摩擦學(xué)發(fā)展史

摩擦學(xué)發(fā)展史自動(dòng)化2班0805070124摘要：摩擦學(xué)是研究表面摩擦行為的學(xué)科。摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐（包括設(shè)計(jì)和計(jì)算、潤滑材料和潤滑方法、摩擦材料和表面狀態(tài)以及摩擦故障診斷、監(jiān)測和預(yù)報(bào)等）的一門邊緣學(xué)科。世界上使用的能源大約有1/3?1/2消耗于摩擦。摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(xué)科。世界上使用的能源大約有1/3?1/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報(bào)廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。摩擦學(xué)研究的對(duì)象很廣泛，在機(jī)械工程中主要包括動(dòng)、靜摩擦，如滑動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等；機(jī)械制造工藝的摩擦學(xué)問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動(dòng)力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。此外，還有生物中的摩擦學(xué)問題，如研究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進(jìn)艦只設(shè)計(jì)，研究人體關(guān)節(jié)潤滑機(jī)理以診治風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設(shè)計(jì)方案等。地質(zhì)學(xué)方面的摩擦學(xué)問題有地殼移動(dòng)、火山爆發(fā)和地震，以及山、海，斷層形成等。在音樂和體育以及人們?nèi)粘Ｉ钪幸泊嬖诖罅康哪Σ翆W(xué)問題。摩擦學(xué)涉及許多學(xué)科。如完全流體潤滑狀態(tài)的滑動(dòng)軸承的承載油膜，基本上可以運(yùn)用流體力學(xué)的理論來解算。但是齒輪傳動(dòng)和滾動(dòng)軸承這類點(diǎn)、線接觸的摩擦，就還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響；在計(jì)算摩擦阻力時(shí)則需要認(rèn)真考慮油的流變性質(zhì)，甚至要考慮瞬時(shí)變化過程的效應(yīng)，而不能把它簡化成牛頓流體。如果油膜厚度接近于接觸表面的粗糙度，還需要考慮表面紋理對(duì)潤滑油的阻遏和疏導(dǎo)作用，以及油溫所引起的熱效應(yīng)。油膜再薄，兩摩擦表面粗糙峰點(diǎn)也會(huì)發(fā)生接觸或碰撞，接觸峰將分擔(dān)一部分載荷，接觸峰點(diǎn)區(qū)域處于邊界潤滑狀態(tài)。在使用油性添加劑時(shí)，表面形成吸附膜，而在使用極壓添加劑時(shí)，表面形成反應(yīng)膜。為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，尋找各種磨損類型的相互轉(zhuǎn)化以及復(fù)合的錯(cuò)綜關(guān)系，需要對(duì)表面的磨損全過程進(jìn)行微觀研究。僅就油潤滑金屬摩擦來說，就需要研究潤滑力學(xué)、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質(zhì)、表面形貌、傳熱學(xué)和熱力學(xué)、摩擦化學(xué)和金屬物理等問題，涉及物理、化學(xué)、材料、機(jī)械工程和潤滑工程等學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用

必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。人類對(duì)摩擦現(xiàn)象早有認(rèn)識(shí)，并能用來為自己服務(wù)，如史前人類的鉆木取火?！对娊?jīng)?邶風(fēng)?泉水》中有“載脂載宣，還車言邁”的詩句，表明中國在春秋時(shí)期已應(yīng)用動(dòng)物脂肪來潤滑車軸。應(yīng)用礦物油作潤滑劑的記載最早見于西晉張華所著《博物志》，書中提到酒泉延壽和高奴有石油，并且用于“膏車及水碓甚佳”。但長久以來摩擦學(xué)的研究進(jìn)展緩慢，直到15世紀(jì)，意大利的列奧納多?達(dá)芬奇才開始把摩擦學(xué)引入理論研究的途徑。1785年，法國庫侖繼前人的研究，用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年，英國的鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘著理論。關(guān)于潤滑的研究，英國的雷諾于1886年繼前人觀察到的流體動(dòng)壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動(dòng)壓潤滑理論。20世紀(jì)50年代普遍應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)之后，線接觸彈性流體動(dòng)壓潤滑的理論開始有所突破。對(duì)磨損的研究開展較晚，20世紀(jì)50年代提出粘著理論后，60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。至此，綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關(guān)系的條件已初步具備，并逐漸形成摩擦學(xué)這一新的發(fā)展中的學(xué)科。然而發(fā)展成為Tribology還是1966年的事。中譯Tribology為“摩擦學(xué)"，在1980年冬才被正式確定。美國接受以Tribology代替Lubrication的地位，始于1984年。摩擦學(xué)研究的對(duì)象很廣泛，在機(jī)械工程中主要包括：①動(dòng)、靜摩擦副，如滑動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶-錄音頭等；②零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等；③機(jī)械制造工藝的摩擦學(xué)問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；④彈性體摩擦副，如汽車輪胎與路面的摩擦（見地面車輛力學(xué)）、彈性密封的動(dòng)力滲漏等；⑤特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。此外，還有生物中的摩擦學(xué)問題，如研究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進(jìn)艦只設(shè)計(jì)，研究人體關(guān)節(jié)潤滑機(jī)理以診治風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設(shè)計(jì)方案等。地質(zhì)學(xué)方面的摩擦學(xué)問題有地殼移動(dòng)、火山爆發(fā)和地震，以及山、海、斷層形成等。在音樂和體育以及人們?nèi)粘Ｉ钪幸泊嬖诖罅康哪Σ翆W(xué)問題。摩擦學(xué)涉及許多學(xué)科。例如油潤滑的金屬摩擦副，處于完全流體潤滑狀態(tài)的滑動(dòng)軸承的承載油膜，基本上可以運(yùn)用流體力學(xué)的理論來解算。但是齒輪傳動(dòng)和滾動(dòng)軸承這類點(diǎn)、線接觸的摩擦副，在計(jì)算它的流體動(dòng)壓潤滑的承載油膜時(shí)，還需要考慮接觸變形和高壓下潤滑油粘度變化的影響；在計(jì)算摩擦阻力時(shí)則需要認(rèn)真考慮油的流變性質(zhì)（從應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和時(shí)間幾方面研究物質(zhì)變形和流動(dòng)的物理性質(zhì)），甚至要考慮瞬時(shí)變化過程的效應(yīng)，而不能把它簡化成牛頓流體。如果油膜厚度接近于接觸表面的粗糙度，還需要考慮表面紋理對(duì)潤滑油的阻遏和疏導(dǎo)作用，以及油溫所引起的熱效應(yīng)。油膜再薄，兩摩擦表面粗糙峰點(diǎn)將發(fā)生接觸或碰撞，接觸峰將分擔(dān)一部分載荷，接觸峰點(diǎn)區(qū)

