0--材料磨损与耐磨材料(绪论)1

材料磨损与耐磨材料材料科学与工程学院SchoolofmaterialscienceandengineeringMaterialWear&WearResistantMaterial2绪论历史回顾摩擦磨损与国民经济摩擦学学科概述摩擦学研究前沿及国内现状3摩擦学的历史我们每时每刻都在和摩擦打交道。走路、吃饭、洗衣服依靠摩擦；各种车辆行驶依靠摩擦，机器运转离不开摩擦。人类的进步与发展，也与摩擦有关。4摩擦学的历史利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食物的习惯。Eskimo,HudsonBay,17485摩擦学的历史埃及，1471B.C.6摩擦学的历史车轮的发明使人类商业社会得以迅速发展。伊拉克，2800B.C.7摩擦学的历史埃及金字塔修建，1880B.C.8摩擦学的历史埃及金字塔修建，1880B.C.9摩擦学的历史公元前2000年左右，我国人民就已经使用轱辘、木质滑动轴承，公元前200--300年已能制造青铜和铁基轴承。在14世纪前，我国在轴承、轮轴、齿轮、润滑及润滑剂等方面的摩擦学知识一直居于世界前列。10摩擦学经典理论15世纪：意大利科学家达芬奇LeonardodeVinci(1452-1519)—伟大的摩擦学家，把摩擦学引入理论研究利用重力法（倾斜表面滑块、滑轮机构等）研究摩擦、磨损与轴承问题1115世纪：意大利LeonardodeVinci——伟大的摩擦学家，摩擦学第一人121967马德里发现的手稿15世纪：意大利LeonardodeVinci(1452-1519)——伟大的摩擦学家，摩擦学第一人13他首先认识到摩擦力与载荷成正比，而与名义接触面积无关，并根据试验得出，摩擦力的大小为载荷的1/4（即摩擦系数=0.25)。他发现：随着载荷的增大，磨损加剧，磨损方向不一定在铅垂方向，而是沿着载荷的主向量方向。15世纪：意大利LeonardodeVinci(1452-1519)——伟大的摩擦学家，摩擦学第一人14摩擦学经典理论1699年：GuillaumeAmontons(1663-1705)——法国科学家阿蒙顿Amontons摩擦定律F=μ·N15摩擦学经典理论1785年：库仑CharlesAugustinCoulomb（1736-1806)—动、静摩擦研究；16摩擦学经典理论1785年：库仑CharlesAugustinCoulomb（1736-1806）——动、静摩擦研究17摩擦学经典理论1785年：库仑C.A.Coulomb对摩擦起因的解释：他猜想在相对运动中，一表面的微凸体沿其相对表面微凸体的斜坡爬升，摩擦力即和这种爬升运动中所做的功有关。181785年：C.A.Coulomb19摩擦学经典理论1881年：HeinrichHertz（1857-1894）——赫兹Hertz弹性接触理论20摩擦学的经典理论1886年：OsborneReynolds（1842-1912）——雷诺方程的提出，为润滑的研究建立起了基础理论xhUyphyxphx6)()(3321摩擦学的经典理论1886年，英国的雷诺OsborneReynolds（1842-1912）根据流体力学基本理论，建立起了流体动力润滑基本方程式。随后一百多年的流体动力润滑理论与轴承技术的研究都是以求解雷诺方程为基础展开的，成为理论解决工程问题的成功典范。22摩擦学的发展史人类进入20世纪，Stribeck通过对轴颈轴承的研究，建立了著名的关于润滑剂粘度、滑动速度、载荷与摩擦系数的关系曲线。随着现代工业的发展及表面科学的迅速崛起，推动了润滑、材料磨损以及摩擦化学的研究，尤其是汽车工业极大地促进以Cu--Pb合金为主的滑动轴承的发展，促进了润滑剂及润滑添加剂技术的进步。23摩擦学的发展史在固体润滑研究方面，以二硫化钼（MoS2)、石墨、聚四氟乙烯（PTFE)为代表的固体润滑材料在航空、航天获得广泛应用。20世纪80年代以来，摩擦学已从传统的机械学和力学转向新型润滑与防护材料、磨损及摩擦化学与物理的研究。