摩擦学第二章
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摩擦学第一章绪论
物体所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一．”当时他使用的材 料大多为硬木或铁与硬木的组合，他的结论对于这些材料来说还是比较符 合实际的． 达芬奇还研究了摩擦面间有润滑油和其它介质时对摩擦的影响．他认 为“所有东西，不管它如何薄，当它放入两个互相摩擦的物体之间时，摩 擦都会减少．”
二、阿蒙顿的进一步研究时期
． 1508年，达芬奇（1452—1519）使用石头和木头开始了对固体摩擦的实 验研究，测量了水平和斜面上物体间的摩擦力，测量了半圆形槽与滚筒间 的摩擦，进行了表面接触面积对摩擦阻力影响的实验研究，发现了等重物 体之间的摩擦力与接触面积无关的重要结论。达芬奇首先引入了摩擦系数 的概念．他将该系数定义为摩擦力和垂
此外还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改 进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎， 研究人造心脏瓣膜的耐摩寿命以谋求最佳的人工心脏设计方 案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳运动 、火山爆发和 地震 ，以及山、海、断层形成等。在音乐和体育以及人们 日常生活中也存在大量的摩擦学问题 。摩擦学涉及许多学 科 ，如物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等。随着 科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观， 由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领 域。
进入16世纪后，由于水力和风力能源的广泛应用，机器大量增 加．特别是磨的发展，大大推进了对摩擦的研究．许多科学家进行了 各种各样的摩擦实验，其中最有成就者当推法国实验物理学家阿蒙顿 （1663—1705）。作为一个永动机的积极倡导者，他通过多次实验后，于 1699年12月19日向皇家科学院提交了一分经典论文。在文中提出了摩 擦力的经典规律，这就是后来人们所熟知的阿蒙顿定律。 ①静摩擦定律：两接触物体间的最大静摩擦力，跟接触面上的正 压力成正比，并与接触面的性质及状态有关；但与接触面的面积及形 状无关。即：f静＝μ0·N。 ②滑动摩擦定律：滑动摩擦力跟摩擦物体接触面上的正压力成正 比，跟外表的接触面积无关．即：f滑＝μ·N。
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。
摩擦学(第二讲)
吸附膜的稳定性较差，在一定温度下，定向排列的极性分子会因 热运动而变得杂乱无章，甚至从摩擦面上脱落下来，使得吸附膜 失去承载能力，润滑作用大大减小。反应膜较吸附膜稳 定得多， 因为在高温下化学反应的速度加快，更有利于生成新的物质来加 强反应膜，所以反应膜适于重载、低速和高温的条件。但是生成 反应膜时，一般伴随着对金属有腐蚀性。 液体摩擦：液体摩擦时，物体之间的摩擦面没有直接接触，其间 除了边界润滑膜外，还有流动油膜。因此摩擦仅发生在润滑油之 间，运动阻力仅由润滑油分子间的吸引力（内聚力）形成，因而 摩擦系数很小，一般在0.01～0.001的范围内。 混合摩擦 ：可分为半干摩擦和半液体摩擦。 半干摩擦是指干摩擦和边界摩擦同时存在的情形，不充分的 边界摩擦将导致半干摩擦。 半液体摩擦是液体摩擦和边界摩擦同时存在的情形，不充分 的液体摩擦会导致半液体摩擦。工业设备经常处于混合摩擦状况。
(3)洗涤作用
发动机工作中，会产生许多污物。如吸入空气中带来的 砂土、灰尘，混合气燃烧后形成的积炭，润滑油氧化后生成 的胶状物，机件间摩擦产生金属屑等等。这些污物会附着在 机件的摩擦表面上，如不清洗下来，就会加大机件的磨损。 另外，大量的胶质会使活塞环粘结卡滞，导致发动机不能正 常运转。因此，必须及时将这些污物清理，这个清洗过程是 靠润滑油在机体内循环流动来完成的。
五、Reynolds方程
1、假设 共有八条假设如下：
2、方程推导
这里采用流体力学中微单元体分析方法推导雷诺 方程。
主要步骤是： 1、由微单元体受力平衡条件，求出流体沿膜厚方向的 流速成分布 2、将流速沿油膜厚度方向积分，求得流量
3、应用流量连续性条件，最后导出Reyonls(雷诺）方 程的普遍形式
第二讲结束
本堂课的讲稿可以发给同学们，有需要的同 学请发邮件我：
摩擦学(02)
37
铁的氧化膜构造
38
铁的氧化膜
Rz
Y Y
i 1 pi i 1
5
5
ri
5
微观不平度十点高度
式中 Ypi 为最大轮廓峰高； Yvi 为 最大轮廓谷深。
14
一、一维形貌参数
3.最大峰谷距 在测量长度内最高峰与最低谷之间的高度 差，它表示表面粗糙度的最大起伏量。
15
一、一维形貌参数
4.轮廓均方根偏差或称均方根值Rq或
6
1、表面形状偏差——对摩擦磨损影响较小
它是指零件在成形时所具有的宏观几何形状偏差。 对平面来说，其形状公差用平面度和直线度来表 示；对圆柱面，其形状公差用圆度和圆柱度来表 示。 常见的表面形状偏差有：表面对理想平面倾斜； 在圆柱面上形成腰鼓形、鞍形或圆锥形和在圆柱 横剖面上形成椭圆和棱圆等。
9
表面形貌定义
表面形状偏差、表面波纹度、表面粗糙 度三部分构成的表面的真实图形叫表面 形貌
10
§2－1－2 表面形貌参数
任何摩擦表面都是由许多不同形状的微凸峰和凹 谷组成。表面几何特征对于混合润滑和干摩擦状 态下的摩擦磨损和润滑起着决定性影响。 表面几何特征采用形貌参数来描述。最常用的表 面形貌参数是表面粗糙度，它取表面上某一个截 面的外形轮廓曲线来表示。根据表示方法的不同 可分为一维、二维、三维的形貌参数。
3
铸铁三维形貌表面
a Groove-ridge like surface（Df2=1.44） b Pits-peak like surface（Df2=1.22）
4
§2－1 表面性质
表面微观几何形貌和表面结构合称
理论力学教学PPT摩擦教学课件PPT
4
（2）临界平衡状态：
FS
Fmax
Fmax ：最大静摩擦力
静摩 擦力有一个范围：0 Fs Fmax
Fmax
有限约束力
实验表明：Fm
的大小与接触面上法向反力
ax
FN
的大小成正比，方向与物体相对滑动趋势的方向相反.
