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1、2023/3/10,1/39,摩擦与磨损,第三章 摩擦（2）,2023/3/10,2/39,3.3.4 粘着理论,1.简单的粘着理论 零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属表面相互受载接触时，仅在少数微凸体的顶端发生接触。开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很大，产生塑性变形，使接触面积增加。同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承其载荷为止。这时，金属表面塑性接触处会出现牢固的粘着。,2023/3/10,3/39,牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即纯净金属直接接触的情况。,2023/3/10,4/3
2、9,图3-11 两表面摩擦示意图,2023/3/10,5/39,简单粘着理论基本要点（Bowden，1945）,1)摩擦表面处于塑性接触状态 实际接触面积只占表观接触面积的很小部分,在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服极限s而产生塑性变形。此后,接触点的应力不再改变,只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的载荷。,图3-12 表面接触状况,2023/3/10,6/39,2)滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程接触点的金属处于塑性流动状态,在摩擦中接触点还会产生瞬时高温,使两金属产生粘着。随后在摩擦力作用下,粘着结点被剪切产生滑动。滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过程。当滑动速度增加
3、时,粘着时间和摩擦系数的变化幅度都减小,摩擦系数和滑动过程趋于平稳。,图3-13钢对钢滑动摩擦的跃动过程,2023/3/10,7/39,3)摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中,假设粗糙峰的形状为半圆柱体。接触面积由两部分组成：1、圆柱面：是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。2、端面：是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材料。,图3-14 粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型,2023/3/10,8/39,摩擦力F 的组成为：F=T+Pe=Ab+SpeT为剪切力,T=Ab，A为实际接触面积，b为粘着结点的剪切强度；Pe为犁沟力,Pe=Spe，
4、S为犁沟面积，pe为单位面积的犁沟力。金属摩擦副，Pe值远小于T，所以粘着理论认为粘着效应是产生摩擦力的主要原因，因此忽略犁沟效应。则：F=A b,2023/3/10,9/39,简单粘着理论的不足,不足：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大的差异。原因：忽略了粘着点滑动时接触面积的增加和微凸体塑性变形引起加工硬化的影响。如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为0.2，事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达0.5，在真空中更高。因此，鲍登（Bowden）提出了修正的粘着理论。,2023/3/10,10/39,2.修正的粘着理论(1)粘着点的增长 在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简单的圆形
5、；慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接触面积比滑动前约增加2-3倍。,2023/3/10,11/39,（2）摩擦表面加工硬化的影响 由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不一定沿接触面剪断。粘着点材料加工硬化使切应力增大，即摩擦系数增大；但切应力增大的同时，材料屈服极限也增大。故加工硬化对摩擦系数的影响不如对接触面积增长的影响大。,2023/3/10,12/39,3.金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论 粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。在正常大气中金属表面被氧化膜或其他污染膜覆盖。这种摩擦实际上是氧化膜的
