《摩擦磨損和潤滑》課件

摩擦磨損和潤滑摩擦學(xué)是研究摩擦、磨損和潤滑的學(xué)科。它是一個(gè)跨學(xué)科的領(lǐng)域，涉及物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科。摩擦和磨損的基本概念表面接觸摩擦和磨損發(fā)生在兩個(gè)接觸表面的接觸點(diǎn)。相對運(yùn)動(dòng)兩個(gè)表面之間發(fā)生的相對運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致摩擦力的產(chǎn)生。材料去除摩擦產(chǎn)生的能量會(huì)導(dǎo)致接觸表面材料的磨損，形成磨屑。摩擦的形成機(jī)理1表面粗糙度即使表面看起來光滑，也存在微觀上的凹凸不平，接觸面積有限。這些微觀凸起互相接觸，形成微觀接觸點(diǎn)。2分子引力當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸時(shí)，表面的分子之間會(huì)產(chǎn)生相互吸引力，即范德華力。這種力在微觀接觸點(diǎn)上起作用，產(chǎn)生摩擦力。3表面變形當(dāng)兩個(gè)表面相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)處的材料會(huì)發(fā)生彈性變形或塑性變形，這些變形會(huì)消耗能量，產(chǎn)生摩擦熱。摩擦力的測量和計(jì)算摩擦力的測量和計(jì)算是摩擦學(xué)研究的基礎(chǔ)。摩擦力的大小可以通過實(shí)驗(yàn)方法直接測量，也可以通過理論計(jì)算得出。常用的測量方法包括摩擦系數(shù)測量法、摩擦力測量法等。摩擦力的計(jì)算主要基于庫侖摩擦定律，該定律指出：摩擦力的大小等于正壓力與摩擦系數(shù)的乘積。摩擦系數(shù)是表征材料表面摩擦性能的物理量，其數(shù)值與材料的性質(zhì)、表面狀況、溫度、濕度等因素有關(guān)。摩擦力的計(jì)算方法多種多樣，要根據(jù)具體情況選擇合適的計(jì)算方法。在實(shí)際應(yīng)用中，摩擦力的計(jì)算往往需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行。固體表面接觸和潤滑狀態(tài)微觀接觸真實(shí)固體表面存在微觀凹凸，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于理論接觸面積。潤滑劑可以填補(bǔ)微觀間隙，減少摩擦磨損。流體潤滑潤滑劑形成完整的油膜，分離摩擦表面，實(shí)現(xiàn)無摩擦接觸。邊界潤滑潤滑劑與摩擦表面形成吸附層，減小直接接觸，減少摩擦磨損?；旌蠞櫥黧w潤滑和邊界潤滑同時(shí)存在，共同減少摩擦磨損。摩擦磨損的機(jī)理表面接觸材料表面接觸時(shí)，表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)會(huì)造成實(shí)際接觸面積小于理論接觸面積。形變和粘著接觸區(qū)域的壓力導(dǎo)致材料表面變形，產(chǎn)生接觸點(diǎn)。接觸點(diǎn)處的原子相互作用導(dǎo)致粘著現(xiàn)象。剪切和磨損相對運(yùn)動(dòng)使粘著點(diǎn)發(fā)生剪切，導(dǎo)致表面材料剝落，形成磨損。能量轉(zhuǎn)化摩擦過程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度升高，影響材料性能和潤滑狀態(tài)。磨損的類型和特點(diǎn)粘著磨損金屬表面相互接觸時(shí)，由于表面凸起發(fā)生冷焊，并在相對運(yùn)動(dòng)過程中被撕裂，從而導(dǎo)致材料損失。常見的例子包括：兩個(gè)金屬表面之間的摩擦，工具和工件之間的磨損。磨粒磨損由于硬質(zhì)顆粒（如砂粒、灰塵）嵌入到材料表面或被材料攜帶，從而在材料表面上造成刮擦和磨損。常見的例子包括：高速切削加工、機(jī)械零件的磨損、風(fēng)沙對金屬表面的磨損。疲勞磨損由于材料表面的重復(fù)應(yīng)力作用，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，并在不斷累積下形成疲勞裂紋，最終導(dǎo)致材料斷裂。常見的例子包括：齒輪的磨損、軸承的疲勞剝落、金屬材料的疲勞斷裂。腐蝕磨損腐蝕和磨損共同作用，導(dǎo)致材料的表面發(fā)生損壞，加速材料的損失。常見的例子包括：海洋環(huán)境下金屬零件的腐蝕磨損、酸性環(huán)境下金屬表面的腐蝕磨損。材料和表面處理對摩擦磨損的影響材料的特性和表面處理方法對摩擦磨損有很大影響。1硬度硬度高的材料，抗磨損能力強(qiáng)。2韌性韌性好的材料，可以承受更大的沖擊和彎曲。3耐熱性耐熱性好的材料，可以在高溫下保持其性能。4表面光潔度表面光潔度高的材料，摩擦系數(shù)低，磨損小。潤滑劑的作用和分類1減少摩擦和磨損潤滑劑在兩個(gè)表面之間形成一層薄膜，減少接觸面積，降低摩擦力和磨損率。