摩擦與潤滑 6金屬材料成形過程的潤滑課件

6.1概述◆潤滑目的：潤滑劑形成的膜將彼此作相對運動的表面隔開,降低剪切阻力，減少表面任何損傷。在金屬塑性成形中主要提高工具的壽命，節(jié)省能源，保證產(chǎn)品的質(zhì)量?！魸櫥绞剑焊鶕?jù)潤滑膜的厚度、二物體接觸表面合成粗糙度的高度（界面高度）分布，可分為不同的潤滑方式?，F(xiàn)在普遍認為1990～1992年提出的Stribeek曲線代表了有潤滑劑粘度η、速度V、載荷F為函數(shù)的有潤滑運動表面的通用特性曲線。根據(jù)表面幾何形貌、材料、運轉(zhuǎn)條件及表面分離距離h，可分3種主要潤滑狀態(tài)：

I.流體動壓潤滑（油膜h>>合成粗糙度R：摩擦阻力來自潤滑劑內(nèi)摩擦，μ小，磨損W?。?混合潤滑（油粘度、速度小，或載荷大：h小≈R，載荷由油膜和部分微凸體承擔）Ⅲ.邊界潤滑（接觸微凸體數(shù)目增多，油膜h減少成為單分子層，載荷主要由微凸體承擔）6.金屬材料成形過程的潤滑6.1概述6.金屬材料成形過程的潤滑1◆潤滑極限

潤滑極限是潤滑失效的臨界值，即潤滑可能出現(xiàn)的“極限”狀態(tài)。由Stribeck曲線可知，曲線向左端和向右端有兩種潤滑極限狀態(tài)（失效狀態(tài)）：

1)向右端隨著速度的增加,流體的層流狀態(tài)可能轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。

2)向左端隨著速度的降低,各種非流體動壓潤滑狀態(tài)運轉(zhuǎn),潤滑劑膜最終將會破壞,并導致“膠合”或“咬死”形式的嚴重失效?！魸櫥瑯O限潤滑極限是潤滑失效的臨界值，26.2流體潤滑在適當條件下，工具與工件表面間由一定厚度(一般在1.5～2mm以上)的潤滑油膜隔開，依靠潤滑油的壓力來平衡外載荷，在潤滑油膜中的分子大部分不受金屬表面力場的作用，而可以自由地移動，這種狀態(tài)稱為流體潤滑。流體潤滑下摩擦系數(shù)很小，通常為0.001～0.008。根據(jù)流體潤滑油膜壓力形成的方式不同，可將流體潤滑分為二類：流體動壓潤滑、流體靜壓潤滑?！窳黧w動壓潤滑：摩擦表面間發(fā)生相對運動，由形成的收斂油楔產(chǎn)生的油膜壓力來平衡外載?！窳黧w靜壓潤滑：由外部供油系統(tǒng)供給一定壓力的潤滑油，由油的靜壓力來平衡外載。6.2流體潤滑3◆流體動壓潤滑理論：流體在外力作用下流動時，由于本身分子之間的內(nèi)聚力以及流體與固體壁面之間的附著力，使各流層之間產(chǎn)生速度上的差異，各流層之間由于相對運動而產(chǎn)生的摩擦力稱為內(nèi)摩擦力。流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種性質(zhì)，叫做流體的粘性。只有在流體流動時才會呈現(xiàn)粘性，靜止不動的流體不呈現(xiàn)粘性。

牛頓流體內(nèi)摩擦定律(流體摩擦定律)假設流體做層流運動，且各流層的速度按線形分布，則這種流體的粘度不為0，稱為牛頓流體。根據(jù)牛頓的實驗，對于牛頓流體，流體層間的內(nèi)摩擦力F與層間厚度dz成反比，與層間接觸面積A和相對運動速度dv成正比，即：

F＝η·A·dv/dzτ＝F/A=η·dv/dz

式中,τ－流層間的剪應力；dv/dz－流速梯度；η－粘度，表征流體粘性大小。

流體粘度動力粘度：單位距離兩流層以單位速度相對運動時，單位面積上的阻力。國際單位制中其單位為：N.s/m2，Pa.s。運動粘度：它沒有明確的物理意義，它表示相同溫度條件下，動力粘度與密度的比值：υ＝η/ρ。國際單位制中其單位為：m2/s。

