摩擦學原理(全套課件819P)

汽車摩擦學在購車經(jīng)費一定的情況下，你買車時首先考慮的因素有那些？列舉三個，各用一句話來說明。3IntroductionTribology:

Tribologyisthescience,applicationscience,whichdealswithofthetwosurfaceshavingrelativemovement,ormovingtrend,coversFriction,Lubrication

andWear.IthassomeresearchfieldrelatedtoPhysics,Chemistry,Metallurgy,MaterialScience,Rheology,Hydromechanics,Elasticity,Viscoelasticity,Thermodynamics,aswellas,MachineryScienceandsoon.“2012中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇”2012年10月在釣魚臺國賓館舉行“2012中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇”。中國汽車協(xié)會副會長董揚在發(fā)言中指出，中國汽車市場的發(fā)展空間依舊寬廣，2020年之前應會保持與GDP增長率一致的發(fā)展速度?！爸袊囈呀?jīng)連續(xù)兩年增長，這個市場到底有多大？2020年之前，中國汽車應該能夠在產(chǎn)銷數(shù)量用大于等于GDP的數(shù)額增長，由于當前我國人均的汽車數(shù)量還很低，從現(xiàn)代社會大生產(chǎn)的結構要求來講，需要更多的汽車；第三個原因是現(xiàn)在中國的機動車數(shù)量最多的不是汽車，而是摩托車，這其中蘊含著因為升級換代帶來的巨大增長空間。

“現(xiàn)在我國汽車有1億輛，摩托車1億3000萬輛。這些摩托司機都有一個夢，夢見兩輪變成四輪，摩托車變成汽車。摩托車的升級有著巨大的市場?！?/p>

中國汽車工業(yè)協(xié)會2012年中國汽車產(chǎn)銷量雙雙超過了1900萬輛，轎車銷售達到了1074萬輛，其中中德、中日、中美、中韓、中法等合資企業(yè)在中國實現(xiàn)汽車銷售250萬輛、190萬輛、196萬輛、172萬輛，105萬輛，和44萬輛。中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析，2013年1-9月，中國品牌乘用車共銷售512.50萬輛，同比增長12.14%，德系、日系、美系、韓系和法系乘用車分別銷售254.17萬輛、198.28萬輛、160.46萬輛、116.12萬輛和40萬輛，分別占乘用車銷售總量的19.78%、15.43%、12.49%、9.04%和3.11%。中國汽車1-9月產(chǎn)銷量1281萬輛.

2012款奧迪A6L2.5L30FSI手自一體，最大功率140KW140KW*2000萬輛=28億千瓦ThehighestefficiencyofInternal-combustionengineislessthan30%Oilenergyhavemorethan50%wasteasheat，Withtherest,thereare20%

energyusedtocontrolthedevices.thereareabout30%energyusedforovercomethefriction，2%gears,5%bearingsandsoon。9TheWheelisthemostsuccessfulexampleofTribologicaldesign.Andlubricanthasbeenusedformorethanthreethousandyears.Byestimate，1/3~1/2energysources,consumedbyhuman,owingtofrictionandwear。FromLeonardodaVinci(1452-1519)

toSirJostreportin1960’s.Tribologyfromsingle,isolatedstudybecomesaresearchfieldofsystematicallystudyoffriction,lubricationandwear10MainAreasinTribologyFriction

(摩擦)Wear(磨損)Lubrication(潤滑)LeonardodaVinci秦始皇兵馬俑銅車馬的1號車Research——texturedsurface

Sampleoftexturedsurface

undermicroscopeWithouttexture，frictioncoefficient0.06910v15min,Withtexture，deepness3μmfrictioncoefficient0.031squaretextureDoublelayer

1Double

layer

2Surfacetexture表面織構SurfacetexturebylaserTypeoftexture，a-triangle，b-square，c-circle；1-convexly，2-concave

SurfacetextureBearings,piston—rings

17Partone,Theoryoftribology.Introduction、solidsurface,frictionandwear

Includingsurface

topographyparameters,surfacestructure,surfaceproperties.lubricant

andit’sproperties,basicfrictiontheoryandwearmeasuringmethods。wearmechanism、lawofwear,wearmeasurementandanti-weardesign，weartypeclassify,wearmechanism,wearingprocedureandpattern,conversionofwear,calculationofwear,andexperimentalmethodofwearandfriction,aswellastestingdevice。Generalmethodsofthefrictionstateanalysis,wear-outfailureanalysis,antifriction,antiwearanalysis.Maincontentsof《AutomotiveTribology

》18Parttwo,lubricationtheory

Including

Reynoldsequation,lubricationdesignoftypicalelements,Generalnumericalmethodsforlubricationcalculation,conversionoflubricationstate，namely：fromfluidlubricationtoelasto-hydrodynamiclubrication,fromelasto-hydrodynamiclubricationtothin-filmlubrication,effectsofrarefiedgas,failureoflubricationandboundarylubrication。

Maincontentsof《AutomotiveTribology

》19Friction

isoneofthreemajorpartsoftribology.Friction

phenomenonisalsotheearliestphenomenonobservedbyhumanbeings。thefrictiontheorystudiesthefrictionsurfacemorphology(形態(tài)),texture,contactstatus,layeroffrictionsurface.Introductionofthefrictiontheory20Chapterone

--frictionsurfaceanalysisSurfacetopographypropertiesandstatisticalapproach.Surfaceerroringeometricalform,surface

roughnessandsurfacetopographystatisticalparameter。Analyzingthefrictionsurfaceproperties,suchas,wettingangle,surfaceenergyandsurfaceadsorption。Analyzingthecontactproblemofroughenedsurface。Byintroducecontactarea,contactmodel，toanalyzethecontactstress,contactdeformationinthecontactelementsalongit’sdeepness，whichinvolvestatistics,

Physicalchemistry,materialsscienceandelasticity.Introductionofthefrictionstatusandthemethodsofhowtodistinguishthedifferentfrictionstatus.21RealsurfaceairBasemetalBasemetalWork-hardenedlayerAdsorbedgasBiebylayerOxideinclusion22Chapterone,

Analysis

offrictionsurface1.1Surfacetopographyparameters

andstatisticssurfacetopography（表面形貌）

surfacetopography，alsoknowas,surface

geometrycharacteristic，itindicatethemicro-,unregulargeometricalshapeofthecomponentssurface,suchas,roughness粗糙度,waviness波度、formerror形狀誤差,texture紋理,andsoon。231.1.1geometricalformerrorofsurface24(a)formerror(形狀偏差) (b)waviness(波紋度)(c)roughness(粗糙度)圖1.1Real

Surfaceprofile(實際表面輪廓)Thesurfacegeometricalcharacteristicpayimportantroleinthefriction,wearandlubricationundermixturelubrication(混合潤滑)anddrycontactcondition（干摩擦）roughnesswavinessformerrorReal

SurfaceprofilePartialenlargedview(realsurfaceprofile)(geometricalprofile)261．Macro-geometricalformerror（宏觀幾何形狀誤差）Macro-geometricalformerror又稱為surfaceformerror（表面形狀偏差），主要是用不直度、不平度表示平面幾何形狀誤差。不直度是指在指定方向上，其實際的輪廓線與理論直線的直度偏差，當用刀形樣板平尺進行校驗時，刀口與被檢表面的最大空隙b，即為所檢范圍內(nèi)的不直度。不平度是指整個平面各方向上所存在的最大不直度，如圖1.1a所示。波距l(xiāng)大于10mm的偏差屬于形狀偏差。271．Macro-geometricalformerror（宏觀幾何形狀誤差）對圓柱形表面，在垂直于軸線的橫剖面內(nèi)最典型的誤差有橢圓度，通過軸線的縱剖面內(nèi)，最典型的誤差有鼓形度、鞍形度、彎曲度和圓錐度。鼓形度鞍形度彎曲度圓錐度282．Surfacewaviness

