摩擦磨損原理 1固體的表面特性

1、 物質(zhì)不是無限的，物質(zhì)不是無限的，在晶體中原子或分子的周期性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，體液體、固體氣體及固體固體的界面，常把固常把固體氣體（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。1 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

2、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)點體的物質(zhì)質(zhì)點( (分子、原子、離分子、原子、離子、原子集團子、原子集團) )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)則的周期性重復(fù)排列重復(fù)排列（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個頂角各有個頂角各

3、有1個原子，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個原子。金屬鋼、銀、金、鋁、鎳、鉛、銠、個原子。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個原子周圍與其等距個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，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（2 2）體心立方晶胞）體心立方晶胞(bcc) (bcc) 體

4、心立方晶胞體心立方晶胞: : 在在8 8個頂角各有個頂角各有1 1個原子，在其立方體的個原子，在其立方體的中心還有一個原子。顯然，每一個原子周圍有中心還有一個原子。顯然，每一個原子周圍有8 8個最近鄰個最近鄰原子，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（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原子，在其上、六棱柱體的各角有一個原子，在其上、下面中心還各有一個原子，此外

5、在兩面的中間還有三個原下面中心還各有一個原子，此外在兩面的中間還有三個原子。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，而且每個原子都是在陣點上靜止不動看作是規(guī)則的、完整的，而且每個原子都是在陣點上靜止不動的。然而，實際上金屬晶體由于原子熱振動，以及受到溫度、的。然而，實際上金屬晶體由于原子熱振動，以及受到溫

6、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”。 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。而基體中的任一個原子的配位數(shù)為體中的任一個原子的配位數(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)

7、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 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

8、晶體表面的機械性能、物不斷變化和交互作用的。它們對晶體表面的機械性能、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 晶體表面缺陷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）點缺陷）點缺陷（2 2）線缺陷）線缺陷（3 3）面缺陷）面缺陷 v點缺陷 在三維方向上尺寸都很小的缺陷稱為點在三維方向上尺寸都很小的缺陷稱為點缺陷，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，振

9、動能量晶體中原子在其平衡位置上作高頻率的熱振動，振動能量經(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，于是在陣點上產(chǎn)生空位。開原來的平衡位置，于是在陣點上產(chǎn)生空位。即使在極純的金屬中，也總會存在一定量的雜質(zhì)原子。雜即使在極純的金屬中，也總會存在一定量的雜質(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)。點缺陷的存在對金屬的物理和機械性能，以及熱處理性能點缺陷

10、的存在對金屬的物理和機械性能，以及熱處理性能都有較大的影響。產(chǎn)生一個空位引起的體積膨脹約為都有較大的影響。產(chǎn)生一個空位引起的體積膨脹約為0.50.5個個原子體積；產(chǎn)生一個間隙原子引起的體積膨脹相當(dāng)于一個原原子體積；產(chǎn)生一個間隙原子引起的體積膨脹相當(dāng)于一個原子體積。子體積。 v線缺陷 最基本的位錯類型有兩類：刃型位錯和螺型位錯。若同最基本的位錯類型有兩類：刃型位錯和螺型位錯。若同時既包含刃型位錯又包含螺型位錯，則稱為混合位錯。時既包含刃型位錯又包含螺型位錯，則稱為混合位錯。 位錯可視為晶體中一部分晶體相對于另一位錯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

11、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線。與末滑移部分的交界線即為位錯線。 位錯的基本類型位錯的基本類型 a a）刃位錯；）刃位錯； b b）螺位錯）螺位錯 v位錯的相互作用 當(dāng)金屬表面有氧化膜時，則表面對位錯是相斥的，亦即表當(dāng)金屬表面有氧化膜時，則表面對位錯是相斥的，亦即表層不會產(chǎn)生低位錯密度區(qū)。這主要是由于在兩個彈性模量不層不會產(chǎn)生低位錯密度區(qū)。這主要是由于在兩個彈性模量不同材料邊界附近的位錯，界面也會對它產(chǎn)生相互作用。如果同材料邊界附近的位錯，界面也會對它產(chǎn)生相互作用。如果位錯處于彈性模量低的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯給予斥力；位錯處于彈性模量低的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯給予斥力；