◆流體動壓潤滑理論：

牛頓流體內(nèi)摩擦定律(流體摩擦定律)

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流體摩擦定律與干摩擦定率的不同點

■流體摩擦定律：流體的內(nèi)摩擦正比于流層間的相對速度，并隨液體的粘度而改變，但與正壓力無關。液體摩擦定律只適合于牛頓流體。F＝η·A·dv/dz■干摩擦定律：這與固體的摩擦定率很不同，在固體摩擦(或干摩擦)時，摩擦力與正壓力成正比，而與運動的相對速度關系不大。F＝f（N,…）

形成流體動壓潤滑的條件基本條件就是油楔必須收斂，即在運動方向上油膜厚度應該變小。

流體動壓潤滑理論的基本方程—雷諾方程流體動壓潤滑是借助于粘性流體動力學作用，由摩擦表面幾何形狀以及相對運動產(chǎn)生潤滑油膜壓力來平衡外載。雷諾方程作為流體動壓潤滑理論的基本方程，它是壓力分布的微分方程,考慮了固體表面的速度及潤滑膜的形狀而建立的，從雷諾方程中，可得到流體動壓潤滑過程實際圖象、承載能力及摩擦阻力的基本摩擦學關系式。

流體摩擦定律與干摩擦定率的不同點

形成流體動壓潤滑的條5雷諾方程的假設條件:

1)流體是牛頓流體；2)流體是層流；3)流體粘附在摩擦面上；4)流體的慣性力可忽略不計；5)流體重量可忽略不計；6)體積力略去不計；7)沿流體膜厚度方向，流體的壓力為常數(shù)。意義：表達了流體動壓潤滑情況下，油膜壓力沿x,Z兩個方向的變化情況，以及流體沿x,y,z方向發(fā)生變化時，壓力梯度、流速、油膜厚度、潤滑油粘度等參數(shù)之間的關系。雷諾方程的假設條件:意義：表達了流體動壓潤滑情況下，油膜壓6產(chǎn)生油膜壓力的原因

①油楔效應：由流體膜形狀與表面相對速度(V1-V2)引起的，它的壓力大；②表面伸縮效應：要求x方向速度之和隨x方向位置而變化，它產(chǎn)生壓力極小，可不計；③擠壓效應：由垂直于流體的相對運動引起的，油膜厚度不隨時間變化時，所產(chǎn)生的效應可不計。產(chǎn)生油膜壓力的原因①油楔效應：由流體膜形狀與表面相對速度7◆流體靜壓潤滑在機械中有一種液體靜壓軸承是用高壓將潤滑油送入軸承間隙內(nèi)，保持一層較厚的潤滑油膜。壓力是由外加靜壓產(chǎn)生的，故這種潤滑稱為流體靜壓潤滑。在金屬材料成形中的靜液擠壓是屬于利用液體靜壓作用而實現(xiàn)的，靜壓力是由外界加于的，如圖。一是使金屬變形，另一方面在工具與坯料之間形成較厚的油膜起到潤滑作用。靜液擠壓優(yōu)點：（1）降低擠壓力；（2）變形均勻。潤滑“小池”一般情況下，在工具與變形金屬的接觸界面上，通常出現(xiàn)混合潤滑狀態(tài)，即一部分為邊界潤滑區(qū)、一部分為潤滑“小池”區(qū)，如圖所示。在金屬材料成形過程中，應盡量減少“潤滑小池”的產(chǎn)生，否則變形金屬的表面會變得更加粗糙，為了獲得光滑的表面就要使用粘度較小的或者潤滑膜薄的潤滑劑?！袅黧w靜壓潤滑86.3邊界潤滑機理邊界潤滑主要是物理吸附膜、化學吸附膜及化學反應膜對金屬表面的作用引起。因此，首先介紹這些膜對金屬表面的作用。◆物理吸附膜與金屬表面的作用

物理吸附膜包括：極性分子物理吸附膜，與非極性分子的物理吸附膜:

1)非極性分子物理吸附膜

一般礦物油(機油.錠子油.氣缸油等)為非極性的烴類有機化合物(通式為CnH2n+2),當它們與金屬表面接觸時，由于本身沒有永久偶極,只在分子內(nèi)部由于電子和原子核的不對稱運動而出現(xiàn)