表面波紋度表面波紋度又稱為中間幾何形狀誤差，是一種比宏觀幾何形狀誤差范圍更小的誤差，通常采用波紋度表示，它是在表面上周期性重復出現(xiàn)的一種幾何形狀誤差，如圖1.1b所示。波距l(xiāng)在1~10mm間屬于波紋度范圍。293．Micro-geometricalformerror

微觀幾何形狀誤差表面微觀幾何形狀誤差又稱為surfaceroughness（表面粗糙度），不象表面波紋度那樣有明顯的周期性，其波距l(xiāng)小于1mm以下，如圖1.1c所示。微觀幾何形狀誤差越大，表面越粗糙。一般來說，表面粗糙是影響摩擦性能最重要的表面幾何形狀特征。綜上所述，表面粗糙度、波紋度和形狀偏差三者的區(qū)別，通常以兩波峰或波谷的距離（波距）的大小來區(qū)別。一般而言，波距大于10mm的屬于形狀偏差；波距在1~10mm間屬于波紋度范圍；波距小于1mm的屬于表面粗糙度范圍。如圖1.1所示，將圖1.1a、b、c疊加到一起，就是表面的實際情況。30(a)formerror(形狀偏差) (b)waviness(波紋度)(c)roughness(粗糙度)圖1.1Real

Surfaceprofile(實際表面輪廓)roughnesswavinessformerrorReal

SurfaceprofilePartialenlargedview311.1.2表面粗糙度

surface

roughness

在摩擦學中，最重要，也是常用的表面形貌參數(shù)是表面粗糙度，它取表面上某一個截面的外形輪廓曲線來表示。根據(jù)表示方法的不同可分為一維、二維和三維的形貌參數(shù)。一維形貌通常用profilecurve（輪廓曲線）的高度參數(shù)來表示，如圖1.2所示。它描繪出沿截面水平方向（x方向）上輪廓高度z的起伏變化。選擇輪廓的平均高度線亦即中心線為x軸，使輪廓曲線在x軸上下兩側的面積相等。32圖1.2 surfaceprofilecurve（表面形貌輪廓）與supportingplane參數(shù)示意圖真實表面屬于三維幾何形態(tài)，可用直角坐標系(圖1)描述。xy為工作表面,z為表面高度坐標軸。1.3Threedimensionalsurfacetopography（三維表面形貌）一維形貌常用輪廓曲線的高度參數(shù)來表示。某一截面的表面輪廓平均高度線(中線)為x坐標軸(圖2)（一維表面形貌參數(shù)）Onedimensionalsurfacetopography（1）profilearithmeticaveragedeviation（輪廓算術平均偏差）Ra

orcenterlineaverage(中心線平均值)

CLA（2）profilerootmeansquaredeviation（輪廓均方根偏差）RMS

Rq

orσ（3）maximumdistancebetweenpeakanddip（最大峰谷距）Rmax

在測量范圍內(nèi)最高峰與最低谷之間的高度差，它表示表面粗糙度的最大起伏量。stylusmethod探針法38支承面曲線是根據(jù)表面粗糙度圖譜繪制的。理論的支承面曲線如圖1.2所示。支承曲面主要用于計算實際接觸面積。實際接觸面積是名義接觸面積的很小一部分，有時可以用下面的函數(shù)來表示兩者的關系：（4）supportingplane

（支承面曲線)39表1.1部分常用加工表面的計算支承面百分比的參數(shù)精度等級最大峰谷距Rmaxbv加工方法5370.41.02.1~2.2銑削車削6180.50.60.91.41.6~2.0銑削內(nèi)圓磨平面磨車削78~9.40.60.60.91.01.81.4~2.0銑削外圓磨內(nèi)圓磨平面磨車削84.70.70.91.11.62.02.01.6~1.9珩磨外圓磨內(nèi)圓磨平面磨拋光車削40（5）meanbaselineintercept

(中線截距平均值)Sma中線截距平均值是輪廓與中心線各截點之間的截距Sm在測量長度內(nèi)的平均值，它反映了粗糙峰的疏密程度。如圖1.2所示。41圖1.3不同輪廓的Ra和

值二維形貌參數(shù)表面輪廓曲線上各點坡度即斜率絕對值的算術平均值或者均方根值surfacetopographyin2-D(a) 坡度 (b)坡度分布密度曲線圖1.4 坡度及其分布密度曲線43各個粗糙峰頂曲率的算術平均值或者均方根值峰頂曲率的算術平均值均方根值反映粗糙峰的尖、平狀態(tài)值越大則粗糙峰越尖，反之則平坦(三維形貌參數(shù))1、TwodimensionalprofilecurveThreedimensionalsurfacetopography

如圖1.5所示．通過一組間隔很密的二維輪廓曲線來表示形貌的三維變化。圖1.5二維輪廓曲線452、contourmap圖1.6等高線圖(等高線圖)3、autocorrelationofthesurfaceprofile1.1.3Statisticalparameterofsurfacetopography1、heightdistributionfunction2、deviationoftheheightdistributionfunction

將profilecurve(輪廓曲線)上各點的height(高度)、wavelength(波長)、gradient(坡度)

or

curvature(曲率)等用probabilitydensitydistributionfunction(概率密度分布函數(shù))

機械加工的表面形貌包含著periodicvariationandrandomvariation(周期變化和隨機變化)兩個組成部分，因此采用形貌統(tǒng)計參數(shù)比用單一形貌參數(shù)來描述表面幾何特征更加科學和反映更多的信息。(表面形貌的統(tǒng)計參數(shù))(高度分布函數(shù))(分布曲線的偏差)(表面輪廓的自相關函數(shù))(高度分布函數(shù))以平均高度線為X軸，輪廓曲線上各點高度為z。①找出輪廓高度平均線②取適當?shù)模盟鼘⒏叨鹊确?；③在各個高度zj上先求出“支承率”=，則分布函數(shù)F(zj)=1-支承率=1-④求概率密度Fig1.7 the

heightdistributionfunctiondensitycurve1、heightdistributionfunction粗糙高度分布密度曲線48Fig1.8Asperitiesheadradiusdistributiondensitycurve峰頂半徑分布密度曲線分布曲線的偏差（1）SkewnessS(偏態(tài))

偏態(tài)是衡量分布曲線偏離對稱位置的指標，它的定義S=0為對稱態(tài)，S＞0為上偏，S＜0為下偏。（2）kurtosisK(峰態(tài))峰態(tài)表示分布曲線的尖峭程度。定義為

K=3為正態(tài)，K＜3為低峰態(tài)，K＞3為尖峰態(tài)。圖1.9偏態(tài) 圖1.10峰態(tài)2、deviationoftheheightdistributionfunction表面輪廓的自相關函數(shù)自相關函數(shù)的無量綱形式變?yōu)閷τ谝粭l輪廓曲線來說，它的自相關函數(shù)是各點的輪廓高度與該點相距一固定間隔l處的輪廓高度乘積的數(shù)學期望（平均）值。

自相關函數(shù)可以分為兩部分：◆函數(shù)的衰減表明相關性隨l的增加而減小，它代表輪廓的隨機分量的變化情況；◆函數(shù)的振蕩分量反映表面輪廓周期性變化因素。3、autocorrelationofthesurfaceprofile52圖1.11典型的自相關函數(shù)1、profilearithmeticaveragedeviation

Ra

(算數(shù)平均偏差)2、profilerootmeansquaredeviationσ(均方根偏差)3、Skewness

S(偏態(tài))4、kurtosis

K(峰態(tài))概率密度分布函數(shù)541.2SurfaceandinternalstructureoftribologypartsDuringthefrictionprocedure,becauseofthefrictionforceandfrictionheat,thesurfaceswillchangecontinuously.Surfacetopographyandmicroscopiccontactsituationchangesconstantlyinthefriction,atthesametime,theadsorptionfilm(吸附膜)andoxidationfilm(氧化膜)offrictionsurfacewillberupturing(破裂),regenerating(再生)andtransferring(轉移).Thishasagreatinfluenceonthesurfacefrictionandwearperformance.

