表面工程第3章 表面摩擦与磨损

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。
磨损腐蚀是指在磨损过程中物体表面与周围环境的化学
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。
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。
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
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
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
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
3.1.1 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
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
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。
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
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
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。
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。
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)
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。
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
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。
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
（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。
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：典型粘着磨损形貌举-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）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，

（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。
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。