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。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：

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 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

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：

F=αA r τ+（1-α）A r τf

F=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

图5.5 波登列宾式摩擦试验机

图5.4 波登的边界润滑模型 A r αA r

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。

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

代表润滑剂分子。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。停留图5.6 金斯伯里的边界润滑模型