固体表面

固体表面的特性与接触目录固体表面的几何性质表面张力和表面能固体表面的接触固体表面的原子排列和结构缺陷摩擦状态下的表面概述概述•工程材料中，大部分材料属于晶体，如金属、陶瓷和许多高分子材料。一般的将固相和气相之间的分界面称为表面，把固相之间的分界面称为界面。•表面的定义：在物理学中，把两种物质的界面称为表面（在弹性力学中，表面应该满足以下边界条件：其上各点的法向应力σn和切向应力τn均为零）。•通常，这个表面层的状态是复杂的。宏观上具有一定的几何形状，微观上存在各种晶格缺陷，在一定的环境下还存在各种吸附膜、反应膜和污染膜。•典型的固体表面：1.理想表面2.清洁表面3.机械加工过的表面4.一般表面固体表面的几何性质一、表面粗糙度表面的凹凸不平程度与表面积之比称为表面粗糙度，是表面的亚微观状况。它直接影响摩擦系数和磨损。描述表面粗糙度，不是用其最大的波峰波谷之差。国标规定了两种表面粗糙度的表示方法：中线平均值（CLA）和平均平方根值（RMS）。•①中线平均值（CLA）表示表面轮廓上各点相对于中线的算术平均偏差。•②平均平方根值（RMS）表示表面轮廓上各点相对于中线的偏差值之平方的平均值的开方。微凸体微观粗糙度宏观粗糙度Zi固体表面的几何性质二、表面微凸体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素的分析。表面微凸体的高度各点不同，如用统计学的方法进行研究，可以画出表面轮廓上各点的高度（Zi）是个随机的变量，将其不同高度出现的频率（概率）记录下来画成光滑的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正态分布曲线高度Zi图1.5微凸体的高度分布曲线固体表面的原子排列和结构缺陷•经过不同加工过程形成的表面，因机械作用，往往导致材料的晶格扭歪、晶界开裂；由于温升导致金属发生相变而再结晶，使晶粒长大；或因为表层材料变形导致表层密度和体积发生变化，从而在表层的塑性变形层中产生残余应力，甚至产生微裂纹。金属表层内种种微观性状的改变，均对其摩擦磨损有密切的关系。•当承受载荷发生滑动时，原子密度高（原子数多）表面能低的面上，容易发生滑移。立方晶系中几个可能滑移的晶面：（100）面、（110）面和（111）面。面心立方的（111）面和体心立方的（110）面，以及密排六方的（001）面都是原子密度高的晶面，沿这类晶面滑移的阻力最小。图1.8表面结构缺陷模型表面张力和表面能•液体受到拉向内部力的作用，使其表面肌收缩和凝聚，这种力叫表面张力。表面能是指将液体内部分子拉到表面上所需作的功。•不同的液体在同种固体表面上，得到不同的接触角。接触角小的液体表面张力小。接触角的大小衡量着固体表面与液体之间的润湿性。图1.9（a）中的接触角小，表示固液间的润湿性好。而图1.9（b）中的接触角大，表示固液间的润湿性差。γsγlγsl液滴θγlγslγs液滴（a）（b）图1.9固液界面θ固体表面的接触一、分子原子间的接触•分子（或原子）间存在着吸力和斥力，当吸力和斥力相平衡时，分子（或原子）间有一个正常的距离d。•原子沿解理面滑移比较容易，晶体往往沿解理面开裂。要拉开非解理面的原子需要的能量就比沿解理面移动原子的能量大。单晶体不同方位解理而裂开时所需的功是不一样的，所以是各向异性的。而金属（多晶体）因晶体排列错乱，故为各向同性。•对于金属晶体来说，施加外力可使晶格变形。当外力卸除后能恢复到原有形状的称为弹性变形；如外力卸除后不能恢复到原有形状时，残留下来的永久变形称塑性变形。外力产生弹性变形作的功是可逆的，而产生塑性变形作的功是不可逆的。两表面间的接触一、接触面积•固体表面不论如何精加工都是凹凸不平的。当在法向力N的作用下，使两固体表面相互压紧时，通常只在很小的面积上发生接触。•接触表面的面积可分为：•a.名义接触面积：即表面宏观面积——An•b.真实接触面积：在表观接触面积中，实际传递力的微小面积的总和称真实接触面积Ar。NAri图1.11表面的真实接触状况n1irirAA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。假设接触材料的压缩屈服极限（塑性流动极限）为σb，在法向载荷N作用下相互压紧时，真实接触面积可表示为：N塑性流动压力分布赫兹分布图1.12赫兹接触和实际接触Ar=N/σb两表面间的接触二、赫兹（Hertz）接触•经过精细加工的表面，常假定其微凸体为半球状、柱状、锥状等。对于工程上单个微凸体而言，也并非几何学中的球、柱、锥形。•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形。从图1.12所示的“光滑”半球体赫兹接触下真实情况的照片，证实了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在弹性范围中。