機(jī)粗糙表面塑性變形當(dāng)微凸體服從塑性變形定律時(shí)，總的實(shí)際接觸78小結(jié)1、定義了表面粗糙度的指標(biāo)Ra、Rq、Rz、Ry；2、輪廓高度分布的概率密度函數(shù)和輪廓的支承面積曲線；3、固體表面接觸——Hertz公式4、分析了實(shí)際粗糙表面的接觸。小結(jié)1、定義了表面粗糙度的指標(biāo)Ra、Rq、Rz、Ry；79材料摩擦磨損第三章摩擦原理材料摩擦磨損第三章摩擦原理80第一節(jié)摩擦的概念及分類一、摩擦的概念當(dāng)Ｐ超過最大靜摩擦力時(shí)，物體就要發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)的摩擦力Ｆ動(dòng)叫動(dòng)摩擦力二、摩擦的分類1)干摩擦;2)邊界摩擦;3)流體摩擦。按摩擦副表面的潤(rùn)滑狀況分類:第一節(jié)摩擦的概念及分類一、摩擦的概念當(dāng)Ｐ超過81摩擦的分類2.按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類1)滑動(dòng)摩擦。2)滾動(dòng)摩擦。3.按摩擦副的材質(zhì)分類1)金屬材料的摩擦。2)非金屬材料的摩擦。4.按摩擦副的工況條件分類1)一般工況下的摩擦。2)特殊工況下的摩擦。摩擦的分類2.按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類82第二節(jié)古典摩擦定律

現(xiàn)將古典摩擦定律的內(nèi)容歸納如下：1)摩擦力的大小與接觸面積間的法向載荷成正比，而與接觸物體間名義接觸面積的大小無關(guān)，即F＝N或F∝N式中F－－摩擦力；

－－摩擦系數(shù)，；

N－－法向載荷。2)摩擦力的方向總是與接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的方向相反。3)摩擦力的大小與接觸面間的相對(duì)滑動(dòng)速度無關(guān)。4)靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力。

第二節(jié)古典摩擦定律現(xiàn)將古典摩擦定律的內(nèi)容歸納如下：2)83古典摩擦定律中參數(shù)的討論

1.摩擦系數(shù)在古典摩擦定律中，摩擦系數(shù)

是一個(gè)常數(shù)。但通過更多的試驗(yàn)指出，僅在一定的周圍環(huán)境下，對(duì)于一定的材質(zhì)的摩擦來說，摩擦系數(shù)才是一個(gè)常數(shù)，不同材質(zhì)的金屬摩擦副其摩擦系數(shù)

是不同的，不同的周圍環(huán)境摩擦系數(shù)亦不同。因此，摩擦系數(shù)不是材料固有的特性，而是材料和環(huán)境條件的綜合特性。古典摩擦定律中參數(shù)的討論1.摩擦系數(shù)84參數(shù)的討論——接觸面積2.接觸面積

在古典摩擦理論中，摩擦力的大小與接觸物體間的名義接觸面積的大小無關(guān)。對(duì)于金屬材料來說，由于摩擦副表面粗糙度的存在，故只在很小的接觸區(qū)域內(nèi)才有真正的接觸，所以可以說摩擦力的大小與名義接觸面積無關(guān)。

試驗(yàn)表明，實(shí)際接觸面積與摩擦系數(shù)有關(guān)，隨著實(shí)際接觸面積的增加，摩擦系數(shù)增大，摩擦力亦增大。例如對(duì)于光滑表面，摩擦力將由于表面光潔度提高，隨實(shí)際接觸面積的增大而增大，對(duì)于很潔凈、很光滑的表面，由于在接觸表面之間出現(xiàn)強(qiáng)烈的分子吸引力，摩擦力將與實(shí)際接觸面積成正比，并且和表面的外形尺寸無關(guān)。參數(shù)的討論——接觸面積2.接觸面積85參數(shù)的討論——滑動(dòng)速度

3.滑動(dòng)速度1－輕載；2－中等偏低載荷；3－中等偏高載荷；4－重載參數(shù)的討論——滑動(dòng)速度3.滑動(dòng)速度1－輕載；2－中等偏86參數(shù)的討論——正壓力

4.摩擦力與正壓力

對(duì)于某些很硬（如鉆石）或很軟（如聚四氟乙烯PTFE）材料，摩擦力與正壓力之間表現(xiàn)出非線性關(guān)系，此時(shí)F＝CPB式中C——常數(shù)；

F——摩擦力；

P——正壓力；

B——指數(shù)，≤B≤1。5.靜摩擦力和動(dòng)摩擦力參數(shù)的討論——正壓力4.摩擦力與正壓力87第三節(jié)滑動(dòng)摩擦理論概述

一、機(jī)械理論：兩個(gè)固體表面發(fā)生接觸時(shí)，由于表面凹凸不平處的互相嚙合，而產(chǎn)生了阻礙兩固體流動(dòng)的阻力。二、分子理論：摩擦力的主要原因在于兩物體摩擦表面間所持有的分子力。三、分子機(jī)械理論：分子機(jī)械理論綜合了前面兩種理論的基本思想。F＝Fa＋Fm

F＝Ar＋N

Ar及N分別是實(shí)際接觸面積和接觸物體所受載荷。第三節(jié)滑動(dòng)摩擦理論概述一、機(jī)械理論：兩個(gè)固體表面發(fā)生接88四、粘著理論鮑登（F.P.Bowden）和泰伯（D.Tabor）提出了著名的摩擦粘著理論——當(dāng)兩表面相接觸時(shí)，在載荷作用下，某些接觸點(diǎn)的單位壓力很大，并產(chǎn)生塑性變形，這些點(diǎn)將牢固的粘著，使兩表面形成一體，即稱為粘著或冷焊（焊接橋）。當(dāng)一表面相對(duì)另一表面滑動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)則被剪斷，而剪斷這些連接點(diǎn)的力就是摩擦力。

