第五章 边界润滑6
润滑名词解释
(29)油雾润滑(Oil-mist Lubrication) (30)喷射润滑 (Lubricant Spattering or Oil Jet Lubrication) (31)油/气润滑 (Aerosol Lubrication)
润滑剂与一定压力的压缩空气在喷射阀混合后射向润滑点的润滑方式。
压缩空气与油液混合后呈油/气—微细油滴或颗粒状送向润滑点的润滑方式。 又 称气溶胶润滑。
(Fatigue Wear) 裂缝并分离出磨粒或碎片而剥落，形成凹坑而引起的磨损。又称点蚀(Pitting)。 (5)腐蚀磨损 (Corrosive Wear) (6)微动磨损 (Fretting) (7)轻微磨损 (Mild Wear) (8)严重磨损 (Severe Wear) (9)正常磨损 (Normal Wear) (10)材料转移 (Pick-up or Transfer) (11)涂抹 (Smearing) (12)擦伤 (Scratching) (13)刮伤 (Scoring) (14)胶合 两摩擦表面发生固相“焊合”而引起的局部损伤，但没有发生局部表面熔合。 与“擦伤”相同原因形成的严重擦痕，又称划伤。 由摩擦表面局部固相“焊合”或磨料磨损而引起沿滑动方向形成的微小擦痕或“犁痕”。 摩擦副一表面上的材料发生转移，并以薄层重新涂敷到一或两表面上。 由于在滑动或滚动界面的强粘附力而使材料由一表面转移到另一表面上的现象。 设计允许范围内的磨损。 磨屑为较大的碎片或颗粒的磨损。有时用来表示已达到塑性接触下的磨损。 两接触表面作微振幅重复摆动所引起的磨损。微动磨损是一种微动疲劳与微动腐蚀并存的复合式磨 损。 磨屑非常细小的磨损。有时用来表示弹性接触下的磨损。 金属表面在摩擦过程中与周围介质在化学与电化学反应作用下产生的磨损过程。
第五章 边界润滑
第五章 边界润滑（Boundary lubrication ）概述当摩擦表面完全被粘性液体（或气体）分隔开时称为流体润滑，其摩擦系数与润滑剂的粘度有关。
如果保持流体润滑状态，那末，摩擦表面（金属）间不会互相接触，也就不会产生磨损。
但事实上失效总是会发生的。
也就是说一般情况下很难长时间实现流体润滑状态。
那么在难以保持流体润滑的时候如何来避免失效，这就是我们要研究的边界润滑状态。
边界润滑的特点是与润滑剂的物理性质没有直接联系，而与固体界面的化学性质有关。
边界润滑状态下的摩擦系数，只取决于摩擦表面的性质和边界膜的结构形式，而与润滑剂的粘度无关。
一般意义上的“干摩擦”，固体表面常因暴露在大气中而被氧化，覆盖其上的氧化膜也有一定的润滑作用，因此，实质上是边界润滑条件下的摩擦。
从这个意义上讲，除了流体润滑之外的状态都可以认为是边界润滑状态。
边界膜包括：物理吸附膜 与表面的附着强度取决于吸附热。
与表面间的结合力为范德华力。
化学吸附膜 介质与表面间有电子交换，与表面间为化学键结合。
化学反应膜 介质与表面发生原子交换。
5.1 边界润滑的特征 斯特里贝克（Stribeck ）图（图5-1）表示了边界润滑与流体润滑的区别。
曲线的右侧部分，摩擦系数是其横坐标（润滑剂粘度×滑动速度）／载荷 ）这个变量的函数。
而将速度减小，载荷加大，按右面曲线的函数，应该画出如虚线所示指向坐标原点的直线。
但实际情况并非如此，而是摩擦系数增大，且与横坐标的变量无关。
基本上是定值。
这种现象的发生，首先是因为发生了固体表面间的接触，然后摩擦面的一部分进入边界润滑状态。
于是曲线的左侧基本成为完全的边界润摩擦系数 润滑剂粘度×滑动速度 载荷 图5-1 斯特里贝克图滑。
5.2边界润滑理论边界润滑不像流体润滑那样具有完整的理论体系,而是‘没有这样的理论体系’。
但是已经有一些学者从实验得出了一些理论。
现分别介绍于后：5.2.1哈代（Hardy ）的边界润滑理论及其试验哈代的实验是以直链状的石蜡、脂肪酸和酒精作为润滑剂，测量玻璃球、钢球和铋球与各自的这些平面相摩擦。
流体动压润滑与静压润滑
d dx
h3
dp dx
6U
dh dx
h3 dp 6U h C
dx
在 dp
0处, 油膜厚度为 h
dx
C 6U h
dp dx
6U
hh h3
常数 h, 用边界条件
dp
0, 求 h 值.
dx
3宽度方向无限短轴承
在Y方向的轴承宽度L远远小于X方向的长度B，在X方向的压 梯度远小于Y方向的，故在X方向上的压力变化可勿略不计。 Reynolds方程简化为：
可倾斜瓦块
B X
h
h1
ho
U x
0
可倾斜瓦块
1.膜厚的计算式
定义K为油楔的收敛比:k h1 h0 h1 1
h0
h0
依几何关系得:h=h0
(1
kx B
)........................(1)
2.压力方程
一维 Re ynolds方程式 : dp 6U h h .....(2)
p
3U
h3
dh dx
(y2
L2 4
)(当 L B
0.25时, 计算结果比较准确.)
