摩擦磨损基本原理—固体表面特性分析
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。
摩擦磨损原理 2 固体表面接触
固体表面的接触力学
根据固体表面的接触特点，通常可将固体 表面的接触问题分为点接触和线接触两种情况 加以讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否 可逆，固体表面的接触又有弹性接触和塑性接 触之分。此外，还可根据外加载荷的方向，将 固体表面的接触问题分为单一法向载荷、单一 切向载荷和法向 -切向载荷联合作用等情况加以 讨论。
2 2
2R2 0.407 ln a
小结
1、定义了表面粗糙度的指标Ra、Rq、 Rz、Ry；
2、轮廓高度分布的概率密度函数和轮 廓的支承面积曲线；
3、固体表面接触——Hertz公式 4、分析了实际粗糙表面的接触。
2 固体表面接触
摩擦、磨损及润滑是在金属的表面进行的，
因此了解和研究固体表面的接触及其基本原理
是解决摩擦学各种问题的基础。例如，在计算
摩擦力时要知道实际接触面积的大小，在进行 摩擦和磨损机理的探讨时要考虑到接触的性质。 如果不了解两个固体表面接触时的情况，就无 法搞清摩擦和磨损的实质。
固体表面的接触过程
接触区为圆形，其半径为 ：
3WR a 4E
2
1 3
W
3WR Ae a 4E
2 3
Ae kW
2 3
W
其中：
R----当量曲率半径；
E----复合弹性模量。
1 1 1 R R1 R2
1 1 1 E E1 E2
P( z d ) f ( z )dz
d
设表面单位名义面积上具有η个微凸体，则接触点数量 n 可表示为：
n f ( z )dz
d
由于任何微凸体的法向接近量为(z-d) ，总的实际接触 面积 ：
固态润滑薄膜摩擦副摩擦特性研究
固态润滑薄膜摩擦副摩擦特性研究摩擦学是研究固体间接触与相对运动时产生的摩擦与磨损现象的学科，广泛应用于机械工程、材料科学、表面工程等领域。
在摩擦学中，润滑技术被用于减少动摩擦副之间的接触面积和减小摩擦力，以延长工件的使用寿命。
固态润滑薄膜是一种应用于工业摩擦副的新型润滑材料。
它具有高温抗磨和耐腐蚀等特性，适用于高温、高速、高负荷和恶劣工况下的摩擦副润滑。
本文将对固态润滑薄膜摩擦副的摩擦特性进行研究和探讨。
首先，固态润滑薄膜的摩擦特性与表面物理和化学特性密切相关。
实验研究表明，固态润滑薄膜能够在摩擦副表面形成均匀、连续和致密的润滑膜，这是由于薄膜与摩擦副表面分子间的吸附和表面反应所导致的。
薄膜的吸附能力和稳定性决定了其润滑性能的优劣。
因此，研究薄膜的物理和化学特性，如厚度、成分、表面形貌等，对于理解固态润滑薄膜的摩擦特性至关重要。
其次，固态润滑薄膜的摩擦特性与工作条件有密切关系。
不同的工作环境和工作状态会对薄膜的润滑效果产生影响。
例如，在高温条件下，薄膜的稳定性和抗氧化性能非常重要，因为高温容易导致薄膜的氧化和热分解。
此外，在高速和高负荷条件下，薄膜的抗磨性能和减摩效果更加关键。
因此，在研究固态润滑薄膜的摩擦特性时，需要考虑到不同的工作条件对摩擦副的影响。
进一步研究发现，摩擦副表面的微观变形和应力分布也会影响固态润滑薄膜的摩擦特性。
摩擦副的载荷和速度会导致摩擦表面的塑性变形和应力集中，这可能会破坏薄膜的完整性和稳定性。
因此，设计和优化摩擦副的几何形状和材料特性对于提高固态润滑薄膜的润滑效果和抗磨性能至关重要。
此外，摩擦副润滑薄膜的摩擦特性还与润滑油的性质有关。
固态润滑薄膜通常与润滑油共同工作，以实现更好的摩擦和磨损控制效果。
润滑油的粘度、添加剂和基础油种类可以影响润滑薄膜与摩擦副的相互作用和摩擦特性。
因此，研究润滑薄膜与润滑油之间的相互作用机制对于优化摩擦副的润滑效果非常重要。
在固态润滑薄膜摩擦副的研究中，还可以利用各种表征手段来评估薄膜的摩擦特性。
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。
