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第2章表面1第二章表面形貌、结构、性质与表面接触主讲：高诚辉第2章表面2内容目录第一节表面形貌、结构、性质第二节表面接触第2章表面3第一节表面形貌、结构、性质摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。表面形貌着重研究表面的形状；表面组成着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。一、固体表面几何形状二、金属的表面结构三、金属的表面性质第2章表面4一、固体表面几何形状实际表面：指物体与周围介质分隔的表面。几何表面：则是理想表面。宏观看来似乎是很光滑、很平整的零件加工表面，在显微镜下仔细观察时，却好似大地上布满了峡谷、高岗和山岳。这是因为在任何机器零件的表面，都是通过各种不同的方法加工而成的。由于加工过程中的刀痕，切屑分离时的塑性变形以及机床－刀具－工件系统的振动等原因，造成实际表面与理想的绝对光滑、平整的表面存在一定的几何形状误差。第2章表面5一、固体表面几何形状因而从微观来看，所有被加工表面都如峰与谷那样起伏着。这种因加工而产生的形状误差，可分为宏观、中间和微观三种。1.宏观几何形状误差；2.中间几何形状误差－表面波纹度；3.微观几何形状误差—表面粗糙度。4.表面轮廓高度的分布5.支承面积曲线第2章表面61.宏观几何形状误差：宏观几何形状误差就是通常所说的表面形状误差。机器零件的表面大多数是由简单的平面、圆柱面等组成。按照我国制定的“表面形状和位置公差”国家标准有关规定，对于平面，其形状公差可用不直度和不平度表示，对于圆柱面，其形状公差可用不圆度、椭圆度、不柱度、不圆柱度来表示。第2章表面71.宏观几何形状误差：不直度：是指实际直线(包括轴心线、母线等)出现的形状误差。可分为给定平面内的不直度，给定一个方向的不直度，在相互垂直的两个方向上的不直度和任意方向的不直度四种。图2—1所示为给定平面内的不直度。不平度：是评定整个平面上的形状误差。它是包容实际表面，而且距离为最小的两平面间的距离Δ，见图2—2。第2章表面81.宏观几何形状误差：对圆柱形表面，在垂直于轴线的横剖面内最典型的误差有椭圆度和棱圆度，在通过轴线的纵剖面内，最典型的误差有鼓形度、鞍形度、弯曲度和圆锥度等，见图2—3。第2章表面9第2章表面102.中间几何形状误差－表面波纹度：表面波纹度：是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。波纹度有两个重要参线即波高和波距。表面波纹度的波距较长，一般取1～10毫米范围。图2－4，表示平面表面的波纹度。圆柱形表面的波纹度见图2－5。表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中会引起磨损加剧。第2章表面113.微观几何形状误差—表面粗糙度表面粗糙度：不像表面波纹度那样具有明显的周期性，波距波高亦小，约2—800μm和0.03—400μm。表面粗糙度越低，则表面越光亮。表面微观几何形状误差的大小及其结构形状对机器零件的使用性能有很大的影响。表面越粗糙，实际有效接触表面面积对理论接触表面面积的百分比就越小，实际有效接触表面面积就越小，则单位面积压力越大，故容易磨损。但表面过光，会增加零件接触表面之间的分子吸引力，也会使摩擦系数增大；增加磨损。此外，表面微观不平度的条纹(加工痕迹)方向对摩擦也有重要影响。研究表明，当摩擦表面运动方向与加工痕迹方向重合时，摩擦阻力最大，而当它们之间成一定角度或条纹无规则时，摩擦阻力最小。第2章表面123.微观几何形状误差—表面粗糙度（1）轮廓算术平均偏差Ra在图2—4中，从三维的表面形貌截取一横截面，就是二维的表面轮廓。轮廓的算术平均中线仍是一特定的线，它将轮廓图形划分为上下两部分，并使上面实体面积和下面空间面积相等。表面粗糙度的评定指标最常用的有轮廓算术平均偏差Ra和轮廓均方根偏差Rq，此外还有微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry。