摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識PPT課件

1、摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 摩擦力是指兩個相互接觸的物體在外力作用下發(fā)生相對運動（或具有相對運動趨勢）時在接觸面間產(chǎn)生的切向運動阻力。摩擦力方向沿接觸面的切線方向， 與物體間的相對運動或相對運動趨勢相反，阻礙物體間的相對運動 。 摩擦造成大量能耗，世界能源的1/2-1/3消耗在克服摩擦上；摩擦使相對運動的零件表面發(fā)生磨損，導(dǎo)致配合間隙增大，影響機器的精度、壽命和可靠性。摩擦使摩擦副工作溫度升高，將發(fā)生咬死；或過熱使?jié)櫥瑒┦?，加劇磨損。第1頁/共56頁摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 降低摩擦、減少磨損的措施：用滾動摩擦代替滑動摩擦，以潤滑或固體潤滑代替干摩擦，以減摩合金代替一般金屬等。 摩擦的

2、好處？摩擦帶來的有效應(yīng)用？摩擦的好處？摩擦帶來的有效應(yīng)用？第2頁/共56頁3摩擦的益處：如摩擦傳動，離合器，制動器，火車和汽車的驅(qū)動輪，螺栓和螺母之間的摩擦緊固等。第3頁/共56頁4摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識一、摩擦的分類 (一) 按摩擦副的運動狀態(tài)分 （1）靜摩擦：一個物體沿著另 一個物體表面有相對運動趨勢但無相對運動時產(chǎn)生的摩擦。靜摩擦力大小隨作用于物體上的外力而變化。 當外力克服最大靜摩擦力時，物體才開始宏觀運動。 （2）動摩擦：一個物體沿著另 一個物體表面有宏觀相對運動時接觸表面間的摩擦。這時的摩擦力就是動摩擦力。請依次舉出靜摩擦和動摩擦的實例請依次舉出靜摩擦和動摩擦的實例第4頁/共

3、56頁5摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識一、摩擦的分類 (二) 按摩擦副的運動方式分 （1）滑動摩擦：兩物體接觸表面作相對運動（或具有相對滑動趨勢）的摩擦。 （2）滾動摩擦：一物體在力矩作用下沿著另 一個物體表面滾動時接觸表面間的摩擦。 第5頁/共56頁6摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (三) 按摩擦副的表面潤滑狀況分 (1)無潤滑摩擦(干摩擦) 這種摩擦常用于制動器、摩擦傳動和紡織、食品、化工機械的部件(從污染或安全考慮，不允許使用潤滑劑)，以及在高溫下工作的機械部件。 這種摩擦具有分子和機械的特性，即在實際接觸面積上作用著分子引力，其作用距離比晶格中原子間距大幾十倍，并隨溫度上升而增加。分子引力

4、可以引起局部的粘著，粘著力與實際接觸面積成正比，施加的載荷通過實際接觸面積影響粘著力的大小。第6頁/共56頁7摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 分子力都垂直于表面在表面發(fā)生切向位移時不會作功。但由于發(fā)生了粘著，切向位移會引起材料的變形，要消耗一定能量，即必須施加較大的切向力，才能造成位移。因此，摩擦力F決定于分子的和機械的作用： F = aAr + bP 式中 ：a 為摩擦力分子作用分量的平均強度， Ar 為實際接觸面積， b 為反映摩擦力機械作用分量的系數(shù)， P 為載荷。第7頁/共56頁8摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 摩擦系數(shù) = FP， F = aAr + bP 所以 = aAr/ P + b

5、 這個表達式對無潤滑和有潤滑的摩擦都適用。在摩擦力中，機械作用分量(由塑性變形所引起)一般比較小，占百分之幾。摩擦系數(shù)主要由分子作用分量決定。 如果在金屬表面存在氧化膜、水分或污染物，它們之間的分子引力比清潔金屬表面會成百倍下降，使摩擦系數(shù)顯著降低。 第8頁/共56頁9摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識(2)邊界潤滑摩擦 在邊界潤滑狀態(tài)，兩接觸表面被一層很薄的油膜隔開(可從一個分子層到0.1 m)。這個邊界層或邊界膜可使摩擦力降低 210倍，使表面磨損顯著減少。 （ 所有油類都能在金屬表面上吸附。但吸附膜的強度決定于其中是否存在活性分子，以及它們的數(shù)量和特性。雖然一般礦物油由非活性的碳氫化合物組成，

