CH03摩擦磨损及润滑基础

第三章摩擦、磨损和润滑基础§3-1摩擦§3-2磨损§3-3润滑剂与添加剂§3-4流体动力润滑的基本原理§3-5弹性流体动力润滑简介基本要求和本章重点▲基本要求：1）了解摩擦的种类及其基本性质，了解干摩擦、边界摩擦、润滑、磨损的概念。2）了解常用润滑剂，添加剂的种类，了解工业常用润滑脂的种类及性能。3）掌握润滑油粘度及其物理意义。4）掌握流体动压润滑的基本方程——一维雷诺方程，掌握形成流体动压润滑的基本条件。★本章重点：润滑油粘度，流体动压润滑的基本方程及形成流体动压润滑的基本条件。摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/3～1/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。学科发展：20世纪60年代中期，人们将摩擦、磨损和润滑的科学技术问题加以归并，建立起一门叫摩擦学（Tribology）的新学科。它以力学、流变学、表面物理和表面化学为主要理论基础，综合材料科学、工程热物理等学科，以数值计算和表面技术为主要手段的边缘学科。摩擦学为机械设计引入了新的概念和方法。对精度、节能、可靠性方面以及摩擦、磨损利用方面都产生了相应的应用技术。§3-1摩擦针对摩擦学方面的问题，机械设计的基本任务：研究摩擦、磨损和润滑，弄清其现象、机理和影响因素，在设计阶段就采取有效措施加以控制和利用。摩擦学的两方面应用：1）减小摩擦和磨损，加强润滑提高精度、可靠性和节能。2）加大摩擦依靠摩擦进行工作的带传动、摩擦离合器和制动器联接螺栓等需要。3）增加磨损利用磨损原理的磨合方法及锉削、磨削、研磨等必须增加磨损。在外力作用下，相互作用的两物体作相对运动，或有相对运动的趋势，其接触表面间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象叫做摩擦。摩擦和摩擦力的概念：摩擦力的方向与相对运动方向相反，大小与摩擦面的性质和载荷有关。摩擦力的大小和方向一、摩擦的种类及其基本性质按运动状态静摩擦动摩擦按运动形式滑动摩擦滚动摩擦——在外力作用下，两物体表面间有产生相对运动的趋势，但尚未产生宏观相对运动的外摩擦（即运动开始前的摩擦）。——当外力达到最大静摩擦力时，使物体产生宏观相对运动后的摩擦。——两物体接触表面上切向速度的大小和（或）方向不同时的摩擦。——两物体接触表面上至少有一点切向速度的大小和方向均相同时的摩擦。干摩擦流体摩擦边界摩擦混合摩擦按润滑状态流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦又称为流体润滑、边界润滑和混合润滑。1.干摩擦表面间无外加润滑剂或保护膜接触时的摩擦，其摩擦阻力最大，磨损最严重。按照摩擦副表面间的润滑状态，摩擦分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦四种。金属间的干摩擦因数为0.3～1.5。2.流体摩擦两摩擦表面被一流体层（液体或气体）隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦的实质是内摩擦，阻力很小。摩擦因数一般为0.001～0.01或更小，摩擦功耗少，几乎无磨损，是一种理想的摩擦状态。3.边界摩擦两摩擦表面被粘附在表面的边界膜隔开，摩擦性质与边界膜和表面的粘附性质有关，而不取决于流体的粘度。边界膜——物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜。摩擦因数一般为0.1～0.5。由于不能完全避免直接接触，所以有磨损产生，处于干摩擦和流体摩擦的中间状态。边界摩擦靠边界膜起润滑作用。在摩擦表面上生成一层与润滑介质性质不同的薄膜，其厚度一般在0.1μm以下。这层薄膜称为边界膜。4.混合摩擦摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦因数比边界摩擦时要小得多。干摩擦——零件工作的最不利状态；边界摩擦——对零件工作状态的最低要求。