哈工大研究生摩擦磨损学位课思考题及答案(考试内容)

摩擦磨损理论思考题
1.简述不同学科对摩擦学研究的关注点。

机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。

生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。

地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海，断层形成等。

在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。

2.利用表格分析流体摩擦、边界摩擦、干摩擦三种摩擦状态的基本特征。

表0.1 各种摩擦状态的基本特征
摩擦状态典型膜厚摩擦膜形成方式应用
流体动力润滑1~100μ
m
由摩擦表面的相对运动所产生的
动压效应形成流体润滑膜
中、高速下的面接触摩擦副，如
滑动轴承
液体静力润滑1~100μ
m
通过外部压力将流体送到摩擦表
面之间，强制形成润滑膜
低速或无速度下的面接触摩擦
副，如滑动轴承、导轨等
弹性流体
动力润滑0.1~1μ
m与流体动力润滑相同
中、高速下的点、线接触摩擦
副，如齿轮、滚动轴承等
薄膜润滑10~100nm与流体动力润滑相同
低速下的点、线接触高精度摩擦副，如精密滚动轴承等
边界润滑1~50 nm
润滑油分子与金属表面产生物理
或化学作用而形成润滑膜
低速重载条件下的高精度摩擦副
干摩擦1~10 nm表面氧化膜、气体吸附膜等无润滑或自润滑的摩擦副
3.画图分析金属表面层的结构特点，分析各层是如何形成的？
金属表面在加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面层由若干层次组成。

典型的金属表层结构如图1.1所示。

金属基体之上是变形层，它是材料的加工强化层，总厚度为数十微米，由轻变形层逐渐过渡到重变形层。

变形层之上是贝氏层(Bielby layer)，它是由于加工中表层熔化、流动，随后骤冷而形成的非晶或者微晶质层。

氧化层是由于表面与大气接触经化学作用而形成的，它的组织结构与氧化程度有关。

最外层是环境中气体、液体极性分子和固体颗粒与表面形成的吸附膜或污染膜。

图1.1 金属表层结构
4.简述化学吸附的定义，并以硬脂酸为例画图分析吸附原理。

由于极性分子的有价电子与基体表面的电子发生交换而产生的化学结合力，使极性分子定向排列，吸附在金属表面所形成的吸附膜叫做化学吸附膜。

图 1.10所示为硬脂酸与表面氧化铁在有水的条件下所形成的金属皂膜的示意图。

化学吸附膜比物理吸附膜稳定得多，并且是在同样条件下是不可逆的，需在高温下才能解附。

化学吸附一般在中等载荷、中等滑动速度及中等温度条件下形成。

图1.10 化学吸附
5.简述四个摩擦定律及各自特点。

定律一摩擦力与正压力成正比，可写为
F f = fW (2.1)
式中，F f是摩擦力；f为摩擦系数；W为正压力。

式(2.1)通常称为Coulomb定律，可认为它是摩擦系数的定义。

第一定律在大多数情况下都是成立的，但是当接触表面非常光滑、正压力很高或很小时，与实验结果不完全相符。

定律二摩擦系数与表观接触面积无关。

第二定律一般仅对具有屈服极限的材料如金属是满足的，但不适用于弹性及粘弹性材料。

定律三静摩擦系数大于动摩擦系数。

这一定律不适用于粘弹性材料，尽管关于粘弹性材料究竟是否具有静摩擦系数还没有定论。

定律四摩擦系数与滑动速度无关。

严格地说，第四定律不具有普适性，对金属来说基本符合这一规律，而对粘弹性体来说，摩擦系数则明显与滑动速度有关。

6.粘着摩擦理论计算中，只考虑犁沟效应时，画图并推导摩擦系数计算公式。

如图2.9所示，假设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=2/8d π；在垂直面上的投影面积S =dh /2。

图2.9 圆锥粗糙峰的犁沟模型 如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限为s σ，于是法向载荷W 、犁沟力F e 分别为
218s s W A d σπσ== 12e s s F S dh σσ== 由犁沟效应产生的摩擦系数为
42cot e F h f W d θππ=== 7.分析影响滚动摩擦阻力的四个因素及各自的内部机制。

滚动摩擦阻力主要由以下四种因素引起：
1．微观滑动
微观滑动是滚动过程中普遍存在的现象。

当两个弹性模量不同的物体接触而发生滚动时，由于接触表面产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。

