摩擦磨損原理固體表面特性

1、摩擦磨損原理固體表面特性 摩擦磨損原理固體表面特性 物質(zhì)不是無限的，在晶體中原子或分子的周期性物質(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體氣體（或真空）、固體液體的界面稱為固體的 表面。表面。 很多物理化學(xué)過程：催化、腐蝕、摩擦和電很多物理化學(xué)過程：催化、腐蝕、摩擦和電 子發(fā)射等都發(fā)生在子發(fā)射等都發(fā)生在“表面表面”，可見其重要性。，可見其重要性。 摩擦磨損原理固體表面特性 1

2、潔凈的固體表面潔凈的固體表面 通常，金屬在固態(tài)下都是晶體，通常，金屬在固態(tài)下都是晶體， 其原子均為有規(guī)則的周期性重其原子均為有規(guī)則的周期性重 復(fù)排列、晶體結(jié)構(gòu)是指組成晶復(fù)排列、晶體結(jié)構(gòu)是指組成晶 體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)( (分子、原子、離分子、原子、離 子、原子集團(tuán)子、原子集團(tuán)) )依靠一定的結(jié)合依靠一定的結(jié)合 鍵在三維空間做有規(guī)律的周期鍵在三維空間做有規(guī)律的周期 性重復(fù)排列的方式。性重復(fù)排列的方式。 金屬元素中，約有百分之九十金屬元素中，約有百分之九十 以上的金屬屬于以上的金屬屬于FCCFCC、BCCBCC、HCP HCP 3 3種晶體結(jié)構(gòu)種晶體結(jié)構(gòu). . 原子有規(guī)則的周期性原子有規(guī)則的周

3、期性 重復(fù)排列重復(fù)排列 摩擦磨損原理固體表面特性 （1）面心立方晶胞(fcc) 面心立方的晶胞面心立方的晶胞: 在在8個(gè)頂角各有個(gè)頂角各有1個(gè)原子，在立方體每一面?zhèn)€原子，在立方體每一面 中心還各有中心還各有1個(gè)原子。金屬鋼、銀、金、鋁、鎳、鉛、銠、個(gè)原子。金屬鋼、銀、金、鋁、鎳、鉛、銠、 鐵、鐵、鈷、鈷、錳等，均為面心立方結(jié)構(gòu)。錳等，均為面心立方結(jié)構(gòu)。 每每1 1個(gè)原子周圍與其等距個(gè)原子周圍與其等距 離的最近鄰的原子數(shù)目叫離的最近鄰的原子數(shù)目叫 配位數(shù)配位數(shù)(CN)(CN)。它是描述原。它是描述原 子排列緊密程度的參量，子排列緊密程度的參量， 配位數(shù)越高，原子排列越配位數(shù)越高，原子排列越 緊密

4、，面心立方晶胞的配緊密，面心立方晶胞的配 位數(shù)為位數(shù)為1212。 面心立方晶胞面心立方晶胞 摩擦磨損原理固體表面特性 （2 2）體心立方晶胞）體心立方晶胞(bcc) (bcc) 體心立方晶胞體心立方晶胞: : 在在8 8個(gè)頂角各有個(gè)頂角各有1 1個(gè)原子，在其立方體的個(gè)原子，在其立方體的 中心還有一個(gè)原子。顯然，每一個(gè)原子周圍有中心還有一個(gè)原子。顯然，每一個(gè)原子周圍有8 8個(gè)最近鄰個(gè)最近鄰 原子，因此，配位數(shù)為原子，因此，配位數(shù)為8 8。屬于這種結(jié)構(gòu)的；金屬有釩、。屬于這種結(jié)構(gòu)的；金屬有釩、 鈮、鉭、鉬、鉻、鋇、鈮、鉭、鉬、鉻、鋇、鈦、鈦、鐵、鐵、鐵、鐵、鎢等。鎢等。 體心立方晶胞體心立方晶胞

5、摩擦磨損原理固體表面特性 （3 3）密排六方晶胞）密排六方晶胞(hcp) (hcp) 密排六方晶胞密排六方晶胞: : 六棱柱體的各角有一個(gè)原子，在其上、六棱柱體的各角有一個(gè)原子，在其上、 下面中心還各有一個(gè)原子，此外在兩面的中間還有三個(gè)原下面中心還各有一個(gè)原子，此外在兩面的中間還有三個(gè)原 子。配位數(shù)為子。配位數(shù)為1212。屬于這類結(jié)構(gòu)的金屬有鎂、鋅、鎘、鋯、。屬于這類結(jié)構(gòu)的金屬有鎂、鋅、鎘、鋯、 鈹、鈹、鈦、鈦、鈷等。鈷等。 密排六方晶胞密排六方晶胞 摩擦磨損原理固體表面特性 3 3種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)特征種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)特征 以上所述都是理想晶體的結(jié)構(gòu)，即把金屬晶體中的原子排列以上所述都是理

6、想晶體的結(jié)構(gòu)，即把金屬晶體中的原子排列 看作是規(guī)則的、完整的，而且每個(gè)原子都是在陣點(diǎn)上靜止不動(dòng)看作是規(guī)則的、完整的，而且每個(gè)原子都是在陣點(diǎn)上靜止不動(dòng) 的。然而，實(shí)際上金屬晶體由于原子熱振動(dòng)，以及受到溫度、的。然而，實(shí)際上金屬晶體由于原子熱振動(dòng)，以及受到溫度、 輻射、壓力加工等各種外界條件影響，在原子規(guī)則排列區(qū)中常輻射、壓力加工等各種外界條件影響，在原子規(guī)則排列區(qū)中常 出現(xiàn)原子排列的不規(guī)則區(qū)，這些不規(guī)則區(qū)稱為出現(xiàn)原子排列的不規(guī)則區(qū)，這些不規(guī)則區(qū)稱為“晶體缺陷晶體缺陷”。 摩擦磨損原理固體表面特性 金屬表面就是金屬晶體與周圍介質(zhì)的界面。圖為理想金屬金屬表面就是金屬晶體與周圍介質(zhì)的界面。圖為理想金屬

