摩擦学材料研究方法高分子材料摩擦学 第2章 表面和接触

化学反应膜是不可逆的，具有良好的稳定性和承载强度，熔点高，剪切强度低，在高 速、重载和高温条件下，具有良好的润滑和抗磨作用
18
2.2表面结构-与摩擦的关系
摩擦变质层：在一定负荷下的摩擦过程会对表面施加作用力， 产生的摩擦热导致表面温度升高，因此摩擦也会导致和加工 过程相类似的表面性质变化，由摩擦力所导致的表面性质变 化层被称为摩擦变质层。
接触中心变形量
平均接触压力
R和E
21
2.3表面接触-Hertz接触
接触圆周围 产生最大接 触应力
接触圆
表面的应力状态分布
Hertz断裂
摩擦力作用下的表面应力分布类似于左图，伴随着滑动过 程，摩擦力在接触边缘处产生很高的拉伸应力，增加了脆性 材料断裂的危险性。
22
2.3表面接触-分散接触
名义（几何）接触面积Aa：即接触表面的表观面积（Aa＝a·b）。
23
2.3表面接触-分散接触
特性 真实接触面积是很小的。在真实接触面积上发生集中接 触，此时负荷集中在很小的面积上，一般认为接触部位发 生了完全塑性变形。真实接触面积的大小只跟负荷和材料 的屈服压力有关，即： Fn＝ΣΔAr·σs＝Ar·σs ， σs为软方材料 的屈服极限。它是讨论摩擦和磨损规律的基础。
含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷 的一段中线长度称为轮廓微观 不平度截距'(，'%为取样长度! 里上述间距的平均值 在取样长度!内的中心线所含的 轮廓峰凸出数（微观不平度数 量） 在取样长度!内轮廓斜率的算术 平均值
轮廓微观不平度的 平均间距（'%）
轮廓峰的密度 （&） 轮廓的算术平均率 （!"）
2
第2章 表面和接触
表面：指两相间的边界物质，其中相的定义是“具有明 确的物理边界、区别于其他物质系的均一部分”。 实际存在的固体表面并不是象镜面一样简单的平面, 它具有复杂的形状和表面性质。 2.1 表面形貌 2.2 表面结构 2.3 接触和变形
3
illustration of a regular wavy surface texture
断面曲线 波动起伏线


标准长度!
平均线

粗糙度曲线

➣沿着与测定面成直角的面将表面切断，切口的轮廓被称为断面曲线。 ➣除去断面曲线中的波长较长的表面起伏，即可得到粗糙度曲线。 ➣如果去除波长较短的表面粗糙度成分，则可以得到波动起伏线，这根线 直线化后即得到平均线。
7
2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
轮廓峰的平均曲率 为取样长度!内全部轮廓峰顶处 半径（代号"#$%） 的曲率半径平均值
11
2.1表面形貌-典型测量方法
测量方法 光学显微镜 光轮廓 斜剖面 干涉显微镜 复光束干涉 反射电子显微镜 电子显微镜 表面轮廓仪 分辨率μm 横向 0.25~0.35 0.25 0.25 0.25 5 0.03~0.04 0.005 1.3~2.5 纵向 0.18~0.35 0.25 0.025 0.025 0.005 0.002~0.008 0.0025 0.005~0.25
9
2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
仅用高度特征来描述表面 轮廓对于摩擦学应用是不 够的，必须同时给出水平 特征的描述。如图所示， 四种表面粗糙度轮廓的 Ra，σ值都相同或接近， 但形貌完全不同，其摩擦 学特性也有很大不同
轮廓曲线的水平特征
10
2.1表面形貌-轮廓曲线的水平特征
参 数 定 义 数学表达
20
2.3表面接触-Hertz接触
Hertz接触的前提条件： ❶发生接触的表面是无表面粗糙度的两曲面； ❷与两接触物体的全表面积相比，接触面非常小； ❸接触两物体是等质等大小； ❹负荷加在接触面的垂直方向上。
Hertz接触示意图(点接触下)
根据Hertz的应力解析理论，负荷W作用下曲率半径分别为R1、R2的两球(杨式模量分 别为E1、E2，波松比分别为ν1、ν2)接触时，接触部位为圆形且压力呈对称分布。 压力分布 接触圆半径 Hertz最大接触压力
16
2.2表面结构-与摩擦的关系
摩擦的本质就在于摩擦界面间的化学结合。
弱结合 强结合 摩擦副!
