大學(xué)課件之摩擦學(xué)固體摩擦磨損理論

1、第20章 固體摩擦、磨損理論主要內(nèi)容20-1 摩擦的基本特性 20-2 摩擦理論20-3 磨損的基本形式20-1 摩擦的基本特性 ffw古典摩擦理論(amonton、coulomb): 摩擦系數(shù)僅取決于材料性質(zhì), 而與表觀接觸面積, 滑動(dòng)速度和載荷大小無(wú)關(guān)。 1. 靜止接觸時(shí)間的影響2. 躍動(dòng)現(xiàn)象干摩擦運(yùn)動(dòng)并非連續(xù)平穩(wěn)的滑動(dòng), 而是一物體相對(duì)于另一物體斷續(xù)的滑動(dòng), 此稱躍動(dòng)現(xiàn)象?；瑒?dòng)速度；接觸時(shí)間 3. 預(yù)位移問(wèn)題：極限位移；靜摩擦力 20-2 摩擦理論1、機(jī)械嚙合理論問(wèn)題(1) 超精加工表面間的摩擦系數(shù)反而增加(2) 表面吸附一層極性分子后, 其厚度不及拋光粗糙度的十分之一，摩擦系數(shù)極大減小

2、amontons于1699年提出 認(rèn)為滑動(dòng)中摩擦能量損耗于粗糙峰的相互嚙合, 碰撞及彈塑性變形, 即粗糙度越小, 摩擦系數(shù)越低。wtgfwf一、簡(jiǎn)單摩擦理論wtgfwf20-2 摩擦理論2、分子作用理論tomlinson于1929年提出分子間電荷力所產(chǎn)生的能量損耗是摩擦的起因, 推導(dǎo)出amontons公式ipppw0ppkqfwx lxqnk inpw fqqpl20-2 摩擦理論2、分子作用理論立論依據(jù): 接觸分子轉(zhuǎn)換所引起的能量損耗應(yīng)當(dāng)?shù)扔谀Σ亮ψ鞴?。所以接觸面積摩擦力, 與載荷無(wú)關(guān), 所以越粗糙, 實(shí)際接觸面積越小, 因而摩擦系數(shù)越小, 只是在重載下符合。3、機(jī)械分子摩擦理論 無(wú)論是機(jī)械

3、理論還是分子理論，都是很不完善，得出與粗糙度的關(guān)系都是片面的，在英和蘇相繼建立了兩個(gè)學(xué)派，即粘著理論，摩擦二項(xiàng)式。20-2 摩擦理論1. 基本要點(diǎn)：bowden和tabor于1945年提出的, 觀點(diǎn)如下:1) 摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài), 即實(shí)際接觸面積很小, 峰點(diǎn)壓力高, 產(chǎn)生塑變waawss 二、粘著理論2) 滑動(dòng)摩擦是粘著與滑動(dòng)交替發(fā)生的躍動(dòng)過(guò)程接觸點(diǎn)金屬塑性流動(dòng), 產(chǎn)生瞬時(shí)高溫, 因而使兩金屬產(chǎn)生粘著, 隨后在摩擦力作用下, 粘著結(jié)點(diǎn)被剪切而產(chǎn)生滑動(dòng), 滑動(dòng)摩擦就是粘著結(jié)點(diǎn)的形成和剪切交替發(fā)生的過(guò)程。3) 摩擦力是粘著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)的總和ebespaptflb梨溝面剪切面20-2 摩擦理

4、論金屬摩擦發(fā)生結(jié)點(diǎn)焊聯(lián)這一事實(shí)不容置疑。純凈金屬在高真空中，確實(shí)測(cè)出很高的粘著力和摩擦系數(shù)。金屬在大氣中摩擦，分子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象也由示蹤放射技術(shù)所驗(yàn)證。問(wèn)題：推導(dǎo)出的摩擦學(xué)數(shù)值與實(shí)測(cè)結(jié)果頗不一致。 討論bs 02 .beapebespaptfwwafsbbsbfbs02 .f 05 .?矛盾20-2 摩擦理論修正：考慮摩擦切向力對(duì)變形的貢獻(xiàn)。2.修正粘著理論實(shí)際接觸面積和接觸點(diǎn)變形條件應(yīng)取決于壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的聯(lián)合作用。222 k當(dāng)量應(yīng)力 0safaw , 9sk222s()()wafas22225).021()(22bsfa 22sbawfss222()()20-2 摩擦理論fbc222fs 22s

