材料摩擦与磨损
摩擦与磨损
表面摩擦与磨损一、摩擦与磨损的定义摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。
磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。
据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的30%。
在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。
人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。
在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。
二、摩擦的分类及评价方法在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。
从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。
有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。
这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2－1所示。
图2-1 摩擦状态1、干摩擦当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦（见图2-1a），工程上称为干摩擦。
此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。
这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。
由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。
2 、边界摩擦当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。
边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦（见图2-1b）。
摩擦和磨损的联系
摩擦和磨损的联系一、摩擦和磨损的基本概念及关系摩擦力是指两个接触物体相对运动时出现的阻力，而磨损是指固体表面在相对运动或接触过程中，由于摩擦力所引起的物质的消耗和形貌的变化。
摩擦和磨损密切相关，两者之间存在着紧密的联系。
本文将对摩擦和磨损的关系进行全面深入的探讨。
二、摩擦对磨损的影响1. 摩擦对磨损程度的影响摩擦力的大小直接决定了磨损的程度。
当两个物体之间的摩擦力增大时，磨损程度也会相应增加。
摩擦力的大小与物体间的相互作用力、表面粗糙度以及润滑情况等因素密切相关。
2. 摩擦对磨损方式的影响摩擦力的作用下，可以产生不同的磨损方式。
当两个物体间的摩擦力较小时，可能会出现微小的磨粒，造成表面磨损；当摩擦力增大时，可能会出现表面剥蚀、刮伤等更为明显的磨损方式。
3. 摩擦对磨损速率的影响摩擦力的大小还会直接影响磨损速率。
摩擦力越大，物体表面的材料消耗速度越快，磨损速率也会相应增加。
因此，在工程设计中需要合理控制摩擦力的大小，以减缓磨损速率，延长材料的使用寿命。
三、磨损对摩擦的影响1. 磨损对摩擦力的影响磨损会造成物体表面的不平整，增加了摩擦力的大小。
磨损表面的粗糙度会显著影响摩擦力的大小。
当物体表面经过长时间的磨损后，摩擦力可能会大幅增加，从而对摩擦产生重大影响。
2. 磨损对摩擦过程的影响磨损会改变物体表面的形貌和材料特性，从而对摩擦过程产生影响。
磨损会使物体表面变得粗糙，增加了接触面积，改变了摩擦系数。
此外，磨损还会引起表面的氧化、硬质颗粒剥离等现象，进一步改变了摩擦过程的特性。
3. 磨损对摩擦耐磨性能的影响磨损会降低物体的摩擦耐磨性能。
物体经过长时间的磨损后，表面会变得疲劳、龟裂、掉屑等，从而降低了摩擦耐磨性能。
因此，在工程设计中需要充分考虑材料的磨损特性，选择具有较高耐磨性的材料，以提高摩擦耐磨性能。
四、如何减少摩擦和磨损1. 合理润滑润滑是减少摩擦和磨损的重要手段之一。
润滑可以在物体表面形成一层保护膜，减少摩擦力的大小，降低磨损程度。
材料的磨损与摩擦性能评价
材料的磨损与摩擦性能评价磨损和摩擦性能评价是材料工程领域中非常重要的研究方向之一。
磨损是指材料表面因摩擦或其他力的作用而逐渐减少或丧失的现象，而摩擦性能则是指材料在与其他物体接触时，所表现出的摩擦特性。
本文将探讨材料磨损和摩擦性能评价的方法和意义。
一、磨损评价方法材料的磨损评价方法多种多样，下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 质量损失法质量损失法是一种直接测量材料质量变化的方法。
在实验中，首先测量材料的初始质量，然后通过与其他材料或固体表面进行摩擦，再次测量质量，并计算质量损失。
这种方法的优势在于直接、简便，能够准确反映材料的磨损程度。
2. 磨损剖面观察法磨损剖面观察法是通过对材料磨损表面进行显微镜等观察，来评价磨损程度的方法。
这种方法能够直观地观察到材料的磨损特征，如磨痕的长度、宽度和深度等，从而对磨损机制进行分析和评价。
