第二章 摩擦及摩擦理论ppt课件.ppt

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1、第二章 摩擦及摩擦理论,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。,一、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：物体沿另一物体表面滑动时产生的摩擦。物体受到的滑动摩擦力的方向和它的运动方向相反。如活塞在汽缸中的往复运动滚动摩擦：物体在力矩作用下在另一物体上滚动时产生的摩擦。它比滑动摩擦要小得多，在一般情况下，滚动摩擦只有滑动摩擦阻力的1

2、/40到1/60。如：汽车轮胎在地面滚动,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，发生在流体内部分子之间。此时，不存在表面微凸体的直接接触和咬合。 混合摩擦：半干摩擦(同时存在干摩擦和边界摩擦)和半流体摩擦(同时存在流体摩擦和边界摩擦)的统称。,二、摩擦的基本特性1. 古典摩擦定律 (称为阿蒙顿-库仑定律): 定律一：摩擦力和载荷成正比，即 F= W 。第一定律基本是正确的。但不适用软(如橡胶)的材料，材料表面有一层预制或与环境反应形成

3、的薄膜，以及重载荷下实际接触面积接近名义接触面积等情况。 定律二：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或者表面非常光滑洁净的表面，因为它们的实际接触面积接近名义接触面积，摩擦系数随着名义接触面积而变化。如：汽车轮胎加宽，与路面的摩擦系数增大。,定律三：静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管粘弹性材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。 定律四：摩擦系数与滑动速度无关。严格的说第四定律不适用于任何材料，虽然对于金属材料基本符合，而对粘弹性显著的弹性材料，摩擦系数则明显与滑动速度有关。2. 修正摩擦定律： 古典摩擦定律长期作为工

4、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），其摩擦系数才与（名义）接触面积无关，粘弹性材料的摩擦系数与接触面积有关。 (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，摩擦系数与滑动速度有关。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/W k， k=2/31。,特别注意：在古典摩擦定律中，摩擦系数是一个常数。但是大量的试验指出

5、，很难确定某种摩擦副固定的摩擦系数，仅在一定的环境(湿度温度等)和工况(速度和载荷等)下，对于一定的材质的摩擦副来说，才有可能是一个常数。如在正常的大气环境下，硬质钢摩擦副表面的为0.6，但在真空下，其可达到2.0。*因此，通过摩擦试验测得试样的摩擦系数时，必须注明试验条件，否则所得的试验数据没有意义。,摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。摩擦现象涉及的因素很多, 因而人们提出了各种不同的摩擦理论来解释摩擦现象。1. 机械互锁(啮合)理论摩擦起源于表面粗糙度，摩擦是由表面粗糙不平的凸起间的相互啮合、碰撞以及弹塑性变形作用的结果。摩擦系数： =F/W=tan是摩擦系数，F是摩擦力

6、,W是载荷，是接触微凸体的倾斜角。 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。说明机械互锁作用并非产生摩擦力的唯一因素。,二、宏观摩擦理论,机械啮合模型,2. 分子吸引理论英国物理学家德萨谷利埃(J.T.Desaguliers)第一次提出了，产生摩擦力的真正原因不在于表面的凹凸高低，而在于两物体摩擦表面间分子引力场的相互作用所致，而且表面越光滑摩擦力越大，因为表面越光滑，摩擦面彼此越接近，表面分子作用力越大。苏联的捷里亚金利用分子理论导出了摩擦系数与接触面积成正比： F= (W+pAr) F-摩擦力，-摩擦系数，W-法向载荷，p-单位实际接

7、触面积上的分子力，Ar-真实接触面积。根据分子作用理论应得出这样的结论, 即表面越粗糙,实际接触面积越小, 因而摩擦系数应越小。显然, 这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。,如上所述, 经典的摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都很不完善, 它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面的。 直到20世纪40-50年代末期, 人们从机械-分子联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论。在英国和前苏联相继建立了两个学派，前者以粘着-犁沟理论为中心, 后者以摩擦二项式为特征。这些理论奠定了现代固体摩擦的理论基础。,3. 粘着-犁沟摩擦理论由鲍顿和泰伯(F.P.Bowden and D,Tabor