12、若位錯處于彈性模量高的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯給予吸力。若位錯處于彈性模量高的介質(zhì)一側(cè)，則界面對位錯給予吸力。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有排斥作用。比金屬大，所以氧化膜覆蓋的表面對位錯有排斥作用。 晶體中的位錯靠近自由表面時，自由表面將與此位錯產(chǎn)生晶體中的位錯靠近自由表面時，自由表面將與此位錯產(chǎn)生相互作用。由于位錯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)部運動到晶體表面，應(yīng)變能將會降低，故如果位借由晶體內(nèi)部運動到晶體表面，

13、應(yīng)變能將會降低，故位錯由晶體內(nèi)部運動到晶體表面是一種自發(fā)的過程，其結(jié)果位錯由晶體內(nèi)部運動到晶體表面是一種自發(fā)的過程，其結(jié)果將使表面層中位錯密度降低。將使表面層中位錯密度降低。 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勢能的總和稱為固體表面固體表面能或表面自由能能或表面自由能。單位為。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固體表面的原子在固體內(nèi)部引力作用下有從其表面進入固體內(nèi)部的趨向，同時使其表面的面積盡表面進入固體內(nèi)部的趨向，同時使其表面的面積盡量收縮，這種使表面收縮

14、而沿固體表面切向作用的量收縮，這種使表面收縮而沿固體表面切向作用的力叫做力叫做表面張力。表面張力。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)每個原子有只有當(dāng)每個原子有12個最近鄰，能量才最低，結(jié)個最近鄰，能量才最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。當(dāng)少了四個最近鄰原子，出現(xiàn)了四個構(gòu)最穩(wěn)定。當(dāng)少了四個最近鄰原子，出現(xiàn)了四個“斷斷鍵鍵”時，表面原子的能量就會升高。和表面原子的這時，表面原子的能量就會升高。和表面原子的這種高出來的能量相連的就是種高出來的能量相連的就是表面能表面能。 晶面的表面能晶面的表面能 不同晶面作表面時，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同

15、。不同晶面作表面時，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同。 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，金屬的熔點也越高。點也越高。 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材料摩擦磨損非常重要。當(dāng)兩種不同的材料相互接觸，作

16、用的表面發(fā)生粘著和斷裂時，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，斷裂處往往不是在粘著接點，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，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)計斷開一個粘著接點的一方。因此，根據(jù)結(jié)合鍵能、可以預(yù)計斷開一個粘著接點所需的能量，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。 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

17、增加而增加。因此，高熔點金屬的表張力，隨其結(jié)合鍵能的增加而增加。因此，高熔點金屬的表面張力比低熔點金屬的表面張力大。面張力比低熔點金屬的表面張力大。 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( (因為層面間距較大因為層面間距較大) )。若以。若以它們作表面，則晶體能量較低。所以晶體暴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

18、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，這時的表面微觀上度，為了盡量以表面能低的晶面為表面，這時的表面微觀上呈臺階狀。表面能愈低的面，其摩擦也將愈小。金屬表面能呈臺階狀。表面能愈低的面，其摩擦也將愈小。金屬表面能可通過實驗測定?？赏ㄟ^實驗測定。 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）；2. 晶體取向；晶體取向；3. 表面形貌：粗糙表面凸峰處表面能大于平面和表面形貌：粗糙表面凸峰處表面能大于平面和凹谷處；凹谷處；4. 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

19、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。 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

20、種膜。膜。 按照所形成膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的差別，可將其分為按照所形成膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的差別，可將其分為吸吸附膜附膜和和反應(yīng)膜反應(yīng)膜兩大類。前者又可分為兩大類。前者又可分為物理吸附膜物理吸附膜與與化化學(xué)吸附膜學(xué)吸附膜；后者也可分為；后者也可分為化學(xué)反應(yīng)膜化學(xué)反應(yīng)膜及及氧化膜氧化膜。 表面吸附是實際固體重要的表面現(xiàn)象，它的存在可表面吸附是實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”。

