表面摩擦与磨损
摘要：简要介绍了摩擦与磨损的定义，摩擦的分类及评价方法；磨损的分类及评价方法；磨损的评价方法；抗摩擦磨损表面强化技术。
关键词：摩擦；磨损；表面
1 引言
摩擦与磨损是自然界存在的普遍现象, 摩擦对人类的生活和生产活动有利有弊, 而磨损却是有百害而无一利。摩擦与磨损对能源及材料的消耗是相当可观的, 据粗略估计, 有
1/3 ～ 1/2的能源消耗于磨损, 而磨损又常常是机器零部件失效的主要原因。
摩擦与磨损是发生在相互接触并相对运动的两个固体表面之间, 因此接触表面的特性, 诸如表面粗糙度及硬度等与摩擦、磨损关系密切。有些表面特性是由材料的本性决定的, 此外, 还可以采用各种方法对材料表面进行改性, 其中表面处理技术中的电镀及复合镀等则是常用的手段。在制备减摩及耐磨镀层时需进行检测, 因此, 有必要对摩擦及磨损的定义、产生原因和测试方法等有一定程度的了解[1]。
2 摩擦与磨损的定义
摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是: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。
据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的 30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性[2]。
3 摩擦的分类及评价方法
在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以前三种方式介绍分类[3]。
3.1 按摩擦副的运动状态分类
（1）静摩擦，两个相互接触的物体在外力作用下, 有相对运动的趋势时产生的摩擦叫静摩擦。
（2）动摩擦，两个相互接触的物体在外力作用下, 发生相对运动时产生的摩擦叫动摩擦。通常动摩擦力比静摩擦力要小。
3.2 按摩擦副的运动形式分类
（1）滑动摩擦，两个相互接触的物体表面在外力作用下, 相对滑动时产生的摩擦叫做滑动摩擦。
（2）滚动摩擦，两个相互接触的物体在力矩作用下, 一物体沿与另一相接触物体表面滚动时产生的摩擦叫滚动摩擦[4]。
3.3 按照摩擦副表面的润滑状态分类
3.3.1 干摩擦
当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦，工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。
3.3.2 边界摩擦
当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。
在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度[5]。
3.3.3 流体摩擦
当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。
3.3.4 混合摩擦
当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多[6]。
4 磨损的分类及评价方法
摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降低，同时还会影响机器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪声与能耗增大，甚至造成机器报废。通常，零件的磨损是很难避免的。但是，只要在设计时注意考虑避免或减轻磨损，在制造时注意保证加工质量，而在使用时注意操作与维护，就可以在规定的年限内，使零件的磨损量控制在允许的范围内，就属于正常磨损。另一方面，工程上也有不少利用磨损的场合，如研磨、跑合过程就是有用的磨损。
4.1 磨损过程分析
工程实践表明，机械零件的正常磨损过程大致分为三个阶段：初期磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。
（1）初期磨损阶段
机械零件在初期磨损阶段的特点是在较短的工作时间内，表面发生了较大的磨损量。这是由于零件刚开始工作时，表面微凸出部分的曲率半径小，实际接触面积小，造成较大的接触压强，同时曲率半径小也不利于润滑油膜的形成与稳定。所以，在开始工作的较短时间内磨损量较大。
（2）稳定磨损阶段
经过初期磨损阶段后，零件表面磨损的很缓慢。这是由于经过初期磨损阶段后，表面微凸出部分的曲率半径增大，高度降低，接触面积增大，使得接触压强减小，同时还有利于润滑油膜的形成与稳定。稳定磨损阶段决定了零件的工作寿命。因此，延长稳定磨损阶段对零件工作是十分有利的。工程实践表明，利用初期磨损阶段可以改善表面性能，提高零件的工作寿命。
（3）剧烈磨损阶段
零件在经过长时间的工作之后，即稳定磨损阶段之后，由于各种因素的影响，磨损速度急剧加快，磨损量明显增大。此时，零件的表面温度迅速升高，工作噪声与振动增大，导致零件不能正常工作而失效。在实际中，这三个磨损阶段并没有明显的界限[7]。
4.2 磨损的分类
磨损的分类方法很多, 主要有以下三种分类方法, 即按发生磨损的环境及介质分类；按发生磨损的表面接触性质分类及按磨损机理分类；下面介绍按磨损机理的分类。
（1）粘着磨损
在摩擦副表面间，微凸出部分相互接触，承受着较大的载荷，相对滑动引起表面温度升高，导致表面的吸附膜（如油膜，氧化膜）破裂，造成金属基体直接接触并“焊接”到一起。与此同时，相对滑动的切向作用力将“焊接”点，即粘着点，剪切开，造成材料从一个表面上被撕脱下来粘附到另一表面上。由此形成的磨损称为粘着磨损。通常多是较软表面上的材料被撕脱下来，粘附到较硬的表面上。零件工作时，载荷越大，速度越高，材料越软，粘着磨损越容易发生。粘着磨损严重时也称为“胶合”[8]。
影响粘着磨损的主要因素；同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料的抗粘着能力高，在一定范围内的表面粗糙度越高抗粘着能力越强，此外粘着磨损还与润滑剂、摩擦表面温度及压强有关。