此外，如果一表面比另一表面硬一些，則硬表面的粗糙微凸體頂端將會(huì)在較軟表面上產(chǎn)生犁溝，這種形成犁溝的力也是摩擦力。故摩擦力是兩種阻力之和，即

F＝Fa＋Fp

Fa－－摩擦力中的剪切阻力；

Fp－－摩擦力中的犁溝阻力。四、粘著理論鮑登（F.P.Bowden）和89第四節(jié)摩擦生成機(jī)理分析

簡(jiǎn)單粘著摩擦理論對(duì)于理想的彈－塑性材料，粘著摩擦力就是剪斷金屬粘結(jié)點(diǎn)所需的剪切力。設(shè)粘結(jié)點(diǎn)部分的剪切強(qiáng)度為τb，則粘著摩擦力為Ar－－實(shí)際接觸面積；y－－材料的屈服壓力。第四節(jié)摩擦生成機(jī)理分析簡(jiǎn)單粘著摩擦理論Ar－－實(shí)際接觸90簡(jiǎn)單粘著摩擦理論

以較軟金屬的剪切強(qiáng)度極限0代替金屬粘結(jié)點(diǎn)的剪切強(qiáng)度b，則粘著摩擦系數(shù)為對(duì)于大多數(shù)金屬材料來說，,摩擦系數(shù)為0.2。這說明了為什么大多數(shù)金屬的機(jī)械性能如硬度變化很大而彼此間摩擦系數(shù)卻相差不大的原因。如兩個(gè)硬的金屬接觸時(shí)，y大，Ar小，o大；而對(duì)于兩個(gè)軟的金屬接觸時(shí)，y小，Ar大，0小；所以它們的比值0／y相差不會(huì)太大。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，很多金屬材料在空氣中測(cè)得的摩擦系數(shù)高于0.5；在真空中測(cè)得的摩擦系數(shù)更高。因此上述的簡(jiǎn)單粘著理論還要進(jìn)行修正。簡(jiǎn)單粘著摩擦理論以較軟金屬的剪切強(qiáng)度極限091粘著摩擦理論的修正

切向力的存在，這時(shí)實(shí)際接觸面積的增大是由于法向載荷(壓應(yīng)力)與切向載荷(切應(yīng)力τ)聯(lián)合作用的結(jié)果。式中

和k為待定系數(shù)。假定粘著摩擦理論的修正切向力的存在，這時(shí)實(shí)際接觸面積的增大是由92理論的修正當(dāng)τ＝0時(shí)，粘著點(diǎn)上的合成應(yīng)力為y，可得y＝k

或則簡(jiǎn)單粘著理論中所用的實(shí)際接觸面積；

切應(yīng)力對(duì)接觸面積的影響。

純凈表面摩擦?xí)r，實(shí)際接觸面積可能增加很多，因而摩擦系數(shù)變大，這也可以解釋在真空中所測(cè)得的摩擦系數(shù)為什么會(huì)增加的原因。理論的修正當(dāng)τ＝0時(shí)，粘著點(diǎn)上的合成應(yīng)力為y，可得93表面有自然污染膜在空氣，由于表面有自然污染膜，它的摩擦現(xiàn)象要用有自然污染膜存在時(shí)金屬表面的粘著理論來解釋。當(dāng)摩擦副表面被污染，且污染膜的剪切強(qiáng)度較低時(shí)，粘著接點(diǎn)的增長(zhǎng)不明顯。當(dāng)污染膜的剪應(yīng)力τ達(dá)到污染膜的剪切強(qiáng)度τf時(shí)，表面膜被剪斷，摩擦副開始滑動(dòng)。f－－表面污染膜的剪切強(qiáng)度；y－－金屬本體的屈服強(qiáng)度。一般污染膜的剪切強(qiáng)度τf都要比金屬的τb要小，當(dāng)F/Ar<τf

，實(shí)際接觸面積可增加，當(dāng)F/Ar=τf

，粘著接點(diǎn)的面積增大停止，表面膜被剪斷，摩擦副開始滑動(dòng)。此時(shí)，粘著摩擦系數(shù)可表示為表面有自然污染膜在空氣，由于表面有自然污染膜，它的摩擦現(xiàn)象94對(duì)粘著摩擦理論的說明在上述有關(guān)粘著摩擦的分析中，是在下列假設(shè)條件下進(jìn)行的：實(shí)際接觸面積是由塑性變形確定；兩個(gè)摩擦表面是由一個(gè)剪切強(qiáng)度較低的膜隔開；摩擦力是剪切分離膜所需的力，膜的基礎(chǔ)強(qiáng)度高時(shí)，摩擦力決定于基體材料的剪切強(qiáng)度。理論的問題：是否實(shí)際接觸面積上都產(chǎn)生粘著？污染膜之間能否產(chǎn)生粘著？對(duì)粘著摩擦理論的說明在上述有關(guān)粘著摩擦的分析95犁溝的作用

犁溝是鮑登和泰伯的總摩擦力中的一部分，也是機(jī)械作用形成阻力的另一種形式。它由于硬金屬上的粗糙度凸峰陷入較軟的金屬而引起的，并且由于較軟金屬的塑性流動(dòng)而犁出一個(gè)溝槽。是由許多類同的半角為

的圓錐形粗糙度構(gòu)成，在摩擦過程中，每個(gè)錐形粗糙度的前表面與較軟的材料相接觸，接觸表面在水平面上投影面積Av為在該平面上總投影面積的1/2，即n為粗糙凸峰總數(shù)設(shè)一個(gè)硬的材料表面犁溝的作用犁溝是鮑登和泰伯的總摩擦力中的一部分，也是機(jī)械作96犁溝承受的載荷N為接觸表面在垂直面上的投影總面積為Ah＝nrh，所以犁溝摩擦力Fp為Fp＝Ah·σy＝nrhσy

犁溝產(chǎn)生的摩擦系數(shù)p為即犁溝承受的載荷N為接觸表面在垂直面上的投影總面積為Ah97附加因素

形滑塊所產(chǎn)生犁溝前方材料壓皺和堆積的情況。顯然這使得面積Ah有很大增加，引入一額外的附加因素Kp。附加因素形滑塊所產(chǎn)生犁溝前方材料壓皺和堆積的情98第六節(jié)影響滑動(dòng)摩擦的因素