21、當(dāng)吸附與解吸達到動態(tài)平衡時，固體表面。當(dāng)吸附與解吸達到動態(tài)平衡時，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。 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。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

22、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)的碳氫化合物長鏈結(jié)構(gòu)的碳氫化合物(如：油酸、棕桐酸和如：油酸、棕桐酸和酯等酯等)都具有這種性能。都具有這種性能。在邊界潤滑中的物理吸附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。硬脂酸在固體表面物理吸附硬脂酸在固體表面物理吸附 化學(xué)吸附時吸附物與固體表面

23、之間發(fā)生電子互換或存在共化學(xué)吸附時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。比物理吸附用電子對，吸附膜與固體表面的結(jié)合力很強。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?；瘜W(xué)吸附于固體表面的強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)，如氧可以很強烈地吸附于鐵或鈦，但吸附于銅、性有關(guān)，如氧可以很強烈地吸附于鐵或鈦，但吸附于銅、銀等貴金屬卻很弱。銀等貴金屬卻很弱?；瘜W(xué)吸附

24、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，這層氧不會長期停留在它開始吸附的位置旦吸附一層氧，這層氧不會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鐵與氧交換位置，直到表面能量達到最低狀態(tài)時，交換終止。氧交換位置，直到表面能量達到最低狀態(tài)時，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。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

25、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”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”不不僅有較低的切變強度，僅有較低的切變強度，相對說來也有比較高相對說來也有比較高的熔點。硬脂酸的熔的熔點。硬脂酸的熔點是點是69，而金屬皂，而金屬皂膜的熔點約為膜的熔點約為120。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判據(jù)是活化用于判別化學(xué)吸附和物理吸附的另一個判據(jù)是活化能。當(dāng)產(chǎn)生能。當(dāng)產(chǎn)生化學(xué)吸附時，需要有一定的活化能化學(xué)吸附時，需要有一定的活化

26、能。這可能。這可能是由于存在一個溫度界限的緣故，低于此界限就不會發(fā)是由于存在一個溫度界限的緣故，低于此界限就不會發(fā)生化學(xué)吸附。生化學(xué)吸附。 物理吸附無需活化能物理吸附無需活化能，在任何溫度下都會以一定的，在任何溫度下都會以一定的速率，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。 氧吸附于鐵表面時，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，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。

27、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FeOFeO ( (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

28、化化膜膜構(gòu)構(gòu)造造Fe2O3Fe3O4FeOFe氧化膜氧化膜 氧化膜的生長速度受氧原子的擴散控制，其生氧化膜的生長速度受氧原子的擴散控制，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： 膜厚與時間呈拋物線關(guān)系：膜厚與時間呈拋物線關(guān)系： h2=Kt+C)/exp(RTQAK 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、臺階等，這些部位缺陷：晶界、位錯、臺階等，這些部位能量高能量高，氧化，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

29、置開始，一直到將表面覆蓋。氧化膜的生長過程氧化膜的生長過程氧化膜對金屬的保護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）氧化膜的密度和金屬相近：氧化膜能牢固覆蓋在金屬表面。金屬表面。（2）氧化膜的密度大于金屬密度：氧化膜中易出現(xiàn)拉）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。應(yīng)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)力和膜的體積不斷膨脹，

30、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，也會造成氧化膜）氧化膜與基體的熱漲系數(shù)不同，也會造成氧化膜脫落。脫落。 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)，二者間相互交換價電子而生成新的化合物膜間相互交換價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、氯化物等金屬鹽膜) 。 這種膜生成的厚度可以很厚，其結(jié)合能

31、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。其熔點高，而剪切強度性高，反應(yīng)是不可逆的。其熔點高，而剪切強度低，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。條件下使用。能產(chǎn)生這種反應(yīng)膜的油中添加能產(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?；瘜W(xué)反應(yīng)膜化學(xué)反應(yīng)膜 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)

