摩擦學(xué)原理(全套課件819P)

汽車摩擦學(xué)在購(gòu)車經(jīng)費(fèi)一定的情況下，你買車時(shí)首先考慮的因素有那些？列舉三個(gè)，各用一句話來(lái)說(shuō)明。3IntroductionTribology:

Tribologyisthescience,applicationscience,whichdealswithofthetwosurfaceshavingrelativemovement,ormovingtrend,coversFriction,Lubrication

andWear.IthassomeresearchfieldrelatedtoPhysics,Chemistry,Metallurgy,MaterialScience,Rheology,Hydromechanics,Elasticity,Viscoelasticity,Thermodynamics,aswellas,MachineryScienceandsoon.“2012中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇”2012年10月在釣魚臺(tái)國(guó)賓館舉行“2012中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇”。中國(guó)汽車協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)董揚(yáng)在發(fā)言中指出，中國(guó)汽車市場(chǎng)的發(fā)展空間依舊寬廣，2020年之前應(yīng)會(huì)保持與GDP增長(zhǎng)率一致的發(fā)展速度?！爸袊?guó)汽車已經(jīng)連續(xù)兩年增長(zhǎng)，這個(gè)市場(chǎng)到底有多大？2020年之前，中國(guó)汽車應(yīng)該能夠在產(chǎn)銷數(shù)量用大于等于GDP的數(shù)額增長(zhǎng)，由于當(dāng)前我國(guó)人均的汽車數(shù)量還很低，從現(xiàn)代社會(huì)大生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)要求來(lái)講，需要更多的汽車；第三個(gè)原因是現(xiàn)在中國(guó)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量最多的不是汽車，而是摩托車，這其中蘊(yùn)含著因?yàn)樯?jí)換代帶來(lái)的巨大增長(zhǎng)空間。

“現(xiàn)在我國(guó)汽車有1億輛，摩托車1億3000萬(wàn)輛。這些摩托司機(jī)都有一個(gè)夢(mèng)，夢(mèng)見(jiàn)兩輪變成四輪，摩托車變成汽車。摩托車的升級(jí)有著巨大的市場(chǎng)?！?/p>

中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)2012年中國(guó)汽車產(chǎn)銷量雙雙超過(guò)了1900萬(wàn)輛，轎車銷售達(dá)到了1074萬(wàn)輛，其中中德、中日、中美、中韓、中法等合資企業(yè)在中國(guó)實(shí)現(xiàn)汽車銷售250萬(wàn)輛、190萬(wàn)輛、196萬(wàn)輛、172萬(wàn)輛，105萬(wàn)輛，和44萬(wàn)輛。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，2013年1-9月，中國(guó)品牌乘用車共銷售512.50萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)12.14%，德系、日系、美系、韓系和法系乘用車分別銷售254.17萬(wàn)輛、198.28萬(wàn)輛、160.46萬(wàn)輛、116.12萬(wàn)輛和40萬(wàn)輛，分別占乘用車銷售總量的19.78%、15.43%、12.49%、9.04%和3.11%。中國(guó)汽車1-9月產(chǎn)銷量1281萬(wàn)輛.

2012款?yuàn)W迪A6L2.5L30FSI手自一體，最大功率140KW140KW*2000萬(wàn)輛=28億千瓦ThehighestefficiencyofInternal-combustionengineislessthan30%Oilenergyhavemorethan50%wasteasheat，Withtherest,thereare20%

energyusedtocontrolthedevices.thereareabout30%energyusedforovercomethefriction，2%gears,5%bearingsandsoon。9TheWheelisthemostsuccessfulexampleofTribologicaldesign.Andlubricanthasbeenusedformorethanthreethousandyears.Byestimate，1/3~1/2energysources,consumedbyhuman,owingtofrictionandwear。FromLeonardodaVinci(1452-1519)

toSirJostreportin1960’s.Tribologyfromsingle,isolatedstudybecomesaresearchfieldofsystematicallystudyoffriction,lubricationandwear10MainAreasinTribologyFriction

(摩擦)Wear(磨損)Lubrication(潤(rùn)滑)LeonardodaVinci秦始皇兵馬俑銅車馬的1號(hào)車Research——texturedsurface

Sampleoftexturedsurface

undermicroscopeWithouttexture，frictioncoefficient0.06910v15min,Withtexture，deepness3μmfrictioncoefficient0.031squaretextureDoublelayer

1Double

layer

2Surfacetexture表面織構(gòu)SurfacetexturebylaserTypeoftexture，a-triangle，b-square，c-circle；1-convexly，2-concave

SurfacetextureBearings,piston—rings

17Partone,Theoryoftribology.Introduction、solidsurface,frictionandwear

Includingsurface

topographyparameters,surfacestructure,surfaceproperties.lubricant

andit’sproperties,basicfrictiontheoryandwearmeasuringmethods。wearmechanism、lawofwear,wearmeasurementandanti-weardesign，weartypeclassify,wearmechanism,wearingprocedureandpattern,conversionofwear,calculationofwear,andexperimentalmethodofwearandfriction,aswellastestingdevice。Generalmethodsofthefrictionstateanalysis,wear-outfailureanalysis,antifriction,antiwearanalysis.Maincontentsof《AutomotiveTribology

》18Parttwo,lubricationtheory

Including

Reynoldsequation,lubricationdesignoftypicalelements,Generalnumericalmethodsforlubricationcalculation,conversionoflubricationstate，namely：fromfluidlubricationtoelasto-hydrodynamiclubrication,fromelasto-hydrodynamiclubricationtothin-filmlubrication,effectsofrarefiedgas,failureoflubricationandboundarylubrication。

Maincontentsof《AutomotiveTribology

》19Friction

isoneofthreemajorpartsoftribology.Friction

phenomenonisalsotheearliestphenomenonobservedbyhumanbeings。thefrictiontheorystudiesthefrictionsurfacemorphology(形態(tài)),texture,contactstatus,layeroffrictionsurface.Introductionofthefrictiontheory20Chapterone

--frictionsurfaceanalysisSurfacetopographypropertiesandstatisticalapproach.Surfaceerroringeometricalform,surface

roughnessandsurfacetopographystatisticalparameter。Analyzingthefrictionsurfaceproperties,suchas,wettingangle,surfaceenergyandsurfaceadsorption。Analyzingthecontactproblemofroughenedsurface。Byintroducecontactarea,contactmodel，toanalyzethecontactstress,contactdeformationinthecontactelementsalongit’sdeepness，whichinvolvestatistics,

Physicalchemistry,materialsscienceandelasticity.Introductionofthefrictionstatusandthemethodsofhowtodistinguishthedifferentfrictionstatus.21RealsurfaceairBasemetalBasemetalWork-hardenedlayerAdsorbedgasBiebylayerOxideinclusion22Chapterone,

Analysis

offrictionsurface1.1Surfacetopographyparameters

andstatisticssurfacetopography（表面形貌）

surfacetopography，alsoknowas,surface

geometrycharacteristic，itindicatethemicro-,unregulargeometricalshapeofthecomponentssurface,suchas,roughness粗糙度,waviness波度、formerror形狀誤差,texture紋理,andsoon。231.1.1geometricalformerrorofsurface24(a)formerror(形狀偏差) (b)waviness(波紋度)(c)roughness(粗糙度)圖1.1Real

Surfaceprofile(實(shí)際表面輪廓)Thesurfacegeometricalcharacteristicpayimportantroleinthefriction,wearandlubricationundermixturelubrication(混合潤(rùn)滑)anddrycontactcondition（干摩擦）roughnesswavinessformerrorReal

SurfaceprofilePartialenlargedview(realsurfaceprofile)(geometricalprofile)261．Macro-geometricalformerror（宏觀幾何形狀誤差）Macro-geometricalformerror又稱為surfaceformerror（表面形狀偏差），主要是用不直度、不平度表示平面幾何形狀誤差。不直度是指在指定方向上，其實(shí)際的輪廓線與理論直線的直度偏差，當(dāng)用刀形樣板平尺進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，刀口與被檢表面的最大空隙b，即為所檢范圍內(nèi)的不直度。不平度是指整個(gè)平面各方向上所存在的最大不直度，如圖1.1a所示。波距l(xiāng)大于10mm的偏差屬于形狀偏差。271．Macro-geometricalformerror（宏觀幾何形狀誤差）對(duì)圓柱形表面，在垂直于軸線的橫剖面內(nèi)最典型的誤差有橢圓度，通過(guò)軸線的縱剖面內(nèi)，最典型的誤差有鼓形度、鞍形度、彎曲度和圓錐度。鼓形度鞍形度彎曲度圓錐度282．Surfacewaviness