3. 磨损体积法磨损体积法是通过测量磨损表面的体积来评价磨损程度的方法。
实验中，将磨损前后的材料表面进行三维扫描，并分析扫描数据，计算磨损体积。
与质量损失法相比，磨损体积法更能准确地描述磨损的形状，为磨损机理的研究提供更多数据。
二、摩擦性能评价方法材料的摩擦性能评价方法多种多样，下面将介绍其中几种常用的方法。
1. 摩擦系数法摩擦系数法是一种通过测量材料在与其他材料或固体表面接触时的摩擦系数来评价摩擦性能的方法。
实验中，通过施加一定的力，使被试材料与摩擦体进行接触，并测量摩擦力和正压力，从而计算摩擦系数。
这种方法能够客观地反映材料在摩擦过程中的性能。
2. 表面形貌观察法表面形貌观察法是通过对材料表面形貌进行观察和分析，来评价摩擦性能的方法。
这种方法可以使用扫描电子显微镜等设备对材料表面进行观察，并分析表面的粗糙度、摩擦痕迹等特征，以评估材料的摩擦性能。
3. 摩擦磨损试验法摩擦磨损试验法是通过在实验条件下模拟材料的实际工作环境，测量和评价材料的摩擦性能。
这种方法可以模拟不同的工作条件，如不同的载荷、速度和温度等，从而更真实地反映材料的摩擦特性和磨损机制。
摩擦系数与磨损量的关系
摩擦系数与磨损量的关系1. 摩擦系数和磨损的基本概念在物理学中，摩擦系数是指两个物体之间发生相对运动时所发生的摩擦力和正压力的比值。
摩擦系数的大小取决于物体的材料、摩擦面的状态、温度以及相对速度等因素。
而磨损是指材料表面因为物理、化学或机械作用而造成的逐步损耗过程。
磨损直接影响着材料的使用寿命，而摩擦系数是磨损的重要因素之一。
2. 摩擦系数的影响因素摩擦系数的大小与材料的性质有关，例如表面光滑度、硬度、弹性模量等，它与温度、湿度也有关系。
在实际生产中，往往会对材料的表面进行处理，比如粗糙度修整、加涂料等方式，以改变其摩擦系数。
3. 耐磨材料的选择制造业中常常需要使用高耐磨材料，这也被称之为“工程陶瓷”。
比如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等，这些材料具有硬度大、密度小、抗裂性好、耐腐蚀等优点，同时也有较高的摩擦系数。
4. 摩擦系数与磨损关系的实验研究在实验中，通常会制作一些摩擦材料，通过不同状态的压力或速度，来研究其摩擦系数和耐磨性。
比如研究低温环境下的金属材料对不同力和压力的响应。
在这些实验中，科学家们可以通过收集实验数据，得到摩擦系数与磨损量之间的关系。
这些关系可以反映材料磨损机制的不同阶段以及材料性能的变化。
5. 应用案例摩擦系数和磨损与材料在各个领域有着广泛的应用，比如机械制造、船舶设计、汽车及机械维护等。
在汽车领域中，人们通常使用石墨和陶瓷作为轮辋和制动器等部件的材料，来增强其摩擦系数和耐磨实力。
在船舶领域中，由于海水对金属材料的腐蚀作用比较强烈，因此人们通常使用防腐材料和耐磨材料制造部件。
6. 摩擦系数和磨损的重要性摩擦系数和磨损的研究在不同物理领域中有着重要的经济和科学意义。
一个材料的摩擦系数和磨损量可以决定其使用寿命和性能。
这些研究成果也可以用于设计新的耐磨性材料，在全球范围内改善工业化生产的效率。
7. 结论摩擦系数和磨损是材料科学中不可避免的关键因素。
人们研究其规律的目的在于寻找更加适合的材料和新的应用方案。
必修实验八材料的摩擦与磨损实验
必修实验八材料的摩擦与磨损实验一、实验目的1) 熟悉往复式摩擦磨损试验机的结构、实验原理和操作方法。
2) 掌握摩擦系数、磨损量的测定方法。
3) 比较不同材料的摩擦磨损性能，并分析其原因。
二、实验原理摩擦磨损是工业生产中普遍存在的现象，凡是具有相对运动的摩擦副间，必然会伴随有摩擦和磨损现象。
影响材料摩擦与磨损的因素很多，如压力、运动速度、工件表面质量、润滑剂及材料性能等。
所以材料的摩擦磨损特性并不是材料固有的，而是摩擦条件与材料性能的综合特性。
摩擦磨损试验机的种类很多，一般由加力装置、摩擦力测量机构及摩擦副相对运动驱动机构等部分组成。
现以往复式摩擦磨损试验机为例，介绍摩擦磨损试验机的结构及测试原理。
摩擦副由上试样和下试样组成；上试样与下试样间的往复运动由电机带动偏心轮的旋转而实现。
往复运动的振幅可通过偏心距进行调节。
摩擦副间的压力通过砝码加载、并由压力传感器进行测量；而摩擦副间的摩擦力通过拉/压传感器进行测量，如图1所示。
将压力、摩擦力和时间信号输入到计算机中，便可得到摩擦力、摩擦系数随时间的变化曲线，如图2。
经过一定时间(或滑动距离)后，下试样（待测试样）表面将产生具有一定深度的磨痕（图3a）。
利用表面轮廓仪，在垂直于往复运动的方向上测量磨痕的微观形貌（图3b），确定磨痕的深度、截面积，从而与往复运动的振幅相乘得到磨损的体积。
也可进一步由磨损体积求出材料的磨损重量，根据磨损量的大小即可判断材料的耐磨性能。
若在相同的时间(或距离)内磨损量愈大，表明材料的耐磨性能愈差。
反之，则表明耐磨性愈好。
图 1 往复式摩擦磨损试验机的原理图01002003004005006000.00.10.20.30.40.50.6摩擦时间 / s 摩擦系数图 2摩擦系数与时间的变化关系（a ）宏观形貌 （b ）微观形貌图 3 磨痕的宏微观形貌三、实验材料与样品本实验的上试样选用直径Φ8mm 的ZrO 2球或GCr15钢球，试验载荷为10N ，往复运动振幅为10mm ，频率为1Hz ，测试周期为20分钟。
第六章 材料的磨损解读
