润滑脂的流变特性

二、润滑脂的流变性能
• 1、润滑脂流变性能定义 • 润滑脂在外力作用下表现出来的流动和 形变的性质，称为润滑脂的流变性能，由 于润滑脂是具有结构性的非牛顿流体，其 黏度与温度和剪切应力有关。流变性能是 润滑脂的重要基础性质，与润滑脂的使用 关系密切。其参考指标有稠度、强度极限、 相似粘度、表观黏度和进入。 （4）避免从润滑表面上泄漏、滴落或发生不应 有的甩出。 （5）在长期使用中，不会因机械工作(在轴承中) 使润滑脂的结构或稠度发生不良的变化。 （6）在气温很低的情况下，不会变得很硬，产 生很大的运动阻力 （7）能与橡胶密封以及在机械中与被润滑部位 的其他材料相适应。 （8）允许混入少许杂质(如水分)，而不致失去一 些有效的特性。 总之，润滑脂的作用主要是润滑、保护和密封。
（4）低温转矩
• 润滑脂的低温转矩是指在低温时，润滑脂阻 滞低速滚珠轴承转动的程度。 • 低温转矩是衡量润滑脂低温性能的一项重要 指标，润滑脂低温转矩特性好，就是指润滑脂在 规定的轴承中，在低温试验条件下的转矩小。低 温转矩的大小关系到用润滑脂润滑的轴承低温起 动的难易和功率损失，如果低温转矩过大将使起 动困难并且功率损失增多。低温转矩对于在低温 使用的微型电机、精密控制仪表等特别重要。精 密设备要求轴承的转矩小而稳定，以保证容易起 动和灵敏、可靠地工作。
相似粘度
• 润滑脂在所受剪应力超过它的强度极限时， 就会产生流动.润滑脂流动时也会出现内摩擦，用 粘度表征它的内摩擦特性。 • 润滑脂的粘度和普通液体的粘度不完全一样， 普通液体的粘度在一定温度时是一个常数，不随 液层间的剪切速度而改变，普通液体是按牛顿流 体定律运动的。润滑脂的流动不服从牛顿流体流 动定律，它流动时的粘度，在一定温度时不是一 个常数，而是一个随脂层间剪速而改变的变量。 在剪速小时，它的粘度大，剪速增大时，它的粘 度变小，在剪速很大时，它的粘度小至一定程度 而保持恒定。
4、润滑脂的结构
润滑脂是由基础油， 稠化剂和添加剂（包括固 • 润滑脂 体添加剂）组成。基础油 是液体润滑剂，可用矿油 或合成油。稠化剂是一些 有稠化作用的固体物质， 有皂基和非皂基稠化剂。 添加剂可以改进或增加润 滑脂的某些性能。润滑脂 • 基础油 • 稠化剂 • 添加剂 的性能主要取决于润滑脂 的组成和结构。
（2）强度极限的概念
• 半固体状态的润滑脂具有弹性和塑性。在受到较小的 外力时，象固体一样表现出具有弹性，产生的变形和所受 外力成直线关系，即符合虎克定律。当外力逐渐增大到某 一临界数值的，润滑脂开始产生不可逆的变形（即开始流 动）。使润滑脂开始产生流动所需的最小的剪应力，称为 润滑脂的剪切强度极限，或简称为强度极限，或称极限剪 应力。 • 强度极限实际上反映了润滑脂的结构骨架的强度，因 而主要受稠化剂（种类、含量）、添加剂及制造条件的影 响。它随温度升高而减小；温度降低，强度极限增大。含 皂量增多，强度极限增大。因此，低温用润滑脂含皂量应 较少，以免低温强度极限过大。
2、润滑脂在受到外力作用时的流动和变形的特性
(1) 当润滑脂不受外力作用时，能象固体一样保持一定形 状，即在静止时不会自动流失。 (2) 当受到微弱外力作用后，产生弹性变形；移去外力后 又能恢复到原来的位置与形状，呈现出固体的弹性特性。 (3) 当施加的外力足够大时，润滑脂发生形变和流动，因 而不再能自动恢复到原来的位置和形状，因此润滑脂在机 械运转部件上的启动力矩比液体润滑油大。 (4) 在润滑脂流动过程中，随着所受剪应力增大，皂纤维 在不同程度上定向排列，会使体系的表观粘度（或相似粘 度）随之减小。在此阶段，润滑脂的表观粘度随剪速的增 大而减小。 (5) 在受到极高剪应力的情况下（剪速很大），润滑脂的 流动象牛顿流体一样，粘度能保持一个常数，而不再随剪 速的变化而改变。
（3）相似粘度的概念
• 牛顿流体的粘度是剪应力与剪速的比值，其 大小不随剪速变化。而润滑脂属于非牛顿流体， 它的粘度随剪速变化。但为了便于比较润滑脂的 粘度，也按牛顿流体处理。将润滑脂和其它非牛 顿流体流动时剪切应力（简称剪应力）与剪切速 率（简称剪速）的比值称作相似粘度（或称有效 粘度、表现粘度），常用ηa表示。由于润滑脂的 相似粘度不仅与温度有关，而且也与剪速有关， 所以也常用ηa表示。
润滑脂的弹性变形和强度极限
