摩擦与润滑

摩擦与润滑
1、基本概念基本概念基本概念基本概念
摩擦学：摩擦学（Tribology）一词是1966年才开始使用的，是研究相互作用表面发生相对运动时的有关科学、技术和实践的一门综合性科学技术，其基本内容就是研究机械中的摩擦、磨损和润滑问题。

摩擦：两个相互作用的物体在外力作用下发生相对运动时所产生的阻碍运动的阻力称为“摩擦力”，这种现象称之为“摩擦”。

磨损：摩擦副之间发生相对运动时引起接触表面上材料的迁移或脱落过程称之为磨损。

润滑：在两物体相对运动表面之间施加润滑剂，以减少接触表面间的摩擦和磨损。

2、基本原理：摩擦原理的早期认识及基本观点：
答：凹凸说：1、认为摩擦的起因是一个凸凹不平的表面沿另一‘表面上的微凸物体上升所作的功，也就是说摩擦是由于表面凸凹不平而引起，即摩擦的凹凸学说。

2、库仑在解释摩擦起因时，他认为首先是接触表面凹凸不平的机械啮合力，其次是分子之间的粘附力。

虽然，他已认识到粘附在摩擦于可能起一定作用．但是次要的，粗糙表面的微凸体才是主要的。

粘附说：1、摩擦粘附说：认为摩擦力的真正原因在于接触摩擦区两表面之间的分子粘附作用。

2、表面分子吸引力理论：认为摩擦是接触表面分子间相互排斥力与相互吸引力的作用结果。

3、分子机械摩擦理论：认为机械与分子吸附是摩擦之源。

摩擦与接触面微凸体的弹塑性变形、微凸体相遇时的剪切、犁沟以及接触面分子吸引有关。

4、近代被公认的摩擦粘附理论：认为表观接触面积与真实接触面积差别很大，而且真实接触面积还会随摩擦条件而变化，两微凸体之间因存在吸附力而形成接点。

摩擦力应为剪断金属之间接点所需的力与硬金属表面微凸体在软金属表面犁沟所需力之和。

这一理论最初应用于两种金属之间的摩擦，现在，已深入到非金属等许多其他材料。

第一章表面性质与表面接触
1、为什么在选择润滑剂时希望其表面张力越低越好？
答：液体的表面张力越小，接触角越小，固体表面就越容易被液体表面浸润。

一般认为，液体的表面张力小于固体的表面张力即可润湿固体表面，所以在选择润滑剂时希望其表面张力越低越好。

2、物理吸附与化学吸附有何不同？
答：物理吸附是发生在气体与固体表面接触时由于分子间的作用力(范德华力)而产生的吸附，其特征是不改变吸附层的分子结构或电子分布，所以吸附能力较弱。

当温度升高时易发生解吸。

化学吸附是指接触面上分子间产生了电子交换，或电子对偏移，电子的分布发生改变而形成化学结合力，结合能比物理吸附要高，在较高温度才会发生解吸。

3、金属成形过程中为什么会发生表面粗糙化现象？
答：1、金属塑性变形的主要机制就是滑移，指晶体在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变，结果在金属的表面出现一系列的滑移台阶，这就是在适当的条件下在金属表面上所能观察到的滑移带或滑移线现象。

金属的宏观塑性变形许多多的位错在多个滑移系上同时协调作用的结果。

内于交叉滑移、多滑移使位错相互交割，使运动阻力增大，因此，塑性变形的结果使得在坯料或制品表面产生塑性粗糙化现象。

（形成机制）2、在塑性加工过程中，工具与变形金属接触表面之间，当存在连续的足够厚度的润滑油膜时，由于过厚的油膜阻碍了变形金属表面和工具的直接接触变形过程中，金属表面如同自由表面变形，导致变形后表面产生粗糙化现象。

（形成条件）
第二章材料成形摩擦理论
1、举例说明材料成形过程中摩擦的特点、作用及对成形过程的影响.
答：摩擦的特点：(1)在高压下产生摩擦。

塑性成形是的接触表面上的压力很大，一般热加工时面压为100—150MPa，冷加工时高达500—2500MPa。

但是，机器轴承中，接触面压通常只有20—50MPa，如此高的面压使润滑剂难以带入或易从变形取剂出去，使润滑困难及
润滑方法特殊。

（2）价高温度下的摩擦。

塑性加工时界面恶劣，对于热加工，根据金属不同，温度在数百度至1000多度之间；对于冷加工，则由于变形热效应、表面摩擦热，温度也达到颇高的数字。

（3）伴随着塑性变形而产生的摩擦，在塑性变形过程中由于高压下变形，会不断增加新的表面，使工具与金属之间的接触不断改变。

（4）摩擦副（金属与工具）的性质相差大，一般工具都硬而且要求在使用时不产生塑性变形；而金属不但比工具软得多，而希望有较大的变形，二者的性质与作用差别如此之大，因而使变形时的摩擦情况也很特殊。

