固体表面与接触特性综述

固体表面与接触特性

摘要：简要介绍了固体表面的几何特性包括表面波纹度、表面粗糙度和支撑面

积曲线，固体表面的物理物理与化学特性，接触表面间的相互作用与接触面积，接触力学和接触变形。

关键词：固体表面，几何特性，物理特性，化学特性，接触特性

1 固体表面特性

摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。[1]固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。前者着重研究表面的形状，后者着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。

1.1 固体表面几何特性

1.1.1表面波纹度

表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差，波纹度有两个重要参数即波高h和波距s 。波高h表示波峰与波谷之间的距离，波距s表示相邻两波形对应点的距离。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加剧。[1]表面波纹度通常是由于机加工时不均匀的进刀、不均匀的切削刀或机床的振动引起的。[2]

1.1.2 表面粗糙度

表面粗糙度不像表面波纹度那样具有明显的周期性，其波距和波高均较小，常用下列指标对表面粗糙度进行评定：

（1）轮廓算数平均偏差Ra（2）均方根偏差Rq（3）微观不平十点高度Rz（4）轮廓最大高度Rmax[3]

不同形状和轮廓的表面用上述不同方法测得的粗糙度值也不同．但在一定程度上，它们之间可以相互换算。以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等待性。因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承面积等来加以描述[4]。

1.1.3 支撑面积曲线

支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小[5]。支撑面积曲线主要用于计算实际接触面积。

在标准长度1的轮廓线上，做与中线平行的一系列直线，将各条平行线截取的轮廓图形

中微凸体的长度相加，分别画在轮廓图的右边。连接图上各点，就得到支撑面积曲线[6]。对于各种不同的加工方法，由于加工方法不同，其表面的微凸体形状也不同，因此得出的文承面积曲线不同，表面磨损到一定程度时，支撑面积曲线的变化情况也不一样。支承面积曲线在研究摩擦磨损时非常有用[7]。

1.2 固体表面的物理与化学特性

摩擦、磨损多发生在固体表面层，所以研究表面层的物理化学性质很重要。

1.2.1固体表面自由能

根据功能原理，对分子所作的功可转变为分子的势能[8]。这种属于表面势能的总和称为固体与空气相接触时固体表面的界面自由能。如果固体处于真空状态则称为固体的表面自由能。单位面积上的表面(界面)自由能称为比表面能，表面上的分子在指向内部引力的作用下有从表面进入内部的趋执使表面积尽量缩小，结果在表面切向方向产生表面张力[9]。

1.2.2 固体表面吸附现象

固体表面的分子由于其周围分子或原子吸引力的不平衡，在表面上产生一个指向空的力场，所以它有吸引别的分子的能力。当固体表面分子吸附了周围的一些介质后，内部分子对表面分子的引力得到部分抵消，表面能也随之降低，并释放一部分热量。释放的热量称为吸附热[10]。周围介质分子在固体表面的吸附平衡是一种动态平衡。固体表面一方面吸引周围介质的分子；另一方面，在固体表面被吸附的分子因不断的热运动又有可能脱离固体表面，此过程称为脱吸。当吸附和脱吸的速度相等队吸附达到平衡。吸附可以是物理作用的，也可以是化学作用的，分别称为物理吸附和化学吸附。

物理吸附是靠分子间的引力形成的。这类吸附一般是无选择性的，任何固体对任何液体都有物理吸附这种吸附速度较大并且容易脱吸[11]。

化学吸附是有选择性的，一种固体表面只对某几种吸附物质有吸附作用，而且其吸附热较大，和化学反应热差不多。这类吸附靠化学键力把周围分子吸附在表面上形成新的化合物[12]。

2 固体表面的接触特性

当两个粗糙的金属表面接触时，表面上的凸峰和凹谷相互作用，形成凸凹交错，最先接触的应是两个表面的对应微凸体高度之和为最大的部位，随压力的增加，其他新的成对的微凸体也相应地接触。每一个微凸体开始接触时，首先发生弹性变形，当载荷超过某一临界值时，则发生塑性变形[13]。随着载荷的进一步增加，则表面波纹度也将发生弹性交形，波纹度的弹性变形促使轮廓面积增加和承受载荷的微凸体数也增加。

但是，由于微凸体的高度不同．则在每一时刻，同一表面不同高度的微凸体变形也不同，成对最高微凸体的变形最大，高度小于中间微凸体的地方，在大载荷时也不发生接触[14]。

2.1 接触界面间的作用

当两金属接触时，界面之间的相互吸引力应包括所有的能使它们相互附着的力，例如化学键，或称短程力，化学吸咐就是这种力作用所形成的。此外，还有范德华力，或称长程力，物理吸附多是这种力作用的结果[15]。

经过机械加工的金属表面，在任何时候都不可能是理想的光滑表面，都存在一定的不平度，在金属材料加工成形中．工模具与工件表面情况更是如此。因此，当两个表面接触时，其接触有不连续性和不均匀性．则采用三种不同的表面面积来描述表面的接触状态（1）名义(或几何)几何面积（Am）

名义接触面积是二物体接触相互重叠的表观面积，即接触表面的宏观面积[15]。

（2）轮廓接触面积(Ai)

由于波纹度接触斑点集聚在个别区域里的波顶，这些斑点集聚的不同区域之总和，也就是物体的接触表面被压皱部分所形成的面积的总和，叫做轮廓接触面积，以Ai表示。Ai的大小与表面所承受的载荷有关。

（3）真实(或实际)接触面积(Az)

微凸体接触处各微观面积之总和，即在轮廓接触面积内，各实际接触部分的微小面积的总和，叫做真实接触面积，以Az表示。

2.2 接触应力与接触变形

通常接触模型可分为三大类：①球面与球面的接触模型：②球面与平面的接触模型；③棒形与棒形的接触模型。在摩擦学的研究范围内，第—、第二两种模型比较接近实际情况、第三种模型只适于某些特殊情况，即微凸体数目较多，而且彼此之间大小相近的情况[16]。

就宏观而言，作用于接触固体上的外力使固体呈弹性状态；而在微观方面，由于实际接触必定发生在表面微凸体处，故产生局部的塑性变形。根据表面加工和处理的方法不同，弹一塑性变形可能有加工硬化或没有加工硬化两种。可以认为，表面微凸体的接触变形有四种形式，即：弹性变形；塑性变形；没有加工硬化的弹塑性变形；有加工硬化的弹塑性变形。总的来说，表面接触的性质与形式取决于接触条件(两物体接触处的几何外形尺寸)，作用外力的大小、方向与作用时间的持续性，以及接触物体的材料质量和表面状态。