2降低能耗摩擦力降低，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)效率提高，減少能源消耗，節(jié)約成本。3延長設(shè)備壽命減少磨損，延長設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本。4冷卻和清潔潤滑劑可以帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，同時(shí)還可以清洗機(jī)械零件表面的污垢和雜質(zhì)。常見潤滑劑的特性和應(yīng)用礦物油礦物油來源廣泛，成本低廉。在輕負(fù)荷、低溫環(huán)境下表現(xiàn)良好。適用于普通機(jī)械，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱。合成油合成油具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫、高壓環(huán)境下表現(xiàn)出色。適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密儀器等對潤滑劑要求較高的場合。脂脂具有良好的粘附性，可長時(shí)間保持潤滑效果，適合在高溫、高壓、低溫等惡劣環(huán)境下使用。適用于軸承、齒輪等需要長期潤滑的部件。固體潤滑劑固體潤滑劑具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，適用于極端工況。例如石墨、二硫化鉬，廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金等領(lǐng)域。潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇需求分析明確潤滑系統(tǒng)的使用環(huán)境、工況、負(fù)載等因素，為潤滑系統(tǒng)選擇合適的潤滑劑和潤滑方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)需求分析結(jié)果，設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料，選擇合適的潤滑泵、油管、過濾器等部件。潤滑劑選擇根據(jù)潤滑系統(tǒng)的工況和要求，選擇合適的潤滑劑，例如礦物油、合成油、半合成油等。系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試潤滑系統(tǒng)，確保系統(tǒng)運(yùn)行正常，潤滑劑能夠有效地傳遞到摩擦表面。維護(hù)保養(yǎng)定期對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，更換潤滑劑，清理過濾器等，確保潤滑系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。邊界潤滑和混合潤滑1邊界潤滑潤滑劑薄層不足，固體表面直接接觸，摩擦系數(shù)高，磨損嚴(yán)重。2混合潤滑邊界潤滑和流體潤滑共存，潤滑劑起到部分隔離作用，摩擦系數(shù)中等，磨損較低。3應(yīng)用場景邊界潤滑多用于低速、重載條件下，混合潤滑應(yīng)用范圍廣，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪。4研究重點(diǎn)提高潤滑劑的極壓性能和抗磨性能，降低摩擦系數(shù)，減少磨損。流體潤滑的工作原理1形成油膜潤滑油在兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的表面之間形成一層連續(xù)的油膜2分離表面油膜能夠?qū)⑾嗷ソ佑|的表面分離，降低摩擦系數(shù)3承載壓力油膜能夠承受外部載荷，防止金屬表面直接接觸4散熱降溫潤滑油可以將摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，防止設(shè)備過熱流體潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1選擇合適的潤滑油考慮工況、溫度、壓力等2潤滑油的供給系統(tǒng)油泵、油管、油過濾器3潤滑油的冷卻系統(tǒng)確保潤滑油保持合適的溫度4潤滑油的過濾系統(tǒng)清除雜質(zhì)、保持潤滑油清潔5潤滑油的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測潤滑油的壓力、溫度、流量等流體潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮許多因素，例如潤滑油的類型、潤滑油的供給、潤滑油的冷卻、潤滑油的過濾、潤滑油的監(jiān)測等。一個(gè)完善的流體潤滑系統(tǒng)可以有效地減少摩擦和磨損，延長設(shè)備的使用壽命。