摩擦的作用：<1>不利影响：(1)改变物体应力状态，致使金属变形抗力和能耗增加。

(2)引起工件变形与应力分布不均匀。

(3)加速工模具磨损．降低使用寿命。

(4)恶化制品质量，增加金属消耗。

(5)降低作业率，增加生产成本。

<2>有利影响：（1）强化轧制（a）即在轧制咬入阶段，可以顺利咬入的条件是：摩擦角大于咬入角，此时摩擦是有力的；（b）在稳定轧制时，后花去的摩擦力是拽入的动力；（2）Conform 连续挤压连续挤压连续挤压连续挤压: 利用摩擦，使得：(a) 挤压过程本身的能耗比常规挤压降低30%以上。

(b) 铝材挤压前坯料无需加热，可大大降低能耗，估计比常规挤压可节省3/4左右的热电费用。

（3）挤压“死区”: 可阻碍锭坯表面的杂质、氧化物、偏析瘤、灰尘及表面缺陷进入变形区压缩锥而流入制品表面，提高制品表面质量。

(4) 有效摩擦挤压: 挤压时挤压筒沿金属流出方向以高于挤压杆的速度运动，使挤压筒作用给锭坯的摩擦力方向与挤压杆的运动方向相同，促使金属向模孔流动。

2、材料成形中摩擦的类型及各自特点是什么？
答：摩擦的类型：1、干摩擦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。

干摩擦服从阿蒙顿-库仑定律，摩擦力计算公式为F= μ N。

2、边界摩擦：接触副表面之间存在极薄边界膜(厚度约为0.01 μm ～0.1 μm)时产生的摩擦叫做边界摩擦，润滑剂中含有表面活性物质，边界吸附膜具有类似晶体结构的有序排列。

润滑剂中不含活性物质，在金属表面形成的油膜不具有明显的定向排列结构。

边界摩擦的摩擦力仍适用于摩擦的阿蒙顿-库仑定律。

3、流体摩擦：摩擦副
表面之间完全被润滑油膜隔开时产生的摩擦叫做流体摩擦，又称液体摩擦(Fluid Friction)。

此时，摩擦副表面完全被润滑剂隔开．不存在表面微凸体的直接接触和咬合。

流体摩擦原理与干摩擦和边界摩擦原理不同。

干摩擦与边界摩擦服从统计学和动力学规律，而流体摩擦只服从流体动力学规律。

流体摩擦实质上是润滑油之间的内摩擦。

流体摩擦力根据牛顿定律计算。

4,、混合摩擦：在金属成形过程中，实际上常常是以以上三种摩擦形式共存，称之为混合摩擦。

这种情况下，整个接触区由干摩擦，边界摩擦及液体摩擦区组成。

这时总摩擦力应为三者之和。

3、滑动摩擦与粘着摩擦系数系数的计算：
答：1、滑动摩擦的摩擦系数计算：根据分子---机械理论，有：（θ为凸峰倾角）2、粘着摩擦的摩擦系数的计算：根据初级摩擦理论,有：，修正后为：。

4、简述粘着摩擦有什么不足，为什么？答：初级摩擦理论的最大缺点是没有考虑接触点所处的应力状态，即受切向力和正应力的共同作用的相互关系。

由于金属在局部范围内发生塑性变形，这两种应力都会使材料屈服。

第一章摩擦学绪论摩擦学绪论摩擦学绪论摩擦学绪论
摩擦力：两个相互接触的物体，在外力的作用下，发生相对运动时，阻碍运动的阻力。

根据两个摩擦物体状态不同分为：固体与固体的摩擦、固体与液体的摩擦、固体与气体的摩擦。

磨损：摩擦副之间发生相对运动时引起接触表面材料的迁移或脱落过程。

磨损和摩擦热是摩擦的必然结果。

润滑：在两个相对运动的表面之间施加润滑剂，以减少摩擦和磨损的过程。

摩擦理论的两种学说：凹凸说：认为摩擦的起因是一个凹凸不平的表面沿另一个表面上的微凸物体上升所做的功。

粘附说：认为摩擦的起因是接触摩擦区两表面之间分子的粘附作用。

研究摩擦的意义：1、降低金属成形过程力能的消耗；2、提高生产效率；3、改进成形制品质量，减少金属损失。

4、节约用水，减少酸液的使用。

第二章表面性质与表面接触
按照凹凸不平的几何特征和形成原因，实际的金属表面形貌是由形状偏差、波纹偏差和表面粗糙度组成。

常用粗糙度：Ra（中线平均值）、Rs（均方根值）表面粗糙度的测量通常用显微镜和表面轮廓仪，其中表面轮廓仪不仅可以测量全部16个表面参数，而且还可以得到表面轮廓的图形。