5、bsbfc2222fccf()12fc1cf 0c0fsffs軟表面膜的剪切強(qiáng)度極限硬基體材料受壓屈服極限表面薄膜摩擦20-2 摩擦理論硬金屬粗糙峰嵌入軟金屬后, 在滑動(dòng)中擠軟金屬, 使之產(chǎn)生塑性流動(dòng), 在磨粒磨損和擦傷磨損中, 它是摩擦力的主要成分。sesp3.犁溝效應(yīng)hwddsapesawcot24dhwpfe屈服性能各向同性cot2sbssbasaf粘性犁溝20-2 摩擦理論fssmm00其中, 為單位面積上分子作用產(chǎn)生的摩擦力 為分子作用面積 為單位面積上機(jī)械作用產(chǎn)生的摩擦力 為機(jī)械作用面積與法向.載荷p的關(guān)系0s0msmfsab psab pbmmma000()()三、摩擦二項(xiàng)式定律

6、20-2 摩擦理論asssssm00001()wpaab 11 100arabrbmmfsab psab pbmmma000()()二項(xiàng)式用于邊界潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)計(jì)算很理想。)(1)(100aaabbwfmmwafwawff所以 f 不是常量, 它隨 a/w 比值而變化。20-2 摩擦理論小結(jié)機(jī)械分子摩擦理論 摩擦二項(xiàng)式定律機(jī)械嚙合理論wtgfwf分子作用理論plqqf 基本粘著理論sbf修正粘著理論awfss222()()sff犁溝效應(yīng)cot2wpfewawff簡(jiǎn)單摩擦理論粘著理論cot2sbf20-3 磨損的基本形式磨損機(jī)理摩擦表面作用疲勞磨損粘著磨損磨料磨損腐蝕磨損機(jī)械類(lèi)分子機(jī)械類(lèi)腐蝕機(jī)械

7、類(lèi)20-3 磨損的基本形式磨損過(guò)程1、表面相互作用2、表面層的變化3、表面層的破壞機(jī)械的、組織結(jié)構(gòu)的、物理的、化學(xué)的變化擦傷點(diǎn)蝕剝落微觀點(diǎn)蝕、剝落膠合二體三體機(jī)械的吸引粘著分子的20-3 磨損的基本形式磨損機(jī)理疲勞磨損粘著磨損磨料磨損腐蝕磨損20-3 磨損的基本形式一、疲勞磨損 相對(duì)滾動(dòng)或滾動(dòng)兼滑動(dòng)的表面，在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，由于材料疲勞而形成凹坑。1、表面萌生金屬表面在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下, 疲勞裂紋發(fā)源于材料表層內(nèi)部的應(yīng)力集中源, 如非金屬夾雜物或空穴。裂紋萌生以后，首先順滾動(dòng)方向平行于表面擴(kuò)展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剝落后形成凹坑，其斷口比較光滑。2、脫層理論 認(rèn)為接觸的兩表面相對(duì)滑

8、動(dòng), 硬表面的峰頂滑過(guò)軟表面時(shí), 軟表面上每點(diǎn)都經(jīng)受一次循環(huán)載荷。由于產(chǎn)生塑性變形，金屬表面出現(xiàn)大量位錯(cuò)，塑性變形過(guò)程就是位錯(cuò)的移動(dòng)過(guò)程，移動(dòng)到表面的位錯(cuò)能量得以釋放，而在亞表層就會(huì)形成位錯(cuò)堆積，從而形成裂紋核，這樣，在循環(huán)載荷的不斷作用下，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。 fujita等人于1977年對(duì)nicr滲碳綱實(shí)驗(yàn) 20-3 磨損的基本形式240280h(cm)0.125v.p.n 3、點(diǎn)蝕現(xiàn)象點(diǎn)蝕分為宏觀點(diǎn)蝕和微觀點(diǎn)蝕。宏觀點(diǎn)蝕：way于1935年提出, 潤(rùn)滑油在高壓下迅速進(jìn)入裂紋, 接觸面將裂紋封住，使裂紋油壓裂紋向縱深發(fā)展油壓大，裂紋根部強(qiáng)度不夠，折斷形成小坑，即點(diǎn)蝕。裂紋深度在200m左右。

