材料摩擦磨损分析

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表面能的物理图像
以面心立方金属的（100）面作为表面
只有当每个原子有12个最近邻，能量才最低，结 构最稳定。当少了四个最近邻原子，出现了四个“断 键”时，表面原子的能量就会升高。和表面原子的这 种高出来的能量相连的就是表面能。
晶面的表面能
材料摩擦磨损
引言
摩擦学(Tribology)是近三十多年来迅速发展起来的 一门新兴边沿学科。它主要包括摩擦、磨损和润滑等研 究领域。摩擦导致大量机械能的损耗，而磨损则是机械 零件失效的一个重要原因。 据估计，工业化国家能源的约30％消耗于摩擦。 对一个高度工业化的国家，每年因摩擦和磨损所造成 的经济损失差不多占其国民经济年产值的l～2％。摩擦 与磨损的研究是一个有重大社会经济效益的课题。
3、材料的磨损
第一章 固体表面特性
第一节 固体表面特性及结构 但物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期 性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面，如 固体－液体、固体－气体及固体－固体的界面，常把 固体－气体（或真空）、固体－液体的界面称为固体 的表面。
很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电 子发射等都发生在“表面”，可见其重要性。
前景
随着工业的发展，特别是在现代 工业与技术中高速、重载的运转条件， 核反应堆、宇宙飞船那样的恶劣工作 环境，微型机构、生物等方面，对摩 擦与磨损提出了越来越高的要求，为 这门新兴学科的发展提供了强大动力。 目前的研究热点：空间、生物、 微纳米、高速机械等。
课程内容
1、材料表面特性及接触力学
2、材料的摩擦
热力学函数
现就其周围包含有N个原子的固体平面而言，若每 一原子的体能量为E0，则每单位面积的表面能ES与总 能量E之间有下述关系 ：
E NE aE
o
s
a是表面积。
每单位面积的表面熵为SS ，体熵为S0，则固体的总的 熵S为： o s
S NS aS
热力学函数
表面每单位面积的功为: s
表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表 面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物 理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。
金属表面的实际构成示意图
工程表面
表面结构
表面原子 M 的配位数 为 5。而基 体中的任一 个原子的配 位数为 6。
面心立方表面原子的配位数
在表面的位置 角上原子 边缘原子 配位数 3 5 表面所处晶面 原子在(111)上 原子在(100)上 配位数 9 8
A E TS
s
s s
s
表面每单位面积的吉布斯（Gibbs）自由能为：
G H TS
系统总的自由能为：
s
G NG aG
o
s
表面张力
在建立新的表面时，邻近的原子丢失、键被切断。 为此，必须作某种功。在一定的温度、压力下，保持 平衡条件，当表面积a只增加da时，该系统也必须做 功。这个可逆的表面功W S由下式给出：
不同晶面作表面时，断键数目不同，因而表面能不同。
表面能
还可以更直观地说明表面能，设有一横截面 为1cm2的固体柱，在理想条件下（真空中）将它 分成两段时所作的功称为内聚功 Wc ，它表征了 相同物质间的吸引强度。拉断后的固体柱增加了 两个面积为1cm2的新表面，相应增加的表面能为 2γa，γa为固体a增加的表面能。
第二节 表面热力学
一、表面张力与表面能 1. 表面热力学函数
在表面，晶格的周期性被切断，因此表面原子处 于与固体内部不同的环境之中。其实，表面的组成和 物理性质是由单一相慢慢地变化而来的领域，虽然很 难把它当作原来的热力学相，但能作为一种由温度、 面积、曲率半径以及各组分原子的质量等决定的特殊 相来处理。总之，固体表面相的热力学性质必须与固 体内部区别开来考虑。
三个问题
为解决摩擦学领域中的技术问题，必须弄清楚摩擦 学基本的问题。 (1)通过物理和化学作用，环境对表面特征的影响； (2)接触表面之间的力的产生和传输；
(3)作用在表面接触点处的外力附近表面材料的特性。
摩擦学的这三个方面问题显然是互相联系的。因 此，为了能全面解决摩擦学问题，必须对这三个方面 问题有所了解。
表面张力
高温时，在由解理而制得的新的表面的情况下，表 面原子自由地在表面扩散的时候，与面积无关，则
G s a
所以
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T ,P
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s
（表面张力与表面自由能相一致 ）
低温，解理表面的原子不能自由扩散时，由于在表面 残留有畸变，因此 s
Hale Waihona Puke Baidu
表面的电子分布
(a) 电荷密度分布
(b) 电荷分布
表面缺陷
点缺陷、线缺陷和面缺陷
点缺陷：在三维方向上都很小的缺陷。 线缺陷：它是在一个方向上尺寸较大，而在另外两个 方向上尺寸较小的线缺陷。 面缺陷：晶体的缺陷若主要是沿二维方向伸展开来， 由于界面特殊的结构和界面能量，使得界面有许 而在另一维方向上的尺寸变化相对地甚小，则称为面 多与晶体内部不同的性质。例如，界面的扩散、界面 缺陷。各种界面如晶体表面、晶界、亚晶界及相界等 吸附、界面腐蚀、界面与位错的相互作用等，并对材 都是面缺陷，它们通常只有一个至几个原子层厚。 料的机械性能（强度、韧性）以及对变形、再结晶和 相变过程等都有重要影响。
摩擦与磨损自古以来就存在，利弊共存。
摩擦与磨损
摩擦与磨损是涉及两个或两个以上作相对 运动物体之间的界面的科学和技术问题的一门 学科。
包含着许多物理、化学及力学过程。物理学、化 学及材料科学工作者对此相当关注。摩擦与磨损直接 影响机械零件间力、功或运动的传递，因此，又是机 械工程师们重视的问题。不难看出，摩擦和磨损的研 究将是多学科的综合，涉及物理、化学、数学、材料 科学和机械工程等方面的很多基础知识。
W da
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如果没有任何非可逆过程，那么这个可逆功 W 等于表面能量的变化。因此
s
T ,P就
W
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