摩擦學(xué)課程報(bào)告

1、高等摩擦學(xué)讀書報(bào)告姓名：段留洋學(xué)號：201410100179表面科學(xué)或者界面科學(xué)的研究對象都是物質(zhì)體系中由一相向著另一相轉(zhuǎn)變的空間區(qū)域。通常表面與界面的概念難以明確區(qū)分，嚴(yán)格的定義應(yīng)該是：表面是一個(gè)凝聚相（固相或者液相）與一個(gè)氣相或者真空構(gòu)成的空間區(qū)域；而界面則是兩個(gè)凝聚相（固相與固相、固相與液相、液相與液相）之間的空間區(qū)域。由此可知，在西安市中存在的絕大多數(shù)表面通常都是固體或者液體與氣體構(gòu)成的界面，它是一種特定的界面，這樣界可以采用界面一詞來統(tǒng)稱界面和表面。界面世界上是具有一定厚度的空間區(qū)域，即界面層。整個(gè)體系的固有性能在界面層中由一相按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變成另一相，所以界面層是固有性能變化的過度區(qū)

2、。它的結(jié)構(gòu)和性能都很復(fù)雜，而且依照空間位置的不同而變化。界面穩(wěn)定存在的必要條件是需要具有一定數(shù)量的界面自由能，通過外界對它做功輸入能量就可以使界面擴(kuò)大，反之，如果界面不具有一定數(shù)量的自由能，就不可能有穩(wěn)定的界面存在。事實(shí)上，摩擦學(xué)屬于表面科學(xué)范疇，只是研究對象聚局限于研究摩擦表面之間發(fā)生的現(xiàn)象、變化、損傷機(jī)理和控制。通常所說的摩擦表面是由兩個(gè)固體表面沿切向相對滑動所構(gòu)成的界面。如果研究的界面的構(gòu)成物質(zhì)不限于兩個(gè)固體而相對運(yùn)動也不限于切向滑動，那么摩擦學(xué)的研究領(lǐng)域就擴(kuò)展到了界面科學(xué)與技術(shù)的研究領(lǐng)域。1固體表面1.1固體表面形貌從宏觀上看光滑且平整的表面，在顯微鏡下觀察卻顯示出由許多不規(guī)則的微凸峰

3、和凹谷所組成。表面幾何特征對混合潤滑和干摩擦狀態(tài)下的摩擦、磨損和潤滑有著決定性影響。表面的宏觀幾何形狀誤差又稱為表面形狀偏差，主要用不直度和不平度表示，波距大于10mm。中間幾何形狀誤差稱為表面波紋度，是一種較宏觀幾何形狀誤差范圍更小的誤差，用波紋度表示，波距在110mm之間。表面圍觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度，波距小于1mm。一般來說，表面粗糙度是影響摩擦性能最重要的表現(xiàn)幾何形狀特征。表面粗糙度可根據(jù)表示方法不同分為一維、二維和三維的表面形貌參數(shù)。一維形貌通常用輪廓曲線的高度參數(shù)表示，可分為輪廓算數(shù)平均偏差或中心線平均值Ra、輪廓均方根偏差或均方根值Rq、最大峰谷間距Rmax、中線截距平均值

4、Sm。1.2固體表面結(jié)構(gòu)固體為多晶體，其原子排列的周期性，在垂直由于表面的方向上突然中斷，臨近的原子所受內(nèi)外部的力失去平衡，因此需要通過自給作用達(dá)到新的平衡，這使得表層原子的鍵長和鍵角均與體內(nèi)不同，一般表現(xiàn)為表層原子沿垂直于表面的方向產(chǎn)生一定位移，位移可向外（膨脹），也可向內(nèi)（收縮），此稱為表面弛豫。表面區(qū)中不同原子層的弛豫程度不同。表層內(nèi)原子新的平衡位置也可表現(xiàn)為沿表面產(chǎn)生了橫向移動，而且其二維周期性也與體內(nèi)不同，此稱為表面重構(gòu)。表面區(qū)內(nèi)還可能存在各種缺陷，例如空位、填隙原子、階梯、疇界等各種偏離二維周期性的結(jié)構(gòu)。來自環(huán)境的外來原子或分子由于物理作用和化學(xué)作用粘附于固體表面的過程稱為吸附，吸

