摩擦、磨损

的安全航行。所以，研究船舶机械的摩擦磨损，寻求减少 磨损的措施，达到提高船舶使用寿命的目的，是一项非常 有意义的工作。
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§2-1 摩擦的基本理论
1 固体的表面特性 摩擦磨损都是由固体表面之间接触作用开始的，因此固体表面特性对 摩擦磨损的影响很大，在未研究摩擦之前，首先有必要了解固体的表 面特性。 固体的表面特性包括： 表面粗糙度和波纹度、 表面能、化学活性、表面吸附层、氧化层或化学反应层、加工硬化层 以及表面残余应力等。 1．表面形貌
摩擦、磨损
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第二章
摩
擦、磨
损(friction and wear)
根据统计大约有80％的零件都是因磨损而报废的。 只要这个零件与另外一个零件之间有接触，并且有相对运 动(即有摩擦)，就不可避免的产生磨损，只能采取措施使 其减小。
摩擦磨损使船舶机械性能下降，功能丧失，甚至危及船舶
表面，由于在接触面之间出现强烈的分子引力，这时摩擦力将与表观接触面
积成正比。第二定律尤其不适用于弹性材料（如橡胶）和粘弹性材料（如聚 合物）。
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３）静摩擦力大于动摩擦力。亦静摩擦系数fj大
于动摩擦系数fd。 该定律对于具有一定屈服极限的材料而言是成
立的；但对于粘弹性材料，静摩擦系数不一定
0.7<=Ha/Hm<=1.3 过渡区
金 属 磨 损 体 积
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ha/Hm<0.7 低磨区
Ha/Hm>1.3 高磨区
磨粒硬度
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(b) 高应力碾碎式磨料 磨损 (c) 低应力擦伤式磨料 磨损 (a) 凿削式磨料磨 损
v
速度为v的磨粒射 流
v
v
细小切屑
v
突出部分的变形与脱 落
v v
图
磨料磨损类型

