表面工程第3章 表面摩擦与磨损

3 气蚀浸蚀磨损 气蚀浸蚀磨损是因为在液体中的气蚀现象而产生的一种
磨损。液体与零件接触处的局部压力低于液体的蒸发压力
时形成气泡。气泡流到高压区便溃灭。气泡形成和溃灭的 反复过程，使材料表面物质脱落，形成麻点状及泡沫海绵 状的磨损痕迹。 4 微动磨损

接触面小幅度切向相对运动引起。
非单独的磨损型式：粘着+氧化+磨粒+疲劳，复合磨损
1 早期摩擦理论（古典摩擦定律） 1）摩擦力F与作用于摩擦面间的法向载荷N成正比 2）摩擦力的大小与名义接触面积无关 3）静摩擦力大于动摩擦力
4）摩擦力的大小与滑动速度无关
5）摩擦力的方向总是与接触面积间的相对运动速度的方 向相反 a）摩擦系数是一个与材料和环境条件有关的综合系数。 b）只对有一定屈服点的材料(如金属材料) 才能成立。
1）粘着磨损（Adhesive Wear）
2）磨料磨损（Abrasive Wear） 3）表面疲劳磨损（Surface Fatigue Wear） 4）腐蚀磨损（Corrosive Wear）
3.2.3 粘着磨损
1 定义
粘着磨损实际上是相互接触表面上的微凸体不断地形成粘着
结点和结点断裂形成磨屑而导致摩擦表面破坏的过程。
1、简述不同学科对摩擦学研究的关注点
2、根据磨损机理的不同，磨损分为哪几种类型，各 有什么特点？ 3、早期摩擦理论及修正
LY12C2合金微动磨损区形貌
33
爬墙机器人中摩擦学原理的应用
三维空间无障碍机器人(简称3DoF-3 dimensional-terrain obstacle free机器人）
壁虎脚趾叶状结构上，有着数以百万计的刚毛，每根刚毛又都分成 100-1000根更细的绒毛，这些绒毛极大的增加了壁虎脚掌的面积。
Surface Engineering
表
面
工
程
1
第一专题：基础篇
第3章 表面摩擦与磨损
§3.1 摩擦
§3.2 磨损
摩擦是自然界里普遍存在的一种现象，只要有相对运动，就 一定伴随着摩擦，摩擦的结果往往伴随着材料的损耗（磨损）
摩擦学是研究相对运动接触表面的科学与技术，包括摩擦， 磨损，润滑三个部分
3.1 摩擦
（3）擦伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时，
剪切断裂发生在软材料的亚表层内，附在硬金属表面的 粘着物，在摩擦表面的滑动方向上将软材料的表面划伤 ，形成细而浅的划痕，使摩擦表面破坏。
（4）划伤：当界面强度大于两摩擦材料基体的强度时，摩
擦表面上形成的粘着物使另一摩擦表面沿滑动方向产生较深 的划痕。 （5）胶合：在滑动表面之间，由于固相焊合产生局部破坏， 但尚未出现局部熔焊的现象，称为胶合。 （6）咬死：当摩擦表面形成牢固的焊结结点时，外力克服 不了结点界面上的结合力，也不能使摩擦面双方剪切破坏时，
摩擦系数
0.8～1.5 0.15～0.3 0.15～0.3 0.6～1.9 0.04～0.12 0.06～0.20 0.08～0.20 0.15～0.30 0.05～0.10 0.10～0.20