6、但除去超純的礦物油外，其中總會含有一些有機酸、樹脂或其它表面活性物質(zhì)。因此，幾乎所有潤滑油都能在金屬表面形成小于0.1 m厚、準晶態(tài)的、并與表面有一定結(jié)合強度的邊界膜.）第9頁/共56頁10摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (2)邊界潤滑摩擦 在載荷作用下，實際接觸表面會發(fā)生彈塑性變形而使微凸體互相擠入，滑動的阻力來自邊界膜的剪切和互相擠入微凸體“耕犁”作用的抗力。此外，在某些遭受最大塑性變形，或產(chǎn)生局部高溫的接觸點上，可能引起邊界膜的破壞，導(dǎo)致金屬的直接接觸，增加滑動的阻力。 第10頁/共56頁11摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 邊界膜必須具有較高抗壓強度和較低剪切強度，才能起潤滑作用?？刹捎檬?/p>

7、、MoS2和軟金屬作為固體潤滑膜。 軟金屬常用材料是鉛、錫、銦等，它們都具有很低的剪切強度。第11頁/共56頁12思考題 ：請從晶體結(jié)構(gòu)的角度解釋具有固體潤滑特性的原因？第12頁/共56頁13摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 石墨、MoS2都具有六方結(jié)構(gòu)，沿c軸的晶格常數(shù)均大于a軸，因此層與層原子間結(jié)合強度低于層內(nèi)原子間結(jié)合強度，層與層之間剪切強度較弱。 具有層狀結(jié)構(gòu)的常用固體潤滑材料第13頁/共56頁14摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (3)流體潤滑摩擦 流體潤滑的特點是摩擦表面完全被油膜隔開，靠油膜的壓力平衡外載荷，油膜厚度越大，固體表面對遠離它的油分子影響越小。在流體潤滑中，摩擦阻力決定于潤滑

8、油的內(nèi)摩擦(粘度)。 這種摩擦條件具有最小摩擦系數(shù)。從節(jié)能、延長壽命和減少磨損考慮，流體潤滑摩擦是最理想的條件，摩擦力也與接觸表面的狀況無關(guān)。 第14頁/共56頁15摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 （在潤滑油中的表面活性分子吸附在固體表面形成單分子層-邊界層-微紊流區(qū)-層流區(qū)(見右圖)。 為實現(xiàn)流體潤滑，最小油膜厚度必須不小于兩接觸表面輪廓高度算術(shù)平均值之和，同時還要考慮在載荷作用下表面的變形程度，零件加工與裝配的誤差，以及潤滑油中出現(xiàn)硬雜質(zhì)的可能性。油膜有足夠厚度才能避免金屬直接接觸。）第15頁/共56頁16摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 二、摩擦的機理 (一)早期摩擦理論 ( 最早提出摩擦基本

9、概念的是15世紀的Leonado da Vinci(14521519)。他的著名假說啟發(fā)了法國科學(xué)家Amontons進行大量摩擦的試驗研究，于1699年發(fā)表了他的試驗結(jié)果: 發(fā)現(xiàn)摩擦力總是等于法向載荷的13，而與摩擦表面的面積無關(guān)。 后來Coulumb于1785年，繼續(xù)進行了仔細的試驗研究，不但肯定Amontons的結(jié)論，而且發(fā)展了他的工作。 )第16頁/共56頁17摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (由這些初期研究中得出的摩擦規(guī)律，可概括為以下幾個摩擦的基本定律：) 第一定律：摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成 正比。 FP 或 F=P 式中稱為摩擦系數(shù)。 第二定律：摩擦系數(shù)與兩接觸體之間的表觀接

10、觸 面積無關(guān)。 第三定律：摩擦系數(shù)與滑動速度無關(guān)。第17頁/共56頁18摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 這些基本定律經(jīng)歷了許多年，一直到近代沒有重大修改，因而理應(yīng)承認它們是能夠成立的。但是根據(jù)后來的研究，發(fā)現(xiàn)這些定律在很多情況下是不正確的。 例如第二定律（摩擦系數(shù)與兩接觸體之間的表觀接觸面積無關(guān)）。僅對有一定屈服點的材料(如金屬)才能成立，它不適用于彈性及粘彈性材料。第三定律（摩擦系數(shù)與滑動速度無關(guān)），則完全不適用于任何材料。第18頁/共56頁19摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 用于闡明干摩擦特性的早期摩擦理論主要是：1機械聯(lián)結(jié)理論 1699年Amontons和de la Hire提出，金屬的摩擦

