摩擦磨损原理1固体的表面特性
摩擦磨损实验报告
摩擦磨损实验报告一、引言摩擦磨损实验是工程领域中常见的一种实验方法，通过模拟材料或器件表面的微观接触，研究摩擦过程中的磨损特性和机理。
本实验报告旨在对摩擦磨损实验的目的、原理、实验装置和结果进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、目的本实验的目的是通过设计和进行摩擦磨损实验，探究不同材料在不同工况下的磨损特性及其机理，为工程设计和材料选择提供理论依据。
三、原理摩擦磨损实验的原理基于摩擦学和材料科学的知识。
在实验中，通过施加一定的载荷和运动速度，使两个试样或试样与摩擦片之间发生摩擦接触。
在摩擦接触过程中，表面微观起伏、化学反应和热效应等因素共同作用，导致材料表面的磨损和形貌变化。
摩擦磨损实验可分为干摩擦和润滑摩擦两种情况。
在干摩擦实验中，试样之间没有润滑剂的存在，摩擦过程可能引起大量的磨粒生成和表面热量积累，导致试样表面的磨损。
而润滑摩擦实验则通过添加润滑剂，减少试样间的摩擦热和磨损程度。
四、实验装置进行摩擦磨损实验需要一套实验装置，包括：1.摩擦磨损试验机：用于施加载荷和控制运动速度，一般具有高精度和可控性能。
2.试样和摩擦片：选择不同材料的试样和摩擦片，根据实验需求确定形状、尺寸和表面处理方式。
3.测量仪器：包括摩擦力传感器、位移传感器、温度传感器等，用于实时监测试样的摩擦力、位移和温度等参数。
4.润滑剂：用于润滑摩擦接触表面，减少磨损程度和摩擦热。
五、实验过程本次实验的具体过程如下：1.准备试样和摩擦片：根据实验要求选择不同材料的试样和摩擦片，进行尺寸加工和表面处理。
2.调节实验参数：根据实验设计，设置载荷大小、运动速度和实验时间等参数。
3.安装试样和摩擦片：将试样和摩擦片固定在实验装置上，确保摩擦接触表面平整、清洁。
4.启动实验：运行实验装置，开始施加载荷和控制运动速度，记录实验过程中的数据和现象。
5.停止实验：根据实验时间或实验目标要求，停止实验运行，取下试样和摩擦片进行观察和分析。
6.数据处理：根据实验结果，进行数据处理和曲线拟合，得到摩擦力、位移和温度等参数的变化趋势。
摩擦原理课件固体摩擦详细
摩擦材料：包括金属、塑 料、橡胶等不同材质的摩 擦材料
测量仪器：包括力传感器、 位移传感器等用于测量摩 擦力的仪器
控制设备：包括计算机、 控制器等用于控制实验过 程的设备
辅助材料：包括润滑油、 清洁剂等用于维护实验设 备的材料
实验方法与步骤
准备实验材 料：固体材 料、摩擦力实 验条件、实
04
固体摩擦的应用
机械工程中的摩擦应用
机械传动：利用摩擦力实现动 力传递和速度控制
制动系统：利用摩擦力实现车 辆的减速和停车
密封系统：利用摩擦力实现密 封效果防止泄漏
润滑系统：利用摩擦力实现润 滑效果减少磨损和能耗
交通工具中的摩擦应用
轮胎与地面的 摩擦：提供车 辆行驶的驱动
力
刹车系统中的 摩擦：通过摩 擦力使车辆减
验步骤等
进行实验操 作：按照实 验方案进行 实验操作记 录实验数据
分析实验结 果：对实验 数据进行分 析得出结论
撰写实验报 告：详细记 录实验过程、 实验结果、 实验结论等
实验总结： 总结实验经 验提出改进 建议为后续 研究提供参
考
实验结果与分析
实验目的：验证固体摩擦原理 实验方法：采用摩擦力测量仪进行测量 实验结果：摩擦力与接触压力、滑动速度、接触面积等因素有关 分析：摩擦力与接触压力成正比与滑动速度成反比与接触面积成正比 结论：固体摩擦原理在实验中得到验证为工程应用提供了理论依据
松开
橡皮擦：橡皮擦与纸张 的摩擦力使笔迹擦除
汽车轮胎：轮胎与地面 的摩擦力提供汽车前进
的动力
门锁：锁舌与锁孔的摩 擦力使门锁紧
笔尖：笔尖与纸张的摩 擦力使笔迹清晰
拉链：拉链与衣物的摩 擦力使拉链拉合
自行车链条：链条与齿 轮的摩擦力使自行车前
摩擦和磨损的联系
摩擦和磨损的联系一、摩擦和磨损的基本概念及关系摩擦力是指两个接触物体相对运动时出现的阻力，而磨损是指固体表面在相对运动或接触过程中，由于摩擦力所引起的物质的消耗和形貌的变化。
摩擦和磨损密切相关，两者之间存在着紧密的联系。
本文将对摩擦和磨损的关系进行全面深入的探讨。
二、摩擦对磨损的影响1. 摩擦对磨损程度的影响摩擦力的大小直接决定了磨损的程度。
当两个物体之间的摩擦力增大时，磨损程度也会相应增加。
摩擦力的大小与物体间的相互作用力、表面粗糙度以及润滑情况等因素密切相关。
2. 摩擦对磨损方式的影响摩擦力的作用下，可以产生不同的磨损方式。
当两个物体间的摩擦力较小时，可能会出现微小的磨粒，造成表面磨损；当摩擦力增大时，可能会出现表面剥蚀、刮伤等更为明显的磨损方式。
3. 摩擦对磨损速率的影响摩擦力的大小还会直接影响磨损速率。
摩擦力越大，物体表面的材料消耗速度越快，磨损速率也会相应增加。
因此，在工程设计中需要合理控制摩擦力的大小，以减缓磨损速率，延长材料的使用寿命。
三、磨损对摩擦的影响1. 磨损对摩擦力的影响磨损会造成物体表面的不平整，增加了摩擦力的大小。
磨损表面的粗糙度会显著影响摩擦力的大小。
当物体表面经过长时间的磨损后，摩擦力可能会大幅增加，从而对摩擦产生重大影响。
2. 磨损对摩擦过程的影响磨损会改变物体表面的形貌和材料特性，从而对摩擦过程产生影响。
磨损会使物体表面变得粗糙，增加了接触面积，改变了摩擦系数。