域處于邊界潤滑狀態(tài)。在使用油性添加劑時(shí)，表面形成吸附膜，而在使用極壓添加劑時(shí)，表面形成反應(yīng)膜。各種摩擦狀態(tài)，以及各種表面膜的生成和破裂，都與磨損的發(fā)生和發(fā)展有密切關(guān)系。為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，尋找各種磨損類型的相互轉(zhuǎn)化以及復(fù)合的錯(cuò)綜關(guān)系，則需要對(duì)表面的磨損全過程進(jìn)行微觀研究。這樣，僅就油潤滑金屬摩擦副來說就需要研究潤滑力學(xué)、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質(zhì)、表面形貌、傳熱學(xué)和熱力學(xué)、摩擦化學(xué)和金屬物理等問題，涉及物理、化學(xué)、材料、機(jī)械工程和潤滑工程等學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。摩擦學(xué)問題涉及多種因素，錯(cuò)綜復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)分析的方法進(jìn)行研究，可以明了諸因素之間的依賴和制約關(guān)系，以及分析問題的思路?；ハ嘟佑|的兩個(gè)物體，當(dāng)有相對(duì)滑動(dòng)或有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢時(shí)，在它們接觸面上出現(xiàn)的阻礙相對(duì)滑動(dòng)的力。摩擦對(duì)工程技術(shù)和日常生活極為重要。摩擦阻礙物體的運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)能量遭受損失，人類生產(chǎn)的總能量有很大一部分就是這樣被消耗掉的。因摩擦而損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱，使機(jī)器中許多滑動(dòng)面必須冷卻。同時(shí)，摩擦還伴隨著表面材料的損失，即發(fā)生磨損。磨損使零件的尺寸改變，失去應(yīng)有的精度和功能。世界上有很大一部分生產(chǎn)力就是用于補(bǔ)充、替換因磨損而變?yōu)闊o用的零件的。因此，人們采取各種減小摩擦的措施，例如在相對(duì)滑動(dòng)的表面上施用潤滑劑；用輪子、滾柱和滾珠使滑動(dòng)改為滾動(dòng)等。但摩擦也有有用的一面，許多傳動(dòng)與制動(dòng)設(shè)備是通過摩擦起作用的。常用的皮帶傳動(dòng)功能就是通過摩擦力實(shí)現(xiàn)的；汽車和機(jī)車的行駛也要依靠地面和鋼軌上的摩擦力。嚴(yán)冬冰雪覆蓋路面，有時(shí)必須在汽車后輪上加裝鐵鏈或在鋼軌上噴砂，才能產(chǎn)生足夠的摩擦力推動(dòng)車輛前進(jìn)。若摩擦力完全消失，則結(jié)繩、織布、打釘、執(zhí)筆以至坐立行走，都將成為不可能。因此，摩擦又是人類生存所不可缺少的。以油潤滑金屬摩擦副為例表示摩擦學(xué)系統(tǒng)的組成，它表明運(yùn)動(dòng)件、靜止件、潤滑油和環(huán)境大氣間的相互作用原理。是摩擦學(xué)系統(tǒng)的過程，用功能平面和由它分解出的3個(gè)概念性平面（功平面、熱平面、材料平面）來表示。材料平面包括固體材料面、流體（潤滑油、氣體）平面和反應(yīng)產(chǎn)物平面。畫出這些概念性平面間可能發(fā)生的摩擦學(xué)過程。垂直的實(shí)線表示化學(xué)轉(zhuǎn)變過程，垂直的虛線表示由功轉(zhuǎn)到熵的過程，它們都集中到熱平面上。因此系統(tǒng)過程圖是分析摩擦學(xué)問題時(shí)的有力工具。兩個(gè)相接觸的物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的阻礙它們相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為“動(dòng)摩擦”。在動(dòng)摩擦中出現(xiàn)的摩擦力稱為“動(dòng)摩擦力”。對(duì)物體所施之力大于最大靜摩擦力時(shí)，物體就開始運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)起來之后，若將所施加之力減小，物體便又停止運(yùn)動(dòng)。這一情況表明，物體運(yùn)動(dòng)之后，還有阻

止物體運(yùn)動(dòng)的力，即還有摩擦阻力。這種