2-摩擦学基础知识详解
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摩擦学基础知识
摩擦最简单的定义：“两个接触的物体，在相
互运动时所发生的阻力”。
摩擦的大小用摩擦系数µ表示，µ值等于摩擦力 F(切向力)与法向力N(载荷)的比值，即 µ =F／N 早期，人们认为摩擦系数是一种材料的常数， 但近年来，发现它并非材料的属性，而是受润滑条 件、固体材料、环境介质、工作参数等一系列因素
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摩擦学基础知识
（在润滑油中的表面活性分 子吸附在固体表面形成单分子
层-边界层-微紊流区-层流区(见
右图)。 为实现流体润滑，最小油膜
厚度必须不小于两接触表面轮
廓高度算术平均值之和，同时 还要考虑在载荷作用下表面的
变形程度，零件加工与装配的
误差，以及润滑油中出现硬杂 质的可能性。油膜有足够厚度
才能避免金属直接接触。）
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摩擦学基础知识
二、摩擦的机理 (一)早期摩擦理论 ( 最早提出摩擦基本概念的是15世纪的Leonado da Vinci(1452—1519)。他的著名假说启发了法国 科学家Amontons进行大量摩擦的试验研究，于 1699年发表了他的试验结果: 发现摩擦力总是等于法向载荷的1／3，而与摩 擦表面的面积无关。 后来Coulumb于1785年，继续进行了仔细的试
(一) 按摩擦副的运动状态分
（1）静摩擦：一个物体沿着另 一个物体表面有 相对运动趋势但无相对运动时产生的摩擦。静摩擦 力大小随作用于物体上的外力而变化。 当外力克服 最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。 （2）动摩擦：一个物体沿着另 一个物体表面有 宏观相对运动时接触表面间的摩擦。这时的摩擦力
就是动摩擦力。 请依次举出静摩擦和动摩擦的实例
边界膜必须具有较高抗压强度和较低剪切强度，
才能起润滑作用。可采用石墨、MoS2和软金属作为 固体润滑膜。
软金属常用材料是铅、锡、铟等，它们都具有很低 的剪切强度。
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思考题 ： 请从晶体结构 的角度解释具 有固体润滑特 性的原因？
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摩擦学基础知识
石墨、MoS2都具有六方结构，沿c轴的晶格常数 均大于a轴，因此层与层原子间结合强度低于层内原 子间结合强度，层与层之间剪切强度较弱。 具有层状结构的常用固体润滑材料
（ 所有油类都能在金属表面上吸附。但吸附膜的
强度决定于其中是否存在活性分子，以及它们的数量 和特性。虽然一般矿物油由非活性的碳氢化合物组成，
Байду номын сангаас
但除去超纯的矿物油外，其中总会含有一些有机酸、
树脂或其它表面活性物质。因此，几乎所有润滑油都 能在金属表面形成小于0.1 µ m厚、准晶态的、并与
表面有一定结合强度的边界膜.）
面积上作用着分子引力，其作用距离比晶格中原子间
距大几十倍，并随温度上升而增加。分子引力可以引 起局部的粘着，粘着力与实际接触面积成正比，施加 的载荷通过实际接触面积影响粘着力的大小。
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摩擦学基础知识
分子力都垂直于表面．在表面发生切向位移时 不会作功。但由于发生了粘着，切向位移会引起材
料的变形，要消耗一定能量，即必须施加较大的切
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摩擦学基础知识
一、摩擦的分类 (二) 按摩擦副的运动方式分 （1）滑动摩擦：两物体接触表面作相对运动 （或具有相对滑动趋势）的摩擦。 （2）滚动摩擦：一物体在力矩作用下沿着另 一个物体表面滚动时接触表面间的摩擦。
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摩擦学基础知识
(三) 按摩擦副的表面润滑状况分
(1)无润滑摩擦(干摩擦)
这种摩擦常用于制动器、摩擦传动和纺织、食品、 化工机械的部件(从污染或安全考虑，不允许使用润滑 剂)，以及在高温下工作的机械部件。 这种摩擦具有分子和机械的特性，即在实际接触
的影响，能在很大范围内发生变化。
摩擦学基础知识
摩擦力是指两个相互接触的物体在外力作用下发
生相对运动（或具有相对运动趋势）时在接触面间产
生的切向运动阻力。摩擦力方向沿接触面的切线方向， 与物体间的相对运动或相对运动趋势相反，阻碍物
体间的相对运动 。
摩擦造成大量能耗，世界能源的1/2-1/3消耗在克 服摩擦上；摩擦使相对运动的零件表面发生磨损，导 致配合间隙增大，影响机器的精度、寿命和可靠性。 摩擦使摩擦副工作温度升高，将发生咬死；或过热使
向力，才能造成位移。因此，摩擦力F决定于分子的 和机械的作用：
F = a· Ar + b· P