第2章表面13（1）轮廓算术平均偏差Ra式中zi——以中线为起点度量出的廓形高度；n——在样品标准长度l内的测量次数。用概率统计的表达方式为式中f(x)——轮廓图形的分布函数。标准长度l随粗糙度而定，粗糙度等级不同，l值也不同，见下表。算术平均偏差的数学表达式为第2章表面14表2－1Ra，Rz，Ry的取样长度l与评定长度ln的选用值第2章表面15（2）均方根偏差Rq均方根偏差Rq为轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值的平方根。其数学表达式为用概率统计的表达方式为可以看出均方根偏差给予离开平均线较远的点较大的比重，因此它更能高度地反映出粗糙度的情况。Ra与Rq的关系为Ra≈0.8Rq。第2章表面16（3）微观不平度十点高度RzRz是指在标准长度l内五个最高的轮廓峰高的平均值与五个最低的轮廓谷深的平均值之和，其计算公式为式中：hpi是第i个最高的轮廓峰高；hvi是第i个最低的轮廓谷深。若测量长度包括几个标准长度时，应取该测量长度内所测得的几个Ra或Rz的平均值作为某一表面的Ra或Rz。第2章表面17（4）轮廓最大高度RyRy是指表面经常出现的微观不平度的最大高度(如图2－6所示)，即在标准取样长度内轮廓蜂顶线和轮廓谷低线之间的距离，注意图中所示的个别偶然出现的特大高度R偶然不能代表整个表面微观几何特性。一般取若干段，求Ry的平均值。图2－6轮廓最大高度Ry第2章表面18注意：以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等特性。如图2—7所示的各种廓形有相同的Ra值，但形状却完全不同。因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承度以及支承面积等来加以描述。图2－7具有相同Ra的不同表面第2章表面194.表面轮廓高度的分布表面微凸体高度的分布如图2-8(a)所示，以表面轮廓中线为x轴，在标准长度l内，每隔一定距离Δl，测量轮廓图形距参考中线的高度Z1、Z2、……Zi，然后求出同一Z值的纵坐标数之和，也就是该高度的纵标频数。作出从＋Zmax至－Zmax区间内的直方图。由此直方图可大致画出全部纵坐标高度分布曲线，如图2-8(b)所示。显然Δl取得愈小，曲线的精确度愈高。图2－8微凸体高度分布曲线a－微凸体高度分布；b－微凸体高度分布曲线第2章表面204.表面轮廓高度的分布图2-9为磨削表面的轮廓高度分布曲线。曲线的横坐标表示轮廓高度，纵坐标为该高度出现的频率数。大多数工件表面的轮廓高度分布曲线接近正态分布，表面粗糙度愈低越接近正态分布。正态分布曲线函数为:图2－9磨削表面的轮廓高度分布曲线第2章表面214.表面轮廓高度的分布σ值的大小随加工方法而异。当σ大时，轮廓高度分布曲线较平缓，当σ小时，曲线陡峭。ψ(z)也称为轮廓高度分布的概率密度函数。从理论上讲，正态分布曲线的范围是从－∞到＋∞。，而实际工件表面的分布范围是截取在±3σ以内的，因为全部事件中约有99.9％位于这一区域内，这样截取所产生的误差可忽略不计，从而使测量和计算得以简化。式中σ———分布的标准偏差；σ2——方差。第2章表面225.支承面积曲线支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小。其主要用于计算实际接触面积。为简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线。理想的支承面积曲线如图2－10所示。图2－10支承面积曲线第2章表面235.支承面积曲线轮廓支承面积曲线是用相对支承长度得到的，在国家标准GB3505—83中称之为轮廓支承长度率，表示为tp值是对应不同水平截距x而给出的。若用支承面积表示，则式中：Ax——距蜂顶为x处的支承面积；A0——距峰顶为Ry处的支承面积。用轮廓图计算和测量Ax是比较困难的。第2章表面245.支承面积曲线因此，有人用下列方程近似地逼近支承面积开始的一小段式中x：距蜂顶的距离，x＝ξ/Ry，其中Ry为微观不平度最大高度，ξ为趋近量；b和ν：支承面积曲线参数，可实测或计算获得；tp：实际接触面积与名义接触面积之比。