8、)在1950提出。(1)概念：当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，发生塑性变形，这些点将牢固的粘着，使两表面形成一体，称为粘着或冷焊。当一表面相对另一表面滑动时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接的力就是摩擦力。此外，如果一表面比另一表面硬一些，则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟，这种犁沟的阻力也是摩擦力。即摩擦力由粘着阻力和犁沟阻力两部分组成,承载表面的相对运动阻力(摩擦力)是由表面相互作用引起的。表面的相互作用有：(1)表面粘着作用在洁净金属表面，即微凸体顶端相接触的界面上不存在表面膜的情况下，金属与金属在高压下直接发生接触，发生塑性变形，这些点将牢固的粘着

9、，使两表面形成一体(粘着或冷焊)。如图中的C，D点。(2) 表面材料的迁移在上图中B点处虽没有粘着作用，但是当表面发生相对运动时，B点处阻碍运动的那部分表面材料可能发生如下情况才能继续作相对滑动。,1)微凸体E(或C)通过B时，微凸体B发生比较严重的塑性变形而粘着。若其粘着点粘着强度比软金属大，则滑移剪断发生在软金属层内，从而造成金属从下表面转移到上表面。2)微凸体B虽然发生塑性变形，但不严重，因而粘着并不牢固。微凸体E(或C)沿B“犁削”而过，即沿两物体的界面剪断，这时下表面微凸体B发生材料迁移变形(犁沟)，但不发生上述金属转移情况。3)微凸体B只发生弹性变形，微凸体E(或C)比较容易地滑过

10、B。,对金属间的摩擦而言，主要是粘着作用,其次是“犁沟”(变形)作用。而材料的弹性变形引起的能量消耗很小，因而对总摩擦阻力的影响很小，故可忽略不计，因此摩擦阻力可用下式表达：F=F剪+F犁F-摩擦力，F剪-摩擦力中的剪切阻力，F犁-摩擦力中的犁沟阻力,(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

11、滑动。这样滑动摩擦就是粘着结点的形成和剪切交替发生的过程。,摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。下图摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中，并假设粗糙峰的形状为半圆柱体。这样，接触面积由两部分组成：一为圆柱面，它是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。另一为端面，这是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材料。所以摩擦力F 的组成为：F = T + Pe = Ab + Spe (1)其中，T为剪切力，T=A b，A 为粘着面积即实际接触面积；b为粘着结点的剪切强度。Pe 为犁沟力, Pe = Spe；S 为犁沟面积; pe为单位面积的犁沟力。,粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型,实验

12、证明:剪切强度b 的数值与滑动速度和润滑状态有关, 并且十分接近摩擦副中软材料的剪切强度极限。这表明粘着结点的剪切通常发生在软材料内部, 造成磨损中的材料迁移现象。pe 的数值决定于软材料性质而与润滑状态无关。对于球体嵌入平面, 犁沟力与软材料屈服极限的平方根成反比, 即软材料越硬, 犁沟力越小。对于金属摩擦副, 通常Pe的数值远小于T 值。粘着理论认为粘着效应是产生摩擦力的主要原因。如果忽略犁沟效应，式(1)变为：此时，摩擦系数为,这就是纯金属干摩擦时简单粘着理论的表达式。从以上简单粘着理论公式得出的摩擦系数与实测结果并不相符合。例如大多数金属材料的剪切强度与屈服极限的关系为b = 0.2s