6.5.1 实验室试验的原理
1)
2)
3)
4)
5) 6)
耐磨试验在摩擦磨损试验机上进行，种类很多，代表性的： 销盘式磨损试验机，是将试样加上载荷压紧在旋转圆盘上，该 法试验速度可调，精度较高； 环块式磨损试验机，试样在圆环外表面做摩擦运动； 往复运动式磨损试验机，试样在静止平面上往复运动，可评定 导轨、缸套与活塞环等摩擦副的耐磨性； 滚子式磨损试验机，可测定材料在滑动、滚动、滚动和滑动复 合摩擦及间歇接触摩擦情况下的磨损； 砂纸磨损试验机，对磨材料为砂纸，简单易行； 快速磨损试验机，旋转圆轮用硬质合金制造，能较快测定材料 的耐磨性，也可测定润滑剂的摩擦及磨损性能。
6.1.1 摩擦 定义：两个相互接触的物体或物体与介质之 间在外力作用下，发生相对运动，或者具有 相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的 阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻 力称为摩擦力。
6.1.1.1 摩擦力
摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体
相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。 摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称
＊减小零件使用时的磨损是我们学习材料磨损性能的最终目的。
薛群基院士
从事润滑失效研究，现为兰州化学物理研究所所 长，固体润滑国家重点实验室学术委员会主任，亚洲 摩擦学理事会主席，是我国材料摩擦学和摩擦化学领 域的主要学术带头人之一
6.1.2 摩损 定义：磨损是在摩擦的作用下，发生在材料 表面的局部反复进行的变形与断裂。
为摩擦系数，以μ表示，即μ=F/P。
μ静 μ μ动
μ静 ＞μ动
6.1.1.2 摩擦的分类 按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦 分为： ①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物 体上滑动时产生的摩擦。 ②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下， 沿接触表面滚动时的摩擦。
材料的耐磨和摩擦学
材料的耐磨和摩擦学材料的耐磨性和摩擦学是研究物质表面和界面的摩擦、磨损和润滑行为的重要科学领域。
在工程和科学领域中，我们经常面对材料在摩擦和磨损环境下的性能要求。
因此，了解材料的耐磨性及其与摩擦学之间的关系对于开发新材料、改进工程设计以及提高设备和产品的寿命至关重要。
一、耐磨性的定义和测试方法耐磨性是指材料在受到摩擦和磨损作用时能够维持其功能性能的能力。
不同材料因其组成和结构的不同，其耐磨性也会有显著差异。
衡量耐磨性主要通过磨损测试来进行，常用的测试方法包括滑动磨损试验、磨料磨损试验以及交互磨损试验等。
这些试验方法能够模拟不同工况下的摩擦和磨损行为，以评估材料的耐磨性能。
二、摩擦学的基本原理摩擦学是研究物体之间相对运动时所产生的摩擦力和摩擦现象的学问。
摩擦力是指两个物体相对运动时产生的抵抗运动的力，其大小受到材料表面性质、载荷、速度等多种因素的影响。
摩擦学的基本原理可以通过考虑材料之间的接触、摩擦和变形来解释。
表面粗糙度、润滑、界面接触的方式以及材料的硬度等因素都会对摩擦行为产生影响。
三、影响耐磨性的因素耐磨性能的好坏受到很多因素的影响，包括材料的硬度、表面粗糙度、润滑状况、载荷、温度等。
硬度是衡量材料耐磨性的重要参数，材料的硬度越高，其抗磨损性能通常也越好。
表面粗糙度对于摩擦行为和磨损的影响也非常显著，较光滑的表面能够减少材料之间的物理接触，从而减少摩擦力和磨损。
此外，润滑剂的使用和界面的润滑状态也会对材料的耐磨性能产生显著影响。
四、改善耐磨性的方法针对不同材料和工况，我们可以采取一些措施来改善材料的耐磨性能。
首先，可以通过选择合适的材料来满足特定的摩擦和磨损要求。
例如，在需要高耐磨性的装备部件中，常使用硬度高、耐磨性好的材料如陶瓷、金属基复合材料等。
其次，可以通过调整材料的表面粗糙度、润滑剂的选择以及改变载荷和温度等来改善材料的耐磨性能。
此外，利用表面涂层和热处理等方法也可以提高材料的耐磨性能。
不同摩擦副的摩擦和磨损系数
不同摩擦副的摩擦和磨损系数摩擦和磨损是所有机械系统中都必须面对的问题。
不同摩擦副之间的摩擦和磨损系数是机械系统设计与维护的重要参数之一。
在中国文化中，摩擦和磨损是各种机械的普遍现象，并影响着人们的生活和工作。
不同摩擦副的摩擦和磨损系数可以分为以下几类：1. 金属摩擦副金属摩擦副包括金属与金属、金属与塑料、金属与橡胶等。
这些材料直接接触时，会产生较大的摩擦力和磨损。
金属材料的硬度和强度较高，耐磨性较好，但容易生锈和腐蚀。
塑料材料较为柔软，耐腐蚀，但磨损较为严重。
2. 金属与非金属摩擦副金属与非金属摩擦副主要包括金属与陶瓷、金属与玻璃等。
这些材料一般不能直接接触，需要使用衬垫或者涂层来减小摩擦力和磨损。
陶瓷和玻璃具有高硬度和较好的耐磨性，但比较脆弱，容易破裂。
金属材料和涂层的选择需要注意其适用范围和使用环境。