表面波紋度表面波紋度又稱為中間幾何形狀誤差，是一種比宏觀幾何形狀誤差范圍更小的誤差，通常采用波紋度表示，它是在表面上周期性重復(fù)出現(xiàn)的一種幾何形狀誤差，如圖1.1b所示。波距l(xiāng)在1~10mm間屬于波紋度范圍。293．Micro-geometricalformerror

微觀幾何形狀誤差表面微觀幾何形狀誤差又稱為surfaceroughness（表面粗糙度），不象表面波紋度那樣有明顯的周期性，其波距l(xiāng)小于1mm以下，如圖1.1c所示。微觀幾何形狀誤差越大，表面越粗糙。一般來(lái)說(shuō)，表面粗糙是影響摩擦性能最重要的表面幾何形狀特征。綜上所述，表面粗糙度、波紋度和形狀偏差三者的區(qū)別，通常以兩波峰或波谷的距離（波距）的大小來(lái)區(qū)別。一般而言，波距大于10mm的屬于形狀偏差；波距在1~10mm間屬于波紋度范圍；波距小于1mm的屬于表面粗糙度范圍。如圖1.1所示，將圖1.1a、b、c疊加到一起，就是表面的實(shí)際情況。30(a)formerror(形狀偏差) (b)waviness(波紋度)(c)roughness(粗糙度)圖1.1Real

Surfaceprofile(實(shí)際表面輪廓)roughnesswavinessformerrorReal

SurfaceprofilePartialenlargedview311.1.2表面粗糙度

surface

roughness

在摩擦學(xué)中，最重要，也是常用的表面形貌參數(shù)是表面粗糙度，它取表面上某一個(gè)截面的外形輪廓曲線來(lái)表示。根據(jù)表示方法的不同可分為一維、二維和三維的形貌參數(shù)。一維形貌通常用profilecurve（輪廓曲線）的高度參數(shù)來(lái)表示，如圖1.2所示。它描繪出沿截面水平方向（x方向）上輪廓高度z的起伏變化。選擇輪廓的平均高度線亦即中心線為x軸，使輪廓曲線在x軸上下兩側(cè)的面積相等。32圖1.2 surfaceprofilecurve（表面形貌輪廓）與supportingplane參數(shù)示意圖真實(shí)表面屬于三維幾何形態(tài)，可用直角坐標(biāo)系(圖1)描述。xy為工作表面,z為表面高度坐標(biāo)軸。1.3Threedimensionalsurfacetopography（三維表面形貌）一維形貌常用輪廓曲線的高度參數(shù)來(lái)表示。某一截面的表面輪廓平均高度線(中線)為x坐標(biāo)軸(圖2)（一維表面形貌參數(shù)）Onedimensionalsurfacetopography（1）profilearithmeticaveragedeviation（輪廓算術(shù)平均偏差）Ra

orcenterlineaverage(中心線平均值)

CLA（2）profilerootmeansquaredeviation（輪廓均方根偏差）RMS

Rq

orσ（3）maximumdistancebetweenpeakanddip（最大峰谷距）Rmax

在測(cè)量范圍內(nèi)最高峰與最低谷之間的高度差，它表示表面粗糙度的最大起伏量。stylusmethod探針?lè)?8支承面曲線是根據(jù)表面粗糙度圖譜繪制的。理論的支承面曲線如圖1.2所示。支承曲面主要用于計(jì)算實(shí)際接觸面積。實(shí)際接觸面積是名義接觸面積的很小一部分，有時(shí)可以用下面的函數(shù)來(lái)表示兩者的關(guān)系：（4）supportingplane

（支承面曲線)39表1.1部分常用加工表面的計(jì)算支承面百分比的參數(shù)精度等級(jí)最大峰谷距Rmaxbv加工方法5370.41.02.1~2.2銑削車削6180.50.60.91.41.6~2.0銑削內(nèi)圓磨平面磨車削78~9.40.60.60.91.01.81.4~2.0銑削外圓磨內(nèi)圓磨平面磨車削84.70.70.91.11.62.02.01.6~1.9珩磨外圓磨內(nèi)圓磨平面磨拋光車削40（5）meanbaselineintercept

(中線截距平均值)Sma中線截距平均值是輪廓與中心線各截點(diǎn)之間的截距Sm在測(cè)量長(zhǎng)度內(nèi)的平均值，它反映了粗糙峰的疏密程度。如圖1.2所示。41圖1.3不同輪廓的Ra和

值二維形貌參數(shù)表面輪廓曲線上各點(diǎn)坡度即斜率絕對(duì)值的算術(shù)平均值或者均方根值surfacetopographyin2-D(a) 坡度 (b)坡度分布密度曲線圖1.4 坡度及其分布密度曲線43各個(gè)粗糙峰頂曲率的算術(shù)平均值或者均方根值峰頂曲率的算術(shù)平均值均方根值反映粗糙峰的尖、平狀態(tài)值越大則粗糙峰越尖，反之則平坦(三維形貌參數(shù))1、TwodimensionalprofilecurveThreedimensionalsurfacetopography

如圖1.5所示．通過(guò)一組間隔很密的二維輪廓曲線來(lái)表示形貌的三維變化。圖1.5二維輪廓曲線452、contourmap圖1.6等高線圖(等高線圖)3、autocorrelationofthesurfaceprofile1.1.3Statisticalparameterofsurfacetopography1、heightdistributionfunction2、deviationoftheheightdistributionfunction

將profilecurve(輪廓曲線)上各點(diǎn)的height(高度)、wavelength(波長(zhǎng))、gradient(坡度)

or

curvature(曲率)等用probabilitydensitydistributionfunction(概率密度分布函數(shù))

機(jī)械加工的表面形貌包含著periodicvariationandrandomvariation(周期變化和隨機(jī)變化)兩個(gè)組成部分，因此采用形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)比用單一形貌參數(shù)來(lái)描述表面幾何特征更加科學(xué)和反映更多的信息。(表面形貌的統(tǒng)計(jì)參數(shù))(高度分布函數(shù))(分布曲線的偏差)(表面輪廓的自相關(guān)函數(shù))(高度分布函數(shù))以平均高度線為X軸，輪廓曲線上各點(diǎn)高度為z。①找出輪廓高度平均線②取適當(dāng)?shù)?，用它將高度等分；③在各個(gè)高度zj上先求出“支承率”=，則分布函數(shù)F(zj)=1-支承率=1-④求概率密度Fig1.7 the

heightdistributionfunctiondensitycurve1、heightdistributionfunction粗糙高度分布密度曲線48Fig1.8Asperitiesheadradiusdistributiondensitycurve峰頂半徑分布密度曲線分布曲線的偏差（1）SkewnessS(偏態(tài))

偏態(tài)是衡量分布曲線偏離對(duì)稱位置的指標(biāo)，它的定義S=0為對(duì)稱態(tài)，S＞0為上偏，S＜0為下偏。（2）kurtosisK(峰態(tài))峰態(tài)表示分布曲線的尖峭程度。定義為

K=3為正態(tài)，K＜3為低峰態(tài)，K＞3為尖峰態(tài)。圖1.9偏態(tài) 圖1.10峰態(tài)2、deviationoftheheightdistributionfunction表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)的無(wú)量綱形式變?yōu)閷?duì)于一條輪廓曲線來(lái)說(shuō)，它的自相關(guān)函數(shù)是各點(diǎn)的輪廓高度與該點(diǎn)相距一固定間隔l處的輪廓高度乘積的數(shù)學(xué)期望（平均）值。

自相關(guān)函數(shù)可以分為兩部分：◆函數(shù)的衰減表明相關(guān)性隨l的增加而減小，它代表輪廓的隨機(jī)分量的變化情況；◆函數(shù)的振蕩分量反映表面輪廓周期性變化因素。3、autocorrelationofthesurfaceprofile52圖1.11典型的自相關(guān)函數(shù)1、profilearithmeticaveragedeviation

Ra

(算數(shù)平均偏差)2、profilerootmeansquaredeviationσ(均方根偏差)3、Skewness

S(偏態(tài))4、kurtosis

K(峰態(tài))概率密度分布函數(shù)541.2SurfaceandinternalstructureoftribologypartsDuringthefrictionprocedure,becauseofthefrictionforceandfrictionheat,thesurfaceswillchangecontinuously.Surfacetopographyandmicroscopiccontactsituationchangesconstantlyinthefriction,atthesametime,theadsorptionfilm(吸附膜)andoxidationfilm(氧化膜)offrictionsurfacewillberupturing(破裂),regenerating(再生)andtransferring(轉(zhuǎn)移).Thishasagreatinfluenceonthesurfacefrictionandwearperformance.