Tribologicalpropertiesofthesolidsurfacedirectlyaffectedbythesurfacemorphology(形態(tài)),inadditiontogeometricmorphology,thesurfacephysicalandchemicalstateistheimportantfactorsthatcontrolthetribologicalbehaviorandprocess.551.2.1Thesurfacestructureofmetal(金屬表面結構)金屬表面在加工過程中表層組織結構將發(fā)生變化，使表面層由若干層次組成。典型的金屬表層結構如圖1.12所示。金屬基體之上是變形層，它是材料的加工強化層，總厚度為數(shù)十微米，由重變形層逐漸過渡到輕變形層。變形層之上是貝氏層（Bielbylayer），它是由于加工中表層熔化、流動，隨后驟冷而形成的非晶或者微晶質層。氧化層是由于表面與大氣接觸經(jīng)化學作用而形成的，它的組織結構與氧化程度有關。最外層是環(huán)境中氣體、液體極性分子和固體顆粒與表面形成的吸附膜或污染膜。圖1.12金屬表層結構561.2.2Thecharacteristicsof

internalstructureofmetals

(金屬材料的內(nèi)部結構特征)材料內(nèi)部結構決定了摩擦表面的特性，因此有必要對摩擦材料的內(nèi)部結構組成進行必要的研究，以幫助理解摩擦現(xiàn)象的機理和本質。571．Thestructureofmetals

(金屬結構)金屬及其合金是由原子或分子所組成的物質聚集體。通常金屬在固態(tài)下都是晶體，其原子有規(guī)則的排列。這種具有一定幾何形狀的排列的結構被稱為稱為空間晶格。大部分的金屬晶體屬于下列三種晶格形式：

(a)體心立方晶格 (b)面心立方晶格(c)密排六方晶格圖1.13金屬晶格582．Crystaldefect(晶體缺陷)實際晶體中，存在著大量的各種各樣的晶體缺陷，隨著摩擦條件的改變，由于晶體的交互作用，使得晶體缺陷也在不斷地變動。晶體缺陷將影響著金屬表面的物理性質、化學性質及力學性質。

59（1）Pointdefect(點缺陷)

圖1.14晶體空位

圖1.15間隙原子60（2）Linedefect_dislocation

(線缺陷——位錯)

圖1.16刃型位錯圖1.17螺型位錯61(2)Mixturedislocation

(混合位錯)若同時出現(xiàn)刃型位錯和螺型位錯，則稱之為混合位錯。金屬晶體中的位錯大量存在，成網(wǎng)狀分布。位錯可看成滑移和末滑移的分界線，則晶體的形變可以由位錯的運動來實現(xiàn)。如果以完整的晶體來計算屈服強度，則比實驗的數(shù)據(jù)高出一千倍左右，而由位錯的運動解釋金屬晶體的塑性變形就合理得多。62（3）Planedefect(面缺陷)金屬晶體的缺陷若主要是沿二維方向伸展開來，而在另一維方向上的尺寸變化相對甚小，則成為面缺陷。晶體表面、晶界、亞晶界等都是面缺陷。晶體表面上的一層原子，一面受晶體內(nèi)面原子的結合作用，另一面則受環(huán)境的作用。這種受力的不對稱性，必然要求表層原子適當調(diào)整它們的分布位置，表層原子的結構就與晶體內(nèi)部原子的點陣發(fā)生偏差，因而晶體完整的周期性受到破壞，晶體表面具有表面張力和表面能，容易吸收外來電子，也易被外部介質所腐蝕。這表明它也是—種缺陷。在金屬的各種內(nèi)部界面中，晶界與亞晶界是最重要的一類。金屬材料絕大部分是多晶體。631.2.3Thesurfacestructureofplastics

(塑料表面結構)雖然塑料也是固體材料，并與金屬存在一些共性，如在常溫下保持固定形狀，比重不變，可加工性等。但是，塑料與金屬在本質上有著根本區(qū)別。特別是，在微觀結構兩者是完全不同的，因此導致它們的摩擦學性能等也顯現(xiàn)出完全不同的特性。圖1.18塑料表層的一般結構641.3 Surfacepropertiesofthefrictionparts

(摩擦表面性質)在摩擦、磨損、潤滑過程中，除了表面的幾何形狀影響摩擦、磨損、潤滑特性外，金屬表面的物理、化學以及力學性能的影響也是很大的。651.3.1wettingangle

(潤濕角)在各種表面性質中，與摩擦學密切相關的主要有表面能、吸附效應和表面氧化等。產(chǎn)生新表面所做的功表現(xiàn)為表面能。液體表面分子由于表面能的作用，有從表面進入內(nèi)部的趨勢，這種使液面自動收縮而減少表面積的力稱為表面張力。66固體的表面能還無法直接測量，但可通過與液體的接觸形狀推斷出來。如圖1.19所示，液滴在固體表面上呈現(xiàn)出一定的contact(接觸角)或稱wettingangle(潤濕角)

，它是固液界面與液體表面在交點處的切平面之間的夾角。當潤濕角

<90

時，固體表面張力大于液體表面張力，此時將發(fā)生潤濕。

圖1.19 潤濕角671．Physicalabsorption

(物理吸附)當氣體或液體與固體表面接觸時，由于分子或原子相互吸引的作用力而產(chǎn)生的吸附叫做物理吸附。這種吸附并不改變吸附層的分子或電子分布，其吸附膜較弱對溫度很敏感，加熱可使分子解吸。圖1.20是硬脂酸分子吸附在表面的示意圖。被吸附的分子一般是可極化的，其氧、氫的正、負離子與金屬的表面負、正離子相吸附。物理吸附一般是在常溫、低速、輕載條件下形成。物理吸附與解附是完全可逆的。圖1.20物理吸附692．Chemisorption

(化學吸附)由于極性分子的有價電子與基體表面的電子發(fā)生交換而產(chǎn)生的化學結合力，使極性分子定向排列，吸附在金屬的表面上所形成的吸附膜叫做化學吸附膜。圖1.21為硬脂酸與表面氧化鐵在有水的條件下所形成的金屬皂膜的示意圖?；瘜W吸附膜要比物理吸附膜穩(wěn)定得多，并且是在同樣條件下不可逆的。要在高溫下才解附?；瘜W吸附一般是在中等載荷、中等滑動速度及中等溫度條件下形成。