實(shí)驗(yàn)表明，摩擦系數(shù)與載荷、速度、溫度、表面特性等都有關(guān)系，同一種摩擦副，在不同的因素影響下可能有極不相同的摩擦系數(shù)。粗糙度的影響第六節(jié)影響滑動(dòng)摩擦的因素實(shí)驗(yàn)表明，摩擦系99載荷的影響

在干摩擦條件下，盡管摩擦副配對(duì)材料不同，但摩擦系數(shù)都是隨著法向載荷的增加而下降，但在邊界潤(rùn)滑條件下，不符合摩擦系數(shù)隨著法向載荷的增加而下降的規(guī)律。載荷的影響在干摩擦條件下，盡管摩擦副配對(duì)材100合金鋼對(duì)45鋼在邊界潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系（v＝6米／秒）合金鋼對(duì)45鋼在邊界潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系（101溫度的影響

摩擦溫度摩擦系數(shù)摩擦引起的釋放熱量Q等于克服摩擦所做的功，即溫度的影響摩擦溫度102摩擦熱將引起：1）摩擦表面相互作用特性或摩擦狀態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化，從液體摩擦轉(zhuǎn)化為邊界摩擦甚至干摩擦，或者相反；

2）摩擦表面與周圍介質(zhì)的作用特點(diǎn)改變，即引起摩擦過程動(dòng)力學(xué)特性變化。如摩擦表面原子或分子間的擴(kuò)散、吸附和吸收，摩擦表層材料中的結(jié)構(gòu)變化等，從而引起了材料表層物理－機(jī)械性能的改變（塑性接觸的產(chǎn)生），摩擦性能（摩擦系數(shù)、磨損）和摩擦表面上的損傷形式的變化等。摩擦熱將引起：1）摩擦表面相互作用特性或摩擦狀態(tài)發(fā)生質(zhì)的103銅－銅高溫下兩金屬摩擦副的摩擦特性取決于兩金屬的高溫強(qiáng)度、可焊性以及所形成的表面膜。銅－銅銅－銅高溫下兩金屬摩擦副的摩擦特性取決于兩金屬的高溫強(qiáng)度、可104真空中鎳－鎢真空中摩擦隨溫度的升高而下降，但是變化不大。在高溫時(shí)，屈服壓力降低。同時(shí)金屬的剪切強(qiáng)度也下降。鎳－鎳銅－銅金－金真空中鎳－鎢真空中摩擦隨溫度的升高而下降，但是變化不大。在105低溫時(shí)摩擦熱的影響較小，但摩擦副材質(zhì)在低溫時(shí)的性能（冷脆性）和組織結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦的影響較大。一般說來，體心立方晶體的金屬（Fe、Cr、Mo、Ta、W）在低溫時(shí)易產(chǎn)生脆性破壞，使用溫度范圍較窄。適于作低溫摩擦副的材料主要是面心立方晶體（Al、Ni、Pb、Cu、Ag）和密排的六方晶體（Ti、Zn、Mg、Co）及其合金，以及石墨和氟塑料等。低溫摩擦?xí)r，由于冷卻介質(zhì)不同，摩擦特性也不同，當(dāng)在液體冷卻介質(zhì)中摩擦（如在液氮和液氫中）時(shí)，摩擦面上不易形成氧化膜，因此在摩擦過程中接觸處易產(chǎn)生粘著。低溫時(shí)摩擦熱的影響較小，但摩擦副材質(zhì)在低溫時(shí)106表面溫度的計(jì)算

ＴS＝Ｔ0（整體表面溫度）＋Ｔf（閃溫）表面最高溫度：c=ρc'，是導(dǎo)熱系數(shù)，是密度，c'是比熱1）若材料相同，則c1＝c2

即平均閃溫溫升與相對(duì)速度平方根成正比。表面溫度的計(jì)算ＴS＝Ｔ0（整體表面溫度）＋Ｔf（閃溫）表107載荷、速度與溫度2)Ｔf∝Ｎ，載荷越大，閃溫溫升越高。載荷、速度與溫度2)Ｔf∝Ｎ，載荷越大，閃溫溫升越高。108閃溫、整體溫度總表面溫度、閃溫、整體溫度隨速度的變化表面溫度高于800℃時(shí)，黃銅發(fā)生熔化。閃溫、整體溫度總表面溫度、閃溫、整體溫度隨速度的變化表面溫109表面溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

動(dòng)態(tài)熱電偶法：這種方法使用天然熱電偶，熱電偶的兩個(gè)元件是運(yùn)動(dòng)組件，而接點(diǎn)是實(shí)際接觸表面。紅外輻射測(cè)量：測(cè)玻璃表面與金屬銷之間的干摩擦。不可逆方法：研究表面層的金相結(jié)構(gòu)。例如，超過了轉(zhuǎn)變溫度，就會(huì)引起不可逆的結(jié)構(gòu)變化。利用與溫度有關(guān)的氪化物分解速率來測(cè)量溫度。由于表面上的溫度梯度很大，因此難以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定摩擦表面的溫度。表面溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定動(dòng)態(tài)熱電偶法：這種方法使用天然熱電偶，熱110滑動(dòng)速度