Tribologicalpropertiesofthesolidsurfacedirectlyaffectedbythesurfacemorphology(形態(tài)),inadditiontogeometricmorphology,thesurfacephysicalandchemicalstateistheimportantfactorsthatcontrolthetribologicalbehaviorandprocess.551.2.1Thesurfacestructureofmetal(金屬表面結(jié)構(gòu))金屬表面在加工過(guò)程中表層組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，使表面層由若干層次組成。典型的金屬表層結(jié)構(gòu)如圖1.12所示。金屬基體之上是變形層，它是材料的加工強(qiáng)化層，總厚度為數(shù)十微米，由重變形層逐漸過(guò)渡到輕變形層。變形層之上是貝氏層（Bielbylayer），它是由于加工中表層熔化、流動(dòng)，隨后驟冷而形成的非晶或者微晶質(zhì)層。氧化層是由于表面與大氣接觸經(jīng)化學(xué)作用而形成的，它的組織結(jié)構(gòu)與氧化程度有關(guān)。最外層是環(huán)境中氣體、液體極性分子和固體顆粒與表面形成的吸附膜或污染膜。圖1.12金屬表層結(jié)構(gòu)561.2.2Thecharacteristicsof

internalstructureofmetals

(金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了摩擦表面的特性，因此有必要對(duì)摩擦材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行必要的研究，以幫助理解摩擦現(xiàn)象的機(jī)理和本質(zhì)。571．Thestructureofmetals

(金屬結(jié)構(gòu))金屬及其合金是由原子或分子所組成的物質(zhì)聚集體。通常金屬在固態(tài)下都是晶體，其原子有規(guī)則的排列。這種具有一定幾何形狀的排列的結(jié)構(gòu)被稱為稱為空間晶格。大部分的金屬晶體屬于下列三種晶格形式：

(a)體心立方晶格 (b)面心立方晶格(c)密排六方晶格圖1.13金屬晶格582．Crystaldefect(晶體缺陷)實(shí)際晶體中，存在著大量的各種各樣的晶體缺陷，隨著摩擦條件的改變，由于晶體的交互作用，使得晶體缺陷也在不斷地變動(dòng)。晶體缺陷將影響著金屬表面的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)。

59（1）Pointdefect(點(diǎn)缺陷)

圖1.14晶體空位

圖1.15間隙原子60（2）Linedefect_dislocation

(線缺陷——位錯(cuò))

圖1.16刃型位錯(cuò)圖1.17螺型位錯(cuò)61(2)Mixturedislocation

(混合位錯(cuò))若同時(shí)出現(xiàn)刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)，則稱之為混合位錯(cuò)。金屬晶體中的位錯(cuò)大量存在，成網(wǎng)狀分布。位錯(cuò)可看成滑移和末滑移的分界線，則晶體的形變可以由位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果以完整的晶體來(lái)計(jì)算屈服強(qiáng)度，則比實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)高出一千倍左右，而由位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)解釋金屬晶體的塑性變形就合理得多。62（3）Planedefect(面缺陷)金屬晶體的缺陷若主要是沿二維方向伸展開來(lái)，而在另一維方向上的尺寸變化相對(duì)甚小，則成為面缺陷。晶體表面、晶界、亞晶界等都是面缺陷。晶體表面上的一層原子，一面受晶體內(nèi)面原子的結(jié)合作用，另一面則受環(huán)境的作用。這種受力的不對(duì)稱性，必然要求表層原子適當(dāng)調(diào)整它們的分布位置，表層原子的結(jié)構(gòu)就與晶體內(nèi)部原子的點(diǎn)陣發(fā)生偏差，因而晶體完整的周期性受到破壞，晶體表面具有表面張力和表面能，容易吸收外來(lái)電子，也易被外部介質(zhì)所腐蝕。這表明它也是—種缺陷。在金屬的各種內(nèi)部界面中，晶界與亞晶界是最重要的一類。金屬材料絕大部分是多晶體。631.2.3Thesurfacestructureofplastics

(塑料表面結(jié)構(gòu))雖然塑料也是固體材料，并與金屬存在一些共性，如在常溫下保持固定形狀，比重不變，可加工性等。但是，塑料與金屬在本質(zhì)上有著根本區(qū)別。特別是，在微觀結(jié)構(gòu)兩者是完全不同的，因此導(dǎo)致它們的摩擦學(xué)性能等也顯現(xiàn)出完全不同的特性。圖1.18塑料表層的一般結(jié)構(gòu)641.3 Surfacepropertiesofthefrictionparts

(摩擦表面性質(zhì))在摩擦、磨損、潤(rùn)滑過(guò)程中，除了表面的幾何形狀影響摩擦、磨損、潤(rùn)滑特性外，金屬表面的物理、化學(xué)以及力學(xué)性能的影響也是很大的。651.3.1wettingangle

(潤(rùn)濕角)在各種表面性質(zhì)中，與摩擦學(xué)密切相關(guān)的主要有表面能、吸附效應(yīng)和表面氧化等。產(chǎn)生新表面所做的功表現(xiàn)為表面能。液體表面分子由于表面能的作用，有從表面進(jìn)入內(nèi)部的趨勢(shì)，這種使液面自動(dòng)收縮而減少表面積的力稱為表面張力。66固體的表面能還無(wú)法直接測(cè)量，但可通過(guò)與液體的接觸形狀推斷出來(lái)。如圖1.19所示，液滴在固體表面上呈現(xiàn)出一定的contact(接觸角)或稱wettingangle(潤(rùn)濕角)

，它是固液界面與液體表面在交點(diǎn)處的切平面之間的夾角。當(dāng)潤(rùn)濕角

<90

時(shí)，固體表面張力大于液體表面張力，此時(shí)將發(fā)生潤(rùn)濕。

圖1.19 潤(rùn)濕角671．Physicalabsorption

(物理吸附)當(dāng)氣體或液體與固體表面接觸時(shí)，由于分子或原子相互吸引的作用力而產(chǎn)生的吸附叫做物理吸附。這種吸附并不改變吸附層的分子或電子分布，其吸附膜較弱對(duì)溫度很敏感，加熱可使分子解吸。圖1.20是硬脂酸分子吸附在表面的示意圖。被吸附的分子一般是可極化的，其氧、氫的正、負(fù)離子與金屬的表面負(fù)、正離子相吸附。物理吸附一般是在常溫、低速、輕載條件下形成。物理吸附與解附是完全可逆的。圖1.20物理吸附692．Chemisorption

(化學(xué)吸附)由于極性分子的有價(jià)電子與基體表面的電子發(fā)生交換而產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力，使極性分子定向排列，吸附在金屬的表面上所形成的吸附膜叫做化學(xué)吸附膜。圖1.21為硬脂酸與表面氧化鐵在有水的條件下所形成的金屬皂膜的示意圖?；瘜W(xué)吸附膜要比物理吸附膜穩(wěn)定得多，并且是在同樣條件下不可逆的。要在高溫下才解附?；瘜W(xué)吸附一般是在中等載荷、中等滑動(dòng)速度及中等溫度條件下形成。

70圖1.21化學(xué)吸附713．Oxidationfilm

(氧化膜)表面氧化具有化學(xué)吸附的性質(zhì)。除金以外，氧對(duì)其他金屬都能形成化學(xué)吸附反應(yīng)。因此，金屬表面在加工過(guò)程中，新生面一旦暴露則很快就與大氣中的氧起化學(xué)吸附作用而形成金屬氧化膜。隨著氧化膜厚度的增加氧化速度取決于氧向表面內(nèi)層擴(kuò)散的速度或金屬離子透過(guò)氧化膜向外的擴(kuò)散速度。圖1.22鐵的氧化膜724．Chemicalactionfilm

(化學(xué)反應(yīng)膜)由于潤(rùn)滑劑中的硫、磷、氯等元素與金屬表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，二者之間的價(jià)電子相互交換，而形成一種新的化合物膜層叫做化學(xué)反應(yīng)膜。這種化學(xué)反應(yīng)膜具有高的熔點(diǎn)及低的剪切強(qiáng)度，并且比化學(xué)吸附膜和物理吸附膜要穩(wěn)定得多。這種反應(yīng)是不可逆的?；瘜W(xué)反應(yīng)膜—般是在重載、高溫、高速的條件下形成。化學(xué)反應(yīng)膜如圖1.23所示。圖1.23化學(xué)反應(yīng)膜731.4 thecontactoftherealsurfaces

(粗糙表面的接觸)當(dāng)兩個(gè)摩擦表面接觸時(shí)，由于表面粗糙的存在，實(shí)際接觸只發(fā)生占表觀面積的極小部分上。實(shí)際接觸面積的大小和分布對(duì)于摩擦磨損起著決定性的影響。固體材料受載后，不是發(fā)生彈性變形，就是發(fā)生塑性變形。彈性變形的特點(diǎn)是應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是確定的，因而變形是可逆的；而塑性變形時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系則比較復(fù)雜，卸載后仍存在一定殘余變形。實(shí)際上，接觸狀態(tài)大多是處于彈塑性變形的混合狀態(tài)，有時(shí)表現(xiàn)為先彈性后塑性；有時(shí)則表現(xiàn)為這一部分雖處于彈性變形狀，另一部分卻已達(dá)到塑性變形狀態(tài)了。Surfacecontactoftheelementparts