３）磨料（粒）磨损的影响因素 （１）材料硬度Hm ：材料硬度↑，磨损↓。 （２）磨料（粒）硬度Ha ：磨料（粒）硬度↑，磨损↑。 （３）磨料（粒）粒度 ：磨料（粒）粒度↑，磨损↑。
W
b a
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W 它是两接触固体几何界面的边界所确定的面积。
An＝aχb， An与所加载荷无关。
２. 轮廓接触面积Ap：
a
b
在名义接触面积范围内，被压变形部分所形成的面积总和称为轮廓接触面 积，以Ap表示。Ap的数值取决于所施加的外载荷的大小，通常Ap(0.05— 0.15)A n虚线范围内面积的综和。ＡP的大小与表面所承受的载荷有关。
（２）按摩擦副的运动形式分 ①滑动摩擦：当相互接触表面相对滑动（或具有相对滑动的 趋势）时叫滑动摩擦。 ②滚动摩擦：物体在力矩作用下沿着接触表面滚动时的摩擦。
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（３）按摩擦副的材质分
①金属材料的摩擦：摩擦副由金属材料组成的摩擦。如钢、
铸铁及有色金属等。 ②非金属材料的摩擦：摩擦副由非金属材料组成的摩擦。 如高聚合物与金属材料配对时。 （４）按摩擦副的工况条件分
密排六方晶格 Close-packed hexagonal Lattice 铍、镁
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３. 表面能(face energy)
表面中全部分子所具有的额外势能的总和叫做表面能。它是内能的一 种形式。
４. 表面膜(face film)
１）物理吸附膜： 当气体或液体与固体表面接触时，由于分子或原子相互吸引的作用力 而产生的吸附叫做物理吸附。这种吸附所形成的膜叫物理吸附膜。 ２）化学吸附膜： 由于极性分子的有价电子与基体表面的电子发生交换而产生的化学的 结合力，使极性分子定向排列，吸附在金属的表面上所形成的吸附膜 叫做化学吸附膜。
对于某些很硬（如钻石）或很软（如某些聚合物）的材料，摩擦力与法向载
荷表现出非线性关系
２）摩擦力的大小与表观接触面积无关，即同一材料的物体不论其大小如何， 其摩擦系数相同。 该定律对于金属材料（具有一定屈服点的材料）且表面存在一定的粗糙度和 单位载荷不是特别大时，一般说来是符合实际的。但对于完全洁净、光滑的
有金属都能形成化学吸附反应生成氧化膜。
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５. 金属表面层的实际结构
污染层 吸附气体层
氧化层 加工硬化层
金属基体
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2 固体表面的接触
(contact of solid surface)
弹性变形 载荷
塑性变形
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固体间的接触面积分3种： １. 名义（几何）接触面积Ａn：
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３）化学反应膜(chemical reaction film)：
由于润滑油中的硫、磷、氯等元素与金属表面进行化学反应，
二者之间的价电子相互交换，而形成一种新的化合物膜层叫 做化学反应膜。
４）氧化膜(oxide film)：
表面氧化形成具有化学吸附性质的反应膜。除金以外氧对所
0
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12 滑动速度v/(m/s)
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摩擦系数与滑动速度
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§２-２
1 概述 １. 磨损(wear)
磨损原理及减少磨损的途径
相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或者产
生残余变形的现象。 ２. 磨损量的表示方法：
１）线磨损：它是以摩擦表面法向尺寸的减少量来计量的，用Δh表
①一般工况的摩擦：即常见的工况（速度、压力、温度）
下的摩擦。 ①特殊工况下的摩擦：指在高速、高温、高压、低温、真 空等特殊工况下的摩擦。
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２.古典摩擦定理(classicality friction theorem)
１）摩擦力的大小与作用于摩擦面的法向载荷成正比，即摩擦系数为常数。 由于摩擦系数随着实际接触面积的增加而增加，因而摩擦系数就不会是常数。
磨损↓。
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d.材料的硬度：硬度↑，磨损↓。
e.摩擦副配对： 金属－非金属，磨损↓。 f.脆性材料与塑性材料： 脆性材料磨损↓。
（２）压力的影响： Ｗ↑，磨损↓，Ｗ↑到临界值后，粘着磨损↑↑。
（３）温度的影响： T↑，粘着磨损。 a. 摩擦副表面材料的性能改变：
T ↑，硬度↓，粘着倾向↑，磨损↑。
T ↑↑，相变，熔化，粘着倾向↑，磨损↑。 b. 化合物薄膜生成： T ↑，氧化膜生成↑，磨损↓。
c. 润滑剂性能改变： T ↑，油膜变稀，氧化或燃烧，油膜破坏，磨损 ↑。
d. 滑动速度：v↑，磨损↑。

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v ＝ v临界，磨损最利害; v > v临界，粘着磨损↓。
从微观的角度看，任何固体表面都是不规则的，起伏不平的，即存在 着粗糙度。我们通常所说的表面形貌，也就是微观粗糙度和宏观粗糙 度(即波纹度) 。
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表面结构中独立的单体称做微凸体。
微观粗糙度指的就是这种微凸体几何形状细节；
宏观粗糙度则表示这些单体(即微凸体)的组合。不论是微 观粗糙度还是宏观粗糙度，它对两个表面的接触力学性能 和摩擦磨损过程与机理的影响都极大。
微凸体 宏观粗糙度
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2. 金属的晶体结构
金属元素中，约有90%以上的金属晶格属于以下三种晶格形式： 体心立方晶格(body centred cube lattice)
铁(α-Fe)、铬、钼、钨、钒
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面心立方晶格 Face-centred cubic 铝、铜、镍、铅、金
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2 磨损类型 1、粘着(结)磨损(adhesion wear) １）定义：摩擦副相对运动时，由于固相焊合，接触点表面的材料由 一个表面转移到另一表面的现象称粘着磨损。 ２）过程：微凸体接触→滑动→塑性变形→剪切→表面膜破坏→温升 →软化和熔化→粘着→继续滑动→剪断→金属转移→形成新的粘着点
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滑动磨损与速度、载荷关系 Relationship of sliding friction, velocity and load
氧化磨损区 粘着磨损区 氧化磨损区 粘着磨损区
氧化磨损区 临界压力 粘着磨损区
磨 损 量 V
高温引起的 热磨损
磨 损 量 V
滑动速度v
载荷W
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④半干摩擦semi-dry friction 指同时存在着边界摩擦和干摩擦时的摩擦。如发动机工作时，
气缸上部和活塞环（特别是上死点时第一道活塞环附近）之
间的摩擦。 ⑤半液体摩擦semi- liquid friction
指同时存在着边界摩擦和液体摩擦时的摩擦。
３. 真实接触面积Ar：

