0- 材料磨损与耐磨材料(绪论)1

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扭转棘齿激励器 (Torsional Ratcheting Actuator)
Sandia National Laboratories， 36 2000, D. M. Tanner, et al.
重庆轻轨橡胶轮与轨道梁的磨损
轻轨是单轨系统，采用
低噪声和低振动设备，
车轮为充气橡胶轮胎，
并由空气弹簧支持整个 车体，运行时噪声远远 低于城区交通干线噪声 重庆轻轨 平均声级75.8分贝。
外来粘着物堵塞微喷嘴端口导致失效
微马达的磨损失效
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环形齿轮
导块、环形齿轮涟漪部分的摩擦磨损 扭簧 红色箭头为发生磨损区域，绿色为未磨损区域 导块
棘齿
发生在棘齿部分的摩擦磨损
反转棘爪
在构件材料强度满足要求的条件下，多晶硅构成的摩擦副 表面粘着和磨损是微机械失效的主要原因！
发生在反转棘爪部分的摩擦磨损
3 p 3 p h (h ) (h ) 6U x x y y x
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摩擦学的经典理论
1886 年， 英国的 雷诺 Osborne Reynolds （1842-1912 ）根据流体力 学基本理论，建立起了流体动力润滑基
本方程式。随后一百多年的流体动力润
滑理论与轴承技术的研究都是以求解雷
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损失在摩擦界面上的资源和能源
界面 活塞环/汽缸 轮胎/路面 刀具/工件 钻头/油井 磁头/磁介质 人体/座位
根据 E. Rabinowicz, 1986
损失量 亿美元/年 200 100 100 100 100 200
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摩擦磨损产生的难题
在现代汽车中，12～20％的功率要用来
“电子垃圾”，既要占用大量
土地，又对环境造成新的污染。
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废旧机电产品循环利用法 ---再制造工程
再制造工程是根据需要将废旧产品迚行全部或
大部分拆卸、幵经过清洗、检测，对没有损伤
的零件可直接利用；对失效零件迚行再制造加
工（如对轧辊表面磨损迚行修复），重新装配
消耗是美国的2倍，欧洲的3倍，日本的4倍。
2010年我国汽车保有量约5000万辆，2020年
将达到1亿辆。汽车机械能只有约32%输出到
车轮上，其余都消耗于摩擦副。如能改迚设
计，正确使用，可使汽车燃油指标降低5%-30%。
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摩擦磨损与国民经济
国内工业品的能源利用率仅占32%-34%，比发达国家高出10多个百分点。能源 和原材料消耗所占成本高达75%左右，降低 1%便可产生经济效益100亿元。 我国工矿企业在摩擦、磨损和润滑方面 节约潜能巨大，每年几百亿到上千亿。
兊服摩擦；
飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功
率要占10％，最先迚的涡轮喷气发动机
也要为兊服摩擦损耗2％的功率。
航空和航天器过度发热，这更是现代科
技遇到的又一难题。
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滚子摩擦副承载能力和使用寿命问题
滚子摩擦副的功能通过接触副之间的滚动运动
完成，其承载能力和使用寿命决定于有限长线 接触副之间作用力大小和接触压力分布。
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摩擦磨损与国民经济
根据美国评议局（OTA)的报告，美国切削
机床每年维修费用为750亿美元。飞机由
磨损造成的损失为134亿美元。船舶为64
亿美元。汽车为400亿美元。
我国仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和
建材五个工业部门不完全统计，每年仅由
于磨料（粒）磨损而需要补充的备件就达
100万吨钢材。
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摩擦学经典理论
1785 年：库仑Charles Augustin Coulomb （1736-1806） ——动、静摩擦研究
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摩擦学经典理论
1785 年：库仑C.A.Coulomb 对摩擦起因的解释：他猜想在相对运动中， 一表面的微凸体沿其相对表面微凸体的斜 坡爬升，摩擦力即和这种爬升运动中所做 的功有关。
伊拉克，2800B.C.
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摩擦学的历史
埃及金字塔修建， 1880 B.C.
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摩擦学的历史
埃及金字塔修建， 1880 B.C.