在工程上，可以从摩擦副的材料选用，润滑和控制载荷及速度等方面采取措施来减小粘着磨损。
（2）腐蚀磨损
在机器工作时，摩擦副表面会与周围介质接触，如有腐蚀性的液体、气体、润滑剂中的某种成分，发生化学反应或电化学反应形成腐蚀物造成的磨损，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损过程十分复杂，它与介质、材料和温度等因素有关。响腐蚀磨损的主要因素；周围介质、零件表面的氧化膜性质及环境温度等[9]。
（3）磨料磨损
落入摩擦副表面间的硬质颗粒或表面上的硬质凸起物对接触表面的刮擦和切削作用造成的材料脱落现象，称为磨料磨损。磨粒磨损造成表面成现凹痕或凹坑。硬质颗粒可能来自冷作硬化后脱落的金属屑或由外界进入的磨粒。加强防护与密封，做好润滑油的过滤，提高表面硬度可以增加零件耐磨粒磨损的寿命。粒磨损与摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关。（4）接触疲劳磨损
在接触变应力作用一段时间后，摩擦副表面会出现材料脱落的现象，这称为接触疲劳磨损。接触变应力作用一段时间后造成的材料脱落会不断地扩展，形成成片的麻点或凹坑，导致零件失效。
在实际中，零件表面的磨损大都是几种磨损作用的结果。因此，在机械设计中，一定要根据零件的具体工况，从结构、材料、制造、润滑和维护等方面采取措施提高零件的耐磨性。
影响接触疲劳磨损的主要因素有；摩擦副材料组合、表面光洁度、润滑油粘度以及表面硬度等。
（5）微动磨损
微动磨损是—种复合型式的磨损，是两表面之间由很小的振幅的相对振动产生的磨损。机械零件配合较紧的部位，在载荷和一定频率振动条件下，零件表面产生微小滑动将导致微
动损伤。如果在微动磨损过程中，表面之间的化学反应起主要作用，则可称为微动腐蚀磨损。直接与微动磨损相联系的疲劳损坏称为微动疲劳磨损。
微功磨损过程如下：接触压力使摩擦副表面的微凸体产生塑性变形和粘着，在外界小振幅振动作用下，粘着点剪切，粘着物脱落，剪切表面被氧化。磨屑不易排出，这些磨屑起着磨料的作用，加速了微功磨损的过程。这样循环不止，最终导致零件表面破坏。当振动应力足够大例，微动磨损处会成为疲劳裂纹的核心，导致早期疲劳断裂。
（6）冲蚀磨损
冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。根据颗粒及其携带介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。
在自然界和工矿生产中，存在着大量的冲蚀磨损现象。例如矿山的气动输送管道中物科对管道的磨损，锅炉管道被燃烧的灰尘冲蚀，喷砂机的喷嘴受砂粒的冲蚀，抛丸机叶片被铁(钢)丸冲蚀等等。许多研究者提出了冲蚀磨损的理论和模型。其中影响较大的有切削磨损理论、断裂磨损理论、变形磨损理论、绝热剪切与变形局部化磨损理论和薄片剥落磨损理论等[10]。
4.3 磨损的评价方法
关于磨损的评定方法目前还没有统一的标准下面介绍的是比较常用的方法：磨损量、耐磨性、磨损率。
4.3.1 磨损量
（1）质量磨损量，是指材料或试样在磨损过程中质量的减小量, 以M表示, 单位为g或mg。（2）体积磨损量，材料或试样在磨损过程中体积的减小量, 是由测得的质量磨损量和材料的密度换算得来的。从磨损的失效性考虑, 用体积磨损量比质量磨损量更合理。体积磨损量以V表示, 单位为mm3或μm3。
（3）长度磨损量，在磨损过程中材料或试样表面尺寸的变化量, 以L表示, 单位为mm或μm。
4.3.2 耐磨性
耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨性两种。
（1）相对耐磨性，在相同的工作条件下, 某材料的磨损量(以该磨损量做标准)与待测试样磨损量之比叫做相对耐磨性。其中的磨损量为体积磨损量。
（2）绝对耐磨性，某材料或试样体积磨损量的倒数[11]。
4.3.3 磨损率
主要用于冲蚀磨损, 磨损率是指待测试样的冲蚀体积磨损量与造成冲蚀磨损所用磨料的质量之比, 数学表达式为:η=V试样/m磨料。式中:η为磨损率, μm3/g或mm3/g；V试
样为待测试样的体积磨损量, μm3或mm3 ;m磨料为冲蚀磨损所用磨料的质量。
上述三种磨损评定方法所得数据均是相对的,都是在一定条件下测得的。因此, 不同试验条件或不同工作条件下测得的数据不能进行比较[12]。
5 抗摩擦磨损的表面强化技术
采用表面强化技术可以大大降低相互接触或产生相对运动表面的摩擦与磨损, 从而降
低了材料和能量的消耗, 延长工件的使用寿命。可以将比较便宜的材料经表面强化后, 达到某些价格昂贵或稀缺材料的性能。
表面强化技术包括表面淬火处理、化学热处理(如渗碳、渗氮、渗硼及渗金属等)、表面冶金强化(如热喷涂及堆焊等)及表面镀覆等。其中表面镀覆技术越来越受到人们的重视, 最常用的提高工件或材料表面减摩和耐磨性能的镀覆技术主要有电镀、化学镀和复合镀(复合镀包括复合化学镀、复合电镀和复合电刷镀), 以下分别举例说明。
5.1 电镀耐磨减磨镀层
电镀硬铬镀层硬度高, 抗磨损性能好, 常用在大型轴类如直轴、曲轴轴颈及印花辊的辊面的镀覆, 因硬铬镀层优良的耐磨性又称其为耐磨铬。但是在承受重负荷条件下工作的表面, 硬铬镀层处在干摩擦状态下工作时, 表面容易被擦伤、脱落, 多采用松孔镀铬, 即在较厚的硬铬镀层上用化学或电化学方法加深和扩大硬铬镀层表面的沟纹, 这些网状沟纹能贮存润
滑油, 零件表面遭受摩擦磨损时产生塑性变形, 使沟纹中的润滑油被挤出并溢流到工作表面, 起到润滑作用, 减小了摩擦和磨损。一些轴瓦或轴套等滑动接触面电镀一层韧性金属或合金, 如Sn、Sn-Pb合金等可以减少滑动摩擦[13]。
5.2 化学镀耐腐蚀耐磨损镀层
化学镀Ni-P合金镀层的突出优点是耐蚀性好,硬度高, 经400℃左右的热处理后其硬度与硬铬镀层相当, 具有较好的耐磨性, 常用于遭受腐蚀磨损的场合, 如油田作业零部件的
