第四章 摩擦磨損及潤(rùn)滑概述

第四章摩擦磨損及潤(rùn)滑概述第一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日§4-0概述

引言摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對(duì)于機(jī)器來講，摩擦?xí)剐式档?，溫度升高，表面磨損。過大的磨損會(huì)使機(jī)器喪失應(yīng)有的精度，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，縮短使用壽命。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。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。潤(rùn)滑是減小摩擦、減少磨損、提高機(jī)械效率的最常用最有效方法。研究摩擦、磨損與潤(rùn)滑的科學(xué)與技術(shù)構(gòu)成了摩擦學(xué)。當(dāng)在正壓力作用下相互接觸的兩個(gè)物體受切向力的影響而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上會(huì)產(chǎn)生抵抗運(yùn)動(dòng)的阻力，這種自然現(xiàn)象叫做摩擦。第二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日摩擦學(xué)的發(fā)展摩擦、磨損、潤(rùn)滑是一種古老的技術(shù)，但一直未成為一門獨(dú)立的學(xué)科。1964年英國(guó)以喬斯特為首的一個(gè)小組，受英國(guó)科研與教育部的委托，調(diào)查了潤(rùn)滑方面的科研與教育狀況及工業(yè)在這方面的需求。于1966年提出了一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告。這項(xiàng)報(bào)告提到，通過充分運(yùn)用摩擦學(xué)的原理與知識(shí)，就可以使英國(guó)工業(yè)每年節(jié)約510,000,000英鎊，相當(dāng)于英國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的1%。這項(xiàng)報(bào)告引起了英國(guó)政府和工業(yè)部門的重視，同年英國(guó)開始將摩擦、磨損、潤(rùn)滑及有關(guān)的科學(xué)技術(shù)歸并為一門新學(xué)科--摩擦學(xué)（Tribology）。第三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日§4-1摩擦“機(jī)械說”

--摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用；“分子說”

--摩擦原因是表面材料分子間的吸附力作用；一、摩擦的機(jī)理“機(jī)械－分子說”兩種作用均有。二、摩擦的分類內(nèi)摩擦外摩擦1、按摩擦機(jī)理不同分為：內(nèi)摩擦：在物質(zhì)的內(nèi)部發(fā)生的阻礙分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。外摩擦：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間發(fā)生的相互阻礙作用現(xiàn)象。第四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日靜摩擦動(dòng)摩擦2、按運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)不同分為：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦3、按運(yùn)動(dòng)的形式不同分為：干摩擦邊界摩擦流體摩擦混合摩擦4、滑動(dòng)摩擦按潤(rùn)滑狀態(tài)不同分為：第五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日1.干摩擦表面間無任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜，表面金屬直接接觸時(shí)的摩擦。2.邊界摩擦λ≤1三、滑動(dòng)摩擦狀態(tài)

→功耗↑磨損↑溫度↑運(yùn)動(dòng)副表面有一層厚度<1μm的薄油膜，不足以將兩金屬表面完全分開，其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面吸附性能，比干摩擦的磨損輕，f≈0.1~0.3第六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日吸附膜反應(yīng)膜邊界膜分為：物理吸附膜化學(xué)吸附膜邊界摩擦靠邊界膜起潤(rùn)滑作用，邊界膜的類型如下：潤(rùn)滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子?xùn)?，稱為物理吸附膜。潤(rùn)滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。潤(rùn)滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱為化學(xué)吸附膜。在潤(rùn)滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的邊界膜，稱為反應(yīng)膜。第七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日反應(yīng)膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應(yīng)膜，這種能力稱為極壓性。能生成反應(yīng)膜的潤(rùn)滑油稱為極壓油。注：溫度對(duì)邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。第八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日3.流體摩擦λ≤3～4其摩擦系數(shù)最小，f≈0.001~0.008，摩擦和磨損極輕，是理想的摩擦狀態(tài)。是指摩擦表面完全被流體膜隔開，彼此不直接接觸摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱為邊界摩擦。4.混合摩擦λ≤1～3是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)?；旌夏Σ聊苡行Ы档湍Σ磷枇?，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。第九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨損—由于摩擦而導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移?！?-2磨損后果—降低機(jī)器的效率和可靠性，甚至促使機(jī)器提前報(bào)廢。磨損率：?jiǎn)挝粫r(shí)間（或單位行程、轉(zhuǎn)角等）材料的損失量。耐磨性：是指材料抵抗脫落的能力，與磨損率成倒數(shù)關(guān)系。一、典型宏觀磨損過程

