机械设计 第二章 摩擦磨损润滑

磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中，大约 有80% 是由于各种形式的磨损造成的。
润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。
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第二节 表面性质及表面接触
一、表面性质 金属表面性质主要包括两方面的内容：表面形貌
和表面组成。 1、表面形貌
在工程中使用的金属表面，都不是理想的光滑表 面，尽管宏观上看上去大都很光滑，但微观上看，实 际表面凹凸不平。
们之间的接触状况。一般经过机械加工的金属表面， 都有一定的粗糙度。
因此，两摩擦 表面在相互接触 时，实际只是个 别的微凸体之间 接触。
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二、表面接触 实际表面的接触情况： a) 许多微凸体接触，实际接 触面积较小。 b) 受载后，参与接触的微凸 体数目增加。
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表面接触的一些结论：
古典摩擦理论有一定的局限性，例如，法向力很大 的时候，实际接触面积接近名义接触面积，摩擦力和 法向力就不再成线性关系。
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干摩擦理论（表面接触数学模型）：
鉴于古典摩擦理论的局限性，人们进一步研究有 关摩擦的机理，并形成了很多干摩擦理论：
机械啮合理论 分子作用理论 粘着摩擦理论 分子—机械理论 等… …
机械设计
万小利
博士、教授 2006. 02
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第二章 摩擦、磨损及润滑基础知识
第一节 概述
摩擦学:专门研究作相对运动和相互作用两表面间 的摩擦、磨损和润滑问题。是有关摩擦、磨损和 润滑科学的总称。 有用摩擦：利用摩擦传递动力或吸收能量起缓 冲阻尼作用。应采用耐磨材料副。 有害摩擦：造成能量损耗、效率降低、温度升 高、表面磨损。应采用减摩材料和减摩措施。
实际接触面积随着法向载荷的增大而增大，它的增大主要体 现在接触点的数量增加，而各个接触点因弹性和塑性变形而使 接触面积的增加是次要的。
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第三节 摩擦
在外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动 或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗 滑动的阻力，这一现象叫做摩擦，这时所产生的阻力 叫做摩擦力。
是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金 属接触时的摩擦。
在机械设计中，通常将两接触表面没有人 为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦。
干摩擦时，摩擦阻力最大，金属间的摩擦 系数
f = 0.15 ~ 1.5。
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古典摩擦理论（阿蒙顿，库仑）
摩擦力F 与正压力FN 成正比 F =fFN
摩擦力F 与表面名义接触面积的大小无关 F静 > F动，且 F动 与 v 无关
金属表面的实际接触面积非常小，通常只是名义面积的1%到 0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。
表面微凸体大小、高度不等，接触时一部分弹性变形，一部分 塑性变形，这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。由于 实际接触面积非常小，所以接触面积上的应力非常大，因此，大 多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体。
➢形状误差 实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。 在表面形貌分析中，通常是不考虑的。
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表面粗糙度对材料表面性质影响最大，通常用轮廓算术 平均偏差Ra值的大小来度量金属表面的粗糙程度。
Ra1 l 0 l y(x)dx1 ni n1yi
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2、表面组成 金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质。 金属表面在切
表面形貌
指金属表面几何特征的 详细图形
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表面形貌中的三个主要参量(表征)：
➢表面粗糙度 指细密空间的不规则性
跳动，反映的是金属表面微 观几何形状误差。它体现了 表面加工方法的固有特性。
实际轮廓 表面粗糙度 表面波度 表面形状
➢表面波度 指较大空间内周期性出现的不规则性波 动。往往是因为机床刀具或工件振动的结果。
摩擦可分为两大类：一类是发生在物质内部，阻碍 分子间相对运动的内摩擦；另一类是在物体接触表面上 产生的阻碍其相对运动的外摩擦。
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外摩擦
静摩擦 动摩擦
动摩擦 干摩擦
滑动摩擦 滚动摩擦
表面摩擦状态 （润滑状态）
边界摩擦（边界润滑）
液体摩擦（液体润滑） 混合摩擦（混合润滑）
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一、干摩擦
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3、粘着摩擦理论
表面承载接触——小接触面积——高应力——塑性变形——冷焊粘 着——相对运动——剪断——摩擦磨损 表面承载接触——较硬表面微凸体——相对运动——在较软表面 上犁出犁沟
粘着理论认为：
➢摩擦表面处于塑性接触的状态； ➢滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程； ➢摩擦力是粘着效应和犁整理沟ppt效应产生阻力的总和。
有很大的出入，为此，Bowden等人于1964年又提出了一
种更切合实际的修正粘着理论。可参考有关资料。
削加工过程中表 层组织结构将发 生变化，使表 面由若干层次构 成，典型的金属 表面结构如图所 示。
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表面吸附膜——决定金属表面的润滑特性（边界润滑） （边界膜） 表面氧化膜——决定金属表面的摩擦磨损特性 变形层和贝氏层——决定金属表面强度
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二、表面接触 研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先是了解它
在简单粘着理论中摩擦系数 f B Ar sc
B sc
较软材料剪切强度 较软材料受压屈服
简单粘着理论由于在分析实际接触面积时只考虑受压
屈服极限，而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，
没有考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切
应力的联合作用，因此得出的滑动摩擦系数与实测结果
认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分 子吸引力的过程，因而摩擦力就是接触面积上的分子 和机械作用所产生的阻力总和。
其摩擦系数的表达式为： f Ar
FN
式中： 为与表面分子特性有关的参数; . 为与表面机械特性有关的参数;
Ar为实际接触面积; FN为法向载荷 分子—机械理论考虑的因数较多，比较符合实验的结 果。能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态。
库仑理论 能量理论 犁沟理论
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1、机械啮合理论
认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表 面微凸体机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量 损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形。
2、分子作用理论
认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦 的起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引 力形成的。
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4、分子—机械理论（摩擦二项式定律）