离子键 方向性 氢键 共价键
摩擦副"
范德华 作用力
金属键 强度
摩擦力!界面间结合的切断!"（结合强度#结合数）
各种界面结合力的强度和方向性
固体表面的吸附膜和反应膜一般都有润滑作用，可以降低摩擦 美国宇航局(NASA)Lewis研究所的Buckley等发现在真空下用离子溅射或高温加热可以有 效去除表面吸附物，所暴露出的洁净金属和陶瓷表面具有很强的界面结合力--真空中的 摩擦系数通常较大。
25
作
• •
业
请绘出金属表面结构的示意图 请阐述AFM测量表面粗糙度的工作原理
10.21 交
26
摩擦学材料研究方法 高分子材料摩擦学
第3章 摩擦的基本原理
2011-10-08
27
3.摩擦的基本原理
➠ 摩擦及其分类 ➠ 摩擦理论 ➠ 摩擦温度 ➠ 滚动摩擦
28
3.1摩擦基本原理-摩擦的定义
摩擦（Friction）：阻抗两物体接触表面发生切向相对运动的现象。
➣一般地，减小表面粗糙度可以 降低摩擦系数。 ➣但是超精加工表面的摩擦系数 反而剧增。
15
2.2表面结构
反应膜的上面不可避 免地覆盖有来自气体 和液体的吸附分子膜
加工变质层103 nm 污染物膜> 30 nm 吸附分子层0.3~3 nm 氧化膜10~20 nm
和环境气氛发生反应 而导致表面 ( 由其是金 属表面 ) 存在氧化物膜 或者其它化学反应膜
increasingly magnified view of the fine scale roughness
4
2.1 表面形貌
工程上所使用材料的表面一般都是经过机械加工而形成的，因而根据 加工方法的不同而具有不同的特点。 从宏观到微观可以从下述的四个方面来表征表面特性： 轮廓形状(shape) 表面起伏(surface waviness) 表面粗糙度(surface roughness) 晶格结构(lattice structure) 摩擦表面的微观几何形貌对其摩擦磨损特性有重要影响。很多摩擦 学机理与表面形貌有关，对表面形貌的很多统计学参数将直接进入摩擦 学计算过程中，并成为表面加工质量的重要控制参数。当表面起伏相同 时，在工程上必须考虑的表面几何学特性是表面粗糙度。
轮廓接触面积Ac： 考虑到表 面存在形状误差及波度，故只 在波顶部某些区域的微凸体才 会接触。和微凸体的尺度相 比，波顶相对比较平坦，所以 在研究微凸体接触时，可把中 线视为一直线 真实接触面积（Ar）：具有表面粗糙度的两表面接触时， 实际发生接触的面积称为真实接触面积(real contact area）。也是两摩擦表面正真用于传递法向力的面积。
29
3.1.1摩擦基本原理-摩擦的分类
分类方法 摩擦形式 内摩擦 静摩擦 运动形式 动摩擦（滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑摩擦） 干摩擦 润滑状态 边界摩擦 润滑摩擦 摩擦材质 工况条件 特殊工况（高低温、高低压、辐射、真空、腐蚀介质、失重等）
30
摩擦的分类 外摩擦
金属-金属、金属-非金属、非金属-非金属等 常见工况（常温、常压、环境介质等）
金属
固体内部的 原子和分子 处于斥力、 引力的平衡 状态
➣与内部相比，表面原子和分子的周围有一半原子和分子被去掉，因而具有更高 的能量。 ➣加工过程会导致表面层的塑性变形，使其组织微细化，产生加工变质层。加工 变质层中存在很多错位、缺陷，且加工硬化(加工软化)过程也会产生残余应力， 因而表面处于化学不稳定状态。
例如，在延性金属摩擦面下一般可以观察到向摩擦方向 的塑性流动和表面层硬度升高现象；高硬度材料的摩擦 面下一般观察不到这些现象，但在反复作用的摩擦力下 表面层内会聚集大量的残留应力。
摩擦除了造成材料表面物理特性的变化外，还会导致多种表面化学特性的变化， 例如活性点、晶格缺陷的出现、各种射线的放出等。这些化学特性的变化会导致 表面发生复杂的化学反应，从而进一步影响材料的摩擦和磨损特性。
17
2.2表面结构-与摩擦的关系
实例：边界润滑-极压添加剂原理
化学反应膜 润滑油中的极压、抗磨添加剂一定条件下与金属表 面起化学反应而生成的表膜，称为化学反应膜