在AP的范围内，各微凸体实际接触点微小面积中小圈内的黑点，其直 径约5—50μm)的总和称为实际接触面积，以Ar表示，一般Ar约(0.01
一0.0001)An。
它只是名义（几何）接触面积的几百分之一到几万分之一。
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3 摩擦理论(frictional theory)
示。也可用线磨损率KL来表示，即滑动单位路程Ｌ摩擦表面法向尺寸 的减少量。

KL ＝Δh∕L
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２）体积磨损：它是以单位面积上的减少量来计量的，用 ΔV表示。也可用体积磨损率KV来表示，即单位面积AN内滑 动单位路程L表面物质体积的减少量。 KV ＝ ΔV/(AN L)
３）质量磨损量：它是以单位面积内表面物质质量的损失 来计量的，用ΔW表示。也可用质量的磨损率KW来表示， 即单位面积AN内滑动单位路程Ｌ表面物质质量的损失量。 KV ＝ ΔW/(AN L) ４）比磨损率：单位载荷Ｐ作用下，滑动单位路程Ｌ所磨 去的体积或质量。 WV＝ ΔV /(PL)或WV＝ ΔW /(PL)
①干摩擦dry friction：两摩擦表面间即无润滑油又无湿气的摩擦。常
指名义上无润滑的摩擦。如刹车带与轴之间的摩擦、火车车轮与铁轨 的摩擦、纺织机械上的摩擦。。
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②边界摩擦(boundary friction) 两摩擦表面间存在一层极薄的润滑油膜（0.1µ m）,其摩擦
1. 摩擦的概念 １）定义： 当两个相互接触的物体，在外力作用下产生相对运动或具有相对运动 趋势时，在表面之间将产生阻止其发生相对运动或具有相对运动趋势 的作用，这种现象称为摩擦。而这种阻止发生相对运动或相对运动趋 势的力称为摩擦力。 ２）摩擦的种类： （１）按摩擦副表面的润滑状态分
和磨损并不取决于润滑剂的粘度，而取决于两摩擦表面的
特性和润滑剂的特性的摩擦。如齿轮轮齿表面间的摩擦即 为边界摩擦。
③液体摩擦(liquid friction) 具有体积特性的流体层隔开的两固体相对运动时的摩擦， 即流体粘性引起的摩擦。因为摩擦发生在流体内部，所以 磨损最小。如正常运转的曲轴与滑动轴承之间的摩擦。
大于动摩擦系数。 ４）摩擦力与滑动速度无关。 该定律几乎不适用于任何材料，尤其对粘弹性 显著的材料更不恰当。通常摩擦力随表面相对
摩 擦 系 数 μ 0.6 最大摩擦系数轨迹 低压
0.4
中压
0.2
高压
滑动速度的增大而通过一个最大值，载荷愈大，
摩擦系数的最大值移向滑动速度较低区（向纵
坐标方向靠近）。
→……
３）粘着磨损影响因素： （１）材料特性的影响：
F C
较硬金属 W
滑动方向
E
B D Ai+1 较软金属 图3-11 两表面摩擦示意图
Ar
a.摩擦副材料的互溶性：互溶性↑，磨损↑，反之相反
b.多相金属与单相金属：多相金属粘着倾向↓,磨损↓。 c.晶体结构：六方晶体较面心立方或体心立方晶体结构的金属f↓，
红褐色氧化物（Fe2O3）
黑色氧化物（Fe2O3）
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２. 磨料（粒）磨损(abrasive wear)
１）定义： 在摩擦过程中，因硬颗粒或硬的凸出 物，冲刷摩擦表面而引起材料脱落的 现象称磨料（粒）磨损。 ２）过程： （１）磨料对摩擦表面进行微量切削 过程。 （２）磨料作用使摩擦表面受交变接 触应力和变形，使表面疲劳破坏。 （３）对塑性较大的材料，磨料（粒） 在力的作用下，压入表面而产生压痕， 从表面层上挤压出剥落物。