(粗糙表面的接觸)當(dāng)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)，由于表面粗糙，實(shí)際接觸只發(fā)生在表觀面積的極小部分上。實(shí)際接觸面積的大小和分布對(duì)于摩擦磨損起著決定性的影響。實(shí)際表面上粗糙峰頂?shù)男螤钔ǔＪ菣E圓體。751.4.1contactareaandcontactmodel

(接觸面積與接觸模型)當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸時(shí)，其接觸部分具有不連續(xù)性和不均勻性。如圖1.24所示。其中，名義（幾何）接觸面積（An）：An=a×b；輪廓接觸面積（Ap）是物體的接觸表面被壓扁部分所形成的面積（如圖中小圈范圍內(nèi)面積）的總和叫做輪廓接觸面積，以Ap表示。Ap的大小與表面所承受的載荷有關(guān)；實(shí)際接觸面積Ar是實(shí)際接觸部分的微小面積的總和。由于表面凹凸不平，實(shí)際接觸只發(fā)生在名義接觸面積的很小一部分。而各接觸點(diǎn)的直徑一般為3~50微米。

76An

名義接觸面積；Ap輪廓接觸面積；Ar實(shí)際接觸面積圖1.24三種接觸面積圖1.25三種表面粗糙峰模型771.4.2contactstressanddeformation

(接觸應(yīng)力和接觸變形)在摩擦學(xué)中，要研究固體表面接觸問(wèn)題，必須熟悉固體接觸力學(xué)也就是說(shuō)，要了解各種各樣幾何形狀的物體承受任意載荷時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變與應(yīng)力的性質(zhì)。這種研究，不僅限于表面，常常要達(dá)到表面層下一定的深度。1．Thestressofcontactsurface(接觸表面應(yīng)力)現(xiàn)以球與球，圓柱體與圓柱體相接觸來(lái)說(shuō)明接觸應(yīng)力和接觸變形。當(dāng)零件表面在受載前是點(diǎn)接觸（球軸承，圓弧齒輪）或線接觸（漸開線齒輪及滾柱軸承等），受載后，在接觸表面會(huì)產(chǎn)生局部的彈性變形，形成很小的接觸面積。Hertz理論的基本假設(shè)：①兩接觸體在初始接觸附近的表面至少二階連續(xù)，由此表面可用微分幾何的方法分析；②接觸是非共形的；③小變形。即接觸時(shí)變形在彈性極限以內(nèi)，無(wú)殘余變形；④面內(nèi)不存在切向載荷，即無(wú)摩擦；⑤接觸副的材料完全彈性；⑥接觸材料絕對(duì)均勻且各向同性；⑦接觸表面之間無(wú)介質(zhì)存在。79圖1.26兩球形體接觸式中，E1，E2——兩球形體材料的彈性模量；μ1，μ2——兩球形體材料的泊松比。80圖1.27兩圓柱體接觸812．Stressandstraininthecontactparts

(接觸體內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變)在球狀接觸中，材料彈性變形范圍內(nèi)的最大應(yīng)力pm與P之間的關(guān)系為pm3

P，在接觸寬度的z軸方向上，其軸向壓力pz的分布為82圖1-28平面與球接觸垂直應(yīng)力與剪應(yīng)力圖1-29兩圓柱體平行接觸應(yīng)力分布833．Criterion

ofcontactstress

(接觸應(yīng)力準(zhǔn)則)通常采用的幾種接觸疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則.（1）Criterion

maximumshearingstress

(最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則)根據(jù)Z軸上的主應(yīng)力可以計(jì)算出45

方向剪應(yīng)力。分析證明：在這些45

剪應(yīng)力中的最大值作用在Z軸上一定的深度。它是接觸體受到的最大剪應(yīng)力

max，所以最先被用作接觸疲勞準(zhǔn)則，即認(rèn)為當(dāng)最大剪應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)將產(chǎn)生接觸疲勞磨損。在滾動(dòng)過(guò)程中，最大剪應(yīng)力是脈動(dòng)應(yīng)力，應(yīng)力變化量為

max。84（2）Criterion

ofmaximumorthogonalityshearstress

(最大正交剪應(yīng)力準(zhǔn)則)分析表明：正交剪應(yīng)力

yz的最大值作用在x=0而y和z為一定數(shù)值的點(diǎn)；同樣，

zx最大值的位置坐標(biāo)為y=0而x和z等于一定值。這樣，當(dāng)滾動(dòng)平面與坐標(biāo)軸之一重合時(shí)，正交剪應(yīng)力將是交變應(yīng)力。例如，當(dāng)滾動(dòng)平面包含橢圓短袖時(shí)，在滾動(dòng)過(guò)程中正交剪應(yīng)力

yz的變化是：從遠(yuǎn)離接觸中心處的零值增加到接近Z軸處的最大值+

yzmax，再降低到Z軸上的零值。隨后應(yīng)力反向，再逐步達(dá)到負(fù)的最大值-

yzmax，而后又變化到零。所以每滾過(guò)一次，正交剪應(yīng)力

yz的最大變化量為2

yzmax。應(yīng)當(dāng)指出：雖然正交剪應(yīng)力的數(shù)值通常小于最大剪應(yīng)力，然而滾動(dòng)過(guò)程中正交剪應(yīng)力的變化量卻大于最大剪應(yīng)力的變化量，即2

yzmax>

max。由于材料疲勞現(xiàn)象直接與應(yīng)力變化量有關(guān)，所以ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）和AFBMA（美國(guó)減摩軸承制造商協(xié)會(huì)）提出的滾動(dòng)軸承接觸疲勞計(jì)算都采用最大正交剪應(yīng)力準(zhǔn)則。

85（3）Criterion

ofthemaximumsurfaceshearstress

(最大表面剪應(yīng)力準(zhǔn)則)通常接觸表面上最大剪應(yīng)力作用在橢圓對(duì)稱軸的端點(diǎn)。例如，當(dāng)滾動(dòng)方向與橢圓短軸一致時(shí)，最大表面剪應(yīng)力作用在長(zhǎng)軸的端點(diǎn)，在滾動(dòng)過(guò)程中它按脈動(dòng)應(yīng)力變化。雖然表面剪應(yīng)力的數(shù)值小于最大剪應(yīng)力和正交剪應(yīng)力，但由于表面缺陷和滾動(dòng)中的表面相互作用，使疲勞裂紋出現(xiàn)于表面和表面剪應(yīng)力的影響大大加強(qiáng)。

86（4）Criterion

oftheequivalentstress

(等效應(yīng)力準(zhǔn)則)滾動(dòng)過(guò)程中材料儲(chǔ)存的能量有兩種作用，即改變體積和改變形狀。后者是決定疲勞破壞的因素，按照產(chǎn)生相同的形狀變化的原則，將復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)用一個(gè)等效的脈動(dòng)拉伸應(yīng)力來(lái)代替。

87stressstateofcontact

(接觸體的應(yīng)力狀態(tài))正應(yīng)力

x，

y和

z為負(fù)值即壓應(yīng)力。正交剪應(yīng)力

xy的正負(fù)符號(hào)取決于各點(diǎn)位置坐標(biāo)x和y乘積的符號(hào)。正交剪應(yīng)力

zx的正負(fù)符號(hào)取決于位置坐標(biāo)x的符號(hào)，在遠(yuǎn)離接觸中心和x=0處，其數(shù)值為零。接觸表面上的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜。881.4.3Contactanalysisofrealsurface

(粗糙表面的接觸分析)實(shí)際表面上粗糙峰頂?shù)男螤钔ǔＪ菣E圓體。由于橢圓體的接觸區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于本身的曲率半徑，因而粗糙峰可以近似地視為球體，兩個(gè)平面的接觸可視為一系列高低不齊的球體相接觸。在分析粗糙表面接觸時(shí)，通常采用這種模型。1．Singleasperitycontact

(單峰接觸)球接觸赫茲理論

單個(gè)粗糙峰在彈性接觸時(shí)的實(shí)際接觸面積為幾何接觸面積的一半。實(shí)際接觸面積A幾何接觸面積A0

90圖1.30單峰彈性接觸2．Idealsurfacecontact

(理想表面的接觸)理想粗糙表面是指表面為許多排列整齊的曲率半徑相同和高度相同的粗糙峰組成，同時(shí)，各峰承受的載荷和變形完全一樣，而且相互不影響?！糨d荷與總的實(shí)際接觸面積的關(guān)系為◆發(fā)生塑性變形時(shí)，載荷可表示為實(shí)際接觸面積與載荷成線性關(guān)系。當(dāng)變形為彈性時(shí)，實(shí)際接觸面積與載荷的2/3次冪有關(guān)。92圖1.31 等高球形粗糙表面的接觸3．Realsurfacecontact