此外，磨损还会引起表面的氧化、硬质颗粒剥离等现象，进一步改变了摩擦过程的特性。
3. 磨损对摩擦耐磨性能的影响磨损会降低物体的摩擦耐磨性能。
物体经过长时间的磨损后，表面会变得疲劳、龟裂、掉屑等，从而降低了摩擦耐磨性能。
因此，在工程设计中需要充分考虑材料的磨损特性，选择具有较高耐磨性的材料，以提高摩擦耐磨性能。
四、如何减少摩擦和磨损1. 合理润滑润滑是减少摩擦和磨损的重要手段之一。
润滑可以在物体表面形成一层保护膜，减少摩擦力的大小，降低磨损程度。
摩擦学原理-固体摩擦、磨损理论
§20-3 磨损的基本形式
磨料磨损影响因素
§20-3 磨损的基本形式
(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。
糙度越小, 摩擦系数越低。 问题
F fW Wtg
(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
§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
机械的、组织结构的、物理的、化学的变化
3、表面层的破坏 擦伤
点蚀
剥落
微观
胶合
点蚀、剥落
§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。
摩擦磨损计算原理
摩擦磨损计算原理
摩擦磨损计算是一种通过定量分析摩擦副接触表面磨损的方法。
摩擦磨损是由于摩擦接触表面间相对运动而造成的材料的损失，它在机械工程、材料科学和工程以及润滑和润滑剂研究中具有重要意义。
摩擦磨损计算的原理基于摩擦副接触表面的力学相互作用和材料学知识。
它主要包括以下几个方面的计算：
1. 接触面积计算：根据摩擦副的几何形状和运动状态，可以计算出接触面积。
接触面积是摩擦磨损计算的重要参数之一，它决定了摩擦副的受力分布和材料的磨损程度。
2. 受力分析：摩擦副的受力分析是计算摩擦磨损的关键步骤。
通过应用受力分析和力学平衡原理，可以确定摩擦接触表面上的接触压力、正常力、剪应力等参数。
这些参数对磨损的影响很大，可以用来评估材料的耐磨性能。
3. 磨损机理分析：磨损机理分析是了解摩擦磨损原因和方式的重要手段。
根据摩擦副的材料特性和工作条件，可以确定磨损机理。
常见的磨损机理有磨粒磨损、表面疲劳磨损和润滑失效等。
不同的磨损机制需要采取不同的计算方法。
4. 磨损量计算：通过将接触面积、受力分析和磨损机理结合起来，可以计算得出摩擦副接触表面的磨损量。
磨损量可以用摩擦系数、摩擦功率和磨损体积等物理量来表示。
总之，摩擦磨损计算基于力学和材料学原理，通过分析接触面积、受力分布和磨损机理，计算出摩擦副接触表面的磨损量，为优化设计提供指导。
对于工程设计和润滑管理有重要的参考价值。
摩擦磨损基本原理
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，在磨粒磨损 和檫伤磨损中，为主要分量。
硬金属表面的粗糙峰由许多半角为θ 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 =πd2/8； 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σs，于是 法向载荷W和犁沟力Pe 分别为
定律三：摩擦系数与滑动速度无关。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。
特别注意：在古典摩擦定律中，摩擦系数µ是一个常数。 大量的试验指出，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，µ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µ为0.6，但在真 空下，其µ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。
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. 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。
对金属间的摩擦而言，主要是粘着作用，其次是“犁沟”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
第一章 固体的表面特性 摩擦与润滑技术
§1-1 表面形貌
• 在给定的场合下，除了表面的物理、化 学、机械特性、金相组织和润滑状态等 对摩擦与磨损有重大影响以外，另有一 个极其重要的方面就是表面形貌。特别 是表面粗糙度，它对两表面的接触力学 性能和摩擦磨损过程与机理的影响极大。 因此，首先研究表面形貌构成和特性。
一、表面形貌
• 固体表面，即使光滑的工程表面，在显微镜下 观察时，也都好似大地上布满了峡谷、高岗和 山岳。这就是说，从微观角度看，任何固体表 面都具有不规则的几何形状。我们通常所说的 固体表面几何形状包括有：微观粗糙度、宏观 粗糙度即波纹度和宏观几何形状偏差。而摩擦 学中关注的主要是粗糙度和波纹度，也就是摩 擦学中称谓的表面形貌。有时又称表面织构。 如图1-1所示。图1-1（b）中的T和S以及H和h 分别表示宏观和微观粗糙度的波距和波高。