11、可能是由于粗糙表面的微凸體之間的互鎖作用所引起。這個理論對靜摩擦的存在作了解釋，同時它把動摩擦解釋為使上表面的微凸體越過下表面微凸體所需的力。第19頁/共56頁20摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 2分子吸引理論 1929年Tomlinson及1936年Hardy先后提出，當一種材料的原子從它們的配合表面上的吸力范圍內(nèi)被拉出時，要消耗一定能量，構(gòu)成了摩擦力。后來的研究認為，摩擦是由于分子運動鍵的斷裂過程所引起在這個過程中。由于表面及次表面分子周期性地拉伸、破裂及松弛，導(dǎo)致能量的消耗。 第20頁/共56頁21摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (二)焊合、剪切及犁削理論 比較新的摩擦理論是Bowden和T

12、abor于1950年提出，即焊合剪切及犁削理論：當接觸表面相互壓緊時它們只在微凸體的頂端接觸，由于接觸面積很小，微凸體上的壓力很高，足以引起塑性變形和“冷焊”現(xiàn)象。這樣形成的焊合點因表面的相對滑動而被剪斷。這一部分力量構(gòu)成摩擦力的粘著分量 Fadh= A S 式中,A為剪切的總面積。S為焊合點的平均剪切強度。 第21頁/共56頁22摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 除焊合、剪切外較硬表面的微凸體對較軟材料會造成犁削作用。它構(gòu)成摩擦力的犁削分量Fpl, 總的摩擦力 F = Fadh+ Fpl = AS + Fpl 大多數(shù)情況，F(xiàn)pl與Fadh相比很小，可忽略不計。 則 F AS = F/P = AS

13、/Ap = S/p 式中 p為材料的屈服壓力, A為剪切的總面積；S為焊合點的平均剪切強度第22頁/共56頁23摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (三)摩擦的能量理論 固體之間的摩擦是非常復(fù)雜的表面物理化學(xué)現(xiàn)象。一些簡單的摩擦理論，只能解釋局部的個別的現(xiàn)象，而且多數(shù)是單純從力學(xué)角度進行研究，而沒有考慮到摩擦過程中可能產(chǎn)生的各種物理的、化學(xué)的、電學(xué)的、熱學(xué)的等等現(xiàn)象。近年來，發(fā)展了摩擦的能量理論，即從能量平衡的觀點綜合分析摩擦過程。這個理論目前不夠成熟，還只限于定性分析。 第23頁/共56頁24摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 右圖表示一個摩擦過程中能量轉(zhuǎn)化的框圖。在摩擦過程中，輸入的能量總是大于輸出的

14、能量，損失的能量即相當于摩擦過程中力學(xué)的、物理的和化學(xué)的變化能量消耗的總和。 第24頁/共56頁25摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 在金屬的摩擦中，主要的能量消耗在塑性變形過程中。由裂紋的形成、擴展及新表面的形成所消耗的斷裂能量，只有在磨損過程中才是主要的。二次過程能量一般所占比例較小。因此研究摩擦過程中的塑性變形規(guī)律及其影響因素，是深入摩擦現(xiàn)象本質(zhì)的一個重要問題。第25頁/共56頁26摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 三、摩擦系數(shù)及其影響因素（一）摩擦系數(shù)與這些材料參數(shù)有關(guān)？晶粒度晶體結(jié)構(gòu)各向異性硬度層錯能彈性模量第26頁/共56頁27摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 三、摩擦系數(shù)及其影響因素（一）摩