摩擦磨损机理及其控制研究
摩擦磨损机理及其控制研究随着工业技术的不断发展，人们对材料的性能和寿命周期也越来越注重。
然而，摩擦磨损作为材料研究中的一个重要领域，却一直都是一个难以克服的问题。
此外，摩擦磨损不仅会影响材料的寿命，还会导致许多其他问题，如能源消耗、环境污染等。
因此，研究摩擦磨损机理及其控制方法不仅能大大提高材料的使用寿命，还能减少能源消耗和环境污染。
一、摩擦磨损的机理摩擦磨损是一个非常复杂的过程，涉及多种因素。
通常，我们将其分为三种基本形式：表面磨损、刻蚀和疲劳磨损。
表面磨损是指材料表面因为摩擦而造成的磨损，主要包括磨擦、刮伤和破裂等。
表面磨损的机理很复杂，与材料的结晶组织、表面形貌和结构、氧化膜和温度等因素密切相关。
此外，表面磨损还受到磨擦剂和润滑剂等方面的影响。
刻蚀是指在材料表面形成大面积凹坑的摩擦磨损形式。
刻蚀的机理是材料表面与摩擦副中的硬质颗粒相互作用，导致材料表面的碎片、磨屑、腐蚀产物等被刮出表面，从而形成凹坑。
刻蚀也受到材料性质、表面形貌和摩擦剂等因素的影响。
疲劳磨损是指材料在经历了多次摩擦后逐渐出现的某些局部磨损区域，通常是由于材料表面组织的损坏而引起的。
疲劳磨损的机理是材料表面与摩擦副中的颗粒重复接触，导致材料表面损伤，最终导致疲劳磨损。
二、摩擦磨损的控制方法为了解决摩擦磨损问题，人们提出了多种控制方法。
下面我们就来逐一分析这些方法的特点和优缺点。
1、润滑法润滑法是一种常用的摩擦磨损控制方法，它可以通过在摩擦副中添加润滑剂减少磨损。
润滑剂的作用是在摩擦表面形成一层润滑膜，降低表面摩擦系数和摩擦温度，减少摩擦磨损。
润滑法的优点是控制简单,成本低。
但是，润滑膜的稳定性和耐磨性仍然是一个很大的问题，而且润滑剂的使用也会对环境造成一定的污染。
2、涂层法涂层法是通过在材料表面上覆盖一层抗摩擦、抗磨损能力强的涂层，来控制摩擦磨损。
涂层法的优点是有效、稳定性好，可以根据需要选择不同材料的涂层，可以承受不同的磨损形式，如高温、高速等。
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。
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。
摩擦学研究中的固体表面
摩擦学研究中的固体表面Solid Surface in Frictional Studies摩擦学是物理学的一个重要分支，研究固体表面之间的摩擦现象。
理解摩擦是非常重要的，因为它涉及许多自然和工程应用。
研究固体表面可为工程和科学领域提供多方面的信息和应用。
本论文旨在研究固体表面在局部接触条件下的摩擦现象。
首先，本文对摩擦理论进行了简要的介绍。
然后，本文详细探讨了固体表面在微观尺度下的表面形态和化学成分对摩擦系数的影响。
固体表面的微观形态是影响摩擦现象的一个重要因素。
当两个表面接触时，表面结构的缺陷、粗糙度以及表面缺陷会影响表面接触面积和局部应力分布。
因此，局部接触条件下的摩擦现象无法简单地用宏观力学模型来描述。
化学成分也是影响摩擦系数的重要因素。
表面润滑剂、氧化物和污染物等化学物质会改变表面的性质从而影响表面接触力。
这些化学成分会对表面的强度、硬度和粘附力产生影响，并在接触区域内形成物理和化学反应。
本文还讨论了多种表征表面形态和化学成分的技术及其在研究摩擦现象方面的应用。
例如，原子力显微镜可以在纳米尺度下组成表面形貌；XPS可以用来探索表面化学成分。
此外，本文还探讨了固体表面在局部接触条件下的应力分布和形变机制。
当两个表面接触时，表面之间的摩擦将导致表面形变和应力分布的变化。
尤其是表面微观凹凸和化学成分不均匀性会导致局部应力集中。
回顾了固体表面在摩擦学研究中的重要性，我们可以看出不同表面形态和化学成分的影响。
固体表面在局部接触条件下的摩擦现象是一个复杂的问题，在许多自然和工程应用中都起着重要作用。