瞬時偶極，靠瞬時偶極產(chǎn)生的色散力,使礦物油的分子吸附在金屬的表面，構成非極性分子邊界潤滑膜。由于金屬對潤滑油的吸附力很弱，油的內(nèi)聚力也很弱，所以膜的強度很低。圖為非極性分子在金屬表面的物理吸附的示意圖，16烷〔C16H34〕雖然粘度很高，但邊界潤滑能力很差。

6.3邊界潤滑機理92)極性分子物理吸附膜

脂肪酸、脂肪酸皂、動植物油以及高級醇類等屬極性化合物，這類物質(zhì)的分子一端為非極性的烴基〔R－〕，另一端為極性基團〔－COOH、－OH〕，其通式如表所示。當極性分子與非極性分子靠近時除有色散力與誘導力外。同時，誘導偶極又作用于極性分子，使其偶極矩增大，從而進一步加強了它們間的吸引。當具有永久偶極的分子與金屬表面接觸時，永久偶極帶負電的一端吸引金屬原子的原子核而排除其電子，使金屬原子的正負電荷中心不重合，從而產(chǎn)生誘導偶極，永久偶極和誘導偶極互相吸引，于是極性分子的極性端與金屬表面吸附，非極性端朝外，定向地排列在金屬表面，形成極性分子物理吸附膜。2)極性分子物理吸附膜10●極性分子在金屬表面吸附層的結構

0-代表分子的極性端；a－金屬表面；c、e－極性表面；b、d、f－滑動面?！駱O性分子在金屬表面吸附層的結構0-代表分子的極性端；a－11●極性分子在金屬表面的物理吸附

以16醇〔C16H33OH〕為例說明極性分子在金屬表面的物理吸附膜，如圖所示。由于極性基團存在，分子間內(nèi)聚力的增強，以及實際變形金屬的高表面活性，使這種物理吸附膜與金屬表面的吸附強度較低，高溫下將發(fā)生破裂，因此物理吸附形成的邊界潤滑膜，只適用于常溫、低速、輕載條件下工藝潤滑?！駱O性分子在金屬表面的物理吸附以16醇〔C16H312◆化學吸附膜與金屬表面的作用

極性分子與金屬表面除能發(fā)生物理吸附外，在一定的條件下還可通過化學作用，發(fā)生化學吸附。當金屬表面有一層氧化薄膜、并與脂肪酸等起化學反應，生成脂肪酸鹽而比較牢固的吸引在金屬的表面時，可以起到邊界潤滑作用。反應式：2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O脂肪酸鹽的熔點較原脂肪酸高,耐熱性好,不易破裂。圖表示硬脂酸〔C17H35COOH〕在鋼坯表面化學吸附形成的單分子層硬脂酸鐵皂膜?！艋瘜W吸附膜與金屬表面的作用極性分子13在潤滑油中加入某些極壓添加劑，如氯化石蠟、硫化棉籽油或油酸、磷酸脂等。添加含S、P、Cl元素的添加劑在一定的溫度下易產(chǎn)生化學反應形成化學反應膜。例如，硫與鐵反應生成硫化鐵無機鹽膜，如圖所示，其形成溫度為175～200℃。此時，從添加劑中析出活性硫原子，通過鐵失去電子，硫得到電子的反應而形成硫化鐵，即：