3. 非金属摩擦副非金属摩擦副主要包括塑料与塑料、橡胶与橡胶等，这些材料摩擦系数较小，但容易磨损。
塑料材料具有柔性和可成型性，但寿命较短，易于老化和疲劳破坏。
橡胶材料具有良好的弹性和耐磨性，但容易变形和损坏。
针对不同的摩擦副，可以采取不同的措施来减小摩擦力和磨损。
例如，在金属摩擦副中可采用润滑油、涂层、渗碳处理等方法减小摩擦力和磨损。
在金属与非金属摩擦副中，可采用陶瓷衬垫、涂层等方法来减小摩擦力和磨损。
在非金属摩擦副中，可采用添加填充物、改善制造工艺等方法来提高材料性能，从而减少磨损。
在中国文化中，机械技术已有悠久的发展历史。
在古代，许多机械装置都采用了精细的摩擦学原理。
例如，汉朝时期的水力挖掘机和土木工程机器使用了液压驱动和精密的机械传动，具有较高的效率和稳定性。
清朝时期的钟表和机械器具也采用了精细的齿轮和传动结构，使得机械器具能够准确测量时间和运动状态。
总之，不同摩擦副之间的摩擦和磨损系数是机械系统设计与维护的重要参数之一。
在中国文化中，机械技术的发展与日常生活密不可分，因此研究摩擦学原理和机械制造技术有着重要的意义。
材料力学性能教学课件材料的摩擦与磨损性能
结论及展望
通过对材料的摩擦与磨损性能的深入研究，可以为材料的选择和应用提供科学依据，进一步提高材料的性能和可靠 性。
金属材料
金属材料通常具有较高的摩擦系数，但也可以通过表面处理和润滑来减少磨损。
聚合物材料
聚合物材料具有较低的摩擦系数，但其耐磨性能相对较差。
陶瓷材料
陶瓷材料通常具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性能，但也容易产生表面粉化。
影响摩擦与磨损的因素
1 接触压力
增加接触压力会增加摩擦力和磨损。
3 温度
高温环境下摩擦和磨损会加剧。
2 表面粗糙度
粗糙表面会增加摩擦力和磨损。
摩擦与磨损的测试方法
1
磨损实验
2
使用特定装置和试样进行磨损实验，以获得
材料的磨损特性和性能。
3
滑动摩擦测试
通过模拟实际工况下的滑动摩擦来评估材料 的摩擦和磨损性能。
表面分析
通过观察和分析材料表面的变化，了解摩擦 和磨损的影响。
改善材料的摩擦与磨损性能的 措施
材料力学性能教学课件 PPT材料的摩擦与磨损性 能
在本课程中，我们将探讨材料的摩擦与磨损性能。了解摩擦力与摩擦系数的 含义，并分析擦力与磨损之间的相互作用。探讨不同材料之间的摩擦和 磨损的特点，以及它们对材料性能和寿命的影响。
常见材料的摩擦与磨损性能比较
摩擦和磨损的联系
摩擦和磨损的联系摩擦和磨损是紧密相关的两个概念，在日常生活和工业生产中都有重要的应用。
摩擦是指两个物体表面之间的相互作用力引起的阻碍运动的现象，而磨损是指摩擦过程中表面物质的逐渐损耗和磨掉的现象。
摩擦和磨损都是物体间接触时的自然现象，也是科技发展的重要基础之一。
理论上，在物理学中，摩擦是由于表面间分子间力的互作用而产生的。
在这种分子级的尺度下，表面的反应会使两者间的摩擦力变得复杂，磨损成为了该问题中的一个明显的问题，因为物体的运动会导致表面的磨损和失去材料，其中摩擦力的产生是最主要的原因之一。
在大多数情况下，磨损是由于摩擦力使表面之间相互摩擦而损坏了物体表面，导致材料中的原子被摩擦掉。
这个过程通常发生在一个物体对另一个物体高速摩擦的过程中。
磨损是一个逐渐发展的过程，更常见的原因是材料表面之间的摩擦，尤其是在高温、高压、高速和精确度要求较高的环境中。
磨损现象不仅会影响零部件的性能和寿命，也会导致其失败。
磨损对机械设备和结构材料的损害是非常显著的，尤其是在运行时间长和工作环境较恶劣的花费昂贵的设备中。
磨损现象会降低材料原始属性，使零件失去减震和抗冲击的能力，因此必须采取有效的磨损控制措施。
在工程应用中，磨损控制的方法包括选择合适的材料、使用润滑剂、降低摩擦系数和改变表面几何形状等。
使用具有高硬度和高抗磨损性的材料，如高铬合金钢、硬质合金、陶瓷等，可以有效地增加零部件的耐磨性。
采用一定的润滑措施，如使用合适的润滑剂和添加抗磨剂等，可以有效地降低材料之间的摩擦系数，减少磨损程度。
表面几何形状的设计和加工也是降低磨损的有效措施之一。
对于需要经常接触的零部件，我们可以设计出光滑的表面，减少表面不规则性，这样可以减少摩擦力的产生，从而减少磨损。
在加工中，如采用高精度加工和使用有利的切削参数，也可以有效地降低磨损程度。
摩擦和磨损的联系非常紧密，在零件设备运行的过程中不可忽视。
对于工程应用中出现的磨损现象，我们需要尽快采取相应的控制措施，以增加设备的性能和寿命，同时在设计和加工的过程中，我们也应该特别关注磨损问题，以提高产品性能和质量。
6-7第六和七讲 材料的其它力学性能-摩擦、磨损与蠕变
5.2 磨粒磨损-磨料磨损
根据磨粒所受应力大小分为： (1)低应力划伤式的磨料磨损-应力不超过磨 料压溃强度，材料表面被轻微划伤。 (2)高应力辗碎式的磨料磨损-磨料压溃。 (3)凿削式磨料磨损-磨料有冲击力，从表面 凿下较大颗料磨屑，如挖掘机斗齿。
金属表面 发生局部 塑性变形
磨粒嵌入金 属表面，切 割金属表面
功耗磨损温度局部烧毁磨损机理粘着磨损磨粒磨损腐蚀磨损微动磨损疲劳局部应力局部塑变碾平51粘着磨损咬合磨损转移脱落典型粘着磨损形貌举例内燃机中活塞环和缸套衬启动或停车换向及载荷运转不稳定或润滑条件不好几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油膜时环和套之间易发生局部直接接触处于边界摩擦或干摩擦的工作状态易粘着磨损