7、 晶體表面原子的排列情況。表面原子晶體表面原子的排列情況。表面原子M M的配位數(shù)為的配位數(shù)為5 5。而基。而基 體中的任一個(gè)原子的配位數(shù)為體中的任一個(gè)原子的配位數(shù)為6 6。由此可知，表面原子的配。由此可知，表面原子的配 位數(shù)比基體中的配位數(shù)少，表面原子少了在表面上層原子位數(shù)比基體中的配位數(shù)少，表面原子少了在表面上層原子 對它的約束，這將使表面原子處于高能狀態(tài)。對它的約束，這將使表面原子處于高能狀態(tài)。 晶體表面的原子晶體表面的原子 摩擦磨損原理固體表面特性 面心立方表面原子的配位數(shù)（面心立方表面原子的配位數(shù)（FCCFCC） 晶體表面原子的配位數(shù)與晶體的位向有關(guān)，面心立方晶體晶體表面原子的配位數(shù)與

8、晶體的位向有關(guān)，面心立方晶體 不同位向表面，原子的配位數(shù)見表。不同位向表面，原子的配位數(shù)見表。 晶體表面原子不僅能量較高，而且還存在著許多缺陷。晶體表面原子不僅能量較高，而且還存在著許多缺陷。 這些缺陷不是靜止、穩(wěn)定不變的，而是隨著條件的改變而這些缺陷不是靜止、穩(wěn)定不變的，而是隨著條件的改變而 不斷變化和交互作用的。它們對晶體表面的機(jī)械性能、物不斷變化和交互作用的。它們對晶體表面的機(jī)械性能、物 理性能和化學(xué)性能有很大的影響。理性能和化學(xué)性能有很大的影響。 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 摩擦磨損原理固體表面特性 晶體表面缺陷

9、晶體表面缺陷 按幾何特征，晶按幾何特征，晶 體缺陷主要有以體缺陷主要有以 下下3 3類：類： （1 1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷 （2 2）線缺陷）線缺陷 （3 3）面缺陷）面缺陷 摩擦磨損原理固體表面特性 v點(diǎn)缺陷 在三維方向上尺寸都很小的缺陷稱為點(diǎn)在三維方向上尺寸都很小的缺陷稱為點(diǎn) 缺陷，如空位、間隙原子和置換原子等。缺陷，如空位、間隙原子和置換原子等。 晶體中原子在其平衡位置上作高頻率的熱振動(dòng)，振動(dòng)能量晶體中原子在其平衡位置上作高頻率的熱振動(dòng)，振動(dòng)能量 經(jīng)常變化，此起彼伏，稱為能量起伏。在一定溫度下，部分經(jīng)常變化，此起彼伏，稱為能量起伏。在一定溫度下，部分 具有超額能量的原子有可能克服周圍原子對它

10、的束縛，而離具有超額能量的原子有可能克服周圍原子對它的束縛，而離 開原來的平衡位置，于是在陣點(diǎn)上產(chǎn)生空位。開原來的平衡位置，于是在陣點(diǎn)上產(chǎn)生空位。 即使在極純的金屬中，也總會(huì)存在一定量的雜質(zhì)原子。雜即使在極純的金屬中，也總會(huì)存在一定量的雜質(zhì)原子。雜 質(zhì)原子使周圍的晶體發(fā)生畸變，明顯地影響晶體的性質(zhì)。質(zhì)原子使周圍的晶體發(fā)生畸變，明顯地影響晶體的性質(zhì)。 點(diǎn)缺陷的存在對金屬的物理和機(jī)械性能，以及熱處理性能點(diǎn)缺陷的存在對金屬的物理和機(jī)械性能，以及熱處理性能 都有較大的影響。產(chǎn)生一個(gè)空位引起的體積膨脹約為都有較大的影響。產(chǎn)生一個(gè)空位引起的體積膨脹約為0.50.5個(gè)個(gè) 原子體積；產(chǎn)生一個(gè)間隙原子引起的體積

11、膨脹相當(dāng)于一個(gè)原原子體積；產(chǎn)生一個(gè)間隙原子引起的體積膨脹相當(dāng)于一個(gè)原 子體積。子體積。 摩擦磨損原理固體表面特性 v線缺陷 最基本的位錯(cuò)類型有兩類：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。若同最基本的位錯(cuò)類型有兩類：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。若同 時(shí)既包含刃型位錯(cuò)又包含螺型位錯(cuò)，則稱為混合位錯(cuò)。時(shí)既包含刃型位錯(cuò)又包含螺型位錯(cuò)，則稱為混合位錯(cuò)。 位錯(cuò)可視為晶體中一部分晶體相對于另一位錯(cuò)可視為晶體中一部分晶體相對于另一 部分晶體局部滑移的結(jié)果，晶體滑移部分部分晶體局部滑移的結(jié)果，晶體滑移部分 與末滑移部分的交界線即為位錯(cuò)線。與末滑移部分的交界線即為位錯(cuò)線。 位錯(cuò)的基本類型位錯(cuò)的基本類型 a a）刃位錯(cuò)；）刃位錯(cuò)； b b）

12、螺位錯(cuò)）螺位錯(cuò) 摩擦磨損原理固體表面特性 v位錯(cuò)的相互作用 當(dāng)金屬表面有氧化膜時(shí)，則表面對位錯(cuò)是相斥的，亦即表當(dāng)金屬表面有氧化膜時(shí)，則表面對位錯(cuò)是相斥的，亦即表 層不會(huì)產(chǎn)生低位錯(cuò)密度區(qū)。這主要是由于在兩個(gè)彈性模量不層不會(huì)產(chǎn)生低位錯(cuò)密度區(qū)。這主要是由于在兩個(gè)彈性模量不 同材料邊界附近的位錯(cuò)，界面也會(huì)對它產(chǎn)生相互作用。如果同材料邊界附近的位錯(cuò)，界面也會(huì)對它產(chǎn)生相互作用。如果 位錯(cuò)處于彈性模量低的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯(cuò)給予斥力；位錯(cuò)處于彈性模量低的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯(cuò)給予斥力； 若位錯(cuò)處于彈性模量高的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯(cuò)給予吸力。若位錯(cuò)處于彈性模量高的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯(cuò)給予吸力。 金屬表面常