• 对于非宾汉塑性流体来说，有三种极限剪应力，即： • 极限静剪应力——从不流动到开始流动所需要的极限剪应 力。也就是润滑脂的强度极限，它对润滑脂的使用有影响。 • 极限动剪应力——流变曲线上直线的延长线与坐标轴的交 点，即宾汉公式中的τ0。 • 极限高剪应力——流变曲线上剪速与剪应力开始呈直线关 系时的剪应力，表示润滑脂的流动从不服从牛顿流体流动 定律时的剪应力。极限高剪应力对润滑脂的使用没有实际 意义。 • 润滑脂具有强度极限，是由润滑脂的结构所决定的。由于 润滑脂是一种结构分散体系，其内部有由固体稠化剂粒子 或皂纤维所形成的三维结构骨架而使它在受较小外力时表 现为固体的特征。
润滑脂
• 1、润滑脂的定义 • 润滑脂是润滑材 料的一种，用于减少 相对运动表面之间的 摩擦和磨损。润滑脂 的定义是由基础油、 稠化剂及添加剂组成 的，常温下呈半流至 半固体状态的塑性润 滑剂。
润滑脂
2、润滑脂的作用
由于机械的结构，运动形式和密封类型，或 是由于需要润滑剂起到部分或全部密封作用，以 防止润滑剂流失或防止脏物进入工作区而提出的。 而润滑脂基本上是固态，虽没有液体润滑剂所具 有的冷却和清洗的作用。但是润滑脂均能达到液 体润滑剂所具有的其他作用。 “一种良好的，具有特定用途的润滑脂应具 有如下特性: （1）具有适当的润滑作用，以降低摩擦并防 止轴承发生有害的磨损。 （2）防止腐蚀。
润滑脂的相似粘度-剪速特性
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润滑脂的相似粘度随剪速变化的特性图，可 以看出：图中所示的三种润滑脂均用同一种润滑 油制成， 而且它们的稠度也相近（工作针入度 320-355），三种润滑脂的粘度数值虽然不同，但变 化规律相似，即随着剪速的增加，润滑脂的粘度 减小，但减小的程度渐趋减弱，在高剪速下润滑 脂的粘度与其基础油相近，并且几乎不随剪速而 变。 • 不同含皂量的同种润滑旨的粘度也都是随剪 速的增大而减小，到高剪速时也几乎不随剪速而 变。不同剪速下粘度的数值均随含皂量的增多而 加大，但在低剪速时，含皂量对润滑脂粘度的影 响特别显著，而在高剪速时含皂量的影响比低剪 速时小。
（1）稠度的概念
• 稠度是指润滑脂在受力作用时，抵抗变形的程度。稠 度是塑性的一个特征，正如粘度是流动性的一个特征一样。 但稠度并无明确的物理意义，它仅是反映润滑脂对变形和 流动的阻力的一个笼统的概念。 • 润滑脂的稠度常用锥（或针）入度来表示。锥入度是 在规定的测定条件下，一定重量和形状的圆锥体，在五秒 钟内落入润滑脂中的深度，以1/10mm表示。实际上锥入 度测定的数值大小和稠度大小相反，润滑脂锥入度愈小， 稠度愈大，愈硬；锥入度愈大，稠度愈小，愈软。 • 锥入度是表示润滑脂稠度的常用指标，在国内外润滑 脂规格中广泛使用。锥入度愈大，表示润滑脂的稠度愈小， 润滑脂愈软。反之，锥入度愈小则表示稠度愈大，润滑脂 愈硬。
润滑脂的流变特性
润滑脂的流变特性
一、润滑脂介绍 二、润滑脂的流变性
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自然界常见的流体是空气和水， 被认 为是牛顿流体，它们的主要特征是切应力 和切应变率之间服从牛顿内摩擦定律．这 也是流体力学研究牛顿流体中的层流，对 紊流的研究还没有形成了比较完整的理论 体系．实际上，自然界和工程技术界，存 在大多数是非牛顿流体，比如润滑脂、油 漆、蜂蜜、牙膏、泥浆、煤水浆、水击 （水锤）沥青和火山熔岩等，它们往往具 有与牛顿流体不同的本构方程和流动特 性．它们研究更为复杂，有其独特特性： 爬杆效应，射流胀大，无管虹吸，湍流减 阻。
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润滑脂的粘温性除了一定剪速下比较不同温 度时的粘度外，还可以测定不同剪速、不同温度 下的相似粘度来比较。润滑脂的相似粘随温度升 高而减小，随剪速增大而减小 • 润滑脂的粘温特性比润滑油的粘温特性好。 润滑脂的粘度随温度的变化只有基础油的变化的 数十至数百分之一。因为润滑脂流动时的阻力一 部分是由结构骨架的强度决定的，而结构骨架强 度和温度的关系较小，所以润滑脂的粘温特性较 润滑油好。但需说明，润滑脂的低温粘度比它常 温时的粘度还是要大很多。润滑脂的粘温特性主 要与其基础油的粘温特性有关。用低粘度、粘温 特性好的基础油可改善润滑脂的粘温特性。