三、表面晶体缺陷及其分布对表面性 能的影响
• 1．点缺陷及其畸变的影响 • 图1-18所示分别表示空位、置换型杂质原子和
间隙式杂质原子等点缺陷晶格畸变的示意图。 无论是间隙原子或置换原子，它们尺寸的大小 对晶体性质和晶格排布（点阵周期）规律都有 很大影响。例如，若杂质原子比较大，则使晶 格产生挤压应力而变形；若杂质原子比较小 （尤其是空位），则产生收缩应力而变形。这 种畸变在各个方向上波及的范围约达5-10个点 阵周期的距离，如果沿三个互相垂直的方向各 取10个周期，则发生畸变的范围包含1000个 晶胞，由此可见，点缺陷及其畸变对晶体结构 和性质的影响是相当大的。
• 这些电子绕着两个原子核运动，将两上原子结合起来 形成共价健分子；金属键则所有的原子都失去其价电 子变为离子，在晶体中规则地排列起来，所有游离的 自由电子则穿梭于各离子之间作离速运动，形成所谓 “电子云”。电子云与各离子之间强烈的静电引力使 金属坚强地结合起来，而离子间及电子与电子间的斥 力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的状态。金 属中的电传导和热传导就是由上述价电子贯穿金属的 自由运动造成的。金属在应力作用下表现出塑性，是 由于在某一局部地区，一群正离子在破坏了它们的键 合后滑移到一个新的位置上又可重新键合起来。而在 离子晶体中则不可能出现象金属那样的导电性能。各 离子的运动只能导致微弱的离子导电。在承受应力作 用时，离子晶体多倾向于沿某原子面解理（破裂）， 而不象金属那样发生塑性变形。而共价键晶体亦具有 低的导电性能，但硬度高。
固体表面与接触特性综述
固体表面与接触特性摘要：简要介绍了固体表面的几何特性包括表面波纹度、表面粗糙度和支撑面积曲线，固体表面的物理物理与化学特性，接触表面间的相互作用与接触面积，接触力学和接触变形。
关键词：固体表面，几何特性，物理特性，化学特性，接触特性1 固体表面特性摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。
[1]固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。
前者着重研究表面的形状，后者着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。
1.1 固体表面几何特性1.1.1表面波纹度表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差，波纹度有两个重要参数即波高h和波距s 。
波高h表示波峰与波谷之间的距离，波距s表示相邻两波形对应点的距离。
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中会引起零件磨损加剧。
[1]表面波纹度通常是由于机加工时不均匀的进刀、不均匀的切削刀或机床的振动引起的。
[2]1.1.2 表面粗糙度表面粗糙度不像表面波纹度那样具有明显的周期性，其波距和波高均较小，常用下列指标对表面粗糙度进行评定：（1）轮廓算数平均偏差Ra（2）均方根偏差Rq（3）微观不平十点高度Rz（4）轮廓最大高度Rmax[3]不同形状和轮廓的表面用上述不同方法测得的粗糙度值也不同．但在一定程度上，它们之间可以相互换算。
以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等待性。
因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承面积等来加以描述[4]。
1.1.3 支撑面积曲线支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小[5]。
支撑面积曲线主要用于计算实际接触面积。
在标准长度1的轮廓线上，做与中线平行的一系列直线，将各条平行线截取的轮廓图形中微凸体的长度相加，分别画在轮廓图的右边。
摩擦磨损基本原理
摩擦磨损基本原理摩擦磨损是指两个接触的物体之间由于相对运动而产生的表面损伤现象。
摩擦磨损是一种普遍存在的现象，对于润滑技术、材料科学、机械工程等领域具有重要意义。
摩擦磨损的基本原理涉及到力学、热学、接触力学、表面科学等多个学科的知识。
摩擦磨损的基本过程可以概括为接触、破坏和脱落三个阶段。
在接触过程中，两个物体表面因为施加的外力而发生相互接触。
接触区域的应力和应变随着施加的力的增大而增加，而且还受到表面形貌、材料硬度等参数的影响。
随着外力增大，接触区域的变形加大，产生摩擦力，使得物体相对运动。
摩擦力对磨损的贡献主要通过两个方面：一是由于摩擦力的作用，使得接触区域的局部温度升高，导致材料处于高温和高应力状态，从而容易发生热疲劳、塑性变形和相变等现象。
这些过程都会导致表面产生裂纹、变形和疲劳剥落等磨损现象。
二是由于摩擦力的作用，使得接触区域的材料发生塑性流动和磨粒切削现象。
这些过程会导致材料的变形和脱落，从而造成表面的磨损。
在摩擦磨损的研究中，磨损机理的理论模型被广泛运用。
其中，最基本的模型是Archard模型，该模型认为磨损量与应力、相对滑动距离和材料的硬度等参数有关。
这个模型的关键假设是磨损过程中的材料脱落量与实际接触面积成正比。
基于此模型，许多研究进一步提出了考虑表面形貌、摩擦力、温度效应和润滑剂的改进模型。
