麻省理工大学摩擦学讲义
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摩擦学基础知识ppt课件
2．分子吸引理论 1929年Tomlinson及1936年Hardy先后提出，
当一种材料的原子从它们的配合表面上的吸力 范围内被拉出时，要消耗一定能量，构成了摩 擦力。后来的研究认为，摩擦是由于分子运动 键的断裂过程所引起．在这个过程中。由于表 面及次表面分子周期性地拉伸、破裂及松弛， 导致能量的消耗。
第二定律：摩擦系数与两接触体之间的表观接触 面积无关。
第三定律：摩擦系数与滑动速度无关。
18
摩擦学基础知识
这些基本定律经历了许多年，一直到近代没 有重大修改，因而理应承认它们是能够成立的。 但是根据后来的研究，发现这些定律在很多情况ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ下是不正确的。
例如第二定律（摩擦系数与两接触体之间的 表观接触面积无关）。仅对有一定屈服点的材料 (如金属)才能成立，它不适用于弹性及粘弹性材 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。
7
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 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。
实验证明 uhex<ufcc<ubcc 2．晶体的各向异性 同一种金属，在不同的晶面和晶向会表现出不同的 摩擦系数，如在真空中钨对钨的摩擦系数在(110)面为 1.33，在(210)面为1.90，在(100)面为3.00。
28
摩擦学基础知识
3．晶粒度 晶粒越细，摩擦系数越低，这可能与晶粒度对材 料硬度的影响有关。随硬度提高，摩擦系数下降。 4．层错能 层错能决定了材料位错交滑移的难易程度。层错 能越高，交滑移和攀移越容易进行，摩擦系数越低。 5．弹性模量 它是拉伸金属内部结构所需应力的度量。原子之 间结合力越强，弹性模量越大，摩擦系数也就越低。
当一种材料的原子从它们的配合表面上的吸力 范围内被拉出时，要消耗一定能量，构成了摩 擦力。后来的研究认为，摩擦是由于分子运动 键的断裂过程所引起．在这个过程中。由于表 面及次表面分子周期性地拉伸、破裂及松弛， 导致能量的消耗。
第二定律：摩擦系数与两接触体之间的表观接触 面积无关。
第三定律：摩擦系数与滑动速度无关。
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摩擦学基础知识
这些基本定律经历了许多年，一直到近代没 有重大修改，因而理应承认它们是能够成立的。 但是根据后来的研究，发现这些定律在很多情况ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ下是不正确的。
例如第二定律（摩擦系数与两接触体之间的 表观接触面积无关）。仅对有一定屈服点的材料 (如金属)才能成立，它不适用于弹性及粘弹性材 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
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 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。
实验证明 uhex<ufcc<ubcc 2．晶体的各向异性 同一种金属，在不同的晶面和晶向会表现出不同的 摩擦系数，如在真空中钨对钨的摩擦系数在(110)面为 1.33，在(210)面为1.90，在(100)面为3.00。
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摩擦学基础知识
3．晶粒度 晶粒越细，摩擦系数越低，这可能与晶粒度对材 料硬度的影响有关。随硬度提高，摩擦系数下降。 4．层错能 层错能决定了材料位错交滑移的难易程度。层错 能越高，交滑移和攀移越容易进行，摩擦系数越低。 5．弹性模量 它是拉伸金属内部结构所需应力的度量。原子之 间结合力越强，弹性模量越大，摩擦系数也就越低。
第二章摩擦学概论2讲课文档
现在四页，总共八十三页。
摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界
大约有
的能源1以2各~种1形3 式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损
是机械设备失败的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式
的磨损引起的。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为
节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。
体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。
❖ 混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。
现在二十一页，总共八十三页。
三、摩擦定律——库仑摩擦定律 1. 古典摩擦定律 (称为阿蒙顿-库仑定律): （1）摩擦力和载荷成正比，即 F= f N 。除了在重载荷下实际接
触面积接近表观面积外，都是正确的。可适用于一般工程实际 。但对一些极硬或软的材料，摩擦力和法向载荷间并不是线性的 正比关系。