磨損量時(shí)間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損一個(gè)機(jī)械零件的磨損過程大體可分為三個(gè)階段：1）磨合階段

磨合（跑合）：是指新零件在運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損。包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個(gè)過程。

第十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日新摩擦副表面比較粗糙，真實(shí)微觀接觸面積比較小，壓強(qiáng)大，因此運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，磨損的速度逐漸減慢。新摩擦表面的微觀形貌2）穩(wěn)定磨損階段

這個(gè)階段屬于零件的正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長(zhǎng)短直接影響機(jī)器的壽命。3）劇烈磨損階段零件經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作磨損以后，表面精度下降，效率降低，沖擊振動(dòng)加大，溫度升高，導(dǎo)致磨損加劇，最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。注：設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。第十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨粒磨損二、磨損的分類：

疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型按磨損機(jī)理分按磨損表面外觀可分為點(diǎn)蝕磨損膠合磨損擦傷磨損第十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日三、磨損的機(jī)理：

磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：磨粒磨損—也簡(jiǎn)稱磨損，外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時(shí)被移去的材料，一部分流動(dòng)到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微粒切削過程就叫磨粒磨損。第十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：粘附磨損—也稱膠合，當(dāng)摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點(diǎn)處由于瞬時(shí)的溫升和壓力發(fā)生“冷焊”后，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘附磨損。嚴(yán)重的粘附磨損會(huì)造成運(yùn)動(dòng)副咬死。三、磨損的機(jī)理：

第十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：疲勞磨損—也稱點(diǎn)蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的接觸應(yīng)力作用下，反復(fù)變形所產(chǎn)生的材料疲勞所引起的機(jī)械磨損。點(diǎn)蝕過程：產(chǎn)生初始疲勞裂紋→擴(kuò)展→微粒脫落，形成點(diǎn)蝕坑。三、磨損的機(jī)理：

是高副（點(diǎn)、線接觸）機(jī)械零件的常件磨損形式。第十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：沖蝕磨損—流動(dòng)的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒沖擊零件表面所引起的機(jī)械磨損。利用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時(shí)，管道內(nèi)壁所產(chǎn)生的機(jī)械磨損是實(shí)例之一。三、磨損的機(jī)理：

第十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：腐蝕磨損—當(dāng)摩擦表面材料在環(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)作用下引起腐蝕，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。三、磨損的機(jī)理：

第十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動(dòng)磨損磨損類型：微動(dòng)磨損—是指摩擦副在微幅運(yùn)動(dòng)時(shí)，由上述各磨損機(jī)理共同形成的復(fù)合磨損。微幅運(yùn)動(dòng)可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用實(shí)例：軸與孔的過盈配合面、滾動(dòng)軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘?shù)墓ぷ髅娴?。三、磨損的機(jī)理：

第十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日四、減小磨損的主要方法

（1）潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法；（2）合理選擇摩擦副材料；（3）進(jìn)行表面處理；（4）注意控制摩擦副的工作條件等。第十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日§4-3潤(rùn)滑劑、添加劑和潤(rùn)滑方法

潤(rùn)滑：在兩個(gè)摩擦表面之間加入潤(rùn)滑劑，以減小摩擦和磨損。此外，潤(rùn)滑還可起到散熱降溫，防銹、防塵，緩沖吸振等作用。一、潤(rùn)滑劑

凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質(zhì)都可作為潤(rùn)滑劑。：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。1、潤(rùn)滑劑的分類1）液體潤(rùn)滑劑：潤(rùn)滑油2）潤(rùn)滑脂：俗稱黃油。由潤(rùn)滑油+稠化劑混合而成。3)固體潤(rùn)滑劑4）氣體潤(rùn)滑劑：如空氣、氮?dú)?、二氧化碳等。注：?rùn)滑油和潤(rùn)滑脂在實(shí)際中應(yīng)用最廣。第二十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日2、潤(rùn)滑油