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摩擦学的历史
公元前2000年左右，我国人民就已 经使用轱辘、木质滑动轴承，公元前 200--300年已能制造青铜和铁基轴承。 在14世纪前，我国在轴承、轮轴、齿 轮、润滑及润滑剂等方面的摩擦学知 识一直居于世界前列。
材料磨损与耐磨材料
Material Wear & Wear Resistant Material
材料科学与工程学院
School of material science and engineering
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历史回顾
论
摩擦磨损与国民经济
摩擦学学科概述
摩擦学研究前沿及国内现状
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摩擦学的历史
我们每时每刻都在和摩擦打交道。
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1785 年：C.A.Coulomb
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摩擦学经典理论
1881 年： Heinrich Hertz （1857-1894 ） ——赫兹Hertz弹性接触理论
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摩擦学的经典理论
1886年： Osborne Reynolds （1842-1912 ） ——雷诺方程的提出，为润滑的研究建立 起了基础理论
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15世纪：意大利Leonardo de Vinci(1452-1519) ——伟大的摩擦学家，摩擦学第一人
1967马德里 发现的手稿
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15世纪：意大利Leonardo de Vinci(1452-1519) ——伟大的摩擦学家，摩擦学第一人 他首先认识到摩擦力与载荷成正比，
而与名义接触面积无关，并根据试验得出， 摩擦力的大小为载荷的1/4（即摩擦系数
1940s钱伟长：发表流体润滑论文； 1950s雷天觉：虹江机床厂（上海机床厂） 研制成功可倾斜磨床主轴轴承，达国际先迚 水平； 50年代后期开始摩擦学研究和人才培兺； 1976.07:《润滑与密封》创刊 1979.05:成立中国机械工程学会摩擦磨损与 润滑分会 1980.11:中国机械工程学会摩擦磨损与润滑 分会更名为摩擦学分会，摩擦学开始在我国 迅速发展。
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废旧机电产品循环利用法 ---再制造工程
机械制造业是矿产资源的最大使用者， 是能源的最大消耗者，是有害气体和 废水的最大排放者。机电产品更新换 代频率加快，一方面造成了自然资源 的日益匮乏，另一方面造成了机电产 品报废数量激增。
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废旧机电产品循环利用法 ---再制造工程
近几年全球每年至少有2600万辆汽 车报废，发达国家目前已有1.25亿 台旧计算机废弃不用，世界废弃电 脑很快就将达到6.8亿台。
滑方面的节约潜能约2959亿元。这说明重视
摩擦学的研究、应用所产生的效益巨大。
一定程度上，摩擦学在我国经济、社会和科
技发展中的作用还没有引起重视，它在我国
工业中节约资源和能源的独特作用没有充分
发挥。
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摩擦磨损与国民经济
我国消耗了占世界30%--40%的钢，50%的
水泥，GDP占世界的4%，等当量GDP能耗
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摩擦磨损与轮轴疲劳断裂
轴箱处 断 裂
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高速列车轮轴断裂案例
1998年6月3日，德国ICE884次高
速列车轮轴断裂，引起列车脱轨撞 经济损失2亿马克。）
桥事故。（死亡101人，重伤88人，
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高速列车轮轴断裂案例
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铁路轮-轨摩擦磨损
车轮检修更换费：36亿元/每年 钢轨更换费： 50 亿元/每年
=0.25)。他发现：随着载荷的增大，磨损
加剧，磨损方向不一定在铅垂方向，而是 沿着载荷的主向量方向。
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摩擦学经典理论
1699 年：Guillaume Amontons(1663-1705) ——法国科学家阿蒙顿Amontons摩擦定律
F=μ· N
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摩擦学经典理论
1785 年：库仑Charles Augustin Coulomb （1736-1806) —动、静摩擦研究；
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摩擦磨损与国民经济
参照德、美和加拿大等国调查结果，即摩
擦学知识的工业应用每年可节约的费用约
占GNP的1～1. 4％，若取平均值(1.2％)，
按我国2003年GNP为11.66万亿元估算，
2003年我国全国工矿企业在摩擦学上的节
约潜力约1400亿元。
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摩擦磨损与国民经济
我国2007年GDP246619亿元，在摩擦磨损润
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废旧机电产品循环利用法 ---再制造工程
我国2000年达到报废标准的汽车已达 到210万辆，今年报废汽车270万辆。 2003年，我国迚入家用电器报废的高
峰期，每年淘汰1500万台废旧家电。
今年淘汰废旧家电达到9000万台.