用以传递机械能的滚动接触表面有切向牵引力作用，也将产生较大的微观滑动。

当几何形状使得接触面上两表面的切向速度不同时，将导致更大的微观滑动。

微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑动摩擦相同。

2．塑性变形
在滚动过程中，当表面接触应力达到一定值时，首先在距表面一定深度处产生塑性变形。

随着载荷增加塑性变形区域扩大。

塑性变形消耗的能量表现为滚动摩擦阻力，可以根据弹塑性力学计算。

例如球体沿平面自由滚动时，由于球体运动前方的材料塑性变形所产生的滚动摩擦阻力F f 可以表达为
23f W F R ∝ 式中，W 为法向载荷；R 为球体半径。

3．弹性滞后
滚动过程中产生弹性变形需要一定能量，而弹性变形能的主要部分在接触消除后得到回复，其中小部分消耗于材料的弹性滞后现象。

粘弹性材料的弹性滞后能量消耗远大于金属材料，它往往是滚动摩擦阻力的主要成分。

4．粘着效应
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。

因为结点分离受拉力作用，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。

应当指出，对于铁道运输中的轮轨摩擦还必须保证一定的粘着性能，以防止滚动中打滑而加剧磨
损。

研究表明，轮轨间的粘着效应与材料性能、接触状况以及环境污染等密切相关。

综上所述，滚动摩擦过程十分复杂，在通常情况下，上述各种因素同时影响滚动摩擦阻力，根据滚动形式和工况条件不同，各种因素所起的作用也不同。

8. 简述润滑剂的作用。

主要作用是减少运动副之间的摩擦和磨损，提高机械效率，延长机械的工作寿命。

除此之外，使用润滑循环系统还能起到冷却摩擦副、带走磨损碎屑或其他颗粒污染物以及保护金属表面免遭腐蚀等有益作用。

当然，有些类型的润滑剂有时也会带来环境污染等问题，所以需要对润滑剂的知识有全面的认识和理解。

9.分析润滑脂在滚动轴承中的填充量大小及其对工作特性的影响。

润滑脂的填充量以填充轴承和轴承壳体空间的1/3～1/2为宜。

若加脂过多，由于搅拌发热，会使脂变质恶化或软化。

高速时应仅填充至1/3或更少。

当转速很低时，为防止外部异物进入轴承内，可以填满壳体空间。

10. 简述固体润滑剂的分类，并举例说明之。

固体润滑剂一般可分为以下几类：
1) 层状晶体结构固体润滑剂：它们是易于劈开的化合物或具有减摩作用的单体物质。

按结合形式、结晶体系和成分可分为硫化物、硒化物、碲化物、氟化物、卤化物、单质(石墨等)、氮化物、氧化物、有机物等。

2) 非层状无机物：如硫化物、碲化物、氟化物、陶瓷和超硬合金。

3) 软金属薄膜：如Au、Ag、In、Cu、Pb、Sn及其合金。

4) 高分子材料：如聚四氟乙烯、聚缩醛、尼龙、聚酰胺、聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等。

5) 化学生成膜与化学合成膜：如磷酸盐以及在镀钼金属表面通以硫蒸气生成的MoS2膜等。

最常用的固体润滑剂有：石墨、二硫化钼(MoS2)、聚四氟乙烯(PTFE)和尼龙等。

石墨性能稳定，在350℃以上才开始氧化，并可在水中工作。

二硫化钼与金属表面的吸附性强，摩擦系数低，使用温度范围广(-60~300℃)，但遇水则性能下降。

聚四氟乙烯摩擦系数低，只有石墨的一半。

11.简述金属材料粘着磨损的定义。

由于表面微观不平，当摩擦表面相对滑动时，实际上是微凸体之间的接触。

在相对滑动和载荷的作用下，粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损。

粘着磨损的特点是粘着结点被剪切破坏。

12.画图说明金属三体磨粒磨损的现象并分析其磨损特点。

大多数的多体磨损主要是三体磨损，如图 3.2b所示。

如果外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研磨作用，则称为三体磨粒磨损。

球磨机衬板与钢球、轧碎机滚筒等零件的表面破坏都属于这一类磨损。

通常多体磨损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，并往往超过磨粒的压溃强度。

这种压应力使
韧性金属的摩擦表面产生塑性变形或疲劳，而脆性金属表面则发生碎裂或剥落。

13.画图并分析磨料与材料的相对硬度对金属磨粒磨损的影响。

磨料硬度H 0与试件材料硬度H 之间的相对值对磨粒磨损的影响规律如图3.6所示。

从图中可以看出：当磨料硬度明显低于试件材料硬度，即H 0<(0.7~1.3)H 时，不产生磨粒磨损或仅产生轻微磨损。

而当磨料硬度超过材料硬度后，H 0>(1.3~1.7)H ，磨损量随磨料硬度迅速增加。

如果磨料硬度远高于材料的硬度，将产生严重磨损，之后磨损量不再随磨料硬度变化。

由图3.6可以看出：为了防止磨粒磨损，材料硬度应高于磨料硬度。

通常认为，H 0 / H ≤0.7时只发生轻微的磨拉磨损。

图3.6 相对硬度的影响
14.画出简单的金属粘着磨损模型，推导体积磨损率的计算。

选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a 为半径的圆，每一个粘着结点的接触面积为2
a π。