15、擦系數(shù)與材料參數(shù)有關(guān) 1晶體結(jié)構(gòu) 具有密排六方結(jié)構(gòu)的鈷，表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)，當在高溫轉(zhuǎn)變成立方結(jié)構(gòu)時，摩擦系數(shù)迅速上升。 實驗證明 uhexufccubcc 2晶體的各向異性 同一種金屬，在不同的晶面和晶向會表現(xiàn)出不同的摩擦系數(shù)，如在真空中鎢對鎢的摩擦系數(shù)在(110)面為1.33，在(210)面為1.90，在(100)面為3.00。 第27頁/共56頁28摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 3晶粒度 晶粒越細，摩擦系數(shù)越低，這可能與晶粒度對材料硬度的影響有關(guān)。隨硬度提高，摩擦系數(shù)下降。 4層錯能 層錯能決定了材料位錯交滑移的難易程度。層錯能越高，交滑移和攀移越容易進行，摩擦系數(shù)越低。 5彈性模量

16、它是拉伸金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)所需應(yīng)力的度量。原子之間結(jié)合力越強，彈性模量越大，摩擦系數(shù)也就越低。 第28頁/共56頁29摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 6材料強度與硬度 強度與硬度越高，塑性變形抗力越大，越不容易在接觸點形成焊合，摩擦系數(shù)也越低。 除去材料參數(shù)外，大量試驗證明，摩擦系數(shù)還受到很多其它因素的影響，如化學(xué)環(huán)境，載荷，速度，潤滑條件，溫度等等。所有這些表明，摩擦現(xiàn)象是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題，摩擦系數(shù)并非材料的屬性，認為摩擦系數(shù)是個常數(shù)，只有當材料及其它條件完全固定情況下才成立。第29頁/共56頁30摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識（二）摩擦系數(shù)的影響因素 1、接觸點的生長（ 接觸面積生長） 切向力

17、的效果，造成摩擦系數(shù)上升，但受污染層限制 主要是摩擦初始階段第30頁/共56頁31摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 2. 表面膜的存在 大多數(shù)表面污染都是由于暴露在空氣中的金屬表面上迅速生成的氧化膜所構(gòu)成。因此金屬之間的接觸，實際上是被氧化膜所隔開。 除去氧化膜外，還可能形成表面的氣體吸附膜和潤滑油吸附膜。在油潤滑條件下，由于吸附油膜的存在，實際發(fā)生金屬與金屬接觸的面積只占真實接觸面積的一部分。第31頁/共56頁32摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 3. 潤滑油粘度 潤滑油的粘度越高，摩擦系數(shù)越低。因為粘度越高，油膜厚度越大，使剪切應(yīng)力集中在油膜內(nèi)，金屬微凸體之間接觸減少，摩擦系數(shù)下降。第32頁/共5

18、6頁33摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 4. 載荷 一般來說載荷增加，摩擦系數(shù)上升第33頁/共56頁34摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識4. 載荷 載荷增加，油膜厚度減少，吸附層及氧化層受到壓縮，金屬表面層發(fā)生加工硬化，微凸體變平，使接觸面積增大，結(jié)果使摩擦系數(shù)上升。但這個趨勢只在一定的載荷條件下存在，當載荷再增大時，摩擦系數(shù)不再增加。第34頁/共56頁35摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識四、摩擦引起的各種效應(yīng) (一)溫度效應(yīng) 金屬在互相摩擦過程中，由于產(chǎn)生彈性變形特別是塑性變形，將消耗很大的能量，而這些能量至少有90轉(zhuǎn)變成熱。如果這些熱量保留在金屬表面層，則瞬時溫度可以達到相當高的程度。 因為金屬的加

19、工表面都具有一定的粗糙度實際的接觸面積只分布在少數(shù)微凸體上，因此在微凸體處將發(fā)生更大程度的塑性變形和斷裂出現(xiàn)更高的能量集中從而形成比整個表面層更高的溫度。為了區(qū)分這兩種情況，一般把表面層的溫度稱為平均溫度。把微凸體處瞬時(10-610-3s)形成的溫度稱為閃溫。第35頁/共56頁36摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 在接觸表面能夠達到的最高溫度可以用平均溫度與閃溫之和表示： TT = TM+TF 接觸表面摩擦溫度的形成和變化常常是和磨損現(xiàn)象的發(fā)展和轉(zhuǎn)化密切聯(lián)系在一起的。特別是粘著磨損。右圖是灰鑄鐵與17Cr不銹鋼在大氣中干摩擦時磨損速率與溫度之間的關(guān)系。從圖中可見在閃溫達到300時出現(xiàn)最大磨損速率