32、吸附膜+化學(xué)反化學(xué)反應(yīng)膜應(yīng)膜cosSLSWLW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重要參數(shù)。潤濕程度的一個重要參數(shù)。 0，完全潤濕；，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

33、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。LWSLSLSWA1A2潤濕度潤濕度 接觸角：達平衡時，在氣，液，固三相交界處，氣接觸角：達平衡時，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。(圖圖中角中角 ) 如圖如圖 (1) =0(1) =0 完全潤濕完全潤濕 (2) 90(2) 90(3) 90不能潤濕不能潤濕 設(shè)有一橫截面為設(shè)有一橫截面為1cm2的固體柱，在理想的固體柱，在理想條件下（真空中）將它分成兩段時所作的功條件下（真空中）將它分成兩段時所作的功稱為內(nèi)聚功稱為內(nèi)聚功Wc，它表征了相同物質(zhì)

34、間的吸引，它表征了相同物質(zhì)間的吸引強度。拉斷后的固體柱增加了兩個面積為強度。拉斷后的固體柱增加了兩個面積為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為固體為固體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 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，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 實驗證明，界面能實驗證明，界面能

35、ab約為約為1/41/2(ab)。如果。如果a、b兩物質(zhì)能相互溶解或能形成金屬間化合物，其界兩物質(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 。)(ba41)(ba21a、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，即相同物質(zhì)間的摩擦要大于不同物質(zhì)間的摩擦。要大于不同物質(zhì)間的摩擦。 )(Wbaab43a、b相互溶解相互溶解 )(Wbaab21a、b不能相互溶解不能相互溶解 表面與不同環(huán)境發(fā)生相互作用，在表面上可形

36、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。表面下由于機加工而產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。實際氧化層。表面下由于機加工而產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。實際的金屬表面層剖面如圖所示，大致可分為五個組成部分：的金屬表面層剖面如圖所示，大致可分為五個組成部分：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(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

37、。物層。(4)(4)貝氏層貝氏層由于機加工中表面熔化和表面分子由于機加工中表面熔化和表面分子層的流動而產(chǎn)生的微晶層；層的流動而產(chǎn)生的微晶層；(5)(5)變形層變形層由于機加工而形成的變質(zhì)層。其變由于機加工而形成的變質(zhì)層。其變形層的強烈程度取決于加工時的變形功和金屬形層的強烈程度取決于加工時的變形功和金屬本身的性質(zhì)。本身的性質(zhì)。 實際的金屬表面除上述五部分外，還有更微觀的實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、雜質(zhì)、臺階缺陷存在，如位錯、雜質(zhì)、臺階( (生長臺階或解生長臺階或解理臺階理臺階) )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

38、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。 表面膜只有處于固態(tài)時，才能有效地防止微凸體的表面膜只有處于固態(tài)時，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及剪切強度。低接觸損傷。表面膜的最主要性能是熔點及剪切強度。低的剪切強度可降低摩擦系數(shù)。的剪切強度可降低摩擦系數(shù)。機械零件的表面形貌直接影響其磨

39、損、疲勞與腐蝕，機械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，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；飛機跑道的表面形貌影響飛機起降的平穩(wěn)性與飛機飛機跑道的表面形貌影響飛機起降的平穩(wěn)性與飛機機件的壽命；機件的壽命；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)，

40、而電子的發(fā)海洋表面的形貌直接同船舶航行有關(guān)，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。 宏觀和微觀粗糙度宏觀和微觀粗糙度 固體表面形貌的表征固體表面形貌的表征 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。在觀察和測量表面形貌的方法中，比較常用的有

41、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，觀測表面形貌和表面輪廓的分辨率方面，目目前比較先進的原子力顯微鏡（前比較先進的原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道）和掃描隧道顯微鏡（顯微鏡（STM）可以達到原子的尺度。）可以達到原子的尺度。在測量表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。 工作原理：工作原理：在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，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