6、摩擦。,2023/3/10,13/39,从摩擦磨损的观点看，金属表面氧化膜、其他吸附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的。原因：界面膜的临界切应力比金属粘着点的小，当所作用的切向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时，界面层被剪断，开始滑动。摩擦力较小。滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向增长较小，即摩擦力较小。研究表明，只要界面有少许薄膜存在，就会大大削弱界面的连接强度，摩擦系数急剧下降。,2023/3/10,14/39,4.金属覆膜
7、及减摩特性 摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到各种各样的耐磨表面覆层。粘着摩擦理论认为：摩擦力等于实际接触面积与金属临界切应力的乘积。要减小摩擦力，只有减少实际接触面积或金属临界切应力。这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低的临界剪切强度。实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往具有高的临界剪切强度。,2023/3/10,15/39,措施,根据粘着摩擦的基本原理，可在硬金属基体上涂敷一层软材料。如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度；摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属基体承受。这样，即使在重
8、载作用下，接触面积也几乎不变，因而摩擦力小，摩擦系数低。现代机器轴承等一般采用这种结构。,2023/3/10,16/39,有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、铅、二硫化钼、石墨等。高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化的温度，否则摩擦也会增加。,2023/3/10,17/39,软金属薄膜厚度的影响,软金属膜很厚或很薄，都有可能使摩擦特性发生变化。膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；膜厚减小到某临界值后，摩擦系数也会急剧
9、增大。,图3 16 铟膜厚度与摩擦系数的关系曲线,2023/3/10,18/39,5.“犁沟”效应,犁沟定义：是由于硬金属表面上的微凸体楔入软金属后，使之产生塑性流动并犁出的沟槽。此外，硬颗粒（磨屑或外来物）楔入软表面也可能在硬表面犁出沟槽。犁沟的方向与相对运动方向平行。,2023/3/10,19/39,犁沟,2023/3/10,20/39,犁沟的作用：犁沟作用是摩擦的一部分。总摩擦阻力由粘着剪切力和犁沟力两项组成。一般情况下，犁沟力项可忽略不计，而只考虑粘着剪切力项。当两摩擦表面硬度差比较大，且硬表面比较粗糙时，犁沟力项不能忽略。在磨粒磨损中，犁沟力是摩擦力的主要部分。如，研磨加工和锉刀锉削
10、。在粘着剪切力项很小、界面膜剪切强度低的良好润滑情况下，犁沟作用更是摩擦的主要的组成部分。,2023/3/10,21/39,2023/3/10,22/39,图3-19 一圆锥体在软金属上滑动的示意图,假设硬金属表面的粗糙峰由许多半角为的圆锥体组成，在法向载荷作用下,硬峰嵌入软金属的深度为h，滑动摩擦时,只有圆锥体的前沿面与软金属接触。,在水平面上的投影面积：A1=d2/8；在垂直面上的投影面积：A2=dh/2。,圆锥体接触表面：,2023/3/10,23/39,如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限为s,于是法向载荷W和犁沟力Pe分别为：,由犁沟效应产生的摩擦系数为：,2023/3/10,
11、24/39,当=60时,f=0.32;而=30时,f=1.1。对于大多数切削加工的表面,粗糙峰的角较大,f值甚小,所以通常可以忽略犁沟效应。当粗糙峰的角较小时,犁沟项不可忽视。,2023/3/10,25/39,认为实际接触面积只占名义接触面积的极小部分。揭示了接触峰点的塑性流动和瞬时高温对形成粘着结点的作用。完善地解释了许多滑动摩擦现象，如:表面膜的减摩作用、滑动摩擦中的跃动现象，以及胶合磨损机理等。得出的磨损中材料迁转现象也已经由示踪放射技术验证。,粘着理论的积极意义,2023/3/10,26/39,过分地简化了摩擦中的复杂现象，因而存在一些不完善之处。如：实际的摩擦接触表面处于弹塑性变形状
