大学课件之摩擦学-固体摩擦、磨损理论

第20章固体摩擦、磨损理论主要内容§20-1摩擦的基本特性§20-2摩擦理论§20-3磨损的基本形式§20-1摩擦的基本特性Ffw古典摩擦理论(Amonton、Coulomb):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§20-2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。WtgfWF一、简单摩擦理论φWtgfWF§20-2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ipPPW0pPkQfWxlxqnkinPWfqQpl§20-2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。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。§20-2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WAAWss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ebeSpAPTFlB梨沟面剪切面§20-2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bs02.beAPebeSpAPTFWWAFsbbsbfbs02.f05.?矛盾§20-2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。222k当量应力0sAFAW,9sk222s()()WAFAs22225).021()(22bsFA22sbAWFss222()()§20-2摩擦理论fbc222fs22sbsbfc2222fccf()12fc1cf0c0fsffs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§20-2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。seSP3.犁沟效应hWdθdSAPesAWcot24dhWPfe屈服性能各向同性cot2sbssbASAf粘性犁沟§20-2摩擦理论FSSmm00其中,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0S0mSmFSABpSABpbmmma000()()三、摩擦二项式定律§20-2摩擦理论ASSSSSm00001()WpAab11100ArABrBmmFSABpSABpbmmma000()()二项式用于边界润滑的摩擦系数计算很理想。)(1)(100AAABBWFmmWAFWAWFf所以f不是常量,它随A/W比值而变化。§20-2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WtgfWF分子作用理论plqQf基本粘着理论sbf修正粘着理论AWFss222()()sff犁沟效应cot2WPfeWAWFf简单摩擦理论粘着理论cot2sbf§20-3磨损的基本形式磨损机理摩擦表面作用疲劳磨损粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损机械类分子－机械类腐蚀－机械类§20-3磨损的基本形式磨损过程1、表面相互作用2、表面层的变化3、表面层的破坏机械的、组织结构的、物理的、化学的变化擦伤点蚀剥落微观点蚀、剥落胶合二体三体机械的吸引粘着分子的§20-3磨损的基本形式磨损机理疲劳磨损粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损§20-3磨损的基本形式一、疲劳磨损相对滚动或滚动兼滑动的表面，在循环接触应力作用下，由于材料疲劳而形成凹坑。1、表面萌生金属表面在循环接触应力作用下,疲劳裂纹发源于材料表层内部的应力集中源,如非金属夹杂物或空穴。裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后形成凹坑，其断口比较光滑。2、脱层理论认为接触的两表面相对滑动,硬表面的峰顶滑过软表面时,软表面上每点都经受一次循环载荷。由于产生塑性变形，金属表面出现大量位错，塑性变形过程就是位错的移动过程，移动到表面的位错能量得以释放，而在亚表层就会形成位错堆积，从而形成裂纹核，这样，在循环载荷的不断作用下，裂纹就会不断扩展。Fujita等人于1977年对Nicr渗碳纲实验§20-3磨损的基本形式240280h(cm)0.125V.P.n3、点蚀现象点蚀分为宏观点蚀和微观点蚀。宏观点蚀：Way于1935年提出,润滑油在高压下迅速进入裂纹,接触面将裂纹封住，使裂纹油压裂纹向纵深发展油压大，裂纹根部强度不够，折断形成小坑，即点蚀。裂纹深度在200m左右。§20-3磨损的基本形式微观点蚀：认为实际接触在峰顶，每个峰进入接触都产生一个微观应力，其远高于Hertz应力,于是易产生应力集中,出现微裂纹。裂纹深度在20m左右。微观点蚀是宏观点蚀的起因。主动从动疲劳磨损的影响因素§20-3磨损的基本形式宏观应力场摩擦副材料材料内部缺陷润滑剂或介质与摩擦副材料的作用0.8246850(950)850(1050)850(1150)850σ/MPa弯曲应力＋接触应力接触应力＋摩擦力硬化粗糙度粘压性质腐蚀性变应力场机械性质和强度硬化层厚度粘度二、粘着磨损粘着磨损理论源于Bowdon的粘着摩擦理论。