** 对于塑性接触状态，实际接触面积与 载荷成正比。
**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关 系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有 塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为 非线性关系。原因在于理想粗糙表面模型 过于简化。
现在十七页，总共八十三页。
第二节 摩 擦
摩擦的定义： 两个接触物体表面在外力 作用下相互接触并作相对 运动或有运动趋势时，在 接触面之间产生的切向运 动阻力称为摩擦力，这种 现象就是摩擦。
大小与载荷和表面几何形状有关，约占名 义接触面积的5~15%。
现在十四页，总共八十三页。
(3) 实际接触面积Ar： 物体真实接触面积的总和，两接触物体通
过表面微凸体直接传递界面相互作用，发生 变形而产生的微接触面积之和。为名义接触 面积的0.01~0.1 %，黑点表示的接触面积。
现在十五页，总共八十三页。
金属表面 组成
摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，全世界
大约有
的能源1以2各~种1形3 式消耗在摩擦上。而摩擦导致的磨损
是机械设备失败的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式
的磨损引起的。因此，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成为
节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。
体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。
❖ 混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。
现在二十一页，总共八十三页。
三、摩擦定律——库仑摩擦定律 1. 古典摩擦定律 (称为阿蒙顿-库仑定律): （1）摩擦力和载荷成正比，即 F= f N 。除了在重载荷下实际接
触面积接近表观面积外，都是正确的。可适用于一般工程实际 。但对一些极硬或软的材料，摩擦力和法向载荷间并不是线性的 正比关系。
** 对于塑性接触状态，实际接触面积与 载荷成正比。
**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关 系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有 塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为 非线性关系。原因在于理想粗糙表面模型 过于简化。
现在十七页，总共八十三页。
第二节 摩 擦
摩擦的定义： 两个接触物体表面在外力 作用下相互接触并作相对 运动或有运动趋势时，在 接触面之间产生的切向运 动阻力称为摩擦力，这种 现象就是摩擦。
大小与载荷和表面几何形状有关，约占名 义接触面积的5~15%。
现在十四页，总共八十三页。
(3) 实际接触面积Ar： 物体真实接触面积的总和，两接触物体通
过表面微凸体直接传递界面相互作用，发生 变形而产生的微接触面积之和。为名义接触 面积的0.01~0.1 %，黑点表示的接触面积。
现在十五页，总共八十三页。
金属表面 组成
摩擦学第四章
第二节
滑动摩擦
一、古典摩擦理论
（一） 机械咬合理论
这种理论认为摩擦主要是由表面的凹凸形状所造成， 即当两个表面接触时，其凹凸部分互相咬合，若要使表面滑动， 则必须顺着其凸起部分滑动或把这些凸起部分破坏掉，这就是 产生摩擦力的原因。
达.芬奇 阿蒙顿(G.Amontons,1663-1705) 欧拉(Leonhard Euler,1707-1783) 库仑(C.A.Coulumb,1736-180)
2、在一定条件下，摩擦过程会发生摩擦能量的转化（转化为热 能、机械能、化学能、电能和电磁能等）以及摩擦副的材料和 形状的变化。
3、可借助摩擦力所作的功(摩擦功)来表示摩擦过程的能量平衡。在 一般情况下，摩擦功Wf的大部分转化为热能Q，以热的形式消散，小 部分(约9%-16%)以内能△E的形式储存于表面层。
(二)变形-犁削-粘着理论 *
要点如下：
滑动表面之间的摩擦是由微凸体的变形、磨粒和微凸体对表面的犁削 以及粘着三者综合作用的结果。
这三者对摩擦系数影响的程度取决于滑动界面的状态，而后者又受到 滑动前材料的性质、表面状态以及环境等因素的影响。 1981年N．P．Suh在《Wear》发表关于摩擦机理新观点：微凸体变形阻力、 刻槽阻力、粘着阻力。 Fn Fn Fn
4、混合摩擦 又可分为半干摩擦和半流体摩擦两种。前者是指同时存在干摩擦和边 界摩擦的一种混合状态的摩擦。而后者则是指同时存在边界摩擦和流体摩 擦的一种混合状态的摩擦。
按照摩擦副的运动形式，可以将摩擦分为以下两大类：
1.滑动摩擦
如在各种滑动轴承和机床导轨以及钻机中的刹车与气动离合器中相 对滑动表面上产生的摩擦。
第Ⅳ阶段： 进入摩擦表面的磨粒数和离开表面的磨粒数大致相等， 摩擦系数达到稳定值。
摩擦磨损与润滑课件第一章绪论
抗氧化性
表示润滑剂在长期储存和使用过程中抵抗氧 化变质的能力。
05
CATALOGUE
润滑理论简介
润滑理论的发展历程
01
古代润滑理论
古代人类在实践中发现某些物质可以减少摩擦，如油脂、动物脂肪等，
但缺乏科学理论支撑。
02
近代润滑理论
随着工业革命的发展，机械设备的广泛应用，润滑理论逐渐形成。例如