7
3. ４种滑动摩擦状态
干摩擦：表面无任何润滑剂或保护膜的纯接触摩擦。 →功耗↑ 磨损↑ 温度↑→局部烧毁
不允许出现干摩擦！
4. 磨损过程
5. 磨损机理
►粘着磨损 ►磨粒磨损 ►腐蚀磨损 ►微动磨损（疲劳）
5.1 粘着磨损-咬合磨损
局部应力
局部塑变， 碾平
转移，脱落
典型粘着磨损形貌
举例-内燃机中活塞环和缸套衬
1. 材料的摩擦与磨损
世界使用能源约1/31/2消耗于摩擦。减少无 用摩擦消耗，可大量节省能源。 易损零件，由于磨损超过限度而报废和更 换，控制和减少磨损既减少设备维修次数和费 用，又节省制造零件及其所需材料费用。
摩擦是磨损的原因，磨损是摩擦的结果。
2. 摩擦的分类
内摩擦：物质内部发生的阻碍分子间相对运动现象。 外摩擦：相对运动物体表面间发生的相互阻碍作用。 静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间运动形式是相对滑动，常用。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动，高速、 高精度、重载。
材料的磨损机制及其耐磨性能改进
材料的磨损机制及其耐磨性能改进材料的磨损机制是指在摩擦、磨削或磨损等作用下，材料表面因连续接触和剪切力而逐渐失去原有质量。
磨损机制的了解可以帮助我们改进材料的耐磨性能，提高材料的使用寿命和性能。
一、材料的磨损机制材料的磨损机制主要包括磨粒磨损、疲劳磨损和粘着磨损三种形式。
1. 磨粒磨损：在两个物体的接触摩擦作用下，外界的磨料颗粒进入其间，对材料表面造成切割和擦拭作用，导致材料表面的层状剥落、凸起及表面粗糙度增大。
2. 疲劳磨损：在周期性摩擦、滑动或冲击作用下，材料表面发生微小损伤和裂纹，逐渐扩展并形成磨损颗粒，此过程称为疲劳磨损。
3. 粘着磨损：当两个物体在摩擦作用下密切接触时，由于摩擦力和局部温度的升高，材料表面出现微观塑性变形，导致表面的微小物质相互粘附，形成磨损颗粒。
以上三种磨损机制往往同时存在于材料表面，可以相互作用导致磨损的加剧。
二、耐磨性能改进的方法为了提高材料的耐磨性能，延长其使用寿命，我们可以采取以下几种方法：1. 选择合适的材料：不同工作环境和使用要求下，材料的磨损机制可能有所不同，因此需要选择适应特定工况的耐磨材料。
常见的耐磨材料包括金属合金、陶瓷、高分子材料等。
2. 表面处理：通过表面处理来增强材料的耐磨性能。
常见的表面处理方法包括热处理、表面喷涂、表面改性等。
这些方法可以在材料表面形成一层硬、耐磨的保护层，减少磨损和摩擦。
3. 添加耐磨剂：在材料中添加一定量的耐磨剂，如颗粒、纤维等，可以有效地减少磨损。
耐磨剂能填充材料表面的微观凹坑，形成保护膜，防止磨料颗粒对材料的进一步切割和磨损。
4. 提高材料硬度：增加材料的硬度可以提高其抗磨损性能。
可以通过热处理、合金化等方式来提高材料的硬度。
5. 润滑和减摩：采用润滑措施可以有效减少材料之间的摩擦和磨损。
常见的方法包括润滑油、固体润滑剂和涂层等。
6. 设计优化：在产品设计的过程中，可以通过合理的结构设计、力学优化等方法来降低材料的受力和磨损，提高其耐磨性能。
材料的磨损性能
粘着剪断的两种形式
1、若粘着点结合强度低于两侧材料,则沿接触面剪断,磨损 若粘着点结合强度低于两侧材料,则沿接触面剪断, 量较小,摩擦面显得较平滑,只有轻微擦伤。锡基合金与钢的 量较小,摩擦面显得较平滑,只有轻微擦伤。 滑动属此类型。 滑动属此类型。 若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时, 2、 若粘着点的结合强度比两侧任一材料的强度都高时,分 离 面便发生在强度较弱的材料上, 面便发生在强度较弱的材料上,被剪断的材料将转移到强度 较高的材料上。使软材料表面出现微小的凹坑, 较高的材料上。使软材料表面出现微小的凹坑,硬材料表面 形成微小凸起,使摩擦面变得粗糙,造成进一步磨损。 形成微小凸起,使摩擦面变得粗糙,造成进一步磨损。如 铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。 铅基合金轴瓦与钢轴之间的滑动粘结磨损就属这种情况。
4P 2 d PL PL K ⋅ ⋅ ⋅ L = K ⋅ = K⋅ 3 9σsc 3Hv 3πσscd 3 2
上式表明,粘着磨损量与接触压力 、滑动距离L成正比 成正比, 上式表明,粘着磨损量与接触压力P、滑动距离 成正比 与材料硬度值成反比。式中K值称为粘着磨损系数 值称为粘着磨损系数,反映配对 与材料硬度值成反比。式中 值称为粘着磨损系数 反映配对 材料粘着力大小,决定于摩擦条件和摩擦副材料 当压力P不 决定于摩擦条件和摩擦副材料。 材料粘着力大小 决定于摩擦条件和摩擦副材料。当压力 不 超过摩擦付材料硬度值的1/3时 实验证实该式反映的规律是 超过摩擦付材料硬度值的 时,实验证实该式反映的规律是 正确的。 正确的。
切削作用的磨粒磨损模型
磨粒磨损的估算
P=(3σsc) πr2=H⋅π r2
被切削下来的软材料体积，即为磨损量W 可表示为: 被切削下来的软材料体积，即为磨损量W，可表示为:
材料力学第八章材料的摩擦与磨损性能