四、推力轴承的设计
结构:瓦块固定，转子旋转， 并承担载荷。瓦块开有油 槽，斜表面，转子运动将 油带入收敛楔形产生动压 润滑。
• 应用的主要设备有：大型风 机，泵，蒸汽轮机，燃气轮 机，内燃机，发电机， 其它转动设备。
• 特点：摩擦因数极小，磨损很小。 • 分类(油膜形成的机理)：
– 静压润滑：外接油泵来产生压力 – 动压润滑：粘性流体在两个相对运动的表面所形成楔形间隙
来产生压力。
• 流体动压润滑：收敛楔形间隙形成液体动力油膜 • 弹性流体动压润滑(EHL)：粘度效应及两金属间表面的弹性变形形成
第五章边界润滑
第五章 边界润滑 （Boundary lubrication ）概述当摩擦表面完全被粘性液体（或气体）分隔开时称为流体润滑，其摩擦系数与润滑剂的粘度有关.如果保持流体润滑状态,那末，摩擦表面（金属）间不会互相接触，也就不会产生磨损。
但事实上失效总是会发生的。
也就是说一般情况下很难长时间实现流体润滑状态.那么在难以保持流体润滑的时候如何来避免失效，这就是我们要研究的边界润滑状态。
边界润滑的特点是与润滑剂的物理性质没有直接联系,而与固体界面的化学性质有关。
边界润滑状态下的摩擦系数,只取决于摩擦表面的性质和边界膜的结构形式，而与润滑剂的粘度无关。
一般意义上的“干摩擦”，固体表面常因暴露在大气中而被氧化，覆盖其上的氧化膜也有一定的润滑作用，因此，实质上是边界润滑条件下的摩擦.从这个意义上讲，除了流体润滑之外的状态都可以认为是边界润滑状态。
边界膜包括：物理吸附膜 与表面的附着强度取决于吸附热。
与表面间的结合力为范德华力。
化学吸附膜 介质与表面间有电子交换，与表面间为化学键结合. 化学反应膜 介质与表面发生原子交换。
5。
1 边界润滑的特征斯特里贝克(Stribeck ）图（图5—1）表示了边界润滑与流体润滑的区别。
摩擦系数润滑剂粘度×滑动速度 载荷曲线的右侧部分，摩擦系数是其横坐标（润滑剂粘度×滑动速度）／载荷 ）这个变量的函数。
而将速度减小，载荷加大，按右面曲线的函数，应该画出如虚线所示指向坐标原点的直线。
但实际情况并非如此，而是摩擦系数增大,且与横坐标的变量无关。
基本上是定值.这种现象的发生，首先是因为发生了固体表面间的接触,然后摩擦面的一部分进入边界润滑状态。
于是曲线的左侧基本成为完全的边界润滑。
5.2边界润滑理论边界润滑不像流体润滑那样具有完整的理论体系,而是‘没有这样的理论体系’。
但是已经有一些学者从实验得出了一些理论。
现分别介绍于后：5.2.1哈代（Hardy ）的边界润滑理论及其试验哈代的实验是以直链状的石蜡、脂肪酸和酒精作为润滑剂，测量玻璃球、钢球和铋球与各自的这些平面相摩擦。
《船舶柴油机》 柴油机的润滑
第三节曲轴箱油和气缸油的选用
一.对曲轴箱油的要求 曲轴箱油又称系统油，主要对柴油机曲轴箱内各轴承或涡轮增压
器（无独立润滑系统）的润滑；在某些柴油机中，它还用着液压控 制油（液压控制式排气阀，换向伺服机构或气缸注油器驱动装置） 在筒形活塞式柴油机中它还兼作气缸油和活塞冷却液。其最大特点 是曲轴箱油循环使用，逐渐污染变质。
三.润滑油的质量等级（API：American Petroleum Institute） 发动机根据其结构﹑工况﹑负荷和功率不同，使用不同质量级别的 润滑油。因此内燃机润滑油的质量分级，是随着发动机的发展而变 化的。国外有些国家和有关学会根据滑油的性能特点和工作状态把 滑油分成若干质量等级。比较通用的是美国SAE﹑ ASTM ﹑API三 方联合公布的一种质量分类法，称为API分类法。即：
5.其它：抗乳化性能，抗泡沫性能，闪点等。
筒形活塞式柴油机曲轴箱油的要求： 在筒形活塞式柴油机中，曲轴箱油除润滑轴承外，还兼作气缸油， 故其工作条件十分恶劣，正常耗油率为1.07~1.6 g/kw.h ，它除应满 足十字头式柴油机曲轴箱油的全部要求外，还应满足如下要求： 1.高温工作时的清净性：在高温下能保证各种沉积物不粘附在机件
㈠ 十字头式柴油机曲轴箱油要求： 十字头式柴油机曲轴箱与气缸是隔开的，其工作条件相对较好， 正常耗油率为 0.1~0.3 g/kw.h ， 主要润滑轴承和导板。要求： 1.粘度和粘温特性：适宜的粘度以保证润滑油膜的建立；另外船
用柴油机经常在变工况下工作，环节温度变化也较大，所 以要有较好的粘温特性。 粘度要求：在100℃运动粘度为11~14cst ，相当于SAE30 粘度指数：80~95
但意义相反。总碱值表示1g滑油中所含碱性物质相当于氢 氧化钾的毫克数。天然矿物油本身无碱性，只有加入碱性 添加剂后才呈碱性。 在使用过程中，由于添加剂的损耗，总碱值会逐渐降低。
五章润滑系ppt课件
二、机油滤清器
• 作用：滤掉机械杂质和胶质，保持润滑 油的清洁，延长使用寿命。
• 分类；集滤器、粗滤器、细滤器。
1.集滤器：
• 一般是滤网式，装在机油泵之前，滤去 较大的机械杂质。
• 浮式集滤器：集滤器浮于油面上； 固定式集滤器：集滤器固定不动。
2.粗滤器：
• （2） 检查机油表、传感器是否失效； （3）检查限压阀弹簧，检查个轴承间隙 是否过小；
• （4）检查滤清器滤芯是否堵塞，旁通阀 弹簧是否过硬；
• （5）检查主油道是否堵塞。
三、机油变质
• 1. 现象 （1）颜色发生明显变化，失去粘性； （2）含有水分，机油乳化，乳浊状并有泡
沫。 • 2. 原因 • （1）活塞环漏气；
三、油散热器
• 冷却机油。有风冷、水冷两种
第三节 润滑系的维修
• 一、润滑系的维护
• 1. 日常维护 补给润滑油； 油压；
检查润滑油贮量和质量, 行车中注意观察指示
• 2. 一级维护 应检查离心式机油滤清 器的运转是否正常; 清洗粗滤器;更换 机油粗滤芯(滤纸)。
