摩擦的机理

摩擦的机理摩擦机理的本质是能量损耗的机理，因而问题归结为接触面怎样造成能量的损耗。物体表面虽然经过加工，但还是凹凸不平的，即使进行过精加工（如研磨），表面凹凸相关仍有10－4mm的数量级。表面上独立的凸出单体，即使固体表面很干净，事实上也是由各种物质的薄膜覆盖着的（最外面是普通脏污的膜，里面是吸附分子膜，再里面是金属氧化膜，最里面是加工变质膜）。图中普通脏污物质包括手指的油污或灰尘等，吸附分子膜中来自大气中的吸附层；金属氧化膜是金属表面与空气中的氧化合而形成的；加工变质层是指因车削或研磨而使金属的晶粒变得细微，通常成为比基体更硬的薄层。再来看一下材料的性能。在材料实验机上对金属杆做拉伸试验，可看出开始施加外力时，杆件发生拉伸变形。随着外力的增大，形变也增大，只要为超过材料的弹性限度，去掉外力后杆件仍能恢复原来的形状。超过弹性限度，杆件就发生塑性形变，出现流动现象，这时即使取掉外力，杆件也不能恢复原状，产生流动的最小拉力，叫屈服极限，这是一般材料的强度条件。现在在上述概念的基础上探究干摩擦的机理。以金属对金属无润滑表面间的相对滑动为例。由于表面的凹凸不平，两个面接触时，就像把两大山脉倒扣在一起一样，实际的接触为点接触，这也是一般情况下摩擦力与表观接触面积无关的原因，当加载荷时，两面之间产生正压力，由于实际接触面积极小，接触点处的压强大大超过材料的屈服极限，因而在接触点处了生塑性流动，使实际接触面积迅速增大，直到能够支承所加载荷为止。在这些微凸体接触处发生塑性流动，实际上使两面在这些局部区域发生了焊合。当施加一切向力时，只有这些焊合点被剪切断裂，表面间才会发生相对滑动，所以这时的摩擦力是界面处的剪切力，它等于焊合点处的平均剪切强度与实际接触面积的乘积。这个摩擦力是界面处产生摩擦力的黏附分量。值得注意的是，由于焊合点处的剪切强度有时大于两种金属中较软金属的剪切强度，所以剪切断裂有可能发生在较软金属内部，而不是在焊合界面处。从微观来看，将两种干净的金属表面压合时，一个表面上的原子趋近于另一个表面上的原子，直至如同金属体内的原子那样接近为止。正是这种原子间、分子间的引力形成接触表面处的黏合、附着现象。因而要使两表面发生相对滑动，就必须克服这些分子原子引力做功，从而消耗能量。既然摩擦力的产生是由于金属间的这种黏附现象，那么为什么将压在一起的两块金属眚拉开时，并不需要很大的力即没有发现这种黏附力呢？这是因为一般的表面都被污染，两金属接触时，污染层膜不会完全破坏，只是在某些微凸体处由于压强过大破坏了污染膜，使两金属直接接触，黏附就发生在这个区域。当两块金属垂直于接触面拉开时，道德要卸载，这些区域变形又会恢复一部分，致使焊合处发生断裂。早在17世纪中叶，英国物理学家德萨古利埃就曾从铅球上切下两块，然后将两个切面边转捻边压合，结果这两块就黏合在一起了，其黏附力意外的强，用了十多公斤的力才将其掰离，这正是他提出分子说黏合机理的实验基础。由于压合时，两光滑表面较多的接触区域能进入表面的分子引力范围，而粗糙表面接触点很少，且摩擦力的黏附分量是与实际接触面积成正比的，由此不难理解前者的摩擦力恒大于后者。在真空中，能获得较干净的金属表面，这种压合表面的黏附力就很可观了，因而目前的空间研究工作中，提出了在接近真空条件下有关材料摩擦问题研究的新课题。摩擦力不仅有黏附分量，还有变形分量。两种金属接触，表面发生相对滑动时，较硬金属的微凸体就在较软金属的表面上犁出一道沟槽，在切出的沟槽前材料还被压皱和积聚，这种现象叫犁削。它使表面变形，因而也要消耗能量。由此而产生的摩擦力叫变形分量，通常它较黏附分量小。这就是目前大家接受的摩擦机理，从宏观上来说是焊合、剪切犁削理论，从微观说是分子引力理论。至于弹性体与刚体接触面间的摩擦力的黏附分量和变形分量的产生与上述金属之间是不同的。简单地说，弹性体一般是压皱在刚体表面微凸体周围，呈现刚体表面的轮廓。当压紧的弹性体与刚体表面发生相对滑动时，弹性体的分子链像弹性绳一样地能被拉伸，黏附分量的产生是由于接触面处弹性体表面层中分离的分子链与刚体表面的分子连接，由此形成局部连接点。动的作用促使这些链在新链形成前拉伸、破裂和松弛，这样弹性体分子有力地跳跃一个分子间距，到达它的新的平衡位置。这种表面处分子连接点的形成和破坏，就是黏附起因的机理，它是一种表面效应。变形分量的产生是由于弹性体变形的延迟恢复造成的一种迟滞现象。因弹性体以一定速度在刚体表面滑动时，弹性体会积聚在刚体表面上微凸体背向的一侧，引起压力的不对称分布。压力的水平分量就产生一个净的迟滞力，此即摩擦力的变形分量（迟滞分量），它阻止滑动。由此不难看出，经典摩擦定律中摩擦力与滑动速度无关这一点并不正确，由于在低速和中速滑动时，摩擦主要是由接触区的局部黏附和剪切引起的，因而摩擦因数随滑动速度的变化显著。但高速滑动时，由于金属表面受强烈的摩擦热，它改变了表面层的状态，出现了大规模的熔化，使之成了一种黏性润滑剂，致使摩擦由无润滑的干摩擦变成了有润滑的情况，因而摩擦因数明显减小。关于摩擦机理，1961年曾有人提出过静电理论，认为两个摩擦金属表面间的黏—滑现象，可用发生了电子的有效流动，这种流动在界面上引起异性的电荷聚集，通过静电吸引作用把两个表面结合在一起。这一理论，应含有经过很长一段时间后，电子会从界面上跑掉，从而使摩擦因数降低的意思。但并未观察到这样的情况，因而目前焊合—剪切理论在客观的水平上提出了最满意的物理解释。而对于弹性体，则最新的分子吸引理论今天看来是正确的。