镀覆。
5.3 复合镀耐磨减摩镀层
在复合电镀工艺中, 耐磨减摩镀层的制备所占比例最高, 这应归因于复合电镀自身的
优越性, 它可以采用多种基质金属和多种微粒制备出多种多样性能各异的复合镀层, 有许
多种硬质微粒如Al2O3、SiC、WC、Cr3C2及B4C等,与基质金属如Fe和Ni等共沉积获得耐磨镀层, 同样是这些基质金属与MoS2、CaF2、氟化石墨及聚四氟乙烯等微粒共沉积得到自润滑复合镀层,镀覆自润滑复合镀层的工件表面在承受摩擦的场合工作时不必使用润滑剂, 其自身就具有较好的减摩耐磨性。在复合化学镀中以Ni-P合金为基质金属,与SiC微粒共沉积为(Ni-P)-SiC化学复合镀层, 可以耐腐蚀磨损和磨料磨损。复合电刷镀和一般的复合电镀
和复合化学镀一样, 也可以制备出各种耐磨减摩复合镀层。用表面镀覆技术制备的耐磨减摩镀层需要进行摩擦磨损性能测试, 特别是研制一种新的镀层时需要改变各种条件如镀液组
成及操作条件等, 在优选组成和操作条件时必须同时测量镀层耐磨和减摩性能。其测量方法一般多采用实验室中的试样测试。因为现场使用条件下的测试不仅仅是周期长, 而且在运转过程中不能取数据, 长时间运转可能会发生镀层脱落或开裂, 数据的可比性差, 不易进行
单因素的考察。实验室的台架试验需制备与实际工作状况下工件的结构及尺寸相似的摩擦副, 其测试过程不易控制, 最好采用试样测试, 制备一定尺寸的试样,在实验室专用的摩擦磨损试验机上测量。
参考文献
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表面摩擦与磨损 摘要：简要介绍了摩擦与磨损的定义，摩擦的分类及评价方法；磨损的分类及评价方法；磨损的评价方法；抗摩擦磨损表面强化技术。 关键词：摩擦；磨损；表面 1 引言 摩擦与磨损是自然界存在的普遍现象, 摩擦对人类的生活和生产活动有利有弊, 而磨损却是有百害而无一利。摩擦与磨损对能源及材料的消耗是相当可观的, 据粗略估计, 有 1/3 ～ 1/2的能源消耗于磨损, 而磨损又常常是机器零部件失效的主要原因。 摩擦与磨损是发生在相互接触并相对运动的两个固体表面之间, 因此接触表面的特性, 诸如表面粗糙度及硬度等与摩擦、磨损关系密切。有些表面特性是由材料的本性决定的, 此外, 还可以采用各种方法对材料表面进行改性, 其中表面处理技术中的电镀及复合镀等则是常用的手段。在制备减摩及耐磨镀层时需进行检测, 因此, 有必要对摩擦及磨损的定义、产生原因和测试方法等有一定程度的了解[1]。 2 摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是: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。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的 30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性[2]。 3 摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以前三种方式介绍分类[3]。 3.1 按摩擦副的运动状态分类
表面摩擦与磨损 一、摩擦与磨损的定义 摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是: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。 据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。 二、摩擦的分类及评价方法 在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图2－1所示。 图2-1 摩擦状态
1、干摩擦 当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦（见图2-1a），工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。 2 、边界摩擦 当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦（见图2-1b）。当摩擦副表面覆盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。 在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度。 3 、流体摩擦 当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦（见图2－1c）。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。 4 、混合摩擦 当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态（见图2－1d）。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多。 三、磨损的分类及评价方法 摩擦副表面间的摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降