5、附物可在固體便面形成無序或有序的覆蓋層。1.3固體接觸當(dāng)兩個(gè)摩擦表面接觸時(shí)，由于表面粗糙度的存在，實(shí)際接觸只發(fā)生占表觀面積的極小部分上。實(shí)際接觸面積的大小和分布對于摩擦磨損起著決定性影響。固體材料受載后，不是發(fā)生彈性變形就是發(fā)生塑性變形。彈性變形的特點(diǎn)是應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是確定的，因而變形是可逆的；而塑性變形時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系比較復(fù)雜，卸載后扔存在一定殘余變形。實(shí)際上，接觸狀態(tài)大多數(shù)是出于彈塑性變形的混合狀態(tài)，有時(shí)表現(xiàn)為先彈性后塑性，有時(shí)則表現(xiàn)為這一部分雖然處于彈性變形狀態(tài)，另一部分卻已達(dá)到塑性變形狀態(tài)了。硬度相近的固體相互接觸，與硬度差別很大的固體相互接觸的情況完全不同。金屬與塑料相接觸，塑料

6、的硬度比金屬低很多，變形基本只發(fā)生在塑料表面上。1.4固體表面的基本特征固體表面上的原子受力是不對稱的。固體表面的不均一性主要表現(xiàn)在：1從微-納米或原子尺度上看，實(shí)際固體表面是凹凸不平的。2絕大多數(shù)晶體是各向異性的，因此固體表面在不同方位上也是各向異性的。3同種固體的表面性質(zhì)會發(fā)生與植被或加工過程密切相關(guān)的變化。4晶體中晶格缺陷如空位或位錯(cuò)等會再表面存在并引起表面性質(zhì)的變化。5固體暴露在空氣中，表面被外來物污染，被吸附的外來原子可占據(jù)不同的表面位置，形成有序或無序排列。晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在一個(gè)力場。在晶體內(nèi)部，這個(gè)力場可以認(rèn)為是有心得、對稱的；但在固體表面，指點(diǎn)排列的周期性被中斷，使處于表

7、面上的質(zhì)點(diǎn)力場對稱性破壞，產(chǎn)生有指向性的剩余力場，這種剩余力場表現(xiàn)出固體表面對其他物質(zhì)有吸附作用，這種作用力稱為固體表面力。表面力可分為化學(xué)力和范德華力。化學(xué)力的本質(zhì)是靜電力。主要來自表面質(zhì)點(diǎn)的不飽和鍵，當(dāng)固體表面質(zhì)點(diǎn)和被吸附物間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移時(shí)，就產(chǎn)生化學(xué)力。它可用表面能的數(shù)值來估計(jì)，表面能與晶格能成正比，而與吸附物體積成反比。范德華力是分子引力，來源分為三種：1靜電力：主要發(fā)生在極性物質(zhì)之間，相鄰兩個(gè)極化電炬因極性不同而發(fā)生的作用力。2誘導(dǎo)力：發(fā)生在極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)之間。誘導(dǎo)是指在極性物質(zhì)作用下，非極性物質(zhì)被極化誘導(dǎo)出暫態(tài)的極化電炬，隨后與極性物質(zhì)產(chǎn)生定向作用。3色散力：主要發(fā)生在非極性