(實(shí)際粗糙表面的接觸)實(shí)際表面的粗糙峰高度是按照概率密度函數(shù)分布的，因而接觸的峰點(diǎn)數(shù)亦應(yīng)根據(jù)概率計(jì)算?！魞蓚€(gè)粗糙表面在彈性接觸狀態(tài)下，實(shí)際接觸面積和接觸峰點(diǎn)數(shù)目都與載荷成線性關(guān)系。◆兩表面處于塑性接觸狀態(tài)時(shí)實(shí)際接觸面積與載荷為線性關(guān)系，而與高度分布函數(shù)φ(z)無(wú)關(guān)。94圖1.32 兩粗糙表面的接觸●結(jié)論：實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系取決于表面輪廓曲線和接觸狀態(tài)。961.5 Stateofthefriction

(摩擦狀態(tài))根據(jù)不同摩擦機(jī)理和特征，一般的摩擦狀態(tài)可以分為：（1）Hydrodynamiclubrication

(流體動(dòng)壓潤(rùn)滑)；（2）Hydrostaticlubrication(流體靜壓潤(rùn)滑)；（3）Elasto-hydrodynamiclubrication(彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑,簡(jiǎn)稱彈流潤(rùn)滑)；（4）Thin-filmlubrication(薄膜潤(rùn)滑)；（5）Boundarylubrication(邊界潤(rùn)滑)；（6）Dryfriction(干摩擦)狀態(tài)等六種基本狀態(tài)。97表1.2各種摩擦狀態(tài)的基本特征摩擦狀態(tài)典型膜厚摩擦膜形成方式應(yīng)用流體動(dòng)壓潤(rùn)滑1~100

m由摩擦表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)形成流體潤(rùn)滑膜中高速下的面接觸摩擦副，如滑動(dòng)軸承液體靜壓潤(rùn)滑1~100

m通過(guò)外部壓力將流體送到摩擦表面之間，強(qiáng)制形成潤(rùn)滑膜低速或無(wú)速度下的面接觸摩擦副，如滑動(dòng)軸承、導(dǎo)軌等彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑0.1~1

m與流體動(dòng)壓潤(rùn)滑相同中高速下點(diǎn)線接觸摩擦副，如齒輪、滾動(dòng)軸承等薄膜潤(rùn)滑10~100nm與流體動(dòng)壓潤(rùn)滑相同低速下的點(diǎn)線接觸高精度摩擦副，如精密滾動(dòng)軸承等邊界潤(rùn)滑1~50nm潤(rùn)滑油分子與金屬表面產(chǎn)生物理或化學(xué)作用而形成潤(rùn)滑膜低速重載條件下的高精度摩擦副干摩擦1~10nm表面氧化膜、氣體吸附膜等無(wú)潤(rùn)滑或自潤(rùn)滑的摩擦副98圖1.33 各摩擦層厚度與粗糙度高度99圖1.34 摩擦系數(shù)的典型值100圖1.35 Streibeck曲線滑動(dòng)摩擦滑動(dòng)摩擦定律（摩擦三定律）滑動(dòng)摩擦理論Bowden和Tabor指出：1）當(dāng)一對(duì)金屬摩擦副滑動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)上的壓力很高，引起接觸點(diǎn)的局部熔合；一旦發(fā)生表面滑動(dòng)，接觸點(diǎn)之間產(chǎn)生剪切作用，這就產(chǎn)生了摩擦力?？捎脕?lái)解釋金屬和陶瓷的摩擦。2）相對(duì)滑動(dòng)中接觸表面的微變形、硬微突體在軟表面上犁削產(chǎn)生的塑性變形、滑動(dòng)界面捕捉的磨粒在表面上的宏觀變形、粘彈性材料（如聚合物）的彈性滯后損失等將消耗一定的能量。假定滑動(dòng)時(shí)的粘著和變形相互獨(dú)立且其效應(yīng)可以疊加，總摩擦力Fi等于剪切粘著點(diǎn)所需力Fa與產(chǎn)生變形所需力Fd之和，F(xiàn)i＝Fa

＋Fd

或μi＝μa

＋μd對(duì)于聚合物（尤其是粘彈性材料）和粗糙表面來(lái)說(shuō)，μd將是摩擦系數(shù)的重要部分。粘著理論和變形理論有明顯的區(qū)別，二者之間沒(méi)有相互影響的假設(shè)過(guò)于簡(jiǎn)單。這兩種情況下都有局部變形，且摩擦力的大小還受到接觸表面的物理化學(xué)性質(zhì)、載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度、溫度等因素的影響。粘著和變形之間可能存在著連續(xù)的相互影響。粘著摩擦理論兩個(gè)金屬表面相互接觸，接觸起始于微凸體頂端，微凸體的變形支撐著載荷，接觸點(diǎn)呈離散狀態(tài)。物理或化學(xué)作用使貼近的微凸體產(chǎn)生粘著接觸，當(dāng)界面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)的粘著部位產(chǎn)生剪切，形成一定的切向阻力。最薄弱的粘著點(diǎn)將被剪斷，斷口要么微凸體接觸界面，要么位于某個(gè)的微凸體中。接觸點(diǎn)被剪斷后，又迅速產(chǎn)生新的接觸點(diǎn)。因?yàn)?，粘著?lái)自接觸表面的分子力，所以粘著力與分子具有相似特性，微凸體接觸界面的強(qiáng)度與基體材料的強(qiáng)度相近，滑動(dòng)剪切作用將撕扯出一些碎片。摩擦力取決于基體材料的抗剪強(qiáng)度。若硬金屬表面有一層軟、薄的金屬膜In、Pb、Cu、Au、Ag——滑動(dòng)軸承襯材料減摩的原理，是新型潤(rùn)滑劑研制的理論依據(jù)軸承巴氏合金層≤2mm，越薄效果越好。實(shí)際使用要考慮其他問(wèn)題實(shí)例：滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油添加劑（油脂中加入微米銅粉、油中加入納米銅粉）航天、航空的滾動(dòng)軸承防護(hù)存在問(wèn)題降低犁溝力的對(duì)策降低表面粗糙度選用硬度相近的材料從界面清除磨屑和污染顆粒Suh的蝕刻修整技術(shù)，滑動(dòng)過(guò)程中界面上的磨粒掉入凹坑，不參與界面的犁溝摩擦。FrictionatDrySlidingInterfaceUndulatedSurfaceforEliminationofParticles滾動(dòng)摩擦機(jī)理滾動(dòng)摩擦機(jī)理滾動(dòng)摩擦的分類純滾動(dòng)或自由滾動(dòng)：在滾動(dòng)體之間不出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。這種滾動(dòng)可以看作是純滾動(dòng)，也稱自由滾動(dòng)有表面牽引力的滾動(dòng).純滾動(dòng)的物理分析以車輪為研究對(duì)象，分析物體受到的力。當(dāng)輪在水平地面上，不受外力，靜止不動(dòng)時(shí)物體與地面的形變都是左右對(duì)稱的，物體受到豎直向下的重力G，地面給它的支持力。將支持力簡(jiǎn)化到一個(gè)點(diǎn)上，得到力N。物體處于平衡狀態(tài)，所以N和G兩個(gè)力大小相等，方向相反，在同一直線上。當(dāng)物體受到一個(gè)水平推力時(shí)，物體與地面的接觸部分，為偏右側(cè)的一段“弧線”。則物體所受的支持力，分布在右側(cè)的這段弧線上，且總是與支持面垂直。將此力系簡(jiǎn)化到一個(gè)點(diǎn)A上。這樣就得到力N。沿豎直方向和水平方向分解N，得Nx、Ny。實(shí)際上，N與豎直方向的夾角極小，所以Nx極??；且圓心正下方的B點(diǎn)到Nx作用線的距離很小，故Nx對(duì)B點(diǎn)的力矩近似為零。Ny與G大小相等，方向相反，不在同一直線上，是一對(duì)力偶。支持力N對(duì)B點(diǎn)的力矩，就是Ny對(duì)B點(diǎn)的力矩。設(shè)Ny對(duì)B點(diǎn)的力臂為k，即Ny與G的水平距離為k，則力矩M=kNy=kG