13、常被氧化膜覆蓋，而一般金屬氧化膜的彈性模量金屬表面常常被氧化膜覆蓋，而一般金屬氧化膜的彈性模量 比金屬大，所以氧化膜覆蓋的表面對位錯(cuò)有排斥作用。比金屬大，所以氧化膜覆蓋的表面對位錯(cuò)有排斥作用。 晶體中的位錯(cuò)靠近自由表面時(shí)，自由表面將與此位錯(cuò)產(chǎn)生晶體中的位錯(cuò)靠近自由表面時(shí)，自由表面將與此位錯(cuò)產(chǎn)生 相互作用。由于位錯(cuò)在晶體中引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)變能。相互作用。由于位錯(cuò)在晶體中引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)變能。 如果位借由晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到晶體表面，應(yīng)變能將會(huì)降低，故如果位借由晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到晶體表面，應(yīng)變能將會(huì)降低，故 位錯(cuò)由晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到晶體表面是一種自發(fā)的過程，其結(jié)果位錯(cuò)由晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)到晶體表面是一種自發(fā)的

14、過程，其結(jié)果 將使表面層中位錯(cuò)密度降低。將使表面層中位錯(cuò)密度降低。 摩擦磨損原理固體表面特性 固體表面上的原子比其內(nèi)部的固體表面上的原子比其內(nèi)部的原子原子具有較高的勢具有較高的勢 能，固體表面的所有能，固體表面的所有原子原子勢能的總和稱為固體表面勢能的總和稱為固體表面 能或表面自由能。單位為能或表面自由能。單位為Jm2或或Nm。 固體表面的原子在固體內(nèi)部引力作用下有從其表固體表面的原子在固體內(nèi)部引力作用下有從其表 面進(jìn)入固體內(nèi)部的趨向，同時(shí)使其表面的面積盡量面進(jìn)入固體內(nèi)部的趨向，同時(shí)使其表面的面積盡量 收縮，這種使表面收縮而沿固體表面切向作用的力收縮，這種使表面收縮而沿固體表面切向作用的力 叫

15、做表面張力。叫做表面張力。 摩擦磨損原理固體表面特性 表面能的物理圖像表面能的物理圖像 以面心立方金屬的（以面心立方金屬的（100）面作為表面）面作為表面 只有當(dāng)每個(gè)原子有只有當(dāng)每個(gè)原子有12個(gè)最近鄰，能量才最低，結(jié)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)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)“斷斷 鍵鍵”時(shí)，表面原子的能量就會(huì)升高。和表面原子的這時(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。種高出來的能量相連的就是表面能。 摩擦磨損原理固體表面特性 摩擦磨損原理固體表面特性 晶面的表面能晶面的表面能 不同晶面作表面時(shí)，斷鍵數(shù)目不同

16、，因而表面能不同。不同晶面作表面時(shí)，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同。 摩擦磨損原理固體表面特性 表面能的大小與晶體類型有關(guān)，隨結(jié)合鍵能的增加而增表面能的大小與晶體類型有關(guān)，隨結(jié)合鍵能的增加而增 加。任一金屬都有一定的結(jié)合鍵能。金屬的許多性能都與結(jié)加。任一金屬都有一定的結(jié)合鍵能。金屬的許多性能都與結(jié) 合鍵能有關(guān)。對于過渡族金屬，結(jié)合鍵能越高，則彈性模數(shù)合鍵能有關(guān)。對于過渡族金屬，結(jié)合鍵能越高，則彈性模數(shù) 越高，金屬的變形越困難。而且，結(jié)合鍵能越高，金屬的熔越高，金屬的變形越困難。而且，結(jié)合鍵能越高，金屬的熔 點(diǎn)也越高。點(diǎn)也越高。 結(jié)合鍵能的大小對研究材料摩擦磨損非常重要。當(dāng)兩種結(jié)合鍵能的大小對研究

17、材料摩擦磨損非常重要。當(dāng)兩種 不同的材料相互接觸，作用的表面發(fā)生粘著和斷裂時(shí)，斷裂不同的材料相互接觸，作用的表面發(fā)生粘著和斷裂時(shí)，斷裂 處往往不是在粘著接點(diǎn)，而是在兩種材料中鍵合力較弱材料處往往不是在粘著接點(diǎn)，而是在兩種材料中鍵合力較弱材料 的一方。因此，根據(jù)結(jié)合鍵能、可以預(yù)計(jì)斷開一個(gè)粘著接點(diǎn)的一方。因此，根據(jù)結(jié)合鍵能、可以預(yù)計(jì)斷開一個(gè)粘著接點(diǎn) 所需的能量，金屬的結(jié)合鍵能可查相關(guān)手冊。所需的能量，金屬的結(jié)合鍵能可查相關(guān)手冊。 摩擦磨損原理固體表面特性 表面張力和表面能數(shù)值相同，單位為表面張力和表面能數(shù)值相同，單位為(N(Nm)m)。表面張力作。表面張力作 用在表面上，平行于表面，且力圖使表面縮

18、小。金屬的表面用在表面上，平行于表面，且力圖使表面縮小。金屬的表面 張力，隨其結(jié)合鍵能的增加而增加。因此，高熔點(diǎn)金屬的表張力，隨其結(jié)合鍵能的增加而增加。因此，高熔點(diǎn)金屬的表 面張力比低熔點(diǎn)金屬的表面張力大。面張力比低熔點(diǎn)金屬的表面張力大。 表面能愈小意味著使表面分開所需的能量愈小。由于晶體表面能愈小意味著使表面分開所需的能量愈小。由于晶體 中各晶面的原子排列密度各不相同，因而各個(gè)晶面的表面能中各晶面的原子排列密度各不相同，因而各個(gè)晶面的表面能 也不相同，密排面的表面能較小也不相同，密排面的表面能較小( (因?yàn)閷用骈g距較大因?yàn)閷用骈g距較大) )。若以。若以 它們作表面，則晶體能量較低。所以晶體暴