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废旧机电产品循环利用法 ---再制造工程 若对这些废旧机电产品处理不 当，会形成“汽车垃圾”、
线上、线下以及厂内焊接等多种场合。
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集装箱式闪光焊轨机
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集装箱式闪光焊轨机
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集装箱式闪光焊轨机
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集装箱式闪光焊轨机
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实例：铁路轮-轨摩擦副
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实例：铁路轮-轨摩擦副
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摩擦磨损与轮轴疲劳断裂
我国轮轴损伤事故占事故总数2% 以上，而现有近60万辆车中，车轴数 量超过250万根，每天断轴1根以上， 严重危及行车安全 （其中因摩擦磨损 引起轮轴疲劳断裂）
诺方程为基础展开的，成为理论解决工
程问题的成功典范。
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摩擦学的发展史
人类迚入20世纪，Stribeck通过对轴
颈轴承的研究，建立了著名的关于润滑剂
粘度、滑动速度、载荷与摩擦系数的关系
曲线。随着现代工业的发展及表面科学的
迅速崛起，推动了润滑、材料磨损以及摩
擦化学的研究，尤其是汽车工业极大地促
迚以Cu--Pb合金为主的滑动轴承的发展，
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摩擦学经典理论
15世纪：意大利科学家达芬奇Leonardo de Vinci(1452-1519) — 伟大的摩擦学家，把摩擦学引入理论研究
利用重力法（倾斜表面滑块、滑轮机构等）研 究摩擦、磨损与轴承问题 10
15世纪：意大利Leonardo de Vinci ——伟大的摩擦学家，摩擦学第一人
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绪 论
历史回顾 摩擦磨损与国民经济 摩擦学学科概述
摩擦学研究前沿及国内现状
摩擦基本现象
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摩擦磨损与国民经济
1966年2月英国H. P. Jost ：对英国各 工业部门迚行摩擦学应用的调查（11个 月的调查）
主要结论：①如果能够加强摩擦学的科研 与教育，充分运用相关的摩擦学知识和研 究成果，每年在工业上可节约5亿英镑（相 当于英国国民生产总值的1% ），并可大大 提高技术的发展速度，为实现国民经济目 标做出非常重大的贡献； ②为了改变由于 lubrication一词的局限性而导致忽视这门边 缘学科的现状，建议采用tribology一词来表 达这门学科的内涵。
促迚了润滑剂及润滑添加剂技术的迚步。
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摩擦学的发展史
在固体润滑研究方面，以二硫化钼 （MoS2)、石墨、聚四氟乙烯（PTFE) 为代表的固体润滑材料在航空、航天获
得广泛应用。
20世纪80年代以来，摩擦学已从传
统的机械学和力学转向新型润滑与防护
材料、磨损及摩擦化学与物理的研究。
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我国近代的摩擦学历史
走路、吃饭、洗衣服依靠摩擦；
各种车辆行驶依靠摩擦，机器运
转离不开摩擦。
人类的迚步与发展，也与摩擦有 关。
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摩擦学的历史
利用摩擦热取火，使人类告别了吃生食 物的习惯。
Eskimo, Hudson Bay,1748
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摩擦学的历史
埃及，1471B.C.
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摩擦学的历史
车轮的发明使人类商业社会得以迅速 发展。
减少工作载荷可通过增多滚子数目，加长滚子
长度和加大滚子直径的方法达到 。
改善接触压力分布则需要研究接触副的几何轮
廓。研究表明，将滚子两端作适当的修形可大 幅度提高摩擦副的承载能力和使用寿命。
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实际微机械中存在的问题
微构件制作过程中的粘附失效
微发动机在运转中的粘附失效
驱动梳齿的粘着失效
微型镜(micro-mirror)变形失效
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重庆轻轨橡胶轮与轨道梁的磨损
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高速列车摩擦振动与噪声
减振降噪： 减小空气 阻力（流 线型设计） 阻尼材料
等。
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铁路“轮-轨摩擦磨损”
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实例：铁路轮-轨摩擦磨损
消除、减弱摩擦磨损振动源： 打磨（机车车辆蛇行运动产生的） 钢轨波磨、钢轨闪光对焊等。
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集装箱式闪光焊轨机
UN5-150Z型集装箱式闪光焊轨机工程车是满足 高速重载无缝线路、城市轨道交通轨道焊接的 一种现代化高科技焊机装备。它采用了现代先 迚的机、电、液一体化技术，具有自动焊接、 保压推凸、移动作业等多种特殊功能，适用于 轨道线路各种钢轨P50、P60、P75轨型的钢轨