粘着磨损及影响因素的研究 摘要：粘着磨损是磨损的失效基本类型之一,本文根据材料的表面状态和内部 结构阐述了影响粘着作用的机理和因素并给出了一些实用的克服粘着磨损的措施。 关键词：粘着磨损；摩擦副；粘着力；吸附膜；氧化膜 1 引言 磨损是材料和零件的主要失效形式之一，每年给人类带来上千亿美元的巨额浪费。而粘着磨损是一种最常见的的磨损形式，它在摩擦学的研究和应用中有非常重要的地位和作用。世界上技术先进的国家都为粘着磨损的研究及对策投入了大量的财力和人力[1]。 粘着磨损按程度分为涂抹、擦伤、粘焊和咬卡等几种。许多零件、工具的报废和失效都和粘着磨损有关。如轴承、凸轮、蜗轮、齿轮、量具、刃具、模具。真空环境的粘着磨损已成为空间技术的核心问题。另外，工作在气态、液态和侵蚀介质中的原子能反应堆及其他承受重载的机械装备也不能摆脱粘着磨损。由此可见，研究粘着磨损对国民经济各部门都具有重要的意义，特别对尖端技术更具有突出的作用[2]。 2 粘着磨损的产生及理论分析 2.1 粘着磨损的产生 粘着磨损是由摩擦表面的引力作用引起的。界面上的分子使接触表面形成粘着耦合，粘着作用使摩擦副表面或亚表层产生破坏，摩擦力剧增，摩擦变得迅猛而强烈，其中粘着力的大小与摩擦表面的清洁程度、吸附层及润滑状态有关。法向应力、切向应力、温度、变形的作用使摩擦表面的隔离层（润滑层、污染层、吸附层及氧化膜）发生破坏[3]。 2.2 粘着磨损的形式 粘着磨损的形式取决于粘着的强度和表面下材料的强度等条件，如果粘着强度比摩擦副两基体金属的强度都弱，剪切将发生在界面上，这时磨损极小；如果粘着强度大于基体金属的强度，则剪切将发生在离界面的金属表层内，金属将从一个表面转移到另一个表面上，形成粘着磨损。粘着磨损按金属转移程度不同分为以下几种形式[4]。 (1) 轻微磨损。当粘着强度比摩擦副的两基体金属抗剪强度都弱时，剪切将发生在粘着的界面上，这时表面材料转移极少，磨损很少，但摩擦系数将增大。金属表面上有氧化膜时，常发生这类粘着磨损。
第二章摩擦、磨损及润滑概述 一、教学目标 (一）能力目标 1.会分析摩擦副类型，会选择润滑方式及润滑剂类型 2.会选择密封方式 (二)知识目标 1.掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程及润滑的类型及润滑剂类型 2.掌握密封方式的选择 二、教学内容 1.摩擦与磨损 2.润滑 3.密封方法及装置 三、教学的重点与难点 (一）重点 1.润滑方式及润滑剂类型的选择。 2.密封方法的确定。 (二)难点 密封方法的确定。 四、教学方法与手段 应用工程实例讲解，总结归纳式教学。 2.1 摩擦与磨损 随着现代科学技术的发展，对摩擦、磨损的研究已经形成一门新的学科领域——摩擦学。为了节约能源、提高效率及延长机械零件的寿命，润滑是必不可少的。 摩擦：两接触的物体在接触表面间相对运动或有相对运动趋势时产生阻碍其发生相对运动的现象叫摩擦 磨损：由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏→精度、可靠性↓效率↓直至破坏。 润滑：减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。 2.1.1 摩擦及其分类
按运动状态，摩擦分静摩擦和动摩擦。 根据摩擦面间存在润滑剂的状况，摩擦分干摩擦、边界摩擦、液体摩擦、混合摩擦。(如图所示)。 1、干摩擦 两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦。 干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严重的磨损，因此应严禁出现这种摩擦。 2、液体摩擦 摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时，即形成了全液体摩擦，是理想摩擦状态。 3、边界摩擦 两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，使其处于干摩擦和液体摩擦之间的状态。边界膜起润滑作用。 4、混合摩擦 处于干摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态。 2.1.2 磨损及其过程 磨损是摩擦的直接结果，使材料损耗 ↓，工作精度↓，可靠性↓。 典型的磨损过程： 1、磨合磨损过程：形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小。 2、稳定磨损阶段：经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓习——该段时间长短反映零件的寿命。 3、急剧磨损阶段：经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→使磨损速度急剧上升→直至零件失效
一．名词解释 1．答：所谓赫兹接触指得是圆弧形物体的接触。这一理论将弹性物体的接触问题转化为静态问题处理，并假设①材料完全弹性②表面光滑③接触物体没有相对滑动④接触物体不传递切向力。 2．答：固体表面形貌的含义：是指描述固体表面特征的量，又称表面图形，表面结构、表面粗糙度或表面光洁度，它是研究固体表面几何形状的细节。3．答：摩擦副相对运动时由于固相焊合的作用接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面的现象。 4．答：是指由含有减磨剂、抗氧剂等多效添加剂，以精制石油润滑油或合成油作为基础油，用锂基，复合锂基或聚尿化合物等稠化剂制成的。5．答：指两摩擦表面之间存在着一层与工作介质性质不同的薄膜——边界膜的摩擦润滑状态。 6．答：指向润滑部位供给润滑油的一系列给、排油及其附属装置的总称。7．答：滚动物体不传递或传递很小的切向力沿另一个表面滚动，称为自由滚动。 8．答：为了改善和提高润滑剂的性能，或使之获得某种新的性能而添加到润滑剂中的化学物质。 9．答：粘着原理认为，在载荷作用下两表面接触时，某些接触点的单位压力很大产生的塑性变形，致使这些点形成冷焊结点。当摩擦副滑动时，克服摩擦阻力的切向里必须首先剪开结点，与此同时还要克服犁沟阻力。因此摩擦力为两种阻力之合。 10．答：滚动摩擦是指在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。二．填空 1．疲劳；2．磨损；3．内摩擦；4．粘温特性；5．化学方法；6．矿物油；7．线磨损、体积磨损、重量磨损、磨损率、相对磨损率；8．不断损失；9．工作条件、摩擦副的结构条件、其他因素；10．微观滑动、弹性滞后、塑性变形、粘着效应；三．问答 1．答：分为粘着摩擦、磨料摩擦、疲劳摩擦、腐蚀摩擦、微动摩擦、冲蚀摩擦、气蚀摩擦。