观点：摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落或磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损。机理：与粘着摩擦机理一样，峰点局部高压，瞬态高温，造成粘着。§20-3磨损的基本形式种类：(1)轻微粘着磨损粘结点的强度摩擦副金属强度,剪切发生在结合面上,于是磨损小。出现工况：表面有氧化膜，硫化物其它涂层时发生此类磨损。§20-3磨损的基本形式(2)一般粘着磨损粘结点强度高于摩擦副较软金属的剪切强度,破坏发生在软金属表层内,软金属附在硬金属上,此时摩擦系数与轻微磨损相近,但磨损程度加剧。(3)擦伤磨损粘结点强度摩擦副两金属强度,剪切破坏主要发生在软金属,有时在硬金属。粘着物使软金属面出划痕。(4)胶合磨损粘结点强度摩擦副两金属强度,而且粘结点面积较大时,剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方,此时,两表面出现严重磨损,使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。胶合是破坏性最大的磨损形式，一些设计手册提及胶合计算准则（齿轮）§20-3磨损的基本形式粘着影响因素§20-3磨损的基本形式1载荷0.30.51.02.03.04.010025050010002000载荷(N)钢对钢钢对铸铁钢对青铜粘着影响因素§20-3磨损的基本形式2温度温度变形区深度3摩擦副材料脆性优于塑性表面膜粘着磨损计算§20-3磨损的基本形式saW2aadsdV2323sWdsdV3ssWkdsdV3引入ksaWa三、磨料磨损外界硬颗粒或是摩擦副表面上硬的凸体在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。这是一种机理简单的磨损，有的称其为机械磨损。§20-3磨损的基本形式磨料磨损种类：(1)外界磨料移动于两摩擦表面间，类似于研磨作用，此称三体磨粒磨损。(2)磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近于平行时,在固体表面产生擦伤或犁沟痕迹。当磨粒运动方向与固体表面垂直时，常称为冲击磨损，在表面产生高应力碰撞，磨出较深的沟槽。§20-3磨损的基本形式(3)在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起磨粒作用，也是二体磨损。§20-3磨损的基本形式磨料磨损机理：(1)微观切削载荷将磨粒压入摩擦表面，滑动时摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切，切削。(2)挤压剥落磨料压入表面，将塑性材料的表面挤出层状或鳞片状剥落碎屑。(3)疲劳破坏摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落§20-3磨损的基本形式磨料磨损影响因素轻微磨损区严重磨损区相对硬度H0/H方法：钢的含碳量、热处理等冷作硬化?§20-3磨损的基本形式磨料磨损磨损量计算22tanhA22tanhAWsstan2shVhWdθdSAstantan2sWhdsdVHWkdsdVa引入ka四、腐蚀磨损摩擦过程，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生表面损伤，称为腐蚀磨损。§20-3磨损的基本形式1.氧化磨损在摩擦过程，磨损发生在氧化膜中，氧化膜脱落和新氧化膜不断形成的过程。腐蚀磨损形式2.特殊介质腐蚀磨损金属表面与酸-碱、盐等介质作用而形成腐蚀磨损。由于润滑油中有腐蚀性化学成分，轴承中也常发生腐蚀磨损，主要是酸蚀和硫蚀。3.微动磨损两表面间由于振幅很小的相对运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀磨损。§20-3磨损的基本形式机理：在载荷作用下，表面接触峰点形成粘着结点，当接触表面受到外界微小振动（滑移量0.05mm~0.25mm)，粘着结点被剪切，剪切面逐渐被氧化并发生氧化磨损，产生Fe2O3磨屑，并起到磨料作用，使接触面产生磨粒磨损。适当的润滑可以有效地改善抗微动磨损能力（防氧化、耐极压）。4.气蚀液体中的气泡承受不住大压力时，发生溃灭，并产生极大的冲击力和高温，固体表面经受这种冲击多次反复作用，材料发生疲劳脱落，表面出现小凹坑。进而发展成海绵状，液体的化学和电化学作用加速了气蚀的破坏过程。§20-3磨损的基本形式气蚀中的影响因素：气泡§20-3磨损的基本形式气泡是空气在分散介质中形成的分散体系，具有很强的疏水性。一般认为，气泡外围水分子分为水化层、扩散层和普通水层三个层次。在气泡与颗粒的粘附过程中，要经历颗粒与气泡相互接近和碰撞、颗粒与气泡间水化膜薄化和破裂、颗粒在气泡表面粘附，即颗粒气泡相界面形成与调整等过程。当悬浮液中的颗粒与气泡附着时，将导致部分气液和固液界面的消失，并形成新的固气界面。水化层扩散层普通水层气蚀过程§20-3磨损的基本形式能量密度高度聚集后的耗散形式是重要研究内容，物理学界的注意力主要集中在光发射上。2000年德国Stuttgart大学Bruno教授用400ps快门速度的高速条纹摄像机对单个坍缩微气泡所发射的光与激波的动力学进行了研究，捕获了水中微气泡坍缩的时间分辨图像。发现在坍缩和同时发生的光发射后不久，激波的运动速度达到4000m/s，计算出气泡附近的压强达到6GPa，Bruno认为，几乎每次坍缩都伴有闪光，光子的产生表明在内爆气泡中必然出现极高的压力与温度，并以微射流和微激波的形式耗散。Putterman和Barber的研究表明，空泡的坍塌