另外，摩擦磨损也与材料的物理化学性质密切相关。
例如，摩擦磨损中的表面氧化和化学反应会使材料表面的性质发生变化，从而影响磨损机理。
一些研究表明，表面的硬度和化学反应等特性会影响摩擦磨损的发展。
此外，润滑剂也是影响摩擦磨损过程的重要因素。
润滑剂通过减少表面间的摩擦力和热量生成，降低了材料表面的磨损。
摩擦磨损的研究和控制对于提高机械零部件的寿命和可靠性具有重要意义。
通过优化材料硬度、润滑剂的选择和设计更好的表面形貌等手段，可以减少摩擦磨损的发生。
此外，对于特定工况下的摩擦磨损问题，还可以采用更先进的摩擦材料、表面处理技术和涂层技术等措施来提高材料的耐磨性能。
第五章磨损原理
KWH /Nvt
式中，w—磨损量；H—材料硬度； v—速度；t —时间；N —正压力。
磨损系数表示磨损量与工况之间的关系，当载荷与速度为已知，并可 求出一定工况下的磨损系数时，就可估算磨损量，以预测摩擦学系统的寿 命。也可根据磨损系数来确定磨损类型，因为不同的磨损类型具有不同的 磨损系数。
第五章磨损原理
5) 咬死 Leabharlann 于粘着点的面积较大，其剪切强度也相当高，致使摩擦表
面因局部熔焊而停止相对运动。
第五章磨损原理
基本类型
第五章磨损原理
二、磨损机理
粘着磨损是在固/固界面上产生严重滑动摩擦的结果。
粘着磨损的基本物理过程是：粘着－剪切－再粘着－再剪切的循环过 程，或是粘着点的生成－消失－再生成－再消失过程。
第五章磨损原理
衡量磨损特性的主要参数是磨损率，通常可采用以下三种磨损率：
1、线性磨损率：
Rl l/L
2、体积磨损率： 3、重量磨损率：
Rv V/(LnA)
R w w /L (n)A R V
式中，l －磨损厚度； V －磨损体积； w －磨损重量；L －滑动距离；
－被磨损的材料的密度。
第五章磨损原理
实际的磨损现象大都是多种类型磨损同时存在；或磨损状态随工 况条件的变化而转化。
第五章磨损原理
第二节 粘着磨损
一、定义及其过程
1、定义：
(1) 在摩擦副中，相对运动的摩擦表面之间，由于粘着现象产生材料转移
而引起的磨损，称为粘着磨损。 这类磨损一般发生在相互滑动(或转动)的干摩擦表面上，即在表面上的
某些微突体产生固相焊合，严重时还会出现摩擦副完全“咬死”的现象。 如：在润滑状况恶化的条件下，柴油机烧轴瓦就是这种磨损的典型例子。
第2章 固体表面的特征
• 固体的表面特性 • 表层的结构 • 金属材料的内部结构特征 • 固体的表面几何形貌 • 原子力显微镜
2.1、 固体的表面特性
固体表面是指固体气或固液体界面，具有很复 杂的结构和特性。影响实际接触面积、摩擦、 磨损和润滑性能，也影响光学、导电、传热、 着色和外观。 三个基本特征：
(3) 表面粗糙度的评定参数
(3.1)表面粗糙度标准有:
《产品几何技术规范 表面结构 轮廓法 表面结构的术 语、定义及参数》（GB/T 3505-2000）
《表面粗糙度 参数及其数值》（GB/T1031-1995） 《机械制图 表面粗糙度符号、代号及其注法》（GB/T 131-1993）
表面粗糙度的评定参数
宏观几何形状 λ>10mm
几何形状误差
表面波度 1mm< λ<10mm
表面粗糙度 λ<1mm
(2)表面粗糙度对互换性的影响
表面粗糙度直接影响产品的质量，对零件表面许多功 能都有影响。其主要表现 ：
1. 配合性质 2. 耐磨性 3. 耐腐蚀性 4. 抗疲劳强度 为保证零件的使用性能和互换性，在零件几何精度设 计时必须提出合理的表面粗糙度要求。
1）轮廓算术平均偏差Ra 轮廓算术平均偏差是指在一个取样长度内,轮廓偏距
z(x)绝对值的算术平均值。
参数
Ra
幅值参数 - Ra
参数
Ra Ra Ra
Ra
幅值参数 – Ra的限制
表面粗糙度的评定参数
2）均方根粗糙度Rq(rms) 均方根粗糙度为测量区域高度的各点偏离
该区域平均高度位置的均方根值。
Rq 1 L z2dx
驱动箱 60/120/200mm行程(X)
机械工程中的摩擦和磨损分析
机械工程中的摩擦和磨损分析摩擦和磨损是机械工程中一个非常重要的问题，在各个领域都有广泛的应用。
机械部件的摩擦和磨损不仅会减少机械系统的寿命，还可能导致不必要的故障和损失。
因此，对于摩擦和磨损行为的分析和理解对于设计和维护高性能的机械系统非常关键。
首先，我们来讨论一下摩擦的基本原理。
摩擦是指两个物体在接触面上相对运动时产生的阻力。
摩擦力的大小与接触面的性质、润滑状况以及施加在物体上的压力有关。
光滑的表面和适当的润滑可以减少摩擦力，从而降低能量损失和机械磨损。
摩擦力的大小也与物体间的形状和表面粗糙度有关。
在机械系统中，摩擦的控制和管理是非常重要的。
一方面，适当的摩擦力可以确保机械部件的稳定性和可靠性。
另一方面，过高的摩擦力会导致能量损耗和磨损加剧。
因此，我们需要对摩擦力进行合理的控制。
然而，机械部件在运行过程中难免会出现磨损现象。
磨损是由于相对运动的机械部件表面之间的接触而引起的，通常也与摩擦有关。
磨损会导致机械部件尺寸减小、表面质量下降、性能下降甚至故障。
因此，磨损的分析和评估对于确保机械系统的正常运行非常重要。
了解磨损的机理是进行磨损分析的基础。
磨损通常可以分为三种基本类型：磨粒磨损、痕迹磨损和表面磨损。
磨粒磨损是由于夹杂物或异物在接触面间形成摩擦而划伤表面的现象。
痕迹磨损是由于固体颗粒在摩擦过程中刮伤表面所引起的。