當(dāng)車輪滾動(dòng)時(shí)，力臂k固定不變。車輪將要滾動(dòng)時(shí)的k稱為滾阻系數(shù)。力偶對(duì)物體不產(chǎn)生平動(dòng)加速度，只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。力偶（Ny，G）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙物體的運(yùn)動(dòng)，稱為滾阻力偶。當(dāng)物體的形變量越大時(shí)，Ny偏移得越多，即力偶臂k大(即，阻力矩越大，則所需動(dòng)力越大。這一問(wèn)題中，車胎打氣不足時(shí)，越癟形變量越大，人蹬車就越費(fèi)力。滾動(dòng)摩擦阻力產(chǎn)生的原因由系統(tǒng)幾何形狀造成的接觸區(qū)內(nèi)有滑動(dòng)區(qū)的滾動(dòng)主要不是由于接觸面間的粘著剪切，也不是“犁削”作用在彈性范圍內(nèi)，主要是彈性滯后損失和微觀滑移損失；在塑性范圍滾動(dòng)，則主要是材料塑性變形所消耗的能量。滾動(dòng)摩擦的四個(gè)效應(yīng)1.微觀滑動(dòng)（滑移）效應(yīng)2.彈性滯后效應(yīng)3.塑性變形效應(yīng)4.黏著效應(yīng)滾動(dòng)摩擦主要是滑動(dòng)機(jī)理造成的接觸區(qū)域內(nèi)的微觀滑動(dòng)：兩種材料的應(yīng)變差和接觸面內(nèi)的應(yīng)力分布的特殊性而引起的。由微觀滑動(dòng)而引起的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，不會(huì)因潤(rùn)滑劑的存在而減小。不能因?yàn)檫@種微觀滑移把滾動(dòng)摩擦歸于滑動(dòng)摩擦。微觀滑移對(duì)滾動(dòng)摩擦系數(shù)只有很小的影響。滾動(dòng)的彈性體之間的界面上有摩擦力就導(dǎo)致接觸面積分成微觀滑移區(qū)及無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)區(qū)。潤(rùn)滑埃及金字塔中搬運(yùn)巨像的情況應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例第二章潤(rùn)滑劑2.1潤(rùn)滑劑的作用與類型2.1.1潤(rùn)滑劑的作用潤(rùn)滑劑是現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)的基本要素之一，它的主要作用是減少運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦和磨損，提高機(jī)械效率，延長(zhǎng)機(jī)械的工作壽命。除此之外，使用潤(rùn)滑循環(huán)系統(tǒng)還能起到冷卻摩擦副、帶走磨損碎屑或其它顆粒污染物以及保護(hù)金屬表面免遭腐蝕等有益作用。潤(rùn)滑劑的物質(zhì)形態(tài)已經(jīng)覆蓋了氣體、液體和固體單相以及氣-液、液-液、液-固兩相甚至氣-液-固三相，十分廣泛。有些類型的潤(rùn)滑劑有時(shí)也會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染等問(wèn)題，所以需要對(duì)潤(rùn)滑劑的知識(shí)有全面的認(rèn)識(shí)和理解。潤(rùn)滑油一般由基礎(chǔ)油和潤(rùn)滑油添加劑混合而成。基礎(chǔ)油分為礦物油和合成油兩大類。礦物油的最高使用溫度為130℃，有些超精煉的礦物油使用溫度可達(dá)200℃,而某些合成油則可耐370℃的高溫。相對(duì)于礦物油來(lái)說(shuō)，合成油屬于高檔潤(rùn)滑油，用于高溫、高壓、高真空和高濕度等極端環(huán)境工況。2.1.2潤(rùn)滑油的類型潤(rùn)滑劑從形態(tài)上分潤(rùn)滑油的性能指標(biāo)

（1）粘度1）動(dòng)力粘度表征流體內(nèi)摩擦阻力大小的指標(biāo)，Pa·s；2）運(yùn)動(dòng)粘度同溫度下液體動(dòng)力粘度與密度之比，m2/s；粘度的大小表示了液體流動(dòng)時(shí)其內(nèi)摩擦阻力的大小，粘度愈大，內(nèi)摩擦阻力就愈大，液體的流動(dòng)性就愈差。（2）潤(rùn)滑性（油性）潤(rùn)滑油中極性分子吸附于金屬表面形成邊界油膜的性能。吸附力強(qiáng)，油膜不易破裂，摩擦系數(shù)小，則說(shuō)明油性好。（3）極壓性潤(rùn)滑油中加入添加劑后，油中極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓化學(xué)反應(yīng)邊界膜的性能。（4）閃點(diǎn)潤(rùn)滑油在火焰下發(fā)生閃爍時(shí)的最低溫度。閃點(diǎn)對(duì)于高溫下工作的機(jī)器是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。（5）凝點(diǎn)潤(rùn)滑油在試管中冷卻到不能流動(dòng)時(shí)的最高溫度。凝點(diǎn)是潤(rùn)滑油在低溫下工作的一個(gè)重要指標(biāo)。（6）氧化穩(wěn)定性

潤(rùn)滑油在高溫下抗氧化的性能。(7)酸值（總酸值、中和值）潤(rùn)滑油中有機(jī)酸的總含量。中和1g石油產(chǎn)品所需的KOH毫克數(shù)，mgKOH/g.可用來(lái)衡量潤(rùn)滑油的氧化安定性或作為換油指標(biāo)。（8）總堿值規(guī)定的條件下滴定時(shí)，中和1g試樣中全部堿性組分所需高氯酸的量。以相同物質(zhì)的量的KOH毫克數(shù)表示。（9）水溶性酸和堿用一定體積的中性蒸餾水和潤(rùn)滑油在一定溫度下混合、振蕩，使蒸餾水將潤(rùn)滑油中的水溶性的酸和堿抽出來(lái)然后測(cè)定蒸餾水溶液的酸性和堿性。新油：潤(rùn)滑油精制時(shí)酸堿分離不好貯存和使用：潤(rùn)滑油被污染或氧化分解汽輪機(jī)油：抗乳化度降低變壓器：腐蝕設(shè)備，耐電壓下降（10）機(jī)械雜質(zhì)油中不溶于汽油或苯的沉淀和懸浮物，經(jīng)過(guò)濾而分出的雜質(zhì)，稱為機(jī)械雜質(zhì)?；覊m，混沙，金屬碎屑，氧化物和銹末等將加速機(jī)械零件的研磨、拉傷和劃痕等磨損，堵塞油路，拉傷和劃痕等，堵塞油路油嘴和濾油器，造成潤(rùn)滑失效。(11)灰分指潤(rùn)滑油在規(guī)定條件下完全燃燒后，剩下的殘留物（不燃物）。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示?；曳值某煞郑航饘冫}類，金屬氧化物含添加劑的油的灰分較高?；曳质?jié)櫥驮谑褂秒蟹e炭增加，灰分過(guò)高，造成機(jī)械零件的磨損。(12)殘?zhí)扛艚^空氣時(shí)，油經(jīng)蒸發(fā)分解生成焦炭狀的殘余物。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。殘?zhí)渴怯椭心z狀物質(zhì)和不穩(wěn)定化合物含量的間接指標(biāo)，也是礦物油基礎(chǔ)油精制深淺程度的標(biāo)志。含S、O、N多時(shí)，殘?zhí)扛撸Y(jié)焦傾向大，增加摩擦磨損。壓縮機(jī)油殘?zhí)扛邥r(shí)，在壓縮機(jī)氣缸、脹圈和排氣閥座上的積炭就多，磨損，高溫時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。(13)水分

質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。油品中應(yīng)不含水分。標(biāo)準(zhǔn)方法：其一定量的試樣與無(wú)水溶劑混合，蒸餾，測(cè)定含水量。水含量<0.03%,稱為痕量。影響：◆破壞潤(rùn)滑油膜，潤(rùn)滑效果變差◆加速油中酸對(duì)金屬的腐蝕◆機(jī)械設(shè)備的銹蝕◆潤(rùn)滑油的添加劑失效◆低溫流動(dòng)性變差，結(jié)冰，堵塞油路◆潤(rùn)滑油乳化，溫度高時(shí)，形成汽泡，破壞潤(rùn)滑，氣阻潤(rùn)滑油的循環(huán)◆變壓器油，則會(huì)絕緣性能下降檢查方法：◆試管中取油，渾濁，乳化，不透明；◆試管加熱，氣霧，管壁上有氣泡，、水珠或有劈啪響聲◆盛在試管中的油中加入少量無(wú)水硫酸銅（白色粉末）◆用細(xì)銅線繞成圈，在火上燒紅，放入有油的試管中，有劈啪響聲礦物油是以石油為原料經(jīng)過(guò)蒸餾和精煉制成的，它的主要成分是由碳和氫兩種元素構(gòu)成的烴，烴的分子結(jié)構(gòu)有烷烴（也稱石蠟烴）、環(huán)烷烴和芳香烴。烷烴有直鏈和枝鏈兩種類型，碳原子間只有單鍵結(jié)合，如圖（a）、（b）所示。環(huán)烷烴中的碳原子間也是單鍵結(jié)合，但不是鏈狀而是呈環(huán)狀，如圖2.1（c）所示；芳香烴中的碳原子鏈也呈環(huán)狀，不過(guò)碳原子間是單雙鍵交替結(jié)合，因此，氫含量較少，如圖2.1（d）所示。由于分子結(jié)構(gòu)的不同，潤(rùn)滑油的性能也有顯著差異。烷烴含量高的潤(rùn)滑油密度較環(huán)烷烴油小，而粘溫性能較好。礦物油的粘壓性能也與其環(huán)烷烴的含量多少有關(guān)。芳香烴的含量則與潤(rùn)滑油的邊界潤(rùn)滑性能有關(guān)。當(dāng)?shù)V物油在粘性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性及揮發(fā)性等方面無(wú)法滿足使用工況的條件時(shí)，需要采用性能更優(yōu)越（價(jià)格也更高）的合成潤(rùn)滑油。表2.1比較了礦物油和一些常用合成油的理化性能，可以看出，合成油的閃點(diǎn)、熱穩(wěn)定性較礦物油高，飽和蒸汽壓較低，有些合成油的粘度隨溫度的變化較礦物油小。