式中 ：a 为摩擦力分子作用分量的平均强度，
Ar 为实际接触面积，
b 为反映摩擦力机械作用分量的系数， P 为载荷。
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摩擦学基础知识
摩擦系数 µ = F／P， F = a· Ar + b· P
所以
µ = a· Ar/ P + b
这个表达式对无润滑和有润滑的摩擦都适用。 在摩擦力中，机械作用分量(由塑性变形所引起)一 般比较小，占百分之几。摩擦系数主要由分子作用 分量决定。
如果在金属表面存在氧化膜、水分或污染物，
它们之间的分子引力比清洁金属表面会成百倍下降， 使摩擦系数显著降低。
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摩擦学基础知识
(2)边界润滑摩擦 在边界润滑状态，两接触表面被一层很薄的油膜 隔开(可从一个分子层到0.1 µ m)。这个边界层或边界 膜可使摩擦力降低 2—10倍，使表面磨损显著减少。
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摩擦学基础知识
(2)边界润滑摩擦 在载荷作用下，实际接触表面会发生弹塑性变 形而使微凸体互相挤入，滑动的阻力来自边界膜的 剪切和互相挤入微凸体“耕犁”作用的抗力。此外， 在某些遭受最大塑性变形，或产生局部高温的接触 点上，可能引起边界膜的破坏，导致金属的直接接 触，增加滑动的阻力。
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摩擦学基础知识
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摩擦学基础知识
(3)流体润滑摩擦
流体润滑的特点是摩擦表面完全被油膜隔开， 靠油膜的压力平衡外载荷，油膜厚度越大，固体 表面对远离它的油分子影响越小。在流体润滑中， 摩擦阻力决定于润滑油的内摩擦(粘度)。 这种摩擦条件具有最小摩擦系数。从节能、 延长寿命和减少磨损考虑，流体润滑摩擦是最理
想的条件，摩擦力也与接触表面的状况无关。
润滑剂失效，加剧磨损。
摩擦学基础知识
降低摩擦、减少磨损的措施：用滚动摩 擦代替滑动摩擦，以润滑或固体润滑代替干 摩擦，以减摩合金代替一般金属等。
摩擦的好处？摩擦带来的有效应用？
摩擦的益处： 如摩擦传动，
离合器，
制动器，
火车和汽车的驱动轮，
螺栓和螺母之间的摩擦紧固等。
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摩擦学基础知识
一、摩擦的分类
摩擦最简单的定义：“两个接触的物体，在相
互运动时所发生的阻力”。
摩擦的大小用摩擦系数µ表示，µ值等于摩擦力 F(切向力)与法向力N(载荷)的比值，即 µ =F／N 早期，人们认为摩擦系数是一种材料的常数， 但近年来，发现它并非材料的属性，而是受润滑条 件、固体材料、环境介质、工作参数等一系列因素
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摩擦学基础知识
（在润滑油中的表面活性分 子吸附在固体表面形成单分子
层-边界层-微紊流区-层流区(见
右图)。 为实现流体润滑，最小油膜
厚度必须不小于两接触表面轮
廓高度算术平均值之和，同时 还要考虑在载荷作用下表面的
变形程度，零件加工与装配的
误差，以及润滑油中出现硬杂 质的可能性。油膜有足够厚度
才能避免金属直接接触。）
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摩擦学基础知识
二、摩擦的机理 (一)早期摩擦理论 ( 最早提出摩擦基本概念的是15世纪的Leonado da Vinci(1452—1519)。他的著名假说启发了法国 科学家Amontons进行大量摩擦的试验研究，于 1699年发表了他的试验结果: 发现摩擦力总是等于法向载荷的1／3，而与摩 擦表面的面积无关。 后来Coulumb于1785年，继续进行了仔细的试
(一) 按摩擦副的运动状态分
（1）静摩擦：一个物体沿着另 一个物体表面有 相对运动趋势但无相对运动时产生的摩擦。静摩擦 力大小随作用于物体上的外力而变化。 当外力克服 最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。 （2）动摩擦：一个物体沿着另 一个物体表面有 宏观相对运动时接触表面间的摩擦。这时的摩擦力
就是动摩擦力。 请依次举出静摩擦和动摩擦的实例
边界膜必须具有较高抗压强度和较低剪切强度，
才能起润滑作用。可采用石墨、MoS2和软金属作为 固体润滑膜。
软金属常用材料是铅、锡、铟等，它们都具有很低 的剪切强度。
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思考题 ： 请从晶体结构 的角度解释具 有固体润滑特 性的原因？
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摩擦学基础知识