摩擦系數(shù)與速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

克拉蓋爾斯基等人的測(cè)試中得出：(1)當(dāng)速度增大時(shí)，摩擦系數(shù)都通過一最大值；(2)當(dāng)載荷增大時(shí)，該最大值對(duì)應(yīng)于較小的速度值。并提出了速度和摩擦系數(shù)的表達(dá)式：a、b、c及d均是與載荷和摩擦副有關(guān)的系數(shù),c接近1。滑動(dòng)速度摩擦系數(shù)與速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式克拉蓋爾斯基等人111滑動(dòng)速度的影響在較低滑動(dòng)速度下，摩擦主要是由于接觸區(qū)的局部粘著和剪切所引起的。摩擦發(fā)熱不會(huì)有多大影響。但在很高的滑動(dòng)速度下，材料表面產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的摩擦熱，由于瞬間所產(chǎn)生的大量摩擦熱來不及向內(nèi)層擴(kuò)散，使摩擦副表面受熱的作用大，深度淺，溫度梯度大，表面溫度可達(dá)到材料的熔點(diǎn)，使材料表面有可能產(chǎn)生一層很薄的熔化層，它將從本質(zhì)上改變滑動(dòng)表面的狀態(tài)。對(duì)于導(dǎo)熱性能比較差的非金屬材料，在高速滑動(dòng)下，表面升溫更為嚴(yán)重。對(duì)于高速滑動(dòng)的金屬材料，表面熔化后則摩擦具有液體動(dòng)力學(xué)特征，摩擦系數(shù)隨著速度的增大而下降。在滑動(dòng)速度很大時(shí)（v＞300米／秒），摩擦系數(shù)可降到0.02～0.03。觀察滑動(dòng)后的試樣，可以發(fā)現(xiàn)金屬熔化的痕跡。滑動(dòng)速度的影響在較低滑動(dòng)速度下，摩擦主要是由于接觸區(qū)的局部粘112表面膜的影響

表面存在各種薄膜時(shí)，摩擦系數(shù)降低。主要是由于摩擦發(fā)生在膜內(nèi)，使金屬摩擦表面不易發(fā)生粘著。另外，一般氧化膜的塑性和機(jī)械強(qiáng)度要比金屬材料低，在摩擦過程中，膜先被破壞，因此摩擦系數(shù)較小。所以人們往往在摩擦表面涂覆一層軟金屬（銦、鎘、鉛等），以取得降低摩擦系數(shù)的效果，并能減少磨損。表面膜的影響表面存在各種薄膜時(shí)，摩擦系數(shù)降低。主要是由于摩113第七節(jié)滾動(dòng)摩擦

由于滾動(dòng)摩擦的影響因素很多，所以研究滾動(dòng)摩擦比研究滑動(dòng)摩擦更為復(fù)雜。一、基本概念滾動(dòng)摩擦按其接觸裝置的特點(diǎn)可分成如下幾種類型：①自由滾動(dòng)這是滾動(dòng)元件沿平面滾動(dòng)時(shí)的情況，運(yùn)動(dòng)所受的阻力是由元件與平面之間的基本滾動(dòng)摩擦引起的，這種滾動(dòng)傳遞的切向力較小；②受制滾動(dòng)滾動(dòng)元件受制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用，這些轉(zhuǎn)矩在接觸處產(chǎn)生摩擦效應(yīng)；③槽內(nèi)滾動(dòng)當(dāng)滾珠沿軸承的內(nèi)圈滾動(dòng)時(shí)，滾珠與圈槽間的幾何接觸引起摩擦阻力；④曲線滾動(dòng)滾動(dòng)元件沿曲線軌道運(yùn)行時(shí)，接觸處不可避免地產(chǎn)生摩擦作用。第七節(jié)滾動(dòng)摩擦由于滾動(dòng)摩擦的影響因素很114滾動(dòng)摩擦系數(shù)過O1點(diǎn)而垂直于輪子滾動(dòng)平面的軸稱為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸。如果輪子承受N力，其作用線為OO1，則為了使輪子作等速滾動(dòng)，必須以某種方式對(duì)輪子施加旋轉(zhuǎn)力矩。為此，對(duì)輪子只要加F0力而其作用線與瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸相距一段非零的距離即構(gòu)成旋轉(zhuǎn)力矩，這個(gè)力對(duì)O1點(diǎn)的力矩稱為驅(qū)動(dòng)力矩，在數(shù)值上等于滾動(dòng)阻力矩。滾動(dòng)摩擦系數(shù)可定義為驅(qū)動(dòng)力矩與法向載荷N之比，即滾動(dòng)摩擦系數(shù)過O1點(diǎn)而垂直于輪子滾動(dòng)平面的軸稱為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸115無量綱的滾動(dòng)摩擦系數(shù)還有一種無量綱的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，它的定義是滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)力F0在單位距離上所做的功與法向載荷之比當(dāng)輪子轉(zhuǎn)過角度后，驅(qū)動(dòng)力所作的功為摩擦系數(shù)式中的力F0

在數(shù)值上也等于滾動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力。無量綱的滾動(dòng)摩擦系數(shù)還有一種無量綱的滾動(dòng)摩擦系數(shù)116滾動(dòng)摩擦機(jī)理

滾動(dòng)摩擦一般比滑動(dòng)摩擦小得多，在滾動(dòng)界面也不存在犁溝和粘著點(diǎn)的剪切。因此，不能用滑動(dòng)摩擦的微觀模型來解釋滾動(dòng)中產(chǎn)生的摩擦，還需要作另外的解釋。任何滾動(dòng)摩擦的模型，象滑動(dòng)情況中一樣必須能說明滾動(dòng)摩擦力及滾動(dòng)摩擦的能量消耗兩個(gè)方面。目前認(rèn)為滾動(dòng)摩擦阻力主要來自下列幾種作用：

①微觀滑移（即微觀滑動(dòng)）；②彈性滯后；③塑性變形；④粘附作用。滾動(dòng)摩擦機(jī)理滾動(dòng)摩擦一般比滑動(dòng)摩擦小得多，在117微觀滑移硬圓柱體在彈性平面上滾動(dòng)(雷諾（Reynolds）滑移)壓縮引起的伸長(zhǎng)在1處比2、3處要大。在滾動(dòng)過程中，A、B表面伸長(zhǎng)的大小也不一樣，B是彈性體，表面伸長(zhǎng)大；而A彈性差，表面伸長(zhǎng)小，則A和B的界面由于伸長(zhǎng)的差異而發(fā)生滑移。微觀滑移硬圓柱體在彈性平面上滾動(dòng)壓縮引起的伸長(zhǎng)在1處比2、3118微觀滑移希斯科特滑移微觀滑移希斯科特滑移119微觀滑移卡特－波利斯基－富波爾（Carter－Poritsky－Foppl）滑移微觀滑移卡特－波利斯基－富波爾（Carter－Poritsk120彈性滯后