表面吸附根据吸附膜的性质不同分为物理吸附和化学吸附
物理吸附：在气体与固体的表面接触时，由于分子间的作用力（范德华力而产生的吸附，其特征是不改变吸附层的分子结构或电子分布，吸附能力较弱。

当温度升高时易发生解吸。

化学吸附：在接触面上分子间发生了电子交换，或是电子对的偏移，电子分布发生变化而形成的化学结合力。

吸附能力比物理吸附大，在较高温度时才能解吸。

接触面积：表观接触面积（或名义接触面积，用Aa表示）、轮廓接触面积（Ac）、实际接触面积（Ar）。

实际接触面积是很小的，一般只占表观接触面积的0.01%-1%，但是当接触表面发生相对运动时，实际接触面积对摩擦和磨损却起着决定作用。

润滑条件下金属的的表面粗糙化：在金属成形过程中，工模具与变形金属接触表面之间，触，变形过程中金属的表面如同自由表面变形，导致变形后表面差生粗糙化现象。

（粘度越大越严重）。

第三章材料成形摩擦理论
外摩擦：材料成形中，接触表面发生相对运动产生阻碍接触表面金属质点流动的摩擦力。

内摩擦：工件发生塑性变形时，金属内部质点产生相对运动引起的摩擦。

（表现为内部发热）
材料成形过程摩擦的特点：1、内外摩擦同时存在2、接触压力大（冷变形500MP-2500MP；热变形50MP-500MP）3、影响摩擦系数因素众多（应力状态、变形几何参数、工艺条件）4、接触表面状况与性质不断变化
材料成形过程摩擦的作用：1、改变物体应力状态，致使金属变形
抗力和能耗增加2、引起工件变形与应力分布不均匀3、加速工模具磨损，降低使用寿命4、恶化制品质量，增加金属消耗5、降低作业率，增加生产成本
基本摩擦理论：1、分子-机械理论：摩擦力是由接触表面微凸体间的机械啮合力与分子间相互吸引力之和。

F=F变+F粘（比凹凸说全面）；2、粘着理论（吸附理论、焊合理论）：认为啮合力是由于凸峰在接触以后承受压力发生塑性变形而产生的。

F=τmAr+Fp 第四章第四章影响摩擦的因素
影响摩擦的因素：1、接触表面性质。

a、金属种类和化学成分（同类金属≥不同类金属≥金属-非金属；能形成合金的金属≥不能形成合金的金属；不锈钢的摩擦系数比碳钢大）。

b、工具表面状况。

（材质：铸铁棍小于钢棍；淬火钢小于未淬火钢等。

硬度、表面粗糙度）
2、接触表面的界面膜。

a、污垢膜：起润滑作用，使摩擦系数降低。

b、氧化膜：由于金属氧化物的组成与性质不同，所以有时导致摩擦系数降低起到润滑作用，有时使摩擦系数增加起到磨损作用。

c、金属膜：金属膜是为了防止接触表面粘着，人为地在工模具或工件表面覆盖连续的金属膜，以达到润滑的目的。

3、成形温度。

a、无润滑条件时：主要是温度改变了金属氧化物的成分性质以及材料接
触压力变化。

比如碳钢随成形温度的增加，摩擦系数先增加后减小。

b、有润滑条件时：温度主要通过改变润滑剂的粘度来影响摩擦系数。

一般来说，随温度升高，润滑剂粘度下降，因此油膜厚度减小，导致摩擦系数增加。

4、成形速度。

a、轧制速度：在低速范围内，随轧制速度的增加，变形区油膜厚度增加，摩擦系数减小。

b、拉伸速度：主要是造成温升，引起油膜破裂。

5、变形程度。

a、载荷的影响：实践证明，金属表面之间的摩擦系数随着载荷的增加而降低。

（主要原因：实际接触面的增加速度比载荷的增加速度慢）。

b、变形程度的影响：低碳钢l/小于2.7时，变
形区长高比对摩擦系数有特别显著影响，当l/足够大时，对摩擦系数的影响才变得很小。

金属氧化膜起润滑作用时应具备的性能：1、氧化膜必须有一定的厚度，而且是连续的膜；2、氧化膜必须有一定的延展性，并能跟随工件同步变形；3、氧化膜的剪切强度应低于材料本身；4、如果氧化膜被破坏掉，它亦能很快的再生。

第五章述成形工艺润滑概述
工艺润滑的基本功能：（1）控制摩擦；（2）减少磨损；（3）降低成形过程力能参数；（4）改善成形制品表面质量；（5）隔热性；（6）冷却性；（7）化学稳定性；（8）不同工况的适应性；（9）使用方便可控制性；（10）使用安全性；（11）残留物易清除；（12）符合环保要求。