本文提供了一个概述了在摩擦学研究中的固体表面的影响，并为进一步研究提供了一些启示。
除了表面结构和化学成分，温度、环境、应力和电子结构等也会影响固体表面的摩擦性能。
例如，温度的变化会影响化学反应的速率和表面形貌，进而改变摩擦系数；环境的气氛可以引入化学物质，从而改变表面化学成分；应力场可以改变表面形貌和局部应力分布。
机械结构的摩擦学与表面工程技术
机械结构的摩擦学与表面工程技术摩擦学是研究有关物体相对运动时表面接触与相互作用的科学。
在机械结构中，摩擦是一个重要的问题，因为它与能量损失、磨损、噪音和失效等相关。
为了减少摩擦带来的不利影响，科学家和工程师们研发并应用了各种表面工程技术。
在本文中，我们将探讨机械结构的摩擦学及其与表面工程技术的关系。
一、摩擦学的基本原理摩擦是由于两个物体表面间的相互接触引起的阻碍相对运动的力。
在微观层面上，摩擦力是由于表面不完全光滑，而导致表面间的接触和分离产生的。
表面粗糙度、压力、相对运动速度和接触材料的性质等都对摩擦力产生影响。
摩擦力可以分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是在物体尚未开始相对运动时产生的阻力，而动摩擦力是物体开始相对运动后产生的阻力。
静摩擦力通常比动摩擦力大，当受到外力作用时，物体将首先克服静摩擦力才能开始运动。
摩擦力可以通过使用润滑剂来减小。
润滑剂通常是液体或固体，用于填充表面间的凹坑或提供一个滑动的界面。
润滑剂的选择取决于具体的应用，例如液体润滑剂常用于高速运动系统中，而固体润滑剂则更适用于高温环境。
二、表面工程技术在摩擦学中的应用表面工程技术是通过改变材料表面的特性来改善摩擦性能。
以下是几种常见的表面工程技术：1. 表面涂层技术：表面涂层技术包括在材料表面涂上一层具有特殊性能的材料。
这些涂层可以减小摩擦系数、增加润滑性以及提供保护层。
例如，钢件表面可以镀上一层具有低摩擦系数的金属，如镍或铜，以减小摩擦力并降低磨损。
2. 表面改性技术：表面改性技术主要通过物理或化学方法改变材料表面的性质。
蚀刻、沉积和离子注入等方法可以改变材料表面的组成和结构，从而改善摩擦性能。
例如，在钢件表面进行离子注入，可以形成一个硬度更高、耐磨性更好的表面层。
3. 表面磨削技术：表面磨削技术是通过切削或研磨材料表面来改变其形状和粗糙度。
通过磨削可以减小材料表面的粗糙度，从而减小接触面积和摩擦力。
此外，磨削过程还可以产生一个更加光滑的表面，降低与其他物体的摩擦。
摩擦学原理-固体摩擦、磨损理论
§20-3 磨损的基本形式
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。 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）。
Fujita等人于1977年对Nicr渗碳纲实验
240
280 V.P.n
0.125 h(cm)
§20-3 磨损的基本形式
3、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 200m左右。
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。
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
主动 从动
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20m左右。 微观点蚀是宏观点蚀的起因。
摩擦摩损与表面耐磨性的分析与预测方法研究
摩擦摩损与表面耐磨性的分析与预测方法研究随着机械工业的发展，机械零件的运动摩擦与摩损问题成为了制约机械工业发展的一个重要因素。
摩擦与摩损不仅会导致机械零件损坏，影响机械性能，还会损失大量的能量和材料，加重生产成本，影响经济效益。
而表面耐磨性的提高是解决这个问题的重要途径之一。