在彈性范圍內(nèi)滾動(dòng)，滾動(dòng)摩擦是彈性滯后和微觀滑移引起的。若滾動(dòng)摩擦阻力大小主要由彈性滯后決定，則接觸面間是否有潤(rùn)滑劑，對(duì)滾動(dòng)阻力的影響就不大。彈性滯后在彈性范圍內(nèi)滾動(dòng)，滾動(dòng)摩擦是彈性滯121

塑性變形

物體滾動(dòng)接觸時(shí)，若接觸壓力超過一定數(shù)值，將產(chǎn)生全面屈服。對(duì)自由滾動(dòng)的圓柱體來說，當(dāng)

max≈30

時(shí)，首先在表面下一點(diǎn)產(chǎn)生屈服，這里max為最大赫茲壓力，0為簡(jiǎn)單剪切時(shí)材料的屈服應(yīng)力。在這種情況下，使?jié)L道產(chǎn)生塑性變形是需要能量的。塑性變形物體滾動(dòng)接觸時(shí)，若接觸壓力超過一定數(shù)值122粘附效應(yīng)

在滾動(dòng)接觸條件下表面力可作用在滾動(dòng)物體之間的界面上，摩擦副之間也會(huì)產(chǎn)生粘著。滾動(dòng)摩擦小結(jié)滾動(dòng)摩擦阻力起因的討論表明，滾動(dòng)摩擦也是一種很復(fù)雜的綜合過程，該過程是由混亂接觸偶件的一些性能及工作變量決定的。上述各種機(jī)理可以解釋一些摩擦副以及某些工況條件下的摩擦現(xiàn)象。在特殊情況下，即在特定的試驗(yàn)條件下，有可能某一種機(jī)理占主導(dǎo)地位。在一般情況下，可能幾種機(jī)理同時(shí)起作用。這就需要對(duì)實(shí)際工況作具體分析。粘附效應(yīng)在滾動(dòng)接觸條件下表面力可作用在滾動(dòng)物123小結(jié)古典摩擦定律粘著理論影響滑動(dòng)摩擦的因素滾動(dòng)摩擦小結(jié)古典摩擦定律124材料摩擦磨損第四章材料的摩擦金屬材料的摩擦非金屬材料的摩擦層狀固體的摩擦減摩材料摩阻材料材料摩擦磨損第四章材料的摩擦金屬材料的摩擦125金屬材料的摩擦材料相容性

拉賓諾維奇發(fā)現(xiàn)，純金屬組合之間的摩擦系數(shù)μ與摩擦對(duì)之間的粘著能Wab及較軟金屬的壓入硬度P之間存在下述關(guān)系：c1為一與表面幾何特性有關(guān)的常數(shù)。Wab＝γa＋γb－γab

一般γa與γb大多可以從文獻(xiàn)查出，而γab的試驗(yàn)值卻很少。Wab的最大值應(yīng)為(γa＋γb)，而最小值是零?？梢园焉鲜礁膶懗蒞ab＝c2(γa＋γb)c2是介于1與零之間的常數(shù)。金屬材料的摩擦材料相容性c1為一與表面幾何特性有關(guān)的常數(shù)126材料相容性上式表明，摩擦系數(shù)與表面能對(duì)軟金屬硬度的比值有關(guān)。比值越大，摩擦系數(shù)越大；反之越小。相容性參數(shù)c2越大（趨近1時(shí)）摩擦系數(shù)也越大。為了了解相容性參數(shù)的物理意義，拉賓諾維奇把二百多對(duì)金屬組合，按其二元相圖的特征進(jìn)行了分類。發(fā)現(xiàn)它們有的具有較大互溶度，有的只有很小互溶度，而有的完全不互溶。并且發(fā)現(xiàn)金屬對(duì)之間互溶度大的，摩擦系數(shù)大，相容性參數(shù)c2也大。因此，他認(rèn)為相容性參數(shù)c2是與互溶度有關(guān)。對(duì)于同種金屬組成的摩擦副，其相容性參數(shù)定義為1。材料相容性上式表明，摩擦系數(shù)與表面能對(duì)軟金屬硬度的比值有關(guān)。127金屬表層在摩擦過程中的變化

在力和熱的共同作用下，將使摩擦表面發(fā)生一系列變化。這些變化主要有：1)表面幾何形狀的變化；2)亞表層晶體缺陷及組織結(jié)構(gòu)的變化；3)表面化學(xué)成分的變化。金屬表層在摩擦過程中的變化在力和熱的共同作1281.摩擦表面幾何形狀的變化

（1）平衡粗糙度摩擦副滑動(dòng)時(shí)，表面粗糙度不斷改變而趨于一個(gè)穩(wěn)定值。原來粗糙的表面可能變得光滑，而原來光滑的表面也可能變得粗糙。同一種材料在相同外部條件下發(fā)生摩擦?xí)r，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的磨合，其表面都會(huì)達(dá)到同樣的粗糙度。人們把在摩擦磨損過程中，除了摩擦初期外，在任何后繼過程中都會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的固定不變的粗糙度稱為“平衡粗糙度”。