内蒙古科技大学考试标准答案及评分标准 课程名称：摩擦、磨损与润滑考试班级：机械09—1-9 ： 一．名词解释（10小题每题2分共20分） 1．答：磨粒磨损是指在摩擦过程中，由于摩擦表面上硬的微突体或摩擦界面上的硬颗粒而引起材料损耗的一种磨损现象。 2．答：所谓赫兹接触指得是圆弧形物体的接触。这一理论将弹性物体的接触问题转化为静态问题处理，并假设①材料完全弹性②表面光滑③接触物体没有相对滑动④接触物体不传递切向力。 3．答：固体表面形貌的含义：是指描述固体表面特征的量，又称表面图形，表面结构、表面粗糙度或表面光洁度，它是研究固体表面几何形状的细节。 4．答：指两摩擦表面之间存在着一层与工作介质性质不同的薄膜——边界膜的摩擦润滑状态。 5．答：指向润滑部位供给润滑油的一系列给、排油及其附属装置的总称。 6．答：为了改善和提高润滑剂的性能，或使之获得某种新的性能而添加到润滑剂中的化学物质。 7．答：粘着原理认为，在载荷作用下两表面接触时，某些接触点的单
位压力很大产生的塑性变形，致使这些点形成冷焊结点。当摩擦副滑动时，克服摩擦阻力的切向里必须首先剪开结点，与此同时还要克服犁沟阻力。因此摩擦力为两种阻力之合。 8．答：滚动体不传递或传递很小的切向力沿另一个表面滚动，称为自由滚动。 9．答：滚动摩擦是指在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。10．答：是指由含有减磨剂、抗氧剂等多效添加剂，以精制石油润滑油或合成油作为基础油，用锂基，复合锂基或聚尿化合物等稠化剂制成的。 二．填空（10个空每空2分共20分） 1．疲劳；2．磨损；3．内摩擦；4．不断损失；5．化学方法；6．矿物油；7．微观滑动、弹性滞后、塑性变形、粘着效应； 三．问答（8小题每题2.5分共20分） 1．答：（1）油润滑；（2）脂润滑；（3）固体润滑(低速、高低温、真空、辐射、腐蚀)；（4）气体润滑。 2．答：（1）粘着磨损或粘附磨损；（2）磨料磨损或磨粒磨损；（3）疲劳磨损或表面疲劳磨损；（4）腐蚀磨损或摩擦－化学磨损。（5）其他。包括侵蚀磨损或冲蚀磨损和微动磨损等。
博士入学考试 名词解释 粗糙度：评定加工过的材料表面由峰、谷和间距等构成的微观几何形状误差的物理量。 固体润滑：利用固体所具有的减摩作用的润滑方法。 固体润滑材料：为了防止相对运动中的表面损伤，并降低摩擦与磨损而使用的薄膜或粉状固体。 滑动磨损：两个相对滑动物体公共接触面积上产生的切向阻力和材料流失的现象。 自由磨料磨损和固定磨料磨损：两者皆为磨料磨损，自由磨料磨损磨料保持自由状态，而固定磨料磨损磨料保持固定状态。 耐磨性和相对耐磨性：材料的耐磨性是指一定条件下材料耐磨性的特性；相对耐磨性是指两种材料在相同的外部条件下磨损量的比值。 微切削和微犁沟：微切削是磨料(磨粒或硬突起)从被磨损表面切削下微切屑的磨料磨损过程；在相对滑动中，硬颗粒或两表面中硬微突体使较软表面塑性变形而形成犁痕式的破坏。 问答题 1.简述摩擦的概念和分类。 摩擦：两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，就会发生摩擦。 摩擦学：摩擦学是研究相对运动互作用表面的科学与技术，它包括材料的摩擦、磨损和润滑三个部分。 分类： (1)按摩擦副表面的润滑情况分： 干摩擦：物件间或试样间不加任何润滑剂时的摩擦。 边界摩擦：两接触表面间存在一层极薄的润滑膜，其摩擦和磨损不是取决于润滑剂的粘度，而是取决于两表面的特性和润滑特性。 流体摩擦：由流体的黏滞阻力或流变阻力引起的内摩擦。 半干摩擦：部分干摩擦，部分边界摩擦。半流体摩擦：部分边界摩擦，部分流体摩擦。 (2)按摩擦副的运动形式分： 滑动摩擦：当接触表面相对滑动或具有相对滑动趋势时的摩擦。 滚动摩擦：当物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦。
摩擦、磨损及润滑概述 一 选择题 (1) 摩擦副表面为液体动压润滑状态，当外载荷不变时，摩擦面间的最小油膜厚度随相对滑动速度的增加而 B 。 A. 变薄 B. 增厚 C. 不变 (2) 两相对滑动的接触表面，依靠吸附油膜进行润滑的摩擦状态称为 B 。 A. 干摩擦 B. 边界摩擦 C. 混合摩擦 D. 液体摩擦 (3) 减少磨损的方法有很多种，其中 D 是错误的。 A. 选择合适的材料组合 B. 改滑动摩擦为滚动摩擦 C. 生成表面膜 D. 增加表面粗糙度 E. 建立压力润滑油膜 (4) 各种油杯中， C 可用于脂润滑。 A. 针阀油杯 B. 油绳式油杯 C. 旋盖式油杯 (5) 为了减轻摩擦副的表面疲劳磨损，下列措施中， D 是不合理的。 A. 降低表面粗糙程度 B. 增大润滑油粘度 C. 提高表面硬度 D. 提高相对滑动速度 (6) 摩擦副接触面间的润滑状态判据参数膜厚比λ值为 B 时 ，为混合润滑状态；λ值为 C 可达到液体润滑状态。 A. 0.35 B. 1.5 C. (7) 摩擦与磨损最小的摩擦状态是 D ，摩擦与磨损最大的摩擦状态是 A 。 A. 干摩擦 B. 边界摩擦 C. 混合摩擦 D. 液体摩擦 (8) 已知某机械油在工作温度下的运动黏度s mm /202=ν，该油的密度ρ为3 /900m kg ，则其动力 黏度为 D s Pa ?。 A. 18000 B. 45 C. D. (9) 在一个零件的磨损过程中，代表使用寿命长短的是 B 。 A. 剧烈磨损阶段 B. 稳定磨损阶段 C. 磨合阶段 D. 以上三个阶段之和 (10) 润滑脂是 A 。