N塑性流动压力分布赫兹分布图1.12赫兹接触和实际接触两表面间的接触二、赫兹（Hertz）接触可以根据弹性理论来计算微凸体（球、柱或锥）接触时的压力分布。•a.椭球与椭球接触：在法向压力N的作用下相互压紧（见图1.13），在接触部分产生弹性变形。形成的接触面积，假定为以a和b为半径的椭圆形。•在应力椭圆上积分，求σ的总和得接触面上的正压力和最大赫兹压力分别为032abNσ0NN(a)（b）图1.13椭球与椭球接触时的接触面积(a)和压力分布（b）max023abN032abN两表面间的接触b.球与球接触：则接触面积呈圆形，即a＝b。其压力分布曲线为：同样经积分可求得最大压力：平均压力：接触区的半径：R为接触两球的综合曲率半径，与两接触球半径的关系：E为两球的综合弹性模量，与两接触材料性能的关系：21222201ayax2023aN2aNm3143ERNa21111RRR222121111EEE两表面间的接触c.球与平面的接触：可对两球接触的公式中取:R2=∝R1=R,可有31212058.0RNE3143ERNa两表面间的接触d.圆柱与圆柱的接触：接触面积为矩形。长度为L，宽度为b，则总压力为：最大压力为：接触半宽：最后简化得：式中：R综合曲率半径；E综合弹性模量。bLN20212201by02bLN2113.1LENRb210564.0LRNE两表面间的接触e.圆柱对平面的接触：将R2＝∞，R1＝R代入圆柱对圆柱接触公式则有：2110564.0LRNE两表面间的接触赫兹接触的变形和接触面积表面下的变形区赫兹压力分布曲线表明，最大压应力在接触区的中心。最大剪切应力在距压力中心处深度约0.5a的表层下，τmax≈0.3σ0。最大拉应力作用在接触面边界处，σ≈0.133σ0。剪切屈服极限与抗拉屈服极限的关系为：τs≈0.5σs即在接触承载时，材料发生塑性变形时的压应力相当于3倍的拉伸屈服极限。对于大多数金属而言：H≈6τs≈3σs因此材料发生塑性变形时的真实接触面积：此值大约只有表观接触面积的1／1000。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。HNNAbr理想的粗糙表面接触•假设微凸体都是理想光滑的半球，而且具有等高度、等半径的。当一个理想光滑的刚性平面在法向力N的作用下与之接触时的情况如图1.16所示•当处于弹性变形范围内，每个微凸体承受的法向载荷为经代入前面导出的公式，并简化后得到接触总面积这说明，弹性变形范围内，具有等高度、等半径的微凸体表面，在承载时，其接触面积Ar与载荷N成指数关系，为与N的2／3次幂成正比。图1.16理想的粗糙表面接触232134ENi3211NKAAnir实际粗糙表面的接触•实际工程表面微凸体的高度为正态分布。假设与理想平面接触，法相接近量为δ＝Z－d。那么只有高度Zd的微凸体才能与之接触（见1.17）。图1.17实际粗糙表面的接触根据赫兹接触公式及假设微凸体高度为指数分布，并设h=d/ε。可推导出hneA232121)(EneNh由此得到的结论是：两个实际工程表面接触时，不论微凸体的顶端在弹性变形范围，还是在塑性变形范围，变形后所形成的真实接触面积A都与法向载荷N之间呈简单的线性关系。接触变形性质的判据•在实际工程表面间的接触，往往是高的微凸体可能产生塑性变形，低的则为弹性变形。说明实际情况是弹、塑性混有的状态。载荷越大，法向接近越大，塑性接触点越多。所以法向接近量δ的大小，在N确定的情况下，反映了表面微凸体接触后发生塑性变形的程度。•将定义为塑性指数（ε为表面粗糙度RMS）。用ψ来表示，则：2121HE这里可见，接触变形的性质不完全取决于载荷，而是与材料性质、表面粗糙度ε、微凸体顶端的平均曲率半径ρ有关。ψ反映了接触表面的某些物理与几何性质的影响。如一些零件经过磨合，由于表面粗糙度在磨合前后发生明显变化，而使ψ迅速降低。表面间有表面膜存在时的接触•表面膜的存在，对于真实接触面积的计算没有什么影响。因为表面的粗糙不平为10～100nm，远大于表面污染膜的厚度几nm，表面氧化膜的10～30nm，两表面接触时只有少数高点接触，大部分面积上的表面膜与对摩面上的表面膜相隔甚远，所以多数原子（或分子）间并不发生作用。•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。图1.18有表面膜存在时的表面接触状况摩擦状态下的表面•前面讨论的都是静态下表面的特征和表面接触状态。摩擦一开始表面就是动态状况了。一旦开始运动，由于载荷下接触时表面会发生变形，有弹性变形，也有塑性变形。使表面与未接触时的原始状态发生了明显的变化。•在摩擦过程中，由于摩擦功变成热能使表面温度升高，引起表面的物理化学性能发生某些变化，从而又影响其接触状态。•摩擦过程中，由于接触而发生材料间的粘着。•摩擦过程中润滑剂也将引入摩擦面。•因此，摩擦状态下的表面以及摩擦的整个过程，是一个非常复杂的系统。谢谢大家！