13、 , 于是计算的摩擦系数 =0.2。事实上，许多金属摩擦副在空气中的摩擦系数可达0.5，在真空中则更高。为此, Bowden 等人又提出了修正粘着理论。,(3)修正粘着理论：a.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。经修正得，实际接触面积为：式中，取=9W/s 表示法向载荷W在静摩擦状态下的接触面积, 而( F/s)2 反映切向力即摩擦力F引起的接触面积增加。因此修正粘

14、着理论推导的接触面积显著增加, 所以得到比简单粘着理论大得多的摩擦系数值, 也更接近于实际。,b.表面膜效应:简单粘着摩擦理论没有考虑表面膜对摩擦的影响。表面膜的存在对于粘着理论有很大影响。当粘结点之间有表面膜存在时，剪切首先将剪切强度最低的表面膜剪断，而不是在金属基体上。一般来说，表面膜的剪切强度f比金属剪切强度b小, 且f=cb, 系数c小于1。摩擦系数可表示为：,(2),摩擦系数：,摩擦系数与系数c的关系,右图绘出式(2)的关系。当c趋近于1 时，fb表面膜基本不存在，此时 趋近于 , 这说明纯净金属表面在真空中产生极高的摩擦系数。而当c不断减小时, 值迅速下降, 这表明软材料表面膜的减

15、摩作用。当c值很小时, 式(2)变为,如之前所述, 在空气中金属表面自然生成的氧化膜或其他污染膜使摩擦系数显著降低。有时为了降低摩擦系数, 常在硬金属表面上覆盖一层薄的软材料表面膜。这些现象可以应用修正粘着理论加以解释。,经过修正，粘着摩擦理论的主要论点是：a.真实接触面积取决于法向载荷与切向力(摩擦力)共同作用；b.当两个金属表面在大气环境条件下相接触时，被剪切强度极限为f的表面膜所隔开；摩擦力的粘着分量，就是指剪断分隔这些接点处的表面膜需要的力。,(4)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

16、损和檫伤磨损中，为主要分量。,如右图所示，假设硬金属表面的粗糙峰由许多半角为的圆锥体组成，在法向载荷作用下，硬峰嵌入软金属的深度为h，滑动摩擦时，只有圆锥体的前沿面与软金属接触。接触表面在水平面上的投影面积A =d2/8；在垂直面上的投影面积S=dh/2。,如果软金属的塑性屈服性能各向同性, 屈服极限为s，于是法向载荷W和犁沟力Pe 分别为,由犁沟效应产生的摩擦系数为,如果同时考虑粘着效应和犁沟效应, 单个粗糙峰滑动时的摩擦力包括剪切力和犁沟力, 即,则摩擦系数,对于大多数切削加工的表面，粗糙峰的角较大，式(3)右端第二项甚小，所以通常可以忽略犁沟效应，式(3) 变成公式：然而当粗糙峰的角较小

17、时, 犁沟项将为不可忽视的因素。,(3),*公式推导过程未考虑软材料在硬质微凸体前沿的堆积，同时假设材料是各向同性的，这与实际有差别，需要进行进一步修正。,三、滑动摩擦的影响因素研究摩擦系数的变化及其影响因素, 以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗, 是一项具有普遍意义的课题。摩擦系数是摩擦副系统的综合特性, 受到滑动过程中各种因素的影响，,如:摩擦副的材料性质、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质, 以及环境介质的化学作用等。这就使得摩擦系数随着工况条件的变化很大, 因而预先确定摩擦系数准确的数据和全面估计各种因素的影响是十分困难的

18、。,1.摩擦副材料的影响：a金属的整体机械性质：如剪切强度、屈服极限、硬度、弹性模量等，都直接影响摩擦力的粘着项和犁沟项。b金属的表面性质：表面往往不同于整体，而表面对摩擦的影响更为直接和明显。如表面切削加工引起的加工硬化；表层晶体应变而发生再结晶，使晶粒细化引起表层硬化。,c. 晶态材料的晶格排列：在不同晶体结构单晶的不同晶面上，由于原子密度不同，其粘着强度也不同。如面心立方晶系的Cu的(111)面，密排六方晶系的Co的(001)面，原子密度高，表面能低，不易粘着。不同的单晶摩擦副，摩擦系数变化很大。如表所示,*由表可见，不同材料或不同晶体结构的材料组成的摩擦副比相同材料或相同晶体结构的材料