潤滑油品質(zhì)評價(jià)與檢測指標(biāo)評價(jià)方法意義粘度粘度計(jì)潤滑油流動(dòng)性閃點(diǎn)閃點(diǎn)測定儀燃點(diǎn)安全性酸值滴定法酸性腐蝕性灰分灼燒法添加劑含量潤滑油品質(zhì)評價(jià)與檢測至關(guān)重要，可以確保潤滑油的性能滿足設(shè)備要求，延長設(shè)備使用壽命，提高生產(chǎn)效率。新型潤滑材料的應(yīng)用納米潤滑劑納米材料具有獨(dú)特的表面特性和摩擦學(xué)性能，如低摩擦系數(shù)、高承載能力等。納米潤滑劑可用于減小摩擦、延長機(jī)械壽命、提高效率。固體潤滑材料固體潤滑材料在高溫、高壓、真空等惡劣環(huán)境下具有優(yōu)異的潤滑性能。常用固體潤滑劑包括石墨、二硫化鉬等。生物潤滑劑生物潤滑劑以生物資源為原料，具有可降解性、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)。生物潤滑劑可應(yīng)用于生物醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域。智能潤滑劑智能潤滑劑能夠根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)節(jié)其性能，如溫度、壓力等。智能潤滑劑可實(shí)現(xiàn)自修復(fù)、自適應(yīng)等功能。摩擦學(xué)對工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用優(yōu)化零件設(shè)計(jì)減少摩擦和磨損，提高零件的耐用性和可靠性。提高效率降低能量損失，提高機(jī)器的效率和性能。延長使用壽命選擇合適的潤滑劑和潤滑方式，延長機(jī)器的使用壽命。節(jié)約成本通過摩擦學(xué)分析，減少材料浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。摩擦和磨損對環(huán)境的影響能源消耗摩擦?xí)?dǎo)致能量損失，造成能源浪費(fèi)。污染排放潤滑油泄漏和磨損顆粒會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。資源浪費(fèi)磨損會(huì)導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，增加資源消耗。噪音產(chǎn)生摩擦?xí)?dǎo)致噪音產(chǎn)生，影響環(huán)境質(zhì)量。摩擦節(jié)能的意義和方法11.降低能源消耗減少摩擦損失，可以提高機(jī)械效率，降低能源消耗，節(jié)約能源成本。22.延長設(shè)備壽命減少摩擦磨損，可以延長設(shè)備的使用壽命，減少維修保養(yǎng)費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率。33.降低環(huán)境污染減少摩擦損失可以降低設(shè)備運(yùn)行的溫度和噪聲，減少對環(huán)境的污染。44.提高產(chǎn)品性能通過降低摩擦，可以提高產(chǎn)品的性能，例如降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，提高汽車行駛速度等。摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)與測試方法摩擦系數(shù)測試使用摩擦系數(shù)測試儀，測量材料之間的摩擦系數(shù)。這需要控制負(fù)載、速度和溫度，并分析摩擦力和運(yùn)動(dòng)方向。磨損測試通過測量磨損量的變化，評估材料的耐磨性。常用測試方法包括磨損測試機(jī)、擦拭測試機(jī)和滾珠測試機(jī)。潤滑性能測試評價(jià)潤滑劑的性能，包括粘度、磨損性能、防腐性能和高溫性能。常用測試方法包括粘度計(jì)、四球機(jī)和高溫試驗(yàn)臺(tái)。表面分析使用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）等技術(shù)，分析摩擦表面形貌和成分變化。摩擦學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)納米級摩擦學(xué)研究納米尺度下的摩擦、磨損和潤滑現(xiàn)象，揭示材料表面相互作用的機(jī)制。微流體潤滑利用微流體技術(shù)設(shè)計(jì)新型潤滑系統(tǒng)，提高潤滑效率，降低摩擦損失。生物摩擦學(xué)研究生物體內(nèi)的摩擦、磨損和潤滑現(xiàn)象，為生物醫(yī)學(xué)工程提供理論指導(dǎo)?？沙掷m(xù)潤滑開發(fā)環(huán)保、高效、長效的潤滑材料和技術(shù)，減少摩擦損失和環(huán)境污染。摩擦學(xué)理論的發(fā)展歷程從古至今，人類對摩擦現(xiàn)象一直保持著濃厚的興趣。早在公元前，古希臘的亞里士多德就對摩擦力進(jìn)行了研究，并提出了“摩擦力與物體接觸面積成正比”的觀點(diǎn)。