第一章 摩擦学基础知识(摩擦)

第一章摩擦学基础知识（摩擦）1.摩擦的定义：两个接触物体表面在外力作用下相互接触并作相对运动或有运动趋势时，在接触面之间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象就是摩擦。概述2.摩擦的分类1.摩擦按摩擦副运动状态可分为：静摩擦：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但尚未产生相对运动时的摩擦。动摩擦：两相对运动表面之间的摩擦。2.按相对运动的位移特征分类：滑动摩擦：两接触物体接触点具有不同速度和(或)方向时的摩擦。滚动摩擦：两接触物体接触点的速度之大小和方向相同时的摩擦。自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋转时的摩擦。3.按表面润滑状态分类：干摩擦：两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。边界摩擦：边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。流体摩擦：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦，即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。4.Stribeck曲线：不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、η、p分别表示速度、润滑剂粘度和压力。摩擦的基本特性1.古典摩擦定律(称为阿蒙顿-库仑定律):（1）摩擦力和载荷成正比，即F=fN。除了在重载荷下实际接触面积接近表观面积外，都是正确的。（2）摩擦系数与（名义）接触面积无关。一般仅对具有屈服极限的材料如金属材料是满足的，不适于弹性和粘弹性材料。（3）静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。（4）摩擦系数与滑动速度无关。金属材料基本符合，粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。2.修正摩擦定律：古典摩擦定律长期作为工程应用中的指导法则使用。但是，根据近代的研究，发现多数内容不完全正确，必须进行修正：（1）摩擦力与名义接触面积无关，与真实接触面积有关，当两者接近时，即法向压力很高时，摩擦力与法向压力成非线性关系，摩擦力增加很快。（2）有一定屈服极限的材料（如金属），其摩擦力才与（名义）接触面积无关，粘弹性材料的摩擦力与接触面积有关。（3）粘弹性材料的静摩擦系数不大于动摩擦系数。（4）精确测量表明，摩擦力与滑动速度有关。一般，速度对金属的摩擦力的影响不像对粘弹性显著的弹性体的摩擦力那样明显。一般认为，f=F/Nk，k=2/3～1。1.摩擦一般特征：一般压力与速度下对确定的摩擦副和环境气氛，摩擦力大体与载荷成比例，可以认为摩擦系数为常数。初步近似，摩擦力与物体面积无关。滑动摩擦2.滑动摩擦理论：1.机械啮合学说摩擦是由表面粗糙不平的凸起之间的机械啮合作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数越大的现象，但无法解释经过精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象。该学说的摩擦系数:f=Σfi/ΣNi=F/N=tanθθ是接触微凸体的倾斜角。2.分子吸引理论当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比：F=f(N+pAr)p为分子引力，Ar为真实接触面积3.分子—机械理论克拉盖尔斯基1939年提出分子-机械摩擦理论，认为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并非常量，用摩擦二项式定律表示：f=αAr/N+β如果α=τb，则分子分量与下述的粘着是一致的。金属的，塑料的β=0.06～0.12β=0.017～0.06。4.粘着理论（1）概念：在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。当相对滑动时，粘着点被剪断。如果两表面的硬度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力:F=Wτb/σsμ=F/W=τb/σsτb、σs分别是较软材料的剪切强度极限（或界面剪切强度）和屈服极限。