8、物質(zhì)之間。非極性物質(zhì)是指其核外電子云呈球形而不顯示永久的偶極炬。但就電子在繞核運(yùn)動的某一瞬間，在空間各個(gè)位置上，電子分布并非嚴(yán)格對稱，這樣就呈現(xiàn)出瞬間的極化電炬。許多瞬間極化電炬之間以及它對相鄰物質(zhì)的誘導(dǎo)作用都會引起相互作用，這成為色散力。固體的表面能是指通過向表面增加附加原子，從而在新表面形成時(shí)所做的功。表面張力是沿表面作用在單位長度上的力。對于一般的表面系統(tǒng)，如果沒有外力作用，其系統(tǒng)的總表面能將自發(fā)趨向于最低化。由于表面張力或表面能反應(yīng)的是物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的引力作用，因此隨溫度的升高，表面能一般為減小。這是因?yàn)闊徇\(yùn)動削弱了質(zhì)點(diǎn)間的引力。1.5固體表面重構(gòu)任何表面都有自發(fā)降低表面能的趨勢。在表面張

9、力的作用下，液體是以形成球形表面來降低表面能的，而固體由于質(zhì)點(diǎn)不能自由流動，只能借助離子重排、變形、極化并引起晶格畸變來降低表面能。如果把固體的表面結(jié)構(gòu)看成和體內(nèi)相同，即體內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)不變地延續(xù)到表面后中斷，則這種表面稱為理想表面。表面結(jié)構(gòu)研究表明，真實(shí)的清潔表面與理想表面存在以下不同。1表面弛豫：弛豫是指表面結(jié)構(gòu)與體內(nèi)基本相同，但點(diǎn)陣參數(shù)略有差異，特別表現(xiàn)在垂直于表面質(zhì)點(diǎn)方向上的法向弛豫。2表面重構(gòu)：重構(gòu)是指表面結(jié)構(gòu)和體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了本質(zhì)的不同。重構(gòu)通常表現(xiàn)為超結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，即二維晶胞的基矢按整數(shù)倍擴(kuò)大。3表面雙電層：離子晶體在表面力作用下，表面結(jié)構(gòu)會受離子極化而重排。為降低表面能，各離子周圍的作

10、用能將盡量趨于對稱，因而正離子在內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)作用下向晶體內(nèi)靠攏，而易極化的負(fù)離子受誘導(dǎo)極化偶極子的排斥而被推向外側(cè)，從而形成表面雙電層。2液體及其表面性質(zhì)2.1液體性質(zhì)流體的粘度是流體作為液體時(shí)最重要的性能參數(shù)。流體流動時(shí)，由于流體與固體表面的附著力和流體內(nèi)部分子間的作用，將不斷產(chǎn)生剪切變形，而流體的粘滯性就是流體抵抗剪切變形的能力。粘度是流體粘滯性的度量，用以描述流動時(shí)的內(nèi)摩擦。牛頓提出粘滯剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率成正比的假設(shè)，稱為牛對粘性定律，即=式中，是剪應(yīng)力，即單位面積上的摩擦力，=FA，為剪應(yīng)變率，即剪應(yīng)變隨時(shí)間的變化率。常數(shù) 為流體的動力粘度。在工程中常常將流體的動力粘度與密度的壁紙作為流體的

11、粘度，這你粘度稱為運(yùn)動粘度，用表示，運(yùn)動粘度表達(dá)式：=在通常的使用條件下，大部分潤滑油可視為牛頓流體。對于牛頓流體，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率的關(guān)系是通原點(diǎn)的直線，如圖3.1中的C，直線的斜率表示粘度數(shù)值，因此牛頓流體的年度只隨溫度和壓力而改變，而與剪應(yīng)變率無關(guān)。凡是服從牛頓粘性定律的流體統(tǒng)稱為牛頓流體，而不符合牛頓定律的流體為非牛頓流體。大多數(shù)潤滑油特別熟礦物油均屬于牛頓流體。非牛頓流體特性如圖3.1中的A，B和D所示，非牛頓流體可以表現(xiàn)為塑性、偽塑性和膨脹性等形式。2.2液體邊界層性質(zhì)一般情況下，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假設(shè)下與固體接觸的流體（液體或氣體）速度與固體表面的速度先更，即常說的無滑移邊界條件。但是如