平衡粗糙度可理解為在磨合結(jié)束后，摩擦狀態(tài)不變時(shí)在摩擦接觸面上新形成的粗糙度。而且平衡粗糙度與原始粗糙度無關(guān)。

1.摩擦表面幾何形狀的變化（1）平衡粗糙度129（2）塑性變形

摩擦表面的塑性變形是通過微凸體間的相互作用造成的，其變形特點(diǎn):1)摩擦表面的接觸先發(fā)生在較高的微凸體上，外力加大，接觸的微凸體數(shù)目增多，且接觸的微凸體發(fā)生彈塑性變形。各微凸體上變形的程度不一；2)摩擦表面的塑性變形是不連續(xù)的、反復(fù)發(fā)生的。其程度由摩擦工況條件決定；3)摩擦表面的接觸狀態(tài)決定了應(yīng)力狀態(tài)的不均勻性，這將導(dǎo)致巨大的微觀應(yīng)力；4)摩擦表面的近表層(10～100nm)，塑性變形使組織呈強(qiáng)烈的方向性，產(chǎn)生表面層織構(gòu)；5)摩擦表面晶體缺陷密度大。如在相同變形量條件下，摩擦表面位錯(cuò)密度比一般變形高一、二個(gè)數(shù)量級(jí)?？瘴幻芏缺纫话憬饘俦砻娑?500倍。（2）塑性變形摩擦表面的塑性變形是通過微凸體130表面層發(fā)生的變化摩擦金屬表面的塑性變形將使該表面層發(fā)生一系列物理和力學(xué)性質(zhì)的變化以及組織結(jié)構(gòu)的變化，如：1)使表面產(chǎn)生加工硬化；2)形成變形織構(gòu)，增大內(nèi)應(yīng)力；3)表面晶粒明顯細(xì)化，亞晶尺寸減小，即發(fā)生恢復(fù)和再結(jié)晶，甚至有時(shí)在表層形成微薄熔化層；4)由于變形和摩擦溫升的共同作用，可使摩擦表面產(chǎn)生二次淬火和二次回火，并促進(jìn)表面擴(kuò)散過程。表面層發(fā)生的變化摩擦金屬表面的塑性變形將使131塑性變形深度材料的屈服強(qiáng)度越高，載荷越小，塑性變形深度越淺。塑性變形量隨深度的分布是變化的，一般有兩種情況。

塑性變形深度材料的屈服強(qiáng)度越高，載荷越小，132摩擦表面組織結(jié)構(gòu)的變化摩擦過程中，表層中存在的復(fù)雜變形以及摩擦產(chǎn)生大量的熱，會(huì)使表層中組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。這包括位錯(cuò)大量增殖以及與之相連的胞狀亞結(jié)構(gòu)形成、表面織構(gòu)形成、表層加工硬化以及恢復(fù)與再結(jié)晶，還有表面層內(nèi)可能發(fā)生相變，甚至產(chǎn)生所謂的“白層”結(jié)構(gòu)等等。（1）摩擦過程中表層相結(jié)構(gòu)的變化1)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2)二次淬火表層溫度超過Ac1，奧氏體將形成，冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定的相，如馬氏體。這種由二次奧氏體轉(zhuǎn)變得來的馬氏體稱為摩擦馬氏體。這種過程稱為二次淬火。如果在冷卻時(shí)，奧氏體不發(fā)生馬氏體相變而保持至室溫，這種奧氏體稱為摩擦奧氏體。摩擦奧氏體的特點(diǎn)是硬度高于原始（殘余）奧氏體的硬度。摩擦表面組織結(jié)構(gòu)的變化摩擦過程中，表層中存133組織結(jié)構(gòu)的變化3)二次回火淬火鋼在摩擦熱的作用下會(huì)發(fā)生二次回火，其回火程度取決于摩擦溫度和時(shí)間等。快速回火組織具有下述的特征：a)馬氏體分解后形成的α相是具有高彌散性與高應(yīng)力狀態(tài)的亞組織，并且具有高的顯微硬度；b)殘余奧氏體分解和碳化物質(zhì)點(diǎn)的聚集受阻；c)原始組織的位向不變。組織結(jié)構(gòu)的變化3)二次回火134組織結(jié)構(gòu)的變化4)碳化物的溶解與析出α＋K→γ→α＋K其中α－－鐵素體或馬氏體；γ－－奧氏體；K－－彌散碳化物。a)固溶體中碳濃度的變化可能使材料局部微區(qū)的耐磨性發(fā)生變化；b)在摩擦?xí)r析出的石墨可起潤(rùn)滑作用。5)再結(jié)晶6)逆變馬氏體組織結(jié)構(gòu)的變化4)碳化物的溶解與析出135（2）白層白層是摩擦表面常見到的一層與基體組織明顯不同的組織形態(tài)，它硬度高、難以腐蝕，在金相顯微鏡和掃描電鏡下呈白亮色，故稱為“白層”或“白亮層”。白層的存在范圍十分廣泛。但是白層產(chǎn)生的條件以及它的相組成和性能到目前為止尚不很清楚。一般認(rèn)為白層主要是由塑性流動(dòng)、急冷急熱、表面反應(yīng)三種作用所致。由于具體的工況不同，上述三種因素的作用效果也有差異，從而白層形態(tài)也有差別。越是活動(dòng)的摩擦副和載荷越大，越容易形成白層。白層出現(xiàn)在擦傷底部，在摩擦表面呈白亮塊狀，在磨屑組織中也曾觀察到白層。白層有兩種形態(tài)，一種是均勻而不易腐蝕的薄白亮層，稱為均勻白層；另一種是白亮層與暗帶相間的帶狀白層。白層厚度都在30～120μm之間。均勻白層的顯微硬度明顯高于帶狀白層，白層硬度高達(dá)Hv1000。（2）白層白層是摩擦表面常見到的一層與基體組織明顯不同的組136白層一般認(rèn)為白層是一種復(fù)雜的多相高彌散組織，其中含有奧氏體、馬氏體和碳化物。迄今為止對(duì)白層提出的各種組織上的推測(cè)是：a)馬氏體或馬氏體為主的組織，這是多數(shù)人的意見；b)主要是奧氏體，原因是塑性變形使奧氏體穩(wěn)定化；c)奧氏體與馬氏體共格存在，即白層是奧氏體與馬氏體偽平衡系統(tǒng)。d)由于同外部介質(zhì)作用，金屬表面被氧、氮富化，或潤(rùn)滑劑中存在有的碳使表面碳化物富集。關(guān)于白層的摩擦學(xué)特性，許多人認(rèn)為，白層的硬度高、粗糙度低，它的形成有助于摩擦系數(shù)的降低和耐磨性的改善。也有資料報(bào)導(dǎo)，雖然白層硬度很高，但對(duì)提高耐磨性并不特別有效，原因是不平衡的白層組織疲勞抗力很低，經(jīng)一定循環(huán)后，白層將會(huì)剝落。白層一般認(rèn)為白層是一種復(fù)雜的多相高彌散組織，其中含1373.摩擦過程中表層成分的變化（1）表面與介質(zhì)的相互作用Fe2O3與Fe3O4膜的摩擦特性最主要的一種是發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物。氧化物的性質(zhì)如硬度、薄厚、膜的成分、與基體的結(jié)合強(qiáng)度等強(qiáng)烈影響著摩擦磨損性能。若形成薄而致密的表面膜（小于幾個(gè)nm），且膜與基體的結(jié)合牢固時(shí)，則摩擦系數(shù)大大降低。3.摩擦過程中表層成分的變化（1）表面與介質(zhì)的相互作用138轉(zhuǎn)移膜鋼盤表面在與鋁銷滑動(dòng)接觸前后的俄歇譜