70圖1.21化學吸附713．Oxidationfilm

(氧化膜)表面氧化具有化學吸附的性質。除金以外，氧對其他金屬都能形成化學吸附反應。因此，金屬表面在加工過程中，新生面一旦暴露則很快就與大氣中的氧起化學吸附作用而形成金屬氧化膜。隨著氧化膜厚度的增加氧化速度取決于氧向表面內(nèi)層擴散的速度或金屬離子透過氧化膜向外的擴散速度。圖1.22鐵的氧化膜724．Chemicalactionfilm

(化學反應膜)由于潤滑劑中的硫、磷、氯等元素與金屬表面進行化學反應，二者之間的價電子相互交換，而形成一種新的化合物膜層叫做化學反應膜。這種化學反應膜具有高的熔點及低的剪切強度，并且比化學吸附膜和物理吸附膜要穩(wěn)定得多。這種反應是不可逆的?；瘜W反應膜—般是在重載、高溫、高速的條件下形成?；瘜W反應膜如圖1.23所示。圖1.23化學反應膜731.4 thecontactoftherealsurfaces

(粗糙表面的接觸)當兩個摩擦表面接觸時，由于表面粗糙的存在，實際接觸只發(fā)生占表觀面積的極小部分上。實際接觸面積的大小和分布對于摩擦磨損起著決定性的影響。固體材料受載后，不是發(fā)生彈性變形，就是發(fā)生塑性變形。彈性變形的特點是應力與應變的關系是確定的，因而變形是可逆的；而塑性變形時，應力與應變關系則比較復雜，卸載后仍存在一定殘余變形。實際上，接觸狀態(tài)大多是處于彈塑性變形的混合狀態(tài)，有時表現(xiàn)為先彈性后塑性；有時則表現(xiàn)為這一部分雖處于彈性變形狀，另一部分卻已達到塑性變形狀態(tài)了。Surfacecontactoftheelementparts

(粗糙表面的接觸)當兩個固體表面接觸時，由于表面粗糙，實際接觸只發(fā)生在表觀面積的極小部分上。實際接觸面積的大小和分布對于摩擦磨損起著決定性的影響。實際表面上粗糙峰頂?shù)男螤钔ǔＪ菣E圓體。751.4.1contactareaandcontactmodel

(接觸面積與接觸模型)當兩個表面相互接觸時，其接觸部分具有不連續(xù)性和不均勻性。如圖1.24所示。其中，名義（幾何）接觸面積（An）：An=a×b；輪廓接觸面積（Ap）是物體的接觸表面被壓扁部分所形成的面積（如圖中小圈范圍內(nèi)面積）的總和叫做輪廓接觸面積，以Ap表示。Ap的大小與表面所承受的載荷有關；實際接觸面積Ar是實際接觸部分的微小面積的總和。由于表面凹凸不平，實際接觸只發(fā)生在名義接觸面積的很小一部分。而各接觸點的直徑一般為3~50微米。

76An

名義接觸面積；Ap輪廓接觸面積；Ar實際接觸面積圖1.24三種接觸面積圖1.25三種表面粗糙峰模型771.4.2contactstressanddeformation

(接觸應力和接觸變形)在摩擦學中，要研究固體表面接觸問題，必須熟悉固體接觸力學也就是說，要了解各種各樣幾何形狀的物體承受任意載荷時所產(chǎn)生的應變與應力的性質。這種研究，不僅限于表面，常常要達到表面層下一定的深度。1．Thestressofcontactsurface(接觸表面應力)現(xiàn)以球與球，圓柱體與圓柱體相接觸來說明接觸應力和接觸變形。當零件表面在受載前是點接觸（球軸承，圓弧齒輪）或線接觸（漸開線齒輪及滾柱軸承等），受載后，在接觸表面會產(chǎn)生局部的彈性變形，形成很小的接觸面積。Hertz理論的基本假設：①兩接觸體在初始接觸附近的表面至少二階連續(xù)，由此表面可用微分幾何的方法分析；②接觸是非共形的；③小變形。即接觸時變形在彈性極限以內(nèi)，無殘余變形；④面內(nèi)不存在切向載荷，即無摩擦；⑤接觸副的材料完全彈性；⑥接觸材料絕對均勻且各向同性；⑦接觸表面之間無介質存在。79圖1.26兩球形體接觸式中，E1，E2——兩球形體材料的彈性模量；μ1，μ2——兩球形體材料的泊松比。80圖1.27兩圓柱體接觸812．Stressandstraininthecontactparts

(接觸體內(nèi)應力與應變)在球狀接觸中，材料彈性變形范圍內(nèi)的最大應力pm與P之間的關系為pm3

P，在接觸寬度的z軸方向上，其軸向壓力pz的分布為82圖1-28平面與球接觸垂直應力與剪應力圖1-29兩圓柱體平行接觸應力分布833．Criterion

ofcontactstress

(接觸應力準則)通常采用的幾種接觸疲勞強度準則.（1）Criterion

maximumshearingstress

(最大剪應力準則)根據(jù)Z軸上的主應力可以計算出45

方向剪應力。分析證明：在這些45

剪應力中的最大值作用在Z軸上一定的深度。它是接觸體受到的最大剪應力

max，所以最先被用作接觸疲勞準則，即認為當最大剪應力達到一定值時將產(chǎn)生接觸疲勞磨損。在滾動過程中，最大剪應力是脈動應力，應力變化量為

max。84（2）Criterion

ofmaximumorthogonalityshearstress

(最大正交剪應力準則)分析表明：正交剪應力

yz的最大值作用在x=0而y和z為一定數(shù)值的點；同樣，

zx最大值的位置坐標為y=0而x和z等于一定值。這樣，當滾動平面與坐標軸之一重合時，正交剪應力將是交變應力。例如，當滾動平面包含橢圓短袖時，在滾動過程中正交剪應力

yz的變化是：從遠離接觸中心處的零值增加到接近Z軸處的最大值+

yzmax，再降低到Z軸上的零值。隨后應力反向，再逐步達到負的最大值-

yzmax，而后又變化到零。所以每滾過一次，正交剪應力

yz的最大變化量為2

yzmax。應當指出：雖然正交剪應力的數(shù)值通常小于最大剪應力，然而滾動過程中正交剪應力的變化量卻大于最大剪應力的變化量，即2

yzmax>

max。由于材料疲勞現(xiàn)象直接與應力變化量有關，所以ISO（國際標準化組織）和AFBMA（美國減摩軸承制造商協(xié)會）提出的滾動軸承接觸疲勞計算都采用最大正交剪應力準則。

85（3）Criterion

ofthemaximumsurfaceshearstress

(最大表面剪應力準則)通常接觸表面上最大剪應力作用在橢圓對稱軸的端點。例如，當滾動方向與橢圓短軸一致時，最大表面剪應力作用在長軸的端點，在滾動過程中它按脈動應力變化。雖然表面剪應力的數(shù)值小于最大剪應力和正交剪應力，但由于表面缺陷和滾動中的表面相互作用，使疲勞裂紋出現(xiàn)于表面和表面剪應力的影響大大加強。

86（4）Criterion

oftheequivalentstress

(等效應力準則)滾動過程中材料儲存的能量有兩種作用，即改變體積和改變形狀。后者是決定疲勞破壞的因素，按照產(chǎn)生相同的形狀變化的原則，將復雜的應力狀態(tài)用一個等效的脈動拉伸應力來代替。