表面磨损则是由于两个表面直接接触导致的落料、刮擦或剪切。
我们有多种分析方法来研究摩擦和磨损现象。
其中一种常用的方法是摩擦试验。
摩擦试验可以模拟实际工况，通过测试材料间的摩擦性能来评估磨损行为。
摩擦试验可以提供有关摩擦系数、摩擦副间的复杂相互作用以及摩擦表面特征的信息。
此外，表征和评估磨损的技术也在不断发展。
例如，扫描电镜技术可以用于观察和分析磨损表面的形貌和结构。
红外热成像和声发射技术可以用于实时监测和检测机械系统中的磨损。
这些新技术为磨损分析提供了更加全面、准确的数据。
通过对摩擦和磨损行为的认识和分析，我们可以采取有效的措施来减少磨损和延长机械部件的使用寿命。
第一章 固体表面讲解
WAB A B AB
表面污染影响很大。如铁若在水银中断裂，裂 开面可以再粘合起来，而在空气中就不行。
1.5.5 吸附对材料力学性能的影响—莱宾杰尔效应
由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性 等力学性能会下降。
原因
1. 不可逆物理过程效应 如：腐蚀不改变力学性能，通
5 一般表面
由于表面原子的能量处于非平衡状态，一般 会在固体表面吸附一层外来原子。
除Au以外，金属经机械加工后，在常温常压下会 发生氧化。因此，在固体表面会吸附一层外来原 子。氧化皮
大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对 表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提 高覆层与基材的结合强度。
1.3、表面晶体结构
在表面科学中，任何一个二维周期结构的重复性 都可用一个二维布拉菲晶格(点阵)加上结点(阵点) 来描述。
实际表面结构并不是完整无缺的，存在着很多缺 陷。
典型的TLK模型分析：
考塞尔(Kossel)－斯特朗斯基(Stranski)表面晶 体结构物理模型 平台(Terrace)---台阶(Ledge)—扭折(Kink)模型
•气相外延，如化学气相沉积技术； •液相外延，如电化学等。
④化学键结合界面
覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定 的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界 面。如Ti合金表面气相沉积形成TiN和TiC薄膜。
特点
•结合强度较高，但界面的韧性较差， 易发生脆性断裂或剥落。
典型工艺
•物理和化学气相沉积、离子注入、 化学转化膜等技术
过减小尺寸使性能下降
2. 可逆物理和化学过程效应 使表面自由能下降，力学性能发 生变化－－莱宾杰尔效应
摩擦学ppt
对于尺寸在毫米以下甚至毫微米级范围的微 型机械，如可清除血管内壁沉积物的微型机器人 等，此时表面效应非常明显，摩擦则是重要的因 素之一。 在通讯卫星中，天线需要精确的定位机构和 展开机构，要求轴承扭矩在7—10年内不变，经过 107 次循环使用后精度不变，此时必须研制新型 润滑剂以减少微观尺度的摩擦力和磨损的变化。
纳米摩擦学研究方法
（1）现代表面分析方法 纳米摩擦学的实验广泛应用表面力仪 (SFA)和扫描探针技术．包括扫描隧道显微 镜 (STM)，原子力显微镜(AFM)和激光检 测摩擦力显微镜(FFM)。它们用于测量原 子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行 为．在微磨损、微划痕、纳米磨损与超精 加工以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨 大的作用。
2．表面形态与混合润滑理论
摩擦学现象发生在极薄的表面层， 因此对于摩擦表面形态的形成、变化 和作用的分析，将深化摩擦学机理研 究，并就改善使用性能寻求合理的表 面形态和工艺方法提供依据。研究内 容包括：表面形貌的表征及其摩擦学 效应，表面物理化学状态在摩擦、磨 损过程中的行为与变化等。
分析表明，工程中大多数摩擦表面是 处于混合润滑状态，即部分润滑膜与表面 粗糙峰点相接触同时存在。磨损的发生是 混合润滑状态的特性。 目前有关混合润滑的设计尚停留在半 经验阶段，因此建立工程适用的混合润滑 设计理论是当前急迫的任务。这一领域的 研究集中在：部分膜润滑和微观弹流润滑 理论，各类润滑膜的失效准则和润滑状态 转化过程，粗糙表面的接触分析与载荷分 配，混合润滑的模型化和定量化研究等。
3．磨损形成机理及其控制
研究目的在于了解磨损形成过程、变化及其影响因 素，从而寻求提高耐磨性和控制磨损的措施。工程中的 磨损现象多种多样，根据形成机理可归纳为：磨粒磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、化学腐蚀磨损等基本类型。实际 机械中的磨损大多是几种磨损类型同时发生，因此磨损 研究必须强调针对性，即密切结合各种典型零件的具体 工况条件进行分析研究，在累积数据的基础上，建立磨 损机理以及抗磨损设计方法与对策． 实际零件的磨损经历着复杂的过程，涉及因素很多， 包括工况参数、材料与表面形态、润滑与环境介质的作 用等的影响。因此，磨损研究还应强调运用多学科的综 合研究和系统工程分析的方法。
固体表面
目录