礦物油來源充足、成本低廉、穩(wěn)定性好、因而應(yīng)用最廣。種類：有機(jī)油----動(dòng)、植物油礦物油----石油產(chǎn)品化學(xué)合成油二、潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)⑴粘度：是表示油液內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力大小的性能指標(biāo)。（粘度是選擇潤(rùn)滑油的主要依據(jù)）。粘度的種類動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度條件粘度第二十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日1)動(dòng)力粘度兩個(gè)平行的平板之間充滿潤(rùn)滑油，B板靜止，A板以速度運(yùn)動(dòng)，各油層的速度呈直線分布。相鄰油層之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力。研究表明：油液內(nèi)摩擦切應(yīng)力與速度梯度成正比。即式中：即為潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度。其國(guó)際單位(SI)為：（帕·秒）。

絕對(duì)單位制（）泊：1P(泊)=1dyn·s/cm21P（泊）=100CP（厘泊）第二十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日2)運(yùn)動(dòng)粘度

運(yùn)動(dòng)粘度：動(dòng)力粘度與同溫度下該流體的密度之比。單位：m2/

s單位：斯1St=1cm2/s厘斯：1cSt=1mm2/s注：我國(guó)潤(rùn)滑油的牌號(hào)就是用40℃下運(yùn)動(dòng)粘度的中心值表示的。即運(yùn)動(dòng)粘度

如：牌號(hào)為L(zhǎng)-AN10的油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度大約為10cSt。（表4-1）第二十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日常用的有：恩氏度（?

Et）----中國(guó)慣用賽氏通用秒（SUS）----美國(guó)慣用雷氏秒（R）----英國(guó)慣用運(yùn)動(dòng)粘度與條件粘度之間的換算關(guān)系：3)條件粘度指在一定條件下，利用某種規(guī)格的粘度計(jì)，通過測(cè)定潤(rùn)滑油穿過規(guī)定孔道的時(shí)間來進(jìn)行度量的粘度。第二十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日4)潤(rùn)滑油的特性（1）溫度潤(rùn)滑油的粘度隨著溫度的升高而降低（2）壓力潤(rùn)滑油的粘度隨著壓力的增高而增大。一般潤(rùn)滑情況下，影響不大。粘度指數(shù)：粘度指數(shù)高，表明粘度隨溫度變化小。式中：為一個(gè)大氣壓下的粘度；為粘壓指數(shù)；為壓強(qiáng)。選用原則：a載荷大、溫度高，宜選用粘度大的油；b載荷小、轉(zhuǎn)速高，宜選用粘度小的油；第二十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日⑵潤(rùn)滑性（油性）

潤(rùn)滑性是指潤(rùn)滑油中的分子與金屬表面吸附形成一邊界油膜，以減小摩擦和磨損。潤(rùn)滑性愈好，吸附能力愈強(qiáng)。對(duì)于那些低速重載或潤(rùn)滑不充分的場(chǎng)合，潤(rùn)滑性具有特別重要的意義。⑶極壓性

潤(rùn)滑性能是潤(rùn)滑油中加入含硫、氯、磷的有機(jī)極性化合物之后，油中的極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓的化學(xué)反應(yīng)邊界膜的性能，它在重載、高速、高溫條件下，可改善邊界潤(rùn)滑性能。⑷閃點(diǎn)

潤(rùn)滑油在標(biāo)準(zhǔn)容器中加熱所蒸發(fā)的油氣，遇火焰即能發(fā)出閃光時(shí)的最低溫度。是衡量油易燃性的指標(biāo)。對(duì)于在高溫下工作的機(jī)器，這是一個(gè)重要參數(shù)。一般要求工作溫度比油的閃點(diǎn)低30~40℃

。第二十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日⑸凝點(diǎn)

潤(rùn)滑油在規(guī)定的條件下，不再自由流動(dòng)時(shí)所達(dá)到的最高溫度。它是潤(rùn)滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到機(jī)器在低溫下的啟動(dòng)性能和磨損情況。⑹氧化穩(wěn)定性

