摩擦学作业

摩擦学的发展

对摩擦学提出科学论断的第一位科学家是生活在意大利文艺复兴时代的达芬奇（Leonardo Da Vinci，1452~1519）。他在对机器的设计中，观察到摩擦的约束本质以及摩擦对螺旋千斤顶及齿轮结构的影响；他通过对处于水平和斜面上两物体的摩擦阻力的测量，认识到摩擦力取决于法向载荷二与名义接触面积无关，并定义摩擦系数是摩擦力与法向载荷之比，其比例系数为1/4，这一研究结果使他成为对摩擦力进行定量研究的第一人。虽然，该比例系数的具体值与工程实际中的值有一定差距，然而，摩擦力与载荷的这种度量关系为摩擦学的发展奠定了基础。他在摩擦学方面的另一贡献是认识到了滚动摩擦与滑动摩擦之间的差别，他设计的几种形式的滚动——盘轴承和推力轴承草图，是将摩擦学应用在机械零件设计中最早的典型案例。

1699年，法国物理学家阿芒顿（Amontons）研究了两个平面之间的干摩擦之后，再次发现了上述摩擦理论。第一，阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比；第二，摩擦力的大小与接触面无关[3]。这些发现后来被法国物理学家库仑（C.A.Coulomb,1736~1806）修正。

法国科学家库仑（Coulomb）是首位对摩擦进行较为系统研究的科学家。他可能在材料科学，电工学和磁性学方面的知名度比他在摩擦学领域的高，但他在摩擦学领域的贡献使他的名字与摩擦学紧紧相连，并使他成为18世纪摩擦学领域最具代表性的人物。为了探讨工况因素对摩擦的影响，他将不同材料，在不同的润滑状态、速度、应力和试验时间（从0.5s到4d）条件下测量其摩擦阻力（对于有些材料，他还考虑了例如湿度、温度和真空等环境因素），并基于测量结果从如下四个方面进行了讨论：①在接触过程中材料与表面层的性质；②表面积的范围；③法向载荷；④接触时间对摩擦的影响。库仑发现：在大多数情况下，摩擦与载荷成正比而与接触表面无关；黏附对摩擦有影响，但比例非常小。因此，他建立了摩擦二项式定律：

F=A+(W/μ)式中F——摩擦阻力A——常数；W——载荷μ——摩擦系数

第一项A反映黏附或黏着分量，第二项(W/μ)反映犁沟或变形分量。库仑的另一接触研究成果是探讨了动、静摩擦力之间的关系。他发现，在一般情况下动摩擦力比静摩擦力小，并且动摩擦系数与滑动速度无关。他的这一发现大大地推进了摩擦学的研究与应用进程，并被后人称为古典摩擦定律之一。

1880年在柏林的物理学学会上，赫兹（Hertz，1857~1894）被关于Newton合金（一种含铋、铅、锡的易熔合金）环失效问题的讨论吸引了。他意识到该问题涉及接触应力和接触变形的关系，于是开展了弹性体间的接触和变形的研究，完成了摩擦与变形的理论计算。Hertz理论是摩擦学学科的重要基础理论之一，也是摩擦和磨损理论赖以发展的理论基础。从此，摩擦学理论向前跨越了一大步。

润滑理论的奠基人是英国科学家雷诺（Osborne Reynolds,1842~1912），雷诺在摩擦学领域的特殊贡献是建立了流体膜润滑理论（1886年）以及早期的滚动摩擦研究。雷诺具有极强的对事物本质的理解力，对来复枪在发射过程中旋转运动的观察引发了他在滚动摩擦方面的研究兴趣；热电烙铁在焊接上的滑动现象使他推测冰所呈现的低摩擦可能是由于冰在滑冰鞋上的压力作用下溶化而使滑冰过程具有润滑作用。1883年，当英国工程师B.Tower在英国机械工程师协会上发表了关于在Half轴承中油膜压力的观察报告后，雷诺就开始用数学分析方法研究了Tower在报告中所描述的现象本质，并于1886年2月11日在英国皇家学会上宣读了他的研究论文。该论文包含了流体膜润滑的基础微分方程，给出了推力和径向轴承的近似解，并将理论计算结果与Tower所获得的实验结果进行了比较。从该理论发表至今的100多年中，论文中所描述的流体膜润滑理论一直被工程和学术界视为经典理论。英国利兹（Leeds）大学的道森D.Dowson教授评价：Reynolds理论以近乎完美的程度将润滑的理解引入到摩擦学领域的最高境界，100多年来，几乎所有的滑动支承油膜设计都依赖于该理论。