斯特贝克（Stribeck）曲线——摩擦特性曲线摩擦特性曲线给出了摩擦因数μ随滑动轴承摩擦特性系数的变化规律。μpn——润滑油粘度；——轴承转速；——轴承平均压强；nppn（1）当比较小时此时无法建立起动力润滑油膜，滑动轴承处在边界润滑区；pn（2）随着的逐渐增大部分动力油膜开始建立，滑动轴承从边界润滑区逐渐过渡到混合润滑区；pn通过物理化学作用，润滑油膜形成与破坏。混合润滑区的润滑性能取决于润滑油的性质和摩擦表面的物理化学性质。（3）当增大到一定程度后，建立起的油膜厚度把摩擦副两表面完全隔开润滑状态便从混合润滑过渡到流体润滑。润滑膜的承载能力和其他力学特性符合粘性流体力学和传热学的规律。古典的库伦摩擦定律——滑动摩擦力F的大小和摩擦面间的法向力FN成正比，与接触面积的大小无关，与滑动速度无关。摩擦力与法向力之比即摩擦因数，即NNFFFF或摩擦力法向力摩擦因（系）数二、干摩擦的机理库伦摩擦定律公式简单，适用于一般工程的近似计算。但多年研究证明，它还存在着一定的局限性和不确切性。几种不同的摩擦理论1、机械啮合理论认为摩擦起源于表面粗糙度，由于两相互接触的表面粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹塑性变形，使其在相对运动中产生摩擦阻力。在一般条件下，减小表面粗糙度值可以降低摩擦因数。但超精密加工的表面，其摩擦因数反而剧增。机械啮合作用并非产生摩擦力的唯一因素。2、分子作用理论认为摩擦起源于接触表面上分子的活动性和分子力作用，它们使固体表面粘附在一起而产生滑动阻力。超精密加工的表面，其摩擦因数较大，而随着表面粗糙度值的增加，两相对滑动的表面接触面积减小，但非重载荷条件下摩擦因数反而剧增。机械啮合理论和分子作用理论都很不完善。20世纪30年代末期，人们从机械-分子联合作用的观点出发，较完整地发展了固体摩擦理论。出现了两个学派：英国以粘着理论为中心，前苏联以摩擦二项式为特征。这些理论奠定了现代固体摩擦的理论基础。3、粘着摩擦理论鲍登和塔伯在20世纪40年代提出了粘着摩擦理论，其基本观点：两固体表面受法向力作用，微凸体尖端接触，真实接触面积很小，压强很高，产生塑性变形。随后接触面积Ar逐渐增大，直至压应力降到屈服点σs，足够支持法向力时为止，此时摩擦副接触面积示意图FN接触面积Ar=∑Ari；FN为正压力SrNAFSNrFA简单粘着摩擦理论在摩擦过程中，表面接触区处于塑性流动状态，变形热与摩擦热集中在接触点，产生瞬时高温，形成粘着力很强的粘结点。在切向力作用下，粘结点被剪切，产生滑动。摩擦过程就是粘着和滑动交替进行的跃动过程，即粘滑过程。在粘滑过程中，粘结点的切向阻力为τbAr；软表面阻止硬表面上微凸体相对运动的犁沟力为FP，则摩擦力F为：PrbFAF式中——粘结点的抗剪强度；——犁沟力，即微凸体挤压软材料之力。bPF一般犁沟力比小得多，可忽略。因此rbAPFSNbrbFAFSbNFF当忽略弹性材料的冷硬效应时软材料的压缩屈服点软材料的抗剪强度软软Sb对大多数金属来说，τb约为σs的1/5，则按照上式可计算出μ≈0.2。事实上，许多金属在空气中的μ＞0.5，对高真空环境的洁净金属间发生的摩擦则有更大出入。鲍登和塔伯对简单粘着摩擦理论进行了修正，要点如下：接触表面有相对滑动时，实际上在两摩擦面间有一切向力存在。此时材料的屈服由法向压应力σ和切应力τ两者合成产生。切应力使粘结点产生塑性流动，接触面积增加，粘着结点增生，因而出现大的摩擦因数。（1）在硬金属基体上覆盖一层很薄的软材料时粘结点的剪切发生在软材料中，而承载能力实际取决于硬基体。故有硬基体的压缩屈服点软材料的抗剪强度硬软Sb（3-1）（2）两摩擦表面被一层污染膜隔开时污染膜抗剪强度式中C——系数，0＜C＜1。bfC摩擦力取决于摩擦面污染膜的抗剪强度，其摩擦因数为点硬基体材料的压缩屈服度摩擦面污染膜的抗剪强硬硬SfSbC（3-2）式（3-1）和（3-2）与实际情况比较符合。修正的粘着理论正确地阐明了两摩擦面间产生粘着的机理，比较完善地解释了固体摩擦的一些现象，如摩擦的粘滑过程表面膜的减摩机理磨损过程中的材料转移三、边界摩擦的机理1、吸附膜及其润滑机理2、化学反应膜及其润滑机理（1）物理吸附膜（2）化学吸附膜润滑油中常含有少量的极性物质，如脂肪酸，这种长链型分子结构中分子一端的羧基（-COOH）为极性团，极性团具有化学活性，依靠分子或原子间的范德华力（静电引力）可以牢固地吸附在金属表面上，形成分层定向排列的单分子层或多分子层。