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在 动配合中会引起零件磨损的加剧。
图8-3 表面波纹度示意图
3）表面粗糙度 （Surface Roughness） 微观几何形状误差，常以表面粗糙度来表示，该
参数有一维、二维和三维的形貌参数。 一维形貌通常用表面轮廓曲线的高度参数来表示。
式(8-如12选)可取得σ：m=H/3作为出现塑性变形的条件，代入
E
(
)1/2
0.78
HR 4
（8-13）
考虑到接触时，从完全弹性接触过渡到完全塑性 接触并非瞬时完成，需要有一个过程，可引入无量纲 的塑性指数 Q E ( )1/2 ，并认为：
HR
* 当塑性指数Q＜0.6（小于0.78，是因为接触面上的
（3）轮廓支承长度率tp 它是指在取样长度L内，一平 行于中线的线与轮廓相截后得到的各段截线长度之和
与取样长度L之比(图8-7)。p为轮廓最高峰点至截线间
的距离。
tP
abcd L
（8-5）
图8-7 轮廓支承长度曲线
（4）幅度分布 在取样长度L内，离中线z处作两条相 距为Δz并平行于中线的线，在两平行线内轮廓线段 的水平方向长度为a、b、c、d、…。a、b、c、d、… 的总和Lz与取样长度L的百分比称为该轮廓线在z处的 幅度密度。
（1）轮廓微观不平度的平均间距Sm，指在取样长度L 内轮廓在中线mm上含一个轮廓峰和相邻轮廓谷的中 线长度的算术平均值。
Sm
1 n
n i1
pmi
图8-5 轮廓微观不平度的平均间距
（2）轮廓单峰平均间距S，指在取样长度L内轮廓的
摩擦和磨损
材料性能学
磨损试验方法
材料性能学
分类：点蚀，浅层剥落
渗层剥落
接触疲劳过程： 疲劳裂纹的形成； 疲劳裂纹的扩展
材料性能学
2 接触应力的概念
Hale Waihona Puke 相互接触的物体在局部便面产生的压应力成为 接触应力，又成为赫兹应力，分为线接触和点 接触类型。 (1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆 柱、圆柱与平面接触)
材料性能学
材料性能学
材料性能学
三体磨损：其磨损料介于两个滑动零件表面， 或者介于两个滚动物体表面。前者如活塞与汽 缸间落人磨料，后者如齿轮间落人磨料。 这两种分类法最常用。
材料性能学
磨粒磨损机理
(1)微观切削磨损机理
(2)多次塑变导致断裂的磨损机理 (3)微观断裂磨损机理
材料性能学
影响磨粒磨损的因素
(1)磨料的硬度、大小及形状，磨粒的韧性、 压碎强度等。 (2)外界载荷大小、滑动距离及滑动速度。
材料性能学
第六章 金属的磨损与接触疲劳
任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因
相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产
生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗
，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用
寿命。
材料性能学
近二三十年国外把摩擦、润滑和磨损，构成
了一门独立的边缘学科叫摩擦学。但从材料
学科特别是从材料的工程应用来看，人们更
材料性能学
压力超过钢的屈服强度时，K值急剧增大，磨损 也急剧增大，结果造成大面积的焊合和咬死。此 时整个表面发生塑性变形，接触面积不再与载荷 成正比。
材料性能学
4 影响粘着磨损的因素
(1)脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。 (2)金属性质越是相近的，构成摩擦副时粘着磨 损也越严重。反之，金属间互溶程度越小，晶 体结构不同，原子尺寸差别较大，形成化合物 倾向较大的金属，构成摩擦副时粘着磨损就较 轻微。
磨损与摩擦的基本原理及其应用
磨损与摩擦的基本原理及其应用磨损和摩擦是我们生活中经常遇到的现象。
我们走路时，鞋底与地面的摩擦产生噪音，驾车时，车轮和地面的摩擦使我们车辆行驶。
同时，磨损和摩擦也是一项重要的研究领域，与工程学、材料学、机械制造等众多领域息息相关。
本文将介绍磨损和摩擦的基本原理及其应用。
一、摩擦的基本原理摩擦可以定义为两个物体接触并相对运动时的阻力。
摩擦力的大小与两个物体之间的接触面积和物体表面间的粗糙程度有关。
通常，摩擦力的大小可以通过以下公式表示：Ff = fN其中，Ff为摩擦力，f为摩擦系数，N为垂直于接触面的受力大小。
摩擦系数是一个无量纲数值，表示为μ。
它是考虑到物体表面状况的因素，如表面的成分、温度和光滑度等。
不同物体之间摩擦系数不同，例如，滑冰鞋在冰上滑行时的摩擦系数很小，而橡胶底鞋子在冰面表上行走时的摩擦系数较大。
摩擦力的大小决定了物体运动状态的变化，当物体沿着某个方向施加一定的力时，摩擦力会在反方向上阻碍运动，产生负加速度，即使物体足够大，对地面施加的力足够大，摩擦力也会阻碍物体移动。
二、磨损的基本原理磨损是材料表面因相互接触和摩擦而失去原来形状的现象。
摩擦往往导致材料表面磨损和损坏，主要分为两种类型：磨粒磨损和疲劳磨损。
磨粒磨损是指材料表面的颗粒和其他颗粒之间的摩擦损失。
磨损率取决于磨损颗粒的硬度和材料表面硬度的比较。
颗粒的尺寸越小，磨损率则越高。
磨粒磨损是一种常见的磨损方式，例如，机械零件在运转过程中容易受到此种磨损。