12、果由于流體的剪應(yīng)力超過流體承受剪切的極限值，則流體于固體截面間將出現(xiàn)滑移，形成速度差，從而形成滑流區(qū)，如圖3.8。固體和液體接觸時(shí)，固體表面普遍存在荷電現(xiàn)象，它導(dǎo)致了固/液界面的液體一側(cè)帶著相反電荷。固體表面在溶液中荷電后，靜電引力會吸引該溶液中帶相反電荷的離子。它向固體表面靠攏而聚集在距離二相界面一定距離的液體一側(cè)界面區(qū)內(nèi)，以補(bǔ)償其電荷平衡，于是構(gòu)成了液體邊界上的雙電層。根據(jù)雙電層理論，當(dāng)兩個(gè)雙電層相互接近時(shí)，兩雙電層產(chǎn)生疊加，并且兩雙電層間存在相互作用力。一般情況下兩個(gè)相同的雙電層（即兩雙電層界面處的固體一方呈現(xiàn)相同的電性）之間的作用力表現(xiàn)為電斥力，導(dǎo)致液體具有更高的粘度。這一現(xiàn)象稱為電粘

13、度效應(yīng)。這一效應(yīng)可以導(dǎo)致液體在雙電層范圍內(nèi)的承載能力增加。2.3液體表面性質(zhì)在液體本體內(nèi)的分子所受的力是對稱的，但是構(gòu)成液體的分子在表面上所受的力與體內(nèi)不同，由于沒有外流體分子，表面分子的受力不再對稱。因?yàn)槭荏w內(nèi)分子吸引師徒將表面分子拉入體內(nèi)，從而使表面面積盡量縮小。這個(gè)力稱為表面張力，或單位面積上的自由能。影響表面張力的因素有：1分子間作用力。分子間的作用力增大，表面張力就增大。即金屬鍵離子鍵極性鍵非極性鍵。2溫度。一般情況下溫度升高，表面張力降低。臨界溫度時(shí)，氣、液相無區(qū)別，界面消失，表面張力趨近于零。3接觸的另一相物質(zhì)。液體的毛細(xì)效應(yīng)是在一個(gè)細(xì)小管徑的管子浸入液體時(shí)，液體上升或下降的一種

14、現(xiàn)象。這種狹窄的管子或是流道稱為毛細(xì)管。液體在毛細(xì)管中的自由曲面稱為凹凸面。水在玻璃表面的邊緣會稍微向上彎曲，但是水銀會在邊緣處向下彎曲。另外，毛細(xì)上升與管徑成反比，所以管子的內(nèi)徑越小，管仲液體的上升越多。毛細(xì)上升也與液體密度成反比，所以密度較小的液體毛細(xì)上升越大。當(dāng)溶劑中加入溶質(zhì)，溶液的表面張力會發(fā)生改變。通常把能顯著降低液體表面張力的物質(zhì)稱為該液體的表面活性劑。表面活性劑分子都是由親水性的極性基團(tuán)和憎水性的非極性基團(tuán)兩部分構(gòu)成的。當(dāng)加入活性劑后，憎水基被推出水面，伸向空氣，親水基留在水中，結(jié)果表面活性劑分子在界面上定向排列，形成單分子表面膜。當(dāng)分散在水中的表面活性劑分子以其非極性部位自相結(jié)

15、合時(shí)，形成憎水基向里，親水基朝外的多分子聚集體，稱為締合膠體或膠束，呈近似球狀、層狀或棒狀。表面活性劑有廣泛的應(yīng)用，例如：1潤濕作用（滲透作用），可用作潤濕劑、滲透劑；2乳化作用、分散作用、增溶作用，可用作乳化劑、分散劑、增溶劑；3發(fā)泡作用、消泡作用，可用作起泡劑、消泡劑；4洗滌作用，可用作洗滌劑。3固-液界面3.1固液界面濕潤性液體的濕潤性通常指它在固體表面的鋪展或聚集的能力。液體表面傾向于收縮，這表現(xiàn)在當(dāng)外力的影響很小時(shí)液滴趨于球形。一般認(rèn)為邊界潤滑莫的機(jī)理與潤滑劑的濕潤性有關(guān)。另外，存在潤滑油的兩固體間的粘著等現(xiàn)象也與潤滑油的表面張力大小密切相關(guān)。潤滑劑的濕潤性對邊界潤滑有重要影響，潤滑