本文将就摩擦摩损与表面耐磨性分析与预测方法进行研究探讨。
一、摩擦摩损的成因分析机械零件在互相接触运动时，由于接触面之间的摩擦力和剪切力，会产生摩擦。
这些摩擦力和剪切力会导致材料表面出现磨损，内部产生塑性变形和热变形等物理化学现象，造成零件的进一步损坏。
因此，摩擦摩损的成因可以总结为以下几点：1.材料的物理化学特性材料的物理化学特性是决定其摩擦摩损性能的重要因素之一。
如硬度、强度、韧性，表面组织状态、化学成分等。
2.运动状态运动状态是指机械零件之间的互动状态。
调整机械零件之间的相对运动状态可以减小摩擦摩损问题发生的可能性。
3.润滑状况良好的润滑状况可以降低摩擦力，减少磨损，延长机械零件的使用寿命。
4.环境因素摩擦和摩损也可能由环境因素引起，如气体、液体和固体杂质，表面污染和化学腐蚀等。
以上四点是影响摩擦摩损的主要因素。
为了减少摩擦和磨损，需要将这些因素考虑在内，并寻找有效的控制措施。
二、表面耐磨性的提高方式为了提高机械零件的使用寿命，可以采用以下几种方式来提高表面耐磨性。
1.表面处理在机械零件的表面进行加工，提高其表面硬度、表面粗糙度、表面强度等参数，增加其耐磨性。
2.涂层技术通过在机械零件表面进行涂层处理，可以形成高硬度、高耐磨、高粘附性、高耐腐蚀性的涂层，从而提高零件的耐磨性和使用寿命。
3.纳米技术纳米技术可以通过改变材料的结构和性质，提高其机械性能和表面耐磨性。
在一些润滑材料和减摩材料中也有广泛的应用。
4.特种合金特种合金通常是由多种元素组成的材料，具有高强度、高硬度、耐腐蚀、抗高温等特点，具有良好的耐磨性。
在机械制造中也有着广泛的应用。
摩擦磨损降低机理与表面涂层
摩擦磨损降低机理与表面涂层摩擦磨损是指两个物体之间的相互运动引起的表面损失现象。
在工程实践中，摩擦磨损问题会导致机械部件性能下降、寿命缩短甚至故障。
因此，深入了解摩擦磨损机理，并采取相应的措施进行预防和改善，对于保证机械设备的可靠运行至关重要。
近年来，表面涂层技术在解决摩擦磨损问题上表现出良好的应用前景，其能够有效地降低机械部件的摩擦磨损，提高其使用寿命。
那么，摩擦磨损的基本机理是什么呢？首先，我们需要理解摩擦磨损是一个复杂而多变的过程，涉及多个物理和化学因素。
最常见的摩擦磨损机制包括磨料磨损、表面疲劳破坏和润滑薄膜破裂等。
磨料磨损是指固体颗粒在两个物体之间进行滚动、滑移和切削等相互作用，从而引起表面的粒子脱落和剥离。
摩擦磨损时，两个物体的表面会产生摩擦力，这会导致表面微观粗糙度的失真，从而促使相互之间的颗粒更容易脱落。
表面疲劳破坏是指在长时间的往复摩擦作用下，材料表面会发生微裂纹的产生和扩展。
当应力施加到裂纹尖端时，裂纹会继续扩展，最终导致材料的疲劳破裂。
润滑薄膜破裂是指摩擦界面上形成的润滑薄膜无法承受高压和高温的作用，从而破裂。
润滑薄膜的破裂会导致直接接触和摩擦，从而加速摩擦磨损的发生。
在应对这些摩擦磨损机理时，表面涂层技术被广泛应用。
表面涂层是通过在材料表面上施加一层具有特定性质的薄膜，以改善其摩擦和磨损性能。
常见的表面涂层材料包括硬质涂层、固体润滑薄膜涂层和功能复合涂层等。
硬质涂层是指通过在材料表面形成具有较高硬度的涂层，以提高其耐磨性能。
常见的硬质涂层材料有碳化钨、氮化钛和氮化硼等。
这些涂层能够有效减少摩擦磨损，延长部件的使用寿命。
固体润滑薄膜涂层是在材料表面形成一层具有良好润滑性质的薄膜。
这种涂层可以降低表面的摩擦系数，提高机械部件的摩擦性能。
常见的固体润滑薄膜涂层材料有石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯等。
功能复合涂层是一种结合了多种功能性能的表面涂层。
它能够同时提供较高的硬度、优良的润滑性和耐腐蚀性能。
摩擦磨损机理及其在材料设计中的应用
摩擦磨损机理及其在材料设计中的应用摩擦磨损是指物体之间产生相互接触并运动时所发生的能量损失和形态变化。
无论是在工业生产中还是日常生活中，摩擦磨损都是无法避免的现象，它会造成材料的损耗和寿命的缩短。