從化學(xué)意義上講，潤(rùn)滑油是不活潑的。但當(dāng)它們暴露在高溫氣體中時(shí)，也會(huì)發(fā)生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。這是一種膠狀沉積物，不但腐蝕金屬，而且加劇零件的磨損。第二十七頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日三、潤(rùn)滑脂----潤(rùn)滑油與各種稠化劑（鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。優(yōu)點(diǎn)：密封簡(jiǎn)單、不需要經(jīng)常添加、不易流失；對(duì)速度和溫度不敏感，適用范圍廣。缺點(diǎn)：摩擦損耗較大、機(jī)械效率低，不適宜高速場(chǎng)合。潤(rùn)滑脂的種類：鈉基潤(rùn)滑脂鋰基潤(rùn)滑脂鋁基潤(rùn)滑脂鈣基潤(rùn)滑脂分類----工程上應(yīng)用最廣第二十八頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日1)鈣基潤(rùn)滑脂這種潤(rùn)滑脂具有良好的抗水性，但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55~65℃

。2)鈉基潤(rùn)滑脂這種潤(rùn)滑脂具有較高的耐熱性，但抗水性較差，工作溫度可達(dá)120℃

。由于它能與少量水乳化，從而保護(hù)金屬免遭腐蝕，比鈣基脂有更好的防銹能力。3)鋰基潤(rùn)滑脂這種潤(rùn)滑脂既能抗水，又耐高溫，而且有較好的機(jī)械按定型，是一種多用途的潤(rùn)滑值。工作溫度不宜超過145℃

。4)鋁基潤(rùn)滑脂這種潤(rùn)滑脂具有良好的抗水性，對(duì)金屬表面有高的吸附能力，故可起到良好的防銹作用。第二十九頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日潤(rùn)滑脂的主要質(zhì)量指標(biāo)是：1）錐(針)入度（或稠度）標(biāo)志潤(rùn)滑脂內(nèi)阻力的大小和流動(dòng)性的強(qiáng)弱。錐入度越大，稠度越小。2)滴點(diǎn)決定工作溫度。應(yīng)低于滴點(diǎn)第三十頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日四、固體潤(rùn)滑劑聚氟乙烯樹脂用于潤(rùn)滑油不能勝任工作的場(chǎng)合：高溫、低速重載。石墨二流化鉬（MoS2）---性能穩(wěn)定、t>350℃才開始氧化，可在水中工作。-----摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍廣

(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系數(shù)低，只有石墨的一半。使用方式：a.調(diào)和在潤(rùn)滑油中；b.涂覆、燒結(jié)在摩擦表面形成覆蓋膜；c.混入金屬或塑料粉末中燒結(jié)成型。第三十一頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日添加劑----為了改善潤(rùn)滑劑品質(zhì)和性能而添加的物質(zhì)。五、添加劑

作用----提高油性、極壓性、延長(zhǎng)使用壽命、改善性能。油性添加劑種類極壓添加劑分散凈化劑消泡添加劑抗氧化添加劑降凝劑增粘劑非極壓油軟化溫度t/℃

摩擦系數(shù)f含脂肪酸和極壓添加劑的油含脂肪酸的油含極壓添加劑的油第三十二頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日潤(rùn)滑油潤(rùn)滑在工程中的應(yīng)用最普遍，其供油方式有：六、潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑方式人工給油；油杯滴油；浸油潤(rùn)滑、飛濺給油；用油泵強(qiáng)制潤(rùn)滑和冷卻。低速傳動(dòng)高速傳動(dòng)甩油環(huán)噴油潤(rùn)滑油泵冷卻器滴油潤(rùn)滑浸油潤(rùn)滑飛濺潤(rùn)滑第三十三頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日針閥式油杯旋蓋式油杯壓注式油杯彈簧蓋油杯七、潤(rùn)滑裝置

1.油杯第三十四頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日2.油環(huán)第三十五頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日一、流體動(dòng)力潤(rùn)滑

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vF§4-4流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介

流體動(dòng)力潤(rùn)滑是指兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的摩擦表面，借助于相對(duì)速度而產(chǎn)生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產(chǎn)生的壓力來平衡外載荷。動(dòng)壓油膜----因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力油膜。

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vvh1aah2ccvv兩平形板之間不能形成壓力油膜！Fpmax第三十六頁(yè)，共四十一頁(yè)，2022年，8月28日F形成動(dòng)壓油膜的必要條件：1.兩工件之間的間隙必須有楔形間隙；2.兩工件表面之間必須連續(xù)充滿潤(rùn)滑油或其它液體；3.兩工件表面必須有相對(duì)滑動(dòng)速度。其運(yùn)動(dòng)方方向必須保證潤(rùn)滑油從大截面流進(jìn)，從小截面出來?！?/p>

Fy=F∑Fx≠0∑