03摩擦、磨损及润滑

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“分子说” 分子说” 分子说
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认为产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸引力作用，表面越 认为产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸引力作用， 光滑，摩擦阻力越大。 光滑，摩擦阻力越大。 由此推论，摩擦力的大小与接触面积成比例， 由此推论，摩擦力的大小与接触面积成比例，但这与实验结果 不一致。 不一致。 “机械—分子说” 机械 分子说”
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2) 边界摩擦
边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其 摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。
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以下。 边界摩擦状态下， 边界摩擦状态下，边界膜的厚度一般在 0.1µ m 以下。 按结构形式不同边界膜分为吸附膜和化学反应膜两大类。 按结构形式不同边界膜分为吸附膜和化学反应膜两大类。 边界膜形成机理： 边界膜形成机理： 随着科学技术的发展， 随着科学技术的发展，关于摩擦学的研究已逐渐深入到微 观研究领域，形成了微—纳米摩擦学理论，引发出许多新的概 观研究领域，形成了微 纳米摩擦学理论， 纳米摩擦学理论 比如提出了超润滑的概念等。 念，比如提出了超润滑的概念等。 从理论上讲，超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态， 从理论上讲，超润滑是实现摩擦系数为零的摩擦状态，但 在实际研究中， 量级(或更低 或更低)的摩擦 在实际研究中，一般认为摩擦系数在 0.001 量级 或更低 的摩擦 状态即可认为属于超润滑。关于这方面的研究也是目前微－ 状态即可认为属于超润滑。关于这方面的研究也是目前微－纳 米摩擦学研究的一个重要方面。 米摩擦学研究的一个重要方面。
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在此只介绍滑动摩擦。
根据摩擦面间摩擦状态的不同， 种状态： 根据摩擦面间摩擦状态的不同，滑动摩擦可分为 4 种状态：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1) 干摩擦
干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜而直接接触的纯净材 料表面间的摩擦。 料表面间的摩擦。 工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润滑的摩擦状态
当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力很大，磨损严重，应避免。
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粘着理论 简单粘着理论： 简单粘着理论：
1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦， 1950年，鲍登提出了粘着理论。只适用于金属间的摩擦。
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两金属物体间的真实接触面积： 两金属物体间的真实接触面积：
A = r
σsy
F n
(a)
σsy 为材料的压缩屈服极限。 为材料的压缩屈服极限。
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摩擦 磨损 润滑
是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； 是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； 是减轻摩擦和磨损所采取的措施。 是减轻摩擦和磨损所采取的措施。
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世界上使用的能源大约有 1/3~1/2 消耗于摩擦。如果能 / ~ / 消耗于摩擦。 够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。 够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。 由于磨损超过限度而报废， 机械产品的易损零件约有 80% 由于磨损超过限度而报废， 如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用， 如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节 省制造零件及其所需材料的费用。 省制造零件及其所需材料的费用。 采取润滑是控制摩擦、减少磨损的最有效方法。 采取润滑是控制摩擦、减少磨损的最有效方法。 润滑是控制摩擦 此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。 此外，在有些场合则需增大摩擦，但同时仍应减小磨损。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)这一新 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学 这一新 兴学科。 兴学科。
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3.2 磨 损
15 对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相 继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。
磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁 移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机 磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性， 器提前报废。 器提前报废。 3.2.1 典型磨损过程 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即： 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，
认为两种作用均有。1939年提出，后不断完善。
认为产生摩擦的原因既有表面机械作用的阻力， 认为产生摩擦的原因既有表面机械作用的阻力，又有材料分子 间的相互作用力， 间的相互作用力，摩擦力是分子间的吸引力和机械作用产生的 切向阻力的总和。 切向阻力的总和。 “机械 分子说”不仅适用于干摩擦，也适用于边界摩擦，通 机械—分子说 不仅适用于干摩擦，也适用于边界摩擦， 机械 分子说” 常用来解决真实接触面积较大的摩擦问题。 常用来解决真实接触面积较大的摩擦问题。
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摩擦学：是研究相对运动的物体表面间的摩擦、磨损和润滑， 摩擦学：是研究相对运动的物体表面间的摩擦、磨损和润滑， 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。
其涉及流体力学、固体力学、应用数学、材料科学、 物理化学、冶金学、机械工程等多门学科。
相对滑动时，摩擦力为： 相对滑动时，摩擦力为：
F ≈ AτB f r
(b )
τB 为较软材料的剪切强度极限值。 为较软材料的剪切强度极限值。
得金属的摩擦系数为： 由式 (a)、(b) 和 Ff = f Fn 得金属的摩擦系数为： 、
F τB f f= = F σsy n
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F τB f f= = F σsy n
当两金属界面被表面膜分开时， 为表面膜的剪切强度极限； 当两金属界面被表面膜分开时，τBj 为表面膜的剪切强度极限； 当剪断发生在较软金属基体内时， 当剪断发生在较软金属基体内时，τBj 为较软金属基体的剪切强 度极限； 度极限； 当表面膜局部破裂并出现金属粘附结点时，τBj 将介于较软金属 当表面膜局部破裂并出现金属粘附结点时， 的剪切强度极限和表面膜的剪切强度极限之间。 的剪切强度极限和表面膜的剪切强度极限之间。 修正粘着理论与实际情况比较接近， 修正粘着理论与实际情况比较接近，可以在相当大的范围内解 释摩擦现象。 释摩擦现象。
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1) 干摩擦 2) 边界摩擦 3) 流体摩擦 4) 混合摩擦 混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态 时的摩擦。 时的摩擦。 混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其
摩擦系数比边界摩擦时要小得多。 混合摩擦时的摩擦系数 f ≈ 0.01~ 0.1。 ~ 。 注意：边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分， 注意：边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为 不完全流体摩擦。 不完全流体摩擦。
干摩擦时金属间的摩擦系数 f ≈ 0.3 ~ 1.5。 。
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1) 干摩擦 2) 边界摩擦
边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开， 边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性 质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 边界摩擦时金属间的摩擦系数 f ≈ 0.1~ 0.5。 ~ 。
在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期， 在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期， 缩短磨合期 稳定磨损期 推迟剧烈磨损的到来。 推迟剧烈磨损的到来。 剧烈磨损的到来
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3.2.2 磨损的分类 1. 粘附磨损
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又称胶合， 又称胶合，摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的 温升和压力会发生“冷焊” 在相对运动时， 温升和压力会发生“冷焊”，在相对运动时，材料从一个表面 迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。 迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。
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1) 干摩擦 2) 边界摩擦 3) 流体摩擦
流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开， 流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内 部分子间粘性阻力的摩擦。 部分子间粘性阻力的摩擦。 流体摩擦时的摩擦系数最小，理论上不
会有磨损产生，是理想的摩擦状态。
流体摩擦时的摩擦系数 f ≈ 0.001~0.01。 ~ 。
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第 3 章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
摩擦、 摩擦、磨损与润滑
摩 擦 磨 损 润滑剂 润滑状态 流体润滑原理简介
本 章 学 习 要 求
了解摩擦、磨损的机理及类型； 了解摩擦、磨损的机理及类型； 了解润滑剂的种类、特性； 了解润滑剂的种类、特性； 了解润滑状态的类型。 了解润滑状态的类型。
磨合阶段 新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。 新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。 属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。 属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。 属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。 属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。
稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段
随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用将由宏观 进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为 系统综合研究的领域。
在此只介绍机械设计中有关摩擦学方面的一些基础知识。 在此只介绍机械设计中有关摩擦学方面的一些基础知识。
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3.1 摩 擦 1. 摩擦的分类
内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。