19、组成的摩擦副摩擦系数低得多。,d.金属摩擦副之间的冶金互溶性：互不相溶金属组成的摩擦副的粘着摩擦和粘着磨损都比较低。e.合金元素的作用：实际上摩擦副的零件都是合金材料。由于合金成分可能产生某种偏聚，使表面上的粘着发生变化，以致影响摩擦的大小。如Cu-Sn合金中，Sn的偏聚使摩擦降低；而Fe-Al合金中，Al的偏聚使摩擦增高，但如在氧化条件下，由于Al容易生成氧化膜又能使摩擦降低。f.材料表面的化学活性：化学活性影响其表面氧化膜的生成速度。g.材料的熔点：通常低熔点材料易引起表层熔融而降低摩擦。h.金属的延展性：延展性较差的金属，在切向力作用下容易被剪断，而不是继续发生塑性流动，所以摩擦力也较小

20、。,2.载荷的影响：载荷是通过接触面积的大小和变形状态来影响摩擦力。通常认为摩擦力与法向载荷成正比，但是摩擦系数却不一定随法向载荷的增大而增大。一般地说，金属材料摩擦副在大气中干摩擦时，轻载下，摩擦系数随载荷的增大而增大，因为载荷增大将氧化膜挤破，导致金属直接接触。不少试验也证明，金属在滑动中，摩擦系数随着载荷的增大而减小，这是因为实际接触面积的增大不如载荷增大的快。*因此载荷的影响需要根据研究对象的实际工况来分析。,3.滑动速度的影响： 金属表面的相对滑动速度，不仅影响界面温度，并与两表面微凸体的相互接触时间有关。 当滑动速度较高，由于界面温升使材料表面发生软化或熔化。表面材料与环境的反应加

21、剧，使摩擦系数随速度的增大而增大。 当滑动速度很低(包括相对位移前的静态接触)时，表面微凸体接触时间长，有足够的时间产生塑性变形使粘结点增大，也有充分的时间在表面膜破裂以后形成牢固的粘结点，从而发生界面粘着。因此需要较大的剪切力剪断接点而产生宏观的相对运动。此时摩擦力(静摩擦)很大。滑动开始后，微凸体相接触的时间，随着滑动速度的提高而减少，粘结点面积增大不多，表面膜不易破裂。所以界面粘着较少，摩擦系数(动摩擦)比静摩擦小。可以认为随速度的增大，摩擦系数存在最佳值。,4.温度的影响：摩擦面上引起温升的因素有两个： a外界温度的升高； b摩擦过程中接触点处材料的变形和剪断产生大量的摩擦热。摩擦热对

22、摩擦性能的影响表现在两方面: a.发生润滑状态转化，如从油膜润滑转化为边界润滑甚至干摩擦; b.引起摩擦过程表面层组织的变化，即摩擦表面与周围介质的作用改变，如表面原子或分子间的扩散、吸附或解附、表层结构变化和相变等。温度对于摩擦系数的影响与表面层的变化密切相关。大多数实验结果表明:随着温度的升高，摩擦系数增加，而当表面温度很高使材料软化时，摩擦系数将降低。,5.表面膜的影响：金属表面上的原子通常处于不平衡状态，易与周围介质作用形成表面膜。而摩擦中的表面变形和温升促进表面膜的形成。有时为了降低摩擦，常常人为地在摩擦表面生成薄的表面膜。表面膜的减摩作用与润滑膜相似，它使摩擦副之间的原子结合力或离