石墨、MoS2都具有六方结构，沿c轴的晶格常数 均大于a轴，因此层与层原子间结合强度低于层内原 子间结合强度，层与层之间剪切强度较弱。 具有层状结构的常用固体润滑材料
（ 所有油类都能在金属表面上吸附。但吸附膜的
强度决定于其中是否存在活性分子，以及它们的数量 和特性。虽然一般矿物油由非活性的碳氢化合物组成，
Байду номын сангаас
但除去超纯的矿物油外，其中总会含有一些有机酸、
树脂或其它表面活性物质。因此，几乎所有润滑油都 能在金属表面形成小于0.1 µ m厚、准晶态的、并与
表面有一定结合强度的边界膜.）
面积上作用着分子引力，其作用距离比晶格中原子间
距大几十倍，并随温度上升而增加。分子引力可以引 起局部的粘着，粘着力与实际接触面积成正比，施加 的载荷通过实际接触面积影响粘着力的大小。
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摩擦学基础知识
分子力都垂直于表面．在表面发生切向位移时 不会作功。但由于发生了粘着，切向位移会引起材
料的变形，要消耗一定能量，即必须施加较大的切
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摩擦学基础知识
一、摩擦的分类 (二) 按摩擦副的运动方式分 （1）滑动摩擦：两物体接触表面作相对运动 （或具有相对滑动趋势）的摩擦。 （2）滚动摩擦：一物体在力矩作用下沿着另 一个物体表面滚动时接触表面间的摩擦。
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摩擦学基础知识
(三) 按摩擦副的表面润滑状况分
(1)无润滑摩擦(干摩擦)
这种摩擦常用于制动器、摩擦传动和纺织、食品、 化工机械的部件(从污染或安全考虑，不允许使用润滑 剂)，以及在高温下工作的机械部件。 这种摩擦具有分子和机械的特性，即在实际接触
的影响，能在很大范围内发生变化。
摩擦学基础知识
摩擦力是指两个相互接触的物体在外力作用下发
生相对运动（或具有相对运动趋势）时在接触面间产
生的切向运动阻力。摩擦力方向沿接触面的切线方向， 与物体间的相对运动或相对运动趋势相反，阻碍物
体间的相对运动 。
摩擦造成大量能耗，世界能源的1/2-1/3消耗在克 服摩擦上；摩擦使相对运动的零件表面发生磨损，导 致配合间隙增大，影响机器的精度、寿命和可靠性。 摩擦使摩擦副工作温度升高，将发生咬死；或过热使
向力，才能造成位移。因此，摩擦力F决定于分子的 和机械的作用：
F = a· Ar + b· P
式中 ：a 为摩擦力分子作用分量的平均强度，
Ar 为实际接触面积，
b 为反映摩擦力机械作用分量的系数， P 为载荷。
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摩擦学基础知识
摩擦系数 µ = F／P， F = a· Ar + b· P
所以
µ = a· Ar/ P + b
这个表达式对无润滑和有润滑的摩擦都适用。 在摩擦力中，机械作用分量(由塑性变形所引起)一 般比较小，占百分之几。摩擦系数主要由分子作用 分量决定。
如果在金属表面存在氧化膜、水分或污染物，
它们之间的分子引力比清洁金属表面会成百倍下降， 使摩擦系数显著降低。
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摩擦学基础知识
(2)边界润滑摩擦 在边界润滑状态，两接触表面被一层很薄的油膜 隔开(可从一个分子层到0.1 µ m)。这个边界层或边界 膜可使摩擦力降低 2—10倍，使表面磨损显著减少。
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摩擦学基础知识
(2)边界润滑摩擦 在载荷作用下，实际接触表面会发生弹塑性变 形而使微凸体互相挤入，滑动的阻力来自边界膜的 剪切和互相挤入微凸体“耕犁”作用的抗力。此外， 在某些遭受最大塑性变形，或产生局部高温的接触 点上，可能引起边界膜的破坏，导致金属的直接接 触，增加滑动的阻力。
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摩擦学基础知识
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摩擦学基础知识
(3)流体润滑摩擦
流体润滑的特点是摩擦表面完全被油膜隔开， 靠油膜的压力平衡外载荷，油膜厚度越大，固体 表面对远离它的油分子影响越小。在流体润滑中， 摩擦阻力决定于润滑油的内摩擦(粘度)。 这种摩擦条件具有最小摩擦系数。从节能、 延长寿命和减少磨损考虑，流体润滑摩擦是最理
想的条件，摩擦力也与接触表面的状况无关。
润滑剂失效，加剧磨损。
摩擦学基础知识
降低摩擦、减少磨损的措施：用滚动摩 擦代替滑动摩擦，以润滑或固体润滑代替干 摩擦，以减摩合金代替一般金属等。
摩擦的好处？摩擦带来的有效应用？
摩擦的益处： 如摩擦传动，
离合器，
制动器，
火车和汽车的驱动轮，
螺栓和螺母之间的摩擦紧固等。
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摩擦学基础知识
一、摩擦的分类