P
Fmax
A
FN
Fmax = fs FN f s ----- 静摩擦系数
静滑动摩擦定律 T
49.61N m MC 70.39 N m
40
例5-14 已知： 力 P 角 ，不计自重的 A , B 块间的
静摩擦系数为 f s ，其它接触处光滑；
求：使系统保持平衡的力 F的值.
41
解： 取整体 Fy 0 FNA P 0 FNA P
设力 F小于 F1时，楔块 A 向右运动， 取楔块 A ，F1 FNA tan( ) P tan( )
解得 Fs 866 N FN 4500 N d 0.171m
而 Fmax fs FN 1800 N
因 Fs Fmax , 木箱不会滑动；
又 d 0 , 木箱无翻倒趋势.
木箱平衡
（2）设木箱将要滑动时拉力为 F1 Fx 0 Fs F1 cos 0 Fy 0 FN P F1 sin 0
画两杆受力图.
(a)
(b)
38
对图 (a) ， M A 0 FN1 AB M A 0
对图 (b) ， M C 0 M C1 FN1 l sin 60o Fs1 l cos 60o 0 又 Fs1 Fs1 fs FN1 fs FN1
解得 MC1 70.39N m
设 M C M C2 时，系统有顺时针方向转动趋势，
第二章 表面性质与表面接触
2.2 表面吸附与表面氧化 Surface Adsorption and Surface Oxidation
2.2.1 金属表面性质 The Metal’s property 金属及其合金都是由原子或分子组成的，金属的性能不但取决于其组成的原子的本性 和原子结合键的类型，而且还取决于原子的排列方式。 固态金属的规则排列的原子称为晶体结构，其基本排列形式有体心立方晶格、面心立 方晶格和密排六方晶格等三种，如表 2-4 所示。体心立方晶格的金属有铁（α-Fe） 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钨(W)、钒(V) 等。面心立方晶格的金属有铁（γ-Fe） 、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铅 (Pb) 等。密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)、铍(Be) 等。 表 2-4 金属晶体结构与滑移系
2
校公共选修课《摩擦学》讲稿， 材料学院孙建林 Sun-jl@
波纹偏差又称波纹度， 是被加工金属表面周期性出现的几何形状误差， 通常用波距与波 高表示。 （3） 表面粗糙度 表面粗糙度又称微观表面粗糙度， 是指表面微观几何形状误差。 国家标准 GB/t131-1993 规定了表面粗糙度的代号、符号及其标注方法。 形状偏差 + 波度偏差 + 表面粗糙度 ‖ 实际表面形貌
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测量仪器
校公共选修课《摩擦学》讲稿， 材料学院孙建林 Sun-jl@
光学显微镜 干涉显微镜 反射电子显微镜 表面轮廓仪
0.25~0.25 0.25 0.005 1.35~1.5
0.18~0.35 0.025 0.005 0.005~0.25
图 2-4 为使用表面轮廓仪测量的不锈钢板表面轮廓图形，表 2-3 为该表面粗糙度各参数 测量结果。
图 2-1 金属表面显微形貌
2-摩擦学基础知识
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
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
料。第三定律（摩擦系数与滑动速度无关），则 完全不适用于任何材料。
19
摩擦学基础知识
用于阐明干摩擦特性的早期摩擦理论主要是： 1．机械联结理论 1699年Amontons和de la Hire提出，金属的摩擦 可能是由于粗糙表面的微凸体之间的互锁作用所引起。 这个理论对静摩擦的存在作了解释，同时它把动摩擦 解释为使上表面的微凸体越过下表面微凸体所需的力。
验研究，不但肯定Amontons的结论，而且发展了
他的工作。 )
17
摩擦学基础知识
(由这些初期研究中得出的摩擦规律，可概括为
以下几个摩擦的基本定律：) 第一定律：摩擦力与两接触体之间的法向载荷成 正比。 F∝P 或 F=µ· P
式中µ称为摩擦系数。 第二定律：摩擦系数与两接触体之间的表观接触
面积无关。
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。
8
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
15
摩擦学基础知识
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
料。第三定律（摩擦系数与滑动速度无关），则 完全不适用于任何材料。
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摩擦学基础知识
用于阐明干摩擦特性的早期摩擦理论主要是： 1．机械联结理论 1699年Amontons和de la Hire提出，金属的摩擦 可能是由于粗糙表面的微凸体之间的互锁作用所引起。 这个理论对静摩擦的存在作了解释，同时它把动摩擦 解释为使上表面的微凸体越过下表面微凸体所需的力。
验研究，不但肯定Amontons的结论，而且发展了
他的工作。 )
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摩擦学基础知识