A. 润滑油与稠化剂的混合物 B. 金属皂与稠化剂的混合物 C. 润滑油与添加剂的混合物 D. 稠化剂与添加剂的混合物 (11) 对于齿轮、滚动轴承等零件的润滑状态，应采用 C 理论。 A. 流体动力润滑 B. 流体静力润滑 C. 弹性流体动力润滑 D. 极压润滑 (12) 采用含有油性和极压添加剂的润滑剂，主要是为了减少 A 。 A. 黏着磨损 B. 磨粒磨损 C. 表面疲劳磨损 D. 腐蚀磨损 (13) 表面疲劳磨损(点蚀)的发生与 D 有关。 A. 酸、碱、盐介质 B. 瞬时温度 C. 硬质磨粒 D.材料浅层缺陷 二 填空题 (1) 根据磨损机理，磨损可分为 粘着磨损 、 接触疲劳磨损 、 磨料磨损 、和 腐蚀磨损 。 (2) 一个零件的磨损过程大致可以分为 跑合 磨损、 稳定 磨损、 剧烈 磨损三个阶段，在设计或使用时，应力求 缩短跑合期 、 延长稳定磨损阶段 、 推迟剧烈磨损阶段的到来 。 (3) 在 高速运转或载荷较小 的摩擦部位及 低温 工况下，宜选用粘度较低的油;在 低速运转 或载荷较大 的摩擦部位及 较高温度 工况下，宜选用粘度较高的润滑油。 (4) 滚动轴承需要内部轴承游隙的理由是 避免因内外圈温度差引起轴承游隙的减小，影响轴承的运转 ， 避免因配合引起轴承游隙过分减小 及 避免安装误差，引起附加载荷 。 (5) 机械零件设计的耐磨性准则，主要是限制接触表面间的p 和pv 值。 (6) 在 点、线接触 摩擦副的流体动压润滑中，考虑了接触弹性变形和 压力 对黏度的影响，这 种润滑称为弹性流体动压润滑。 (7) 在 流体 润滑状态下，磨损可以避免，而在 边界 和 混合 润滑状态下，磨损不可以避免。 (8) 边界摩擦时可能形成的边界膜有 物理吸附膜 、 化学吸附膜 和 化学反应膜 三种。 (9) 黏度是指润滑油抵抗 剪切变形 的能力，标志着油液内部产生相对运动时 内摩擦阻力 的大小。 (10) 润滑油的动力黏度η与运动黏度ν之间的关系式为ρνη＝；动力黏度的单位是s Pa ?；运动黏度的单位是 s /m 2 。 (11) 在润滑油中加入抗氧化添加剂可 抑制润滑油氧化变质 ；加入降凝添加剂可 降低油的凝点 。
摩擦磨损测试及考核评价方式 一、磨损 1.1磨损定义 磨损是指摩擦副相对运动时，表面物质不断损失或产生残余变形的现象。表面物质运动主要包括机械运动、化学作用和热作用：(1)机械作用使摩擦表面发生物质损失及摩擦表面的物理变形；（2）化学作用使摩擦表面发生性状改变；热作用是摩擦表面发生形状改变。典型的磨损曲线通常由三部分组成，如图1.1所示。 磨 损 量 图1.1 磨损曲线示意图 磨合阶段：磨损量随时间的增加而增加。发生在初始运动阶段，由于表面存在粗糙度，微凸体接触面积小，接触应力大，磨损速度较快。 稳定磨损阶段：摩擦表面磨合后达到稳定状态磨损率保持不变。稳定磨损阶段标志磨损条件保持相对稳定，是零件整个寿命范围内的工作过程。 剧烈磨损阶段：工作条件恶化，磨损量急剧增大。该阶段内零件精度降低、间隙增大，温度升高，产生冲击、振动和噪声，最终导致零部件完全失效。 1.2磨损种类 按磨损的破坏机理，通常把磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种。 （1）粘着磨损 当摩擦副相对滑动时, 由于粘着效应所形成结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损称为粘着磨损。粘着磨损再细分还有轻微磨损、涂抹、擦伤、划伤和咬死五种。
图1.1 粘着磨损机理 （2）磨料磨损 外来的硬料介质进入摩擦副，或摩擦副一个表面比另一个表面硬，在较硬表面上存在的微凸体，在摩擦过程中对较软表面犁沟或拉槽，引起表面材料的脱落，这种现象叫做磨料磨损。磨料磨损是一种最常见的磨损，按照磨损机理还可细分为微观切削、挤压剥落和疲劳破坏三小类。
图1.2 二体/三体磨粒磨损机理 （3）化学磨损 化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质中的某些成分发生化学或电化学作用，造成表面材料损失的过程。分为氧化磨损与特殊介质腐蚀磨损两类。 图1.3 化学磨损机理 （4）疲劳磨损 摩擦接触表面在交变接触压应力作用下，材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。疲劳磨损有两种基本类型，宏观疲劳磨损和微观疲劳磨损。宏观疲劳磨损主要是指两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，材料疲劳而发生脱落的现象；微观疲劳磨损是滑动接触表面由于微凸体相互接触使材料发生疲劳而引起的机械磨损现象。此外，疲劳磨损的破坏机理又分为麻点剥落、浅层剥落、深层剥落。
摩擦与磨损原理 （复习资料） 摩擦学定义：摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其有关的理论和实践的一门科学技术。 摩擦学又是一门涉及多学科的边缘学科，其涉及的主要学科为物理学、化学、机械工程、断裂力学、材料力学、流体力学等等。摩擦学涉及领域广泛，主要的研究内容可以归纳为以下几个方面：1、摩擦；2、磨损；3、流体润滑理论；4、边界润滑；5、润滑剂与润滑技术； 6、摩擦学测试技术。 摩擦学设计的任务就是利用摩擦学的现有知识，对一个特定对象通过合理的设计方法使其获得良好的摩擦学性能。 摩擦学设计过程中需要注意摩擦学的几个主要特性：(1)、摩擦学的系统性；（2）、摩擦学的时空性；（3）、摩擦学的多学科性。 固体表面的微观几何形状统称为表面形貌。真实表面形貌，它由表面形状误差、波纹度和表面粗糙度组成。 1、表面形状误差：在制造机器零件的过程中，机床-工件-刀具系统的误差及弹性变形，导 致表面形状误差，数值由最大偏差表示，一般用平面度、圆度和圆柱度等误差来表示。 2、波纹度是制造机器零件过程中，机床—工件-刀具系统的振动和机床传动件的缺陷周期 性重复在机器零件已加工表面上的结果。 