87stressstateofcontact

(接觸體的應力狀態(tài))正應力

x，

y和

z為負值即壓應力。正交剪應力

xy的正負符號取決于各點位置坐標x和y乘積的符號。正交剪應力

zx的正負符號取決于位置坐標x的符號，在遠離接觸中心和x=0處，其數(shù)值為零。接觸表面上的應力狀態(tài)比較復雜。881.4.3Contactanalysisofrealsurface

(粗糙表面的接觸分析)實際表面上粗糙峰頂?shù)男螤钔ǔＪ菣E圓體。由于橢圓體的接觸區(qū)尺寸遠小于本身的曲率半徑，因而粗糙峰可以近似地視為球體，兩個平面的接觸可視為一系列高低不齊的球體相接觸。在分析粗糙表面接觸時，通常采用這種模型。1．Singleasperitycontact

(單峰接觸)球接觸赫茲理論

單個粗糙峰在彈性接觸時的實際接觸面積為幾何接觸面積的一半。實際接觸面積A幾何接觸面積A0

90圖1.30單峰彈性接觸2．Idealsurfacecontact

(理想表面的接觸)理想粗糙表面是指表面為許多排列整齊的曲率半徑相同和高度相同的粗糙峰組成，同時，各峰承受的載荷和變形完全一樣，而且相互不影響?！糨d荷與總的實際接觸面積的關系為◆發(fā)生塑性變形時，載荷可表示為實際接觸面積與載荷成線性關系。當變形為彈性時，實際接觸面積與載荷的2/3次冪有關。92圖1.31 等高球形粗糙表面的接觸3．Realsurfacecontact

(實際粗糙表面的接觸)實際表面的粗糙峰高度是按照概率密度函數(shù)分布的，因而接觸的峰點數(shù)亦應根據(jù)概率計算?！魞蓚€粗糙表面在彈性接觸狀態(tài)下，實際接觸面積和接觸峰點數(shù)目都與載荷成線性關系。◆兩表面處于塑性接觸狀態(tài)時實際接觸面積與載荷為線性關系，而與高度分布函數(shù)φ(z)無關。94圖1.32 兩粗糙表面的接觸●結論：實際接觸面積與載荷的關系取決于表面輪廓曲線和接觸狀態(tài)。961.5 Stateofthefriction

(摩擦狀態(tài))根據(jù)不同摩擦機理和特征，一般的摩擦狀態(tài)可以分為：（1）Hydrodynamiclubrication

(流體動壓潤滑)；（2）Hydrostaticlubrication(流體靜壓潤滑)；（3）Elasto-hydrodynamiclubrication(彈性流體動壓潤滑,簡稱彈流潤滑)；（4）Thin-filmlubrication(薄膜潤滑)；（5）Boundarylubrication(邊界潤滑)；（6）Dryfriction(干摩擦)狀態(tài)等六種基本狀態(tài)。97表1.2各種摩擦狀態(tài)的基本特征摩擦狀態(tài)典型膜厚摩擦膜形成方式應用流體動壓潤滑1~100

m由摩擦表面的相對運動所產(chǎn)生的動壓效應形成流體潤滑膜中高速下的面接觸摩擦副，如滑動軸承液體靜壓潤滑1~100

m通過外部壓力將流體送到摩擦表面之間，強制形成潤滑膜低速或無速度下的面接觸摩擦副，如滑動軸承、導軌等彈性流體動壓潤滑0.1~1

m與流體動壓潤滑相同中高速下點線接觸摩擦副，如齒輪、滾動軸承等薄膜潤滑10~100nm與流體動壓潤滑相同低速下的點線接觸高精度摩擦副，如精密滾動軸承等邊界潤滑1~50nm潤滑油分子與金屬表面產(chǎn)生物理或化學作用而形成潤滑膜低速重載條件下的高精度摩擦副干摩擦1~10nm表面氧化膜、氣體吸附膜等無潤滑或自潤滑的摩擦副98圖1.33 各摩擦層厚度與粗糙度高度99圖1.34 摩擦系數(shù)的典型值100圖1.35 Streibeck曲線滑動摩擦滑動摩擦定律（摩擦三定律）滑動摩擦理論Bowden和Tabor指出：1）當一對金屬摩擦副滑動時，接觸點上的壓力很高，引起接觸點的局部熔合；一旦發(fā)生表面滑動，接觸點之間產(chǎn)生剪切作用，這就產(chǎn)生了摩擦力?？捎脕斫忉尳饘俸吞沾傻哪Σ痢?）相對滑動中接觸表面的微變形、硬微突體在軟表面上犁削產(chǎn)生的塑性變形、滑動界面捕捉的磨粒在表面上的宏觀變形、粘彈性材料（如聚合物）的彈性滯后損失等將消耗一定的能量。假定滑動時的粘著和變形相互獨立且其效應可以疊加，總摩擦力Fi等于剪切粘著點所需力Fa與產(chǎn)生變形所需力Fd之和，F(xiàn)i＝Fa

＋Fd

或μi＝μa

＋μd對于聚合物（尤其是粘彈性材料）和粗糙表面來說，μd將是摩擦系數(shù)的重要部分。粘著理論和變形理論有明顯的區(qū)別，二者之間沒有相互影響的假設過于簡單。這兩種情況下都有局部變形，且摩擦力的大小還受到接觸表面的物理化學性質、載荷、相對滑動速度、溫度等因素的影響。粘著和變形之間可能存在著連續(xù)的相互影響。粘著摩擦理論兩個金屬表面相互接觸，接觸起始于微凸體頂端，微凸體的變形支撐著載荷，接觸點呈離散狀態(tài)。物理或化學作用使貼近的微凸體產(chǎn)生粘著接觸，當界面有相對運動時，接觸點的粘著部位產(chǎn)生剪切，形成一定的切向阻力。最薄弱的粘著點將被剪斷，斷口要么微凸體接觸界面，要么位于某個的微凸體中。接觸點被剪斷后，又迅速產(chǎn)生新的接觸點。因為，粘著來自接觸表面的分子力，所以粘著力與分子具有相似特性，微凸體接觸界面的強度與基體材料的強度相近，滑動剪切作用將撕扯出一些碎片。摩擦力取決于基體材料的抗剪強度。若硬金屬表面有一層軟、薄的金屬膜In、Pb、Cu、Au、Ag——滑動軸承襯材料減摩的原理，是新型潤滑劑研制的理論依據(jù)軸承巴氏合金層≤2mm，越薄效果越好。實際使用要考慮其他問題實例：滑動軸承潤滑油添加劑（油脂中加入微米銅粉、油中加入納米銅粉）航天、航空的滾動軸承防護存在問題降低犁溝力的對策降低表面粗糙度選用硬度相近的材料從界面清除磨屑和污染顆粒Suh的蝕刻修整技術，滑動過程中界面上的磨粒掉入凹坑，不參與界面的犁溝摩擦。FrictionatDrySlidingInterfaceUndulatedSurfaceforEliminationofParticles滾動摩擦機理滾動摩擦機理滾動摩擦的分類純滾動或自由滾動：在滾動體之間不出現(xiàn)相對滑動。這種滾動可以看作是純滾動，也稱自由滾動有表面牽引力的滾動.純滾動的物理分析以車輪為研究對象，分析物體受到的力。當輪在水平地面上，不受外力，靜止不動時物體與地面的形變都是左右對稱的，物體受到豎直向下的重力G，地面給它的支持力。將支持力簡化到一個點上，得到力N。物體處于平衡狀態(tài)，所以N和G兩個力大小相等，方向相反，在同一直線上。當物體受到一個水平推力時，物體與地面的接觸部分，為偏右側的一段“弧線”。則物體所受的支持力，分布在右側的這段弧線上，且總是與支持面垂直。將此力系簡化到一個點A上。這樣就得到力N。沿豎直方向和水平方向分解N，得Nx、Ny。實際上，N與豎直方向的夾角極小，所以Nx極??；且圓心正下方的B點到Nx作用線的距離很小，故Nx對B點的力矩近似為零。Ny與G大小相等，方向相反，不在同一直線上，是一對力偶。支持力N對B點的力矩，就是Ny對B點的力矩。設Ny對B點的力臂為k，即Ny與G的水平距離為k，則力矩M=kNy=kG