如果表面处于塑性接触状态，则粘着结点承受的载荷为
2s W a πσ= (3.7)
式中，s σ为软材料的受压屈服极限。

设粘着结点沿剪切平面被破坏。

因为在峰部受压时已经变形，所以迁移的磨屑近似可认为是个半
球，半径为b 。

当滑动位移为2a 时的磨损体积为323b π。

因此体积磨损率可写为
33322d 3d 233s b V b a b W s a a a ππσ⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
15.不同材料的互溶性大小如何影响金属粘着磨损，为什么？
相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。

异性金属或者互溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着磨损的能力较高。

而金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于
异性金属组成的摩擦副。

从材料的组织结构角度分析，多相金属比单相金属的抗粘着磨损能力高。

16.分析金属疲劳磨损剥层理论四个过程并解释片状磨屑的形成机理。

剥层磨损经历四个过程：①表面塑性变形；②塑性变形引起的表层内裂纹成核；③塑性变形引起的未成核裂纹的裂纹扩张；④松动磨损片层形成。

磨屑形状为薄而长的层状结构，它是由于表层内裂纹生成和扩展的结果。

剥层磨损理论是以位错理论以及靠近表面金属的断裂和塑性变形为基础解释片状磨屑的形成机理。

17.简述特殊介质金属腐蚀磨损现象并举例说明。

化工设备中工作的摩擦副在摩擦过程中，由于金属表面与酸、碱、盐等介质发生化学反应或电化学反应而形成腐蚀磨损，例如曲轴轴颈氧化磨损及化工设备中零件表面的磨损。

腐蚀磨损的机理与氧化磨损类似，但腐蚀磨损的痕迹较深，磨损速度较快，磨屑呈颗粒状和丝状，它们是表面金属与周围介质的化合物。

18.简述塑料的粘着磨损过程，与金属对磨时会发生什么现象。

粘着磨损是在塑料表面与对磨面间真实接触区内，在界面上紧靠塑料的一侧发生塑料微凸体断裂，小片塑料从本体材料上被撕裂下来，粘附在对磨面上，形成转移膜与依附膜，或形成自由磨损屑。

当塑料与金属对磨时，由于局部过热而变软了的塑料粘附于金属表面上，产生粘着磨损。

对于塑料，不论是塑料在较硬的金属上滑动，还是金属在塑料上滑动，由于高分子材料的剪切强度与金属的相差百倍以上，剪切都发生在较软的塑料表面上，即产生较软材料向较硬材料上的转移。

19.分析塑料的切削磨损特点及形成的原因。

两对摩面上都布满微凸峰，如果这些硬的突起物具有锋利的边缘与棱角，相对运动时，则可能使对摩面受到切割或撕裂，并且使附近的材料拉伸，甚至局部发生张力破坏，以致受到严重损伤。

在滑动过程中，其中许多凸峰相遇而发生碰撞与相互切削；有些凸峰甚至会对对方平坦部分刨削。

当摩擦副两面硬度差很大时，较硬一面的微凸峰会嵌入较软材料内，将软材料刨削、刮削下来。

对于塑料，对磨面上粗糙、锋利而坚硬的突起物，起到一个微型切削工具的作用，把塑料的某些部位切割、刨、刮下来。

一般塑料都比金属软。

摩擦副中采用的塑料与金属的硬度差较大，塑料表面容易受到这种类型的磨损。

20.画图并分析橡胶材料发生卷筒形式磨损的过程。

图 4.7表示卷筒形式的磨损的形成过程。

设一块橡胶上有一个凸体所承受的法向载荷为N，水平速度为 ，如图4.7a）所示，当切向力不足在界面发生滑动之前，微凸体上将发生复杂的变形，当界面的摩擦力增加时变形会更为严重。

当速度达到使作用于界面上的切向力超过摩擦力使，则各点发生滑移，同时滑动开始，这里暂时假定覆盖在各微凸体上的橡胶层的强度不致使撕扯现象发生，凸体在切向受到切削作用，如图 4.7b）所示，此时开始磨损。