42、小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運動經(jīng)支點使磁觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運動經(jīng)支點使磁芯同步地上下運動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線芯同步地上下運動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化。圈的電感量發(fā)生變化。 此變化經(jīng)由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運算等部此變化經(jīng)由電器箱中放大、濾波、檢波、積分運算等部分處理以后，可以直接由儀器電器

43、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，也可以傳遞到計算機上進行處理。也可以傳遞到計算機上進行處理。AFM圖象圖象輪廓儀得到的表面形貌輪廓儀得到的表面形貌 表面粗糙度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù) 1.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，定義為一個取樣長度內(nèi)，表面輪廓線偏離其中位線差，定義為一個取樣長度內(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)表達式為的絕對值的算術(shù)平均值。其數(shù)學(xué)表達式為 dxxzlRla0)(1其離散化計算公式為其離散化計算公式為

44、niiaznR112. 輪廓均方根偏差（輪廓均方根偏差（Rq） 統(tǒng)計學(xué)認(rèn)為，統(tǒng)計學(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，在一個取樣長度內(nèi)，表面輪廓線偏離特征。其定義為，在一個取樣長度內(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)平均值的平方根。其數(shù)學(xué)表達式為表達式為 21201/lqdxxzlR 其離散化計算公式為其離散化計算公式為 21121/niiqznR 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qaRR8 . 0表面粗糙

45、度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù)3. 微觀不平度十點平均高度（微觀不平度十點平均高度（Rz） 定義為取樣長度內(nèi)，定義為取樣長度內(nèi)，5個最大的輪廓峰高的平均值個最大的輪廓峰高的平均值與與5個最深的輪廓谷深的平均值之和。其數(shù)學(xué)表達式為個最深的輪廓谷深的平均值之和。其數(shù)學(xué)表達式為 55151iivipizhhR表面粗糙度的表征參數(shù)表面粗糙度的表征參數(shù)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) Ra Rq2.29 2.542.29 2.542.29 2.642.

46、29 2.682.29 2.682.29 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)描述一個表面的形貌是遠遠信息。由此可見，只用單一參數(shù)描述一個表面的形貌是遠遠不夠的。而必須考慮使用兩個或三個參數(shù)。例如，支承面曲不夠的。而必須考慮使用兩個或三個參數(shù)。例如，支承面曲線實質(zhì)上是根據(jù)二維參數(shù)得來的。此外，還

47、可以用微凸體的線實質(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、形狀和間隔三個不同的參數(shù)來定義一個表面的形貌。高度、形狀和間隔三個不同的參數(shù)來定義一個表面的形貌。表面輪廓水平方向的表征表面輪廓水平方向的表征1. 高點數(shù)高點數(shù) 所謂高點數(shù)，是指在評定長度內(nèi)，高出中位線或與所謂高點數(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數(shù)目。如圖所示的表面輪廓，其高點數(shù)為的數(shù)目。如圖所示的表面輪廓，其高點數(shù)為7。 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 含有一個輪廓峰（與中位線有交點的峰）和相鄰輪含

48、有一個輪廓峰（與中位線有交點的峰）和相鄰輪廓谷（與中位線有交點的谷）的一段中位線長度，稱為廓谷（與中位線有交點的谷）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， nimnmiSS11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)值愈峰谷間距特性方面的表面粗糙度參數(shù)，同樣，其數(shù)值愈大，表面愈粗糙。大，表面愈粗糙。 固體表面形貌的二維表征固體表面形貌的二維表征 直至目前，兩個相對成熟且有一定應(yīng)用前途直至目前，兩個相對成熟且有一定應(yīng)用前途的表面形貌特征的二維表征參數(shù)是：的表面形貌特征的二維表征參數(shù)是：輪廓高度分輪廓高度分布的概率密度函數(shù)、輪廓的支承長度率及支承曲布的概率密度函數(shù)、輪廓的支承長度率及支承曲線、表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)。線、表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