(由这些初期研究中得出的摩擦规律，可概括为
以下几个摩擦的基本定律：) 第一定律：摩擦力与两接触体之间的法向载荷成 正比。 F∝P 或 F=µ· P
式中µ称为摩擦系数。 第二定律：摩擦系数与两接触体之间的表观接触
面积无关。
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
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摩擦学基础知识
摩擦学基础 Microsoft PowerPoint 演示文稿
Ⅰ～Ⅳ类以外的其他基础油(有机脂、聚醚、烷基苯、甲基硅油、GTL等) 聚内烯烃（PIO） （欧洲）
溶剂精制基础油的分类
项 目 很高粘度指数 120≤VI＜140 VHVI VHVI W VHVI S 高粘度指数 90≤VI＜120 HVI HVI W HVI S 中粘度指数 40≤VI＜90 MVI MVI W MVI S 低粘度指数 ＜40 LVI — — 通用基础油 低凝基础油 深度精制基础 油
粘 着 磨
损 机 理、 磨 损
颗 粒 和 磨 损 零
件
粘着磨损
表面疲劳磨损 表面疲劳磨损，有时称为疲劳磨损。可以 定义为“当两个接触体相对滚动或滑动时，在 接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的 情况下，在表面层将引发裂纹，并逐步扩展， 最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过 程”。既然它是一个疲劳过程，那么表面疲劳 磨损，按裂纹萌生点不同可分为表层萌生与表 面萌生疲劳磨损；按磨屑和疲劳坑的形状不同 可分为鳞剥和点蚀两类。
润滑脂适用于下列工作条件下机械的润滑： • (1)因结构或工作条件限制而不能使用润滑油润滑的机械 设备或部位。例如，在负荷大、转速慢、温度高的条件下 工作的轴承，在大压力和离心力作用下，润滑油难以保证 必要的润滑，用润滑脂可以达到保证润滑的目的。又如某 些不能及时有规律地向摩擦部位加油的设备或开放式润滑 的部件，都可采用润滑脂。 • (2)工作环境潮湿、水和灰尘较多、难以密封的机械； 同酸性或其他腐蚀性气体接触的机械。 • (3)时开、时停的间歇式工作或转速经常变化的机械。 由于不同转速要求不同粘度的润滑剂，润滑油难以在这种 情况下形成良好的润滑油膜，而润滑脂却具有这种性能。 • (4)长期运转，不便于经常添加或更换润滑剂的摩擦部 位，如密封的滚珠轴承、高速电机、自动装置、远距离遥 控仪器等。润滑脂可以不流失地长期使用。
b2第2章 摩擦、磨损和润滑
摩擦、 2.7 摩擦、磨损和润滑
摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要
失效原因。 失效原因。 消极影响：消耗能源； 消极影响：消耗能源； 破坏精度（包括磨损和爬行）； 破坏精度（包括磨损和爬行）； 增大噪声 积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速） 积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速） 缓冲，如宇航员座椅； 缓冲，如宇航员座椅； 自锁， 自锁，如钉子等
2）磨粒磨损/磨削 ）磨粒磨损 磨削
形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。 形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。 形成 现象：表面划伤或犁沟现象。 现象：表面划伤或犁沟现象。 现象 影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。 影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。 影响因素
3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀） ）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）
η定义为流体的动力粘度 定义为流体的动力粘度
②
粘度的表示方法 —动力粘度 、运动粘度 动力粘度 和相对粘度（ 和相对粘度（如恩氏粘度 ）
①动力粘度η 动力粘度 图示,长 的流体， 图示 长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流体 高各为 的流体 层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外力 的运动速度， 层相对底面流体层产生 的运动速度 所需要的外力F 为1N时，则流体的粘度η为1Ns/m，叫做“帕秒”，常 时 则流体的粘度 为 ，叫做“帕秒” 表示。 叫做“ 用Pas表示。有时也用物理单位 表示 有时也用物理单位dyn s/cm2 ,叫做“泊”用 叫做 表示； 的百分之一叫做“厘泊” cP表示 表示。 P表示；“泊”的百分之一叫做“厘泊”用cP表示。 换算关系： 换算关系：1Pa S=10P=1000cP
形成：小振幅、大频率、点或线接触。 形成：小振幅、大频率、点或线接触。 形成 现象：磨损面积小。 现象：磨损面积小。 现象 影响因素：载荷。 影响因素：载荷。 影响因素
摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要
失效原因。 失效原因。 消极影响：消耗能源； 消极影响：消耗能源； 破坏精度（包括磨损和爬行）； 破坏精度（包括磨损和爬行）； 增大噪声 积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速） 积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速） 缓冲，如宇航员座椅； 缓冲，如宇航员座椅； 自锁， 自锁，如钉子等
2）磨粒磨损/磨削 ）磨粒磨损 磨削
形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。 形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。 形成 现象：表面划伤或犁沟现象。 现象：表面划伤或犁沟现象。 现象 影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。 影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。 影响因素
3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀） ）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）
η定义为流体的动力粘度 定义为流体的动力粘度
②
粘度的表示方法 —动力粘度 、运动粘度 动力粘度 和相对粘度（ 和相对粘度（如恩氏粘度 ）
①动力粘度η 动力粘度 图示,长 的流体， 图示 长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流体 高各为 的流体 层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外力 的运动速度， 层相对底面流体层产生 的运动速度 所需要的外力F 为1N时，则流体的粘度η为1Ns/m，叫做“帕秒”，常 时 则流体的粘度 为 ，叫做“帕秒” 表示。 叫做“ 用Pas表示。有时也用物理单位 表示 有时也用物理单位dyn s/cm2 ,叫做“泊”用 叫做 表示； 的百分之一叫做“厘泊” cP表示 表示。 P表示；“泊”的百分之一叫做“厘泊”用cP表示。 换算关系： 换算关系：1Pa S=10P=1000cP
形成：小振幅、大频率、点或线接触。 形成：小振幅、大频率、点或线接触。 形成 现象：磨损面积小。 现象：磨损面积小。 现象 影响因素：载荷。 影响因素：载荷。 影响因素
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
31摩擦基本原理摩擦的定义29311摩擦基本原理摩擦的分类分类方法摩擦的分类摩擦形式外摩擦摩擦形式内摩擦运动形式静摩擦运动形式动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚滑摩擦润滑状态干摩擦润滑状态边界摩擦润滑状态润滑摩擦摩擦材质金属金属金属非金属非金属非金属等工况条件常见工况常温常压环境介质等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30311摩擦基本原理摩擦的分类外摩擦
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"#$%） 的曲率半径平均值
11
2.1表面形貌-典型测量方法
测量方法 光学显微镜 光轮廓 斜剖面 干涉显微镜 复光束干涉 反射电子显微镜 电子显微镜 表面轮廓仪 分辨率μm 横向 0.25~0.35 0.25 0.25 0.25 5 0.03~0.04 0.005 1.3~2.5 纵向 0.18~0.35 0.25 0.025 0.025 0.005 0.002~0.008 0.0025 0.005~0.25
2
第2章 表面和接触
表面：指两相间的边界物质，其中相的定义是“具有明 确的物理边界、区别于其他物质系的均一部分”。 实际存在的固体表面并不是象镜面一样简单的平面, 它具有复杂的形状和表面性质。 2.1 表面形貌 2.2 表面结构 2.3 接触和变形
3
illustration of a regular wavy surface texture
8
2.1表面形貌-轮廓曲线的高度特征
Ra、Ry、Rq比较 Ra和Ry是加工中直接用于控制表面质量的参数，Rq在 工程中很少用，但在轮廓的理论分析中有很重要的应用价 值。上图为两种支承表面的微观形貌，这两种表面的Ra相 同，而Rq值却能把好与差的表面差异反映出来，在塑性材 料磨损，特别是磨合过程中，这种表面形貌的变化是常遇 到的。
轮廓峰的平均曲率 为取样长度!内全部轮廓峰顶处 半径（代号"#$%） 的曲率半径平均值
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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
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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