3.二级维护
• 1)更换机油 • 2)清洗机油虑清器，更换滤芯； • 3)应拆下细滤器壳体,清洗转子罩内壁沉
• 对策：材料、机油防腐剂、曲轴箱通风等。
2.润滑油的作用
• 1)润滑：干摩擦转变为液体摩擦； 2)冷却：通过循环带走高温零件热量； 3)清洗：通过循环冲走零件表面杂质； 4)密封：油液充满在配合间隙中，提高 了密封性。
3.润滑剂
• 1)润滑油（机油）：石油组份＋各种添 加剂。
• 主要性能指标： • 粘度－表示流动性； • 粘温特性－粘度随温度变化的规律；
边界摩擦和润滑化学作用
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（3）氯系极压剂
• 主要品种：含氯29～72％的氯化石蜡等。 • 性能特点：反应活性较高，摩擦系数较小，在极 压条件下可起润滑作用。但遇水即分解HCl，引 起金属腐蚀。 • 作用机理： • ① 有机氯化合物在摩擦下，在金属表面与铁反应 形成氯化亚铁保护膜（层状结构） →而达到减摩 抗磨的作用。 • 而且， 前述各种抗磨极压剂的载荷能力排序如下： 氯系<磷系<硫系
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固体润滑添加剂作用机理：
• 将纳米技术应用于润滑领域，使 固体润滑添加剂的颗粒达到纳米 级，是解决现有添加剂存在问题 的一个有效的方法。 • (1)纳米材料粉末近似为球形，它 们起类似“微型球轴承” 的作用， 从而提高了摩擦副表面的润滑性 能(如图3a） 。 • (2)在重载和高温条件下，两摩擦 表面间的颗粒被压平，形成一滑 动系，降低了摩擦和磨损。 图3 纳米材料润滑作用模型
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（6）纳米固体型抗磨极压剂－研究热点和发展方向
• 主要品种：一类是具有层状结构的物质，
如石墨、二 硫化钼和氮化硼等 另一类是以胶体硼酸盐、聚四氟乙烯和稀 土化合物。第三类是软金属如铅、铜等。
• 性能特点：固体润滑添加剂有着优良的抗
磨减摩性能，同时较好地解决了有机化合 物添加剂的环保和腐蚀问题，但在使用过 程中的一个最大困难就是它们在润滑油中 的分散稳定性。
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（2）磷系抗磨极压剂
• 主要品种：磷酸酯（二苯基磷酸酯）、亚磷酸酯、 次膦酸酯、氨基磷酸盐、磷酸酯胺盐等。 • 性能特点：吸附能力强，反应活性高，抗擦伤性 能和抗烧结作用大。但也可能引起腐蚀反应。 • 作用机理：① 有机磷化合物先吸附在金属表面上 →② 在摩擦下，分解和水解 →③ 摩擦反应形成 无机亚磷酸铁保护膜 →而达到抗磨损的作用。 • 而且， 各种磷系抗磨极压剂的性能排序如下： • 次膦酸酯<磷酸酯<氨基磷酸盐<磷酸酯胺盐
润滑的的基本原理
润滑的的基本原理一、润滑的作用（1）减磨作用：在相互运动表面保持一层油膜以减小摩擦，这是润滑的主要作用。
（2）冷却作用：带走两运动表面因摩擦而产生的热量以及外界传来的热量，保证工作表面的适当温度。
（3）清洁作用：冲洗运动表面的污物和金属磨粒以保持工作表面清洁。
（4）密封作用：产生的油膜同时可起到密封作用。
如活塞与缸套间的油膜除起到润滑作用外，还有助于密封燃烧室空间。
（5）防腐作用：形成的油膜覆盖在金属表面使空气不能与金属表面接触，防止金属锈蚀。
（6）减轻噪音作用：形成的油膜可起到缓冲作用，避免两表面直接接触，减轻振动与噪音。
（7）传递动力作用：如推力轴承中推力环与推力块之间的动力油压。
二、润滑分类1．边界润滑两运动表面被一种具有分层结构和润滑性能的薄膜所分开，这层薄膜厚度通常在0.1µm以下，称边界膜。
在边界润滑中其界面的润滑性能主要取决于薄膜的性质，其摩擦系数只取决于摩擦表面的性质和边界膜的结构形式，而与滑油的粘度无关。
2．液体润滑两运动表面被一层一定厚度（通常为1.5μm～2μm以上）的滑油液膜完全隔开，由液膜的压力平衡外载荷。
此时两运动表面不直接接触，摩擦只发生在液膜界内的滑油膜内，使表面间的干摩擦变成液体摩擦。
其润滑性能完全取决于液膜流体的粘度，而与两表面的材料无关，摩擦阻力低、磨损少，可显著延长零件使用寿命。
这是一种理想的润滑状态。
1）液体动压润滑动压润滑由摩擦表面的几何形状和相对运动，借助液体的动力学作用，形成楔形液膜产生油楔压力以平衡外载荷。
如图5-1所示，在正常运转中，只要供油连续，轴颈就会完全被由润滑油动力作用而产生的油楔抬起，同时在轴承与轴颈之间形成一定偏心度，轴颈所受负荷由油楔中产生的油压所平衡。
此油楔的形成与其产生的压力主要与以下因素有关：图5-1 楔形油膜的形成（1）摩擦表面的运动状态：转速越高，越容易形成油楔。
（2）滑油粘度：粘度过大，则难以涂布。
（3）轴承负荷：负荷越高，越难以形成油楔。
BoundaryLubrication(边界润滑)
