摩擦与磨损全课件第3章 摩擦2
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2.修正的粘着理论 (1)粘着点的增长
在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简 单的圆形；
慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体 开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接 触面积比滑动前约增加2 - 3倍。
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（2）摩擦表面加工硬化的影响 ① 由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦 副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不 一定沿接触面剪断。 ② 粘着点材料加工硬化使切应力增大，即摩擦系 数增大；但切应力增大的同时，材料屈服极限 也增大。故加工硬化对摩擦系数的影响不如对 接触面积增长的影响大。
图3-12 表面接触状况
2018/11/1 5/39
2) 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程 接触点的金属处于塑性流动状态, 在摩擦中接触点 还会产生瞬时高温, 使两金属产生粘着。 随后在摩擦力作用下, 粘着结点被剪切产生滑动。
滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过 程。 当滑动速度增加时, 粘着时间和摩擦系数的变化幅 度都减小, 摩擦系数和滑动过程趋于平稳。
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简单粘着理论的不足
不足：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大 的差异。
原因：忽略了①粘着点滑动时接触面积的增加和 ②微凸体塑性变形引起加工硬化的影响。 如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为0.2， 事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达0.5， 在真空中更高。 因此，鲍登（Bowden）提出了修正的粘着理论。
摩擦与磨损
第三章 摩擦（2）
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3.3.4 粘着理论
1. 简单的粘着理论
零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属 表面相互受载接触时，仅在少数微凸体的顶端发 生接触。 开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很 大，产生塑性变形，使接触面积增加。
同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不 断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承 其载荷为止。 这时，金属表面塑性接触处会出现牢固的粘着。
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3. 金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论 粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。
在正常大气中金属表面被氧化膜或其他污染膜覆 盖。
这种摩擦实际上是氧化膜的摩擦。
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从摩擦磨损的观点看，金属表面氧化膜、其他吸 附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的。 原因：
① 摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度； ② 摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属 基体承受。
这样，即使在重载作用下，接触面积也几 乎不变，因而摩擦力小，摩擦系数低。 现代机器轴承等一般采用这种结构。
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有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使 用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、 铅、二硫化钼、石墨等。 高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临 界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一 般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。 当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化 的温度，否则摩擦也会增加。
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图3-13钢对钢滑动摩擦的跃动过程
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3) 摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和 摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中, 假设粗糙峰的形状为半圆柱体。 接触面积由两部分组成： 1、圆柱面：是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。 2、端面：是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材 料。
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牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或 者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即纯净金属 直接接触的情况。
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图3 -11 两表面摩擦示意图
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简单粘着理论基本要点 （Bowden，1945）
1) 摩擦表面处于塑性接触状态 实际接触面积只占表观接触面积的很小部分, 在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服 极限σs而产生塑性变形。此后, 接触点的应力不再 改变, 只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的载 荷。
图3-14 粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型
2018/11/1 7/39
摩擦力F 的组成为： F = T + Pe = Ab + Spe T为剪切力, T=Ab，A为实际接触面积，b为粘 着结点的剪切强度； Pe为犁沟力, Pe = Spe，S为犁沟面积，pe为单位 面积的犁沟力。
金属摩擦副，Pe值远小于T，所以粘着理论认为 粘着效应是产生摩擦力的主要原因，因此忽略犁 沟效应。则： F = A b
研究表明，只要界面有少许薄膜存在，就会大大 削弱界面的连接强度，摩擦系数急剧下降。
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4. 金属覆膜及减摩特性
摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到 各种各样的耐磨表面覆层。
粘着摩擦理论认为：摩擦力等于实际接触面积与 金属临界切应力的乘积。 要减小摩擦力，只有减少①实际接触面积或②金 属临界切应力。
这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低 的临界剪切强度。
实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往 具有高的临界剪切强度。
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Βιβλιοθήκη Baidu
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措施
根据粘着摩擦的基本原理，可在硬金属基 体上涂敷一层软材料。
如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅 合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。
① 界面膜的临界切应力比金属粘着点的小，当所作用的切 向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通 过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘 着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时， 界面层被剪断，开始滑动。摩擦力较小。 ② 滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变 形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向 增长较小，即摩擦力较小。
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软金属薄膜厚度的影响
软金属膜很厚或很薄，都有可能使摩擦特 性发生变化。
