摩擦磨损与润滑1

表面的三维形貌图微凸体微观粗糙度宏观粗糙度粗糙表面的二维图表面上的微小凸起部分称微凸体。

如经过抛光研磨等加工，粗糙度显示出各向同性。

Z i 粗糙表面示意图描述表面粗糙度，不是用其最大的波峰波谷之差。

国标（GB1031-83）规定了两种表面粗糙度的表示方法：中线平均值（A ）和平均平方根值（均方根）（RMS ）。

先取一中线（x 轴），把二维轮廓分成上下两半，并满足：中线上方的轮廓与中线所围的面积等于中线下方轮廓的面积。

令从中线到轮廓的高度为Zi 。

|具有相同CLA 值的不同形貌表示表面轮廓上各点相对于中线的算术平均偏差。

212]②平均平方根值（均方根）（RMS ）表示表面轮廓上各点相对于中线的偏差值图中各不相同的形貌具有不同的表面粗糙度。

实际固体工程表面特征往往是以上述三种几何形状误差的组合形式出现的。

4.表面微凸体用触针式表面轮廓仪可直接测得表面的起伏不平。

不过因其高度方向的放大比例远大于平面方向的。

故所得图形并不能反映峰谷起伏的实际形状。

而用电子显微镜观测到的表面，因其各向放大比例相等而比较真实。

由电子显微镜观测到的图形可以看到，表面上的峰与谷实际上是比较平缓的，因此人们通常取微凸体为近似的半球状、锥状或柱状来进行几何因正态分布曲线高度Z i微凸体的高度分布曲线凡经过一般机械加工的表面，其微凸体高度的分布通常接近于正态分布（高斯分∞±正态分布曲线理论上应延伸到处。

的范围内已包括了99.5％的高度（σ为分布的标准差）。

根据固体物理的观点，结晶固体表面是晶体在两个方向延伸的缺陷成为面缺陷，也称为金属一般是多晶体，它是有许多晶粒组成，因而存在晶粒边界面。

晶界面就是一种面缺陷。

此外由两个不同相之间形成的相界面也是一种面表面结构缺陷模型立方晶系中几个可能滑移的晶面三、金属表面层的结构组成金属表面层一般由金属表面以上的外表层和金属表面以下的内表层组成。

外表层由各种表面膜所组成，在干摩擦的条件下，主要有大气中的水蒸气、油雾或油污染而附着在金属表面上所形成的污染膜（厚度约5nm）和吸附膜（厚度约0.5nm）.与大气中的氧发生反应而形成的氧化膜（厚度约0.01-1μm）；内表面层主要是在加工过程中形成的冷硬层和变形层。

是在表面加工时，由于表面分子层熔化和流动而形成的一种非结晶层或具有非常细的一层结晶组织（厚度约0.1μm）。

变形层是由于表面加工产生的弹性变形和塑性变形，以及局部高温使晶格扭曲变形而形成的一种加工硬化层界面是固、液、气三相中的两个物相之间相接触的交接部分。

它不是一个简单的几何平面，而是从某一物相过渡到另一物相的界面区或称界面相。

有一定的厚度（约几个分子厚）；有与相邻的本体相完全不同的结构一般宏观界面有五种类型，由于气体与气体可以完全混合，因而在气体之间一般不存在稳定的界面。

按照作用距离或作用势能的大小，通常可将表面力划分为三类，即短程力、分子间引力和长程力。

作用距离一般相当于原子尺寸。

主要表现为形成表面化学键，即在固体表面的分子与被吸引的分子之间的相邻原子，由于产生电子转移或共用电子而结合在一起以形成稳定结构的一种结合方式。

离子晶体的结合力，没有方向性和饱和性。

其特点是在原子之间发生了电子转移。

原子晶体的结合力，具有方向性和饱和性。

共用电子对的方式结合成分子，是由两原子之间一对自旋相反的共有电子形成的。

金属晶体原子之间的结合通过共用电子云的方式而结合在一起。

没有饱和性和明显的方分子间引力这种表面力的作用距离一般有几个分子直径0.3-0.5μm。

微观粒子之间相邻原子相互作用的一种结合力，这种力的产生是由于粒子之间偶极距的相互当两个粒子相距很近，其相邻原子上的电子运动受到干扰，互相沿对方的总电场的作用力方向移动，从而使粒子外层的电子分布成为瞬时不对称，使正负电荷的重心不重合，此时粒子就显示出正负两极，即偶极。

出现偶极的粒子中，正负电荷重心间的距离与电荷的乘积即偶极距或永久偶极距，具有偶极距的分子称为极性分子或偶极子。

偶极距越大，分子的极性或电性越显著。

按照相互作用的偶极距的不同类型，这种表面力主要有三种，即静电力、诱导力和色散力，这三种力一般统称为范德华力。

此外也把氢键力看作是一种分子间引力。

3.长程力由于物质本体相分子的化学键已经饱和，而界相分子的化学键没有饱和，界面上的分子可以通过电子转移或共用电子对，与被吸附的分子)在固体表面，由于物理吸附而形成的薄膜称为物理吸附膜。