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illustration of a regular wavy surface texture
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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。
摩擦学ppt
对于尺寸在毫米以下甚至毫微米级范围的微 型机械，如可清除血管内壁沉积物的微型机器人 等，此时表面效应非常明显，摩擦则是重要的因 素之一。 在通讯卫星中，天线需要精确的定位机构和 展开机构，要求轴承扭矩在7—10年内不变，经过 107 次循环使用后精度不变，此时必须研制新型 润滑剂以减少微观尺度的摩擦力和磨损的变化。
纳米摩擦学研究方法
（1）现代表面分析方法 纳米摩擦学的实验广泛应用表面力仪 (SFA)和扫描探针技术．包括扫描隧道显微 镜 (STM)，原子力显微镜(AFM)和激光检 测摩擦力显微镜(FFM)。它们用于测量原 子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行 为．在微磨损、微划痕、纳米磨损与超精 加工以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨 大的作用。
2．表面形态与混合润滑理论
摩擦学现象发生在极薄的表面层， 因此对于摩擦表面形态的形成、变化 和作用的分析，将深化摩擦学机理研 究，并就改善使用性能寻求合理的表 面形态和工艺方法提供依据。研究内 容包括：表面形貌的表征及其摩擦学 效应，表面物理化学状态在摩擦、磨 损过程中的行为与变化等。
分析表明，工程中大多数摩擦表面是 处于混合润滑状态，即部分润滑膜与表面 粗糙峰点相接触同时存在。磨损的发生是 混合润滑状态的特性。 目前有关混合润滑的设计尚停留在半 经验阶段，因此建立工程适用的混合润滑 设计理论是当前急迫的任务。这一领域的 研究集中在：部分膜润滑和微观弹流润滑 理论，各类润滑膜的失效准则和润滑状态 转化过程，粗糙表面的接触分析与载荷分 配，混合润滑的模型化和定量化研究等。
3．磨损形成机理及其控制
研究目的在于了解磨损形成过程、变化及其影响因 素，从而寻求提高耐磨性和控制磨损的措施。工程中的 磨损现象多种多样，根据形成机理可归纳为：磨粒磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、化学腐蚀磨损等基本类型。实际 机械中的磨损大多是几种磨损类型同时发生，因此磨损 研究必须强调针对性，即密切结合各种典型零件的具体 工况条件进行分析研究，在累积数据的基础上，建立磨 损机理以及抗磨损设计方法与对策． 实际零件的磨损经历着复杂的过程，涉及因素很多， 包括工况参数、材料与表面形态、润滑与环境介质的作 用等的影响。因此，磨损研究还应强调运用多学科的综 合研究和系统工程分析的方法。
第一章摩擦学概论
课程名称： 摩擦学Tribology 课程类型：校公共选修课计划学时：18主讲教师: 孙建林 教授；校公共选修课 “摩擦学”(教学大纲)课程类型: 公共选修课计划学时: 18 教材：有先修课程：1摩擦学概述-------------------------------------3学时1．1摩擦学定义与主要内容1．2摩擦与润滑的发展1．3摩擦学研究状况1． 4 摩擦学面临的任务2表面性质-------------------------------------3学时2．1表面形貌与表面测量2．2 表面张力与表面能2．3表面吸附与氧化2．4 表面接触3摩擦机理-------------------------------------3学时3．1摩擦类型与特点3．2摩擦理论3．3影响摩擦的因素3．4摩擦的测定4工艺润滑剂概述-------------------3学时4．1工艺润滑的目的与要求4．2润滑状态；4．3工艺润滑剂的类型（油基润滑剂；水基润滑剂；乳化液；固体润滑剂）4．4润滑添加剂5 工艺润滑基本理论--------------------------------------------------3学时5．1润滑状态5．2流体润滑5．3混合润滑5．4 边界润滑6磨损-------------------------------------------3学时6．1磨损的定义6．2磨损类型6．3磨损对工模具及制品表面质量的影响参考书目［1］ 温诗铸，摩擦学原理，北京：清华大学出版社，1994。
［2］ 全永昕，工程摩擦学，杭州：浙江大学出版社，1994。
［3］ 汪一麟，实用摩擦学，上海：上海科学技术出版社，1984。
［4］ 颜志光，润滑材料与润滑技术，北京：中国石化出版社，2000。
［5］ 张剑烽等，摩擦磨损与抗磨技术，天津：天津科技翻译出版公司，1993。
［6］ 孙建林，材料成形摩擦磨损与润滑，国防工业出版社，2007。
第二章摩擦及摩擦理论
µ=F/W k， k=2/3～1。
特别注意：在古典摩擦定律中，摩擦系数µ是一 个常数。但是大量的试验指出，很难确定某种 摩擦副固定的摩擦系数，仅在一定的环境(湿度
温度等)和工况(速度和载荷等)下，对于一定的 材质的摩擦副来说，µ才有可能是一个常数。如 在正常的大气环境下，硬质钢摩擦副表面的µ为 0.6，但在真空下，其µ可达到2.0。 **因此，通过摩擦试验测得试样的摩擦系数时，
3. 按表面润滑状态分类：
干摩擦：两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。