Boundary LubricationDefinition: Campbell [1]"Boundary lubrication is lubrication by a liquid under conditions where the solid surfaces are so close together that friction and wear in boundary lubrication are determined predominantly by interaction between the solids and betweenplay little or no part in the friction and wear behavior. " Stribeck CurveCharacteristics•Liquid-solid interactions•Contact between asperities−Increased friction−Wear•Friction & wear determined by properties of solid surfaces as well as properties of lubricant •Shear of thin surface films−Lubricant films < 100 nm thick−Several to hundreds of molecules thick−Solid or liquid−“Lubricant starved” contact•Load sharing−Asperity-asperity contacts−Lubricant pressures generated bySqueeze filmsSliding•"Oiliness" of surfaces determines friction−Lubricant film thickness < 100 nm thickExamplesEngines: Piston rings & liner @ TDC & BDCBiologicalo Synovial joints, e.g., knee with synovial fluido Teeth/saliva during chewingOiled gun barrel & bulletStart up & shut down of equipment:o Engineso Bearingso CamsLubricated metal cutting or machiningProtective Films•Chemical interactions form (protective) films−Surface absorption−Surface reactions•Diamond like (protective) films−Very low (dry) friction µ ≈ 0.001−Chemically inert, very hard−Ali Erdemir: "Near-Frictionless Carbon…….ultra-hard coating many times slicker than Teflon."−Hydrogenated carbon bonded to surface, unreactive.•Design of protective boundary films (hydrocarbons)−Film absorbs to surface−Bodies don't touch−Class of oil additives for bonding to surfaces(surfactants)GREASESMOLECULAR DYNAMICS OF FILMS FLOW THROUGH ROUGH SURFACES ADHESION OF LUBRICANTGOOD BOUNDARY LUBRICANTSBOUNDARY LUBRICATED CONTACT MODELS•Rough surfaces contact:•Asperity forces P i support load @ discrete points •Hydrodynamic fluid pressures p fluid support load elsewhere•Total load supportP = Σasperities P i + ∫area p fluid dA≈ N ⌡⌠d ∞P i (z) F(z) dz + ∫A p fluid dANotes:• Real contact area A real << A, apparent contact area.Thus∫(A - A real ) p fluid dA ≈ ∫A p fluid dA• Many asperities of many heights, thusΣasperities P i ≈ N ⌡⌠d∞P i (z) F(z) dz•References1.W.E. Campbell, Boundary Lubrication, Boundary Lubrication, an Appraisal ofWorld Literature, ASME, 1969, pp. 87-117..2.N.K Myshkin, Chung Kyun Kim, Mark I Petrokovets, Introduction to Tribology,Cheong Moon Gak, 1997.。
设备润滑基础知识
设备润滑基础知识一、设备在运转时是怎样发生磨损的？二、答: 相对运动中的两物体接触面材料的逐渐丧失或转移, 即形成磨损。
是伴随磨擦而产生的现象, 是磨擦的结果。
一个机体的磨损过程在致可分为: （1）、跑合磨损阶段；（2）、稳定磨损阶段、（3）、剧烈磨损阶段。
产生磨损的方式有以下几种: 1.粘着磨损: 当磨擦表面的微凸体在相互作用的各点处发生“冷焊”后, 在相对滑动滑动时, 材料从一个表面转移到另一个表面。
2.磨料磨损: 硬的颗粒或硬的突起物, 引起磨擦面材料脱落。
疲劳磨损: 磨擦面受周期性载荷的作用, 使表面材料疲劳引起材料微颗粒脱落。
4.冲蚀磨损: 当一束含有硬质微颗粒的流体冲击到固体表面上时就会造成冲蚀磨损。