多层吸附膜。

吸附膜消失的现象称为解吸或脱吸。

在一般情况下，吸附都是放热过程，但物理吸附的吸附热较低，即吸附时放出的热量较少，因而温度稍一升高就会解吸。

吸附和解吸都是完全可逆的；而对于化学吸附，其吸附热较高，且具有一定的选择性，吸附和解吸是不完全可逆的。

4.2-42kJ/mol-低载、低温、低速42-420kJ/mol-中载、、中温、中速3.固-液界面的吸附特点(1)固-液界面上的吸附大多是指固体在溶液中的吸附，因而比固体吸附单一气体复杂很多。

溶液中至少包含两种组分：溶质和溶剂。

(2)溶质吸附量的大小和溶剂之间以及溶质与固体表面之间的相对亲和力的大小有关。

如果溶质和溶剂的亲和力大于溶质和固体表面之间的亲和力，则溶质的吸附量小。

所以，溶质在溶剂中的溶解度越低，就越容易吸附到固体表面。

(3)固体在溶液中的吸附热一般相当于溶解热，它比固-气界面产生化学吸附的热量要小。

二、润湿现象1. 润湿现象的分类润湿是固-液界面上发生的一种吸附现象，这种现象是机械润滑得以实现的基础。

根据润湿程度的不同，润湿有以下三种类型：（1）附着润湿液体与固体接触后，液-气界面和固-气界面转变为固-液界面。

（2）铺展润湿液滴在固体表面上完全铺展成为覆盖固体表面的一层薄膜，即由原来的固-气界面转变为固-液界面和液-气界面。

润湿程度的度量最直观的办法是测量其接触角。

以水平板上的液滴为例，当固、气、液三相接触达到平衡时，从三相接触点沿液气界面做切线，该切线与固-液界面形成的夹角，称为接触角。

通常认为接触角＜90°时，液体可润湿固体；而90°时，则不能润湿固体。

在极端情况下，角=0°时，液体可完全润湿固体即铺展润湿；角=180°时，液体完全不能润湿固体。

润湿现象的实质及其影响因素润湿现象的实质表现为液体本身分子间引力（内聚力）与液体对固体表面分子间引力（粘附力）的综合作用。

若粘附力小于内聚力，液体就不可能完全润湿固体，而形成一定的接触角；当粘附力等于零时，液体完全不能润湿固体。

粘附力的大小愈接近内聚力，液体润湿固体的能力愈强，而接触角愈小；当粘附力等于内聚力时，液体可完全润湿固体，此时接触角为零。

润湿现象与液体和固体的性质密切相关。

例如：水与清洁的玻璃或者金属形成的接触角而水与石蜡则形成105-111°；又如水与炭形成41°，而苯与炭形成=0°。

能被水等一些极性液体润湿的物质称为亲水性物质，而不能被水等极性液体润湿，但能被苯等一1物理吸附膜2化学吸附膜3反应膜4稳定的化学反应膜金属之间的实际接触面积，也可用下式决定：金属间的实际接触面积与其承受的法向载荷成正比，而与其中较软金属的屈服强度或硬度成一般材料在塑性变形范围内的真实接触面积与载荷成正比，与表面的大小和形状无关。

赫兹接触是在弹性接触范围内分析理想光滑的球（柱、锥）在无润滑条件下的接触。

而实际上也并非全是弹性变形，在接触点处有塑性变N塑性流动压力分布赫兹分布赫兹接触和实际接触从图可知赫兹压力中心处的接触斑点比较密集，而在赫兹压力边远处接触分布比较稀疏。

说明固体表面接触只在传力的微凸体顶端发生塑性变形，离开这小小的塑性变形区变形σ0NN (a)（b ）椭球与椭球接触时的接触面积(a)和压力分布max 23σπ==abNN 表面下的变形区对于大多数金属而言，都有以下关系：H ≈6τs ≈3σs HNN A b r ==σ因此材料发生塑性变形时的真实接触面积：1000。

由此可见，真实接触面积的大小只取决于载荷和材料的流动压力，而与表面粗糙度的关系不大，与宏观表面积也无关。

球和平面的弹性接触N的作πR δ理想的粗糙表面接触弹性变形范围内，具有等高度、等半径的微凸体表面，在承H N A r =的微凸体才能与之接触。

实际粗糙表面的接触还是在塑性变形范围，变形后所形成的真实接触面积A 都与之间呈简单的线性关系。

由此得到的结论：两个实际工程表面接触时，不论微凸有表面膜存在时的表面接触状况但是，表面膜的存在对于表面的粘着是很有影响的。

洁净表面的真实接触面积上金属分子的相互作用很强，很容易粘着。

而接触面间有表面膜存在时对摩擦磨损的影响都是很明显的。

表面膜的存在，对于真实接触面积的计算没有什么法向载荷作用下，固定接触的两个固体接触表面上的微凸体将发生变形，当其变形使两个表面上的分子十分接近，界面力发生作用时，微凸体与对应表面的接触区粘合成一体，这种界面效F A —使粘着键破坏和界面分开所需要的力；N —法向载荷。

）金属界面粘着理论-费尔轮特和史密斯当两个清洁金属表面接近到一定距离时，化学键将起作用，其吸引力随距离的减少而增加。

当距离减小到很小时，分子或原子间由于电金属粘着的主要作用力是两个清洁金属表面接触时的短程力，此力与两个表面的距离有关。