从20世纪初开始，工业的巨大发展推动了摩擦学的发展，对摩擦学各方面知识的需求也急速增长。很多科学家在摩擦学领域取得的杰出成就推动了摩擦学的发展。就其摩擦、磨损与润滑的领域进行的较为系统的研究而言，澳大利亚科学家弗兰克?菲利普?鲍登（F.P.Bowden，1903~1968）是公认的代表人物。1931年他与Stewer Boster合著的一本关于光滑表面间接触问题的研究是他摩擦学研究生涯的开始。此后，他广泛地研究了两固体接触的摩擦磨损问题，如动摩擦、界面摩擦、贝氏体的形成、清洁金属表面的黏附、固体间的实际接触面积、冰和雪的摩擦等。二战期间，鲍登研究了航空轴承的性能、子弹对金属的穿透性、黏性流体在摩擦过程中的黏度损耗、脂肪酸对边界润滑膜的影响以及活塞环与缸套壁间的润滑膜破裂等与当时战争工业相关的摩擦学问题。二战后，鲍登在剑桥大学创建了摩擦物理和化学研究室，从事摩擦学的基础理论和工程应用研究。鲍登与他的学生D.Tabor对观察到的金属摩擦现象进行了深入的研究，指出摩擦是微凸体界面的黏附以及硬微凸体在软表面上的犁沟作用的结果[4]。这一理论突破了古典的摩擦机械学说和机械-分子学说，使现代工程中呈现的摩擦现象能得到合理的解释，从而为现代摩擦理论奠定了基础。

摩擦学的主要研究内容

（1）特殊工况下的摩擦学研究

由于在超常工况下材料的摩擦学行为同于常规工况下呈现的规律，因此，该领域的摩擦学研究不仅可大幅度地提高设备在特殊环境下的寿命和可靠性；而且可推动新的摩擦学材料结构、新的测试技术和新的表面技术的发展[5]。

（2）纳米摩擦学的研究

纳米摩擦学是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。通过研究摩擦表面和界面上微观动态行为与变化，可从原子、分子尺度上揭示材料的摩擦磨损机润滑机理[6]。这有助于建立材料微观结构与宏观特性之间的定性关系和定量准则，构建新的摩擦学系统。通过分子动力学模型和数值模拟，可揭示有序分子膜的润滑状态，从而创新初微型机械润滑所需的超低剪切阻力分子层。随着精密机械、纳米电子学和纳米生物学等超微机械的发展，纳米摩擦学将具有广泛的前景。

（3）先进表面处理工艺的摩擦学特性研究

先进的表面改性技术俞来愈受到摩擦学家们的关注，如符合烧结技术、激光表面改性技术，PVD、CVD、离子镀技术及表面薄膜层改性工艺等冶金、物理和化学方法正日益应用在摩擦学领域中，而对采用这些编码处理技术所制备零件的摩擦学特性的研究，不仅可以大幅度地提高零件的寿命与可靠性，而且可推动表面技术及其工艺的发展。

（4）摩擦学设计方法与数据共享技术的研究

将摩擦学知识转移到工业中去的最有效途径是在设计阶段并行地进行摩擦学设计。而要做到这一点，必须考虑摩擦学系统的三个基本特性：系统依赖性、时间依赖性和多学科性[7]。而要满足这三个基本特性，摩擦学设计方法和知识的获取将成为十分重要的研究内容。以网络形式为工程界提供的试验和理论研究成果，使摩擦学数据能以较快的时实性和较高的可靠性提升摩擦学数据的利用率，从而大幅度地促进了摩擦学设计的发展。

（5）仿生摩擦学研究

由于仿生摩擦学的研究包括认识和理解生物表面润湿、黏附、摩擦、润滑、磨损的生物物理机制，以及不同工作条件下的仿生原则的建立和仿生设计的实现等，因此，研究对象涉及生命科学、材料科学、力学和物理化学等交叉学科的融合，是摩擦学能在几何、物理、材料和控制等角度借鉴生物体的生存经验和进化规律，研究、发展和提升工程摩擦副的性能。可以预见，随着生物体的功能和生存奥秘逐步被人类所认识，仿生摩擦学将成为摩擦学最有生命力的研究领域。

（6）摩擦学系统监控技术的研究

摩擦学系统监控是获取摩擦学系统信息最直接的技术之一。先进的摩擦学系统监控技术不仅是人们认识摩擦学系统的变化规律，而且是提高系统运行可靠性的重要技术措施之一。虽然目前人们在摩擦学系统监控领域进行了大量的研究，包括磨粒在线检测设备和计算机监控系统，但先进的声、光、电和原子诊断方法和设备以及系统识别技术的研究具有更诱人的前景。（7）摩擦学问题的模拟计算和零件寿命评估

随着计算技术的发展，如果将仿真分析和理论计算所具有的直观、快速和经济的特点体现体现在摩擦学研究中，将大幅度地促进摩擦学学科的发展。因此，如何基于特定的摩擦学系统，利用摩擦磨损的表面信息源，建立可信的摩擦学系统分析模型和零件寿命评价系统，将是摩擦学工作者长期探索的任务。

（8）摩擦学新材料研究

摩擦学材料的特殊性在于它的功能适应性，材料在不同工况下条件下的摩擦、磨损和润滑性能不仅影响机器寿命、安全和经济性，而且直接影响机器的功能、效率和先进性。因此，如何创新出具有优异摩擦学特性的基本材料、涂层、润滑体、添加剂或其他特种功能材料，将是摩擦学与材料学之间的学科交叉和发展的重要课题。

古典摩擦定律

古典摩擦定律(classical friction law)

古典摩擦定律又叫阿蒙顿-库伦定律，综述如下：

1.摩擦力与作用于摩擦面间的法向载荷成正比，其方向总是与接触表面间的相对运动速度的方向相反。

2.摩擦因数与接触面积无关;

3.摩擦因数与滑动速度无关;

4.静摩擦因数大于动摩擦因数.