常用的合成油有以下幾類：1．碳?xì)浠衔?/p>

通過(guò)合成方法可以生產(chǎn)不含芳香烴和環(huán)烷烴的碳?xì)浠衔镉米鳚?rùn)滑油，如聚丁烯、聚

烯合成油（PAO）。與礦物油相比，合成的碳?xì)浠衔镌谡?溫特性、低溫特性、揮發(fā)性和氧化穩(wěn)定性方面有一定程度的改善，可以用于對(duì)低溫性能要求嚴(yán)格的嚴(yán)寒區(qū)用長(zhǎng)壽命內(nèi)燃機(jī)油、傾點(diǎn)低且冷凍劑溶解度小的冷凍機(jī)油、對(duì)高低溫性能要求較嚴(yán)格的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)油、對(duì)氧化安定性和抗剪切安定性要求較高的齒輪油、對(duì)粘度指數(shù)、低溫性能和熱氧化穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的自動(dòng)變速傳動(dòng)液等場(chǎng)合。2．酯

通過(guò)酸與醇的組合可以合成出種類繁多的酯用作潤(rùn)滑劑，包括有機(jī)酸酯、氟代酯、磷酸酯和硅酸酯等。酯作為潤(rùn)滑劑的特點(diǎn)是粘-溫性能、抗揮發(fā)性能突出，但容易通過(guò)氧化、熱反應(yīng)或水解反應(yīng)而發(fā)生降解。由二元酸、單元酸與甲醇、乙醇或丙醇反應(yīng)合成的二元酯（也稱雙酯）廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑。季戊四醇酯的耐熱性優(yōu)于雙酯，加入合適的抗氧化劑后可以用于200℃應(yīng)用場(chǎng)合，如汽輪機(jī)潤(rùn)滑油。聚乙二醇酯是一種不溶于水的化合物，具有良好的熱穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性，用于液壓油。由有機(jī)羧酸和氟乙酰胺醇合成的氟代酯具有較好的抗氧化性和阻燃性，但粘-溫性能較差。磷酸酯（如磷酸三甲苯酯，TCP）廣泛用于礦物油和其它合成潤(rùn)滑油的抗磨添加劑。硅酸酯具有熱穩(wěn)定性好、低粘度、低揮發(fā)性的優(yōu)點(diǎn)，但水解穩(wěn)定性較差，主要用于低溫條件下的潤(rùn)滑。3．硅氧烷硅氧烷也稱為硅油，有很好的化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的粘-溫性能、低揮發(fā)性和低表面張力，適用于流體動(dòng)力潤(rùn)滑，但邊界潤(rùn)滑性能較差。常用的硅氧烷潤(rùn)滑油有二甲基硅油、甲苯基硅油和氯化甲苯基硅油。硅油可用于高低溫條件下的潤(rùn)滑，在空間飛行器等極端環(huán)境下應(yīng)用較多。4．聚苯醚

聚苯醚是一類芳香族化合物，具有優(yōu)異的抗輻射能力和抗氧化性，但粘度特性較差，常用于強(qiáng)輻照工況下（如宇宙飛行、反應(yīng)堆或以原子能為動(dòng)力的裝置）機(jī)械部件的潤(rùn)滑。5．全氟聚醚

全氟聚醚（PFPE）具有優(yōu)良的抗氧化性、低揮發(fā)性和較好的邊界潤(rùn)滑特性，其分子量、極性基團(tuán)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整以獲得不同的粘度和表面遷移性能。全氟聚醚被廣泛用于硬盤表面的潤(rùn)滑，也用于高溫、高真空條件下的潤(rùn)滑。2.1.3潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑脂也是廣泛使用的潤(rùn)滑劑材料。潤(rùn)滑脂密封簡(jiǎn)單，不須經(jīng)常加添，不易流失，所以在垂直的摩擦表面上可以使用。潤(rùn)滑脂對(duì)載荷和速度的變化有較大的適應(yīng)范圍，受溫度的影響不大，但摩擦損耗較大，機(jī)械效率低，故不宜用于高速。且潤(rùn)滑脂易變質(zhì)，不如油穩(wěn)定。總的來(lái)說(shuō)，一般參數(shù)的機(jī)器，特別是低速而帶有沖擊的機(jī)器，都可以使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。潤(rùn)滑脂是由基礎(chǔ)油、稠化劑（如鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）、添加劑和填充劑混合稠化而成?；A(chǔ)油是常用的礦物油或合成油，添加劑的功能和類型也與一般潤(rùn)滑油添加劑相同或相似，填充劑則是一些起溶膠、分散或固體潤(rùn)滑作用的輔助成分，稠化劑是潤(rùn)滑脂的最主要成份，常用的是脂肪酸的金屬皂，如硬脂酸鋰和硬脂酸鈣，相應(yīng)的潤(rùn)滑脂也就常稱為鋰基潤(rùn)滑脂和鈣基潤(rùn)滑脂。1.潤(rùn)滑脂的種類按基礎(chǔ)油組成分類，如分為石油基潤(rùn)滑脂和合成油潤(rùn)滑脂；按用途分類，如分為減摩潤(rùn)滑脂，防護(hù)脂和密封脂；按潤(rùn)滑脂的某一特性分類，如高溫脂，耐寒脂和極壓脂等。潤(rùn)滑脂中的稠化劑的類型，是決定潤(rùn)滑脂工作性能的主要因素。潤(rùn)滑脂的分類方法幾類潤(rùn)滑脂特性的簡(jiǎn)要介紹：（1）烴基潤(rùn)滑脂

以石蠟稠化基礎(chǔ)油制成的潤(rùn)滑脂稱為烴基潤(rùn)滑脂。具有良好的可塑性，化學(xué)安定性和膠體安定性，不溶于水，遇水不產(chǎn)生乳化。其缺點(diǎn)是熔點(diǎn)低。烴基潤(rùn)滑脂主要用于保護(hù)場(chǎng)合。（2）皂基潤(rùn)滑脂

皂基潤(rùn)滑脂占潤(rùn)滑脂產(chǎn)量的

90%左右，使用最廣泛。最常使用的有鈣基，鈉基，鋰基，鈣一鈉基，復(fù)合鈣基等潤(rùn)滑脂。復(fù)合鋁基、復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂也占有一定的比例。鈣基潤(rùn)滑脂：不溶于水，滴點(diǎn)低，適用于溫度較低，環(huán)境潮濕的軸承部件中。鈉基潤(rùn)滑脂：耐高溫，但易溶于水，適用于溫度較高，環(huán)境干燥的軸承部件中。鋰基潤(rùn)滑脂：抗水性較好，滴點(diǎn)較高，適用于潮濕和與水接觸的機(jī)械部位。鋁基潤(rùn)滑脂：高耐水性，適用于與水接觸的部位，集中潤(rùn)滑系統(tǒng)和航運(yùn)機(jī)械部位的潤(rùn)滑及防蝕。鋇基潤(rùn)滑脂：有良好的抗水性，滴點(diǎn)較高，不溶于汽油和醇等有機(jī)溶劑，適用于油泵，水泵等摩擦部位的潤(rùn)滑。目前使用最多的是鈣基潤(rùn)滑脂，它有耐水性，常用于60

