试论摩擦学研究中的科学方法问题_戴振东

第30卷第2期1998年4月　

南　京　航　空　航　天　大　学　学　报

Jo urnal o f Nanjing Univ ersity o f Aeronautics&Astronautics

　V o l.30No.2

　Apr.1998

试论摩擦学研究中的科学方法问题

戴振东1)　薛群基2)　王　珉1)

(1)南京航空航天大学机电工程学院　南京,210016)

(2)中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑开放实验室　兰州,730000)

摘要　摩擦学是工程先导性的学科高度交叉综合的前沿研究领域,是尚未成熟和最具活力的学科之一,它具有用户要求多样的特点。近年来的大量实验结果对摩擦学理论产生了巨大的冲击。

为迎接挑战并更好地指导工业设计,须重新探讨摩擦学的研究方法,表征量的选择及其思想方法。作者认为在继续开展摩擦学实验研究的同时,须大力推进理论研究,非平衡态热力学可做为该研究的基础,熵可用作为表征量。研究中应特别重视过程非线性、可逆性和混沌性,并积极探讨摩擦自组织结构的形成条件及其工业应用的可能。

关键词:磨损;自润滑;摩擦学;非平衡态热力学;技术哲学

中图分类号:T H117.1;T H117.2;N02

1　摩擦学研究的特点

摩擦学是最古老同时又是尚未成熟和最具活力的学科之一。钻木取火、滑冰、车轴轴承及油脂润滑,早就为人们认识和利用。但另一方面,“摩擦学”这一名词提出不过30年,人们对摩擦力和磨损的产生机理等基本问题,对影响摩擦磨损的因素及其相互作用,还没有形成系统的认识和完善的理论。摩擦学是工程先导性学科,同时其发展又强烈地依赖于现代科技的发展,并推动着相关学科的交融和前沿研究的深化。航天工业推动了固体润滑的研究,微型机器人及高密度记录技术的发展,带动了纳米摩擦学的研究;传动系统的高速、重载,推动了摩擦化学(添加剂)的研究。同时离子加速技术实现了材料的表面离子注入改性,从而大幅度提高了摩擦副的抗疲劳、耐蚀、耐磨等性能;激光技术用于材料的相变硬化和非晶化,已经显示出其优异的摩擦性能和广阔的应用前景;技术的发展,也为摩擦学研究提供了从更加精细的角度考查摩擦表面的相互作用的手段;利用摩擦机械活化作用进行新材料的制备或加速化学反应等方面的研究已为国内外学者所广泛重视。

摩擦学是学科高度交叉综合的前沿研究领域,它涉及化学、物理学、材料学、表面工程

航空科学基金和中国科学院固体润滑开放实验基金资助项目。

收稿日期:1997-02-20;修改稿收到日期:1997-11-04

第一作者　戴振东　男,副教授,1962年11月生。

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学、数学、力学及热力学等边沿学科。摩擦过程不仅影响因素多,而且存在复杂的非线性相互作用。但目前工业设计上常用的摩擦学公式或原理却十分简单,如材料的摩擦系数等于实际接触面积A o上的剪切力F t与法向力N之比;摩擦力等于正压力乘以摩擦系数;磨损量被认为和滑动距离成正比等。摩擦学和其他学科领域相比,其理论对设计的指导作用处于远远落后的地位[1]。

以机械工程为代表的摩擦学用户,对摩擦学元件性能的要求具有明显的多样性。机械传动希望运动副具有最低的摩擦系数和磨损率;而交通上,车轮和路面间需有足够的摩擦,以保证驱动和刹车;制动器也要求具有高而稳定的摩擦系数;零件精加工的磨削、抛光过程,则希望保证表面质量的同时有较大的材料去除率(磨损率);高速重载下工作的齿轮、轴承的剧烈粘着磨损,往往造成不可预测的灾难性后果;而摩擦焊接的优越性正是对剧烈粘着磨损的利用。摩擦学的研究成果多用于机械设备,但目前决定信息记录设备——磁盘、光盘的效率和寿命的主要因素,是接触部位的摩擦特性。

2　实验研究对摩擦学理论的冲击

在长期和大量的实验研究中,人们已经发现了许多工业应用前景看好的摩擦学现象,尽管其发现背景和应用情况各不相同,但它们都对现有的摩擦学理论产生了巨大的冲击。分别简述如下:

摩擦表面熔融[2]　物体在冰面上滑动,局部受热引起冰面熔化产生水膜,使摩擦系数很小。其动力学机制为固-液相变导致材料力学和热学参数的阶跃变化,形成含负反馈的机制和能量耗散的过程。

摩擦釉化　在一定的温度和气氛下,一些含有镍、铬和钛等元素的合金,与环境作用自发形成具有明显的减摩耐磨的氧化物釉质层,层的厚度可自行调整[3,4]。其动力学机制是氧化膜的生成和磨损之间的竞争。在较高温度下,化学反应易于获得足够的活化能,反应速度较高,使二者达到动平衡。这个过程的非线性特征,体现在化学反应、材料力学性能和摩擦催化的加速作用等方面。