• 3、润滑脂的应用范围
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全世界开发的能量约有三分之一消耗于摩擦 过程中，润滑剂是加入到两个相对运动的接触表 面之间的降低其摩擦和磨损的物质，润滑是降低 摩擦和减少磨损的主要手段。润滑脂就是润滑剂 的一种，它在各个领域中都得到广泛应用。全世 界润滑脂的年产量约100万吨，品种多，广泛用 滚动轴承和一些滑动轴承，齿轮中使用也有较好 的效果。 • 在采矿、冶金、机械制备重工业中都要使用 润滑脂； 轻工业中，纺织、造纸、印染机械设备 中也需要使用润滑脂；军事工业方面，车辆、飞 机、舰船、坦克和导弹都需要润滑脂。总之，润 滑脂是不可缺少的一类润滑材料。
皂纤维结构示意图
稳定剂作用示意图
润滑脂的结构
• 润滑脂是将固体稠化剂分散在基础油内所形 成的物质。固体稠化剂以极细纤维分散在液体组 分中，并通过彼此之间的吸引力搭成庞大的三维 网络结构，使润滑油蕴含其中形成稳定的半固体、 半流体胶体分散体系。润滑脂属非牛顿流体，具 有独特的流变特性——弹性、粘弹性、触变性、 壁滑移等，它不仅具有良好的润滑特性，还具有 密封和保护作用。加入添加剂，还可使它具有特 殊的性能，从而润滑脂广泛用于各种润滑系统中。
• 润滑脂结构
• 润滑脂是一个胶体结构体系，具有显著的非 流顿流体性质，润滑脂的黏度是温度和剪切力的 函数，属于非牛顿流体。润滑脂的流动性质常常 是以高温下的强度极限值来评估其是否易于流动， 而以低温下的相似黏度值来预计其是否能正常流 动 • 润滑脂体系具有分散相微粒互相交接形成的 三维结构骨架以及借助吸附力维系它的分散介质 润滑油。当作用于润滑脂的外力低于润滑脂结构 骨架的强度极限时，润滑脂体系只会产生弹性变 形，而不会发生流动，当润滑脂所受外力达到或 超过其强度极限时，润滑脂的结构骨架会遭到破 坏，部分基础油会从遭破坏的结构骨架中流出， 润滑脂开始从不流动转变为流动。
3、相 关 参 数
• 滑润脂的流动类似塑性型非宾汉流体。但为 了计算方便，常按宾汉流体处理。宾汉流体的流 动，服从宾汉定律，即
0
du dy
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• 式中τ ——剪应力； τ 0——极限动剪应力； η ——结构粘度。
流变曲线类型
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塑性型流体中的非宾汉流体的特点是具有三 种极限剪应力：从不流动到开始流动需要有一定 的剪应力，称为极限静剪应力（图上中0）；而从 直线段延长线与横轴交点处的虚拟剪应力，称为 极限动剪应力（图上中τ0）；从曲线段与直线段 的交点对应的剪应力称为极限高剪应力。宾汉流 体的特点是具有极限动剪应力，所受的力低于该 值时不产生流动，达该值后才开始流动，开始流 动后其剪应力与剪速成正比。非宾汉流体的极限 静力又称屈状值，或剪切强度极限。如所受外力 低于该值则不产生流动，达该值后开始产生流动， 但流动时剪应力与剪速不成直线关系，直到达到 极限高剪应力时，其剪应力和剪速才成直线关系
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因为它内部存在的网状结构，在受力后不能 立即破坏，必须所加的力足以破坏其网状结构时 才发生剪切变形，开始流动。流动后，如果其剪 应力与剪速成正比，称为宾汉流体（如相上图中 E）。如果开始流动后；其剪应力与剪速开始不 成正比，到以后才接近牛顿流体，变为剪速成正 比，这类流体称非宾汉塑性流体（如图中曲线 D）。
（5）触 变 性
• 润滑脂的触变性是指润滑脂受到剪切作用时 （在一定剪速下，随着剪切时间的增加）稠度下 降发生软化，而在剪切作用停止后就开始稠度上 升（硬化）的性质。 • 润滑脂和某些非牛顿流体（如高分子溶液、 沥青等）一样具有触变性，它的流变性随时间呈 缓慢变化。在一定的剪速下，随时间的增加，剪 应力下降，其粘度（或稠度）降低，由稠变稀。 达到某一时刻后，剪应力不再变化，形成动平衡。 如果剪切作用一旦停止，则其粘度（或稠度）又 开始缓慢上升，直至一定程度为止。