當車輪滾動時，力臂k固定不變。車輪將要滾動時的k稱為滾阻系數(shù)。力偶對物體不產(chǎn)生平動加速度，只產(chǎn)生轉動加速度。力偶（Ny，G）的轉動方向為逆時針方向，與物體運動方向相反，阻礙物體的運動，稱為滾阻力偶。當物體的形變量越大時，Ny偏移得越多，即力偶臂k大(即，阻力矩越大，則所需動力越大。這一問題中，車胎打氣不足時，越癟形變量越大，人蹬車就越費力。滾動摩擦阻力產(chǎn)生的原因由系統(tǒng)幾何形狀造成的接觸區(qū)內(nèi)有滑動區(qū)的滾動主要不是由于接觸面間的粘著剪切，也不是“犁削”作用在彈性范圍內(nèi)，主要是彈性滯后損失和微觀滑移損失；在塑性范圍滾動，則主要是材料塑性變形所消耗的能量。滾動摩擦的四個效應1.微觀滑動（滑移）效應2.彈性滯后效應3.塑性變形效應4.黏著效應滾動摩擦主要是滑動機理造成的接觸區(qū)域內(nèi)的微觀滑動：兩種材料的應變差和接觸面內(nèi)的應力分布的特殊性而引起的。由微觀滑動而引起的滾動摩擦系數(shù)，不會因潤滑劑的存在而減小。不能因為這種微觀滑移把滾動摩擦歸于滑動摩擦。微觀滑移對滾動摩擦系數(shù)只有很小的影響。滾動的彈性體之間的界面上有摩擦力就導致接觸面積分成微觀滑移區(qū)及無相對運動的滾動區(qū)。潤滑埃及金字塔中搬運巨像的情況應用實例應用實例第二章潤滑劑2.1潤滑劑的作用與類型2.1.1潤滑劑的作用潤滑劑是現(xiàn)代機械系統(tǒng)的基本要素之一，它的主要作用是減少運動副之間的摩擦和磨損，提高機械效率，延長機械的工作壽命。除此之外，使用潤滑循環(huán)系統(tǒng)還能起到冷卻摩擦副、帶走磨損碎屑或其它顆粒污染物以及保護金屬表面免遭腐蝕等有益作用。潤滑劑的物質形態(tài)已經(jīng)覆蓋了氣體、液體和固體單相以及氣-液、液-液、液-固兩相甚至氣-液-固三相，十分廣泛。有些類型的潤滑劑有時也會帶來環(huán)境污染等問題，所以需要對潤滑劑的知識有全面的認識和理解。潤滑油一般由基礎油和潤滑油添加劑混合而成?；A油分為礦物油和合成油兩大類。礦物油的最高使用溫度為130℃，有些超精煉的礦物油使用溫度可達200℃,而某些合成油則可耐370℃的高溫。相對于礦物油來說，合成油屬于高檔潤滑油，用于高溫、高壓、高真空和高濕度等極端環(huán)境工況。2.1.2潤滑油的類型潤滑劑從形態(tài)上分潤滑油的性能指標

（1）粘度1）動力粘度表征流體內(nèi)摩擦阻力大小的指標，Pa·s；2）運動粘度同溫度下液體動力粘度與密度之比，m2/s；粘度的大小表示了液體流動時其內(nèi)摩擦阻力的大小，粘度愈大，內(nèi)摩擦阻力就愈大，液體的流動性就愈差。（2）潤滑性（油性）潤滑油中極性分子吸附于金屬表面形成邊界油膜的性能。吸附力強，油膜不易破裂，摩擦系數(shù)小，則說明油性好。（3）極壓性潤滑油中加入添加劑后，油中極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓化學反應邊界膜的性能。（4）閃點潤滑油在火焰下發(fā)生閃爍時的最低溫度。閃點對于高溫下工作的機器是一個十分重要的性能指標。（5）凝點潤滑油在試管中冷卻到不能流動時的最高溫度。凝點是潤滑油在低溫下工作的一個重要指標。（6）氧化穩(wěn)定性

潤滑油在高溫下抗氧化的性能。(7)酸值（總酸值、中和值）潤滑油中有機酸的總含量。中和1g石油產(chǎn)品所需的KOH毫克數(shù)，mgKOH/g.可用來衡量潤滑油的氧化安定性或作為換油指標。（8）總堿值規(guī)定的條件下滴定時，中和1g試樣中全部堿性組分所需高氯酸的量。以相同物質的量的KOH毫克數(shù)表示。（9）水溶性酸和堿用一定體積的中性蒸餾水和潤滑油在一定溫度下混合、振蕩，使蒸餾水將潤滑油中的水溶性的酸和堿抽出來然后測定蒸餾水溶液的酸性和堿性。新油：潤滑油精制時酸堿分離不好貯存和使用：潤滑油被污染或氧化分解汽輪機油：抗乳化度降低變壓器：腐蝕設備，耐電壓下降（10）機械雜質油中不溶于汽油或苯的沉淀和懸浮物，經(jīng)過濾而分出的雜質，稱為機械雜質?；覊m，混沙，金屬碎屑，氧化物和銹末等將加速機械零件的研磨、拉傷和劃痕等磨損，堵塞油路，拉傷和劃痕等，堵塞油路油嘴和濾油器，造成潤滑失效。(11)灰分指潤滑油在規(guī)定條件下完全燃燒后，剩下的殘留物（不燃物）。以質量分數(shù)表示?；曳值某煞郑航饘冫}類，金屬氧化物含添加劑的油的灰分較高。灰分使?jié)櫥驮谑褂秒蟹e炭增加，灰分過高，造成機械零件的磨損。(12)殘?zhí)扛艚^空氣時，油經(jīng)蒸發(fā)分解生成焦炭狀的殘余物。用質量分數(shù)表示。殘?zhí)渴怯椭心z狀物質和不穩(wěn)定化合物含量的間接指標，也是礦物油基礎油精制深淺程度的標志。含S、O、N多時，殘?zhí)扛?，結焦傾向大，增加摩擦磨損。壓縮機油殘?zhí)扛邥r，在壓縮機氣缸、脹圈和排氣閥座上的積炭就多，磨損，高溫時會發(fā)生爆炸。(13)水分