23、子结合力被较弱的范德华力所代替，因而降低了表面分子力作用。另外表面膜的机械强度低于基体材料，滑动时剪切阻力较小。下表说明了表面膜的减摩作用，在干摩擦状态下效果十分显著。,表面膜厚度对摩擦系数有很大影响：右图是Bowden 得到的实验结果, 图中给出工具钢表面上铟膜厚度与摩擦系数的关系。当表面膜厚度为10-3 mm 时, 摩擦系数为极小值。如果表面膜太薄, 其作用不能充分发挥, 而厚度太大时, 又因表面层较软使实际接触面积增大, 摩擦系数相应增加。,6.表面粗糙度的影响：根据机械嵌合理论，表面越粗糙摩擦力越大；而根据分子粘着观点，表面间达到分子能作用的距离内，摩擦系数反而会增大。因此表面粗糙度有

24、一个最佳值(见下图)。而此最佳值一般是通过磨合，使磨损和摩擦达到一个低而稳定的值。,1.滚动摩擦定义：物体在力矩作用下沿着另外一个物体表面滚动时接触表面间的摩擦称为滚动摩擦。 特点：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。,四、滚动摩擦,2.滚动摩擦的起因：,设水平上一个滚子，受法向载荷W作用，半径为R，在其中心作用一水平力F，当F不大时，滚子仍保持静止。若滚子的受力情况如上图所示，则滚子不可能保持平衡，因为静摩擦力Fs与力F组成一对力偶，将使滚子发生滚动。,但是，当F不大时，滚子是可以平衡的。这是因为滚子和平面并不是刚体，它们在力的作用下都会发生变形，有一个接触面，如下图所示

25、。在接触面上，滚子受分布力的作用，这些力向点A简化，得到一个力FR，这个力可以分解为摩擦力FS和法向力FN，法向力FN和载荷W构成一对力偶(FN, W)，该力偶的转动方向为逆时针方向，与物体运动方向相反，阻碍物体的运动，称为滚阻力偶，它与力偶(F，FS)平衡。其矩Mf=xFN,与静滑动摩擦力相似，滚阻力偶矩Mf=xFN随着主动力矩MA=FR的改变而改变，当外力F增大，法向反力前移的距离x也增大。当力F增大到某个值时，滚子处于将滚未滚的临界平衡状态，这时，滚阻力偶矩达到最大值。当力F再增大一点，滚子就会滚动。,3、滚动摩擦系数,在滚子即将滚动时，根据力矩平衡：Mf=MA，即FR= kFN，可得k

26、=Mf /FN=FR/ FN其中k是比例常数，称为滚动摩擦系数。 因此滚动摩擦系数是产生滚动的驱动力矩Mf(滚动摩擦力矩，即滚动摩擦力和半径的乘积)与法向力FN的比值。k与滑动摩擦系数不同, 它是有量纲的量, 常用单位为mm。是具有长度的量纲，它相当于在滚子即将滚动时，法向约束力FN的作用线偏移滚子最低点的最大距离，即xmax。另外, 也可以用无量纲量即滚动阻力系数fr 来表征滚动摩擦的大小。它在数值上等于滚动摩擦力(驱动力)与法向载荷之比。,思考：滚动比滑动省力的原因,滑动时：F=N滚动时，F= (kN)/R= (k/R) N因为一般情况下 k/R，所以滚动比滑动省力。,3. 滚动摩擦形式：

27、(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。例如摩擦轮传动。(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。例如向心推力球轴承中球与滚道之间的滚动。,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。,Carter-Poritsky-Foppl滑移：滚动

28、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。

29、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，滚动表面相互紧压形成的粘着结点在滚动中将沿垂直接触面的方向分离，没有结点面积扩大现象, 所以粘着力很小，通常由粘着效应引起的阻力只占滚动摩擦阻力的很小部分。,五、边界摩擦1、定义：边界摩擦：摩擦界面上存在一层极薄的润滑膜时产生的摩擦，也称为边界润滑。物理、化学吸附或化学反应膜称为润滑膜，膜厚小于0.1m，起到润滑作用。摩擦性能取决于表面性质和边界膜的结构形式，而不取决于润滑剂的粘度。,2、特点,边界摩擦是一种极为普遍的状态，如普通滑动轴承，