19、露在外的表面通它們作表面，則晶體能量較低。所以晶體暴露在外的表面通 常盡量是這類低表面能的晶面。如果表面和這些面成一定角常盡量是這類低表面能的晶面。如果表面和這些面成一定角 度，為了盡量以表面能低的晶面為表面，這時(shí)的表面微觀上度，為了盡量以表面能低的晶面為表面，這時(shí)的表面微觀上 呈臺(tái)階狀。表面能愈低的面，其摩擦也將愈小。金屬表面能呈臺(tái)階狀。表面能愈低的面，其摩擦也將愈小。金屬表面能 可通過實(shí)驗(yàn)測定?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)測定。 摩擦磨損原理固體表面特性 影響表面能的主要因素：影響表面能的主要因素： 1. 材料種類（內(nèi)聚力）；材料種類（內(nèi)聚力）； 晶體取向；晶體取向； 表面形貌：粗糙表面凸峰處表面能大于平面

20、和表面形貌：粗糙表面凸峰處表面能大于平面和 凹谷處；凹谷處； 表面吸附；活性物質(zhì)摻雜在材料表面可降低表表面吸附；活性物質(zhì)摻雜在材料表面可降低表 面能（如鐵中摻硫或氧），非活性物質(zhì)摻雜在面能（如鐵中摻硫或氧），非活性物質(zhì)摻雜在 材料表面可提高表面能；材料表面可提高表面能； 5. 減小表面積減小表面積:晶體合并；雨滴成球形；潤濕現(xiàn)象。晶體合并；雨滴成球形；潤濕現(xiàn)象。 摩擦磨損原理固體表面特性 由于固體表面的分子及原子均處在不穩(wěn)定的力場由于固體表面的分子及原子均處在不穩(wěn)定的力場 之中，因此，所有固體表面都具有一定的表面自由能，之中，因此，所有固體表面都具有一定的表面自由能， 它能夠吸引用圍介質(zhì)它能夠

21、吸引用圍介質(zhì)(如空氣、水蒸氣、潤滑劑等如空氣、水蒸氣、潤滑劑等)的的 分子，即產(chǎn)生吸附，于是，在金屬表面可以形成各種分子，即產(chǎn)生吸附，于是，在金屬表面可以形成各種 膜。膜。 按照所形成膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的差別，可將其分為吸按照所形成膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的差別，可將其分為吸 附膜和反應(yīng)膜兩大類。前者又可分為物理吸附膜與化附膜和反應(yīng)膜兩大類。前者又可分為物理吸附膜與化 學(xué)吸附膜；后者也可分為化學(xué)反應(yīng)膜及氧化膜。學(xué)吸附膜；后者也可分為化學(xué)反應(yīng)膜及氧化膜。 摩擦磨損原理固體表面特性 表面吸附是實(shí)際固體重要的表面現(xiàn)象，它的存在可表面吸附是實(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。以顯著降低表面的系

22、統(tǒng)能量。 在吸附過程中，一些能量較高的吸附分子，可能在吸附過程中，一些能量較高的吸附分子，可能 克服吸附勢的束縛而脫離固體表面，稱為克服吸附勢的束縛而脫離固體表面，稱為“脫附脫附”或或 “解吸解吸”。當(dāng)吸附與解吸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，固體表面。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)量的相對穩(wěn)定的吸附分子，這種吸附，保存著一定數(shù)量的相對穩(wěn)定的吸附分子，這種吸附， 稱為平衡吸附。稱為平衡吸附。 摩擦磨損原理固體表面特性 當(dāng)固體表面與周圍介質(zhì)當(dāng)固體表面與周圍介質(zhì)(氣體或液體氣體或液體)接觸，接觸， 由分子由分子(或原子或原子)間的引力作用所產(chǎn)生的吸附稱為間的引力作用所產(chǎn)生的吸附稱為 物理吸附。

23、物理吸附。 物理吸附的作用力，是范得瓦爾斯（物理吸附的作用力，是范得瓦爾斯（Vander Waals）分子力。范得瓦爾斯分子力是由于表面）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。這類原子與吸附原子之間的極化作用而產(chǎn)生的。這類 吸附能量較低，它不能改變吸附層分子的分布，吸附能量較低，它不能改變吸附層分子的分布， 而且對介質(zhì)一般無選擇性，這種吸附對溫度非常而且對介質(zhì)一般無選擇性，這種吸附對溫度非常 敏感，熱量可以使之脫吸，其吸附與脫吸是可逆敏感，熱量可以使之脫吸，其吸附與脫吸是可逆 的。的。 長鏈結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔镩L鏈結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔?如：油酸、棕桐酸和如：油酸、棕

24、桐酸和 酯等酯等)都具有這種性能。在邊界潤滑中的物理吸附都具有這種性能。在邊界潤滑中的物理吸附 膜可以在低速、輕載和常溫的條件下工作。膜可以在低速、輕載和常溫的條件下工作。 摩擦磨損原理固體表面特性 硬脂酸在固體表面物理吸附硬脂酸在固體表面物理吸附 摩擦磨損原理固體表面特性 化學(xué)吸附時(shí)吸附物與固體表面之間發(fā)生電子互換或存在共化學(xué)吸附時(shí)吸附物與固體表面之間發(fā)生電子互換或存在共 用電子對，吸附膜與固體表面的結(jié)合力很強(qiáng)。比物理吸附用電子對，吸附膜與固體表面的結(jié)合力很強(qiáng)。比物理吸附 膜穩(wěn)定得多，吸附能量超過膜穩(wěn)定得多，吸附能量超過10104 4J/molJ/mol稱為化學(xué)吸附。并且稱為化學(xué)吸附。并且

