三章-磨擦、磨损及润滑.pdf

1第三章磨擦、磨损及润滑（一）教学要求掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程和机理及润滑的类型及润滑剂类型二）教学的重点与难点摩擦副基本性质和典型磨损过程（三）教学内容§3—1摩擦 摩擦——两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动 的切向阻力，——这种现角叫磨擦 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 摩擦学（Tribology）——包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、工程热物 理学等学科，是一门边缘和交叉学科摩擦内摩擦——发生在物质内部 外摩擦——两个相互接触表面之间的摩擦 接运动状态——摩擦静摩擦——仅有相对滑动趋势时的摩擦 动摩擦 本节只讨论金属摩擦副的滑动摩擦 根据摩擦面间存在润滑剂的状况， 干摩擦——最不利 滑动摩擦边界摩擦（边界润滑） ——最低要求 流体摩擦（流体润滑） ——如图 3-1 所示 混合摩擦（混合润滑） ——最理想各种状态下的摩擦系数见表 3-1，图 3-2 为摩擦特性曲线pvf/ηλ=−的关系。

一、干摩擦——两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦 而实际上，即使很洁净的表面上也存在脏污膜和的氧化膜，∴实际 f 比在真空中测定值 小很多摩擦理论：①库仑公式nffFF=（nF—法向力）——至今沿用机理：②机械摩擦理论→认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦力为啮 合点问切向阻力的总和，表面越粗糙，摩擦力就越大但不能解释光滑表面间的摩擦现象——表面愈光滑、接触面越大，fF越大，且与滑动速度 V 有关③新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论—常用简单粘着理论：如图 3-3 所示，摩擦副真实接触面积Ar只有表现接触面积 A 的百分之2一和万分之一，)10000~100/(AAr=，∴接触面上压力很大，很容易达到材料的压缩屈服极限syσ→产生塑性流动→接触面↑，∴nF↑应力并不升高∴synFArσ=（3-1）接触点塑性变形后→脏污膜遭破坏， 容易使基本金属产生粘着现象→产生冷焊结点→滑动时，先将结点切开，设结点的剪切强度极限为Bτ，则摩擦力为B syn BrfFAFτστ==（3-2）∴金属摩擦系数syBnf FFfστ==（3-3）Bτ两接触金属中较软者的剪切强度——剪切发生在软金属站界面的剪切强度极限BffBττττ5 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，f极小，是理想摩擦状态。

§3—2磨损磨损是摩擦的直接结果，→使材料损耗η↓，工作精度↓，可靠性↓，一般是有害的，但工程上也有利用磨损作用的场合：如精加工中的磨削与抛光、机器的跑合等 一、典型的磨损过程——如图 3~6 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 注意：实际机械零件在使用过程中，这三个过程无明显界限 若不经跑合，压力过大，v 过高或润滑不良等，则经跑合直接进入剧烈磨损阶段 二、磨损的类型 1、粘着磨损——由于吸附膜破裂而使轮廓直接接触形成冷焊结点（粘着） ，并由于接 触表面间的相对运动使材料由—表面→转移至另一表面， 载荷越大， 温度越高， 粘着越严重 粘着磨损程度：1）轻微磨损（较浅层） 2）涂抹（剪切在软金属浅层） 3）划伤（剪切在软金属浅层硬表面划伤） 4）撕脱（剪切在基本金属较深处）胶合——高速重载接触副常 5）咬死见失效形式 2、磨粒磨损——由于外部进入的硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物在较软的材料表 面（犁刨出很多沟没时被移去的材料）进行微切削的过程叫磨粒磨损。

零件材料表面越硬，磨损越小，一般要求金属材料的硬度应至少比磨粒硬度大 30% 3、表面疲劳磨损——受交变接触应力的摩擦副表面微体积材料在重复变形时疲劳破坏 而从摩擦副表面剥落下来，这种现象称表面疲劳磨损（点蚀） 减少表面疲劳磨损的措施：1）减小接触应力；2）提高硬度；3）减小表面粗糙度；4） 适当提高润滑油的粘度，在润滑油中加入极压添加剂和固体润滑剂 4、腐蚀磨损——摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的磨4损 腐蚀磨损氧化磨损——铝合金表面酸、水、氧化膜起保护作用，钢铁表面脆性氧化膜22OFe、43OFe起腐蚀作用特殊介质腐蚀磨损——与酸、碱、盐等特殊介质作用而引起的腐蚀磨损 a) 侵蚀磨损——由于流体在与零件作相对高速运动时产生气泡，气泡在溃灭的瞬间产 生极大的冲击力和高温，由于其反复作用，使零件表面产生疲劳破坏出现麻点，并扩展为海 绵状空穴——气蚀磨损 侵蚀磨损气蚀磨损——内燃机和缸套外壁，水轮机叶片，水泵零件等 冲蚀磨损——由于流体夹带硬质颗粒以一定速度冲击零件表面引起的磨 损称为~，如水泵零件、水轮机、火箭尾部喷管等 b)微动磨损——是一种较隐蔽的由粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损共同形成 的一种复合磨损。

