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1、第四章 摩擦、磨損及潤滑概述概述當在正壓力作用下相互作用的兩個物體受切向外力的影響而發(fā)生相對滑動，或有相對滑動的趨勢時，在接觸面上就會產(chǎn)生抵抗滑動的阻力，這一自然現(xiàn)象叫做摩擦，這時產(chǎn)生的阻力叫做摩擦力。摩擦是一種不可逆過程，其結果必然有能量損耗和摩擦表面物質的喪失或轉移，即磨損。據(jù)估計世界上在工業(yè)方面約有30%的能量消耗于摩擦過程中。為了替換易損零件，我國每年都要用一大批鋼材去制造配件，而磨損件又占了其中很大的比例.磨損會使零件的表面形狀和尺寸遭到緩慢和連續(xù)的破壞，使機器的效率和可靠性逐漸降低，從而喪失原有的工作性能，最終還可能導致零件的突然破壞。雖然從十七世紀就開始了對摩擦的研究，但
2、近三十年來已在某些機器或設備的使用中采用了考慮磨損壽命的設計方法，但是對于摩擦磨損的機理，至今尚未完全弄清。不過人們?yōu)榱丝刂颇Σ聊p，提高機器效率，減小能量損失，降低材料消耗保證機器工作的可靠性，已經(jīng)找到了一個有效的手段——潤滑?，F(xiàn)在把研究有關摩擦、磨損與潤滑的科學與技術統(tǒng)稱為摩擦學。本章將概述介紹機械設計中有關摩擦學的一些基本知識。第一節(jié)摩擦摩擦可分為兩類：一類發(fā)生在物質內(nèi)部，阻礙分子間相互運動的內(nèi)摩擦；另一類是相互接觸的兩個物體發(fā)生相對滑動或有相對滑動的趨勢時，在接觸表面上產(chǎn)生的阻礙相對運動的外摩擦。僅有相對滑動趨勢的摩擦叫做靜摩擦；相對滑動進行中的摩擦叫做動摩擦。根據(jù)位移形式中的
3、不同，動摩擦又分為滑動摩擦與滾動摩擦。由于滾動摩擦的機理與規(guī)律完全不同于滑動摩擦，這已在物理學中闡明，本節(jié)將只著重討論金屬表面間的滑動摩擦。根據(jù)摩擦面間存在的潤滑劑的情況，滑動摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦（邊界潤滑）、混合摩擦（混合潤滑）及流體摩擦（流體潤滑），第二三種統(tǒng)稱為非流體摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。在工程實際中并不存在真正的干摩擦，因為任何零件的表面不僅會因氧化而形成氧化膜，而且多少也會被潤滑油所濕潤或受到“油污”。在機械設計中，通常把人們無意加以潤滑而又不會出現(xiàn)明顯潤滑現(xiàn)象的摩擦當作“干”摩擦處理。(一)干摩擦固體之間的摩擦，雖然早就有人進
4、行系統(tǒng)的研究，并在十八世紀就提出了至今仍在沿用的，關于摩擦力的表達式：F=fFn式中F—摩擦力f—摩擦系數(shù)Fn—法向壓緊力但是，有關摩擦的機理，知道本世際的中葉才比較清楚的揭示出來，并逐漸形成先進被廣泛接受的分子機械理論。這種理論認為，兩個無潤滑物體之間的摩擦，主要是由兩種因素構成：一是摩擦面實際接觸區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的粘著；二是較硬表面上的微凸突體在較軟表面上所起的犁刨作用。任何機械物體的表面，都是帶有不同形狀（如球形錐形等）和尺寸的不平度和波紋度的粗糙面。兩個物體在正壓力作用下的接觸面積，根據(jù)現(xiàn)代的精密測定表明，并非兩個物體互相覆蓋的公稱接觸面積（或叫表觀接觸面積）Ao，而是由一些微凸體相互
5、接觸所形成的接觸斑點的微面積的總和，叫實際接觸面Ar。隨著載荷的增大，這些接觸斑點的數(shù)目也將增加。在這些接觸斑點上有相當高的局部壓力，即使在冬天的載荷下也會引起塑性變形。受表面間分子結合力（又叫范德華力或遠程表面力）的作用，這些接觸斑點就會牢固的粘結（或冷焊）在一起形成如圖4-1（圖中取單位厚度）所示的結點群。當兩物體相對滑動時，首先就要剪斷這些結點，這就構成摩擦力的分量Fa。一個硬的微凸體在一個較軟的表面上滑過而切出溝紋時，變產(chǎn)生了犁刨作用。這就意味著金屬表層要發(fā)生塑性變形（對韌性材料）或破裂（對脆性材料），因而就構成了摩擦力的機械分量Fm。因此摩擦力可近似取為F=Fa+Fm或近似取
6、f=fa+fm式中fafm分別為摩擦系數(shù)的粘著分量和機械分量。根據(jù)研究表明，對于經(jīng)過跑和的表面，在微凸體的彈性接觸時，摩擦力或摩擦系數(shù)的粘著分量要比機械分量大得多；在微凸體的塑性接觸時，機械分量的比例就增大了。根據(jù)以上的分析和實驗研究的結果，可以歸納出干摩擦時摩擦力與表觀接觸面積無關而與載荷成正比的結論。兩個相互接觸的物體在切向外力的作用下開始相對滑動之前，要發(fā)生一定的切向平移，叫預位移。這個量甚小，一般不超過幾微米。當預位移達到一個極限值時，兩物體相互作用的大小相等，方向相反的摩擦力F便發(fā)生一個突變，物體就進入相對滑移階段。對應于極限預位移時的摩擦力就是極限靜摩擦力；對應于穩(wěn)定滑移階
7、段的摩擦力就是動摩擦力?？梢姡瑒幽Σ亮π∮跇O限靜摩擦力。實驗證明，在預位移的前一大段摩擦力與預位移成正比；在接近與極限預位移時，二者間就明顯地轉變?yōu)榉蔷€性關系了。影響摩擦系數(shù)的因素很多，除了摩擦副的配偶材料性質而外，主要還有表面膜與鍍層，滑動速度，環(huán)境溫度及表面粗糙度等。摩擦副的配偶材料性質對摩擦系數(shù)的影響，主要取決于材料的互溶性。對于相同的相同的金屬或互溶性大的金屬所組成的摩擦副，易產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，故摩擦系數(shù)大。反之，則其值較小。摩擦副的配偶金