S＋2e→S2->FeSFe-2e→Fe2+◆化學反應膜與金屬表面的作用在潤滑油中加入某些極壓添加劑，如氯化石蠟、硫化棉14◆三種膜比較（1）物理吸附膜吸附強度低，具有可逆性，適于常溫、低速、輕載條件下的邊界潤滑；（2）而化學吸附膜穩(wěn)定，吸附牢固，適于高溫、高速、高壓條件下的邊界潤滑，但是只適用于能起化學反應的金屬表面的潤滑。（3）上述3種邊界膜都只能在一定溫度范圍內(nèi)使用，即具有一個臨界溫度?！羧N膜比較15◆邊界潤滑機理當金屬表面上形成幾個分子厚的邊界吸附膜時，由于極性分子的極性基團與金屬表面的牢固吸附，接觸表面產(chǎn)生相對滑動，將在邊界膜內(nèi)進行：a—極性分子的極性端與金屬表面結合牢固；c、e—極性分子的極性端結合牢固；b、d、f—非極性端結合弱，易形成滑移面。abcdef液體潤滑時，潤滑油厚度較大，金屬表面形貌與性質(zhì)對摩擦影響很??；而邊界潤滑時，邊界膜很薄，金屬表面形貌和性質(zhì)對摩擦起很大作用。若邊界潤滑時，由于膜薄，發(fā)生部分金屬的黏著，則此時的摩擦阻力由黏著力和邊界膜分子間剪切阻力之和：F＝aAjτs＋Aj（1－a）τbAj—承擔全部載荷面積；τs—黏著部分金屬剪切強度；τb—邊界膜剪切強度；a—發(fā)生金屬直接接觸（黏著部分）面積占總面積的百分數(shù)?！鞛楦纳七吔鐫櫥Ч海?）提高接觸表面的光潔度；（2）選用合理的潤滑劑，和添加添加劑?！暨吔鐫櫥瑱C理當金屬表面上形成幾個166.4油膜厚度的測定與計算

◆油膜厚度測定法（1）稱重法（適于擠壓、拉拔）：將制備的產(chǎn)品取樣，稱出表面帶有潤滑膜的樣品重量G，再用溶劑溶解掉樣品表面的潤滑油，稱出無潤滑油的樣品重量G’，則制品表面潤滑油厚度為：

h＝（G－G’）/ρA，ρ為潤滑油密度，A為樣品表面積則整個油膜厚度為2h。（2）油滴法（適于軋制、平面壓縮）：在兩個干凈的接觸表面上滴上一滴體積已知為V的油滴，然后壓縮，得到一個面積為A的油斑，則油膜厚度為：

h＝V/A

◆油膜厚度計算法以軋制為例，軋制時流體動壓潤滑的解析方法。如圖所示,可將軋輥與板材存在相互作用的范圍劃分成入口區(qū)、變形區(qū)和出口區(qū)幾部分,分別用不同的手段處理。軋輥和軋件間楔形動壓油膜的形成（1）軋輥表面平滑、潤滑油粘度較大時：潤滑劑分子與軋輥表面附著力較強，可認為固體和液體接觸層不產(chǎn)生相對滑動，則潤滑油被帶入輥縫，形成油楔。（2）軋輥表面粗糙、潤滑油粘度較小，則潤滑油被封閉在金屬表面的凹槽內(nèi)帶入輥縫，形成油楔。6.4油膜厚度的測定與計算◆油膜厚度計算法軋輥和軋件間楔17軋制入口平面處油膜厚度ξ0的計算公式推導假設與邊界條件：（1）在入口區(qū)，軋件尚未發(fā)生塑性變形，假定板材為剛性體；（2）對軋輥應考慮彈性變形；（3）粘度隨溫度，壓力而變化；（4）在變形區(qū)入口平面處沿軋制方向上壓力梯度為0。（5）在變形區(qū)的入口處油膜壓強p等于材料屈服應力。推導思路：把粘度變化的雷諾方程和能量方程聯(lián)立求解，在變形區(qū)的入口處油膜壓強p等于材料屈服應力的邊界條件下，首先求出包含ξ0的壓強分布方程式，進而通過dp/dx=0,求出ξ0軋制入口平面處油膜厚度ξ0的計算公式18軋制變形區(qū)沿接觸弧油膜厚度ξx的計算公式推導假設與邊界條件：（1）潤滑膜為不可壓縮流體，滿足秒體積不變條件；（2）潤滑油與固體表面接觸層與固體間無相對滑動，即他們速度相等。顯然，軋件出口平面上油膜厚度為：軋制變形區(qū)沿接觸弧油膜厚度ξx的計算公式顯然，軋件出口平面上196.1概述◆潤滑目的：潤滑劑形成的膜將彼此作相對運動的表面隔開,降低剪切阻力，減少表面任何損傷。在金屬塑性成形中主要提高工具的壽命，節(jié)省能源，保證產(chǎn)品的質(zhì)量?！魸櫥绞剑焊鶕?jù)潤滑膜的厚度、二物體接觸表面合成粗糙度的高度（界面高度）分布，可分為不同的潤滑方式?，F(xiàn)在普遍認為1990～1992年提出的Stribeek曲線代表了有潤滑劑粘度η、速度V、載荷F為函數(shù)的有潤滑運動表面的通用特性曲線。根據(jù)表面幾何形貌、材料、運轉(zhuǎn)條件及表面分離距離h，可分3種主要潤滑狀態(tài)：