24我国近代的摩擦学历史1940s钱伟长：发表流体润滑论文；1950s雷天觉：虹江机床厂（上海机床厂）研制成功可倾斜磨床主轴轴承，达国际先进水平；50年代后期开始摩擦学研究和人才培养；1976.07:《润滑与密封》创刊1979.05:成立中国机械工程学会摩擦磨损与润滑分会1980.11:中国机械工程学会摩擦磨损与润滑分会更名为摩擦学分会，摩擦学开始在我国迅速发展。25绪论历史回顾摩擦磨损与国民经济摩擦学学科概述摩擦学研究前沿及国内现状摩擦基本现象26摩擦磨损与国民经济1966年2月英国H.P.Jost：对英国各工业部门进行摩擦学应用的调查（11个月的调查）主要结论：①如果能够加强摩擦学的科研与教育，充分运用相关的摩擦学知识和研究成果，每年在工业上可节约5亿英镑（相当于英国国民生产总值的1%），并可大大提高技术的发展速度，为实现国民经济目标做出非常重大的贡献；②为了改变由于lubrication一词的局限性而导致忽视这门边缘学科的现状，建议采用tribology一词来表达这门学科的内涵。27摩擦磨损与国民经济根据美国评议局（OTA)的报告，美国切削机床每年维修费用为750亿美元。飞机由磨损造成的损失为134亿美元。船舶为64亿美元。汽车为400亿美元。我国仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材五个工业部门不完全统计，每年仅由于磨料（粒）磨损而需要补充的备件就达100万吨钢材。28摩擦磨损与国民经济参照德、美和加拿大等国调查结果，即摩擦学知识的工业应用每年可节约的费用约占GNP的1～1.4％，若取平均值(1.2％)，按我国2003年GNP为11.66万亿元估算，2003年我国全国工矿企业在摩擦学上的节约潜力约1400亿元。29摩擦磨损与国民经济我国2007年GDP246619亿元，在摩擦磨损润滑方面的节约潜能约2959亿元。这说明重视摩擦学的研究、应用所产生的效益巨大。一定程度上，摩擦学在我国经济、社会和科技发展中的作用还没有引起重视，它在我国工业中节约资源和能源的独特作用没有充分发挥。30摩擦磨损与国民经济我国消耗了占世界30%--40%的钢，50%的水泥，GDP占世界的4%，等当量GDP能耗消耗是美国的2倍，欧洲的3倍，日本的4倍。2010年我国汽车保有量约5000万辆，2020年将达到1亿辆。汽车机械能只有约32%输出到车轮上，其余都消耗于摩擦副。如能改进设计，正确使用，可使汽车燃油指标降低5%--30%。31摩擦磨损与国民经济国内工业品的能源利用率仅占32%--34%，比发达国家高出10多个百分点。能源和原材料消耗所占成本高达75%左右，降低1%便可产生经济效益100亿元。我国工矿企业在摩擦、磨损和润滑方面节约潜能巨大，每年几百亿到上千亿。32损失在摩擦界面上的资源和能源界面活塞环/汽缸轮胎/路面刀具/工件钻头/油井磁头/磁介质人体/座位损失量亿美元/年200100100100100200根据E.Rabinowicz,198633摩擦磨损产生的难题在现代汽车中，12～20％的功率要用来克服摩擦；飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率要占10％，最先进的涡轮喷气发动机也要为克服摩擦损耗2％的功率。航空和航天器过度发热，这更是现代科技遇到的又一难题。34滚子摩擦副承载能力和使用寿命问题滚子摩擦副的功能通过接触副之间的滚动运动完成，其承载能力和使用寿命决定于有限长线接触副之间作用力大小和接触压力分布。减少工作载荷可通过增多滚子数目，加长滚子长度和加大滚子直径的方法达到。改善接触压力分布则需要研究接触副的几何轮廓。研究表明，将滚子两端作适当的修形可大幅度提高摩擦副的承载能力和使用寿命。