5、腐蚀磨损: 磨擦表面受到空气中酸或滑润油、燃油中残存的少量无机酸及水份的化学作用或电化学作用。
三、设备在运转时, 是怎样润滑的？四、答: 磨擦表面间, 由于润滑油的存在而大大改变了磨擦的特性。
润滑油能在金属磨擦表面而形成油膜, 这种油膜能将两金属磨擦表面不断隔开, 使其表面发生的粘着磨损变得很小, 同时润滑油还能起均化载荷作用, 能降低两金属表面的疲劳磨损。
具体润滑机理可分为:五、边界润滑：当两个受润滑的表面在重载作用下靠的非常紧（两表面间可能只有一微米, 甚至只有一两个分子那样厚的油膜存在, 以致有相当多的磨擦表面微凸体发生接触）, 而润滑油的体积性质（即粘度）还不能起作用时, 其磨擦特性便主要取决于润滑油和金属表面的化学性质。
这种能金属不致粘着的薄膜, 叫边界膜。
其形成原理如下：1、物理吸附作用：当润滑油与金属接触时, 润滑油就在两者的分子吸力的作用下紧贴到金属表面上, 形成物理吸附膜。
2、化学吸附作用：当润滑油分子受到化学键力的作用而贴附到金属表面上时, 就形成化学吸附膜。
3、化学反应：当润滑油分子中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时, 在较高的温度（通常在150的摄氏度至200摄氏度）下这些元素能与金属起化学反应, 形成硫、氯、磷的化合物。
5-边界层及流体润滑
流体润滑的分类：流体静压润滑和流体动压润滑。流体静压润 滑是从外部供给具有一定压力的流体来平衡外载荷。流体动 压润滑是由摩擦表面几何形状和相对运动，借助粘性流体的 动力学产生动态压力，用此润滑膜的动压来平衡外载荷。
5.2.5 流体润滑的基本方程
5.1.3 曲面边界层分离现象
当不可压缩粘性流体流过平板时，在边界层外边 界上沿平板方向的速度是相同的，而且整个流场和边 界层内的压强都保持不变。
当粘性流体流经曲面物体时，边界层外边界上沿曲 面方向的速度是改变的，所以曲面边界层内的压强也 将同样发生变化，对边界层内的流动将产生影响，发 生曲面边界层的分离现象。
Re x K
= V∞ xK ν
= ( 3 .5 ~ 5 .0 ) × 10 5
5.1.2 边界层的描述
在平板的前部边界层呈层流状态，随着流程的增加，边界 层的厚度也在增加，层流变为不稳定状态，流体的质点运动变 得不规则，最终发展为紊流，这一变化发生在一段很短的长度 范围，称之为过渡区，过渡区的开始点称为转折点。过渡区下 游边界层内的流动为紊流状态。
D Fd度上的油膜压力；
C’为取决于宽径比和偏心 率的系数;
B
z
对于有限宽度轴承，油膜的总承载能力为
∫ F
=
+B/2 −B / 21
p'y
dz
=
ηωdB ψ2
Cp
或
CP
= Fψ 2 ηωdB
=
Fψ 2 2ηvB
解释这些参数的含义
式中Cp为承载量系数，计算很困难，工程上可查表确定。
两板之间充满润滑油。
平行间隙不能形成动压油膜。 O
摩擦学原理-边界和分子膜润滑
如极性分子与金属表面形成金属皂，
CnH2n+1COOM
金属
特点： 化学吸附是不可逆的。
3. 边界润滑模型
• 自1922年Hardy提出边界润滑的概念以来边界 润滑理论已有了较大的发展；
• 先 后 出 现 了 Bowden 模 型 、 Adamson 模 型 、 Kingsbury模型、Cameron模型、Cobblestone模 型、混合模型等；
存在问题： • 没有考虑压力对润滑分子的影响; • 没有考虑吸附分子排列方式的影响; • 没有考虑结构影响，如分子长链、大小等。
3.5 Cameron模型
英国三大家： ➢建桥：Bowden, Tabor, Jonhsm, 结合（固体润滑） 流变特性； ➢理国理工：Cameron, Spikes, EHL测试； ➢Leads, Dowson, Talyer 计算。
2. 物理吸附与化学吸附
物理吸附：
当固体表面依靠范德华（Van der Waals）力与介质 中的液体或气体分子相结合而形成定向排列的吸附 层，这种吸附称为物理吸附。
特点： • 吸附分子与固体表面间不发生电子交换； • 物理吸附是可逆的。
2. 物理吸附与化学吸附
化学吸附: 固体表面与液体求气体中的吸附分子间的
一、边界润滑
1. 边界润滑定义 2. 物理吸附与化学吸附 3. 边界润滑模型
1. 边界润滑定义
• 采用不具有流体效应的表面膜进行润滑的 工况叫边界润滑。
• 表面吸附膜或反应膜进行润滑的工况叫边 界润滑。
• 由于润滑分子与固体表面的相互作用而形成 一层具有润滑作用的界面膜在摩擦过程起主 要润滑作用，该种润滑状态叫边界润滑。
边界润滑
存在问题： • 没有考虑压力对润滑分子的影响; • 没有考虑吸附分子排列方式的影响; • 没有考虑分子结构影响，如分子链长、大小等。
3.5 Cameron模型
英国三大摩擦学研究机构： 剑桥：Bowden, Tabor, Johnson, (固体润滑、流变 特性)； 帝国理工：Cameron, Spikes (EHL和测量技术)； University of Leads： Dowson, Tayler (EHL计算）， J. Fisher（生物润滑）。 1960年，Cameron根据分子统计规律，认为摩擦副表 面间的摩擦力主要由分子间的范德华引力造成，由此推 导出引力能。
Arthur W. Adamson (1919-2003)
He was founding editor of Langmuir, the ACS Journal of Surfaces and Colloids, and he was chairman of the ACS Division of Colloid and Surface Chemistry.