固体 润滑 边界 润滑
流体 润滑
滚动 摩擦
液体动力润滑 液体静力润滑
0.08～0.20 <0.001 (与设计参数有关)
a) 麻点剥落(点蚀)：深度在0.2mm以下的小块剥落， 常呈
针状或痘状凹坑，截面呈不对称V形。 b) 浅层剥落: 深度一般为0.2~0.4mm，剥块底部大致和表 面平行，裂纹走向与表面成锐角和垂直。 c) 深层剥落(表面压碎): 深度和表面强化层深度相当， 裂 纹走向与表面垂直。
麻点磨损
3.2.6 磨损腐蚀
面越粗糙，实际接触面积越小，摩擦系数应越小。显然
这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。 经典摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都很 不完善，它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面 的。
20世纪40～50年代末期，从机械-分子联合作用的观
点出发较完整的发展了固体摩擦理论。
（3）粘着理论
当金属表面相互压紧时，某些接触点 的单位压力很大，发生塑性变形，这 些点将牢固的粘着，使两表面形成一 体，称为粘着或冷焊。 滑动摩擦是黏着点的形成和剪切交 替发生的过程。 当较硬材料划过较软材料的表面时， 较硬材料表面的微凸体会对软材料 的表面造成犁削作用。
梨沟面
剪切面
摩擦力是黏着效应和犁沟效应产生阻力的总和。
3.1.3 影响摩擦的因素
可分为两类：材料本身因素和摩擦系统因素
摩擦状况
干摩 擦 相同金属： 黄铜-黄铜；青铜-青铜 异种金属： 铜铅合金-钢 巴氏合金-钢 非金属： 橡胶-其他材料 聚四氟乙烯-其他材料 石墨-二硫化钼润滑 铅膜润滑 矿物油湿润表面 加油性添加剂的油润滑： 钢-钢；尼龙-钢 尼龙-尼龙
效应而造成的热磨损等
2）特别强调磨损是在相对运动中所产生的现象 3）磨损发生在运动物体材料表面，其它非表面材料的损失或破坏，不包
括在磨损范围内
4）磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移， 破坏包括产生残余变形，失去表面精度和光泽等。
2 磨损的分类 根据不同的磨损机理，可分为以下四个主要类别
使摩擦副双方没有相对滑动。
粘着磨损的共同特征是，出现材料迁移以及沿滑动方向形成 程度不同的划痕。
3.2.4 磨料磨损（磨粒磨损） 1 磨粒磨损(Abrasive Wear)的概念 * 概念: 硬的磨(颗)粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触
运动过程中，使表面材料发生的损耗。
磨粒磨损时，作用在质点上的力分为垂直分力和水平分力， 前者使硬质点压入材料表面，而后者使 硬质点与表面之间产 生相对位移。其结果使被磨损表 面产生犁皱或切屑，形成磨 损或沟槽。
典型粘着磨损形貌
举例-内燃机中活塞环和缸套衬