25、是不可逆的，只有在高溫下才脫吸。是不可逆的，只有在高溫下才脫吸。 化學(xué)吸附于固體表面的強(qiáng)弱與固體表面和被吸附的物質(zhì)特化學(xué)吸附于固體表面的強(qiáng)弱與固體表面和被吸附的物質(zhì)特 性有關(guān)，如氧可以很強(qiáng)烈地吸附于鐵或鈦，但吸附于銅、性有關(guān)，如氧可以很強(qiáng)烈地吸附于鐵或鈦，但吸附于銅、 銀等貴金屬卻很弱。銀等貴金屬卻很弱。 化學(xué)吸附基本上是一單層過程。例如，在固體鐵的表面一化學(xué)吸附基本上是一單層過程。例如，在固體鐵的表面一 旦吸附一層氧，這層氧不會(huì)長期停留在它開始吸附的位置旦吸附一層氧，這層氧不會(huì)長期停留在它開始吸附的位置 上，而是在表面發(fā)生氧原子和鐵原子的重新排列上，而是在表面發(fā)生氧原子和鐵原子的重新排列鐵與

26、鐵與 氧交換位置，直到表面能量達(dá)到最低狀態(tài)時(shí)，交換終止。氧交換位置，直到表面能量達(dá)到最低狀態(tài)時(shí)，交換終止。 這稱之為再組建的化學(xué)吸附。這稱之為再組建的化學(xué)吸附。 在邊界潤滑中，化學(xué)吸附膜可在中速、中載的條件下在邊界潤滑中，化學(xué)吸附膜可在中速、中載的條件下 正常工作。正常工作。 摩擦磨損原理固體表面特性 硬脂酸化學(xué)吸附硬脂酸化學(xué)吸附 吸附結(jié)果是表面上形成了一層硬脂酸吸附結(jié)果是表面上形成了一層硬脂酸“金屬皂金屬皂 膜膜” 摩擦磨損原理固體表面特性 硬脂酸化學(xué)吸附硬脂酸化學(xué)吸附 吸附結(jié)果是表面上吸附結(jié)果是表面上 形成了一層硬脂酸形成了一層硬脂酸 “金屬皂膜金屬皂膜” 這種這種“金屬皂膜金屬皂膜”不不

27、 僅有較低的切變強(qiáng)度，僅有較低的切變強(qiáng)度， 相對說來也有比較高相對說來也有比較高 的熔點(diǎn)。硬脂酸的熔的熔點(diǎn)。硬脂酸的熔 點(diǎn)是點(diǎn)是69，而金屬皂，而金屬皂 膜的熔點(diǎn)約為膜的熔點(diǎn)約為120。 摩擦磨損原理固體表面特性 物理吸附和化學(xué)吸附的比較物理吸附和化學(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)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。生化學(xué)吸附。 物理吸附無需活化能，在任

28、何溫度下都會(huì)以一定的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。速率，即以使吸附物布滿固體表面的速率發(fā)生物理吸附。 摩擦磨損原理固體表面特性 氧吸附于鐵表面時(shí)，若環(huán)境中氧的濃度足夠高或溫度足夠氧吸附于鐵表面時(shí)，若環(huán)境中氧的濃度足夠高或溫度足夠 高，則在鐵表面發(fā)生氧化，即化學(xué)吸附的氧開始與鐵表面高，則在鐵表面發(fā)生氧化，即化學(xué)吸附的氧開始與鐵表面 反應(yīng)形成鐵的氧化物。表面氧化物是化合物，其晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成鐵的氧化物。表面氧化物是化合物，其晶體結(jié)構(gòu) 不同于原金屬基體的結(jié)構(gòu)。不同于原金屬基體的結(jié)構(gòu)。 金屬表面在加工過程中，新生表面一旦暴露，則很快就與

29、金屬表面在加工過程中，新生表面一旦暴露，則很快就與 大氣中的氧起化學(xué)反應(yīng)而形成金屬氧化膜。鐵的表面氧化膜大氣中的氧起化學(xué)反應(yīng)而形成金屬氧化膜。鐵的表面氧化膜 構(gòu)造如圖，其中構(gòu)造如圖，其中FeFe3 3O O4 4 ( (磁鐵體 磁鐵體) )和和FeO (FeO (方鐵體方鐵體) )可做為一種可做為一種 固體潤滑劑，固體潤滑劑，有利于減少磨損，而有利于減少磨損，而FeFe2 2O O3 3( (赤鐵體赤鐵體) )則起磨粒則起磨粒 作用，使磨損增大。作用，使磨損增大。 鐵鐵 的的 氧氧 化化 膜膜 構(gòu)構(gòu) 造造 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 摩擦磨損原理固體表面特性 氧化膜氧化膜 氧化膜的生

30、長速度受氧原子的擴(kuò)散控制，其生氧化膜的生長速度受氧原子的擴(kuò)散控制，其生 長速度服從阿累尼烏斯方程：長速度服從阿累尼烏斯方程： 膜厚與時(shí)間呈拋物線關(guān)系：膜厚與時(shí)間呈拋物線關(guān)系： h2=Kt+C )/exp(RTQAK 摩擦磨損原理固體表面特性 物理吸附物理吸附 化學(xué)吸附化學(xué)吸附 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 表面氧化膜表面氧化膜 金屬表面特別是多晶體金屬表面往往包含有很多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。也就往往從這些高能位置開始，一直到將表面覆蓋。 氧化膜的

31、生長過程氧化膜的生長過程 摩擦磨損原理固體表面特性 氧化膜對金屬的保護(hù)作用取決于氧化膜的內(nèi)應(yīng)力以及生氧化膜對金屬的保護(hù)作用取決于氧化膜的內(nèi)應(yīng)力以及生 長速度：長速度： （1）氧化膜的密度和金屬相近：氧化膜能牢固覆蓋在金）氧化膜的密度和金屬相近：氧化膜能牢固覆蓋在金 屬表面。屬表面。 （2）氧化膜的密度大于金屬密度：氧化膜中易出現(xiàn)拉應(yīng)）氧化膜的密度大于金屬密度：氧化膜中易出現(xiàn)拉應(yīng) 力，膜易破裂或出現(xiàn)多孔疏松膜。力，膜易破裂或出現(xiàn)多孔疏松膜。 （3）氧化膜的密度小于金屬密度：隨著氧化膜的生長，）氧化膜的密度小于金屬密度：隨著氧化膜的生長， 膜的體積不斷膨脹，在膜內(nèi)形成平行于表面的壓應(yīng)力和膜的體積不