乳化液：两个互不相溶的液相中，一种液相以细小液滴的形式均匀分布于另一种液相中形成的两相平衡体系。

乳化剂：由两种互不相容的液相（如油和水）混合时，不能形成稳定的平衡体系，故需加入表面活性剂，即乳化剂。

（其分子一端为憎水基，一端为亲水基）
根据乳化液分散相所带电荷的性质，乳化剂可分为：阴离子型（目前使用较为广泛的轧制润滑乳化液）、阳离子型、非离子型。

乳化液的组成：基础油（可以是矿物油或是动植物油）、乳化剂、添加剂（主要是乳化稳定剂、抗氧剂、油性剂等）和水。

乳化液的制备流程：基础油----乳化剂----添加剂----加热、搅拌----乳化油----脱水----乳化液使用最广泛的固体润滑剂是粉状的石墨和二氧化钼（两者都是优质高温润滑剂）。

石墨使用温度在200?C ~400?C，二氧化钼在340?C~400?C开始氧化。

第六章基本工艺润滑里理论
润滑状态：1、流体润滑状态：流体润滑的表现形式是两接触表面完全被润滑油膜隔开，也即油膜厚度大于接触表面粗糙度，系统的摩擦力来源于润滑剂分子
运动的内摩擦。

2、混合润滑状态：在混合润滑状态中，载荷一部分由润滑剂油膜承担，另
一部分则由接触中的表面微凸体承担。

3、边界润滑状态：两金属表面间距非常小，以致于在表面微凸体之间发生
明显的接触；流体动压作用和润滑剂的整体流变性能对此几乎无影响；
摩擦学特征决定于薄层边界润滑剂和金属表面之间的相互作用。

润滑状态的判别：1、厚度比λ：主要用于区别流体润滑与混合润滑（λ>3时即为流体润滑）2、摩擦系数μ：流体润滑μ<0.01；混合润滑μ<0.01~0.1；边界润滑或干摩擦μ<0.1~1.0；3、表面质量：流体润滑易在工件表面形成油窝或是沟槽；边界润滑工件表面较为光亮，并且粗糙度接近工模具。

混合润滑介于两者之间。

4、添加剂作用：添加剂通常在边界润滑或是混合润滑状态下下能发挥作用。

第七章轧制过程摩擦与润滑
摩擦峰：按卡尔曼平衡方程计算的轧制单位压力在中性点处出现一个峰值，被称为摩擦峰。

剩余摩擦：咬入条件，；稳定轧制β≥α/2；在轧制建成时所需的摩擦条件仅为咬
入时的1/2，即一旦轧制过程建立，有一半的摩擦是多余的，多余的摩擦就称为剩余摩擦。

剩余摩擦主要作用：1、推动前滑区金属速度大于轧辊线速度，即产生前滑；2、在后滑区用来平衡前滑区的摩擦力。

有效摩擦：稳定轧制时总的摩擦减去剩余摩擦的那部分就是有效摩擦，它用以保证轧制的稳定进行。

摩擦力对轧制压力的影响：单位摩擦力和单位压力沿接触弧长分布与变形区的长高比有很大关系。

l/h > 5时，一般认为接触弧上有几个区域。

靠近出口、入口处为滑动区，遵从干摩擦定律，单位压力p 向接触弧中心方向逐渐升高，当单位摩擦力因p升高而达到k值，即τ=μp=k，即出现了粘着区。

此外粘着去中部中性点附近，出现了塑性变形停滞区，该区域内没有塑性变形，该区段中摩擦力可近似按直
线规律变化。

（其余的几种情况类比这个即可）
工艺润滑的作用：
1、热轧：减少热轧过程轧辊与轧件之间的摩擦系数；降低轧制压力；减少轧辊消耗，提高作业率；改善轧后表面质量；改善制品内部组织性能。

2、冷轧：润滑作用；冷却作用
钢的热轧工艺润滑与铝的热轧工艺润滑有何不同：
板带钢在热轧时往往在高温（800℃~1200℃）、高压、大量轧辊冷却水喷淋的工作条件下，热轧工艺润滑剂应具备以下基本功能：稳定的润滑性能、很好的润湿性和粘附性、良好的抗氧性和耐分解性、良好的抗乳化性和离水展着性、无毒无味。

与钢板热轧不同，由于铝及其合金热轧温度为350℃~500℃，而且铝较软，极易粘附轧辊，所以在考虑热轧工艺润滑剂时必须兼顾润滑和冷却性能要求。

目前热轧均用润滑与冷却效果较好的乳化液进行工艺润滑。