概述 固体表面的几何性质 固体表面的原子排列和结构缺陷 表面张力和表面能 固体表面的接触 摩擦状态下的表面
概述
• 工程材料中，大部分材料属于晶体，如金属、陶瓷和许多 高分子材料。一般的将固相和气相之间的分界面称为表面， 把固相之间的分界面称为界面。
• 表面的定义：在物理学中，把两种物质的界面称为表面 （在弹性力学中，表面应该满足以下边界条件：其上各点 的法向应力σn和切向应力τn均为零）。
两表面间的接触
e.圆柱对平面的接触：将R2＝∞，R1＝R 代入圆柱 对圆柱接触公式
1
则有：
0
0.564
NE LR1
2
两表面间的接触
赫兹接触的变形和接触面积
表面下的变形区赫兹压力分布曲线表明，最大压应力在接
触区的中心。最大剪切应力在距压力中心处深度约0.5a的 表层下，τmax≈0.3σ0。最大拉应力作用在接触面边界处， σ≈0.133σ0。
两表面间的接触
二、赫兹（Hertz）接触 • 经过精细加工的表面，常假
定其微凸体为半球状、柱状、 锥状等。对于工程上单个微凸 体而言，也并非几何学中的球、 柱、锥形。 • 赫兹接触是在弹性接触范围 内分析理想光滑的球（柱、锥） 在无润滑条件下的接触。而实 际上也并非全是弹性变 形，在 接触点处有塑性变形。
• 当承受载荷发生滑动时，原子密度 高（原子数多）表面能低的面上， 容易发生滑移。立方晶系中几个可 能滑移的晶面：（100）面、 （110）面和（111）面。面心立 方的（111）面和体心立方的 （110）面，以及密排六方的 （001）面都是原子密度高的晶面， 沿这类晶面滑移的阻力最小。
图1.8 表面结构缺陷模型
• 接触表面的面积可分为：
表面磨损表面磨损如何影响材料的摩擦特性
表面磨损表面磨损如何影响材料的摩擦特性表面磨损对材料摩擦特性的影响摩擦学旨在研究固体直接接触面之间的相互作用及其对物体运动和能量转换的影响。
而材料表面磨损是影响摩擦学的主要因素之一。
在此文中，我们将讨论表面磨损及其对材料摩擦特性的影响，探索这一现象背后的原因与机制。
1. 表面磨损的原因表面磨损是指材料表面在与其他材料直接接触过程中，由于外力作用下接触面之间的相互摩擦而先后逐渐失去材料表面一定制造精度的过程。
表面磨损的原因有以下几种：1.1 机械磨损机械磨损是指材料表面在接触的瞬间受到较大压力的冲击而产生的变形和疲劳，逐渐会出现裂纹并失去材料表面的一定制造精度的过程。
1.2 粒子磨损粒子磨损是指材料表面与空气中的固体颗粒或者与其他固体材料摩擦接触时，受到颗粒强烈物理作用或者化学反应作用，逐渐失去材料表面的一定制造精度的过程。
1.3 化学磨损化学磨损是指材料表面与其他物质反应的结果，会因化学作用而失去材料表面的制造精度，主要包括材料表面的氧化、腐蚀、脱合、酸碱腐蚀等现象。
2. 表面磨损对摩擦系数的影响表面磨损与摩擦系数的变化相互关联，最终会影响材料的摩擦特性，具体影响如下：2.1 摩擦系数的增加当材料表面磨损后，摩擦系数会随着磨损程度的增加而增加。
这是因为磨损过程中材料表面的几何形状发生了变化，表面的粗糙度增加，表面实际接触面积减小，接触应力增加等因素导致表面摩擦系数的增加。
2.2 摩擦系数的减少表面磨损程度逐渐加剧，表面的材料质量会逐渐降低，材料的表面化学变化也会发生变化，导致材料摩擦系数的降低。
当表面磨损程度逐渐加剧时，表面磨损降低了接触面积的粗糙度，减小表面的接触应力，降低表面的摩擦系数等原因会导致摩擦系数降低的现象出现。
3. 如何降低表面磨损对摩擦特性的影响表面磨损降低了材料的摩擦特性和材料表面制造的精度，为了降低表面磨损对摩擦特性的影响，可以采取以下措施：3.1 修改表面材质通过对表面材料的改变，可以降低表面磨损的程度及速度，从而减少表面磨损对摩擦系数的影响。
摩擦力为什么物体在表面上会产生摩擦
摩擦力为什么物体在表面上会产生摩擦摩擦力是我们在日常生活中经常遇到的一种力量。
当我们将物体放置在一个平坦的表面上，并试图推动它时，我们会感觉到一种阻力。
这种阻力就是摩擦力。
那么，为什么物体在表面上会产生摩擦呢？本文将从物质微观结构和相互作用的角度来探讨摩擦力的产生原因。
1.物质微观结构和摩擦力物体表面都由原子或者分子组成，而原子和分子之间存在着相互作用力。
在没有外力作用下，原子或分子之间的相互作用力可以达到平衡。
然而，当一个物体被放置在另一个物体的表面上时，它们之间的原子或分子会发生相互作用，这就是物体之间摩擦力产生的基础。
2.表面粗糙度和摩擦力在接触的两个物体表面上，往往存在一些微小的凹凸。
当两个物体接触时，这些凹凸会相互咬合，使得物体之间的接触面积相对减小。
这样一来，单位面积上就会承受较大的压强，原子之间的相互作用力也会增加，从而产生摩擦力。
另外，通过不同力学实验的研究还发现，表面粗糙度对摩擦力也有很大影响。
如果表面足够光滑，原子或分子之间的接触点较少，物体之间的摩擦力比较小；相反，如果表面较为粗糙，接触点较多，摩擦力就会增大。
3.摩擦力的两种类型摩擦力可以分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是物体相对静止时对外力的抵抗力，而动摩擦力则是物体相对运动时对外力的抵抗力。
静摩擦力的大小受到一个很重要的因素控制，即静摩擦系数。
静摩擦系数是一个与物体表面性质密切相关的物理量，它反映了物体间在相对静止状态下的摩擦性能，不同材料具有不同的静摩擦系数。