20、。第36頁/共56頁37摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 因此摩擦溫度是反映磨損現(xiàn)象的一個十分敏感的效應(yīng)利用兩者的對應(yīng)關(guān)系，可以通過測量接觸溫度的變化來監(jiān)控磨損過程的發(fā)展。 另一方面，摩擦溫度的形成必然會影響表面層的組織結(jié)構(gòu)及其性能。如果溫度高到相變點以上，則會引起表面層組織的相變過程。 第37頁/共56頁38摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 在一般鋼鐵材料中，在磨損表面形成的“白層”就是相變的產(chǎn)物。既使在溫度不太高，低于相變點的情況下，也會引起回火軟化，回復(fù)再結(jié)晶等過程，使材料性能發(fā)生變化。到現(xiàn)在為止，很多磨損理論涉及到材料的力學(xué)性能時使用的都是常溫條件下的性能數(shù)據(jù)，這顯然是個極大的誤差。由于摩擦溫

21、度的作用必然會顯著地影響磨損機制的變化。軟材料所以能磨損硬材料，不考慮摩擦溫度的作用是無法理解的。 第38頁/共56頁39摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 除去對材料性能的影響以外，摩擦溫度的變化，還會影響潤滑油的性能及潤滑條件從而改變總的摩擦磨損狀態(tài)。 鑒于摩擦溫度在研究摩擦與磨損機理方面的重要作用，各國的摩擦學(xué)工作者都對摩擦溫度的測量技術(shù)給予了極大的重視，進行了大量的工作。但這個任務(wù)是非常困難的，因為表面的最高溫度是在極小的微凸體上接觸時瞬時產(chǎn)生的，要能精確地測出閃溫，必須設(shè)計制造出一種高靈敏度的、精細的而本身又不被磨損(或雖然被磨損，但不影響測量結(jié)果)的傳感器。但到目前為止，這種傳感器還在研

22、究探索之中。第39頁/共56頁40摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 現(xiàn)在大量應(yīng)用的測溫方法，實際上都是用于測量表面平均溫度，主要包括熱電偶方法，紅外線方法等。由于測量誤差的存在，測出的溫度數(shù)據(jù)彼此差別很大。鑒于測溫的困難，很多人企圖用理論計算的方法來求出閃溫，有的是根據(jù)傳熱學(xué)的理論推導(dǎo)出來，有的是根據(jù)經(jīng)驗公式。但因為影響摩擦溫度的因素太復(fù)雜，計算結(jié)果出入相當大。這些計算公式的驗證，還有待于準確的測溫技術(shù)的實現(xiàn)。 隨著測量技術(shù)的提高，及表面層組織結(jié)構(gòu)變化分析定量化的實現(xiàn)，以及兩個方面的互相補充，將有可能獲得真實的摩擦溫度。這將對摩擦理論及磨損機理產(chǎn)生重大影響和帶來新的突破。第40頁/共56頁41摩擦

23、學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (二)冶金效應(yīng) 大量的金相研究證明，金屬表面層的塑性變形是滑動摩擦的普遍現(xiàn)象。下圖為45號鋼表面塑性變形層截面的掃描電鏡形貌及其示意圖?？梢娫谒苄宰冃螀^(qū)中靠近表面的部分形成一個高度變形層，顯微組織強烈細化，取向性顯著提高，其流線幾乎與表面平行。在經(jīng)過大距離的滑動摩擦后，表面變形層會達到穩(wěn)定狀態(tài)，即高度變形層的厚度趨于恒定。 第41頁/共56頁42摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 在塑性變形層的微觀結(jié)構(gòu)分析中，會發(fā)現(xiàn)位錯結(jié)構(gòu)的劇烈變化。如對低碳鋼的摩擦表面層進行透射電鏡薄膜樣品的觀察，可看到不同深度處的位錯結(jié)構(gòu)。摩擦前原始材料的位錯，數(shù)量很少且分布均勻。摩擦后在15um深度

24、的位錯結(jié)構(gòu)已發(fā)生明顯變化，可看到很多高位錯密度的窄帶。在8-10um深度處位錯的胞狀結(jié)構(gòu)已開始形成。在5um深度處胞狀結(jié)構(gòu)已完全形成，胞的尺寸約為1-3um。在最表層的位錯胞尺寸還要小一些，而且沿滑動方向被拉長，甚至發(fā)生碎化。在周期運動中，這些位錯胞壁將形成應(yīng)力集中，特別是與滑動方向垂直的那些胞壁。這些區(qū)域?qū)⒃谘h(huán)載荷作用下產(chǎn)生微裂紋，成為疲勞磨損的根源。第42頁/共56頁43摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 (如果同時考慮到摩擦過程的溫度效應(yīng)，則可以想象，塑性變形所引起組織結(jié)構(gòu)及性能變化必然受到摩擦溫度的影響而發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶過程。對這種綜合效應(yīng)在摩擦表面層的組織與性能方面造成的效果還很少進行研究