質量分數(shù)表示。油品中應不含水分。標準方法：其一定量的試樣與無水溶劑混合，蒸餾，測定含水量。水含量<0.03%,稱為痕量。影響：◆破壞潤滑油膜，潤滑效果變差◆加速油中酸對金屬的腐蝕◆機械設備的銹蝕◆潤滑油的添加劑失效◆低溫流動性變差，結冰，堵塞油路◆潤滑油乳化，溫度高時，形成汽泡，破壞潤滑，氣阻潤滑油的循環(huán)◆變壓器油，則會絕緣性能下降檢查方法：◆試管中取油，渾濁，乳化，不透明；◆試管加熱，氣霧，管壁上有氣泡，、水珠或有劈啪響聲◆盛在試管中的油中加入少量無水硫酸銅（白色粉末）◆用細銅線繞成圈，在火上燒紅，放入有油的試管中，有劈啪響聲礦物油是以石油為原料經(jīng)過蒸餾和精煉制成的，它的主要成分是由碳和氫兩種元素構成的烴，烴的分子結構有烷烴（也稱石蠟烴）、環(huán)烷烴和芳香烴。烷烴有直鏈和枝鏈兩種類型，碳原子間只有單鍵結合，如圖（a）、（b）所示。環(huán)烷烴中的碳原子間也是單鍵結合，但不是鏈狀而是呈環(huán)狀，如圖2.1（c）所示；芳香烴中的碳原子鏈也呈環(huán)狀，不過碳原子間是單雙鍵交替結合，因此，氫含量較少，如圖2.1（d）所示。由于分子結構的不同，潤滑油的性能也有顯著差異。烷烴含量高的潤滑油密度較環(huán)烷烴油小，而粘溫性能較好。礦物油的粘壓性能也與其環(huán)烷烴的含量多少有關。芳香烴的含量則與潤滑油的邊界潤滑性能有關。當?shù)V物油在粘性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性及揮發(fā)性等方面無法滿足使用工況的條件時，需要采用性能更優(yōu)越（價格也更高）的合成潤滑油。表2.1比較了礦物油和一些常用合成油的理化性能，可以看出，合成油的閃點、熱穩(wěn)定性較礦物油高，飽和蒸汽壓較低，有些合成油的粘度隨溫度的變化較礦物油小。

常用的合成油有以下幾類：1．碳氫化合物

通過合成方法可以生產(chǎn)不含芳香烴和環(huán)烷烴的碳氫化合物用作潤滑油，如聚丁烯、聚

烯合成油（PAO）。與礦物油相比，合成的碳氫化合物在粘-溫特性、低溫特性、揮發(fā)性和氧化穩(wěn)定性方面有一定程度的改善，可以用于對低溫性能要求嚴格的嚴寒區(qū)用長壽命內(nèi)燃機油、傾點低且冷凍劑溶解度小的冷凍機油、對高低溫性能要求較嚴格的噴氣發(fā)動機油、對氧化安定性和抗剪切安定性要求較高的齒輪油、對粘度指數(shù)、低溫性能和熱氧化穩(wěn)定性要求嚴格的自動變速傳動液等場合。2．酯

通過酸與醇的組合可以合成出種類繁多的酯用作潤滑劑，包括有機酸酯、氟代酯、磷酸酯和硅酸酯等。酯作為潤滑劑的特點是粘-溫性能、抗揮發(fā)性能突出，但容易通過氧化、熱反應或水解反應而發(fā)生降解。由二元酸、單元酸與甲醇、乙醇或丙醇反應合成的二元酯（也稱雙酯）廣泛用于航空發(fā)動機潤滑。季戊四醇酯的耐熱性優(yōu)于雙酯，加入合適的抗氧化劑后可以用于200℃應用場合，如汽輪機潤滑油。聚乙二醇酯是一種不溶于水的化合物，具有良好的熱穩(wěn)定性和潤滑性，用于液壓油。由有機羧酸和氟乙酰胺醇合成的氟代酯具有較好的抗氧化性和阻燃性，但粘-溫性能較差。磷酸酯（如磷酸三甲苯酯，TCP）廣泛用于礦物油和其它合成潤滑油的抗磨添加劑。硅酸酯具有熱穩(wěn)定性好、低粘度、低揮發(fā)性的優(yōu)點，但水解穩(wěn)定性較差，主要用于低溫條件下的潤滑。3．硅氧烷硅氧烷也稱為硅油，有很好的化學惰性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的粘-溫性能、低揮發(fā)性和低表面張力，適用于流體動力潤滑，但邊界潤滑性能較差。常用的硅氧烷潤滑油有二甲基硅油、甲苯基硅油和氯化甲苯基硅油。硅油可用于高低溫條件下的潤滑，在空間飛行器等極端環(huán)境下應用較多。4．聚苯醚

聚苯醚是一類芳香族化合物，具有優(yōu)異的抗輻射能力和抗氧化性，但粘度特性較差，常用于強輻照工況下（如宇宙飛行、反應堆或以原子能為動力的裝置）機械部件的潤滑。5．全氟聚醚

全氟聚醚（PFPE）具有優(yōu)良的抗氧化性、低揮發(fā)性和較好的邊界潤滑特性，其分子量、極性基團可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整以獲得不同的粘度和表面遷移性能。全氟聚醚被廣泛用于硬盤表面的潤滑，也用于高溫、高真空條件下的潤滑。2.1.3潤滑脂潤滑脂也是廣泛使用的潤滑劑材料。潤滑脂密封簡單，不須經(jīng)常加添，不易流失，所以在垂直的摩擦表面上可以使用。潤滑脂對載荷和速度的變化有較大的適應范圍，受溫度的影響不大，但摩擦損耗較大，機械效率低，故不宜用于高速。且潤滑脂易變質，不如油穩(wěn)定?？偟膩碚f，一般參數(shù)的機器，特別是低速而帶有沖擊的機器，都可以使用潤滑脂潤滑。潤滑脂是由基礎油、稠化劑（如鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）、添加劑和填充劑混合稠化而成?；A油是常用的礦物油或合成油，添加劑的功能和類型也與一般潤滑油添加劑相同或相似，填充劑則是一些起溶膠、分散或固體潤滑作用的輔助成分，稠化劑是潤滑脂的最主要成份，常用的是脂肪酸的金屬皂，如硬脂酸鋰和硬脂酸鈣，相應的潤滑脂也就常稱為鋰基潤滑脂和鈣基潤滑脂。1.潤滑脂的種類按基礎油組成分類，如分為石油基潤滑脂和合成油潤滑脂；按用途分類，如分為減摩潤滑脂，防護脂和密封脂；按潤滑脂的某一特性分類，如高溫脂，耐寒脂和極壓脂等。潤滑脂中的稠化劑的類型，是決定潤滑脂工作性能的主要因素。潤滑脂的分類方法幾類潤滑脂特性的簡要介紹：（1）烴基潤滑脂

以石蠟稠化基礎油制成的潤滑脂稱為烴基潤滑脂。具有良好的可塑性，化學安定性和膠體安定性，不溶于水，遇水不產(chǎn)生乳化。其缺點是熔點低。烴基潤滑脂主要用于保護場合。（2）皂基潤滑脂

皂基潤滑脂占潤滑脂產(chǎn)量的

90%左右，使用最廣泛。最常使用的有鈣基，鈉基，鋰基，鈣一鈉基，復合鈣基等潤滑脂。復合鋁基、復合鋰基潤滑脂也占有一定的比例。鈣基潤滑脂：不溶于水，滴點低，適用于溫度較低，環(huán)境潮濕的軸承部件中。鈉基潤滑脂：耐高溫，但易溶于水，適用于溫度較高，環(huán)境干燥的軸承部件中。鋰基潤滑脂：抗水性較好，滴點較高，適用于潮濕和與水接觸的機械部位。鋁基潤滑脂：高耐水性，適用于與水接觸的部位，集中潤滑系統(tǒng)和航運機械部位的潤滑及防蝕。鋇基潤滑脂：有良好的抗水性，滴點較高，不溶于汽油和醇等有機溶劑，適用于油泵，水泵等摩擦部位的潤滑。目前使用最多的是鈣基潤滑脂，它有耐水性，常用于60