16、劑分子在摩擦表面生成吸附膜所依靠的粘附能與其表面濕潤性有關(guān)。3.2固-液吸附膜吸附石指在相界面上某種物質(zhì)的濃度不同于體相濃度的現(xiàn)象。由于固體表面具有一定的表面張力，潤滑油的極性基團(tuán)等都容易產(chǎn)生吸附，而使表面形成各種膜。根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，表面膜可以分為吸附膜和反應(yīng)膜兩種。當(dāng)氣體或液體與固體表面接觸時(shí)，由于分子或原子相互吸引的作用力而纏身的吸附叫物理吸附。這種吸附并不改變吸附層的分子或電子分布，其吸附膜較弱，對溫度敏感，加熱可使分子解吸。物理吸附一般是在常溫、低速、輕載條件下形成的。物理吸附于解附使完全可逆的。由于急性分子的有價(jià)電子與基體表面的電子發(fā)生交換而產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力，使急性分子定向排列

17、，吸附在金屬表面上所形成的吸附膜叫做化學(xué)吸附膜。化學(xué)吸附膜要比物理吸附膜穩(wěn)定的多，并且在同樣條件下是不可逆的，要在高溫下踩能解附?；瘜W(xué)吸附一般在中等在和、中等滑動速度即中等溫度條件下形成。在在和過大、沖擊性過大、氣動停車過于頻繁、速度過低或間歇擺動等工況下，一般很難獲得足夠厚度的潤滑膜。當(dāng)表面過于粗糙時(shí)，潤滑膜的厚度也難以保證粗糙峰脫離接觸，這時(shí)可以利用潤滑油中的極性物質(zhì)吸附在金屬表面形成吸附膜以防止和減輕磨損。為有效利用吸附膜潤滑，需要注意：合理的選擇摩擦表面材料和潤滑劑以及控制表面粗糙度。加入必要的油性添加劑，通常的油性添加劑有高級脂肪酸、酯、醇等?？刂乒r條件，在中蘇和中輕載荷條件下，吸

18、附膜能有效的減輕粘著磨損、微動磨損和氧化磨損，而對磨粒磨損的減輕程度視磨粒大小而定。外部物質(zhì)與接觸表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成不同于表面基體成分的化學(xué)物質(zhì)為表面反應(yīng)膜，也稱為表面化學(xué)反應(yīng)膜。這種化學(xué)反應(yīng)膜具有高的熔點(diǎn)及低的剪切強(qiáng)度，并且比化學(xué)吸附膜和物理吸附膜要穩(wěn)定的多，這種反應(yīng)是不可逆的?；瘜W(xué)反應(yīng)莫一般在重載，高溫、高速條件下形成。4氣-固界面4.1固體吸附從物理學(xué)上，固相和氣相是兩個(gè)完全不同的相態(tài)，然而實(shí)際上，固-氣界面處是兩相交織的部分，它們按一定比例分配，這種分配就是通常講的吸附或是化合。氣體停留在固體表面上稱為氣體在固體的吸附。氣-固界面的重要特性是固體對氣體的吸附作用。固體界面上的原子或分

19、子與液體界面分子相似，受到的力是不平衡的，因此也有界面張力。任何界面都有自發(fā)降低界面能的傾向。由于固體原子或分子不能自由移動，固體界面難以收縮，只能通過降低界面更張力來降低界面能，這就是固體界面產(chǎn)生吸附作用的根本原因。以固體表面質(zhì)點(diǎn)和吸附分子間作用力的性質(zhì)區(qū)分沒吸附作用大致可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型。物理吸附石分子間范德華力作用的結(jié)果?；瘜W(xué)吸附實(shí)質(zhì)上是一種化學(xué)反應(yīng)，它是發(fā)生多相催化反應(yīng)的前提。4.2影響吸附和脫附的因素1固體表面性質(zhì)對吸附和脫附的影響由于固體表面原子受力不對稱和表面結(jié)構(gòu)不均勻，從而要吸附氣體分子來降低表面自由能，影響吸附的表面性質(zhì)包括以下幾個(gè)方面：（1）固體表面粗糙度，粗