(2)粘着理论基本要点：摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占名义面积很小部分，接触点处应力达到受压屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加的载荷。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程:接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被剪切产生滑动。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和:粘着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中材料的迁移现象。****两点说明:(1)上式表明，摩擦力与载荷成正比，与名义接触面积无关，摩擦系数决定于较软材料的力学性质.(2)实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力相比很小，可以忽略不计。τb是黏结点上分子键的剪切强度极限，σs是材料的受压屈服极限。（3）修正粘着理论：结点增大效应：简单粘着理论中分析实际接触面积时,只考虑受压屈服极限，而计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，对静摩擦是合理的。对于滑动摩擦状态，由于存在切向力，实际接触面积和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生的压应力和切向力的联合作用。实际接触面积要大于只考虑法向载荷时的接触面积。.表面膜效应：当摩擦副表面生成氧化膜或被污染形成污染膜时，摩擦系数将降低。污染膜的剪切强度较底时，粘着结点增长不明显。当剪切应力达到污染膜的剪切强度时，表面膜被剪断，摩擦副开始运动，摩擦系数表示为：μ=τf/σyτf界面膜的剪切强度，σy金属副的屈服强度，只适用与金属摩擦副。犁沟效应：犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤软金属，产生塑性流动并划出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和檫伤磨损中，为主要分量。（4）粘着磨损理论优缺点：优点：表面膜减摩作用、滑动摩擦的跃动现象、胶合磨损机理、材料转移等。存在的问题：（1）摩擦系数与表面粗糙度无关，不符合实验结果。（2）接点处产生的粘着机理，至今没弄清：鲍登认为接点处产生粘着。其他：许多情况下，粘着点温度并不高，不可能产生金属间的扩散，粘着力一般很小。（3）假设接点处产生牢固粘着，实际压力去除后，很难测出粘着力。接触点非完全塑性变形，一部分处于弹性接触，压力去除后，弹性变形回弹，破坏了部分粘着结点。（4）无法解释脆性材料具有的和金属材料相似的摩擦性能。（5）粘着理论很好解释了“相溶性较大的金属之间容易发生黏着,摩擦系数较大”现象.对于大多数金属,τb=0.2σs,计算的摩擦系数为0.2左右.正常大气中测的摩擦系数都高达0.5,在真空中更高.5.机械—粘着—犁沟综合作用理论粘着理论的基础上提出“机械—粘着—犁沟”综合作用的学说：μ=μd+μa+μp一般认为，犁沟和机械作用可能大于粘着作用。静摩擦系数决定于微凸体的变形的机械作用。6.滑动摩擦机理分析：两相对滑动表面摩擦系数是微凸体变形、磨粒和微凸体犁沟以及表面粘着综合作用的结果，可以把摩擦特性和时间的关系分几个典型阶段描述：（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料组合、表面特性和环境条件。（2）粘着起作用，摩擦系数开始上升，如果微凸体断裂，产生的磨粒将产生犁沟作用，使摩擦系数升高。（3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。（4）进入和离开界面的磨粒数相等时，摩擦系数保持不变，即稳定摩擦状态。（5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁沟作用减弱。同时微凸体变形也减弱，摩擦系数有所下降。（6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。（？）如果硬表面不是静止的，而是相对于静表面运动的，则硬表面将始终是粗糙的，后两个阶段不可能实现。