I.流體動壓潤滑（油膜h>>合成粗糙度R：摩擦阻力來自潤滑劑內(nèi)摩擦，μ小，磨損W小）Ⅱ.混合潤滑（油粘度、速度小，或載荷大：h小≈R，載荷由油膜和部分微凸體承擔）Ⅲ.邊界潤滑（接觸微凸體數(shù)目增多，油膜h減少成為單分子層，載荷主要由微凸體承擔）6.金屬材料成形過程的潤滑6.1概述6.金屬材料成形過程的潤滑20◆潤滑極限

潤滑極限是潤滑失效的臨界值，即潤滑可能出現(xiàn)的“極限”狀態(tài)。由Stribeck曲線可知，曲線向左端和向右端有兩種潤滑極限狀態(tài)（失效狀態(tài)）：

1)向右端隨著速度的增加,流體的層流狀態(tài)可能轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。

2)向左端隨著速度的降低,各種非流體動壓潤滑狀態(tài)運轉(zhuǎn),潤滑劑膜最終將會破壞,并導致“膠合”或“咬死”形式的嚴重失效?！魸櫥瑯O限潤滑極限是潤滑失效的臨界值，216.2流體潤滑在適當條件下，工具與工件表面間由一定厚度(一般在1.5～2mm以上)的潤滑油膜隔開，依靠潤滑油的壓力來平衡外載荷，在潤滑油膜中的分子大部分不受金屬表面力場的作用，而可以自由地移動，這種狀態(tài)稱為流體潤滑。流體潤滑下摩擦系數(shù)很小，通常為0.001～0.008。根據(jù)流體潤滑油膜壓力形成的方式不同，可將流體潤滑分為二類：流體動壓潤滑、流體靜壓潤滑?！窳黧w動壓潤滑：摩擦表面間發(fā)生相對運動，由形成的收斂油楔產(chǎn)生的油膜壓力來平衡外載。●流體靜壓潤滑：由外部供油系統(tǒng)供給一定壓力的潤滑油，由油的靜壓力來平衡外載。6.2流體潤滑22◆流體動壓潤滑理論：流體在外力作用下流動時，由于本身分子之間的內(nèi)聚力以及流體與固體壁面之間的附著力，使各流層之間產(chǎn)生速度上的差異，各流層之間由于相對運動而產(chǎn)生的摩擦力稱為內(nèi)摩擦力。流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種性質(zhì)，叫做流體的粘性。只有在流體流動時才會呈現(xiàn)粘性，靜止不動的流體不呈現(xiàn)粘性。

牛頓流體內(nèi)摩擦定律(流體摩擦定律)假設流體做層流運動，且各流層的速度按線形分布，則這種流體的粘度不為0，稱為牛頓流體。根據(jù)牛頓的實驗，對于牛頓流體，流體層間的內(nèi)摩擦力F與層間厚度dz成反比，與層間接觸面積A和相對運動速度dv成正比，即：

F＝η·A·dv/dzτ＝F/A=η·dv/dz

式中,τ－流層間的剪應力；dv/dz－流速梯度；η－粘度，表征流體粘性大小。

流體粘度動力粘度：單位距離兩流層以單位速度相對運動時，單位面積上的阻力。國際單位制中其單位為：N.s/m2，Pa.s。運動粘度：它沒有明確的物理意義，它表示相同溫度條件下，動力粘度與密度的比值：υ＝η/ρ。國際單位制中其單位為：m2/s。

◆流體動壓潤滑理論：

牛頓流體內(nèi)摩擦定律(流體摩擦定律)

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流體摩擦定律與干摩擦定率的不同點

■流體摩擦定律：流體的內(nèi)摩擦正比于流層間的相對速度，并隨液體的粘度而改變，但與正壓力無關。液體摩擦定律只適合于牛頓流體。F＝η·A·dv/dz■干摩擦定律：這與固體的摩擦定率很不同，在固體摩擦(或干摩擦)時，摩擦力與正壓力成正比，而與運動的相對速度關系不大。F＝f（N,…）