边界摩擦：边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。
流体摩擦：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦， 即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦，发 生在流体内部分子之间。此时，不存在表面微凸 体的直接接触和咬合。
混合摩擦：半干摩擦(同时存在干摩擦和边界摩 擦)和半流体摩擦(同时存在流体摩擦和边界摩擦) 的统称。
3. 粘着-犁沟摩擦理论
由鲍顿和泰伯(F.P.Bowden and D,Tabor)在1950提出。
(1)概念：当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触 点的单位压力很大，发生塑性变形，这些点将牢固的粘 着，使两表面形成一体，称为粘着或冷焊。当一表面相 对另一表面滑动时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接 的力就是摩擦力。此外，如果一表面比另一表面硬一些， 则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟， 这种犁沟的阻力也是摩擦力。即
由犁沟效应产生的摩擦系数为
如果同时考虑粘着效应和犁沟效应, 单个粗糙峰滑动 时的摩擦力包括剪切力和犁沟力, 即
则摩擦系数
(3)
对于大多数切削加工的表面，粗糙峰的θ角较大，式(3)
右端第二项甚小，所以通常可以忽略犁沟效应，式(3) 变 成公式：
然而当粗糙峰的θ角较小时,
特别注意：在古典摩擦定律中，摩擦系数µ是一 个常数。但是大量的试验指出，很难确定某种 摩擦副固定的摩擦系数，仅在一定的环境(湿度
温度等)和工况(速度和载荷等)下，对于一定的 材质的摩擦副来说，µ才有可能是一个常数。如 在正常的大气环境下，硬质钢摩擦副表面的µ为 0.6，但在真空下，其µ可达到2.0。 **因此，通过摩擦试验测得试样的摩擦系数时，
3. 按表面润滑状态分类：
干摩擦：两表面之间即无润滑剂又无湿气的摩擦。
边界摩擦：边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。
流体摩擦：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦， 即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦，发 生在流体内部分子之间。此时，不存在表面微凸 体的直接接触和咬合。
混合摩擦：半干摩擦(同时存在干摩擦和边界摩 擦)和半流体摩擦(同时存在流体摩擦和边界摩擦) 的统称。
3. 粘着-犁沟摩擦理论
由鲍顿和泰伯(F.P.Bowden and D,Tabor)在1950提出。
(1)概念：当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触 点的单位压力很大，发生塑性变形，这些点将牢固的粘 着，使两表面形成一体，称为粘着或冷焊。当一表面相 对另一表面滑动时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接 的力就是摩擦力。此外，如果一表面比另一表面硬一些， 则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟， 这种犁沟的阻力也是摩擦力。即
由犁沟效应产生的摩擦系数为
如果同时考虑粘着效应和犁沟效应, 单个粗糙峰滑动 时的摩擦力包括剪切力和犁沟力, 即
则摩擦系数
(3)
对于大多数切削加工的表面，粗糙峰的θ角较大，式(3)
右端第二项甚小，所以通常可以忽略犁沟效应，式(3) 变 成公式：
然而当粗糙峰的θ角较小时,
第二章摩擦及摩擦理论
第二章 摩擦及摩擦理论概 述两个物体作相对运动时，其接触界面上存在的切向阻抗现象,称为（外)摩擦.同一物体（如流体或变形中的固体）各部分间作相对运动时,其分子间的阻抗现象称为内摩擦。
这里只讨论外摩擦.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，在接触面间产生切向运动阻力,这阻力叫摩擦力，这种现象称作摩擦.如图2.1所示，在外力P 的作用下,物体沿接触表面滑动（或具有滑动趋势）时，存在于界面上的切向阻力F 就称作摩擦力。
摩擦副因结构不同和运动方式各异,摩擦可按以下分类： ①按摩擦副运动形式分类a.滑动摩擦：当接触面相对滑动（或具有相对滑动趋势）时； b 。
滚动摩擦：物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时。
②按摩擦副运动状态分类a.静摩擦：物体受力后对另一物体具有相对运动趋势,处于静止临界状态时；b.动摩擦:物体受力后，越过静止临界状态而沿另一物体表面发生相对运动时。
③按表面的润滑情况分类a.干摩擦：物体的接触表面上无任何润滑剂存在时;b 。
边界摩擦：两物体表面被一种具有润滑性能的边界膜分开时;c.流体摩擦：两物体表面被润滑剂膜完全隔开时；（摩擦发生在界面间的润滑剂膜内，即流图2.1 物体摩擦时的受力情况体的内摩擦）;d.混合摩擦（半干摩擦和半流体摩擦)：半干摩擦是指在摩擦表面上同时存在着干摩擦和边界摩擦时；半流体摩擦是指在摩擦表面上同时存在着流体摩擦和边界摩擦时。
实际工程表面在摩擦过程中，可能出现一部分被流体膜分隔开，一部分覆有边界膜甚至同时伴有材料直接接触的混合摩擦。