因此，了解摩擦磨损机理并针对其在材料设计中的应用，是保障材料性能和提高材料寿命的重要手段。
一、摩擦磨损机理摩擦磨损的机理繁多，其中最基本的有磨粒、疲劳、氧化、腐蚀等。
下面，我们就来依次介绍这几种机理。
1、磨粒机理磨粒机理是指在两个物体间，由于硬度不同，较硬的材料将较软的材料磨掉而导致磨损。
常见的例子是磨损机器零部件，如齿轮、轴承等。
需要注意的是，当摩擦表面上有杂质时，它们也将充当磨粒的角色，加速摩擦磨损的程度。
2、疲劳机理疲劳机理是指在重复的摩擦磨损中，材料不断地承受应力并逐渐失去了其原有的强度，导致材料发生断裂。
常见的例子有发动机的曲轴、活塞和汽车的刹车片等。
疲劳机理是一种比较难以预测和避免的机理，因为它是由于运动中的物体对材料的反复作用而引起的。
3、氧化机理氧化机理是指在高温、高湿环境下，通常是氧气、水蒸气和其他气体的作用下，材料表面会产生氧化物并加速磨损。
它通常发生在高温润滑油膜薄或无润滑的情况下，例如汽轮机中的转子轴承和发电机中的滑轮等。
4、腐蚀机理腐蚀机理是指在介质的作用下，材料表面发生化学变化而导致表面形态的改变和材料的损失。
常见的例子有金属管道的腐蚀、汽车的刹车线管腐蚀和加工流程中的腐蚀等。
腐蚀机理是一种比较常见的机理，因此在材料设计和应用中需要特别注意其防止。
二、摩擦磨损在材料设计中的应用了解摩擦磨损机理是材料设计的基础，因为它可以帮助材料工程师选择合适的材料来满足特定的需求。
以下是几个材料选择的例子。
1、金属材料在高温条件下的应用当金属材料在高温下摩擦运动时，表面容易氧化，并且高温下的机械性能很差，因此需要选择特殊的材料来满足需求。
常用的材料是钨、钼等高熔点合金，以及耐热钢等。
2、医用金属材料的应用在医学领域，需要选择特殊的非铁性、无害的材料，以避免对人体的负面影响。
摩擦磨损特性
摩擦磨损特性摩擦是物理现象中最重要的因素之一。
它是一种力，它经常发挥着磨损、摩擦和磨损的作用，影响着材料的性能和表面品质。
本文旨在为读者提供一个清晰的认识，即摩擦磨损的概念和特性。
摩擦磨损是指当两个物体接触时发生的磨损现象。
这种磨损是由于摩擦力产生的磨损。
在摩擦过程中，表面材料上的一种或多种化学成分将被去除，从而将表面的微细结构破坏，最终导致表面的磨损。
摩擦磨损特性取决于接触表面材料的形状和性质，以及接触参数，如接触面积和接触条件（如温度、压力等）的影响。
存在不同的摩擦磨损模式，如把握磨损模式和游程磨损模式。
把握磨损模式指的是完全接触区域不变，而游程磨损模式指的是完全接触区域是可变的。
材料的摩擦磨损性能受到其结构、形状、化学成分和组合等因素的影响。
材料结构是影响摩擦磨损性能的最重要因素，它主要取决于材料的晶格布局及其微结构。
材料的形状也会影响摩擦磨损性能，它确定了接触面的大小，从而影响摩擦磨损的速率。
材料的化学成分也会影响摩擦磨损性能，它决定了相互接触表面的摩擦系数的大小，摩擦系数的大小决定了摩擦磨损的程度。
随着技术的发展，在提高摩擦磨损性能方面有了很大的进步，其中包括发展多种材料、引入高线度材料和形状设计等措施。
这些都能够有效减少材料的摩擦磨损，使其具有更高的耐磨性。
摩擦磨损特性的研究和开发也被广泛用于工程应用，如汽车、船舶、建筑等方面。
因此，理解摩擦磨损特性和其对于各种材料的影响是至关重要的。
在总结中，可以得出结论，摩擦磨损是由于摩擦力产生的磨损。
材料的摩擦磨损性能受到其结构、形状、化学成分和组合等因素的影响。
如今，技术的发展已经使得可以有效减少材料的摩擦磨损，提高材料的耐磨性。
摩擦磨损的研究和开发也被广泛用于工程应用，如汽车、船舶、建筑等方面。
本文对摩擦磨损的概念和特性进行了阐述，为提高材料的摩擦磨损性能提供了重要的参考信息。
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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.