接觸前

一次十次二十轉(zhuǎn)移膜鋼盤表面在與鋁銷滑動(dòng)接觸前后的俄歇譜接觸前139表面偏聚在摩擦過程中，由于摩擦的熱效應(yīng)以及表層形變?cè)斐傻母鞣N缺陷，使表層附近的擴(kuò)散系數(shù)比基體的要大得多。這些缺陷本身在其周圍造成的畸變，也易于使某些溶質(zhì)原子富集。在摩擦過程中將更容易出現(xiàn)合金元素的表面偏聚，而且偏聚的濃度也可能更大些。Fe-Ni(0.18％Si)合金與工具鋼硅將偏聚于表面，并且形成一個(gè)“玻璃膜”表面偏聚在摩擦過程中，由于摩擦的熱效應(yīng)以及表層140第二節(jié)非金屬材料摩擦一、脆性固體的摩擦

脆性材料（如巖鹽、石英、玻璃和陶瓷等）的性質(zhì)與金屬明顯不同，它們被認(rèn)為是非可延性的，在很小的拉應(yīng)力下它們就可能斷裂和破碎。實(shí)驗(yàn)表明，脆性材料的摩擦，事實(shí)上重復(fù)性很好，重復(fù)的程度與金屬一樣，而且大致符合古典摩擦定律。1.脆性固體的摩擦機(jī)理我們以典型的脆性固體——巖鹽（NaCl）為研究對(duì)象。當(dāng)硬金屬球在巖鹽上滑過時(shí)，表面的損傷表現(xiàn)出兩個(gè)主要特征：第一是表面有微觀碎裂和若干可見裂紋；其次是宏觀的摩擦痕跡與其一般的金屬或其它延性材料的磨痕相似，也就是說表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征。第二節(jié)非金屬材料摩擦一、脆性固體的摩擦脆性材料（141脆性固體鮑登等人在對(duì)巖鹽的摩擦機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，金屬的粘著摩擦理論基本能適用于解釋巖鹽的摩擦，即巖鹽在摩擦過程中也存在粘著現(xiàn)象。但在真空中的實(shí)驗(yàn)得到，對(duì)潔凈的巖鹽來說，摩擦的增加是很小的，這說明巖鹽沒有出現(xiàn)金屬那樣產(chǎn)生大規(guī)模的接點(diǎn)長(zhǎng)大現(xiàn)象。通過對(duì)巖鹽的摩擦研究，并結(jié)合其它一些脆性材料的研究，我們可以得到：脆性材料在摩擦過程中，盡管表面有微小的破碎和裂紋，總的摩擦機(jī)理與金屬很相似，即產(chǎn)生粘著和塑性變化，然而作為潔凈金屬特征的大規(guī)模的接點(diǎn)生長(zhǎng)，在脆性材料中不會(huì)發(fā)生。所以，脆性材料潔凈表面的摩擦系數(shù)一般不會(huì)超過1.0的數(shù)值。