形成流體動壓潤滑的條件基本條件就是油楔必須收斂，即在運動方向上油膜厚度應該變小。

流體動壓潤滑理論的基本方程—雷諾方程流體動壓潤滑是借助于粘性流體動力學作用，由摩擦表面幾何形狀以及相對運動產(chǎn)生潤滑油膜壓力來平衡外載。雷諾方程作為流體動壓潤滑理論的基本方程，它是壓力分布的微分方程,考慮了固體表面的速度及潤滑膜的形狀而建立的，從雷諾方程中，可得到流體動壓潤滑過程實際圖象、承載能力及摩擦阻力的基本摩擦學關系式。

流體摩擦定律與干摩擦定率的不同點

形成流體動壓潤滑的條24雷諾方程的假設條件:

1)流體是牛頓流體；2)流體是層流；3)流體粘附在摩擦面上；4)流體的慣性力可忽略不計；5)流體重量可忽略不計；6)體積力略去不計；7)沿流體膜厚度方向，流體的壓力為常數(shù)。意義：表達了流體動壓潤滑情況下，油膜壓力沿x,Z兩個方向的變化情況，以及流體沿x,y,z方向發(fā)生變化時，壓力梯度、流速、油膜厚度、潤滑油粘度等參數(shù)之間的關系。雷諾方程的假設條件:意義：表達了流體動壓潤滑情況下，油膜壓25產(chǎn)生油膜壓力的原因

①油楔效應：由流體膜形狀與表面相對速度(V1-V2)引起的，它的壓力大；②表面伸縮效應：要求x方向速度之和隨x方向位置而變化，它產(chǎn)生壓力極小，可不計；③擠壓效應：由垂直于流體的相對運動引起的，油膜厚度不隨時間變化時，所產(chǎn)生的效應可不計。產(chǎn)生油膜壓力的原因①油楔效應：由流體膜形狀與表面相對速度26◆流體靜壓潤滑在機械中有一種液體靜壓軸承是用高壓將潤滑油送入軸承間隙內(nèi)，保持一層較厚的潤滑油膜。壓力是由外加靜壓產(chǎn)生的，故這種潤滑稱為流體靜壓潤滑。在金屬材料成形中的靜液擠壓是屬于利用液體靜壓作用而實現(xiàn)的，靜壓力是由外界加于的，如圖。一是使金屬變形，另一方面在工具與坯料之間形成較厚的油膜起到潤滑作用。靜液擠壓優(yōu)點：（1）降低擠壓力；（2）變形均勻。潤滑“小池”一般情況下，在工具與變形金屬的接觸界面上，通常出現(xiàn)混合潤滑狀態(tài)，即一部分為邊界潤滑區(qū)、一部分為潤滑“小池”區(qū)，如圖所示。在金屬材料成形過程中，應盡量減少“潤滑小池”的產(chǎn)生，否則變形金屬的表面會變得更加粗糙，為了獲得光滑的表面就要使用粘度較小的或者潤滑膜薄的潤滑劑?！袅黧w靜壓潤滑276.3邊界潤滑機理邊界潤滑主要是物理吸附膜、化學吸附膜及化學反應膜對金屬表面的作用引起。因此，首先介紹這些膜對金屬表面的作用?！粑锢砦侥づc金屬表面的作用

物理吸附膜包括：極性分子物理吸附膜，與非極性分子的物理吸附膜:

1)非極性分子物理吸附膜

一般礦物油(機油.錠子油.氣缸油等)為非極性的烴類有機化合物(通式為CnH2n+2),當它們與金屬表面接觸時，由于本身沒有永久偶極,只在分子內(nèi)部由于電子和原子核的不對稱運動而出現(xiàn)

瞬時偶極，靠瞬時偶極產(chǎn)生的色散力,使礦物油的分子吸附在金屬的表面，構成非極性分子邊界潤滑膜。由于金屬對潤滑油的吸附力很弱，油的內(nèi)聚力也很弱，所以膜的強度很低。圖為非極性分子在金屬表面的物理吸附的示意圖，16烷〔C16H34〕雖然粘度很高，但邊界潤滑能力很差。

