摩擦学(02)

在各种表面性质中，与摩擦学密切相关的 主要有表面能、吸附效应和表面氧化等。
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1. 表面能

产生新表面所做的功表现为表面能。液体 表面分子由于表面能的作用，有从表面进 入内部的趋势，这种液面自动收缩而减少 表面积的力称为表面张力。
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1. 表面能
源自文库
固体的表面能不可能直 接测量，但可通过与液 体的接触形状推断出来。 如右图所示，液滴在固 体表面上呈现出一定的 湿润角 ，它是固液界 面与液体表面在交点处 的切平面之间的夹角。
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一、一维形貌参数

一维形貌通常用轮廓曲线 的高度参数来表示，如右 图，它描绘沿截面方向 （ X方 向 ） 上 轮廓 高度的 起伏变化。选择轮廓的平 均高度线，亦即中心线为 X轴，使轮廓曲线在X轴上 下两侧的面积相等。
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一、一维形貌参数

1.轮廓算术平均偏差或称中心线平均值—不受 测量者主观影响，它是轮廓上各点高度在测量长 度范围内的算术平均值，即
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铁的氧化膜构造
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铁的氧化膜
润湿性与接触角
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1. 表面能



湿润角 <90时固体表面张力大于液体表面张力， 此时将发生湿润； 当湿润角 接近于零时，液体就可以完全湿润固 体表面。 湿润角 >90时，将不能湿润。 显然，润滑剂在摩擦表面上的润滑角显著影响润 滑状态。
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2.吸附效应

吸附效应与固体表面具有较大的表面张力 有关。在加工成型过程中形成的晶格缺陷， 使表面的原子处于不饱和或不稳定状态。 这样，环境中的极性气体或液体分子将与 表面形成各种吸附膜。表面吸附效应对于 边界润滑和干摩擦状态都是十分重要的。
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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
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§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。

应当指出：一维形貌参数 不能完善地说明表面几何 特征。如上图所示，四种 表面轮廓的值相同，但形 貌却很不一致,甚至完全相 反，如图a和b。虽然均方 根值比中心线平均值稍好 一些，但对图a和b两个相 反轮廓仍然无法区别。
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一、一维形貌参数
通常，一维形貌参数仅适用于描述用同一 方法制造的具有相似轮廓的表面。若将一 维高度参数和一维波长参数相配合，可以 粗略地构成表面的二维图象。
支承面曲线
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五、表面形貌的统计参数
此外，切削加工的表面形貌包含着周期变化和随 机变化两个组成部分，因此采用形貌统计参数比 用单一形貌参数来描述表面几何特征更加科学和 反映更多的信息。 就是将轮廓曲线上各点的高度、波长、坡度或曲 率等，用概率密度分布函数来表示它们的变化。


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§2－1－3 表面层结构
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3. 表面氧化

在加工过程中，金属的新生表面一旦暴露就很快地 与大气中的氧形成氧化膜。氧化速度将取决于氧向 表层内扩散速度或金属离子透过氧化膜向外的扩散 速度。由于金属和氧化物的晶格常数不同，因而阻 碍了氧向更深的内部扩散。氧化膜对摩擦磨损的影 响与氧化膜的强度有关。通常薄的氧化膜强度高， 可以防止粘着发生。而氧化膜厚度的增加使膜的强 度降低，在摩擦过程中容易脱落而加剧磨损。

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三、三维形貌参数(最新研究）
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四、支承面曲线





为完善评定实际轮廓，可增加附 加的评定参数 支承面曲线可根据实际轮廓绘制， 如右图。 磨损深度x处，形成a1、b1、c1 三个平面。以(a1+b1+c1)/l 绘 于图右边的x处。 磨损深度y处，形成a2、b2、c2 三个平面。以(a2+b2+c2)/l 绘 于图右边的y处。 如此下去，直至截面被“磨平” 为止。 这样就得到一根假想曲线，称支 承曲线，可用来计算实际接触面 积。
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。
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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。

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一、一维形貌参数
4.轮廓均方根偏差或称均方根值Rq或


z( x) dx
l 2 0
L
1 n 2 zi n i 1
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一、一维形貌参数
5.中线截距平均值Sma 它是轮廓曲线与中心线 各交点之间的截距 Sm 在 测量长度内的平均值。 该规则反映表面不规则 起伏的波长或间距，以 及粗糙度的疏密程度。