边界润滑和分子膜润滑
摩擦学原理
清华大学摩擦学国家重点实验室 2010年
目 录
一、边界润滑
边界润滑定义
物理吸附与化学吸附
边界润滑模型
二、分子膜润滑 三、摩擦控制
1. 边界润滑
1. 边界润滑
Luo JB,Wen SZ, and Huang P, Wear, 1996
1. 边界润滑定义
3.3 Adamson模型－1960年
• •
Adamson在Bowden模型的基础上，考虑了压力的影响，给出 了润滑膜的加压模型。 认为只有在小负荷时，Bowden模型才能成立。在正常压力下， 金属接触区几乎不变化，金属的表面变形不足以将润滑膜挤 走，但足以使其产生微量压缩，即施加机械压力于膜上。 在压力作用下，液体的逃逸趋势和蒸气压增加，使一部分长 链分子平躺着。
汽车机械基础第五节 摩擦与润滑
第五节 摩擦与润滑5.1摩擦学摩擦、磨损、润滑是一种古老的技术，但一直未成为一种独立的学科。
1964年英国以乔斯特为首的一个小组，受英国科研与教育部的委托，调查了润滑方面的科研与教育状况及工业在这方面的需求。
于1966年提出了一项调查报告。
这项报告提到，通过充分运用摩擦学的原理与知识，就可以使英国工业每年节约510,000,000英镑，相当于英国国民生产总值的1%。
这项报告引起了英国政府和工业部门的重视，同年英国开始将摩擦、磨损、润滑及有关的科学技术归并为一门新学科--摩擦学（Tribology ）。
摩擦学：“研究相互作用、相互运动表面的科学技术。
”5.1.1摩擦 一、摩擦在外力作用下，一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时，在接触表面上所产生的切向阻力叫摩擦力，这一现象叫摩擦。
二、分类5.1.2干摩擦干摩擦是指摩擦表面无任何润滑剂的摩擦，工程上指无明显任何现象的摩擦。
一、干摩擦机理:摩擦内摩擦外摩擦滑动摩擦滚动摩擦静摩擦 动摩擦干摩擦边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦摩擦系数下降1 2 1 2 干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦界面vf干摩擦粘着磨损机理粘着理论：实际接触面积：A r=N/σsc剪切力（摩擦力）：Fμ=A rτB摩擦系数：μ=Fμ/N=τB/σsc≈0.2(金属变化不大)二、摩擦系数μ=Fμ/N三、降低摩擦系数方法镀软金属层在金属基体上涂敷一层极薄的软金属，此时σsc仍取决于基体材料，而t B则取决于软金属。
5.1.3边界摩擦一、边界膜的形成机理1.物理吸附膜：润滑油中的极性分子与金属表面相互吸引而形成的吸附。
2.化学吸附膜：靠油中的分子键与金属表面形成的吸附。
3.化学反应膜：油中加入的硫、磷、氯等添加剂与金属表面进行的化学反应而形成的膜。
二、影响边界膜摩擦的因素1.温度2.添加剂3.摩擦副材料：同性材料μ大4.粗糙度5.1.4磨损摩擦系数μ软化温度摩擦表面工作温度一、磨损概念摩擦表面的物质不断损失的现象称为磨损。
边界摩擦和润滑化学作用
二. 流体润滑和弹性流体 润滑 三. 油性添加剂在半流体 润滑中的减摩作用 四. 抗磨和极压添加剂对 边界和极压润滑的作用 五. 润滑剂对几种机械失 效形式的影响
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一、摩擦与润滑
1、基本概念 • 摩擦（ friction）－两个物体表面相互接触并做 相对运动时的受阻现象叫做摩擦。 • 摩擦力－摩擦时产生的阻力称为摩擦力。 • 摩擦系数－表现这种摩擦力的因数称为摩擦系数。 （机械负载大时摩擦系数也大，负载小时摩擦系 数也小） • 磨损（wear）－由于摩擦而产生的固体摩擦面失 重或损伤，称为磨损。 所以，摩擦是动力能源损失的重要原因。
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固体润滑添加剂作用机理：
• 将纳米技术应用于润滑领域，使 固体润滑添加剂的颗粒达到纳米 级，是解决现有添加剂存在问题 的一个有效的方法。 • (1)纳米材料粉末近似为球形，它 们起类似“微型球轴承” 的作用， 从而提高了摩擦副表面的润滑性 能(如图3a） 。 • (2)在重载和高温条件下，两摩擦 表面间的颗粒被压平，形成一滑 动系，降低了摩擦和磨损。 图3 纳米材料润滑作用模型
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（3）氯系极压剂
• 主要品种：含氯29～72％的氯化石蜡等。 • 性能特点：反应活性较高，摩擦系数较小，在极 压条件下可起润滑作用。但遇水即分解HCl，引 起金属腐蚀。 • 作用机理： • ① 有机氯化合物在摩擦下，在金属表面与铁反应 形成氯化亚铁保护膜（层状结构） →而达到减摩 抗磨的作用。 • 而且， 前述各种抗磨极压剂的载荷能力排序如下： 氯系<磷系<硫系
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2、边界膜分类
物理吸附膜
化学吸附膜 边界膜
化学反应膜
沉积膜 固体润滑剂膜
牺牲型化学反应膜