1現(xiàn)代摩擦學(xué)納米摩擦學(xué)、生物摩擦學(xué)2經(jīng)典摩擦學(xué)流體潤滑理論、邊界潤滑理論3早期摩擦學(xué)亞里士多德的摩擦力研究摩擦與磨損問題的診斷與分析現(xiàn)象觀察觀察摩擦表面磨損痕跡，例如劃痕、磨損斑點(diǎn)、表面粗糙度等，以初步判斷磨損類型。通過聲學(xué)、振動(dòng)等方法檢測摩擦過程中的異常聲音或振動(dòng)，判斷磨損程度。數(shù)據(jù)分析分析摩擦系數(shù)、磨損率、摩擦溫度等數(shù)據(jù)，識(shí)別摩擦過程中的異常變化。利用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立摩擦磨損預(yù)測模型，對磨損進(jìn)行早期預(yù)警。摩擦學(xué)知識(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用降低磨損機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的材料和表面處理工藝，以降低摩擦系數(shù)和磨損率，延長機(jī)械的使用壽命。潤滑設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械的工作條件，選擇合適的潤滑劑和潤滑方式，以保證機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低摩擦熱和磨損。提高效率通過優(yōu)化機(jī)械的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，降低摩擦損失，提高機(jī)械的效率和節(jié)能效果。摩擦學(xué)在關(guān)鍵設(shè)備中的應(yīng)用案例摩擦學(xué)在關(guān)鍵設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、精密機(jī)床、渦輪機(jī)和醫(yī)療器械。這些設(shè)備對摩擦和磨損有嚴(yán)格的要求，需要優(yōu)化的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和材料來確保可靠性和壽命。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片使用特殊的涂層和潤滑油，以降低摩擦和磨損，提高燃油效率。精密機(jī)床的軸承需要低摩擦和高精度，以確保加工產(chǎn)品的質(zhì)量。摩擦學(xué)與可持續(xù)發(fā)展節(jié)能減排減少摩擦損耗，降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。材料利用優(yōu)化材料選擇，延長設(shè)備壽命，減少材料浪費(fèi)。環(huán)境保護(hù)降低噪聲污染，減少潤滑劑使用，保護(hù)環(huán)境。摩擦學(xué)在汽車、航空中的應(yīng)用汽車應(yīng)用摩擦學(xué)在汽車領(lǐng)域至關(guān)重要。它優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)系統(tǒng)和輪胎的設(shè)計(jì)，提高燃油效率，降低噪音和磨損。摩擦學(xué)原理應(yīng)用于汽車零部件，例如軸承、活塞環(huán)和離合器，以減少摩擦和磨損，延長其使用壽命。航空應(yīng)用航空領(lǐng)域?qū)p量化、節(jié)能和可靠性要求極高。摩擦學(xué)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、機(jī)翼和機(jī)身設(shè)計(jì)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過降低摩擦和磨損，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少燃料消耗，延長飛機(jī)壽命，并提升安全性。摩擦學(xué)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用1人工關(guān)節(jié)減少摩擦和磨損，提高關(guān)節(jié)的壽命和舒適度。2生物材料控制表面性質(zhì)，改善生物材料的生物相容性和生物活性。3醫(yī)療器械優(yōu)化摩擦學(xué)特性，提高醫(yī)療器械的性能和安全性。4藥物輸送開發(fā)新型藥物輸送系統(tǒng)，提高藥物的療效和安全性。摩擦學(xué)在微納米器件中的應(yīng)用納米摩擦微納米器件具有尺寸小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)。摩擦學(xué)在微納米器件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用中扮演著重要角色。納米潤滑納米潤滑劑可以有效降低摩擦系數(shù)，提高微納米器件的可靠性和使用壽命。納米材料納米材料具有獨(dú)特的表面性質(zhì)和