古典摩擦定律不完全正确,必须做如下修正:

1.当法向载荷较大时,摩擦力与法向压力呈非线性关系,法向载荷愈大,摩擦力增加得愈快;

2.有一定屈服点的材料(如金属),其摩擦阻力才与接触面积无关.粘弹性材料的摩擦力与接触面积有关;

3.精确测量,摩擦力与速度有关,金属与金属的摩擦力随速度的变化不大.

4.粘弹性材料的静摩擦因数不大于动摩擦因数.

滑动摩擦理论

机械啮合理论18世纪以前，许多研究者都认为摩擦表面上是凹凸不平的，当两个凹凸不平的表面接触时，凹凸部分彼此交错啮合。在发生相对运动时，互相交错啮合的凹凸部分就要阻碍物体的运动。摩擦力就是所有这些啮合点的切向阻力的总和。

分子作用理论摩擦的分子理论是G.A.Tomlinson(汤姆林逊)于1929年提出的，在平衡状态时，固体原子间的排斥力和内聚力相中和。但是，当两物体接触时，一个物体内的原子可能和第二个物体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。在此情况下，两表面分开就会造成能量的损失，并以摩擦阻力的形式出现

分子——机械摩擦理论1939年克拉盖尔斯基提出了分子——机械摩擦理论。认为摩擦力不仅取决于两个接触面间的分子作用力，而且还取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌的畸变(可逆或不可逆)在干摩擦时，由于实际物体的表面有着微观不平的微凸体和凹穴，因此，两个表面接触时，接触仅仅发生在微凸体处，其实际接触面积只占总的名义接触面的很小一部分，并且随着表面压力的增大而增大。在载荷作用下，表面膜容易破坏，金属基体会直接接触。由于接触的不连

续性，在很大的单位压力作用下，会同时出现表面微凸体相互压入和啮合，以及相接触的表面存在分子吸引力。当两表面相对滑动时，则受到接触点上因机械啮合和分子吸引力所产生的切向阻力的总和(摩擦力)的作用。

滚动摩擦机理

和滑动摩擦不同，在滚动摩擦中不存在界面间的犁沟及粘着接点的剪切。因此，不能应用滑动摩擦的微观模型来解释因滚动而产生的阻力。目前认为滚动的摩擦阻力主要来自微观滑动、弹性滞后、塑性变形和粘着作用等方面

（1）微观滑动

微观滑动是滚动过程中普遍存在的现象。当两个弹性模量不同的物体作自由滚动时，由于接触表面产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。用以传递机械功的滚动接触表面有切向牵引力作用，将产生较大的微观滑动。当几何形状使得接触面上两表面的切向速度不同时，将导致更大的微观滑动。

微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑动摩擦相同。（2）弹性滞后当材料受力变形时，在弹性范围内，如果将应变量放大，常常发现加载线和卸载线不重合，加载线高于卸载线，如图所示，即加载时用于变形的功大于卸载时材料放出的功，有一部分功被材料吸收，这种现象叫做弹性滞后。当材料受力变形时，在弹性范围内，如果将应变量放大，常常发现加载线和卸载线不重合，加载线高于卸载线，如图所示，即加载时用于变形的功大于卸载时材料放出的功，有一部分功被材料吸收，这种现

象叫做弹性滞后。

（3）塑性变形Merwln－Johnson提出的塑性变形机理可解释金属间的滚动阻力。金属物体滚动接触时，若接触压力超过一定数值，首先在距接触表面某一距离处产生屈服。产生塑性变形是需要能量的。其表现为滚动摩擦阻力，可根据弹塑性力学计算。他们认为滚动阻力主要是由滚动球体前方的塑性变形造成的。由上式可知，滚子半径越大，接触面积和弹性变形愈小，滚动摩擦阻力也愈小。因此在设计滚动摩擦机械时，要想减小滚动摩擦阻力，应尽可能地采用较大的滚子半径，并且必须设法减小接触处的接触面积或弹性变形，也就是选择合适的材料副。

（4）粘着作用

滚动摩擦时，摩擦副之间也会产生粘着，但滚动摩擦产生的粘着接点在分离时，其方向是垂直于界面的，因此没有接点的增大现象。而滑动摩擦时所产生的接点在分离时，其方向与界面相切，因此有接点的增大现象。这是滚动摩擦系数小于滑动摩擦的原因之一。一般说来，滚动摩擦的粘附分量可能只占摩擦阻力中的一部分。但对于特定情况下的金属滚动，

如硬球在不同的金属薄层上滚动时，粘附分量仍然是不同金属副滚动摩擦系数的主要部分