3、波纹度是制造机器零件过程中，机床—工件-刀具系统的振动和机床传动件的缺陷周期 性重复在机器零件已加工表面上的结果。 表面形貌参数：微观不平度也称为微观不平度十点平均高度，是在取样长度L内，5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和称为R z。 在取样长度内,被测轮廓线上各点到中线距离的绝对值总和的算术平均值，称为轮廓算术平均偏差R a。 表面的物理吸附和化学吸附：物理吸附是非常快的可逆过程，吸附分子保持自己的特性，并可脱吸。化学吸附比物理吸附具有更大的活化能，吸附过程是不可逆的，化学吸附膜比物理吸附稳定。 金属表面层是由若干层次组成的表面层：外表面层有物理吸附和化学吸附作用生长的吸附层及因氧化形成的氧化膜层。塑性变形层称内层。 真实物体的表面不是理想光滑的表面，当两个表面相接触时，只是在表面的个别地方接触，这些离散的接触面积的总和构成实际接触面积。 名义接触面积：又称表面接触面积或几何接触面积，它是两接触物体的宏观界面的边界所确定的面积。真实接触面积：两接触物体通过各微凸体直接传递界面相互作用力，发生变形而产生的微接触面积之和，不到名义接触面积的0.01~0.1%。 赫兹接触理论：赫兹早在1881年就提出了著名的弹性接触理论，其假设条件为：认为材料是均匀的，各向同性的、完全弹性的；接触表面的摩擦力可忽略不计，表面是理想的光滑表面，在上述假设下，基本公式才能成立。 摩擦理论：当两个互相接触的固体，在外力作用下作相对的切向运动、或具有相对切向运动趋势时，在两固体接触表面之间就会产生一种运动阻力，这种阻力称为摩擦力。这种现象称为摩擦现象。 a，按摩擦副的运动状态分类：
腐蚀磨损corrosive wear 金属表面在磨擦过程中与周围介质在化学与电化学反应作用下产生的磨损过程。 干摩擦dry friction 两物体间名义上无任何形式的润滑剂存在时的摩擦。严格地说，干摩擦时在接触表面上无任何其他介质，如湿气及自然污染膜。 分散润滑individual point lubrication 使用便携式工具向润滑点手动加油的润滑方式。 防锈添加剂anti-rust additive,rust preventive additive 能防止金属机件生锈，延迟或限制生锈时间，减轻生锈程度的添加剂。 动磨擦kinetic friction 相对运动两表面之间的磨擦。此时的磨擦系数称为动磨擦系数。 多效添加剂multipurpose additive 能同时改善油品两种性能以上的添加剂。 多用途润滑脂multipurpose grease 适合于多种用途的润滑脂。可用于润滑汽车中的底盘齿轮轴承、万向节和水泵等。 多线式润滑系统multiline lubricating system 油泵的多个出油口，各有一条管路直接将定量的润滑剂供送至各润滑点的集中润滑系统。 稠化剂densifier 能提高润滑油、液压油或润滑脂的粘度或稠度的物质。 冲击磨损impact wear 是一种磨料磨损类型，磨料垂直或以一定的倾角落在材料表面上。其情况与冲蚀磨损很相似，但局部应力要高得多。 沉积膜deposit film 润滑油中某程组分沉积在摩擦表面上形成的边界膜。 冲刷磨损erosive wear 摩擦表面经受高速介质（液、气流或液、气流中夹带砂粒）的冲刷作用而导致表面材料磨损的现象。 边界润滑boundary lubrication
第1章绪论 1．1 摩擦学的发展历史 摩擦学一词最早是1966年Jost发表的一篇具有划时代意义的报告中提出的，它来源于古希腊词“tribos”，意思是摩擦，词义可译为摩擦科学，与其意思相当的英语词义是摩擦磨损或润滑科学，后者几乎包含了摩擦的全部内容。在词典里，摩擦学的定义是研究相互运动表面之间的相互作用以及相关问题与实践的科学与技术。 摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性、维修等问题的一门学问，这些问题具有重大经济意义，涉及的领域大到太空船，小到家用设备。摩擦表面的相耳作用非常复杂，要认识它们需要掌握多门学科知识，例如物理学、化学、应用数学、固体力学、流体力学、热力学、热传导、材料科学、流变学、润滑、机械设计、可靠性分析等。 虽然摩擦学的定名时间相对较晚，而实际上人们了解摩擦学的相关知识却要早于其历史记录时间［１５］，例如旧石器时代发明的钻孔或生火钻具就已经安装了川鹿角或骨头制作的轴承；制作陶器的转盘或碾谷物的石辊也使用了一些轴承［１４］；罗马附近的尼米湖曾发现了一个公元40年的推力球轴承。 公元前3500年人们就开始利用车轮，这表明我们的祖先那时就知道如何在移动物体时降低摩擦。在搬运铺路或建造纪念碑的巨大石块时，人们利用了减摩技巧，例如用水作为滑橇的润滑剂。图1．1．1是公元前1880年埃及人使用滑橇搬运巨大雕像的情景［１９］，172人沿着木制轨道拖拉重力约600kN的雕像，一个人站在滑橇上将一种液体(很可能是水)向滑动轨道上喷洒，他町谓是最早的润滑工程师之一。Dowson估计过这个工地的摩擦因数［１５］，以每人的拉力为800 N计算，172人的总拉力为172x 800N，物体滑动时此力至少等于摩擦力，因此摩擦因数约为0．23。埃及人在公元前几千年前就会使川润滑脂，曾在一个墓穴里发现了古战车轴承上的残留动物脂。 在占罗马辉煌之后的一段时间里，军队工程师利用摩擦学原理设计作战机械和防御工事，使他们名声显赫。达芬奇(DaVinci，1452—1519)是文艺复兴时期的工程师和艺术家，他在军事工程方面的天才与他的绘画、雕塑天赋同样出色，他最先提出了摩擦的科学定义。达芬奇推断了矩形物块在平面上的滑动规律，他第一次提出了摩擦因数的概念，认为摩擦因数是摩擦力与正压力之比。可惜他的试验笔记在几百年中都未出版，他的这些工作并没有产生历史影响。直到1699年，法国物理学家阿芒顿(Amontons)研究了两个平面之间的干摩擦之后，再次发现这个摩擦定律”。第一，阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比；第二，摩擦力的大小与接触面积无关。这些发现后来被法国物理学家库仑(coulomb)修正”“，他以发现静电现象而闻名，他补充了第三条摩擦定律，即滑动摩擦力与速度无关，并且对静摩擦和动摩擦作厂清晰的区别。 在16世纪，轴承材料有了很大发展。1684年，Hooke把钢轴颈和青铜轴瓦组合为车轮轴承，它比木质轴颈与铁质轴瓦的组合要好得多。伴随着18世纪后叶的工业化，早期石油 工业于19世纪50年代出现于苏格兰、加拿大和美国[15,20]。
