摩擦学发展史

摩擦学发展史

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摘要：摩擦学是研究表面摩擦行为的学科。摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践（包括设计和计算、润滑材料和润滑方法、摩擦材料和表面状态以及摩擦故障诊断、监测和预报等）的一门边缘学科。世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。

摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海，断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。摩擦学涉及许多学科。如完全流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜，基本上可以运用流体力学的理论来解算。但是齿轮传动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦，就还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响；在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质，甚至要考虑瞬时变化过程的效应，而不能把它简化成牛顿流体。如果油膜厚度接近于接触表面的粗糙度，还需要考虑表面纹理对润滑油的阻遏和疏导作用，以及油温所引起的热效应。油膜再薄，两摩擦表面粗糙峰点也会发生接触或碰撞，接触峰将分担一部分载荷，接触峰点区域处于边界润滑状态。在使用油性添加剂时，表面形成吸附膜，而在使用极压添加剂时，表面形成反应膜。为了了解磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系，需要对表面的磨损全过程进行微观研究。仅就油润滑金属摩擦来说，就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题，涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用

必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。

人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类的钻木取火。《诗经·邶风·泉水》中有“载脂载宣，还车言迈”的诗句，表明中国在春秋时期已应用动物脂肪来润滑车轴。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著《博物志》，书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢，直到15世纪，意大利的列奥纳多·达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。1785年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。至此，综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。然而发展成为Tribology还是1966年的事。中译Tribology为“摩擦学”，在1980年冬才被正式确定。美国接受以Tribology代替Lubrication的地位，始于1984年。摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括：①动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带-录音头等；②零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；③机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；④弹性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦(见地面车辆力学)、弹性密封的动力渗漏等；⑤特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海、断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。摩擦学涉及许多学科。例如油润滑的金属摩擦副，处于完全流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜，基本上可以运用流体力学的理论来解算。但是齿轮传动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦副，在计算它的流体动压润滑的承载油膜时，还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响；在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质（从应力、应变、温度和时间几方面研究物质变形和流动的物理性质），甚至要考虑瞬时变化过程的效应，而不能把它简化成牛顿流体。如果油膜厚度接近于接触表面的粗糙度，还需要考虑表面纹理对润滑油的阻遏和疏导作用，以及油温所引起的热效应。油膜再薄，两摩擦表面粗糙峰点将发生接触或碰撞，接触峰将分担一部分载荷，接触峰点区

域处于边界润滑状态。在使用油性添加剂时，表面形成吸附膜，而在使用极压添加剂时，表面形成反应膜。各种摩擦状态，以及各种表面膜的生成和破裂，都与磨损的发生和发展有密切关系。为了了解磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系，则需要对表面的磨损全过程进行微观研究。这样，仅就油润滑金属摩擦副来说就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题，涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。

摩擦学问题涉及多种因素，错综复杂，应用系统分析的方法进行研究，可以明了诸因素之间的依赖和制约关系，以及分析问题的思路。互相接触的两个物体，当有相对滑动或有相对滑动的趋势时，在它们接触面上出现的阻碍相对滑动的力。摩擦对工程技术和日常生活极为重要。摩擦阻碍物体的运动，使运动能量遭受损失，人类生产的总能量有很大一部分就是这样被消耗掉的。因摩擦而损失的机械能转化为热，使机器中许多滑动面必须冷却。同时，摩擦还伴随着表面材料的损失，即发生磨损。磨损使零件的尺寸改变，失去应有的精度和功能。世界上有很大一部分生产力就是用于补充、替换因磨损而变为无用的零件的。

因此，人们采取各种减小摩擦的措施，例如在相对滑动的表面上施用润滑剂；用轮子、滚柱和滚珠使滑动改为滚动等。但摩擦也有有用的一面，许多传动与制动设备是通过摩擦起作用的。常用的皮带传动功能就是通过摩擦力实现的；汽车和机车的行驶也要依靠地面和钢轨上的摩擦力。严冬冰雪覆盖路面，有时必须在汽车后轮上加装铁链或在钢轨上喷砂，才能产生足够的摩擦力推动车辆前进。若摩擦力完全消失，则结绳、织布、打钉、执笔以至坐立行走，都将成为不可能。因此，摩擦又是人类生存所不可缺少的。

以油润滑金属摩擦副为例表示摩擦学系统的组成，它表明运动件、静止件、润滑油和环境大气间的相互作用原理。是摩擦学系统的过程，用功能平面和由它分解出的3个概念性平面（功平面、热平面、材料平面）来表示。材料平面包括固体材料面、流体（润滑油、气体）平面和反应产物平面。画出这些概念性平面间可能发生的摩擦学过程。垂直的实线表示化学转变过程，垂直的虚线表示由功转到熵的过程，它们都集中到热平面上。因此系统过程图是分析摩擦学问题时的有力工具。

两个相接触的物体做相对运动时发生的阻碍它们相对运动的现象，称为“动摩擦”。在动摩擦中出现的摩擦力称为“动摩擦力”。对物体所施之力大于最大静摩擦力时，物体就开始运动。在运动起来之后，若将所施加之力减小，物体便又停止运动。这一情况表明，物体运动之后，还有阻