，库伦提出了关于摩擦的定律，奠定了现代摩擦学的基础。
02
CATALOGUE
摩擦现象与原理
摩擦现象的分类
01
02
03
干摩擦
表面之间没有润滑剂，如 金属之间的摩擦。
流体摩擦
表面被润滑剂分开，如滑 轮中的润滑油与金属表面 之间的摩擦。
边界摩擦
表面间有一层极薄的润滑 剂，如滑动轴承中的润滑 油膜与轴颈之间的摩擦。
摩擦产生的原理
表面粗糙度
由于表面微观不平度，实际接触面积 小于名义接触面积，导致实际接触点 承受压力，产生弹性变形和塑性变形 ，从而产生摩擦。
疲劳剥落
由于循环接触应力作用 ，使表面材料发生疲劳
裂纹并剥落。
粘着与撕脱
由于粘着作用，使材料 从一个表面转移到另一 个表面，或从一个表面
撕脱。
腐蚀与磨损
由于腐蚀介质的作用， 使表面材料发生腐蚀并
导致磨损。
04
CATALOGUE
润滑及其作用
润滑剂的种类
润滑油
主要用于液体润滑，如发动机 机油、齿轮油等。
交通运输领域
润滑理论在交通运输领域中涉及汽车、飞机和船舶等交通 工具的发动机润滑、传动系统润滑和液压系统润滑等方面 。
科研领域
润滑理论也是摩擦学、流体力学、材料科学等领域的重要 研究方向之一，对于推动相关学科的发展具有重要意义。
表示润滑剂在长期储存和使用过程中抵抗氧 化变质的能力。
05
CATALOGUE
润滑理论简介
润滑理论的发展历程
01
古代润滑理论
古代人类在实践中发现某些物质可以减少摩擦，如油脂、动物脂肪等，
但缺乏科学理论支撑。
02
近代润滑理论
随着工业革命的发展，机械设备的广泛应用，润滑理论逐渐形成。例如
，库伦提出了关于摩擦的定律，奠定了现代摩擦学的基础。
02
CATALOGUE
摩擦现象与原理
摩擦现象的分类
01
02
03
干摩擦
表面之间没有润滑剂，如 金属之间的摩擦。
流体摩擦
表面被润滑剂分开，如滑 轮中的润滑油与金属表面 之间的摩擦。
边界摩擦
表面间有一层极薄的润滑 剂，如滑动轴承中的润滑 油膜与轴颈之间的摩擦。
摩擦产生的原理
表面粗糙度
由于表面微观不平度，实际接触面积 小于名义接触面积，导致实际接触点 承受压力，产生弹性变形和塑性变形 ，从而产生摩擦。
疲劳剥落
由于循环接触应力作用 ，使表面材料发生疲劳
裂纹并剥落。
粘着与撕脱
由于粘着作用，使材料 从一个表面转移到另一 个表面，或从一个表面
撕脱。
腐蚀与磨损
由于腐蚀介质的作用， 使表面材料发生腐蚀并
导致磨损。
04
CATALOGUE
润滑及其作用
润滑剂的种类
润滑油
主要用于液体润滑，如发动机 机油、齿轮油等。
交通运输领域
润滑理论在交通运输领域中涉及汽车、飞机和船舶等交通 工具的发动机润滑、传动系统润滑和液压系统润滑等方面 。
科研领域
润滑理论也是摩擦学、流体力学、材料科学等领域的重要 研究方向之一，对于推动相关学科的发展具有重要意义。
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，
第四篇摩擦学PPT课件
第23页/共26页
润滑方法的改进
1．流体润滑 2．表面处理 （1）表面磷化处理 （2）表面氧化处理 （3）表面镀层
第24页/共26页
谢谢！
第25页/共26页
感谢您的观看！
第26页/共26页
第6页/共26页
其数学表达式为： F N 或 N
式中 F——摩擦力；
——外摩擦系数；
N——垂直于接触面正压力；
N ——接触面上的正应力；
——接触面上的摩擦切应力。
由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又 称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效 果较好的加工过程，此定律较适用。
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第18页/共26页
§4.6 塑性加工的工艺润滑
工艺润滑的目的及润滑机理 润滑的目的
➢ 减少工模具磨损，延长工具使用寿命 ➢ 提高制品质量 ➢ 降低金属变形时的能耗
润滑机理 ➢ 流体动力学原理 ➢ 吸附机制
第19页/共26页
第20页/共26页
润滑剂的选择
1．塑性成形中对润滑剂的要求
在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求： （1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑
2．常用的润滑剂
➢ 液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等 ➢ 固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等 ➢ 液-固型润滑剂 ➢ 熔体润滑剂
第22页/共26页
润滑剂中的添加剂
润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化 学性能，常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。
摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、 单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不 同。其主要影响因素有：
1. 金属的种类和化学成分 2. 工具材料及其表面状态 3. 接触面上的单位压力 4. 变形温度 5. 变形速度
润滑方法的改进
1．流体润滑 2．表面处理 （1）表面磷化处理 （2）表面氧化处理 （3）表面镀层
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谢谢！