9、 20-3 磨損的基本形式 微觀點(diǎn)蝕：認(rèn)為實(shí)際接觸在峰頂，每個(gè)峰進(jìn)入接觸都產(chǎn)生一個(gè)微觀應(yīng)力，其遠(yuǎn)高于hertz應(yīng)力, 于是易產(chǎn)生應(yīng)力集中, 出現(xiàn)微裂紋。裂紋深度在20m左右。 微觀點(diǎn)蝕是宏觀點(diǎn)蝕的起因。主動(dòng)主動(dòng)從動(dòng)從動(dòng)疲勞磨損的影響因素20-3 磨損的基本形式宏觀應(yīng)力場(chǎng)摩擦副材料材料內(nèi)部缺陷潤(rùn)滑劑或介質(zhì)與摩擦副材料的作用0.8246850(950)850(1050)850(1150)850/mpa彎曲應(yīng)力接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力摩擦力硬化粗糙度粘壓性質(zhì)腐蝕性變應(yīng)力場(chǎng)機(jī)械性質(zhì)和強(qiáng)度硬化層厚度粘度二、粘著磨損粘著磨損理論源于bowdon的粘著摩擦理論。觀點(diǎn)：摩擦副表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粘著效應(yīng)所形成的粘著結(jié)

10、點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料或脫落或磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類(lèi)磨損統(tǒng)稱為粘著磨損。機(jī)理：與粘著摩擦機(jī)理一樣，峰點(diǎn)局部高壓，瞬態(tài)高溫，造成粘著。20-3 磨損的基本形式種類(lèi)：(1) 輕微粘著磨損粘結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度摩擦副兩金屬?gòu)?qiáng)度, 剪切破壞主要發(fā)生在軟金屬, 有時(shí)在硬金屬。粘著物使軟金屬面出劃痕。(4) 膠合磨損粘結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度摩擦副兩金屬?gòu)?qiáng)度, 而且粘結(jié)點(diǎn)面積較大時(shí), 剪切破壞發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)金屬表層較深的地方, 此時(shí), 兩表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損, 使摩擦副之間咬死而不能相對(duì)滑動(dòng)。膠合是破壞性最大的磨損形式，一些設(shè)計(jì)手冊(cè)提及膠合計(jì)算準(zhǔn)則（齒輪） 20-3 磨損的基本形式粘著影響因素20-3 磨損的

11、基本形式1 載荷0.30.51.02.03.04.010025050010002000載荷(n)鋼對(duì)鋼鋼對(duì)鑄鐵鋼對(duì)青銅粘著影響因素20-3 磨損的基本形式2 溫度溫度變形區(qū)深度3 摩擦副材料脆性 優(yōu)于 塑性表面膜粘著磨損計(jì)算20-3 磨損的基本形式saw2aadsdv2323swdsdv3sswkdsdv3引入 ksawa三、磨料磨損外界硬顆?；蚴悄Σ粮北砻嫔嫌驳耐贵w在摩擦過(guò)程中引起表面材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。這是一種機(jī)理簡(jiǎn)單的磨損，有的稱其為機(jī)械磨損。20-3 磨損的基本形式磨料磨損種類(lèi)：(1) 外界磨料移動(dòng)于兩摩擦表面間，類(lèi)似于研磨作用，此稱三體磨粒磨損。 (2)磨粒沿一個(gè)固體表面相