20、糙表面在一定程度上增大了固體的表面積；（2）固體表面缺陷，固體表面的點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)等盡管所占比例很小，但對表面吸附、催化等具有重要作用；（3）固體表面的不均勻性，固體表層的組織與結(jié)構(gòu)往往與體相不同，這種表面組成和結(jié)構(gòu)的變化影響它的吸附和催化能力；（4）固體的表面能。2工況對吸附的影響（1）溫度，氣體吸附是放熱過程，因此無論物理吸附還是化學(xué)吸附，溫度升高時(shí)，吸附量都減少。但不是溫度越低越好。在物理吸附中，要發(fā)生明顯的吸附作用，一般溫度要控制在氣體的沸點(diǎn)附近。溫度不但影響吸附量，而且還影響吸附速率和吸附類型；（2）壓力，吸附質(zhì)壓力增加時(shí)，無論物理吸附還是化學(xué)吸附，吸附量和吸附速率都會增加；（3）吸附

21、質(zhì)，吸附過程最重要的還是取決于吸附劑和吸附質(zhì)本身的性質(zhì)。通常有以下規(guī)律：相似相吸，即極性吸附劑易于吸附極性吸附質(zhì)，非極性吸附劑易于吸附非極性吸附質(zhì)；無論極性吸附劑還是非極性吸附劑，一般吸附質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，沸點(diǎn)越高，表明其范德華力作用越強(qiáng)，氣體越容易被凝結(jié)，則其被吸附的能力越強(qiáng)；酸性吸附劑易于吸附堿性吸附質(zhì)，反之亦然。5固-固界面固-固界面是指結(jié)構(gòu)或組分不同的兩個(gè)固相接觸時(shí)的界面。當(dāng)結(jié)構(gòu)或組分不同的兩個(gè)圖像相互接觸形成界面時(shí)，單位面積的自由能愛擴(kuò)大的界面區(qū)域的變化稱為界面能。5.1粘附理論球-平面接觸模型在不考慮表面力作用，且固-固接觸時(shí)，如果滿足以下條件：1接觸體均質(zhì)、各向同性；2接觸體表

22、面光滑、連續(xù)；3接觸面輪廓可以用二階曲面描述；4滿足小應(yīng)變線彈性條件，且一般為半空間接觸問題；5接觸面無摩擦；6僅僅考慮接觸力，不考慮接觸面粘著力。那么球-平面接觸的接觸面積與外加在和存在以下關(guān)系：P=43Ka3R式中，K為復(fù)合彈性模量；R=R1R2R1+R2為等效接觸半徑；a為接觸區(qū)半徑。5.2粘附影響因素從能量角度，當(dāng)兩固體的表面相互接觸、粘著并形成界面后，如果施加外力將該粘著界面分離，并使兩固體相距無窮遠(yuǎn)，則外力在單位面積上所做的功定義為粘著能。粘著能從根本上取決于形成粘附界面的材料表面能的大小，而粘附力除了依賴于粘著能，還取決于脫附方式。1粗糙度對接觸與粘著的影響：當(dāng)兩個(gè)理想光滑平面相距1mm時(shí)，范德華力的作用強(qiáng)度可達(dá)10-100Mpa；當(dāng)距離為0.3-0.4mm時(shí)，可達(dá)100-1000MPa。如果兩理想光滑物體接觸，表面間范德華力可產(chǎn)生很強(qiáng)的粘著力，然而實(shí)際表面粗糙度使粘著力收到很大影響，實(shí)驗(yàn)得到的粘著力比理論預(yù)測的小100-1000倍。2表面微結(jié)構(gòu)對粘著的影響：在微、納米尺度下，微結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀態(tài)是研究粘著的關(guān)鍵問題，在對矩形薄膜表面殘余應(yīng)力和外加載荷下的粘附模型的研究中，得到膜表面