32、斷膨脹，在膜內(nèi)形成平行于表面的壓應(yīng)力和 垂直于表面使膜脫離表面的拉應(yīng)力，膜愈厚，內(nèi)應(yīng)力愈垂直于表面使膜脫離表面的拉應(yīng)力，膜愈厚，內(nèi)應(yīng)力愈 大，膜易剝落。大，膜易剝落。 （4）氧化膜與基體的熱漲系數(shù)不同，也會(huì)造成氧化膜脫）氧化膜與基體的熱漲系數(shù)不同，也會(huì)造成氧化膜脫 落。落。 摩擦磨損原理固體表面特性 一般是指潤滑油添加劑中的硫、磷、氯等活一般是指潤滑油添加劑中的硫、磷、氯等活 性元素在高溫下與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，二者性元素在高溫下與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，二者 間相互交換價(jià)電子而生成新的化合物膜間相互交換價(jià)電子而生成新的化合物膜(如磷化物、如磷化物、 硫化物、氯化物等金屬鹽膜硫化物、氯化物等金

33、屬鹽膜) 。 這種膜生成的厚度可以很厚，其結(jié)合能及活這種膜生成的厚度可以很厚，其結(jié)合能及活 性高，反應(yīng)是不可逆的。其熔點(diǎn)高，而剪切強(qiáng)度性高，反應(yīng)是不可逆的。其熔點(diǎn)高，而剪切強(qiáng)度 低，比物理吸附膜和化學(xué)吸附膜更穩(wěn)定。低，比物理吸附膜和化學(xué)吸附膜更穩(wěn)定。 化學(xué)反應(yīng)膜能適用于高速、高溫、重載等化學(xué)反應(yīng)膜能適用于高速、高溫、重載等“極極 壓壓”條件下使用。能產(chǎn)生這種反應(yīng)膜的油中添加條件下使用。能產(chǎn)生這種反應(yīng)膜的油中添加 劑也就稱為極壓添加劑，常用的極壓添加劑如硫劑也就稱為極壓添加劑，常用的極壓添加劑如硫 化烯烴、磷酸脂、氯化石蠟等?；N、磷酸脂、氯化石蠟等。 摩擦磨損原理固體表面特性 化學(xué)反應(yīng)膜化學(xué)

34、反應(yīng)膜 摩擦磨損原理固體表面特性 物理吸附膜物理吸附膜 化學(xué)吸附膜化學(xué)吸附膜 化學(xué)反應(yīng)膜化學(xué)反應(yīng)膜 化學(xué)吸附膜化學(xué)吸附膜+化學(xué)反化學(xué)反 應(yīng)膜應(yīng)膜 摩擦磨損原理固體表面特性 cos SLSWLW 在干凈的玻璃板上滴上一在干凈的玻璃板上滴上一 滴水，由于玻璃表面對水滴水，由于玻璃表面對水 有親和力，所以水滴很快有親和力，所以水滴很快 展開，其接觸角展開，其接觸角（潤濕角）（潤濕角） 90。若水滴在石蠟。若水滴在石蠟 板上，則水滴呈現(xiàn)橢圓球板上，則水滴呈現(xiàn)橢圓球 形，其形，其 90。接觸角。接觸角 是度量液體對固體表面是度量液體對固體表面 潤濕程度的一個(gè)重要參數(shù)。潤濕程度的一個(gè)重要參數(shù)。 0，完全潤

35、濕；，完全潤濕； 90，可以潤濕；，可以潤濕； 90，不能潤濕；，不能潤濕； 180，完全不潤濕。，完全不潤濕。 lw、sw、sl分別代表固體分別代表固體 與氣體、液體與與氣體、液體與固體固體、液體、液體 與氣體之間的表面能。與氣體之間的表面能。 LW SL SL SW A1 A2 摩擦磨損原理固體表面特性 潤濕度潤濕度 接觸角：達(dá)平衡時(shí)，在氣，液，固三相交界處，氣接觸角：達(dá)平衡時(shí)，在氣，液，固三相交界處，氣 -液界面和固液界面和固-液界面之間液界面之間 的夾角稱為接觸角。的夾角稱為接觸角。(圖中圖中 角角 ) 如圖如圖 (1) =0(1) =0 完全潤濕完全潤濕 (2) 90(2) 90(3

36、) 90不能潤濕不能潤濕 摩擦磨損原理固體表面特性 設(shè)有一橫截面為設(shè)有一橫截面為1cm2的固體柱，在理想條的固體柱，在理想條 件下（真空中）將它分成兩段時(shí)所作的功稱件下（真空中）將它分成兩段時(shí)所作的功稱 為內(nèi)聚功為內(nèi)聚功Wc，它表征了相同物質(zhì)間的吸引強(qiáng)，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)增加的表面能為的新表面，相應(yīng)增加的表面能為2a，a為固為固 體體a增加的表面能。增加的表面能。 根據(jù)功能原理得根據(jù)功能原理得 Wc2a 摩擦磨損原理固體表面特性 假如柱的上段為物質(zhì)假如柱的上段為物質(zhì)a，下段為物質(zhì)，下段為物質(zhì)b

37、，則接觸部分的，則接觸部分的 界面能為界面能為ab。若使柱在。若使柱在a、b界面上斷開，對柱所作的功界面上斷開，對柱所作的功 稱為粘附功稱為粘附功Wab。斷開后柱增加表面能。斷開后柱增加表面能a和和b。根據(jù)功能。根據(jù)功能 原理得原理得 Wababab 摩擦磨損原理固體表面特性 實(shí)驗(yàn)證明，界面能實(shí)驗(yàn)證明，界面能ab約為約為1/41/2(ab)。如果。如果a、b兩兩 物質(zhì)能相互溶解或能形成金屬間化合物，其界物質(zhì)能相互溶解或能形成金屬間化合物，其界 面能較小，約為面能較小，約為 。若。若a、b 兩物質(zhì)不能相兩物質(zhì)不能相 互溶解，其界面能較大，約為互溶解，其界面能較大，約為 。 )( ba 4 1 )