影响滑动摩擦的因素1.摩擦副材料：相同金属或互溶性较大的金属摩擦副摩擦系数较大；二者之间容易发生粘着，而互溶性差的金属不易发生粘着。2.摩擦副表面特性：（1）表面粗糙度：非常粗糙的表面，表面须越过另一表面的微凸体，摩擦系数高。非常光滑的表面摩擦系数甚至更高：实际接触面积大，分子作用增强。在塑性接触下，实际接触面积总是与载荷成正比，表面粗糙度的实际影响并不大。（2）表面膜：表面膜具有减摩作用，降低表面分子力的作用使摩擦副之间的原子结合力或离子结合力被较弱的范德华力所代替。表面膜的机械强度低于基体材料，滑动时剪切阻力较小，摩擦表面不发生粘着。3.滑动速度：当滑动速度不引起表面层性质发生变化时，摩擦系数几乎与滑动速度无关。滑动速度引起表面层发热、变形和化学变化及磨损，而显著影响摩擦系数。实验表明，滑动速度的影响主要取决于温度状况。4.载荷：通过接触面积的大小和变形来影响摩擦力。一般情况下，摩擦系数随载荷增加而降低，然后逐渐趋于稳定。5.温度：金属摩擦副，温度升高100℃，摩擦系数仅降低百分之几。由于金属接点的接触面积取决于载荷和屈服压强：高温时，屈服强度降低，接点的总面积有所增加，同时剪切强度下降，使剪切接点的力（摩擦力）大致保持不变。除非高温使金属发生明显地软化。1.滚动摩擦定义：成点接触或线接触的两物体在接触处的速度大小和方向均相同（纯滚动）时的滚动阻力矩称为滚动摩擦力矩，这种现象称为滚动摩擦。引起滚动摩擦的因素是多方面的，主要包括接触处变形的微观滑移、弹性滞后、塑性变形和粘着等。滚动摩擦2.滚动摩擦形式：（1）自由滚动—滚动元件沿平面无约束地作直线滚动，为最简单的滚动形式。（2）具有牵引力的滚动---滚动元件受到法向载荷和牵引力的作用产生的滚动形式。（3）伴随滑动的滚动---几何形状造成接触面上切向速度不等时，必将伴有滑动。3.滚动摩擦系数（1）有量纲滚动摩擦系数：驱动力矩与法向载荷之比，即：μ=FR/W=W´e/W=e（2）无量纲滚动摩擦系数：称为滚动阻力系数，数值上等于驱动力矩在单位距离所作的功与法向载荷之比，即：μ´=FRφ/RφW=F/W=μ/R##滚动摩擦系数较小，一般钢—钢的滚动摩擦系数μ=0.0001。4.滚动摩擦机理（1）微观滑移效应雷诺(Reynolds)滑移：弹性常数不同的两个物体发生赫芝接触并自由滚动，作用在每一个物体界面上的压力相同，但两表面上引起切向位移不相等，而导致界面的滑移过程。（理解）当刚性滚轮沿弹性平面滚动时，在一整周内滚轮走过的距离要小于圆周长。（理解）当弹性滚轮沿刚性平面滚动时，在一整周内滚轮走过的距离要大于圆周长。Carter-Poritsky-Foppl滑移：滚动接触面切向力的作用引起的微观滑移。两滚动接触的各点受切向力后，产生的弹性变形不同，使接触面的一部分发生微观弹性滑移。Heathcote滑移：几何形状的差异，致使接触点上两表面的切向速度不等，引起的微观滑移。这种滑移引起的摩擦阻力，取决于滚动体的曲率半径、材料特性以及表面状态等。（2）弹性滞后效应接触时的弹性变形要消耗能量，脱离接触时要释放出弹性变形能。由于材料弹性滞后、松弛效应，释放的能量小于弹性变形能，两者之差就是滚动摩擦的损耗。粘弹性材料的弹性滞后大，摩擦损失大于金属。（3）塑性变形效应滚动表面接触应力超过一定限度时，将首先在表面层下的一定深度产生塑性变形，随载荷的增大，逐渐扩展到表面。塑性变形消耗的能量构成了滚动摩擦的损耗。在反复循环滚动摩擦接触时，由于硬化等，会产生相当复杂的塑性变形过程。（4）粘附效应滚动接触粘附效应与滑动摩擦不同，表面粘着力作用在滚动接触界面的法向，不发生粘着点剪切、增大等现象。滚动粘附力属范德华力，只作用在微观滑移区内的微观触点上。在滚动接触区的后缘将受拉力而分离，不像滑动接触受剪切而分离，因此引起的滚动阻力很小。滚动摩擦的粘附分量只占摩擦阻力的很小部分。5滚动摩擦力矩的计算：（圆柱体在平面上的滚动）摩擦阻力：F=2Wαa/3πR滚动摩擦系数：μ´=F/W=2αa/3πRμ´=2α(4WR/πE´)1/2/3πR滚动阻力系数与滚柱的几何尺寸、载荷与弹性模量有关。1.高速摩擦：航空、化工机械中，摩擦表面的滑动速度常超过50m/s，有时高达600m/s以上，此时接触面产生大量的摩擦热，由于滑动速度很高，接触点的持续接触时间短，瞬时产生的大量摩擦热来不及向内部扩散，因此摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温度升高，温度梯度大而容易产生胶合。特殊工况的摩擦2.高温摩擦学：如发动机、原子反应堆和宇航设备。高温摩擦时，各种材料的摩擦系数随温度变化趋