摩擦选择性转移膜[5]　由于表面物理、化学吸附而产生的一种摩擦相互作用,形成的保护膜内实现了易变形的扩散-空位机理,而无疲劳过程所固有的缺陷累积。其动力学机制为电致吸附和机械磨耗之间的竞争。吸附层使固相形成材料性能突变的结构(非线性)。

摩擦非晶态膜　铁在往复摩擦过程的外力作用下[6]、淬火马氏体钢在滚动摩擦作用下[7]、TiNi合金在喷丸冲击下[8],都会形成减摩非晶态膜。这种材料逆发过程的变化,为摩擦耗散结构的形成提供了一个有力的旁证。

摩擦电作用[9]　摩擦自生电势和外加电压与摩擦系数和磨损相关性的研究表明,外加电压可使金属在干摩擦下的摩擦系数有大幅度降低,同时磨损率也有相当减少。这一结果反映出摩擦过程中电作用是一个不可忽视的因素。

上述实验成果的共同特点是都含有非线性反馈控制因素,所形成的减摩耐磨“结构”,有一定的自适应性、自修复性和“活”性,但与Prig ogine所定义的“耗散结构”又不完全相同[10]。虽然研究者作出了一些解释,但没有形成定量的模型,也没有和经典的摩擦学理论联系起来。这些成果既展示了摩擦系统的丰富内涵和潜在工业价值,同时提示从新的角度开展

研究的必要性。

3　摩擦学研究中表征量的选择和方法学

摩擦学的工程先导性,决定了实验研究是主要的研究方法。由于工程先导性带来的时间、经费上的限制和研究者学科背景的约束,使实验往往选择少数几个变量,在有限的区间内,用特定的实验机进行实验。结果使每年发表大量的实验研究论文,所报告的数据包括最基本的摩擦系数和磨损率的值,都难有可比性。为了使实验所获得的结果具有一定的工程指导性而提出的经验公式,选择的表征量也是各种各样的。如耐磨性设计中硬度常作为主要参量;滑动轴承设计中油膜润滑区以最小油膜厚度与摩擦副表面粗糙度的比为主参量,而边界润滑区则以PV 值为表征量;齿轮胶合失效的设计和校核以齿面积分温度为表征量;润滑油选择上则重视极压特性;疲劳磨损则以接触应力为表征量等。这一方面反映了摩擦学研究内涵的丰富性,另一方面也说明这一研究还缺乏系统性。

为了较好地指导工业设计,摩擦学不仅需要对具体问题做大量的实验研究,当前更需要对摩擦磨损过程开展深入的理论探讨。Czichos [11]

把系统论方法引入摩擦学,把影响因素分为功能、机械功、热和材料4个方面,定性讨论了各因素的相互作用。Klamecki 最早用热力学的理论和方法研究摩擦过程,他从单相单组分的单体模型开始,再考虑双体模型,并提出摩擦过程稳定性问题,然后分析摩擦过程的能量耗散,并根据居里原理,分析了热产生和材料内部缺陷之间的关系[12]。而Z imetrowicz [13]则采用唯象方法,引入张量分析和连续介质力学的相关理论,建立系统的控制方程、材料的本征方程、建立线性理论,然后再建立摩擦、磨损和摩擦热的本征方程,最后结合具体条件得出简化模型。

国内王汝霖、薛群基先生[14]强调了用热力学方法的重要性。戴振东等[15]提出以熵为表征量,分别从热传导、扩散、粘滞性流动和化学反应4个方面对摩擦过程开展定量研究的思想。汪久根先生[16]回顾了摩擦学与协同论交叉领域的研究进展,提出了研究摩擦系统的特征参数和序参数的必要性。4　摩擦学研究中若干思想方法问题

4.1　摩擦过程的非线性、稳定性与分支现象

非平衡态热力学认为,非线性是走向有序的基本条件[17]。摩擦过程的非线性主要为材料非线性和化学反应的非线性,它们既是造成失效的根源,又是形成“零磨损”状态的条件。摩擦失效有渐进性和突发性两种,从热力学和系统的稳定性理论来看,渐进性失效由于便于预测,发展较慢,因而是期望的。突发性变化则是一把两面有刃的刀,既可导致优异自组织的形成,又会引发突然失效。关键看系统的参数使分支向那个方向发展。在磨损熔融中,材料的机械强度可看成是二值函数,分别取材料的固态和液态值;材料的比热在熔点附近也是不连续变化的。摩擦系数在熔点附近的大幅度降低,与上述参数的非线性变化有密切关系。胶合是另一种形式的摩擦熔融,工况恶化时,油膜破裂,活性金属直接接触并粘着,摩擦发热使温度升高。由于金属导热系数大,使表面下材料也发生弱化,从而导致大范围的塑性流动。摩237第2期戴振东等:试论摩擦学研究中的科学方法问题