它发生在名义上相对静止、实际上存在循环的微幅相对滑动的两个紧密接触的表面上 机理：1）先粘着磨损→氧化（腐蚀磨损）→氧化后的颗粒留在接触处而起磨粒作用， 造成表面磨粒磨损→工作表面变粗糙，引起疲劳裂纹§3—3润滑润滑剂的作用：除了降低摩擦，减小磨损外，还起到冷却、降温，减缓锈蚀，缓冲吸振、 清污和密封等作用 一、润滑剂及主要性能 润滑剂液体（水、油） （橡胶、塑料零件的润滑） 单固体——润滑脂 固体——石墨、二硫化钼 气体——（空气）适于高速高温、防污染等特殊场合 常用润滑滑 润滑脂 1、润滑油有机油（动植物油）——使用较少，性能不稳定 矿物油（石油产品）——来源广、成本低，适用范围广且稳定性好， ∴故应用最为广泛 合成油（用化学手段合成）——有特殊性能，针对特殊用途，且成本较高 性能指标： 1）粘度——表征润滑油流动时其油层内摩擦阻力的大小的一个主要指标，详见后面定 义 2）油性——润滑油的极性分子与金属表面吸附形成的边界油膜的吸附能力在低速、 重载的情况下，一般都是边界润滑，油性就有特别重要的意义 3）凝点——润滑油冷却到不能流动时的温度称~，在低温下工作的机械应用凝点低的 润滑油。

4）闪点和燃点——蒸发的油气，一遇火焰即能闪光时的最低温度，称为油的闪点闪 光时间长达 5S 时油温称为燃点高温工作时应选闪点较高的润滑油 5）极压性能——是指加入含硫、磷、氯的有机极性化合物（极压添加剂）后，油中极 性分子在金属表面生成抗腐，耐高压化学反应边界膜的性能在重载、高速、高温条件下极 压性很重要 6）氧化稳定性——防止高温下润滑油氧化生成酸性物质从而影响润滑油的性能并腐蚀5金属 常用润滑油新旧牌号对照及性能和应用见表 3-2，注意，牌号数值越大，润滑油粘度越 高 2、润滑脂——润滑油加稠化剂（如钙、钠、锂的金属皂）的膏状混合物分类——按皂基不同钙基润滑脂—抗水性好，价谦，但耐热性差T110很高粘度指数（2）压力p peαηη0=pη——润滑油在压力 P 时的动力粘度，Pa·s；e=2.718—自然对数底0η——标准大气压时 P 的动力粘度，Pa·s；α—粘压指数（m2/N）一般Nm/10)3~1 (28−×≈α，一般润滑条件下，P 的影响可以不计P>10MPα时，随 P↑→ηP↑，在弹性流体动力润滑时考虑，如果轮啮合处αβMP1000=三、流体润滑简介 1、流体动力润滑液体动力润滑优点： f小磨损小，缓冲吸振 气体动力润滑 两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜而完全隔开， 而由流体膜产生的压力来平衡外载荷，称为流体动力润滑。

实现条件：1）两滑动表面沿运动方向的间隙是由大至小的形状 2）相对速度 v 足够大，油楔中有足够的油量详见第十二章 V 越大、承载能力越大如图 3-10 2、弹性流体动力润滑——考虑弹性变形和压力两个因素对粘度影响的流体动力润滑称 为~ 流体动力润滑时，一般忽略润滑表面弹性变形和压力对润滑油粘度的影响—适于低 副接触，而高副接触时， （如齿轮副、滚动轴承、凸轮等）P 可达 1000MPα，这时η随 P 变化且摩擦表面间不能忽略，局部弹性变形影响 将油膜压力下摩擦表面的变形的弹性方程1）油膜压力分布 研究内容： 润滑剂的粘度与压力关系的粘压方程联合求解 流体动力润滑方程2）油膜厚度分布 如图 3-11 所示，为两平行圆柱体在弹性流体动力润滑条件下，接触面弹性变形、油膜 厚度和压力分布示意图83、流体静力润滑 利用外部供油（气）装置，将一定压力的流体送入两摩擦表面之间以建立压力油膜的 润滑称为流体静力润滑 如图 3-12 所示为典型的流体静力润滑系统示意图 正常使用时，压力油不断从节流间隙外泄，又不断得到油泵补气如果流量补偿随时 和排出量相等，则油膜厚度将恒定不变，油膜刚度变为无穷大（理想状况） ，如果流量补偿 跟不上排出流量，则载荷增大，油膜厚度将减小。

补偿流量装置——补偿元件：毛细管节流器、小孔节流器、定量泵等 优点：1）油膜与速度 v 无关；2）起动、工作和停止时，始终不会发生金属直接接触， 不易磨损，精度保持性好，寿命长；3）油膜刚度大，承载能力高，抗振性好；4）承载能力 与油粘度无关 缺点：需一套供油装置 应用：重型、高效、精密的机器上、用于（轴承、导杆、蜗杆副、传动螺旋中）。