25、，但這對于摩擦與磨損機理的研究是一個十分重要的問題。 )第43頁/共56頁44摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 對一般鋼鐵材料，滑動摩擦可能引起表面層組織結(jié)構(gòu)變化的另一個典型現(xiàn)象，就是形成“白層”結(jié)構(gòu)，它的一般特征是具有相當高的硬度(可達700-1200HV)，耐腐蝕，在制備金相試樣時，用一般的腐蝕液很難被腐蝕，因呈現(xiàn)白色，故稱“白層”。其厚度根據(jù)摩擦條件可以從幾個um到100um不等。這種現(xiàn)象并不限于摩擦表面。在噴丸強化，磨削加工，電火花切割，激光處理后的表面，以及長期使用的鐵軌接頭處都會形成。第44頁/共56頁45摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 在摩擦過程中，特別是干摩擦，在微凸體接觸區(qū)域的溫度

26、可能超過相變點，表面層存在的溫度梯度將促進新相形成的過程，同時摩擦過程還會引起元素的擴散。這些都將促進相變過程的加速進行而形成白層結(jié)構(gòu)。關(guān)于白層的組織結(jié)構(gòu)及其高硬度的原因還存在很多爭論，如有以下一些觀點： 1由于激熱激冷，形成了超細晶粒的淬火馬氏體。 2與環(huán)境介質(zhì)作用，吸收了氧與氮形成一定數(shù)量的氧化物與氮化物。 3. 與潤滑油作用，吸收了碳形成了較多的碳化物。 但多數(shù)人認為白層結(jié)構(gòu)主要是馬氏體+奧氏體+碳化物三者的混合物，這已為大量的電鏡與X射線分析所證實。 第45頁/共56頁46摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 整個白層不一定是一層均勻的組織，還可能出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，這種情況決定于相變完成的程度，與

27、摩擦條件有密切關(guān)系。重要的是必須建立充分的溫度及變形條件，不能保證這個條件，相變過程不能充分進行，就可能出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)的過渡狀態(tài)。 白層結(jié)構(gòu)具有高硬度是肯定的，但它對摩擦與磨損的作用還有待于研究。如白層是在摩擦過程中形成，還是在停止摩擦之后才形成的。如果屬于后者，則在摩擦過程中金屬表面處于奧氏體狀態(tài)，它對摩擦與磨損的影響就會是另一種情況。再有白層是否都能形成一層均勻等厚的組織，如果是不均的，是否會引起較大的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中等。 第46頁/共56頁47摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識(三)化學(xué)效應(yīng) 在摩擦過程中，表面層的化學(xué)組成會發(fā)生顯著的變化，雖然這個薄層很薄，甚至只有幾個納米的數(shù)量級，但它對材料

28、的摩擦與磨損卻起了十分重要的作用?；瘜W(xué)成分的變化主要來自以下幾個方面： 金屬與氣體金屬與潤滑劑金屬與金屬第47頁/共56頁481金屬與氣體之間的相互作用 這種相互作用可能有三種基本形式:物理吸附，化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng)。 物理吸附是靠分子之間引力形成的，具有比較弱的結(jié)合鍵。 化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)都可以形成比較強的結(jié)合鍵。 由于表面吸附了氣體，一般都會使摩擦系數(shù)降低，降低的程度因不同氣體而異。在H2，02，CO2，H2S等氣體中以氧的作用最顯著。所以人們常稱之為天然潤滑劑。第48頁/共56頁49摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識2金屬與潤滑劑之間的相互作用 大部分潤滑劑用的是礦物油，其分子結(jié)構(gòu)一般是氫與碳原子連接成的長鏈： 第49頁/共56頁50摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識 潤滑油所以具有高的粘度，可以設(shè)想是由于它們的長鏈結(jié)構(gòu)互相纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)而引起的。一般植物