这样形成的吸附膜称为物理吸附膜。分子间的内聚力使吸附膜具有一定的承载能力，能有效地防止两摩擦面直接接触，构成吸附分子之间的摩擦。当摩擦副滑动时，表面的吸附膜分子如同两个毛刷相互滑动。（1）物理吸附膜润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。1、吸附膜及其润滑机理（2）化学吸附膜当表面温度较高时，极性分子能与表面金属形成金属皂。金属皂也是极性分子，依靠化学键的结合被吸附在金属表面，形成分子栅。这种吸附膜称为化学吸附膜。（见图3-3）与物理吸附膜比较，化学吸附膜可以在较高的载荷、速度和温度的条件下工作。2、化学反应膜及其润滑机理对于高速重载的摩擦副，在产生适当接触温度条件下，润滑油中的硫、磷、氯等元素与金属表面发生化学反应，迅速生成无机物膜。这种膜称为化学反应膜。（化学反应膜的边界模型，见图3-5）与物理吸附膜比较，化学吸附膜可以在较高的载荷、速度和温度的条件下工作。化学反应膜的熔点高，剪切强度低，与金属表面结合牢固，可以保护表面不发生粘着磨损。化学反应膜适用于高温、高速和重载条件，广泛应用于重载齿轮和蜗杆传动的润滑。物理吸附膜——常温、轻载、低速化学吸附膜——中等载荷、速度和温度化学反应膜——重载、高速和高温边界膜强度保证措施:合理选择润滑副材料和润滑剂,降低表面粗糙度值,润滑剂中加油性和极压添加剂。几个概念：磨损——由于机械作用，间或伴有化学或电作用，使物体工作表面的材料在相对运动中不断损耗、转移或塑性变形的过程。§3-2磨损磨损量——磨损造成的材料损耗以厚度、体积、质量为单位表示。磨损率——单位时间的磨损量。耐磨性——磨损率的倒数，表示材料抵抗磨损的能力。•弄清磨损机理和影响因素；•寻找控制磨损和提高耐磨性的措施。新摩擦表面的微观形貌磨合磨损阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段IIIIIIqt时间t磨损量qOabc（3）剧烈磨损（损耗磨损）阶段一、典型宏观磨损过程（1）磨合磨损（初期磨损）阶段新的摩擦副表面较粗糙，真实接触面积小，压强较大，在开始的较短时间内磨损量较大。经过磨合，表面微凸峰高度降低，接触面积增大，表面加工硬化，磨损速度减缓并趋向稳定。初期磨合是一种有益的磨损，可以改善表面性能，提高使用寿命。（2）稳定磨损（正常磨损）阶段表面经磨合，建立了弹性接触条件，磨损速度缓慢，较稳定。经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油！注意：上述三个阶段，实际并无明显界限。若磨合阶段压力过大、或速度过高、或润滑不良等，则很快进入剧烈磨损阶段，如图中虚线所示。为了延长机械零件的使用寿命，应力求缩短磨合磨损阶段，尽量延长稳定磨损阶段，推迟剧烈磨损阶段的到来。工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。二、磨损的分类粘着磨损磨粒磨损表面疲劳磨损腐蚀磨损按照磨损的机理不同，磨损可分为四种基本类型，见表3-11、粘着磨损粘着磨损——相对运动时，由于固相焊合形成的粘着结点被剪切断裂，表面材料脱落或由一个表面转移到另一个表面的现象。材料在“粘着—撕裂—再粘着”的循环过程中损耗。特点：粘着结点剪切破坏。分类：根据粘着结点破坏位置不同，粘着磨损可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱和咬粘。轻微磨损（如：缸套-活塞环）；涂抹（如：重载蜗轮副的蜗杆）；擦伤又称拉伤（如：内燃机铝活塞壁-缸套）；撕脱（如：主轴-轴瓦的轴承表面）；咬粘（如：不锈钢螺栓与不锈钢螺母在拧紧过程中）。胶合往往发生于高速、重载的场合。粘着磨损的三条规律：材料的磨损量与法向载荷成正比；材料的磨损量与滑动距离成正比；材料的磨损量与较软材料的屈服强度或硬度成反比。针对粘着磨损，设计时必须控制压强，使摩