30、气缸与活塞环，机床导轨，凸轮与从动杆，齿轮等接触处都可能是边界摩擦。相对于干摩擦来说，边界摩擦的特点是： (1)具有较低的摩擦系数，在0.03-0.10之间； (2)由于表面不直接接触，可以减少零件磨损， 延长使用寿命； (3)能大幅提高承载能力，扩大使用范围。,3、边界膜的分类：（1）物理吸附膜：分子的吸引力使极性分子定向排列而吸附到金属表面，吸附和脱吸完全可逆，加热时可使分子脱吸。 润滑油中的极性分子吸附在金属表面上形成物理吸附膜，可防止金属直接接触，降低粘着分量。如脂肪酸极性分子吸附在金属表面，形成的脂肪酸膜，可作为滑动导轨、轻载的蜗杆传动润滑。,（2）化学吸附膜： 润滑剂极性分子与金属

31、表面化学结合形成的吸附膜，吸附和脱吸不完全可逆，高温下脱吸。润滑油分子受化学键力的作用，而贴附到金属表面上，就形成了化学吸附膜。 硬脂酸十FeO-硬脂酸铁金属皂膜*化学吸附膜剪切强度低，熔点高，适用于中等温度、速度、载荷。,（3）化学反应膜： 化学反应形成的膜。较高的温度（150-200）下，润滑油中的硫、氯、磷与金属起化学反应，形成化合物，在油与金属界面处形成化学反应膜。 # 化学反应膜具有较低的剪切强度和更高熔点，稳定性好，适于高温、高速、重载的场合。,4.边界润滑剂的分子结构特点(1)边界润滑剂的典型成分：润滑油主要成分是碳氢化合物，大部分矿物润滑油都是非极性的和化学惰性的，边界润滑性质

32、不好。但是含有少量的脂肪酸(CnH2n+1COOH)，这样就可以大大地改善它的边界润滑性质。硬脂酸是润滑油中常含的一种脂肪酸，是一种长链型极性化合物，一端含有极性基团(-COOH)，能牢固地吸附在金属表面。离表面越近，吸附能力越强。,(2)边界润滑剂的分子结构特点在接近固体表面时，链状分 子是按一定方向排列的，它 垂直于表面，其中一端吸附 在表面。链状分子成束吸附在固体表 面，链之间具有内聚力，形 成一层侧向强度很强的单分 子膜，具有一定承载能力。被吸附的分子都具有一个极 性团，即分子中存在一端为正，另一端为负的偶极。,5、边界摩擦机理,当界面存在吸附膜时，吸附在金属表面上的极性分子形成定向排

33、列的分子栅。可以为单分子层或多分子层吸附膜。当摩擦副的接触表面相对运动时，表面的吸附膜如两个毛刷子相互滑动，吸附分子之间发生位移，代替了金属之间的直接接触，保护了金属表面，降低了摩擦系数，起到了润滑作用。,当边界膜是反应膜时，由于摩擦主要发生在这个熔点高、剪切强度低的反应膜内，有效地防止了金属表面直接接触，也能使摩擦系数降低。由于摩擦副表面粗糙不平，接触微凸体的压力很大，当两表面相互滑动时，接触点温度很高，部分边界膜破坏,使金属直接接触，如下图所示。这时，摩擦力为剪断表面粘着部分的剪切抗力与边界膜分子间的剪切阻力之和，用公式表示： F = Arb + (1-)f Ar承担载荷总的实际面积;总的