当外力作用小于静摩擦力时，物体保持相对静止；当外力逐渐增大，当外力与静摩擦力相等时，物体开始运动，此时的摩擦力称为极限摩擦力。
一旦物体开始运动，摩擦力就会变为动摩擦力。
动摩擦力往往小于静摩擦力，这意味着一旦物体相对静止时，我们需要更大的力来推动它。
这是因为动摩擦力的产生涉及到物体表面的微小位移，从而改变了原子或分子之间的相互作用。
4.摩擦力的应用摩擦力在我们的日常生活中起到非常重要的作用。
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化学反应
表面氧化膜
氧化膜对金属的保护作用取决于氧化膜的内应力以及生 长速度：
（1）氧化膜的密度和金属相近：氧化膜能牢固覆盖在 金属表面。
（2）氧化膜的密度大于金属密度：氧化膜中易出现拉 应力，膜易破裂或出现多孔疏松膜。
（3）氧化膜的密度小于金属密度：随着氧化膜的生长， 膜的体积不断膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力和 垂直于表面使膜脱离表面的拉应力，膜愈厚，内应力愈 大，膜易剥落。
物理吸附的作用力，是范得瓦尔斯（Vander Waals）分子力。范得瓦尔斯分子力是由于表面 原子与吸附原子之间的极化作用而产生的。这类 吸附能量较低，它不能改变吸附层分子的分布， 而且对介质一般无选择性，这种吸附对温度非常 敏感，热量可以使之脱吸，其吸附与脱吸是可逆 的。吸附能量小于l04J/mol。
•化学吸附于固体表面的强弱与固体表面和被吸附的物质特 性有关，如氧可以很强烈地吸附于铁或钛，但吸附于铜、 银等贵金属却很弱。 •化学吸附基本上是一单层过程。例如，在固体铁的表面一 旦吸附一层氧，这层氧不会长期停留在它开始吸附的位置 上，而是在表面发生氧原子和铁原子的重新排列——铁与 氧交换位置，直到表面能量达到最低状态时，交换终止。 这称之为再组建的化学吸附。
在表面的位置 配位数 表面所处晶面 配位数
角上原子
3
原子在(111)上
9
边缘原子
5
原子在(100)上
8
晶体表面原子的配位数与晶体的位向有关，面心立方晶体 不同位向表面，原子的配位数见表。
晶体表面原子不仅能量较高，而且还存在着许多缺陷。 这些缺陷不是静止、稳定不变的，而是随着条件的改变而 不断变化和交互作用的。它们对晶体表面的机械性能、物 理性能和化学性能有很大的影响。
表面能的物理图像
以面心立方金属的（100）面作为表面
只有当每个原子有12个最近邻，能量才最低，结 构最稳定。当少了四个最近邻原子，出现了四个“断 键”时，表面原子的能量就会升高。和表面原子的这 种高出来的能量相连的就是表面能。
晶面的表面能
不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。
表面能的大小与晶体类型有关，随结合键能的增加而增 加。任一金属都有一定的结合键能。金属的许多性能都与结 合键能有关。对于过渡族金属，结合键能越高，则弹性模数 越高，金属的变形越困难。而且，结合键能越高，金属的熔 点也越高。
最基本的位错类型有两类：刃型位错和螺型位错。若同 时既包含刃型位错又包含螺型位错，则称为混合位错。
位错的基本类型 a）刃位错； b）螺位错
位错的相互作用
晶体中的位错靠近自由表面时，自由表面将与此位错产生 相互作用。由于位错在晶体中引起晶格畸变，产生应变能。 如果位借由晶体内部运动到晶体表面，应变能将会降低，故 位错由晶体内部运动到晶体表面是一种自发的过程，其结果 将使表面层中位错密度降低。
物理吸附和化学吸附的比较
用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化 能。当产生化学吸附时，需要有一定的活化能。这可能 是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发 生化学吸附。
物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的 速率，即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。
3) 氧化
•氧吸附于铁表面时，若环境中氧的浓度足够高或温度足够 高，则在铁表面发生氧化，即化学吸附的氧开始与铁表面 反应形成铁的氧化物。表面氧化物是化合物，其晶体结构 不同于原金属基体的结构。
1 固体表面特性
物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性 排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面，如固 体－液体、固体－气体及固体－固体的界面，常把固 体－气体（或真空）、固体－液体的界面称为固体的 表面。
很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电 子发射等都发生在“表面”，可见其重要性。
1 洁净的固体表面
1.1 金属的晶体结构
•通常，金属在固态下都是晶体， 其原子均为有规则的周期性重 复排列、晶体结构是指组成晶 体的物质质点(分子、原子、离 子、原子集团)依靠一定的结合 键在三维空间做有规律的周期 性重复排列的方式。
•金属元素中，约有百分之九十 以上的金属属于FCC、BCC、HCP 3种晶体结构.