脆性固體鮑登等人在對(duì)巖鹽的摩擦機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)研142玻璃與陶瓷玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特點(diǎn)的材料。從廣泛的意義來說，可以把玻璃及結(jié)構(gòu)陶瓷認(rèn)為是很好控制成分和組織結(jié)構(gòu)的巖石。陶瓷與各種材料的摩擦在工程應(yīng)用上是非常重要的，如在陶瓷的軸承及軸瓦、密封面、滑道、汽車及航天器推進(jìn)系統(tǒng)中的陶瓷元件等的設(shè)計(jì)上都要考慮摩擦的影響。玻璃與陶瓷玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特點(diǎn)的143陶瓷陶瓷主要是由離子鍵和共價(jià)鍵形成的，它們的相溶性很低，自配對(duì)的摩擦系數(shù)比較小。但環(huán)境因素的影響是非常大的。陶瓷的摩擦有兩個(gè)基本的狀態(tài)，一種是發(fā)生嚴(yán)重磨損和表面斷裂的情況，另一種是只有輕微磨損的情況。對(duì)于前者，滑動(dòng)摩擦系數(shù)可達(dá)0.5～0.8，而后者只有0.1～0.3。嚴(yán)重磨損時(shí)，摩擦由于不斷發(fā)生的斷裂和產(chǎn)生硬磨屑而增加。很多陶瓷在干燥情況下都會(huì)促進(jìn)磨損的發(fā)生，因此會(huì)使摩擦提高。在空氣中，隨著滑動(dòng)溫度的增加，表面的水蒸汽要脫附，這會(huì)使摩擦增大。但隨著溫度的進(jìn)一步提高，由于具有潤(rùn)滑作用的氧化膜達(dá)到足夠的厚度，這樣又會(huì)使摩擦下降。許多陶瓷在摩擦?xí)r發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，能獲得非晶態(tài)表面層，它不同于晶體結(jié)構(gòu)的基體，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以減摩、耐磨。陶瓷陶瓷主要是由離子鍵和共價(jià)鍵形成的，它們的相溶性很低，自配144陶瓷材料在摩擦磨損方面的應(yīng)用與金屬材料相比，陶瓷具有強(qiáng)度／重量比高、剛度／彈性模量比大、高溫強(qiáng)度好、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。有些陶瓷，如碳化物、氮化物、硼化物及耐熔金屬的氧化物，都有很高的熔點(diǎn)，顯示出很好的高溫性能。這類材料主要用于苛刻的工作條件，如高溫、高壓和高滑速等。陶瓷性脆，受拉伸、機(jī)械沖擊或熱沖擊時(shí)容易破碎。陶瓷在摩擦磨損方面的應(yīng)用年代較長(zhǎng)，早先用在精密計(jì)時(shí)計(jì)上，后來用作金屬切削刀具、電刷等等。近年國(guó)防及宇航工業(yè)提出的超高溫工作條件，要求開發(fā)新的陶瓷品種及探索表面改性新工藝。上世紀(jì)八十年代絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)研制的浪潮也是陶瓷學(xué)科迅速發(fā)展的一個(gè)重要推動(dòng)因素。陶瓷材料在摩擦磨損方面的應(yīng)用與金屬材料相比，145二、聚合物的摩擦聚合物一般處在玻璃態(tài)、高彈態(tài)或粘流態(tài)。聚合物的摩擦可分為三種類型：(a)玻璃態(tài)或晶態(tài)的摩擦；(b)橡膠態(tài)的摩擦；(c)粘流態(tài)的摩擦。二、聚合物的摩擦聚合物一般處在玻璃態(tài)146摩擦機(jī)理聚合物的基本摩擦機(jī)理與金屬材料是類似的，也就是說微凸體的粘著及犁劃變形是影響聚合物和與之相對(duì)材料之間摩擦的主要因素。但是，金屬的摩擦特性是不同于聚合物的，原因是金屬的摩擦特性屬于彈塑性范疇，而彈性模量和熔點(diǎn)較低的聚合物的摩擦特性屬于粘彈性范疇。因此，聚合物的摩擦特性對(duì)外加載荷、溫度和滑動(dòng)速度更為敏感。另外，當(dāng)聚合物處在高彈態(tài)時(shí)，在摩擦力中增加了一項(xiàng)——遲滯分量。摩擦機(jī)理聚合物的基本摩擦機(jī)理與金屬材料是類似的，也就是說微147聚合物的摩擦特征聚合物產(chǎn)生粘著的原因與金屬是不同的。一般說，聚合物粘著的根源在于表面有三種力存在：一種是靜電力；另一種是范德瓦爾斯力；如果聚合物中有某種極性原子存在，那就還有偶極的相互作用和氫鍵的作用力。聚合物一般是熱的不良導(dǎo)體，在滑動(dòng)過程中，摩擦表層的溫度可升至可觀的程度。聚合物表層由于摩擦熱而熔融的情況很普遍。在這種狀態(tài)下，熔融層的物質(zhì)很容易發(fā)生粘著和轉(zhuǎn)移，這時(shí)的摩擦特性與聚合物的粘流特性有很大關(guān)系，摩擦明顯取決于速度和溫度情況。通過研究還發(fā)現(xiàn)，在聚合物干摩擦?xí)r，粘著點(diǎn)的增長(zhǎng)程度不很明顯，因而簡(jiǎn)單的粘著理論看來比金屬更適合于聚合物。聚合物的犁溝作用方式一般不是采取塑性變形或彈性變形的方式，而是采取粘彈的方式。聚合物的摩擦特征聚合物產(chǎn)生粘著的原因與金屬是不同的。一般說，148溫度關(guān)系聚合物的摩擦與溫度、載荷及速度等有很大關(guān)系，甚至加載時(shí)間都會(huì)對(duì)摩擦產(chǎn)生很大影響。在彈性聚氨酯與鋼的摩擦實(shí)驗(yàn)中得到，隨著加載時(shí)間的增加，聚氨酯的摩擦系數(shù)明顯提高。溫度關(guān)系聚合物的摩擦與溫度、載荷及速度等有很大關(guān)系，甚至加149聚四氟乙烯聚四氟乙烯（PTFE）在工程塑料中占有非常重要的地位，有“塑料王”的美稱。它的用途相當(dāng)廣泛，從普通機(jī)械到有極端苛刻使用條件的尖端裝置上都在使用。聚四氟乙烯的大分子構(gòu)形。它在溫度低于19℃時(shí)呈三棱體形，螺旋形大分子中每13個(gè)碳原子扭轉(zhuǎn)180°，其軸向間距為1.7nm；在高于19℃時(shí)呈六面體形，每15個(gè)碳原子扭轉(zhuǎn)180°，軸向間距為2nm。聚四氟乙烯聚四氟乙烯（PTFE）在工程塑料中占有非常重要的150聚四氟乙烯性能聚四氟乙烯的分子鏈結(jié)構(gòu)形式與聚乙烯(-CH2-CH2-)n的完全一樣，只是用氟原子置換了氫原子，即分子式為(-CF2-CF2-)n。而正是這一點(diǎn)使它具有一些優(yōu)異的性能，特別是具有優(yōu)異的摩擦特性。1)C－C鍵與C－F鍵結(jié)合能大，分子內(nèi)結(jié)合牢固；分子間結(jié)合為范德瓦爾斯力，結(jié)合力弱。所以，相比之下，分子鏈不易斷裂與分解，而大分子易于解脫與滑移。2)聚四氟乙烯大分子鏈上的氟原子較聚乙烯的氫原子大，氟原子帶負(fù)電，負(fù)電荷對(duì)主鏈上碳原子的正電荷起有效的屏蔽作用。氟原子惰性很大，在與其它原子結(jié)合以后極難再與其它元素起化學(xué)作用，而它們?cè)诜肿由系钠帘巫饔檬固兼湶皇芤话慊顫姺肿拥那忠u。聚四氟乙烯大分子上具有對(duì)稱的氟原子，電性中和，大分子不帶極性，因而具有優(yōu)良的介電性能。聚四氟乙烯性能聚四氟乙烯的分子鏈結(jié)構(gòu)形式與聚乙烯(-CH2-151聚四氟乙烯特性3)相鄰大分子的氟原子的負(fù)電荷有相斥作用