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感谢您的观看！
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其数学表达式为： F N 或 N
式中 F——摩擦力；
——外摩擦系数；
N——垂直于接触面正压力；
N ——接触面上的正应力；
——接触面上的摩擦切应力。
由于摩擦系数为常数（由实验确定），故又 称常摩擦系数定律。对于像拉拔及其他润滑效 果较好的加工过程，此定律较适用。
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§4.6 塑性加工的工艺润滑
工艺润滑的目的及润滑机理 润滑的目的
➢ 减少工模具磨损，延长工具使用寿命 ➢ 提高制品质量 ➢ 降低金属变形时的能耗
润滑机理 ➢ 流体动力学原理 ➢ 吸附机制
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润滑剂的选择
1．塑性成形中对润滑剂的要求
在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求： （1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑
2．常用的润滑剂
➢ 液体润滑剂包括矿物油、动植物油、乳液等 ➢ 固体润滑剂，包括石墨、二硫化钼、肥皂等 ➢ 液-固型润滑剂 ➢ 熔体润滑剂
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润滑剂中的添加剂
润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定性要好，且应具有良好的物理化 学性能，常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈剂等。
摩擦系数随金属性质、工艺条件、表面状态、 单位压力及所采用润滑剂的种类与性能等而不 同。其主要影响因素有：
1. 金属的种类和化学成分 2. 工具材料及其表面状态 3. 接触面上的单位压力 4. 变形温度 5. 变形速度
第三章摩擦理论(打印)
3 摩擦理论Friction Mechanism主要内容：1.摩擦的特点和作用2. 摩擦类型3. 基本摩擦理论4．影响摩擦因素3.1摩擦的特点和作用Friction Characteristics and Effects3.1.1摩擦的特点摩擦的作用也像摩擦对自然界一样重要。
无论利弊，始终存在。
例如，在金属成形过程中，一方面工件与工模具表面不可能绝对光滑，在两接触面存在外摩擦；另方面由于工件发生塑性变形，金属质点间产生相对运动，即存在内摩擦。
因此，摩擦不可避免始终存在于成形过程中。
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，称之为外摩擦。
其阻力叫摩擦阻力或摩擦力，摩擦力方向与运动方向相反。
而如果摩擦副一方（如工件）发生塑性变形，金属内部质点产生相对运动引起的摩擦，叫内摩擦。
内摩擦是金属内部质点强迫运动的直接结果。
这些分子或原子在相互吸引力和排斥力作用下达到平衡状态，排列紧密；一旦发生塑性变形，这种平衡状态被打破，金属内部质点发生相对运动时产生内摩擦，并表现为内部发热。
不过迄今为止，对金属材料的内摩擦研究尚不完全，因此，材料成形中所论述的摩擦是指工模具与工件之间的外摩擦而言。
金属塑性变形过程中的摩擦与一般机械运动（弹性变形）的摩擦相比，在接触材料、表面膜等方面有相同之处，所以，两者同样应遵循一般摩擦理论和规律，但是，两者又有差别，金属塑性变形过程中的摩擦与弹性变形具有以下特点：（1）内外摩擦同时存在由于金属发生塑性变形，所以内外摩擦同时存在，相互作用，而机械运动中只有外摩擦存在。
内摩擦的表现形式是产生变形热。
（2）接触压力高金属材料变形时，接触面承受较高的接触压力。
热变形时，接触单位压力达50MPa～500MPa。
冷变形时可达500～2500MPa。
而运转机械中, 一般重荷轴承所受压力也不过是20MPa～50MPa。
（3）影响摩擦的因素众多接触摩擦应力是变形区内金属所处应力状态，变形几何参数以及外界成形工艺条件（温度、速度、变形程度及变形方式等）的函数。
摩擦第二版专业知识讲座
(2)为拟定新增长旳未知量，还需列出补充方程，即 Fs ≤f sFN 。补充方程旳数目与摩擦力旳数目相同；
(3)因为0≤Fs≤Fmax=f sFN ，所以考虑摩擦时平衡问题 旳解亦有一定旳范围，而不是一种拟定旳值。
工程中有不少问题只需要分析平衡旳临界状态，这 时静摩擦力等于其最大值，补充方程只取等号。有时 为了计算以便，也先在临界状态下计算，求得成果后 再分析、讨论其解旳平衡范围。
M max FN
可见 δ= d
P
F
O
M max A
Fs
FN
P
F
O
A d FN Fs
讨论： 使圆轮滚动比滑动省力旳原因
（1）处于临界滚动状态时，
M max F滚 R,
F滚
M max r
r
FN
（2）处于临界滑动状态时，
Fmax F滑 , F滑 fs FN
P
一般情况下，
r
fs
F
O
M max A
Fs
注意：当Fs 到达最大值后,假如主动力F 再继续增大， Fs不能再随之增大，物体将失去平衡而滑动，此为静
摩擦力旳特点，与一般约束力旳不同之处。
0 ≤Fs ≤Fmax
库仑摩擦定律： Fmax = f s FN
2. 动滑动摩擦力
fs 静摩擦因数 FN 接触物体间的正压力
当Fs 到达最大值后,假如主动力F 再继续增大，物