38、( ba 2 1 a、b為同一物質(zhì)為同一物質(zhì) Wc2a 或或 Wc2b 由上式可以看出，由上式可以看出，WcWab，即相同物質(zhì)間的摩擦要，即相同物質(zhì)間的摩擦要 大于不同物質(zhì)間的摩擦。大于不同物質(zhì)間的摩擦。 )(W baab 4 3 a、b相互溶解相互溶解 )(W baab 2 1 a、b不能相互溶解不能相互溶解 摩擦磨損原理固體表面特性 表面與不同環(huán)境發(fā)生相互作用，在表面上可形成吸附層、表面與不同環(huán)境發(fā)生相互作用，在表面上可形成吸附層、 氧化層。表面下由于機(jī)加工而產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。實(shí)際氧化層。表面下由于機(jī)加工而產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。實(shí)際 的金屬表面層剖面如圖所示，大致可分為五個(gè)組成部分：的金屬

39、表面層剖面如圖所示，大致可分為五個(gè)組成部分： 普通臟污層普通臟污層 吸附層吸附層 氧化層氧化層 貝氏層貝氏層 嚴(yán)重變形層嚴(yán)重變形層 輕度變形層輕度變形層 摩擦磨損原理固體表面特性 (1)(1)普通臟污層普通臟污層手指的油污或灰塵等；手指的油污或灰塵等； (2)(2)吸附層吸附層大氣中的液體或氣體分子吸附膜；大氣中的液體或氣體分子吸附膜； (3)(3)氧化層氧化層金屬表面與空氣中的氧形成的氧化金屬表面與空氣中的氧形成的氧化 物層。物層。 (4)(4)貝氏層貝氏層由于機(jī)加工中表面熔化和表面分子由于機(jī)加工中表面熔化和表面分子 層的流動(dòng)而產(chǎn)生的微晶層；層的流動(dòng)而產(chǎn)生的微晶層； (5)(5)變形層變形層

40、由于機(jī)加工而形成的變質(zhì)層。其變由于機(jī)加工而形成的變質(zhì)層。其變 形層的強(qiáng)烈程度取決于加工時(shí)的變形功和金屬形層的強(qiáng)烈程度取決于加工時(shí)的變形功和金屬 本身的性質(zhì)。本身的性質(zhì)。 摩擦磨損原理固體表面特性 實(shí)際的金屬表面除上述五部分外，還有更微觀的實(shí)際的金屬表面除上述五部分外，還有更微觀的 缺陷存在，如位錯(cuò)、雜質(zhì)、臺(tái)階缺陷存在，如位錯(cuò)、雜質(zhì)、臺(tái)階( (生長臺(tái)階或解生長臺(tái)階或解 理臺(tái)階理臺(tái)階) )等。等。 這些缺陷的存在都大大地影響著表面的性能。在這些缺陷的存在都大大地影響著表面的性能。在 摩擦過程中，表面膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及破裂和再生摩擦過程中，表面膜的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及破裂和再生 的規(guī)律對摩擦性能影響也很大。若

41、摩擦主要發(fā)生的規(guī)律對摩擦性能影響也很大。若摩擦主要發(fā)生 在膜內(nèi)，膜的存在使金屬摩擦表面不易發(fā)生粘著，在膜內(nèi)，膜的存在使金屬摩擦表面不易發(fā)生粘著， 則摩擦系數(shù)將降低，磨損可能減少。則摩擦系數(shù)將降低，磨損可能減少。 摩擦磨損原理固體表面特性 表面膜只有處于固態(tài)時(shí)，才能有效地防止微凸體的表面膜只有處于固態(tài)時(shí)，才能有效地防止微凸體的 接觸損傷。表面膜的最主要性能是熔點(diǎn)及剪切強(qiáng)度。低接觸損傷。表面膜的最主要性能是熔點(diǎn)及剪切強(qiáng)度。低 的剪切強(qiáng)度可降低摩擦系數(shù)。的剪切強(qiáng)度可降低摩擦系數(shù)。 摩擦磨損原理固體表面特性 機(jī)械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，機(jī)械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，

42、以及接觸剛度和傳熱性能，影響界面間的導(dǎo)電性能與密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。封性能。 磨具的表面形貌影響它的磨削性能；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噴涂表面預(yù)處理后的形貌影響表面涂層(如油漆如油漆)的的 質(zhì)量與外觀；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)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；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；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)海洋表面的形貌直接同船舶航行有關(guān)，

43、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。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。所以，表面形貌越來越為工程技術(shù)界所重視。 摩擦磨損原理固體表面特性 宏觀和微觀粗糙度宏觀和微觀粗糙度 摩擦磨損原理固體表面特性 固體表面形貌的表征固體表面形貌的表征 摩擦磨損原理固體表面特性 表面形貌的定量測量表面形貌的定量測量 表面形貌的定量測量對于解決摩擦學(xué)問題是表面形貌的定量測量對于解決摩擦學(xué)問題是 極為重要的，測量表面微觀或宏觀的幾何性能，極為重要的，測量表面微觀或宏觀的幾何性能， 可用很多方法。在觀察和測量表面形貌的方法中，可用很多方法

44、。在觀察和測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)的光測法以及比較常用的有用干涉或反射顯微術(shù)的光測法以及 用電子顯微鏡等方法。用電子顯微鏡等方法。 觀測表面形貌和表面輪廓的分辨率方面，目觀測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（前比較先進(jìn)的原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道）和掃描隧道 顯微鏡（顯微鏡（STM）可以達(dá)到原子的尺度。在測量表）可以達(dá)到原子的尺度。在測量表 面輪廓和粗糙度的儀器中，以電子放大的觸針式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。儀器使用最為普及。 摩擦磨損原理固體表面特性 工作原理：工作原理： 在傳感器測桿的一端裝