C以下的各種機械設備中的軸承潤滑。鈉基潤滑脂可用于115~145

C以下，但不耐水。鋰基潤滑脂性能優(yōu)良，耐水，在-20~150

C范圍內(nèi)廣泛適用，可以代替鈣基、鈉基潤滑脂。（3）無機潤滑脂

主要有膨潤土潤滑脂及硅膠潤滑脂兩類。硅膠潤滑脂是由表面改質的硅膠稠化甲基硅油制成的潤滑脂，可用于電氣絕緣及真空密封。膨潤土潤滑脂是由表面活性劑處理后的有機膨潤土稠化不同粘度的石油潤滑油或合成潤滑油制成。適用于汽車底盤、輪軸承及高溫部位軸承的潤滑。（4）有機潤滑脂

各種有機化合物稠化石油潤滑油或合成潤滑油，各具有不同的特性，這些潤滑脂大都用作特殊用途。如陰丹士林、酞青銅稠化合成潤滑油制成高溫潤滑脂可用于200~250℃；含氟稠化劑如聚四氟乙烯稠化氟碳化合物或全氟醚制成的潤滑脂，可耐強氧化劑，作為特殊部件的潤滑。又如聚脲潤滑脂可用于抗輻射條件下的軸承潤滑等。2．潤滑脂的性能潤滑脂的主要性能包括：流動性（針入度）、觸變性、粘度、強度極限、低溫流動性、滴點、蒸發(fā)性、膠體安定性、氧化安定性等。潤滑脂的最主要性能是流動性，以針入度表示。針入度數(shù)值越大表示潤滑脂越軟。

3．潤滑脂使用（1）潤滑脂的填充量

潤滑脂的填充量，以填充軸承和軸承殼體空間的1/3到1/2為宜。若加脂過多，由于攪拌發(fā)熱，會使脂變質惡化或軟化。高速時應僅填充至1/3或更少。當轉速很低時，為防止外部異物進入軸承內(nèi)，可以填滿殼體空間。（2）潤滑脂的補充和更換潤滑脂的使用壽命是有限的，由于剪切作用和工作時間增加，潤滑脂會出現(xiàn)老化，使其潤滑性能降低。為了避免產(chǎn)生過多的摩擦損耗和材料磨損，摩擦副中須隔一定時間補充或更換一次潤滑脂。潤滑脂的補充時間間隔與摩擦副的結構、尺寸、轉速和環(huán)境條件有關。不同滾動軸承的潤滑脂補充時間間隔上圖是在軸承外徑表面溫度為70oC情況下繪出的，因此適用于軸承溫度70oC以下，若超過70oC，每上升15oC，補充周期應減半。如軸承用于塵埃很多，且密封不可靠的場合，補充周期可縮短到圖示值的一半到十分之一。（3）潤滑脂的混合原則上，牌號不同的潤滑脂不能混合，含有不同種類稠化劑的脂相混合會破壞潤滑脂的結構和稠度，不同基油的脂相混合會造成兩元相流體而影響連續(xù)潤滑。因此，一般應避免混合使用各種潤滑脂，若必須更換牌號相異的潤滑脂時，應把軸承內(nèi)原有的潤滑脂完全清除后，再填入新的潤滑脂。2.1.4固體潤滑劑1．固體潤滑劑的性能

固體潤滑是指利用固體粉末、薄膜或整體材料來減少作相對運動兩表面的摩擦與磨損并保護表面免于損傷的作用。固體潤滑劑的基本性能有以下要求：

（1）能與摩擦表面牢固地附著，有保護表面功能；

（2）具有較低的抗剪強度；

（3）穩(wěn)定性好，包括物理熱穩(wěn)定，化學熱穩(wěn)定，時效穩(wěn)定和不產(chǎn)生腐蝕及其他有害的作用；

（4）要求固體潤滑劑有較高的承載能力。由于固體潤滑劑不能像潤滑油那樣可以把摩擦界面上的摩擦熱導出一部分，而且在使用過程中很難補充，因此在選用時應根據(jù)固體潤滑劑的特點，考慮采取相應的補救措施。固體潤滑劑的使用方式◆整體使用，如將尼龍或聚四氟乙烯塑料制成齒輪、軸承和凸輪等；◆以各種覆蓋膜的形式使用，如粘結膜、轉化膜、等離子噴鍍膜和濺射膜等；◆以復合材料或組合材料的形式使用，如以金屬為基體的復合材料和將金屬液浸漬到石墨孔隙中的金屬石墨組合材料等；◆直接使用粉末固體潤滑劑，或將粉末如石墨粉和二硫化鉬粉等添加到油、脂中使用等。2．固體潤滑劑的種類

固體潤滑劑一般可分為以下幾類：

層狀晶體結構固體潤滑劑：它們是易于劈開的化合物或具有減摩作用的單體物質。按結合形式、結晶體系和成分可分為：硫化物，硒化物，碲化物，氟化物，鹵化物，單質（石墨等），氮化物，氧化物，有機物等；非層狀無機物：如硫化物，碲化物，氟化物，陶瓷和超硬合金；軟金屬薄膜：如Au，Ag，In，Ca，Cd，Pb，Sn及其合金；高分子材料：如聚四氟乙烯，聚縮醛，尼龍，聚酰胺，聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，硅樹脂等；

化學生成膜與化學合成膜：如磷酸鹽，以及在鍍鉬的金屬表面通以硫蒸氣，生成MoS2膜等。最常用的固體潤滑劑有：石墨、二硫化鉬（MoS2）、聚四氟乙烯（PTFE）和尼龍等。石墨性能穩(wěn)定，在350

C以上才開始氧化，并可在水中工作。二硫化鉬與金屬表面吸附性強，摩擦系數(shù)低，使用溫度范圍也廣（-60~300

C），但遇水則性能下降。使用固體潤滑劑，一定要了解固體潤滑劑的特性，根據(jù)工作條件合理使用，才能達到預期的效果。聚四氟乙烯3．固體潤滑劑的使用方式(1)作為固體潤滑粉末來使用將固體潤滑粉末（如MoS2）以適量添加到潤滑油或潤滑脂中，可提高潤滑油脂的承載能力及改善邊界潤滑狀態(tài)等，這也是較常用的使用方法，如MoS2油劑、MoS2油膏、MoS2潤滑脂及MoS2水劑等。以粒度小于0.5

m的固體潤滑劑加入到發(fā)動機潤滑油中，這些小顆粒能通過濾器進到摩擦面，當摩擦面因某種原因暫時缺油時，固體潤滑劑的小顆粒起潤滑作用，起到短時間應急的作用。(2)在一些特殊條件下，脂潤滑和油潤滑的使用受到限制時可采用混合潤滑劑。方法有：將固體潤滑劑加入潤滑脂中，一般是在潤滑脂中加入3%或5%的一號二硫化鉬；用粘接劑將固體潤滑劑加入工程塑料和粉末冶金材料中，制成有自潤滑性能的軸承零件；在軸承的滑動部位刻制小槽或小溝，嵌入相應形狀的固體潤滑劑組合材料；也可在保持架兜孔、引導面或滾道上直接鑲嵌固體潤滑劑組合材料。用電鍍、高頻濺射、離子鍍層、化學沉積、溶射等技術使固體潤滑劑或軟金屬（金，銀，鉛等）在軸承零件摩擦面上形成一層均勻