第一章-摩擦學基礎知識(摩擦表面)課件

第一章摩擦學基礎知識

11摩擦表面1.表面形貌組成：

固體表面的微觀幾何形狀，即形狀公差、波紋度和表面粗糙度統(tǒng)稱為表面形貌。1摩擦表面2（1）表面形狀誤差：

實際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差，是一種連續(xù)而不重復的形狀偏差。它是機床-工件-刀具系統(tǒng)的誤差和彈性變形等造成，如機床和刀具精度不夠、不正確的加工規(guī)范或溫度應力等。表面形狀誤差的數(shù)值由最大偏差表示，國家標準GB1182～1184-80規(guī)定了形狀和位置公差。（1）表面形狀誤差：3（2）表面波紋度：

表面周期性重復出現(xiàn)的幾何形狀誤差，是有規(guī)律、周期性、峰和谷的大小幾乎相等的表面宏觀誤差。是由機床-工件-刀具系統(tǒng)的振動和機床傳動件的缺陷引起的。它的存在對摩擦磨損是有害的，減少配合件的實際接觸面積，導致真實接觸表面壓強增加，加快零件的磨損。

波高h：波峰與波谷之距離。波距s：相鄰波形對應點距離。（2）表面波紋度：4（3）表面粗糙度(surfaceroughness)：是固體表面的基本形貌，又稱表面微觀粗糙度，波距小，約2~800μm，波高較低0.03~400μm，屬表面微觀幾何形狀誤差。主要與切削加工方法、刀具的運動軌跡、磨損及工藝系統(tǒng)的高頻振動有關。GB1031-83規(guī)定了表面粗糙度的參數(shù)和數(shù)值。工程上通常采用表面粗糙度表征表面的形貌參數(shù)。（3）表面粗糙度(surfaceroughness)：是固5表面粗糙度的特征：1.變化規(guī)律：呈現(xiàn)某種規(guī)律性變化或為無規(guī)律的隨機變化特征。如車削、鉆孔或刨削等工藝加工的表面微凹凸體分布往往具有一定的規(guī)律和方向性；磨削、研磨或拋光等精加工表面則為無規(guī)律的隨機分布特征。2.與摩擦磨損關系密切：表面粗糙度的特征對接觸表面的壓力分布、接觸變形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力和摩擦成因等有決定性的影響。表面粗糙度的特征：6

2.表面粗糙度的評定參數(shù)

z為輪廓上各點的高度，m-m為輪廓中線，L為取樣長度，h為峰或谷距任一平行于中線的基線距離。（1）輪廓算術平均偏差Ra(Arithmeticaverageroughness)輪廓上各點高度在測量長度范圍內的算術平均值，數(shù)學表達式：

2.表面粗糙度的評定參數(shù)

z為輪廓上各點的高度，m7

概率統(tǒng)計表達式：zi以中線為起點度量出的輪廓高度；

n標準長度內測量的次數(shù)；

?(x)輪廓圖形的分布函數(shù)。算術平均偏差Ra反映了取樣長度范圍內輪廓隨機分布高度偏離概率分布中心的絕對平均情況，不能真實反映出表面輪廓的離散性和波動性，但由于其定義與測量儀表讀數(shù)設計原理一致，作為衡量表面粗糙度的主要參數(shù)，被廣泛采用。

8（2）輪廓均方根偏差Rq：輪廓圖形上各點和中線之間距離平方和平均值的平方根。均方根偏差比算術平均偏差優(yōu)越，在理論上普遍采用。（3）微觀不平度十點平均高度Rz：在取樣長度范圍內以平行輪廓中線的任一條直線為基準，測量輪廓上五點最高的凸峰和五點最低的凹谷之間的算術平均距離，hpi第i個最高的輪廓峰高，hvi第i個最低的輪廓峰高。這一參數(shù)對表面輪廓的評定，在測量時易受人為因素的影響，不能穩(wěn)定反映出表面的幾何特征。（2）輪廓均方根偏差Rq：輪廓圖形上各點和中線之間距離平方9(4)中線截距平均值Sm：取樣長度范圍內，表面輪廓曲線與中線交點各波形之間距離的算術平均值。該參數(shù)反應了表面不規(guī)則起伏的波長或間距以及粗糙峰的疏密程度。(4)中線截距平均值Sm：取樣長度范圍內，表面輪廓曲10（5）支承面曲線：即能表示粗糙表面的微凸體高度分布，也能反映摩擦表面磨損到一定程度時支承面積的大小。主要用于計算實際接觸面積，一般用二維作圖法求支承面曲線。（5）支承面曲線：即能表示粗糙表面的微凸體高度分布，也能反映11（1）以通過最高峰頂點的直線為零位線，在標準長度L的輪廓曲線上，作與中線平行的一系列直線，如h1、h2、h3…..（2）將各平行線截取輪廓圖形中微凸體的長度相加，畫在輪廓圖右側，直到輪廓圖形的最低點為止，連接圖中各點，即得到支承面曲線。（3）描述參數(shù)（GB3505-83)：相對支承長度率：