① 膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；
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2.修正的粘着理论 (1)粘着点的增长
在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简 单的圆形；
慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体 开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接 触面积比滑动前约增加2 - 3倍。
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（2）摩擦表面加工硬化的影响 ① 由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦 副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不 一定沿接触面剪断。 ② 粘着点材料加工硬化使切应力增大，即摩擦系 数增大；但切应力增大的同时，材料屈服极限 也增大。故加工硬化对摩擦系数的影响不如对 接触面积增长的影响大。
图3-12 表面接触状况
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2) 滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程 接触点的金属处于塑性流动状态, 在摩擦中接触点 还会产生瞬时高温, 使两金属产生粘着。 随后在摩擦力作用下, 粘着结点被剪切产生滑动。
滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过 程。 当滑动速度增加时, 粘着时间和摩擦系数的变化幅 度都减小, 摩擦系数和滑动过程趋于平稳。
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简单粘着理论的不足
不足：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大 的差异。
原因：忽略了①粘着点滑动时接触面积的增加和 ②微凸体塑性变形引起加工硬化的影响。 如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为0.2， 事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达0.5， 在真空中更高。 因此，鲍登（Bowden）提出了修正的粘着理论。
摩擦与磨损
第三章 摩擦（2）
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3.3.4 粘着理论
1. 简单的粘着理论
零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属 表面相互受载接触时，仅在少数微凸体的顶端发 生接触。 开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很 大，产生塑性变形，使接触面积增加。
同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不 断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承 其载荷为止。 这时，金属表面塑性接触处会出现牢固的粘着。
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3. 金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论 粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。
在正常大气中金属表面被氧化膜或其他污染膜覆 盖。
这种摩擦实际上是氧化膜的摩擦。
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从摩擦磨损的观点看，金属表面氧化膜、其他吸 附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的。 原因：
① 摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度； ② 摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属 基体承受。
这样，即使在重载作用下，接触面积也几 乎不变，因而摩擦力小，摩擦系数低。 现代机器轴承等一般采用这种结构。
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有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使 用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、 铅、二硫化钼、石墨等。 高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临 界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一 般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。 当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化 的温度，否则摩擦也会增加。
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图3-13钢对钢滑动摩擦的跃动过程
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3) 摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和 摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中, 假设粗糙峰的形状为半圆柱体。 接触面积由两部分组成： 1、圆柱面：是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。 2、端面：是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材 料。
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牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或 者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即纯净金属 直接接触的情况。
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图3 -11 两表面摩擦示意图
2018/11/1 4/39
简单粘着理论基本要点 （Bowden，1945）
1) 摩擦表面处于塑性接触状态 实际接触面积只占表观接触面积的很小部分, 在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服 极限σs而产生塑性变形。此后, 接触点的应力不再 改变, 只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的载 荷。
图3-14 粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型
2018/11/1 7/39
摩擦力F 的组成为： F = T + Pe = Ab + Spe T为剪切力, T=Ab，A为实际接触面积，b为粘 着结点的剪切强度； Pe为犁沟力, Pe = Spe，S为犁沟面积，pe为单位 面积的犁沟力。
金属摩擦副，Pe值远小于T，所以粘着理论认为 粘着效应是产生摩擦力的主要原因，因此忽略犁 沟效应。则： F = A b
研究表明，只要界面有少许薄膜存在，就会大大 削弱界面的连接强度，摩擦系数急剧下降。
2018/11/1
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4. 金属覆膜及减摩特性
摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到 各种各样的耐磨表面覆层。
粘着摩擦理论认为：摩擦力等于实际接触面积与 金属临界切应力的乘积。 要减小摩擦力，只有减少①实际接触面积或②金 属临界切应力。
这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低 的临界剪切强度。
实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往 具有高的临界剪切强度。
14/39
Βιβλιοθήκη Baidu
2018/11/1
措施
根据粘着摩擦的基本原理，可在硬金属基 体上涂敷一层软材料。
如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅 合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。
① 界面膜的临界切应力比金属粘着点的小，当所作用的切 向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通 过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘 着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时， 界面层被剪断，开始滑动。摩擦力较小。 ② 滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变 形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向 增长较小，即摩擦力较小。
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软金属薄膜厚度的影响
软金属膜很厚或很薄，都有可能使摩擦特 性发生变化。
① 膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；