35实际微机械中存在的问题微构件制作过程中的粘附失效微发动机在运转中的粘附失效驱动梳齿的粘着失效微型镜(micro-mirror)变形失效微马达的磨损失效外来粘着物堵塞微喷嘴端口导致失效36棘齿扭簧环形齿轮导块反转棘爪SandiaNationalLaboratories，2000,D.M.Tanner,etal.扭转棘齿激励器(TorsionalRatchetingActuator)导块、环形齿轮涟漪部分的摩擦磨损红色箭头为发生磨损区域，绿色为未磨损区域发生在棘齿部分的摩擦磨损发生在反转棘爪部分的摩擦磨损在构件材料强度满足要求的条件下，多晶硅构成的摩擦副表面粘着和磨损是微机械失效的主要原因！！37重庆轻轨橡胶轮与轨道梁的磨损轻轨是单轨系统，采用低噪声和低振动设备，车轮为充气橡胶轮胎，并由空气弹簧支持整个车体，运行时噪声远远低于城区交通干线噪声平均声级75.8分贝。重庆轻轨38重庆轻轨橡胶轮与轨道梁的磨损39高速列车摩擦振动与噪声减振降噪：减小空气阻力（流线型设计）阻尼材料等。40铁路“轮-轨摩擦磨损”41实例：铁路轮-轨摩擦磨损消除、减弱摩擦磨损振动源：打磨（机车车辆蛇行运动产生的）钢轨波磨、钢轨闪光对焊等。42集装箱式闪光焊轨机UN5-150Z型集装箱式闪光焊轨机工程车是满足高速重载无缝线路、城市轨道交通轨道焊接的一种现代化高科技焊机装备。它采用了现代先进的机、电、液一体化技术，具有自动焊接、保压推凸、移动作业等多种特殊功能，适用于轨道线路各种钢轨P50、P60、P75轨型的钢轨线上、线下以及厂内焊接等多种场合。43集装箱式闪光焊轨机44集装箱式闪光焊轨机45集装箱式闪光焊轨机46集装箱式闪光焊轨机47实例：铁路轮-轨摩擦副48实例：铁路轮-轨摩擦副49摩擦磨损与轮轴疲劳断裂我国轮轴损伤事故占事故总数2%以上，而现有近60万辆车中，车轴数量超过250万根，每天断轴1根以上，严重危及行车安全（其中因摩擦磨损引起轮轴疲劳断裂）50摩擦磨损与轮轴疲劳断裂轴箱处断裂51高速列车轮轴断裂案例1998年6月3日，德国ICE884次高速列车轮轴断裂，引起列车脱轨撞桥事故。（死亡101人，重伤88人，经济损失2亿马克。）52高速列车轮轴断裂案例53铁路轮-轨摩擦磨损车轮检修更换费：36亿元/每年钢轨更换费：50亿元/每年54废旧机电产品循环利用法---再制造工程机械制造业是矿产资源的最大使用者，是能源的最大消耗者，是有害气体和废水的最大排放者。机电产品更新换代频率加快，一方面造成了自然资源的日益匮乏，另一方面造成了机电产品报废数量激增。55废旧机电产品循环利用法---再制造工程近几年全球每年至少有2600万辆汽车报废，发达国家目前已有1.25亿台旧计算机废弃不用，世界废弃电脑很快就将达到6.8亿台。56废旧机电产品循环利用法---再制造工程我国2000年达到报废标准的汽车已达到210万辆，今年报废汽车270万辆。2003年，我国进入家用电器报废的高峰期，每年淘汰1500万台废旧家电。今年淘汰废旧家电达到9000万台.57废旧机电产品循环利用法---再制造工程若对这些废旧机电产品处理不当，会形成“汽车垃圾”、“电子垃圾”，既要占用大量土地，又对环境造成新的污染。58废旧机电产品循环利用法---再制造工程再制造工程是根据需要将废旧产品进行全部或大部分拆卸、并经过清洗、检测，对没有损伤的零件可直接利用；对失效零件进行再制造加工（如对轧辊表面磨损进行修复），重新装配后生成等同于或者高于原新品性能的再制造产品。这与将该零件回炉变成原材料相比，大大节约能源、资源并保护了环境，能够最大化地保留产品制造时的附加值。59主要内容历史回顾摩擦磨损与国民经济摩擦学学科概述摩擦学研究前沿及国内现状60摩擦学的定义摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其有关的理论和实践的一门科学与技术。包括摩擦、润滑和磨损。定义中二个主要的部分：1.相对运动2.相互作用表面61摩擦学研究的主要内容摩擦：摩擦理论与起因磨损：磨损理论与减磨措施润滑：1.润滑理论2.润滑剂及其添加剂3.固体润滑材料摩擦学测试技术：摩擦系数及表面分析等62摩擦学定义的内涵