34、接触面积中发生金属直接接触部分的百分数;b软金属剪切强度;f 边界膜剪切强度。,在边界摩擦中，当边界膜的润滑作用良好时，a值比较小。摩擦力和摩撩系数可以近似地表示为： F = Ar f =F/W= (Ar f )/ (Ar s)= f / sf 边界膜剪切强度；s软体金属的屈服极限由此可知：当边界膜的润滑作用良好时，摩擦系数取决于边界膜内部的剪切强度。由于它比金属的剪切强度低得多，所以此时的摩擦系数比干摩擦时的低得多。当边界膜的润滑效果比较差时，a值比较大，即摩擦面上金属的粘结点比较多，因而摩擦系数升高。通常，此时的摩擦系数比边界膜润滑良好时大的3-4倍。,4、边界摩擦的影响因素边界膜本身的性

35、质：对于吸附膜，极性分子链长度、极性分子的吸附量、分子膜的层数等明显地影响吸附膜的润滑效果。分子链长度的影响：一般随极性分子链长(分子中碳原子的数目)的增加，摩擦系数下降，并趋于一稳定值。,极性分子的吸附量的影响： 对于各种不同的极性分子在物体表面的吸附量都有一个最大值，叫做饱和吸附量。 当达到饱和吸附量时，吸附量时，吸附膜的润滑性能好，摩擦系数保持稳定的低值，在未达到饱和吸附量时，虽然吸附膜有一定的润滑能力，但不稳定只能短期存在。,分子膜的层数的影响： 右图是不锈钢表面上沉积的硬脂酸膜的分子层数对摩擦系数的影响，可见薄膜的分子层数越多，其摩擦系数越低，边界润滑的有效时间也越长。,润滑剂的油性

36、：润滑剂在工作面上形成边界膜的能力称为油性。油性好，易于形成边界膜，摩擦阻力减小。例如：在烃油(轴的润滑油)中仅添加1%的油酸即可降低摩擦系数一半。以这种油性添加剂来提高润滑油的工作性能的方法已广泛应用于内燃机、汽轮机、机床等的润滑油中。极压添加剂：改善边界膜的另一速径是在润滑油中添加一定量的极压添加剂。极压添加剂能在高温条件下分解出活性元素，这些活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄层，可防止金属因干摩擦或边界摩擦条件下而引起的粘着现象。,(2)工作条件的影响：温度的影响：因为升高温度可以使吸附膜解吸，引起吸附膜解吸的温度，称为吸附膜的临界温度。临界温度以上吸附膜就失

37、去作用。对于反应膜而言，必须达到一定温度才能反应成膜，起到润滑作用。,温度对边界膜摩擦系数的影响如下图所示。曲线1为石蜡油，摩擦系数随温度升高而增加；曲线2为脂肪酸在临界温度以下，摩擦系数不随温度而变。超过临界温度，摩擦系数急剧上升；曲线3为含有极压添加剂的润滑油，化学反应前摩擦系数较高，达到反应温度后，摩擦系数保持稳定的低值；曲线4为极压添加剂和脂肪酸的混合物，在低温和高温区摩擦系数都能保持低值，即在低温和高温下都有较好的润滑性。,速度的影响：在稳定而平滑的摩擦情况下(速度约为10-32cms)摩擦系数不受速度的影响。吸附膜：在速度非常低的情况下，即在静摩擦向动摩擦过渡的速度范围内，吸附膜的

38、摩擦系数随速度的提高而下降，然后达到一个定值。反应膜：化学反应膜的摩擦系数随速度的提高而增大，然后达到稳定。,载荷的影响在一般载荷下，吸附膜的摩擦系数不受载荷的影响。在滑动摩擦时，若载荷尚未达到使吸附膜脱附的程度，则吸附膜的摩擦系数比反应膜的低。当载荷增大时，吸附膜破坏了，而具有极压性能的反应膜却能在载荷极高时与金属表面生成金属化合物薄膜，可阻止金属表面直接接触，而起到降低摩擦的作用。,5、边界膜的强度,在一定的工作条件下，边界膜抵抗破裂的能力称为边界膜的强度。可以用临界PV、临界温度和临界摩擦次数来表示。(1)临界PV值在正常的边界润滑中，当速度一定时，逐步增加载荷(或载荷一定时，遂步加大速