6.3邊界潤滑機理282)極性分子物理吸附膜

脂肪酸、脂肪酸皂、動植物油以及高級醇類等屬極性化合物，這類物質(zhì)的分子一端為非極性的烴基〔R－〕，另一端為極性基團〔－COOH、－OH〕，其通式如表所示。當極性分子與非極性分子靠近時除有色散力與誘導力外。同時，誘導偶極又作用于極性分子，使其偶極矩增大，從而進一步加強了它們間的吸引。當具有永久偶極的分子與金屬表面接觸時，永久偶極帶負電的一端吸引金屬原子的原子核而排除其電子，使金屬原子的正負電荷中心不重合，從而產(chǎn)生誘導偶極，永久偶極和誘導偶極互相吸引，于是極性分子的極性端與金屬表面吸附，非極性端朝外，定向地排列在金屬表面，形成極性分子物理吸附膜。2)極性分子物理吸附膜29●極性分子在金屬表面吸附層的結構

0-代表分子的極性端；a－金屬表面；c、e－極性表面；b、d、f－滑動面?！駱O性分子在金屬表面吸附層的結構0-代表分子的極性端；a－30●極性分子在金屬表面的物理吸附

以16醇〔C16H33OH〕為例說明極性分子在金屬表面的物理吸附膜，如圖所示。由于極性基團存在，分子間內(nèi)聚力的增強，以及實際變形金屬的高表面活性，使這種物理吸附膜與金屬表面的吸附強度較低，高溫下將發(fā)生破裂，因此物理吸附形成的邊界潤滑膜，只適用于常溫、低速、輕載條件下工藝潤滑。●極性分子在金屬表面的物理吸附以16醇〔C16H331◆化學吸附膜與金屬表面的作用

極性分子與金屬表面除能發(fā)生物理吸附外，在一定的條件下還可通過化學作用，發(fā)生化學吸附。當金屬表面有一層氧化薄膜、并與脂肪酸等起化學反應，生成脂肪酸鹽而比較牢固的吸引在金屬的表面時，可以起到邊界潤滑作用。反應式：2RCOOH+MeO=(RCOO)2Me+H2O脂肪酸鹽的熔點較原脂肪酸高,耐熱性好,不易破裂。圖表示硬脂酸〔C17H35COOH〕在鋼坯表面化學吸附形成的單分子層硬脂酸鐵皂膜?！艋瘜W吸附膜與金屬表面的作用極性分子32在潤滑油中加入某些極壓添加劑，如氯化石蠟、硫化棉籽油或油酸、磷酸脂等。添加含S、P、Cl元素的添加劑在一定的溫度下易產(chǎn)生化學反應形成化學反應膜。例如，硫與鐵反應生成硫化鐵無機鹽膜，如圖所示，其形成溫度為175～200℃。此時，從添加劑中析出活性硫原子，通過鐵失去電子，硫得到電子的反應而形成硫化鐵，即：

S＋2e→S2->FeSFe-2e→Fe2+◆化學反應膜與金屬表面的作用在潤滑油中加入某些極壓添加劑，如氯化石蠟、硫化棉33◆三種膜比較（1）物理吸附膜吸附強度低，具有可逆性，適于常溫、低速、輕載條件下的邊界潤滑；（2）而化學吸附膜穩(wěn)定，吸附牢固，適于高溫、高速、高壓條件下的邊界潤滑，但是只適用于能起化學反應的金屬表面的潤滑。（3）上述3種邊界膜都只能在一定溫度范圍內(nèi)使用，即具有一個臨界溫度?！羧N膜比較34◆邊界潤滑機理當金屬表面上形成幾個分子厚的邊界吸附膜時，由于極性分子的極性基團與金屬表面的牢固吸附，接觸表面產(chǎn)生相對滑動，將在邊界膜內(nèi)進行：a—極性分子的極性端與金屬表面結合牢固；c、e—極性分子的極性端結合牢固；b、d、f—非極性端結合弱，易形成滑移面。abcdef液體潤滑時，潤滑油厚度較大，金屬表面形貌與性質(zhì)對摩擦影響很??；而