12、态，因而摩擦系数随法向载荷而变化。又如：接触点的瞬时高温并不是滑动摩擦的必然现象,也不是形成粘着结点的必要条件。虽然接触点在塑性变形时形成粘着，但对于极软或极光滑的表面，在不大的法向载荷作用下也发生粘着现象。前边分析认为犁沟阻力Pe与剪切阻力T无关，事实上两者都是反映金属流动能力的指标。而材料的b和s 都与表面层的应力状态和接触几何有关，因此都不是固定的数值。,粘着理论的局限性,2023/3/10,27/39,3.3.5 其他摩擦理论,1.摩擦的综合能量平衡理论摩擦过程中，输入的能量总是大于输出的能量，损失的能量即相当于摩擦过程中力学、物理和化学变化所消耗的能量总和。主要能量都消耗在表层的塑性
13、变形过程中。另一部分消耗在磨损过程中，即形成新表面以及裂纹的形成与扩展所消耗的断裂能量。后者只有在严重磨损过程中，特别是脆性材料磨损过程中才占较大比例。,2023/3/10,28/39,2.摩擦的起因新见解 粘着学说存在的问题：用粘着理论预计的数据比试验数据偏大。当试验在惰性气氛下进行时，粘着理论预计的结果更差。根据滑动表面相溶性理论，无法解释化学溶解度差别很小时摩擦状态变化很大的原因。摩擦状态与时间有关这一性质过去被忽视了。,2023/3/10,29/39,材料的摩擦力是由于微凸体变形、磨屑犁沟与粘着三者作用的结果。摩擦系数不是己知材料的属性。它取决于摩擦表面的力学性能和环境因素。,新见解,
14、2023/3/10,30/39,摩擦状态随时间可分为6个阶段：阶段1：摩擦早期，摩擦系数受微凸体在表面犁沟影响。因表面被污染，粘着在这个阶段不起重要作用。影响摩擦系数的微凸体的变形这时也并不发生。这时表面易被抛光及产生新的微凸体。摩擦系数在0.1-0.2范围内，基本上与材料组合、表面条件和环境条件无关。,2023/3/10,31/39,阶段2：粘着增加，摩擦力缓慢上升；如果界面有润滑，则阶段1可延续较长时间而阶段 2不再出现。如果微凸体变形与断裂所产生的磨屑滞留在滑动表面之间并犁削表面，则摩擦力随时间上升得比较快。阶段3：留在滑动表面之间的磨屑在数量上增加得很快，摩擦力随时间也很快上升。当 然
15、，洁净的界面区域内，由于粘着的增加，也会使摩擦力随时间上升。,2023/3/10,32/39,阶段4：滞留在界面间的磨屑保持为常数，粘着对摩擦的影响也不变。由于剥落出现新的粗糙表面，其微凸体的变形仍起重要作用。大多数情况下，微凸体变形对摩擦的影响不如犁沟的影响大。当两相同金属相对滑动，或造成阶段5的机理还未起决定作用时，阶段4的摩擦系数是稳态的。,2023/3/10,33/39,阶段5：在某些情况下，如，相对静止的表面很硬，硬表面的微凸体会逐渐被除去而出现镜面，磨屑不能在抛光了的硬表面上滞留，使犁沟作用减弱，加上微凸体变形的减少，摩擦力下降。阶段6：当硬表面大范围变得镜面般光滑时，较软表面也成
16、同样的镜面，摩擦系数维持一定大小不变。但由于磨屑脱落时形成的坑洞，硬表面仍然粗糙而不发生抛光现象，致使阶段5及阶段6不能出现。,2023/3/10,34/39,3.3.6 摩擦振动（粘滑运动）,在静摩擦力大于动摩擦力的情况下，摩擦副的运动有可能成为间歇运动而不是平衡运动，即发生摩擦振动，所谓粘-滑运动。低速运动时，这种现象最为普遍。危害：产生噪声；造成严重磨损，破坏配合尺寸。如：机床的工作台、溜板箱的运动出现时快时慢的现象（称为爬行），就是摩擦振动。,2023/3/10,35/39,1.减小和消除摩擦振动的方法 选择静摩擦系数和动摩擦系数相差很小的摩擦材料；减小摩擦力，使其随速度的变化变得无关
17、紧要。如采用流体静压轴承、涂敷低摩擦材料或采用滚动轴承等；选择能防爬行的润滑油。如在导轨油中，加入硫化鲸鱼油或2.2%硬脂酸硫化棉籽油，其静摩擦系数和动摩擦系数差分别为0.018和接近于零；增大系统传动的阻尼作用或采用速度反馈装置；设计和选择刚度大的传动系统，以避免在载荷作用下变形过大和增加系统的固有频率。,2023/3/10,36/39,2.纳米材料在控制摩擦噪声中的作用 摩擦会引发高频自激振动，是产生摩擦噪声的主要因素。如机车、汽车等刹车时，发出的尖叫声可高达90-110 dB。摩擦噪声对人体健康有很大影响，有必要进行控制。随着纳米摩擦学的发展，利用纳米技术可以有效地减少摩擦，从声源上控制
18、与减少噪声产生。,2023/3/10,37/39,纳米材料具有比表面积大、高扩散性、易烧结性、熔点低等特性。以纳米材料为基础制备的新型润滑材料，其减摩抗磨作用与传统添加剂不同，能在物体表面形成永久性的固态膜，具有极好的润滑作用。不仅能减少摩擦、降低机器设备运转所产生的噪声；还可以对摩擦表面进行一定程度的填补和修复，起到抗磨作用。,2023/3/10,38/39,加纳米铅粉的润滑油有优良的抗磨性能。加纳米铜粉能提高润滑油的极压性能。纳米金属粉加入基础油后，金属粉沉积于摩擦表面，使表面接触区的摩擦磨损机理发生变化，作用机理与传统添加剂不完全一样。纳米金属粉改善润滑油减摩抗磨性能的机理有待进一步研究。,最新研究结果,2023/3/10,39/39,谢谢！,