39、度)，当速度或载荷达到某一数值，此时摩擦副的温度突然升高，摩擦系数和磨损量急剧增大，这个PV值称为临界PV值。,(2)临界温度值当摩擦表面温度升高到使边界膜失向、软化或熔化，吸附膜发生脱附时，摩擦系数迅速增大，但还具有某些润滑作用，此时的温度称为第一临界温应。当温度升高到使润滑油(脂)发生聚合或分解，边界膜完全破裂时，摩擦副发生粘着，磨损剧增。此时的温度称为第二临界温度。(3)临界摩擦次数边界膜达到润滑失效时所重复的摩擦次数称为临界摩擦次数。也就是边界膜的耐久性。临界摩擦次数的多少，不仅取决于边界膜的性质，同时也与载荷、速度、强度等因素有关。一般情况下，吸附膜的极性分子链越长(即碳原子数越多)

40、，临界摩擦次数越多。,提高边界膜强度的方法：a. 合理选择摩擦副材料和润滑剂，提高表面光洁度。b在润滑剂中加入一定量的油性添加剂或极压添加剂。油性添加剂和极压添加剂的条件是：分子中应具有极性基团；形成的边界膜具有化学稳定性；生成的化学反应膜应当是高熔点、低剪切强度，但化学反应不能过强。,(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600 m/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。高速摩擦的表面温度可达到材料的

41、熔点, 有时在接触区产生很薄的熔化层。熔化金属液起着滑润剂的作用而形成液体润滑膜, 使摩擦系数随着速度的增加而降低。,六、特殊工况的摩擦,(2) 高温摩擦学在高温下工作时，摩擦副容易发生咬死和机械破坏现象。当温度超过500左右时，常用钢和其他一些合金材料的力学性能就可能失效。这时需要使用高熔点的材料，如硅、钨、硼、钒和类似元素的碳化物、硼化物和氧化物。它们的熔点很高(大约3000)，在1500或更高温度下仍能保持其强度。在高温条件下，润滑剂性能也会发生变化，普通润滑剂在100左右就会起化学作用，产生分解或碳化，所以应选用三硫化钼、碘化钛、氯化铬等耐高温固体润滑剂，它们能起到润滑作用。,(3)低

42、温摩擦学：摩擦副在低温(工作温度在0 以下)下工作时，产生的摩擦热对摩擦影响很小，但摩擦材料的低温冷脆性和组织结构对摩擦影响最大。例如：在低温工况下，采用面心立方晶格金属或密排六方晶格金属比较合适，体心立方晶格金属易产生低温脆性破坏，使用温度范围较窄，不适合低温工作。低温摩擦材料主要的有铝、镍、铅、铜、锌、钛等合金, 以及石墨、氟塑料等。在低温的情况下，液体润滑剂是否可用主要取决于其流动的最低温度，如矿物油为-57、硅酸脂-65、氟聚醚-94-154。,(4)真空摩擦学在宇航和真空环境工作的摩擦副。由于周围介质稀薄，摩擦表面的吸附和氧化膜发生破裂后，难以再生，造成金属直接接触，产生强烈的粘着磨损，真空度越高，摩擦系数越大。真空中无对流散热现象，摩擦热难以排出，表面温度升高。由于真空的蒸发作用，使液体润滑剂失效,因而固体润滑剂和自润滑材料得到有效的应用。为了在摩擦表面上生成稳定的保护膜, 真空摩擦副可以采用含二硫化物和二硒化物的自润滑材料以及锡、银、镉、金、铅等金属涂层。,