又 d 0 , 故：木箱无翻倒趋势。
所以，木箱平衡。
F1
（2）设木箱将滑而未滑时旳拉力为 F1 ΣFx 0 : Fs F1 cos 0
ΣFy 0 : FN P F1 sin 0
又 Fs Fmax fs FN
解得
(3)因为0≤Fs≤Fmax=f sFN ，所以考虑摩擦时平衡问题 旳解亦有一定旳范围，而不是一种拟定旳值。
工程中有不少问题只需要分析平衡旳临界状态，这 时静摩擦力等于其最大值，补充方程只取等号。有时 为了计算以便，也先在临界状态下计算，求得成果后 再分析、讨论其解旳平衡范围。
M max FN
可见 δ= d
P
F
O
M max A
Fs
FN
P
F
O
A d FN Fs
讨论： 使圆轮滚动比滑动省力旳原因
（1）处于临界滚动状态时，
M max F滚 R,
F滚
M max r
r
FN
（2）处于临界滑动状态时，
Fmax F滑 , F滑 fs FN
P
一般情况下，
r
fs
F
O
M max A
Fs
注意：当Fs 到达最大值后,假如主动力F 再继续增大， Fs不能再随之增大，物体将失去平衡而滑动，此为静
摩擦力旳特点，与一般约束力旳不同之处。
0 ≤Fs ≤Fmax
库仑摩擦定律： Fmax = f s FN
2. 动滑动摩擦力
fs 静摩擦因数 FN 接触物体间的正压力
当Fs 到达最大值后,假如主动力F 再继续增大，物
又 d 0 , 故：木箱无翻倒趋势。
所以，木箱平衡。
F1
（2）设木箱将滑而未滑时旳拉力为 F1 ΣFx 0 : Fs F1 cos 0
ΣFy 0 : FN P F1 sin 0
又 Fs Fmax fs FN
解得
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。
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Scale issues in tribology
Table 2.1 Scales in Tribology and Typical Values
(From Kim, 2000)
Scale 10-4 m 10-6 m 10-8 m 10-10 m
Range of friction Coefficient (µ) & wear coefficient (k) µ = 0.4~1 k =10-4~10-2 µ = 0.001~0.2 k =10-7~10-5 µ = 0.1~0.6 k =10-7~10-5 µ = 0.001~10 k~0
9
Some of the Basic Questions • • • • • • • • • • What is friction? How is the friction force generated? What is the coefficient of friction? How do materials wear? What is the effect of the applied load on friction and wear? What is the role of lubricant? How does a pin-joint seize? Why does it take so much force to insert electrical contacts? How do you lower friction? How should we reduce the wear rate of materials? 10
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Presence of wear particles and externally introduced particles at the sliding interface Relative hardness of the materials in contact
2.800 Tribology
Fall 2004
• Lecturers:
– Nam P. Suh – Nannaji Saka
• Text book:
– Suh, N. P., Tribophysics, Prentice-Hall, 1986 – Suh, N. P. and Others, Tribophysics and Design of Tribological Systems (Manuscript)
3
Examples of tribological problems
• International Space Station Beta Gimbal Assembly Failure • Drive sprockets, idlers, rollers, Grouser shoes • Pin Joints • Electrical Connectors
1.0
10
100
1000
Load (gm)
20
Figure by MIT OCW. After Pinchibeck, P. H. "A Review of Plastic Bearings." Wear 5 (1962): 85-113.
Is the friction coefficient constant?
Source: Figure 1.1, Suh (1986)
18
Is the friction coefficient constant?
104
1.0
102
0.8
100
0.6
10-2
0.4
10-4
0.2
10-6 10-6 10-4 10-2 100 102 104
0 106
Load (gm)
