摩擦基本原理

固体摩擦理论主要内容§1摩擦的基本特性§2摩擦理论§1摩擦的基本特性Ffw=古典摩擦理论(Amonton、Coulomb):F=fW摩擦系数仅取决于材料性质,而与表观接触面积,滑动速度和载荷大小无关。1.静止接触时间的影响2.跃动现象干摩擦运动并非连续平稳的滑动,而是一物体相对于另一物体断续的滑动,此称跃动现象。滑动速度；接触时间3.预位移问题：极限位移；静摩擦力§2摩擦理论1、机械啮合理论问题(1)超精加工表面间的摩擦系数反而增加(2)表面吸附一层极性分子后,其厚度不及抛光粗糙度的十分之一，摩擦系数极大减小Amontons于1699年提出认为滑动中摩擦能量损耗于粗糙峰的相互啮合,碰撞及弹塑性变形,即粗糙度越小,摩擦系数越低。FfWWtgϕ==一、简单摩擦理论φFfWWtgϕ==§2摩擦理论1、机械啮合理论问题(1)超精加工表面间的摩擦系数反而增加(2)表面吸附一层极性分子后,其厚度不及抛光粗糙度的十分之一，摩擦系数极大减小§2摩擦理论2、分子作用理论Tomlinson于1929年提出分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因,推导出Amontons公式piWPP+=∑∑0pP≈∑fWxkQ=xkqnl=iWnP=qQfpl=§2摩擦理论2、分子作用理论立论依据:接触分子转换所引起的能量损耗应当等于摩擦力作功。所以接触面积↑→摩擦力↑,与载荷无关,所以越粗糙,实际接触面积越小,因而摩擦系数越小,只是在重载下符合。§2摩擦理论3、机械－分子摩擦理论无论是机械理论还是分子理论，都是很不完善，得出与粗糙度的关系都是片面的，在英和苏相继建立了两个学派，即粘着理论，摩擦二项式。§2摩擦理论1.基本要点：Bowden和Tabor于1945年提出的,观点如下:1)摩擦表面处于塑性接触状态,即实际接触面积很小,峰点压力高,产生塑变ssWWAAσσ=∴=二、粘着理论2)滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程接触点金属塑性流动,产生瞬时高温,因而使两金属产生粘着,随后在摩擦力作用下,粘着结点被剪切而产生滑动,滑动摩擦就是粘着结点的形成和剪切交替发生的过程。3)摩擦力是粘着效应和犁沟效应的总和ebeFTPASpτ=+=+lB梨沟面剪切面§2摩擦理论金属摩擦发生结点焊联这一事实不容置疑。纯净金属在高真空中，确实测出很高的粘着力和摩擦系数。金属在大气中摩擦，分子转移现象也由示踪放射技术所验证。问题：推导出的摩擦学数值与实测结果颇不一致。讨论0.2bsτσ=ebPAτebeFTPASpτ=+=+bbbssWFAWτττσσ==⋅=0.2bsfτσ∴==0.5f?矛盾§2摩擦理论修正：考虑摩擦切向力对变形的贡献。2.修正粘着理论实际接触面积和接触点变形条件应取决于压应力和剪应力的联合作用。222kσατ+=当量应力0τ=sσσ=,WFAAστ==9α=skσ=222sσατσ+=222()()sWFAAασ+=221()()2502.sbσατ===FA↑→↑22bsατσ=222()()ssWFAασσ=+§2摩擦理论fbcττ=222fsσατσ+=22bsατσ=2222sbfcασαττ∴==2(1)fcfcτσα==−1cf→→∞cf↓→↓0c→0fτ→sσσ→fsfτσ∴==软表面膜的剪切强度极限硬基体材料受压屈服极限表面薄膜摩擦§2摩擦理论硬金属粗糙峰嵌入软金属后,在滑动中挤软金属,使之产生塑性流动,在磨粒磨损和擦伤磨损中,它是摩擦力的主要成分。esPSσ=3.犁沟效应hWdθdSAPesWAσ=42cotePhfWdθππ===屈服性能各向同性2cotbsbssASfAτστθσσπ+==+粘性犁沟§2摩擦理论三.Archard'sElasticModelofFriction单峰接触31'2169⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=REWδ31'43⎟⎠⎞⎜⎝⎛=EWRaδRa=2δππRaA==22321'34δREW=σσπhenRA−=2σσheRnEW−=2321'34Gauss分布3/23/2'43WERAFr⎟⎠⎞⎜⎝⎛==πττWERF'43σπτ=§2摩擦理论四、摩擦二项式定律000()()bammmFSABpSABp=+++00mmFSSττ=+•为单位面积上分子作用产生的摩擦力•为分子作用面积•为单位面积上机械作用产生的摩擦力•为机械作用面积与法向.载荷p的关系0τ0SmτmS§2摩擦理论0000(1)mASSSSSγγ=+=+=+WpA=1ab==0011mmrBBrAAβαγγ++==++000()()bammmFSABpSABp=+++二项式用于边界润滑的摩擦系数计算很理想。00()()11mmWAFBBAAγγγγ=+++++FAWαβ=+FAfWWαβ==+所以f不是常量,它随A/W比值而变化。§2摩擦理论五、滚动摩擦Charles-AugustinCoulomb(1736-1806)proposedthatthefrictionalresistanceofarollingwheelorcylinderisproportionaltotheloadP,andinverselyproportionaltotheradiusofthewheel.ArsèneDupuitin1840：asimpletorquebalance(seebelow)betweentheinterfacialrollingresistanceandthematerialresistingtorqueleadstoaninversesquarerootdependenceoffrictioninR.