45、有金剛石觸針，觸針尖端曲率半徑在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針尖端曲率半徑r很很 小，測量時(shí)將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)小，測量時(shí)將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū) 動(dòng)器以一定的速度拖動(dòng)傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，動(dòng)器以一定的速度拖動(dòng)傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏， 觸狀在被測表面滑行時(shí)，將產(chǎn)生上下移動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)經(jīng)支點(diǎn)使磁觸狀在被測表面滑行時(shí)，將產(chǎn)生上下移動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)經(jīng)支點(diǎn)使磁 芯同步地上下運(yùn)動(dòng)，從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)電感線芯同步地上下運(yùn)動(dòng)，從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)電感線 圈的電感量發(fā)生變化。圈的電感量發(fā)生變化。 摩擦磨損原理固體表面特性 此變

46、化經(jīng)由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運(yùn)算等部此變化經(jīng)由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運(yùn)算等部 分處理以后，可以直接由儀器電器箱的讀數(shù)表上指示出來，分處理以后，可以直接由儀器電器箱的讀數(shù)表上指示出來， 也可以傳遞到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。也可以傳遞到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。 摩擦磨損原理固體表面特性 AFM圖象圖象 摩擦磨損原理固體表面特性 輪廓儀得到的表面形貌輪廓儀得到的表面形貌 摩擦磨損原理固體表面特性 表面粗糙度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù) 輪廓算術(shù)平均偏差（ 輪廓算術(shù)平均偏差（Ra） 輪廓算術(shù)平均偏差（輪廓算術(shù)平均偏差（Ra），又稱中位線算術(shù)平均偏），又稱中位線算術(shù)平均偏 差，定義為一個(gè)取樣長度內(nèi)

47、，表面輪廓線偏離其中位線差，定義為一個(gè)取樣長度內(nèi)，表面輪廓線偏離其中位線 的絕對值的算術(shù)平均值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為的絕對值的算術(shù)平均值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 dxxz l R l a 0 )( 1 其離散化計(jì)算公式為其離散化計(jì)算公式為 n i ia z n R 1 1 摩擦磨損原理固體表面特性 2. 輪廓均方根偏差（輪廓均方根偏差（Rq） 統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，Rq能比能比Ra更好地描述表面輪廓的粗糙度更好地描述表面輪廓的粗糙度 特征。其定義為，在一個(gè)取樣長度內(nèi)，表面輪廓線偏離特征。其定義為，在一個(gè)取樣長度內(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)其中位線的距離的平方的算術(shù)平

48、均值的平方根。其數(shù)學(xué) 表達(dá)式為表達(dá)式為 21 2 0 1 / l q dxxz l R 其離散化計(jì)算公式為其離散化計(jì)算公式為 21 1 21 / n i iq z n R 對絕大多數(shù)的固體表面而言，對絕大多數(shù)的固體表面而言，Ra與與Rq之間有如下的之間有如下的 近似關(guān)系，即近似關(guān)系，即 qa RR8 . 0 表面粗糙度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù) 摩擦磨損原理固體表面特性 3. 微觀不平度十點(diǎn)平均高度（微觀不平度十點(diǎn)平均高度（Rz） 定義為取樣長度內(nèi)，定義為取樣長度內(nèi)，5個(gè)最大的輪廓峰高的平均值個(gè)最大的輪廓峰高的平均值 與與5個(gè)最深的輪廓谷深的平均值之和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為個(gè)最深的輪廓谷深的平均

49、值之和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 5 5 1 5 1 ii vipi z hh R 表面粗糙度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù) 摩擦磨損原理固體表面特性 4.輪廓最大高度（輪廓最大高度（Ry） 定義為取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間定義為取樣長度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間 的距離。的距離。 表面粗糙度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù) 摩擦磨損原理固體表面特性 摩擦磨損原理固體表面特性 Ra Rq 2.29 2.54 2.29 2.54 2.29 2.64 2.29 2.68 2.29 2.68 2.29 2.59 上述四種參數(shù)均屬一維的，它們只能說明表面廓形在高上述四種參數(shù)均屬一維的，它們只能說明

50、表面廓形在高 度方向上的偏差，而不能說明微凸體的斜度、尺寸大小、形度方向上的偏差，而不能說明微凸體的斜度、尺寸大小、形 狀及其分布特性，也不能提供微凸體出現(xiàn)的頻率，均勻度等狀及其分布特性，也不能提供微凸體出現(xiàn)的頻率，均勻度等 信息。由此可見，只用單一參數(shù)描述一個(gè)表面的形貌是遠(yuǎn)遠(yuǎn)信息。由此可見，只用單一參數(shù)描述一個(gè)表面的形貌是遠(yuǎn)遠(yuǎn) 不夠的。而必須考慮使用兩個(gè)或三個(gè)參數(shù)。例如，支承面曲不夠的。而必須考慮使用兩個(gè)或三個(gè)參數(shù)。例如，支承面曲 線實(shí)質(zhì)上是根據(jù)二維參數(shù)得來的。此外，還可以用微凸體的線實(shí)質(zhì)上是根據(jù)二維參數(shù)得來的。此外，還可以用微凸體的 高度、形狀和間隔三個(gè)不同的參數(shù)來定義一個(gè)表面的形貌。高度

51、、形狀和間隔三個(gè)不同的參數(shù)來定義一個(gè)表面的形貌。 摩擦磨損原理固體表面特性 表面輪廓水平方向的表征表面輪廓水平方向的表征 1. 高點(diǎn)數(shù)高點(diǎn)數(shù) 所謂高點(diǎn)數(shù)，是指在評定長度內(nèi)，高出中位線或與中所謂高點(diǎn)數(shù)，是指在評定長度內(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)為數(shù)目。如圖所示的表面輪廓，其高點(diǎn)數(shù)為7。 摩擦磨損原理固體表面特性 輪廓微觀不平度的平均間距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）的一段中位線長度，稱為廓谷（與中位線有交點(diǎn)的谷）的一段中位線長度，稱為 輪廓微觀不平度間距。在取樣長度內(nèi)，輪廓微觀不平度輪廓微觀不平度間距。在取樣長度內(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，用間距的平均值，稱為輪廓微觀不平度平均間距，用Sm表表 示，示， n i mnm i SS 1 1 輪廓的單峰平均間距也是反映表面微觀幾何形狀上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)值愈峰谷間距特