摩擦磨损基本原理—固体表面特性 分析
（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
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❖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。
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。
摩擦磨损基本原理—固体表面特性 分析
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
晶体表面缺陷
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❖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。 ➢即在极纯的金属中，也总会存在一定量的杂质原子。杂 质原子使周围的晶体发生畸变，明显地影响晶体的性质。 ➢点缺陷的存在对金属的物理和机械性能，以及热处理性能 都有较大的影响。产生一个空位引起的体积膨胀约为0.5个 原子体积；产生一个间隙原子引起的体积膨胀相当于一个原 子体积。
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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。
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❖线缺陷
位错可视为晶体中一部分晶体相对于另一 部分晶体局部滑移的结果，晶体滑移部分 与末滑移部分的交界线即为位错线。
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
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晶体表面的原子
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面心立方表面原子的配位数（FCC）
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。
原子有规则的周期性 重复排列
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（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。
摩擦磨损基本原理 —固体表面特性分析
摩擦磨损基本原理—固体表面特性 分析
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。
摩擦磨损基本原理—固体表面特性 分析
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。
摩擦磨损基本原理—固体表面特性 分析
2 表面张力与表面能
固体表面上的原子比其内部的原子具有较高的势 能，固体表面的所有原子势能的总和称为固体表面 能或表面自由能。单位为J／m2或N／m。
固体表面的原子在固体内部引力作用下有从其表 面进入固体内部的趋向，同时使其表面的面积尽量 收缩，这种使表面收缩而沿固体表面切向作用的力 叫做表面张力。
（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。
密排六方晶胞
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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”。