启动或停车，换向及载荷运转不稳定，或润滑条件 不好，几何结构参数不恰当而不能建立起可靠的油 膜时，环和套之间易发生局部直接接触，处于边界 摩擦或干摩擦的工作状态，易粘着磨损。
2 粘着磨损的影响因素
(a) 材料组织与性能（内因） （1）点阵结构：体心立方和面心立方结构的金属发生粘着磨 损的倾向高于密排六方结构。 （2）材料的互溶性：摩擦副材料的互溶性越大，粘着倾向越 大。 （3）组织结构：单晶体的粘着性大于多晶体；单相金属的粘 着性大于多相合金；固溶体比化合物粘着倾向大。材料的晶粒 尺寸越小，粘着磨损量越小。 （4）塑性材料比脆性材料易于粘着；金属/金属组成的摩擦副 比金属/非金属的摩擦副易于粘着。
3.1.1 摩擦的定义和分类
定义：两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或 具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力， 这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。 外摩擦：仅与两物体接触部分的表面相互作用有关 内摩擦：阻碍同一物体（如液体或气体）各部分之间相对移 动的摩擦
摩擦的分类
静摩擦 摩擦副的 运动状态
（b）工作环境（外因）

（1）在摩擦速度一定时，粘着磨损量随接触压力的增大 而增加。一般情况下，应小于硬度的1/3。 （2）在接触压力一定的情况下，粘着磨损量随滑动速度

的增加而增加，但达到某一极大值后，又随滑动速度的增
加而减小。

（3）降低表面粗糙度，将增加抗粘着磨损能力；但粗糙 度过低，反因润滑剂难于储存在摩擦面内而促进粘着。 （4）提高温度和滑动速度，粘着磨损量增加。

（5）良好的润滑状态能显著降低粘着磨损。
3 常见的粘着磨损
（1）轻微磨损：轻微磨损往往出现在摩擦初期的比较洁净
的金属表面上，往往利用这种磨损达到正常跑合的目的。
（2）涂抹：当较软金属的剪切强度小于界面强度时，剪切 断裂发生在较软金属的浅表层内，材料从软金属表面上脱 落，又粘附(涂敷)在硬金属的表面上。
滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承 的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大
3.2 磨损
3.2.1 磨损的定义和分类 1 定义： 任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的
现象，称为磨损。
1）磨损并不局限于机械作用，还包括由于伴同化学作用而产生的腐蚀磨 损；由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损；以及由于伴同热
动摩擦 滑动摩擦 摩擦副表 面的润滑 状况
纯净摩擦
干摩擦
边界润滑摩擦
流体润滑摩擦 固体润滑摩擦
摩擦副的 运动形式
滚动摩擦 摩擦副所 处的工况 条件
正常摩擦
特殊工况条件下的 摩擦
干摩擦：表面无任何润滑剂或保护膜的纯接触摩擦。 →功耗↑ 磨损↑
温度↑ →局部烧毁
不允许出现干摩擦！
3.1.2 摩擦理论
磨损腐蚀是指在磨损过程中物体表面与周围环境的化学Байду номын сангаас
或电化学反应起主要作用时的磨损现象。 磨损腐蚀有以下几种类型： 1 氧化磨损 氧化磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过 程。致密非脆性氧化膜可提高耐磨性（有色金属氧化处理） 2 特殊介质腐蚀磨损 摩擦副工作在除氧以外的其它介质中，并和它们发生 作用形成各种不同的产物，又在摩擦中被除去的过程。
微观犁沟
隆起
微观剥落
裂纹
2 磨粒磨损的影响因素

工作条件：外部载荷、滑动距离及速度、环境介质 磨料性能：硬度、大小、形状、强度等 材料性能：组织成分、硬度等。
磨粒磨损中的相对耐磨性与材料硬度的关系
在磨料磨损过程中，磨粒大小对耐磨性的影响， 存在一
个临界尺寸。如图
3 改善抗磨粒磨损能力的措施 a) 对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增加材料 的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损，应提高材料的韧 性。
c）不适用于粘弹性材料。粘弹性材料的静摩擦系数不一定
大于动摩擦系数。
2 滑动摩擦理论 （1）机械啮合理论：摩擦起源于表面粗糙度。两个固体表 面接触时，由于表面微小凹凸不平相互啮合，产生了阻碍两
固体相对运动的阻力。机械啮合理论只适用于刚性粗糙表面。
（2）分子作用理论 摩擦力产生的真正原因不在于表面的凹凸高低，而 在于两物体摩擦表面间分子引力场的相互作用所致。表
影响摩擦研究的几项科技进步
1）高真空和表面技术使科学及得以制备高度规则结构 表面（well-defined surfaces）-洁净晶体表面、原子级光 滑表面、单分子膜表面等 2）AFM 和 FFM 的发明提供了探索原子尺度摩擦行为的 条件 3）微机电系统和纳米技术发展要求理解微纳米系统中 的摩擦和粘附规律 4）大规模计算机模拟可以直观的揭示和再现两个表面 之间的复杂摩擦过程和现象。
b) 根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的低应力)，
合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳调质钢)。 c) 采用渗碳、碳氮共渗等化学热处理，提高表面硬度， 也能有效地改善材料的磨粒磨损性能。
3.2.5 表面疲劳磨损
* 定义：由于交变应力使表面材料疲劳而产生物质的转移 称为疲劳磨损，有时也称为接触点疲劳或点蚀。 * 分类： 按剥落裂纹的起始位置及形态分为：
科学家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用机理的基 础上，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的、经物理改性 的极性高分子材料 ( 人造仿生壁虎脚干性粘合剂)，并应用 MEMS加工技术，设计制作出模拟壁虎脚趾的吸附装置， 该 吸附装置能适应各种材质(如玻璃、粉墙和金属等)和任意形状 的表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)，是一种比较理想的吸 附装置。