若水平力保持不变，接触区的相对运动在没有完全滑动时（图 4.7 c）），则发生材料的逐渐撕裂，这只有在凸体变成一个卷筒状的切屑时才有可能。

随即，形成滚动摩擦条件，同时在橡胶的其它微凸体处也开始出现这种形式的滚动摩擦（图 4.7 d）），此时，卷筒状的橡胶碎片便脱落下来。

滑动中摩擦所产生的热量将降低弹性体的撕裂强度，从而有利于橡胶成卷。

图4.7 卷筒形成的过程
21.分别介绍磨损量测试的称重法、测长法的原理和适用范围。

称重法是一种直接的磨损量重量计量法。

它利用精密分析天平、电子天平等仪器称量试件在实验前后重量的变化确定磨损量，通常测量精度可达到0.1 mg。

它是一种较常用的磨损量测量法，适用于小尺寸试样或摩擦过程塑性变形不大的试件。

一般情况下，称重法应同时测定配对摩擦副试件的磨损量。

测长法通过测量试件在实验前后摩擦面法向尺寸的变化或者磨损表面与某基准面距离的变化确定磨损量。

常用的工具是精密量具、测长仪、万能工具显微镜或其他非接触式测微仪。

测长法的特点是试件经短时间工作即能测定磨损量，测量精度高，可用于确定试件不同部位的磨损量分布情况。

该方法适用于表面粗糙度小、磨损量不大的试件，而不适用于测量表面有明显塑性流动的试件的磨损量。

22.简述摩擦磨损检测中的铁谱分析技术原理及铁谱片的制作过程。

铁谱分析技术的原理是定期地从循环的润滑油系统中抽取少量润滑油样，将油样在铁谱分析仪用玻璃片制作的流道中自上而下低速、稳定地流动，在铁谱仪设置的有磁场梯度变化的磁场力作用下，油样中的磨屑沉淀在流道中形成铁谱片。

铁谱仪中的油液流道设置在倾斜布置的玻璃片上，而且流道仅限于玻璃片的中央窄带位置。

流道的倾斜布置导致磁场梯度的变化，自上而下磁场梯度增加，磨屑在粘性力和磁场力复合作用下，自动地按磨屑颗粒尺寸大小分布，较大的颗粒先沉淀，较小的颗粒后沉淀。

当一定量的润滑油流经玻璃片后，经清洗及固定过程，除去多余的油，并使颗粒定位，即完成铁谱片的制作。

23.在进行零件磨损失效分析时，现场收集资料包含哪几方面。

第一时间现场收集零件失效的第一手资料对零件的磨损失效分析是至关重要的。

现场收集的资料信息包括以下四个方面：
1) 被磨损零部件的实物和图纸，还有未使用的相同零件用于对比分析。

2) 磨损失效零部件工作条件，包括载荷、速度、温度等参数以及磨损的过程、时间和部位。

3) 润滑油供应系统和技术性能参数。

4) 维护保养和操作规范及其执行情况等。

24.画图说明火焰喷涂工艺原理。

1) 火焰喷涂工艺是利用气体与氧燃烧释放的能量熔化涂层材料，并通过压缩气体将熔化的金属微粒喷射到基体材料表面，沉积后获得涂层。

见图7.2 表面喷涂技术原理图a)
25.论述表面涂层设计的一般原则。

1. 满足工况条件要求
设计表面涂层时，首先要分析工作时涂层的受力状态及其他工况条件，然后选择适合的涂层类型。

例如，在氧化气氛或腐蚀介质中工作的零件，可以应用热喷涂工艺，选择陶瓷、塑料等非金属喷涂材料；如果要求涂层具有很高的表面耐磨性，则选择陶瓷或者合金钢涂层材料；如果涂层的工作温度很高或温度变化很大，则应该选择耐热钢、耐热合金或陶瓷材料制备涂层。

2. 具有适当的结构和性能
根据表面涂层的工况条件，设计表面涂层的厚度、结合强度、尺寸精度，并确定涂层内是否允许存在孔洞，是否需要机械加工及加工后的表面粗糙度等。

3. 与基体材质和性能的适应性
表面涂层与基体的材质、尺寸外形、物理化学性能、热膨胀系数、表面热处理状态等应有良好的适应性。

4. 技术可行性
要达到所设计表面涂层的性能要求，应当分析选定的涂层工艺可行性。

如果单一表面涂层不能满足性能要求，应该考虑是否可以采用复合涂层方法，即采用不同的涂层工艺，在零件表面进行多次涂层加工，以获得能达到综合性能要求的涂层。