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第五章 边界润滑 （Boundary lubrication ）当摩擦表面完全被粘性液体（或气体）分隔开时称为流体润滑，其摩擦系数与润滑剂的粘度有关。
如果保持流体润滑状态，那末，摩擦表面（金属）间不会互相接触，也就不会产生磨损。
但事实上失效总是会发生的。
也就是说一般情况下很难长时间实现流体润滑状态。
那么在难以保持流体润滑的时候如何来避免失效，这就是我们要研究的边界润滑状态。
边界润滑的特点是与润滑剂的物理性质没有直接联系，而与固体界面的化学性质有关。
一般意义上的“干摩擦”，固体表面常因暴露在大气中而被氧化，覆盖其上的氧化膜也有一定的润滑作用，因此，实质上是边界润滑条件下的摩擦。
从这个意义上讲，除了流体润滑之外的状态都可以认为是边界润滑状态。
边界润滑状态下的摩擦系数，只取决于摩擦表面的性质和边界膜的结构形式，而与润滑剂的粘度无关。
边界膜包括：物理吸附膜 与表面的附着强度取决于吸附热。
与表面间的结合力为范德华力。
化学吸附膜 介质与表面间有电子交换，与表面间为化学键结合。
化学反应膜 介质与表面发生原子交换。
5.1 边界润滑的特征斯特里贝克（Stribeck ）图（图5-1）表示了边界润滑与流体润滑的区别。
曲线的右侧部分，摩擦系数是其横坐标（润滑剂粘度×滑动速度）／载荷 ）这个变量的函数。
而将速度减小，载荷加大，按右面曲线的函数，应该画出如虚线所示指向坐标原点的直线。
但实际情况并非如此，而是摩擦系数增大，且与横坐标的变量无关。
基本上是定值。
这种现象的发生，首先是因为发生了固体表面间的接触，然后摩擦面的一部分进入边界润滑状态。
于是曲线的左侧基本成为完全的边界润滑。
5.2边界润滑理论边界润滑不像流体润滑那样具有完整的理论体系,而是‘没有这样的理论体系’。
但是已经有一些学者从实验得出了一些理论。
现分别介绍于后：5.2.1哈代（Hardy ）的边界润滑理论及其试验哈代的实验是以直链状的石蜡、脂肪酸和酒精作为润滑剂，测量玻璃球、钢球和铋球与各自的这些平面相摩擦。
结果是：玻璃、钢、铋的摩擦系数均随润滑剂分子量的增大而减小；玻璃、钢、铋各自的摩擦系数，不管在什么润滑剂的情况下都是依次递减的。
即玻璃的摩擦系数>钢的>铋的。
如图5-2。
哈代根据以上结果提出了以下的边界润滑机理：摩擦系数润滑剂粘度×滑动速度 载荷图5-1 斯特里贝克图首先认为，固体面上的摩擦取决于作用在界面上固体表面间的分子引力，即粘着。
其次，他认为存在着肉眼看不到的薄膜，这种固体表面间的薄润滑膜，受固体引力的影响沿一个方向整齐排列。
如图5.3所示。
在受到切向应力时出现整齐定向排列的膜与膜之间的滑移。
由于有这种膜的存在，作用在固体面上的分子间引力被削弱，使摩擦减小。
这就是边界润滑作用。
润滑剂分子越大，减小摩擦的作用也明显，即摩擦力随润滑剂分子的增大而减小。
同时，采用同样的润滑剂时，原来分子间引力大的，摩擦系数也还是大的。
这就是最早的边界润滑理论。
5.2.2波登（Bowden ）的边界润滑理论及其实验波登和泰伯（Tabor ）把哈代的想法与真实接触的概念联系起来研究边界润滑状态下的摩擦。
在载荷作用下有润滑的金属表面相互接触，就会有足够的面积发生塑性变形以承受载荷。
由于这些变形，使润滑膜被夹在金属中间，以致承受很大的压力，在压力最大的地方，润滑膜局部破裂而出现金属粘着。
波登的边界润滑观点是边界润滑膜有两个性质：1.在高压下承受大剪切力的真实接触区内也仍有边界膜覆盖；2.膜本身的剪切阻力很小。
因此他认为，受剪切力作用时，既有边界润滑膜存在，也有固体间直接接触的地方——即产生在两相非均匀的界面上，而不像哈代说的产生在均匀的界面上。
这样，产生滑移时，需要分开的真实接触总面积A r 中包括两部分（见图5.4）：①αA r ，为固体直接接触部分；②（1-α）A r 为其间有边界润滑膜存在的面积。
真实接触面积A r ＝N/σb式中：N 为法向载荷；σb 为材料发生塑性流动时所需的压力,即屈服极限。
根据波登的粘着摩擦理论，摩擦力F 是剪切这种真实接触面积所需要的力。
设接触区金属的剪切强度为τ，润滑膜的剪切强度为τf ，则摩擦力：润滑剂分子量图5.2 润滑剂分子量与摩擦系数的关系球面／平面,球面半径1.8～14.7㎝,载荷约0.2～0.6N 范围内到摩擦系数不变摩擦系数玻璃 钢铋图5.3 哈代的模型图5.4 波登的边界润滑模型A rαA rF=αA rτ+（1-α）A rτfF=A r｛ατ+（1-α）τf｝从此式可以看出，如α小，即金属接触区小；如果τf小，即边界膜的剪切强度低，则摩擦力就小。
边界润滑状态下α是很小的。
所以：F≈τf A r因为τf很小，摩擦力也就很小，这就是波登认为即使在高压下承受剪切的真实接触区内，固体面上仍有润滑膜覆盖。
而且这种润滑膜的剪切阻力很小。
波登的边界润滑理论强调了固体接触和润滑剂膜两个部分,即其表达式为数学方程中的二项式。
为了说明其理论，波登进行了实验。
他使用的实验装置为波登－列宾（Bowden-Лебин）试验机（即静摩擦试验机）。
见图5.5。
试样为平板（A）对用弹簧圈加载的半球头（B）。
由于球－板为点接触，压力很大，平板作低速滑动，故可看作边界润滑状态。
由于平板滑动速度极低，测得的数据为静摩擦系数。