实际上支承面积曲线(即轮廓支承长度率曲线)是所有纵坐标分布曲线的累积分布，由于绝大多数工程表面轮廓高度都接近于正态分布，所以支承面积曲线可表示为式中：z为从中线开始测量的轮廓高度；ψ(z)为轮廓高度分布的概率密度函数。第2章表面25各种不同的加工方法的b,ν值见表2-2由表可知,由于加工方法不同,其表面的微凸体形状也不同，因此得出的支承面积曲线不同，表面磨损到一定程度时，支承面积曲线的变化情况也不一样。第2章表面26支承面积曲线的实际应用按支承面积的大小将轮廓图形分为三个高度层：波峰:支承面积在25％以内的部分，为最高层；波中:支承面积在25％至75％之间的部分，为中间层;波谷:支承面积大于75％的部分，为最低层。波峰与摩擦磨损有很大关系，波谷则与润滑情况下贮油性有关。支承面积曲线在研究摩擦磨损时非常有用。例如，有人对发动机气缸进行金刚石珩磨，发现从最高峰磨去l～2μm时，支承面积为50—60％，容油沟纹的深度为2.5～l0μm，宽为15—80μm，此时气缸的耐磨性大大提高。第2章表面27二、金属的表面结构1．金属的晶体结构通常，金属在固态下都是晶体，其原子均为有规则的周期性重复排列，见图2—ll、晶体结构是指组成晶体的物质质点(分子、原子、离子、原子集团)依靠一定的结合键在三维空间做有规律的周期性重复排列的方式。金属元素中，约有百分之九十以上的金属属于FCC、BCC、HCP3种晶体结构：图2－11原子有规则的周期性重复排列第2章表面28（1）面心立方晶胞(fcc)面心立方的晶胞如图2—12所示，在8个顶角各有1个原子，在立方体每一面中心还各有1个原子。金属钢、银、金、铝、镍、铅、铑、γ铁、γ钴、δ锰等，均为面心立方结构。每1个原子周围与其等距离的最近邻的原子数目叫配位数(CN)。它是描述原子排列紧密程度的参量，配位数越高，原子排列越紧密，面心立方晶胞的配位数为12。图2－12面心立方晶胞第2章表面29（2）体心立方晶胞(bcc)体心立方晶胞如图2—13所示，也是在8个顶角各有1个原子，在其立方体的中心还有一个原子。显然，每一个原子周围有8个最近邻原子，因此，配位数为8。属于这种结构的；金属有钒、铌、钽、钼、铬、钡、β钛、α铁、δ铁、α钨等。图2－13体心立方晶胞第2章表面30（3）密排六方晶胞(hcp)密排六方晶胞如图2—14所示，六棱柱体的各角有一个原子，在其上、下面中心还各有一个原子，此外在两面的中间还有三个原子。属于这类结构的金属有镁、锌、镉、锆、α铍、α钛、α钴等。图2－14密排六方晶胞第2章表面31表2－33种典型金属晶体结构特征以上所述都是理想晶体的结构，即把金属晶体中的原子排列看作是规则的、完整的，而且每个原子都是在阵点上静止不动的。然而，实际上金属晶体由于原子热振动，以及受到温度、辐射、压力加工等各种外界条件影响，在原子规则排列区中常出现原子排列的不规则区，这些不规则区称为“晶体缺陷”。第2章表面322.表面晶体结构及缺陷金属表面就是金属晶体与周围介质的界面。图2—15为理想金属晶体表面原子的排列情况。表面原子M的配位数为5。而基体中的任一个原子的配位数为6。由此可知，表面原子的配位数比基体中的配位数少，表面原子少了在表面上层原子对它的约束，这将使表面原子处于高能状态。图2－15晶体表面的原子第2章表面33表2－4表面原子的配位数（FCC）晶体表面原子的配位数与晶体的位向有关，面心立方晶体不同位向表面，原子的配位数见表2—4。晶体表面原子不仅能量较高，而且还存在着许多缺陷。这些缺陷不是静止、稳定不变的，而是随着条件的改变而不断变化和交互作用的。它们对晶体表面的机械性能、物理性能和化学性能有很大的影响。第2章表面34晶体缺陷见图2－16。图2－16晶体表面缺陷按几何特征，晶体缺陷主要有以下3类：（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷第2章表面35点缺陷在三维方向上尺寸都很小的缺陷称为点缺陷，如空位、间隙原子和置换原子等。晶体中原子在其平衡位置上作高频率的热振动，振动能量经常变化，此起彼伏，称为能量起伏。在一定温度下，部分具有