12、對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損稱為二體磨粒磨損。當(dāng)磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面接近于平行時(shí), 在固體表面產(chǎn)生擦傷或犁溝痕跡。當(dāng)磨粒運(yùn)動(dòng)方向與固體表面垂直時(shí)，常稱為沖擊磨損，在表面產(chǎn)生高應(yīng)力碰撞，磨出較深的溝槽。20-3 磨損的基本形式 (3) 在一對(duì)摩擦副中，硬表面的粗糙峰對(duì)軟表面起磨粒作用，也是二體磨損。 20-3 磨損的基本形式磨料磨損機(jī)理：(1) 微觀切削載荷將磨粒壓入摩擦表面，滑動(dòng)時(shí)摩擦力通過(guò)磨料的犁溝作用使表面剪切，切削。(2) 擠壓剝落磨料壓入表面，將塑性材料的表面擠出層狀或鱗片狀剝落碎屑。 (3) 疲勞破壞摩擦表面在磨料產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，使表面材料因疲勞而剝落20-3 磨損的基本形式磨料磨損

13、影響因素輕微磨損區(qū)嚴(yán)重磨損區(qū)相對(duì)硬度h0/h方法：鋼的含碳量、熱處理等冷作硬化?20-3 磨損的基本形式磨料磨損磨損量計(jì)算22tanha 22tanhawsstan2shv hwddsastantan2swhdsdvhwkdsdva引入 ka四、腐蝕磨損摩擦過(guò)程，金屬與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生表面損傷，稱為腐蝕磨損。20-3 磨損的基本形式1. 氧化磨損在摩擦過(guò)程，磨損發(fā)生在氧化膜中，氧化膜脫落和新氧化膜不斷形成的過(guò)程。腐蝕磨損形式2. 特殊介質(zhì)腐蝕磨損金屬表面與酸-堿、鹽等介質(zhì)作用而形成腐蝕磨損。由于潤(rùn)滑油中有腐蝕性化學(xué)成分，軸承中也常發(fā)生腐蝕磨損，主要是酸蝕和硫蝕。3. 微動(dòng)磨損

14、兩表面間由于振幅很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損稱為微動(dòng)磨損或微動(dòng)腐蝕磨損。20-3 磨損的基本形式機(jī)理：在載荷作用下，表面接觸峰點(diǎn)形成粘著結(jié)點(diǎn)，當(dāng)接觸表面受到外界微小振動(dòng)（滑移量0.05mm0.25mm)，粘著結(jié)點(diǎn)被剪切，剪切面逐漸被氧化并發(fā)生氧化磨損，產(chǎn)生fe2o3磨屑，并起到磨料作用，使接觸面產(chǎn)生磨粒磨損。適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑可以有效地改善抗微動(dòng)磨損能力（防氧化、耐極壓）。4. 氣蝕液體中的氣泡承受不住大壓力時(shí)，發(fā)生潰滅，并產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，固體表面經(jīng)受這種沖擊多次反復(fù)作用，材料發(fā)生疲勞脫落，表面出現(xiàn)小凹坑。進(jìn)而發(fā)展成海綿狀，液體的化學(xué)和電化學(xué)作用加速了氣蝕的破壞過(guò)程。20-3 磨損的基本形式氣蝕

15、中的影響因素：氣泡20-3 磨損的基本形式 氣泡是空氣在分散介質(zhì)中形成的分散體系，具有很強(qiáng)的疏水性。一般認(rèn)為，氣泡外圍水分子分為水化層、擴(kuò)散層和普通水層三個(gè)層次。在氣泡與顆粒的粘附過(guò)程中，要經(jīng)歷顆粒與氣泡相互接近和碰撞、顆粒與氣泡間水化膜薄化和破裂、顆粒在氣泡表面粘附，即顆粒氣泡相界面形成與調(diào)整等過(guò)程。當(dāng)懸浮液中的顆粒與氣泡附著時(shí)，將導(dǎo)致部分氣液和固液界面的消失，并形成新的固氣界面。水化層擴(kuò)散層普通水層氣蝕過(guò)程20-3 磨損的基本形式 能量密度高度聚集后的耗散形式是重要研究?jī)?nèi)容，物理學(xué)界的注意力主要集中在光發(fā)射上。2000年德國(guó)stuttgart大學(xué)bruno教授用400ps快門(mén)速度的高速條紋