机电工程学院 摩擦学与润滑技术作业摩擦学与表面工程 2012年3月
摩擦学与表面工程 摩擦学对表面工程的要求主要是实现摩擦副功能，减少或增加摩擦和磨损。从摩擦学的角度出发，要尽力避免力将摩擦副偶件孤立起来进行表面处理技术研究，即在研究和选择表面处理技术时，必须从系统的观点出发，充分考虑配副性问题。表面工程摩擦学领域所获得的大量研究成果，不仅促进和丰富了摩擦学的基础研究而且为开发工业和高新技术发展所必需的具有高强度高耐磨性和 高抗蚀性的摩擦学材料提供了重要的指南。表面工程是极具活力的实用技术与之结合，将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，表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。 一表面工程的分类 根据表面工程技术涂层和表面处理发展历程把表面工程分为两代，第一代主要采用单一技术包括电镀化学镀热喷涂热化学处理沉积以及载能束改性等表面工程技多年来该类表面工程及其摩擦学的研究取得了巨大进展许多研究成果已获得了应用随着新型工艺如和等的采用具有低摩擦高抗磨性的新型涂层如等应运而生但是只有采用第二代表面工程即复合表面工程才有可能从经济和技术上不断满足高性能新材料的要求 按表面技术分类如下。 1.表面热处理及化学热处理。 2.堆焊及热喷涂 3.电镀及电沉积 4.气相沉积 5.高能密度处理 6.胶粘非金属涂层 二．表面工程常用方法 1、表面化学法预处理：溶剂清洗，碱洗，碱蚀，酸洗，酸蚀，乳化液清洗， 化学抛光，电解抛光，电解清洗等。目的是满足清洁表面（去油、锈、氧化皮）使表面光亮、粗化或满足其他要求，使表面均一。 2、表面机械法精整：喷砂、喷丸、磨光、抛光、刷光、滚光等目的是清理表 面杂质；表面均一及粗化；表面强化（喷丸硬化） 3、热加工相变硬化：火焰加热硬化、激光淬火、电子束硬化等。目的是提 高表面硬度与耐磨性（不改变基体表面化学成份） 4、热化学（扩散）表面改性：渗碳、碳氮共渗，渗氮、渗硫与多元共渗，渗 硼及多元共渗，渗金属及复合渗，激光表面合金化，热浸锌、铝等。目的是提高耐蚀、耐热、耐磨及抗疲劳性能
第18卷第5期高分子材料科学与工程V o l.18,No.5 2002年9月POLYM ER M ATERIALS SCIENCE AN D EN GIN EERING Sept.2002橡胶摩擦磨损特性的研究进展 吕仁国,李同生,刘旭军 (中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州730000) 摘要:综述了近年来橡胶材料摩擦学的研究进展,论述了橡胶摩擦磨损的特点,讨论了影响橡胶摩擦学性能的各种因素,诸如物理力学性能、温度、溶胀、改性等。并针对橡胶摩擦磨损的研究现状及其发展前景,提出了今后值得重视的研究发展方向。 关键词:橡胶;摩擦磨损;影响因素 中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2002)05-0012-04 橡胶是非常重要且用量很大的工业材料之一,据不完全统计,2000年我国橡胶总消耗量将达220万吨,摩擦学性能是橡胶制品的一项非常重要的指标,例如橡胶轮胎的耐磨性能、刹车性能和行车效率、密封件的耐磨性等[1]。提高橡胶制品的耐磨性和使用寿命,可以在节约能源、材料、润滑剂等方面带来相当可观的经济效益和社会效益。因此,许多学者对此产生兴趣[2],橡胶摩擦磨损研究成为当今材料摩擦学研究的热点之一。 本文概括了近年来国内外橡胶摩擦磨损的研究进展,重点对橡胶摩擦磨损的特点和影响因素进行论述,并提出今后值得重视的研究发展方向。 1 橡胶摩擦的特点 橡胶是一种弹性模量很低、粘弹性很高的材料,因此橡胶的摩擦具有不同于金属和一般聚合物的特征。橡胶与刚性表面在滑动接触界面上的相互作用力包括粘着和滞后两项,而其摩擦力也正是由这两部分组成[3]: F=F a+F h(1)式中,F a——粘着摩擦力;F h——滞后摩擦力。 粘着摩擦起因于橡胶与对偶面之间粘着的不断形成和破坏[4],滞后摩擦则是由表面微凸体使滑动橡胶块产生周期性变形过程中能量的耗散引起的[5]。 当橡胶在坚硬光滑的表面上滑动时,摩擦力主要表现为粘着摩擦,根据弹性体摩擦的粘着理论,可以得出粘着摩擦力F a为[6]: F a=K1S(E′/p V)ta n W (V<1)(2)式中,K1——常数;S——滑动界面的有效剪切强度;p——正压力;E′——储能模量;tan W——损耗角正切(粘弹性参数)。显然,橡胶的粘着摩擦与材料的损耗角正切ta n W成正比。 润滑剂的存在可以阻止橡胶与对偶间的直接接触,使粘着摩擦成分大大降低,滞后摩擦起主要作用。根据弹性体滞后摩擦的松弛理论,可得出滞后摩擦力为[6]: F h=K2(p/E′)n tan W (n≥1)(3)式中,K2为与几何形状因子有关的常数。滞后摩擦力也与ta n W成正比,所不同的是,滞后摩擦力与变形程度因子(p/E′)n成正比。由此,橡胶的摩擦力可表示为: F=[K1S(E′/p V)+K2(p/E′)n]tan W(4) 2 橡胶磨损的特点 金属和塑料磨损表面的特征是磨痕与摩擦方向平行,而橡胶磨损表面的磨痕却垂直于摩擦方向,并且,磨痕在橡胶表面形成山脊状突 收稿日期:2000-10-18;修订日期:2001-02-20 作者简介:吕仁国,男,24岁,硕士生.