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一、一维形貌参数 一、一维形貌参数
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2、表面波纹度——对摩擦、磨损影响较大

零件表面形成较长而有规律的波浪形，它 是加工时机床－刀具－工件系统的低频振 动所引起的零件表面几何误差，具有一定 的波高和波距。
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3、表面粗糙度——(无规律)对摩擦磨损影响 极大

它是指零件表面微小峰谷的高低程度和间 距状况所组成的微观几何形状特性。它的 起因是由于切削过程中，机床－刀具－工 件系统的高频振动、切屑分离时的塑性变 形、刀具和零件表面的摩擦磨损以及刀具 刀头留下的痕迹等。
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§2－1－3 表面层结构

由此可知，金属表层的组织结构随着加工 工艺条件而变化。同时，表层的机械性质 与基体材料很不相同，金属表层的强化程 度、微硬度和残余应力等对于摩擦磨损起 着重要的影响。
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表层形貌
ZnAl40Cu2Si1摩擦次表层微观形貌
Ti-6Al-4V的纵剖面
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§2－1－4 表面性质

za
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二、二维形貌参数

2.峰顶曲率Ca或Cq 采用各个粗糙峰顶曲率的算术平均值 Ca 或者平均 方根值 Cq，它对于润滑和表面接触状况都有影响。 然而二维形貌参数还不够全面，描述粗糙表面的 最好方法是采用三维形貌参数。
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三、三维形貌参数
1. 二维轮廓曲线族 如右图所示，通过一 组间隔很密的二维曲线 来表示形貌的三维变化 。 2.等高线图 如右图所示，用表面 形貌的等高线表示的起 伏变化。
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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。
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铸铁三维形貌表面
a Groove-ridge like surface（Df2=1.44） b Pits-peak like surface（Df2=1.22）
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§2－1 表面性质
表面微观几何形貌和表面结构合称
为表面性质
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§2－1－1
固体表面的几何形状


零件表面的真实几何形状 是由表面形状偏差、表面 波纹度和表面粗糙度三部 分组成的，如图所示。 1.表面形状偏差 2.表面波纹度 3.表面粗糙度
Ra

z ( x) dx
0
L
L
1 n zi n i 1
式中z(x)为各点轮廓高度；L为测量长度；n为测 量点数；zi为各测量点的轮廓高度。
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一、一维形貌参数


2 .微观不平度十点高度——受
测量者主观影响 它是在取样长度内，5个最大的 轮廓峰高的平均值与5个最大的 轮廓谷深的平均值之和，如右图。

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二、二维形貌参数

实践证明：一维形貌参数不足以阐明表面几何特征 与摩擦学特性的关系。Meyers(1962年)的实验表明： 表面轮廓的坡度和曲率与滑动表面的磨损特征密切 相关。因此，为了更好地反映粗糙表面的润滑效应 和接触情况，人们采用如下二维形貌参数。
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二、二维形貌参数
1.坡度 z a 或 z q 它是表面轮廓曲线上各点坡度即斜率dz/dx 的绝对值的算术平均值 z a 或均方根值 z q 。 该指标对于微观弹流润滑效应十分重要。

金属表面在切削加 工过程中表层组织 结构将发生变化， 使表面层由若干层 次组成。典型的金 属表层结构如右图 所示。
金属表层结构
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§2－1－3 表面层结构

金属基体之上是变形层，它是材料的加工硬化层， 总厚度为数十微米，由重变形层逐渐过渡到轻变 形层。变形层之上是贝氏层，它是由于切削加工 中表层熔化、流动，随后骤冷而形成的非晶体或 微晶质层。氧化层是由于表面与大气接触经化学 作用而形成的，它的组织结构与氧化程度有关。 最外层是环境中气体或液体极性分子与表面形成 的吸附膜或污染膜。
摩 擦 学
授课教师：邱 明
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第二章 接触表面
摩擦学是指研究相对运动、相互作用表面 的科学以及有关的应用技术，因此摩擦学 的特性与各相互作用的表面性质及表面间 的接触状况有密切联系。 §2－1 表面性质 §2－2 表面接触 §2－3 表面参数的测量

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从蟹壳的SEM形 貌照片可观察到 表面有气孔和刚 毛.碳酸钙与有机 基质形成的外壳 是一层层交迭复 盖着.