疲劳磨损又称为表面疲劳磨损，是由表面微小韧性变形引起的剥落或断裂而导致的，通常出现在高速运动的机械零件之间的接触面。
在机械工作时，因为机械零件之间的摩擦力和容易产生热量，从而导致零件表面的变形和裂纹。
一旦表面氧化，则容易受到疲劳磨损。
三、磨损与摩擦的应用磨损和摩擦在工程制造和材料科学中具有广泛的应用。
例如，工业生产中的磨损是一个非常重要的因素，因为它会影响设备的寿命和生产效率。
磨损的控制不仅可以降低运营成本，还可以提高设备的寿命和可靠性。
《材料摩擦磨损》课件
ONE
KEEP VIEW
《材料摩擦磨损》ppt 课件
REPORTING
CATALOGUE
目 录
• 引言 • 材料摩擦学基础 • 材料磨损的机理 • 材料耐磨性的评价 • 材料摩擦磨损的实验研究 • 材料摩擦磨损的研究进展
PART 01
引言
摩擦与磨损的定义
摩擦
是两个接触表面在相对运动时，由于 表面间的切向阻力所引起的相互作用 的力。
粘着磨损
由于接触表面间粘着力作用， 导致材料从一个表面转移到另 一个表面。
疲劳磨损
在循环应力作用下，材料表面 产生疲劳裂纹和剥落。
微动磨损
在微小振幅的振动下，接触表 面产生氧化膜破裂和材料转移 。
磨损的影响因素
硬度与强度
硬度与强度较高的材料具有较 好的耐磨性。
表面粗糙度
表面粗糙度较大时，容易发生 粘着磨损和磨料磨损。
详细描述
材料摩擦学主要研究材料在摩擦过程中表现出的各种性质和行为，包括摩擦力、磨损率、摩擦系数等，以及这些 性质和行为与材料本身性质、表面形貌、环境条件等因素之间的关系。
材料摩擦学的原理
总结词
材料摩擦学的原理主要包括分子间的相互作用、表面能与表面张力、粘着与粘 着磨损等。
详细描述
分子间的相互作用是材料摩擦学的基础，表面能与表面张力决定了材料表面的 润湿性和摩擦系数。粘着是指两个接触表面之间的吸引力，粘着磨损则是由于 粘着效应导致的材料转移和粘着结点断裂等现象。
摩擦系数
通过测量材料在摩擦过程中的摩擦系数来评 价耐磨性。
表面粗糙度
通过测量材料摩擦后的表面粗糙度变化来评 价耐磨性。
耐磨性的影响因素
材料硬度
不同摩擦副的摩擦和磨损系数
不同摩擦副的摩擦和磨损系数摩擦和磨损是我们日常生活中经常会遇到的现象。
在工程领域中，摩擦和磨损是不可避免的，因为它们是机械运动的自然结果。
摩擦和磨损的程度取决于摩擦副的材料和工作条件。
本文将探讨不同摩擦副的摩擦和磨损系数。
1. 什么是摩擦副？摩擦副是指在摩擦过程中直接接触的两个物体之间的材料组合。
例如，车轮和路面、机械零件之间的接触面等。
摩擦副的材料决定了摩擦和磨损的程度。
2. 摩擦系数摩擦系数是描述物体间摩擦力大小的物理量。
它是指两个物体间的摩擦力与两个物体间垂直于接触面的压力之比。
摩擦系数越大，摩擦力就越大。
摩擦系数与摩擦副的材料有关。
3. 磨损系数磨损系数是指单位时间内磨损量与单位时间内摩擦运动距离之比。
磨损系数越大，磨损就越严重。
磨损系数与摩擦副的材料和工作条件有关。
4. 不同摩擦副的摩擦和磨损系数4.1 金属与金属金属与金属的摩擦系数较大，一般在0.1到0.8之间。
金属与金属之间的磨损主要是表面磨损和疲劳磨损。
表面磨损是由于摩擦副表面的微小凸起部分相互碰撞而产生的，而疲劳磨损则是由于多次重复应力引起的材料疲劳断裂而产生的。
4.2 金属与非金属金属与非金属的摩擦系数较大，一般在0.4到0.8之间。
金属与非金属之间的磨损主要是表面磨损和剥落磨损。
表面磨损是由于摩擦副表面的微小凸起部分相互碰撞而产生的，而剥落磨损则是由于非金属材料的剥落而产生的。
4.3 非金属与非金属非金属与非金属的摩擦系数较小，一般在0.1到0.4之间。
非金属与非金属之间的磨损主要是表面磨损和热磨损。
表面磨损是由于摩擦副表面的微小凸起部分相互碰撞而产生的，而热磨损则是由于高温和高压引起的材料热疲劳而产生的。
5. 影响摩擦和磨损的因素除了摩擦副的材料外，还有其他因素会影响摩擦和磨损。
例如，工作温度、工作条件、润滑方式等。
在摩擦副的工作过程中，应注意这些因素，以减少摩擦和磨损的程度，延长摩擦副的使用寿命。
6. 结论摩擦和磨损是机械运动中不可避免的现象。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
前景
随着工业的发展，特别是在现代 工业与技术中高速、重载的运转条件， 核反应堆、宇宙飞船那样的恶ห้องสมุดไป่ตู้工作 环境，微型机构、生物等方面，对摩 擦与磨损提出了越来越高的要求，为 这门新兴学科的发展提供了强大动力。
目前的研究热点：空间、生物、微 纳米、高速机械等。
课程内容
1、材料表面特性及接触力学 2、材料的摩擦 3、材料的磨损
W s da
如果没有任何非可逆过程，那么这个可逆功
W 就等于表面能量的变化。s因此 T ,P
W
s T ,P
d( Gsa
)
W
s T ,P
(Gsa
a
)
da
T ,P
G s
a
G s a
da T ,P
表面张力
高温时，在由解理而制得的新的表面的情况下，表面原子自由地在表面扩散的时 候，与面积无关，则
晶面的表面能
不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。
表面能