支承面積：

Ax離峰頂h處面積

Ao離峰頂最大高度面積（1）以通過最高峰頂點的直線為零位線，在標準長度L的輪廓曲線12（4）按支承面積的大小將輪廓圖形分三個高度層：支承面積小于25%的部分稱為波峰，為最高層；在25%~75%之間部分稱為波中，為中間層；大于75%部分為波谷，最低層。（5）評定摩擦表面的接觸和表面磨合:(a)圖中，支撐面曲線在微凸體頂部處的斜率較大，曲線較陡，這種表面組成的摩擦副，接觸面積小，耐磨性差。(b)圖中的支撐面曲線在微凸體頂部處的斜率較小，曲線較平緩，這種表面組成的摩擦副，接觸面積較大，耐磨性能較好。（4）按支承面積的大小將輪廓圖形分三個高度層：支承面積小于2133表面形貌統(tǒng)計學特性

切削加工的金屬表面形貌包含了周期變化和隨即變化兩個部分，單一形貌參數(shù)不能夠描述復雜的表面形貌，采用形貌統(tǒng)計參數(shù)能反映更多的表面形貌信息。（1).輪廓高度分布函數(shù)：切削加工表面的輪廓高度接近于正態(tài)分布（Gauss分布）：σ為粗糙度的均方值，正態(tài)分布中稱標準偏差，σ2為方差。相關參數(shù)定義為：3表面形貌統(tǒng)計學特性14(2).分布曲線的數(shù)字特征(矩）：（1）一次矩算術平均值：確定中線位置。（2）二次矩-均方偏差：衡量高度分布的離散性。(2).分布曲線的數(shù)字特征(矩）：15（3）三次矩-偏態(tài)S：分布曲線偏離對稱位置的指標，正態(tài)分布曲線S=0，非正態(tài)分布可正可負。（4）四次矩-峰態(tài)K：分布曲線的陡峭度。正態(tài)K=3，K<3概率分散，表面凸峰較平緩。K>3概率集中，凸峰較尖銳。（3）三次矩-偏態(tài)S：分布曲線偏離對稱位置的指標，正態(tài)分布16(3).自相關函數(shù)R(l)：

反映了相鄰輪廓的關系和輪廓曲線的變化趨勢。對于任一條輪廓曲線，自相關函數(shù)是各點的輪廓高度與該點相距一定間隔處的輪廓高度乘積的數(shù)學期望，即

離散函數(shù)：測量長度內測量點n，高度值xi，則

連續(xù)函數(shù)的輪廓曲線為積分形式：(3).自相關函數(shù)R(l)：174表面形貌的測量1.光學法：光學顯微鏡，適用于測量較規(guī)則表面的Sm值。包括光切法和干涉法。2.電子顯微鏡：適用于評定不均勻表面的粗糙度。3.截面法：直接將輪廓表面切開進行表面幾何形狀的觀察。4表面形貌的測量184.流量法：當流體從測量儀器與被測表面之間的縫隙流過時，如果控制流體壓力并測出一定量流體經過縫隙的時間，根據流體力學原理，就可以推算出表面的當量粗糙度。根據表面粗糙度的程度不同，使用的流體有氣體和液體兩種。5.針描法：利用儀器的觸針與被測表面相接觸，并使觸針等速的沿表面輪廓移動以描述出輪廓的圖形。最常使用的是表面輪廓儀。4.流量法：195.表面化學性質：

金屬零件在加工過程中，表面材料發(fā)生變形，位錯密度增加，具有較高的能量,表面原子處于不飽和或非穩(wěn)定態(tài)，空氣中的氣體分子或潤滑油分子與金屬表面發(fā)生作用，形成吸附層。這種吸附層隔開了相對運動的表面，減少了表面直接接觸，起到減小摩擦、減輕磨損的作用。5.表面化學性質：20（1）物理吸附：當氣體或液體與金屬表面接觸時，分子或原子相互吸引而產生的吸附。物理吸附是靠范德華力，吸附能較弱，小于104J/mol。對溫度敏感，吸附層薄，熱量可使分子脫吸。（2）化學吸附：吸附物與固體表面之間發(fā)生電子交換或存在共用電子對，形成化學鍵結合。吸附膜牢固，吸附能大，超過104J/mol。由于化學鍵力的作用范圍多在單分子層，化學吸附基本為單分子層。其減磨作用好于物理吸附層。（1）物理吸附：當氣體或液體與金屬表面接觸時，分子或原子相互21（3）氧化：