原子有规则的周期性 重复排列
•金属表面在加工过程中，新生表面一旦暴露，则很快就与
大气中的氧起化学反应而形成金属氧化膜。铁的表面氧化
膜构造如图，其中Fe3O4 (磁铁体)和FeO (方铁体)可做为一
种固体润滑剂，有利于减少磨损，而Fe2O3(赤铁体)则起磨
粒作用，使磨损增大。
Fe2O3
铁 的
Fe3O4
氧
化
FeO
膜
Fe
构
造
氧化膜
在边界润滑中，化学吸附膜可在中速、中载的条件下 正常工作。
硬脂酸化学吸附
吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂 膜”
硬脂酸化学吸附
吸附结果是表面上 形成了一层硬脂酸 “金属皂膜”
这种“金属皂膜”不 仅有较低的切变强度， 相对说来也有比较高 的熔点。硬脂酸的熔 点是69℃，而金属皂 膜的熔点约为120℃。
•表面能愈小意味着使表面分开所需的能量愈小。由于晶体 中各晶面的原子排列密度各不相同，因而各个晶面的表面能 也不相同，密排面的表面能较小(因为层面间距较大)。若以 它们作表面，则晶体能量较低。所以晶体暴露在外的表面通 常尽量是这类低表面能的晶面。如果表面和这些面成一定角 度，为了尽量以表面能低的晶面为表面，这时的表面微观上 呈台阶状。表面能愈低的面，其摩擦也将愈小。金属表面能 可通过实验测定。
（1）面心立方晶胞(fcc)
面心立方的晶胞: 在8个顶角各有1个原子，在立方体每一面 中心还各有1个原子。金属钢、银、金、铝、镍、铅、铑、γ 铁、γ钴、δ锰等，均为面心立方结构。
面心立方晶胞
每1个原子周围与其等距 离的最近邻的原子数目叫 配 位 数 (CN) 。 它 是 描 述 原 子排列紧密程度的参量， 配位数越高，原子排列越 紧密，面心立方晶胞的配 位数为12。
密排六方晶胞
3种典型金属晶体结构特征
以上所述都是理想晶体的结构，即把金属晶体中的原子排列 看作是规则的、完整的，而且每个原子都是在阵点上静止不动 的。然而，实际上金属晶体由于原子热振动，以及受到温度、 辐射、压力加工等各种外界条件影响，在原子规则排列区中常 出现原子排列的不规则区，这些不规则区称为“晶体缺陷”。
长链结构的碳氢化合物(如：油酸、棕桐酸和 酯等)都具有这种性能。在边界润滑中的物理吸附 膜可以在低速、轻载和常温的条件下工作。
硬脂酸在固体表面物理吸附
2) 化学吸附：
•化学吸附时吸附物与固体表面之间发生电子互换或存在共 用电子对，吸附膜与固体表面的结合力很强。比物理吸附 膜稳定得多，吸附能量超过104J/mol称为化学吸附。并且 是不可逆的，只有在高温下才脱吸。
1.2 表面晶体结构及缺陷
•金属表面就是金属晶体与周围介质的界面。图为理想金属 晶体表面原子的排列情况。表面原子M的配位数为5。而基 体中的任一个原子的配位数为6。由此可知，表面原子的配 位数比基体中的配位数少，表面原子少了在表面上层原子 对它的约束，这将使表面原子处于高能状态。
晶体表面的原子
面心立方表面原子的配位数（FCC）
当金属表面有氧化膜时，则表面对位错是相斥的，亦即表 层不会产生低位错密度区。这主要是由于在两个弹性模量不 同材料边界附近的位错，界面也会对它产生相互作用。如果 位错处于弹性模量低的介质一侧，则界面对位错给予斥力； 若位错处于弹性模量高的介质一侧，则界面对位错给予吸力。 金属表面常常被氧化膜覆盖，而一般金属氧化膜的弹性模量 比金属大，所以氧化膜覆盖的表面对位错有排斥作用。
表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可 以显著降低表面的系统能量。
在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，可能 克服吸附势的束缚而脱离固体表面，称为“脱附”或 “解吸”。当吸附与解吸达到动态平衡时，固体表面 保存着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附， 称为平衡吸附。或液体)接触， 由分子(或原子)间的引力作用所产生的吸附称为 物理吸附。
由于固体表面的分子及原子均处在不稳定的力场 之中，因此，所有固体表面都具有一定的表面自由能， 它能够吸引用围介质(如空气、水蒸气、润滑剂等)的 分子，即产生吸附，于是，在金属表面可以形成各种 膜。
按照所形成膜的结构性质的差别，可将其分为吸 附膜和反应膜两大类。前者又可分为物理吸附膜与化 学吸附膜；后者也可分为化学反应膜及氧化膜。
（2）体心立方晶胞(bcc)
体心立方晶胞: 在8个顶角各有1个原子，在其立方体的 中心还有一个原子。显然，每一个原子周围有8个最近邻 原子，因此，配位数为8。属于这种结构的；金属有钒、 铌、钽、钼、铬、钡、β钛、α铁、δ铁、α钨等。
体心立方晶胞
（3）密排六方晶胞(hcp)
密排六方晶胞: 六棱柱体的各角有一个原子，在其上、 下面中心还各有一个原子，此外在两面的中间还有三个原 子。配位数为12。属于这类结构的金属有镁、锌、镉、锆、 α铍、α钛、α钴等。
（4）氧化膜与基体的热涨系数不同，也会造成氧化膜 脱落。
4）化学反应膜
一般是指润滑油添加剂中的硫、磷、氯等活 性元素在高温下与金属表面产生化学反应，二者 间相互交换价电子而生成新的化合物膜(如磷化物、 硫化物、氯化物等金属盐膜) 。
这种膜生成的厚度可以很厚，其结合能及活 性高，反应是不可逆的。其熔点高，而剪切强度 低，比物理吸附膜和化学吸附膜更稳定。
晶体表面缺陷
按几何特征，晶 体缺陷主要有以 下3类：
（1）点缺陷
（2）线缺陷
（3）面缺陷
点缺陷 在三维方向上尺寸都很小的缺陷称为点
缺陷，如空位、间隙原子和置换原子等。
晶体中原子在其平衡位置上作高频率的热振动，振动能量 经常变化，此起彼伏，称为能量起伏。在一定温度下，部分 具有超额能量的原子有可能克服周围原子对它的束缚，而离 开原来的平衡位置，于是在阵点上产生空位。