第二章 汽车零件损伤机理分析[72页]

近实际情况，以较软的金属剪切强度极限τb代替金属粘结点的剪切强度τ′b，则
b xy
（2-7）
2.1 摩擦学基础
对大多数金属材料而言τb ≈1/5σxy ,则μ的值为0.2左右,这与实际情况（大气 中μ>0.5）相差很大。因此，须对简单粘着理论进行修正，从而提出了金属表面 有自然污染膜存在时的粘着理论。
３）有自然污染膜的金属粘着理论
在简单粘着理论基础上，考虑到接触面间有自然污染膜的条件下提出的金属 粘着理论，实验表明，污染膜的剪切强度极限一般低于金属基体的剪切强度极限。
设膜的剪切强度为τf ,则τf ＝cτb （c<1）。当F/Ar＝τf时,污染膜开始剪切，
粘结面积停止增大，并且开始滑动。当c很小时，则
图2-3 金属表层的一般结构 1-污染膜；2-吸附膜；3-氧化膜；
4-加工变形；5-金属基体
➢ 污染膜包括油污或灰尘等吸 附膜是来自大气中的液体和 气体分子的吸附层（包括物 理吸附膜和化学吸附膜），
➢ 氧化膜是金属表面被氧化而 成的物质层，
➢ 加工变形层是由机械加工而 形成的冷作硬化层。
2.1 摩擦学基础
参考文献
第二章 汽车零部件损伤机理分析
第一节 摩擦学基础
一、固体表面性质及接触面积
1. 表面形貌
图2-1 固体表面形貌 1—表面状态；2—截面轮廓线；3—中线；4—空腔；5—实体；
6—高度分布曲线；7—支承面积曲线
2.1 摩擦学基础
2. 金属表面物质 在大气条件下，由于不可能得到纯净的固体表面，固体表面上总是覆盖着各 种性质的薄膜。金属表面的一般组成。
“十三五”普通高等教育汽车服务工程专业规划教材
汽车维修工程
（第三版） 储江伟 主编
汽车维修工程（第三版）
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目录
概论 汽车零部件损伤机理分析 汽车故障及统计分析方法 维修理论及其维修性评价 汽车维修标准与工艺规范 汽车维护工艺与作业要求 汽车故障诊断技术及运用 汽车修理工艺及修复方法 汽车维修生产与运作管理 汽车维修服务需求与发展
2）简单粘着理论 鲍登（Bowden）和泰伯（Tabor）在1950年提出了简单粘着理论。当两金属表 面相接触时，仅仅在微凸体顶部压力很大，以致产生塑性变形。
2.1 摩擦学基础
接触处的接触处的变形使实际接触面积增大，直至增大到接触面积恰好能承受全 部为止。对于理想的弹性—塑性材料，实际接触面积与荷载的关系，如图2-5b所 示，并可用下式表示：
见表2-1。
表2-1 摩擦的分类
分类依据
主要类型
摩擦副运动状态
静摩擦； 动摩擦
摩擦副运动形式
滑动摩擦； 滚动摩擦
摩擦副表面的润滑情况
干摩擦； 边界摩擦； 液体摩擦； 混合摩擦
2.1 摩擦学基础
１. 干摩擦
干摩擦是指物体纯净表面直接接触时的摩擦现象。通常所讲的干摩擦，一般
是指在无润滑油条件下，两物体表面之间可能存在着自然污染膜时的摩擦。
Ap只有An面积的5％~10％，Ar则仅为An的0.01％ ~1％。对于一般材料，呈弹性接 触时，Ar与的2/3次方成正比，呈塑性接触时，Ar与的一次方成正比。
2.1 摩擦学基础
二、摩擦的定义和分类
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的阻力称为摩擦阻力，而这种现象称为摩擦。摩擦的分类，
c b f xy xy
（2-8）
这个结论与简单粘着理论一致，这是因为污染膜的剪切强度极限比金属的
低。其次，是实际接触面积不可能大幅度地增长，因而实际接触面积仅由法向和
屈服极限σxy决定，而与金属的剪切力无关。这些现象也是与实际情况相符合。
2.1 摩擦学基础
在极限情况下，由于表面自然膜破裂，金属不但与自然污染层接触，而且金 属之间也相应接触。此时的摩擦力决定于金属对金属及金属对污染膜摩擦时实际 接触面积所占的比例。
3. 表面接触面积
接触面积可分为3种：名义接触面积An、轮接 触面积Ap和实际接触面积Ar 。 名义接触面积An 是由接触表面的宏观界面的边界确定的面积，即
An ＝a×b，如图2-4所示，轮廓接触面积Ap是物 体接触表面被压皱部分所形成面积，如图2-4中
图2-4 三种接触面积
虚线范围面积的总和，大小与所受有关。实际接触面积Ar是在轮廓接触面积内， 各真实接触部分微小面积，如图2-4中虚线圈内黑点表示各接触点面积的总和。
F Ar 1 1 2
式中：τ1——软金属的剪切强度；
（2-9）
τ2——污染膜的剪切强度；
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α——金属和金属接触面积与金属和污染膜接触面积的百分数。
当一个光滑的半球形滑块和一个金属平面相接触，用它来解释粘着理论在实 际应用中的意义。
根据上述粘着摩擦理论知F=Arτ。
１）古典摩擦定律
库仑在对摩擦现象进行了比较系统的研究后，在1785年提出了摩擦定律的基
本公式。即
F
（2-1）
或
W
式中：μ——摩擦系数； Ｆ——滑动摩擦力； Ｗ——法向。
F W
（2-2）
2.1 摩擦学基础
古典摩擦定律的主要内容包括: （1）摩擦力与作用在摩擦面上的法向成正比； （2）摩擦力与名义接触面积的大小无关； （3）摩擦力与滑动速度的大小无关； （4）静摩擦系数大于动摩擦系数。
力。其次，pe是犁沟力，是由于相互接触平面的硬度不同而产生。一般情况下，pe只 占Ａrτ′b的百分之几，可略去不计。因此式（2-4）可表达为:
F
Ar
' b
（2-5）
摩擦系数:
F
' b
W xy
（2-6）
由式（2-6）可见，当摩擦表面材料一定时，摩擦力与法向成正比，与名义接触
面积无关。
上述分析是建立在理想的弹性材料的基础上，忽略了加工硬化的影响。为了更接
式中：Ｗ——法向荷载；
W Ar xy
（2-3）
Ａr——实际接触面积;
σxy——金属材料的压缩屈服极限。
其摩擦力可用下式表示:
F
Ar
' b
pe
（2-4）
式中：τ′b ——粘接部分的剪切强度；
pe——犁沟力。
图2—5 微凸体模型及其压力分布图 a）球体；ｂ)柱体；ｃ)锥体
2.1 摩擦学基础
由式（2-4）可知，摩擦力F包括两部分:Ａrτ′b是粘着摩擦力，由于高压和变形等 原因在接触面间产生很强烈的粘着（或称固相焊合），相对滑动时就形成了粘着摩擦