§2摩擦理论五、滚动摩擦PaFR=Coulomb⎥⎦⎤⎢⎣⎡=RPaFRhxa2≈∝DupuitRPF∝TabornPh∝RPFn12+∝RPF23∝Elasticityn=1§2摩擦理论五、滚动摩擦2000:FirestoneandFordtirecontroversy§2摩擦理论－小结机械－分子摩擦理论摩擦二项式定律机械啮合理论FfWWtgϕ==分子作用理论qQfpl=基本粘着理论bsfτσ=修正粘着理论222()()ssWFAασσ=+fsfτσ=犁沟效应2cotePfWθπ==FAfWWαβ==+简单摩擦理论粘着理论2cotbsfτθσπ=+§2摩擦理论-应用FromtheteachingmaterialoftribologyofMITFrictionatDrySlidingInterfaceUndulatedSurfaceforEliminationofParticles5μmspacingμ-structuredSi50μmspacingμ-structuredSiPin-diskexperiments•Pinspecimens-Bearingball(1/16”)•Flatspecimens•μ-structuredSi(coated)§2摩擦理论-应用Pin-diskexperiments•声子型摩擦（界面摩擦，原子尺度的摩擦）•电子激励型摩擦•第三介质（吸附污染物质）•粘性干摩擦§3无磨损摩擦Tabor对摩擦基础研究的建议“无磨损的摩擦必然是由于滑动接触中的应变积累，并昀终以原子振动的形式得以释放”－D.Tabor1991DavidTabor(1913-2006）影响摩擦研究的几项科技进步1）高真空和表面技术使科学家得以制备高度规则结构表面(well-definedsurfaces)－洁净晶体表面、原子级光滑表面、单分子膜表面等2）AFM和FFM的发明提供了探索原子尺度摩擦行为的条件3）微机电系统和纳米技术发展要求理解微纳米系统中的摩擦和粘附规律4）大规模计算机模拟可以直观地揭示和再现两个表面之间的复杂摩擦过程和现象。二、界面系统机械失稳导致能量耗散与摩擦系统机械失稳－独立振子模型疑问：1）原子在规则表面上运动时力的对称性2）分子间相互作用如何导致能量耗散和横向力对称破缺摩擦源于滑动中界面系统机械失稳导致的能量耗散独立振子(Tomlinson)模型k－B表面原子与基体的连接强度λ–A/B间相互作用强度相对运动诱发的不稳定性考察两个原子构成的界面体系准静态(v→0)相对运动1）保守系统，能量守恒，横向力对称，零摩擦2）能量积累并通过原子振动耗散、横向力对称破缺v→0系统机械失稳－双原子系统模型上表面原子向下准稳态趋近原子间作用满足LJ势V=ε{(x/σ)-12-(x/σ)-6}系统总能量E=V+c(x-x0)2/2趋近中原子始终处于平衡态：dE/dx=0由此解出x=f(x0)，对应每个支撑位置x0，可找到相应的原子平衡位置x024680.00.51.01.12LJPotentialVx/σxx0v→0c双原子系统的稳定性由A出发，趋近中发生B→C突跳，返程中C→D为粘附阶段，在D点突然分离，产生振荡此动力学行为取决于弹簧刚度c（材料原子键刚度）和LJ势的强度（界面作用强度）之比。C增大时突跳减弱直至消失01234567891002468ApproachDCBAJumpinJumpoutxx0024024XX0ABC,D双原子系统－切向运动基体由弹簧带动表面原子在谐波势能场中作切向运动光滑运动－零摩擦，无能量损耗A/k临界值，粘滑运动－原子振动－切向力对称破缺－声子发射－摩擦xx0k-505101520250481216AtomPositionxDistanceX0ForwardBackwardABCDEFG0481216-4-2024ForceFDistanceX0ABCForwardEFGBackwardD系统机械失稳－振子模型推广•微米尺度模型•两种作用中心(pinningcenter)•中心互相独立并满足叠加原理•设接触物体之一为刚性，弹性体的变形为u•单个作用中心的总能量U=V(ρ+u)+ku2/2V(η)=±εcos(πη)(-1.0η1.0)•最小势能原理：dU/dx=0ρρρV(ρ)系统机械失稳－振子模型推广粘滑－振动－耗散与原子尺度模型相似（1次和2次跳动）切向力所做的功斥力作用亦可导致能量耗散，摩擦无需以粘着为条件摩擦源于系统机械失稳，导致振动，机械能通过声子发射或电子激励耗散为热。-2-1012-1.0-0.50.00.51.0TravelingdistanceρForcedV/dη12Repulsive-2-1012-1.0-0.50.00.51.021ForcedV/dηTravelingdistanceρ12Attractive-2-1012-1.0-0.50.00.51.0TravelingdistanceρForcedV/dη12Repulsive-2-1012-1.0-0.50.00.51.021ForcedV/dηTravelingdistanceρ12Attractive()WFdρρ+∞−∞=∫