还可以更直观地说明表面能，设有一横截面为 1cm2的固体柱，在理想条件下（真空中）将它分 成两段时所作的功称为内聚功Wc，它表征了相同 物质间的吸引强度。拉断后的固体柱增加了两个 面积为1cm2的新表面，相应增加的表面能为2γa， γa为固体a增加的表面能。
由于界面特殊的结构和界面能量，使得界面有许多与晶体内部不同的性质。例 如，界面的扩散、界面吸附、界面腐蚀、界面与位错的相互作用等，并对材料的机 械性能（强度、韧性）以及对变形、再结晶和相变过程等都有重要影响。
第二节 表面热力学
一、表面张力与表面能
1. 表面热力学函数
在表面，晶格的周期性被切断，因此表面原子处于与固体内部不同的环境之中。 其实，表面的组成和物理性质是由单一相慢慢地变化而来的领域，虽然很难把它当 作原来的热力学相，但能作为一种由温度、面积、曲率半径以及各组分原子的质量 等决定的特殊相来处理。总之，固体表面相的热力学性质必须与固体内部区别开来 考虑。
第一章 固体表面特性
第一节 固体表面特性及结构
但物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的 地方就出现了界面，如固体－液体、固体－气体及固体－固体的界面，常把固体－ 气体（或真空）、固体－液体的界面称为固体的表面。
很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电子 发射等都发生在“表面”，可见其重要性。
材料摩擦与磨损
引言
摩擦学(Tribology)是近三十多年来迅速发展起来的 一门新兴边沿学科。它主要包括摩擦、磨损和润滑等研 究领域。摩擦导致大量机械能的损耗，而磨损则是机械 零件失效的一个重要原因。
据估计，工业化国家能源的约30％消耗于摩擦。对一个高度工业化的国家，每年 因摩擦和磨损所造成的经济损失差不多占其国民经济年产值的l～2％。摩擦与磨损的 研究是一个有重大社会经济效益的课题。
热力学函数
N E 现就其周围包含有 个原子的固体平面而言，若每一原子的体能量为 0，则每单 E E 位面积的表面能 S与总能量 之间有下述关系 ：
E NE o aEs a是表面积。
S S S 每单位面积的表面熵为 S ，体熵为 0，则固体的总的熵 为：
S NSo aS s
热力学函数
表面每单位面积的功为:
As E s TSs
表面每单位面积的吉布斯（Gibbs）自由能为：
Gs H s TSs
系统总的自由能为：
G NGo aGs
表面张力
在建立新的表面时，邻近的原子丢失、键被切断。为此，必须作某种功。在一 定的温度、压力下，保持平衡条件，当表面积a只增加da时，该系统也必须做功。 这个可逆的表面功W S由下式给出：
根据功能原理得 Wc＝2γa
物质的表面能和界面能
假如柱的上段为物质a，下段为物质b，则接触部分的 界面能为γab。若使柱在a、b界面上断开，对柱所作的功 称为粘附功Wab。断开后柱增加表面能γa和γb。根据功能 原理得
Wab＝γa＋γb－γab
G s a
T ,P
0
所以
W sT ,P Gsda
G s （表面张力与表面自由能相一致 ）
低温，解理表面的原子不能自由扩散时，由于在表面残留有畸变，因此
Gs
a
G s a
T ,P
表面能的物理图像
以面心立方金属的（100）面作为表面
只有当每个原子有12个最近邻，能量才最低，结构最稳定。当少了四个最近邻 原子，出现了四个“断键”时，表面原子的能量就会升高。和表面原子的这种高出 来的能量相连的就是表面能。
表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个 原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。
金属表面的实际构成示意图
工程表面
表面结构
表面原子M 的配 位数为 5。而基体
中的任一个原子的 配位数为 6。
面心立方表面原子的配位数
在表面的位置 配位数 表面所处晶面 配位数
摩擦与磨损自古以来就存在，利弊共存。
摩擦与磨损
摩擦与磨损是涉及两个或两个以上作相对 运动物体之间的界面的科学和技术问题的一门 学科。
包含着许多物理、化学及力学过程。物理学、化学及材料科学工作者对此相当 关注。摩擦与磨损直接影响机械零件间力、功或运动的传递，因此，又是机械工程 师们重视的问题。不难看出，摩擦和磨损的研究将是多学科的综合，涉及物理、化 学、数学、材料科学和机械工程等方面的很多基础知识。
三个问题
为解决摩擦学领域中的技术问题，必须弄清楚摩擦 学基本的问题。
(1)通过物理和化学作用，环境对表面特征的影响； (2)接触表面之间的力的产生和传输； (3)作用在表面接触点处的外力附近表面材料的特性。
摩擦学的这三个方面问题显然是互相联系的。因此，为了能全面解决摩擦学问 题，必须对这三个方面问题有所了解。
角上原子
3
原子在(111)上
9
边缘原子
5
原子在(100)上
8
表面的电子分布
(a) 电荷密度分布
(b) 电荷分布
表面缺陷
点缺陷、线缺陷和面缺陷
点缺陷：在三维方向上都很小的缺陷。
线缺陷：它是在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸较小的线缺陷。
面缺陷：晶体的缺陷若主要是沿二维方向伸展开来，而在另一维方向上的尺寸变化 相对地甚小，则称为面缺陷。各种界面如晶体表面、晶界、亚晶界及相界等都是面 缺陷，它们通常只有一个至几个原子层厚。