为了要搞清摩擦的起因及影响摩擦的因素，以达到有效地控制摩擦，通常从干摩擦着手分析。
严格地讲，干摩擦是指两个纯净表面（除了材料本身以外，表面上不存在任何润滑剂膜、吸附膜、反应膜和污染膜等）的摩擦。
但在大气环境中很难得到纯净表面，所以人们通常把“大气环境条件下的无润滑摩擦”也称为干摩擦.对于干摩擦的研究已经有过很多理论:经典的摩擦定律—-阿芒顿库仑定律最早由达芬奇、阿芒顿、库仑等对无润滑状态下固体间相对滑动的问题作过研究，并归纳出以下三条摩擦定律:①滑动摩擦力的大小与表观接触面积无关;②滑动摩擦力的大小与滑动速度无关;③滑动摩擦力的大小与接触面之间的法向载荷成正比：令F=μN（见图2。
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• 由于分子结构的不同，润滑油的性能也有 显著差异。烷烃含量高的润滑油密度较环 烷烃油小，而粘温性能较好。矿物油的粘 压性能也与其环烷烃的含量多少有关。芳 香烃的含量则与润滑油的边界润滑性能有 关。
• 当矿物油在粘性、抗氧化性、热稳定性及 挥发性等方面无法满足使用工况的条件时， 需要采用性能更优越（价格也更高）的合 成润滑油。表2.1比较了矿物油和一些常 用合成油的理化性能，可以看出，合成油 的闪点、热稳定性较矿物油高，饱和蒸汽 压较低，有些合成油的粘度随温度的变化 较矿物油小。
• 矿物油是以石油为原料经过蒸馏和精炼制 成的，它的主要成分是由碳和氢两种元素 构成的烃，烃的分子结构有烷烃（也称石 蜡烃）、环烷烃和芳香烃。 • 烷烃有直链和枝链两种类型，碳原子间只 有单键结合，如图（a）、（b）所示。
• 环烷烃中的碳原子间也是单键结合，但不 是链状而是呈环状，如图2.1（c）所示；芳 香烃中的碳原子链也呈环状，不过碳原子 间是单双键交替结合，因此，氢含量较少， 如图2.1（d）所示。
第二章 润滑剂
• 2.1 润滑剂的作用与类型
• 2.1.1 润滑剂的作用 • 润滑剂是现代机械系统的基本要素之一，它的主要作用是 减少运动副之间的摩擦和磨损，提高机械效率，延长机械 的工作寿命。
• 除此之外，使用润滑循环系统还能起到冷却摩擦副、带走
磨损碎屑或其它颗粒污染物以及保护金属表面免遭腐蚀等 有益作用。
• 2．润滑脂的性能 • 润滑脂的主要性能包括：流动性（针入 度）、触变性、粘度、强度极限、低温流 动性、滴点、蒸发性、胶体安定性、氧化 安定性等。 • 润滑脂的最主要性能是流动性，以针入度 表示。针入度数值越大表示润滑脂越软。
•
• 3．润滑脂使用 • （1）润滑脂的填充量 • 润滑脂的填充量，以填充轴承和轴承壳 体空间的1/3到1/2为宜。若加脂过多，由于 搅拌发热，会使脂变质恶化或软化。高速 时应仅填充至1/3或更少。当转速很低时， 为防止外部异物进入轴承内，可以填满壳 体空间。
• (2)在一些特殊条件下，脂润滑和油润滑的 使用受到限制时可采用混合润滑剂。
• 方法有：将固体润滑剂加入润滑脂中，一般是在 润滑脂中加入3%或5%的一号二硫化钼；用粘接 剂将固体润滑剂加入工程塑料和粉末冶金材料中， 制成有自润滑性能的轴承零件；在轴承的滑动部 位刻制小槽或小沟，嵌入相应形状的固体润滑剂 组合材料；也可在保持架兜孔、引导面或滚道上 直接镶嵌固体润滑剂组合材料。用电镀、高频溅 射、离子镀层、化学沉积、溶射等技术使固体润 滑剂或软金属（金， 银，铅等）在轴承零件摩擦 面上形成一层均匀致密的薄膜。
• 润滑脂的分类方法有许多种，有的按基础 油组成分类，如分为石油基润滑脂和合成 油润滑脂；有的按用途分类，如分为减摩 润滑脂，防护脂和密封脂；有的按润滑脂 的某一特性分类，如高温脂，耐寒脂和极 压脂等。润滑脂中的稠化剂的类型，是决 定润滑脂工作性能的主要因素。
• 几类润滑脂特性的简要介绍： • （1）烃基润滑脂 • 以石蜡稠化基础油制成的润滑脂称为烃基 润滑脂。具有良好的可塑性，化学安定性 和胶体安定性，不溶于水，遇水不产生乳 化。其缺点是熔点低。烃基润滑脂主要用 于保护场合。
• 润滑剂的物质形态已经覆盖了气体、液体 和固体单相以及气-液、液-液、液-固两相 甚至气-液-固三相，十分广泛。 • 有些类型的润滑剂有时也会带来环境污染 等问题，所以需要对润滑剂的知识有全面 的认识和理解。
• 2.1.2 润滑油的类型 • 润滑油一般由基础油和润滑油添加剂混合 而成。 • 基础油分为矿物油和合成油两大类。矿物 油的最高使用温度为130℃，有些超精炼的 矿物油使用温度可达200℃,而某些合成油则 可耐370℃的高温。相对于矿物油来说，合 成油属于高档润滑油，用于高温、高压、 高真空和高湿度等极端环境工况。
• 3．固体润滑剂的使用方式 • (1)作为固体润滑粉末来使用 • 将固体润滑粉末（如MoS2）以适量添加到 润滑油或润滑脂中，可提高润滑油脂的承 载能力及改善边界润滑状态等，这也是较 常用的使用方法，如MoS2油剂、MoS2油 膏、MoS2润滑脂及MoS2水剂等。以粒度小 于0.5 m的固体润滑剂加入到发动机润滑 油中，这些小颗粒能通过滤器进到摩擦面， 当摩擦面因某种原因暂时缺油时，固体润 滑剂的小颗粒起润滑作用，起到短时间应 急的作用。
• 目前使用最多的是钙基润滑脂，它有耐水 性，常用于60C以下的各种机械设备中的 轴承润滑。钠基润滑脂可用于115~145C 以下，但不耐水。锂基润滑脂性能优良， 耐水，在-20~150C范围内广泛适用，可以 代替钙基、钠基润滑脂。