Coefficient of Friction
Friction Force (gm)
19
Figure by MIT OCW. After Allan, 1958.
Is the friction coefficient constant?
2.0
Coefficient of Friction
P he
n o li
c
P oly
e ste r
E poxy
(Courtesy of Tribotek, Inc. Used with permission.)
8
Four Elements of Tribology
• Surface interactions with its environment, including lubrication and lubricants • Generation and transmission of forces at the interface • Response of materials to the force generated at the interface • Design of tribological systems
• Mechanics
– Two 1 1/2 hour examination – Term paper – Homework
1
What is tribology?
• Deals with friction, wear and lubrication • Two aspects – Science: Basic mechanisms – Technology: Design, manufacture, maintenance
What is friction?
• Friction is a result of energy dissipation at the (sliding) interface. • Friction force:
where F and s are vectors.
∂W F = ∂ s
11
Friction is affected by the following:
15
What is Coulomb friction?
• Coulomb friction is defined as
Friction force is proportional to normal load. That is, the coefficient of friction µ is constant. • Does the normal load always increase friction force?
Microscale and Nanoscale Friction Test
Atomic force microscope (AFM)
Scanning probe microscope (SPM)
etc.
23
Friction at Nano- and Micro-scale Contacts
• Important in hard disk
4
Pin Joints -- Test Results
(Courtesy of Tribotek, Inc. Used with permission.)
5
Example: Electrical Connector
Male connector Plastic overmolding Compliant pin (for permanent connection)
Externally applied load and/or displacement Environmental conditions such as
temperature and lubricants
Surface topography Microstructure or morphology of materials
Appli cations machinery brake, tools lubrication roller bearing head /d isk MEMS ?
22
How do we measure friction?
Macroscale Friction Test
Friction tester under constant normal load Geometrically constrained system
• Can e normal load is absent?
16
Is the friction coefficient constant?
1
0.6
0.2
0 0
20
40
60 D istan ce sli d ( m )
80
17
Is the friction coefficient constant?
Plastic overmolding
Female connector
Multiple layers will be stacked together to obtain an entire connector.
Figure by MIT OCW.
These conventional electrical connectors are coupled Design.
Powd er
Plunge r
D ie
Pa
Compaction of powder
14
What is the coefficient of friction?
• Friction coefficient is defined as
Tangential force µ= Normal load
• Is it a material property?
Is the frictional force directional?