添加剂必须具有化学活性，金属表面也必须为可反应型。与吸附膜不同，化学反应膜 是添加剂中的硫、磷等原子渗入金属表面，在表面一定深度范围内生成的硫化物、磷 化物等金属盐膜，而不是在表面以外以吸附方式覆盖的一层表膜
Biblioteka Baidu
8
2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
Ra、Ry、Rq比较 Ra和Ry是加工中直接用于控制表面质量的参数，Rq在 工程中很少用，但在轮廓的理论分析中有很重要的应用价 值。上图为两种支承表面的微观形貌，这两种表面的Ra相 同，而Rq值却能把好与差的表面差异反映出来，在塑性材 料磨损，特别是磨合过程中，这种表面形貌的变化是常遇 到的。
两相互接触物体有相对运动或相对运动趋势必然导致摩擦。
摩擦力（Friction
force）：在外力作用下接触的两物体发生滑动和滚动
运动时,接触面上发生的阻碍这种运动的有方向性的力。
摩擦系数（Friction
荷)的比值。
coefficient）：摩擦力与垂直方向的作用力(负
➤严格意义上的干摩擦(dry friction)指的是完全洁净表面间的摩擦。 ➤在“表面”部分已经提到，存在于大气中的固体表面一般均覆盖有氧化物膜、吸 附膜、污染物膜等表面膜，无外加润滑剂条件下这种表面的摩擦也被称为干摩擦或 固体摩擦。
摩擦学材料研究方法 高分子材料摩擦学
第2章 表面和接触
吕仁国
2011-09-30
1
摩擦学（Tribology）：是研究相对运动的作用表面
之间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理 论与应用的一门学科。
氧化膜
金属
吸附分子
载荷
滑动
金属-金属接触
金属 Model of a boundary lubrication
19
2.3表面接触
固体接触
接触状态
集中接触
!"#$% 提出以点接 触、线接触为代 表的集中接触下 的应力解析理论
面接触
!"#$%接触
分散接触
实际使用的工程表面都 具有一定的表面粗糙度， 不可能产生完全的直接 接触，即面接触状态在 实际中是不存在的，它 只是集中接触的分散存 在而已
接触问题不但与摩擦和润滑问题密切相关，也是热传导、电气接点、机械加工、塑性 加工等诸多实际工作中必须解决的一个重要课题。
5
2.1表面形貌
粗糙度 波纹度 形状误差
形貌仪测得的摩擦表面二维形貌
在摩擦学中，特别关心的是粗糙度。因为，
真实形状
通常观察研究的是微区视野，在这视野内， 粗糙度是视区尺寸的同级几何量，是表面的 自然与工艺特征，而波纹度与形状误差则是 可被忽略或理想化的宏观因素。
6
2.1表面形貌-表面粗糙度
表面的一维（直 线）特性
12
2.1表面形貌-实例(激光显微镜）
13
2.1表面形貌-实例(AFM）
硬盘表面粗糙度：Ra=9.8Å, Rq=11.7Å （2000）
14
2.1表面形貌-粗糙度与摩擦的关系
机械啮合理论：
△W!
!!
△F!
认为摩擦起源于表面粗糙度。 摩擦系数 f=tanφ
3.1.1摩擦基本原理-摩擦的分类
摩擦形式
外摩擦：固体表面摩擦只与 接触表面的相互作用有关， 而与固体内部状态无关。 内摩擦：液体或气体中各部 分间的相对移动而发生的摩 擦。
滑动面上发生速度突变。 与滑动速度的关系随工况条件变化。 通 过 运 动 传 递 ， 发生能量转换。 滑动速为0，仍有静摩擦力。
实际的摩擦面一般会受到反复不断的摩擦力作用。经过一段时间的跑合后，摩擦初期发 生塑性接触的摩擦面达到稳定状态，此后微凸体间的接触进入弹性变形范围，由微凸体 的弹性来支撑负荷，因此实际的摩擦磨损观察中必须要考虑表面粗糙度的影响。
24
2.3表面接触-分散接触
粗面接触的解析 ➣粗面接触的基本问题是表面微凸体的变形特性和微凸体顶点的分 布状态。 ➣如果已知表面微凸体的变形特性及其顶点分布状态，则可以用数 学方法一定程度地解析粗面接触，计算出真实接触面积和变形量。 随着计算手段的不断发展，通过测出的断面曲线利用计算机的模拟 手段有可能直接解析接触问题。但对于实际接触表面，由于影响接 触的因素众多，控制粗面接触的主要因素依然不很清楚。