16、攝像機(jī)對(duì)單個(gè)坍縮微氣泡所發(fā)射的光與激波的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，捕獲了水中微氣泡坍縮的時(shí)間分辨圖像。 發(fā)現(xiàn)在坍縮和同時(shí)發(fā)生的光發(fā)射后不久，激波的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到4000m/s，計(jì)算出氣泡附近的壓強(qiáng)達(dá)到6gpa，bruno認(rèn)為，幾乎每次坍縮都伴有閃光，光子的產(chǎn)生表明在內(nèi)爆氣泡中必然出現(xiàn)極高的壓力與溫度，并以微射流和微激波的形式耗散。putterman和barber的研究表明，空泡的坍塌速度可以超過(guò)聲速，在最小半徑處的加速度高達(dá)1011g 。氣泡坍塌后的微射流與微激波（stuttgart大學(xué)prof.bruno 2000）氣蝕結(jié)果20-3 磨損的基本形式 在工程界，氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生微射流和沖擊波的強(qiáng)大沖擊作用

17、導(dǎo)致過(guò)流壁面產(chǎn)生空蝕破壞的現(xiàn)象已經(jīng)被公認(rèn)，但是，在產(chǎn)生機(jī)理、破壞過(guò)程、破壞形式、抑制方法等領(lǐng)域還有許多不同的看法。一般認(rèn)為，高強(qiáng)度的微射流作用將直接破壞物體表面而形成蝕坑，較小沖擊力的微激波的高頻反復(fù)作用則引會(huì)起物體表面疲勞破壞?？瘴g破壞sem照片（王國(guó)玉，2001） 產(chǎn)生微射流的原因是，由于氣泡上下壁角邊界的不對(duì)稱性，潰滅時(shí)空泡的上下壁面的潰滅速度不同，遠(yuǎn)離壁面的空泡壁較早破滅，形成高速向壁微射流，指向最高壓力峰，在極短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)表面的定向沖擊。右圖是德國(guó)gttingeng大學(xué)prof. werner lauterborn 1996年拍攝的氣泡坍塌的照片。20-3 磨損的基本形式小結(jié)磨損

18、過(guò)程磨損機(jī)理疲勞磨損粘著磨損磨料磨損腐蝕磨損1、表面相互作用2、表面層的變化3、表面層的破壞宏觀應(yīng)力場(chǎng)摩擦副材料潤(rùn)滑劑或介質(zhì)與摩擦副材料的作用載荷溫度摩擦副材料硬度表面萌生脫層理論點(diǎn)蝕現(xiàn)象輕微粘著磨損一般粘著磨損擦傷磨損膠合磨損三體磨粒磨損二體磨粒磨損氣蝕氧化磨損特殊介質(zhì)腐蝕磨損微動(dòng)磨損第21章 宏觀磨損主要內(nèi)容1 磨損過(guò)程 2 表面品質(zhì)與磨損3 磨損理論1 磨損過(guò)程 磨損過(guò)程曲線tqiiiiiitqiiiiii1ii2tqiiiitqiii1 磨損過(guò)程 磨合磨損tqt0tadtdqaaaqqt1tanaaqqq00qaatta1ta2ta3t1231 磨損過(guò)程 磨合磨損提高磨損性能措施潤(rùn)滑劑和添加劑材料配對(duì)：塑性、硬度表面粗糙度：由磨合工況確定合理的磨合規(guī)范載荷速度粘度油性添加劑2 表面品質(zhì)與磨損表面品質(zhì)幾何品質(zhì)物理品質(zhì)冷作硬化殘余應(yīng)力粗糙度波紋度表面紋理疲勞磨損粘著磨損氧化磨損拉應(yīng)力壓應(yīng)力疲勞磨損表面品質(zhì)與磨損2 表面品質(zhì)與磨損 幾何品質(zhì)：表面粗糙度粗糙度rara0ra重載輕載工況分子機(jī)械2 表面品質(zhì)與磨損 幾何品質(zhì)：表