波登用不同的材料作摩擦平板，在平板上涂有加入十二烷酸的石蜡系润滑剂。
测量各种材料的摩擦系数。
结果列于表5.1。
图5.5 波登列宾式摩擦试验机由表可见，容易与酸反应的材料（前三种）摩擦系数低，酸引起的润滑效应明显；而下面一些难以与酸反应的材料，摩擦系数就高。
表5.1 摩擦系数和反应性据此结果，波登导出的结论是：润滑不只是由润滑剂（脂肪酸）本身完成的，而是金属与酸反应生成的膜（化学吸附膜）起着有效的作用。
因为可以以化学键吸附在固体表面上的只是第一层，所以他提出：在边界润滑中起有效作用的是润滑剂的单分子膜（虽说单分子膜不能长久地起润滑作用，但毕竟有了这单分子膜就能起润滑作用）。
5.2.3金斯伯里（Kingsbury ）的润滑理论波登的边界润滑理论是建立在静态概念上的。
他没有考虑分子的运动。
而金斯伯里把“动”的要素引入边界润滑问题中。
他提出的滑动模型如图5.6所示。
物体Q 在平面S 上移动，小圆圈为润滑剂分子。
紧贴在表面S 上的6个圆圈是被吸附在表面上的分子。
被吸附的分子不是一直占据在他的位置上，而是在某个时间停留在该位置上。
停留的时间t 取决于吸附能E ，即吸附分子与固体表面相互作用力的大小。
金斯伯里定义α为膜的破裂率：式中：N s 为总的吸附点数N 为实际吸附点数他认为：如果Q 慢慢地移动，被吸附分子有充分的时间逃脱,即N=0,则α≈1.即基本上没有吸附膜，Q 与S 直接接触。
而如果Q 以很快的速度运动，则被吸附的分子根本来不及逃脱而被压在Q 下面,被拉入到滑动面 ，则N ＝N s ，这时的α≈0。
即吸附膜的作用明显。
那末Q 要以多大的速度才能使α≈1和α≈0呢?弗兰克尔（Frenkel ）假设： t r =t 0e (E/RT ）式中：t r 为吸附分子停留的时间；t 0为吸附分子的热运动周期，大体为10-13～10-14秒的数量级； E 为吸附能；R 为气体常数； T 为绝对温度。
如果Q 的滑动速度以走过两分子间距离Z 所需的时间t z 来表示，则当 t z >>t r 时（即速度很慢，吸附分子全逃脱了），则α≈1。
而当 t z <<t r 时（即速度很快，吸附分子全留下了），则α≈0。
此式能满足上述条件。
式中体现了吸附分子的动态特性，比波登的理论更接近实际一些。
但是吸附能量只用了气体吸附公式是不够的，因为液体分子的吸附情况与气体有很大差别。
关于这点，还需继续深入地加以研究。
5.2.4 福克斯（Fuks ）的实验波登提出化学吸附膜的单分子层起着边界润滑作用。
而实际上边界润滑状态下的膜往往比单分子膜要厚，而且是与流体膜性质不同的“中间”膜。
对于这种膜的研究，福克斯把两枚圆钢板放在润滑油中，在各种条件下测量其间的电容，求得两个面间的油膜厚度。
试验结果如图5.7所示。
图5.6 金斯伯里的边界润滑模型s sN N N α-=rz t t e--=1α由图可见，由分子量小的环己烷，可以在压力下使油膜厚度变得几乎为零。
而分子量大的MS-20则在较大压力下仍有较厚的膜，特别是加上0.5%的硬脂酸后，膜厚能增加到300nm 左右，而硬脂酸的分子长度仅2nm ,说明不是单分子膜。
另一个实验测定了油膜厚度与压力的关系，见图5.8。
从图中可以看到，油膜厚度随压力的增加而变薄，同时又随压力的释放而恢复。
这说明两个圆板之间的油膜是可以流动的，也就是说，形成这个膜的是流体（液体润滑剂）。
这个膜（厚度在101～102nm ，即几十个分子层的范围内）的摩擦系数与厚度变化无关，基本上是定值，约为0.005～0.01的范围内。
比波登的化学吸附膜的摩擦系数小一个数量级。
说明边界润滑膜不仅是单分子层在起作用，而且还有与流体润滑膜相接近的摩擦系数。
3.2.5爱伦（Allen ）概念爱伦（Allen ）概念——边界膜可以是具有一定厚度的有规则的流体膜爱伦对福克斯实验中的具有一定厚度的膜，称之为有规则的流体膜（Ordered liquid ）。
图5.9为有规则的流体膜模型。
当然实际上还要更厚，也不那末规整，还有缺陷，还有附近的基础油分子。
形成这么厚的、排列又这么规则的膜，单凭吸附理论还不足以说明。
脂肪酸的长链分 子的二量体靠分子间的相互作用，形成有向束，有向束向着各个方向漂在溶剂中。
另外，由于分子的极性基与金属底材铁原子间产生永久的双极子作用，使化学吸附在表面的单分子膜建立起垂直于界面的场。
虽然这个力场不很强，但已足以使有向束垂直地排列在表面上，于是形成了有规则的厚膜。
极性基与金属面之间，以及形成二量体的极性基之间吸附的能量为平均101kCal/克分子（104J ）；而分子另一端上的甲基间的能量只有平均10-1kCal/克分子左右。
所以要剪断这种膜，就会在平行于表面的甲基与甲基间的某个面上产生滑移。
这与哈代边界润滑理论二量体极性基 甲基 双极子作用图5.9 有规则的流体膜模型543 2 10 20 40 60 80 100 油膜厚度100n m时间，s图5.7 残余油膜厚度施加压力：环己烷0.02MPa ，其它0.41MPa4 3 21油膜厚度100n m0 5 10 15时间,s图5.8 油膜厚度与应力的关系油品：MS-20+0.5%硬脂酸0.28 0.21 0.14 0.07正压力M P a的出发点是相同的。
只是哈代假定表面只有一层单分子膜。
综上所述，哈代和波登认为边界润滑中单分子吸附膜起主要作用。