C以下的各種機(jī)械設(shè)備中的軸承潤(rùn)滑。鈉基潤(rùn)滑脂可用于115~145

C以下，但不耐水。鋰基潤(rùn)滑脂性能優(yōu)良，耐水，在-20~150

C范圍內(nèi)廣泛適用，可以代替鈣基、鈉基潤(rùn)滑脂。（3）無(wú)機(jī)潤(rùn)滑脂

主要有膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂及硅膠潤(rùn)滑脂兩類。硅膠潤(rùn)滑脂是由表面改質(zhì)的硅膠稠化甲基硅油制成的潤(rùn)滑脂，可用于電氣絕緣及真空密封。膨潤(rùn)土潤(rùn)滑脂是由表面活性劑處理后的有機(jī)膨潤(rùn)土稠化不同粘度的石油潤(rùn)滑油或合成潤(rùn)滑油制成。適用于汽車底盤、輪軸承及高溫部位軸承的潤(rùn)滑。（4）有機(jī)潤(rùn)滑脂

各種有機(jī)化合物稠化石油潤(rùn)滑油或合成潤(rùn)滑油，各具有不同的特性，這些潤(rùn)滑脂大都用作特殊用途。如陰丹士林、酞青銅稠化合成潤(rùn)滑油制成高溫潤(rùn)滑脂可用于200~250℃；含氟稠化劑如聚四氟乙烯稠化氟碳化合物或全氟醚制成的潤(rùn)滑脂，可耐強(qiáng)氧化劑，作為特殊部件的潤(rùn)滑。又如聚脲潤(rùn)滑脂可用于抗輻射條件下的軸承潤(rùn)滑等。2．潤(rùn)滑脂的性能潤(rùn)滑脂的主要性能包括：流動(dòng)性（針入度）、觸變性、粘度、強(qiáng)度極限、低溫流動(dòng)性、滴點(diǎn)、蒸發(fā)性、膠體安定性、氧化安定性等。潤(rùn)滑脂的最主要性能是流動(dòng)性，以針入度表示。針入度數(shù)值越大表示潤(rùn)滑脂越軟。

3．潤(rùn)滑脂使用（1）潤(rùn)滑脂的填充量

潤(rùn)滑脂的填充量，以填充軸承和軸承殼體空間的1/3到1/2為宜。若加脂過(guò)多，由于攪拌發(fā)熱，會(huì)使脂變質(zhì)惡化或軟化。高速時(shí)應(yīng)僅填充至1/3或更少。當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，為防止外部異物進(jìn)入軸承內(nèi)，可以填滿殼體空間。（2）潤(rùn)滑脂的補(bǔ)充和更換潤(rùn)滑脂的使用壽命是有限的，由于剪切作用和工作時(shí)間增加，潤(rùn)滑脂會(huì)出現(xiàn)老化，使其潤(rùn)滑性能降低。為了避免產(chǎn)生過(guò)多的摩擦損耗和材料磨損，摩擦副中須隔一定時(shí)間補(bǔ)充或更換一次潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂的補(bǔ)充時(shí)間間隔與摩擦副的結(jié)構(gòu)、尺寸、轉(zhuǎn)速和環(huán)境條件有關(guān)。不同滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑脂補(bǔ)充時(shí)間間隔上圖是在軸承外徑表面溫度為70oC情況下繪出的，因此適用于軸承溫度70oC以下，若超過(guò)70oC，每上升15oC，補(bǔ)充周期應(yīng)減半。如軸承用于塵埃很多，且密封不可靠的場(chǎng)合，補(bǔ)充周期可縮短到圖示值的一半到十分之一。（3）潤(rùn)滑脂的混合原則上，牌號(hào)不同的潤(rùn)滑脂不能混合，含有不同種類稠化劑的脂相混合會(huì)破壞潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)和稠度，不同基油的脂相混合會(huì)造成兩元相流體而影響連續(xù)潤(rùn)滑。因此，一般應(yīng)避免混合使用各種潤(rùn)滑脂，若必須更換牌號(hào)相異的潤(rùn)滑脂時(shí)，應(yīng)把軸承內(nèi)原有的潤(rùn)滑脂完全清除后，再填入新的潤(rùn)滑脂。2.1.4固體潤(rùn)滑劑1．固體潤(rùn)滑劑的性能

固體潤(rùn)滑是指利用固體粉末、薄膜或整體材料來(lái)減少作相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩表面的摩擦與磨損并保護(hù)表面免于損傷的作用。固體潤(rùn)滑劑的基本性能有以下要求：

（1）能與摩擦表面牢固地附著，有保護(hù)表面功能；

（2）具有較低的抗剪強(qiáng)度；

（3）穩(wěn)定性好，包括物理熱穩(wěn)定，化學(xué)熱穩(wěn)定，時(shí)效穩(wěn)定和不產(chǎn)生腐蝕及其他有害的作用；

（4）要求固體潤(rùn)滑劑有較高的承載能力。由于固體潤(rùn)滑劑不能像潤(rùn)滑油那樣可以把摩擦界面上的摩擦熱導(dǎo)出一部分，而且在使用過(guò)程中很難補(bǔ)充，因此在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)固體潤(rùn)滑劑的特點(diǎn)，考慮采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。固體潤(rùn)滑劑的使用方式◆整體使用，如將尼龍或聚四氟乙烯塑料制成齒輪、軸承和凸輪等；◆以各種覆蓋膜的形式使用，如粘結(jié)膜、轉(zhuǎn)化膜、等離子噴鍍膜和濺射膜等；◆以復(fù)合材料或組合材料的形式使用，如以金屬為基體的復(fù)合材料和將金屬液浸漬到石墨孔隙中的金屬石墨組合材料等；◆直接使用粉末固體潤(rùn)滑劑，或?qū)⒎勰┤缡酆投蚧f粉等添加到油、脂中使用等。2．固體潤(rùn)滑劑的種類

固體潤(rùn)滑劑一般可分為以下幾類：

層狀晶體結(jié)構(gòu)固體潤(rùn)滑劑：它們是易于劈開的化合物或具有減摩作用的單體物質(zhì)。按結(jié)合形式、結(jié)晶體系和成分可分為：硫化物，硒化物，碲化物，氟化物，鹵化物，單質(zhì)（石墨等），氮化物，氧化物，有機(jī)物等；非層狀無(wú)機(jī)物：如硫化物，碲化物，氟化物，陶瓷和超硬合金；軟金屬薄膜：如Au，Ag，In，Ca，Cd，Pb，Sn及其合金；高分子材料：如聚四氟乙烯，聚縮醛，尼龍，聚酰胺，聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，硅樹脂等；

化學(xué)生成膜與化學(xué)合成膜：如磷酸鹽，以及在鍍鉬的金屬表面通以硫蒸氣，生成MoS2膜等。最常用的固體潤(rùn)滑劑有：石墨、二硫化鉬（MoS2）、聚四氟乙烯（PTFE）和尼龍等。石墨性能穩(wěn)定，在350

C以上才開始氧化，并可在水中工作。二硫化鉬與金屬表面吸附性強(qiáng)，摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍也廣（-60~300

C），但遇水則性能下降。使用固體潤(rùn)滑劑，一定要了解固體潤(rùn)滑劑的特性，根據(jù)工作條件合理使用，才能達(dá)到預(yù)期的效果。聚四氟乙烯3．固體潤(rùn)滑劑的使用方式(1)作為固體潤(rùn)滑粉末來(lái)使用將固體潤(rùn)滑粉末（如MoS2）以適量添加到潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中，可提高潤(rùn)滑油脂的承載能力及改善邊界潤(rùn)滑狀態(tài)等，這也是較常用的使用方法，如MoS2油劑、MoS2油膏、MoS2潤(rùn)滑脂及MoS2水劑等。以粒度小于0.5

m的固體潤(rùn)滑劑加入到發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中，這些小顆粒能通過(guò)濾器進(jìn)到摩擦面，當(dāng)摩擦面因某種原因暫時(shí)缺油時(shí)，固體潤(rùn)滑劑的小顆粒起潤(rùn)滑作用，起到短時(shí)間應(yīng)急的作用。(2)在一些特殊條件下，脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑的使用受到限制時(shí)可采用混合潤(rùn)滑劑。方法有：將固體潤(rùn)滑劑加入潤(rùn)滑脂中，一般是在潤(rùn)滑脂中加入3%或5%的一號(hào)二硫化鉬；用粘接劑將固體潤(rùn)滑劑加入工程塑料和粉末冶金材料中，制成有自潤(rùn)滑性能的軸承零件；在軸承的滑動(dòng)部位刻制小槽或小溝，嵌入相應(yīng)形狀的固體潤(rùn)滑劑組合材料；也可在保持架兜孔、引導(dǎo)面或滾道上直接鑲嵌固體潤(rùn)滑劑組合材料。用電鍍、高頻濺射、離子鍍層、化學(xué)沉積、溶射等技術(shù)使固體潤(rùn)滑劑或軟金屬（金，銀，鉛等）在軸承零件摩擦面上形成一層均勻