• （3）无机润滑脂 • 主要有膨润土润滑脂及硅胶润滑脂两类。 硅胶润滑脂是由表面改质的硅胶稠化甲基 硅油制成的润滑脂，可用于电气绝缘及真 空密封。膨润土润滑脂是由表面活性剂处 理后的有机膨润土稠化不同粘度的石油润 滑油或合成润滑油制成。适用于汽车底盘、 轮轴承及高温部位轴承的润滑。
• （3）润滑脂的混合 • 原则上，牌号不同的润滑脂不能混合，含 有不同种类稠化剂的脂相混合会破坏润滑 脂的结构和稠度，不同基油的脂相混合会 造成两元相流体而影响连续润滑。因此， 一般应避免混合使用各种润滑脂，若必须 更换牌号相异的润滑脂时，应把轴承内原 有的润滑脂完全清除后，再填入新的润滑 脂。
由于固体润滑剂不能像润滑油那样可以把 摩擦界面上的摩擦热导出一部分，而且在使用过 程中很难补充，因此在选用时应根据固体润滑剂 的特点，考虑采取相应的补救措施。
• 2．固体润滑剂的种类 固体润滑剂一般可分为以下几类： • 层状晶体结构固体润滑剂：它们是易于劈 开的化合物或具有减摩作用的单体物质。 按结合形式、结晶体系和成分可分为：硫 化物，硒化物，碲化物，氟化物，卤化物， 单质（石墨等），氮化物，氧化物，有机 物等； • 非层状无机物：如硫化物，碲化物，氟化 物，陶瓷和超硬合金； • 软金属薄膜：如Au，Ag，In，Ca，Cd， Pb，Sn及其合金；
• 2．酯 • 通过酸与醇的组合可以合成出种类繁多的酯用作润滑剂， 包括有机酸酯、氟代酯、磷酸酯和硅酸酯等。酯作为润滑 剂的特点是粘-温性能、抗挥发性能突出，但容易通过氧 化、热反应或水解反应而发生降解。由二元酸、单元酸与 甲醇、乙醇或丙醇反应合成的二元酯（也称双酯）广泛用 于航空发动机润滑。季戊四醇酯的耐热性优于双酯，加入 合适的抗氧化剂后可以用于200℃应用场合，如汽轮机润 滑油。聚乙二醇酯是一种不溶于水的化合物，具有良好的 热稳定性和润滑性，用于液压油。由有机羧酸和氟乙酰胺 醇合成的氟代酯具有较好的抗氧化性和阻燃性，但粘-温 性能较差。磷酸酯（如磷酸三甲苯酯，TCP）广泛用于矿 物油和其它合成润滑油的抗磨添加剂。硅酸酯具有热稳定 性好、低粘度、低挥发性的优点，但水解稳定性较差，主 要用于低温条件下的润滑。
• 5．全氟聚醚 • 全氟聚醚（PFPE）具有优良的抗氧化性、 低挥发性和较好的边界润滑特性，其分子 量、极性基团可以在一定范围内调整以获 得不同的粘度和表面迁移性能。全氟聚醚 被广泛用于硬盘表面的润滑，也用于高温、 高真空条件下的润滑。
• 2.1.3润滑脂 • 润滑脂也是广泛使用的润滑剂材料。润滑 脂密封简单，不须经常加添，不易流失， 所以在垂直的摩擦表面上可以使用。润滑 脂对载荷和速度的变化有较大的适应范围， 受温度的影响不大，但摩擦损耗较大，机 械效率低，故不宜用于高速。且润滑脂易 变质，不如油稳定。总的来说，一般参数 的机器，特别是低速而带有冲击的机器， 都可以使用润滑脂润滑。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 3．硅氧烷 • 硅氧烷也称为硅油，有很好的化学惰性、 热稳定性、优良的粘-温性能、低挥发性和 低表面张力，适用于流体动力润滑，但边 界润滑性能较差。常用的硅氧烷润滑油有 二甲基硅油、甲苯基硅油和氯化甲苯基硅 油。硅油可用于高低温条件下的润滑，在 空间飞行器等极端环境下应用较多。
• 4．聚苯醚 • 聚苯醚是一类芳香族化合物，具有优异 的抗辐射能力和抗氧化性，但粘度特性较 差，常用于强辐照工况下（如宇宙飞行、 反应堆或以原子能为动力的装置）机械部 件的润滑。
• 高分子材料：如聚四氟乙烯，聚缩醛，尼 龙，聚酰胺，聚酰亚胺，环氧树脂，酚醛 树脂，硅树脂等； • 化学生成膜与化学合成膜：如磷酸盐，以 及在镀钼的金属表面通以硫蒸气，生成 MoS2膜等。
• 最常用的固体润滑剂有：石墨、二硫化钼 （ MoS2）、聚四氟乙烯（PTFE）和尼龙 等。石墨性能稳定，在350C以上才开始氧 化，并可在水中工作。二硫化钼与金属表 面吸附性强，摩擦系数低，使用温度范围 也广（-60~300C），但遇水则性能下降。 • 使用固体润滑剂，一定要了解固体润滑剂 的特性，根据工作条件合理使用，才能达 到预期的效果。
• 2.1.4 固体润滑剂 • 1．固体润滑剂的性能 固体润滑是指利用固体粉末、薄膜或 整体材料来减少作相对运动两表面的摩擦 与磨损并保护表面免于损伤的作用。
• 对固体润滑剂的基本性能有以下要求： （1）能与摩擦表面牢固地附着，有保护表面 功能； （2）具有较低的抗剪强度； （3）稳定性好，包括物理热稳定，化学热稳 定，时效稳定和不产生腐蚀及其他有害的 作用； （4）要求固体润滑剂有较高的承载能力；
• 1.润滑脂的种类 • 润滑脂是由基础油、稠化剂（如钙、钠、 铝、锂等金属皂）、添加剂和填充剂混合 稠化而成。 • 基础油是常用的矿物油或合成油，添加剂 的功能和类型也与一般润滑油添加剂相同 或相似，填充剂则是一些起溶胶、分散或 固体润滑作用的辅助成分，稠化剂是润滑 脂的最主要成份，常用的是脂肪酸的金属 皂，如硬脂酸锂和硬脂酸钙，相应的润滑 脂也就常称为锂基润滑脂和钙基润滑脂。
• （2）润滑脂的补充和更换 • 润滑脂的使用寿命是有限的，由于剪切作 用和工作时间增加，润滑脂会出现老化， 使其润滑性能降低。为了避免产生过多的 摩擦损耗和材料磨损，摩擦副中须隔一定 时间补充或更换一次润滑脂。润滑脂的补 充时间间隔与摩擦副的结构、尺寸、转速 和环境条件有关。
不同滚动轴承的润滑脂补充时间间隔 上图是在轴承外径表面温度为70º C情况下绘出的，因此适用于轴 承温度70º C以下，若超过70º C，每上升15º C，补充周期应减半。 如轴承用于尘埃很多，且密封不可靠的场合，补充周期可缩短到图示 值的一半到十分之一。