加工后的金屬表面化學活性大，容易氧化生成氧化膜，如鐵表面的氧化膜從基體內層到外層的氧化物依次為：

FeO-Fe3O4-Fe2O3

**氧化膜對表面的保護作用取決于氧化膜的結構和厚度。

（3）氧化：22較薄的氧化膜結合強度高，能阻止黏著。

FeO和Fe3O4的保護作用較好，F(xiàn)e2O3脆性大易被磨掉成磨粒，加劇磨損。鐵氧化形成氧化膜較薄的氧化膜結合強度高，能阻止黏著。FeO和Fe3O4236.金屬表層的組成:加工后的表面金屬表面組成是復雜的，微觀是凹凸不平的微凸體，而且與環(huán)境介質發(fā)生相互作用。大致分為5個部分。污染層：油污、灰塵吸附層：液體、氣體氧化層：大氣中氧

金屬表面組成6.金屬表層的組成:金屬表面組成24貝氏層：加工中表面熔化和表面分子層流動產生的微晶層。變形層：機加工過程中形成的變質層。金屬表面組成貝氏層：加工中表面熔化和表面分子層流金屬表面組成25第一章-摩擦學基礎知識(摩擦表面)ppt課件26吸附膜：表面的潔凈程度較高時，極易將周圍介質的分子吸附到表面上形成吸附膜。

物理吸附膜：如果是靠范德華力鍵合在表面上的稱物理吸附膜。吸附的量是吸附物的分壓（當吸附分子為氣體時）或吸附物濃度（當吸附物為液體）和絕對溫度的函數(shù)。ns=f（p,T）ns=f（c,T）式中：ns為吸附量；p為吸附氣體分壓；c為吸附液體濃度；T為絕對溫度。吸附熱值低，可逆，單層或多層分子，可在任何表面形成7.表面膜吸附膜：表面的潔凈程度較高時，極易將周圍介質的分子吸附到表面27化學吸附膜：吸附分子與固體表面發(fā)生電子交換時（即改變了吸附層分子的電子分布），吸附分子與固體表面的作用是化學鍵結合，稱化學吸附膜。吸附熱值高，單分子層，有一定選擇性。反應膜：極壓添加劑（EP劑），S，P，Cl等極性有機化合物。復合添加劑

表面氧化膜化學吸附膜：吸附分子與固體表面發(fā)生電子交換時（即改變了吸附層281.接觸的本質：兩個粗糙表面在載荷作用下相互接觸時，最先是兩表面上一些較高的微凸體發(fā)生接觸，這些不連續(xù)的微小接觸點的變形構成了真實的接觸面積。隨著載荷的的增加，其它次高微凸體也逐漸發(fā)生接觸。2.接觸表面的相互作用：（1）分子相互作用，即粘著:接觸只在少數(shù)較高微凸體上產生，實際接觸面積很小，接觸點上的應力很大，在接觸點處發(fā)生塑性流動、粘著或冷焊。金屬間的焊合性能將摩擦副分3類：完全焊合(Pb-Cu,Al-Cu)、部分焊合(Zn-Fe,Al-Fe)和有限焊合(Mg-Fe,Ag-Fe)摩擦副。(2)機械相互作用：材料不發(fā)生粘著而是產生一定的變形和位移以適應相對運動。8固體表面的接觸1.接觸的本質：兩個粗糙表面在載荷作用下相互接觸時，最先是兩293.接觸面積名義接觸面積An：接觸表面的宏觀面積，由接觸物體的外部尺寸決定。3.接觸面積30(2)輪廓接觸面積Ap：接觸表面被壓扁部分形成的面積，即在波紋度的波峰上形成的接觸面積。是一種假設接觸面積，大小與載荷和表面幾何形狀有關，約占名義接觸面積的5~15%。(2)輪廓接觸面積Ap：31(3)實際接觸面積Ar：物體真實接觸面積的總和，兩接觸物體通過表面微凸體直接傳遞界面相互作用，發(fā)生變形而產生的微接觸面積之和。為名義接觸面積的0.01~0.1%，黑點表示的接觸面積。(3)實際接觸面積Ar：32實際接觸面積的部分特性：（1）由于表面粗糙度具有離散性，其接觸也同樣具有離散性。（2）實際接觸點是由塑性變形和彈性變形共同作用的結果。（3）實際接觸面積隨載荷的增大而增大，接觸點處的平均面積幾乎保持不變。（4）實際接觸面積的增加主要是由于接觸點數(shù)的增加。實際接觸面積的部分特性：33**對于塑性接觸狀態(tài)，實際接觸面積與載荷成正比。**通常認為實際接觸面積與載荷保持線性關系，從理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性狀態(tài)這一關系才成立，而彈性接觸為非線性關系。原因在于理想粗糙表面模型過于簡化。**對于塑性接觸狀態(tài)，實際接觸面積與載荷成正比。34（4）實際粗糙表面的接觸實際表面的粗糙峰高度是按概率密度函數(shù)分布的，接觸的峰點數(shù)應根據