摩擦学第3章.ppt

3.1 表面接触现象◆机械传动中的表面接触——硬/硬接触：金属表面接触时,表面上的凸峰和凹谷相互作用,形成凸凹交错，最先接触的应是两个表面的对应微凸体高度之和为最大的部位，随压力的增加，其他新的成对的微凸体也相应地接触接触开始先发生弹性变形，只有当载荷超过某一临界值时才发生塑性变形 ◆金属材料成形中的表面接触——硬/软接触：成形工具材质较硬，而被加工金属的材质较软，接触时，开始也是微凸体之间的接触，但是随着变形的进行，压下量增加，较硬的工具表面微凸体会将被加工金属的表面的微凸体压扁，进而进入被加工金属的表面，同时由于变形金属的塑性流动，使工具表面的凹谷部位被金属填充，形成加工工具与被加工金属的紧密接触因此，工模具表面的粗糙度和变形金属表面的物理—力学性能将影响接触的性质3. 金属表面接触,3.2 金属接触界面间的作用◆化学键——短程力：包括共价键和离子键（如NaCl分子），会引起化学吸附等现象 作用范围：当被接触表面距离小于1nm时，各种形式的短程力就起作用，会形成黏着等现象◆范德华力（Vanderwaals）——长程力：分子间作用力，会引起物理吸附等现象 作用范围：当被接触表面距离到几百nm时，就会产生范德华力作用。

范德华力作用依赖于相互作用物体的原子结构，分非极性－非极性、极性－非极性、极性－极性接触，三种情况作用力不同●范德华力三种作用形式：（1）非极性分子－非极性分子相互接触时，由于物体表面的分子及原子内电荷分布的波动性，在某一瞬间总会有一个偶极存在，这偶极就是瞬时偶极，相互间的作用力称之为色散力 色散力,,（2）极性分子－非极性分子相互作用接触时，除有色散力作用外，由于非极性分子受极性分子电场的影响而产生诱导偶极，它们之间的作用力为诱导力 色散力＋诱导力,（3）极性分子－极性分子相互接触时，色散力起着作用。

此外，它们的固有偶极由于同极相斥异极相吸的结果，使分子在空间运动遵循着一定的方向，成为异极相邻的状态由于固有偶极的取向化而引起分子间的作用力，称之为取向力 色散力＋取向力,,3.3 表面接触状态 金属表面接触时，其接触具有不连续性和不均匀性采用3种不同接触面积来描述接触面积的大小◆名义(或几何)接触面积（Am ) 名义接触面积是二物体接触相互重叠的表观面积，即接触表面的宏观面积，以Am=a×b表示◆轮廓接触面积(A1)：5－15％ Am 由于波纹度接触斑点集聚在个别区域里的波顶，这些斑点集聚的不同区域之总和，也就是物体的接触表面被压皱部分所形成的面积(图中小圈范围内面积)的总和，叫做轮廓接触面积，以 A1表示 ◆真实接触面积（Az）0.01-0.1% Am 微凸体接触处各微观面积之总和，即在轮廓接触面积内，各实际接触部分的微小面积(图中小圈内黑点所表示的各接触点面积)的总和，叫做真实接触面积，以Az表示。

●研究真实接触面积（Az）的意义： 真实接触面积的大小和分布对摩擦和磨损起决定性的意义真实接触面积上的膜在高压和金属流动作用下会发生破裂，新鲜金属裸露，使得新鲜金属转移到表面上来，从而使金属发生黏着 一个真实接触点的发展过程可分为3个阶段：相互作用，变化，破裂●研究真实接触面积的微凸体模型： 可分为3类：（1）球形； （2）圆柱形； （3）圆锥形 球形微凸体模型可以较客观的反映摩擦的各向同性，并利于计算实际接触面积，有利于从力学角度考虑接触的相互作用问题，因此被广泛采用轴承、齿轮、轧辊等●研究真实接触面积的接触模型： 可分为3类：（1）球面/球面接触模型； （2）球面/平面接触模型； （3）棒形/棒形接触模型◆表面接触变形金属接触表面在受到外力作用时不仅产生表面接触应力，而且材料本身易发生弹性和塑性变形在大多数接触状态下表面的变形具有弹－塑性的特点宏观方面：作用于接触的固体上的外力使固体呈弹性状态；微观方面：由于实际接触必定发生在表面微凸体处，故产生局部的塑性变形。

因此，可将表面微凸体的接触变形形式分为4类：（1）弹性变形：光滑表面承受较小的重复载荷2）塑性变形：塑性较好材料、粗加工（3）加工硬化的弹－塑性变形：大载荷作用下的接触4）无加工硬化的弹－塑性变形3.4 表面接触应力与接触变形◆表面的接触应力 所谓接触应力是指压力经过接触面传递到第二面上形成的应力◆赫兹接触理论,在摩擦学中，许多接触问题要涉及到诸如圆柱体、(椭)球体等的曲面体的弹性接触，如:滚动轴承、齿轮的齿面接触及凸轮与挺杆接触等 赫兹(Hetz）在1882年第一次把弹性体视做二次曲面，分析了它的变形和接触问题因此，这类接触又被称为赫兹接触在摩擦面之间微凸体的接触,也借用赫兹接触理论来解释 这一理论把弹性物体的接触问题按照静态弹性接触问题处理，赫兹分析基于以下假定： 1.互相接触物体是光滑和均质的     2.在接触区域仅有弹性变形发生     3.接触力垂直于接合面 4.将载荷施加时发生在接触区域内的摩擦增大忽略不计平面内的笛卡尔赫兹应力分布,,根据赫兹接触应力计算公式确定的接触剪应力而绘制等色线由图可知，τmax的最大值出现在表面以下的0.67a处。

随着载荷的增加，当接触区中心的最大压力P0为3.1k时，此点的τmax将达到k值因为它意味着越过材料屈服值的接触压力不会导表面致塑性变形，因此在赫兹弹性接触情况下，可以承受比预期为高的载荷当载荷继续增加时，塑性区也增大，最后扩大到物体的表面于是，塑性流动会很快发生，因而圆柱在表面上压出凹痕这种情况发生在平均接触压力Pm约为6k，即超过开始引起屈服的接触压力的两倍时只存在法线方向载荷下的剪应力分布,圆柱与平面接触时在法向载荷与切向载荷（T=0.5μP）联合作用下的实际等色线剪应力最大值位置向表面移动，因此，塑性变形更易发生也就是说，切向载荷牵引力促进了宏观塑性变形的发生很多时候是由摩擦产生的法向载荷与切向载荷T=0.5μP联合作用下下的剪应力分布,,,,◆赫兹接触应力计算球形体接触表面的接触应力 假设在弹性变形范围内，两个半径分别为R1，R2球形微凸体相接触，在压力P作用下，产生一个半径为a的接触圆形面在接触面上最大接触应力为平均接触应力的1.5倍根据弹性力学的知识可得到最大接触应力为： σmax＝1.5σa=1.5P/(2πa2),对于两个材质相同的刚性接触球体有： E1＝E2＝E，μ1＝μ2＝μ＝0.3，,圆柱体接触表面的接触应力 假设在弹性变形范围内，两个半径分别为R1，R2，长为L圆柱微凸体相接触，在压力P作用下，产生一个半径为2bL的长方形接触面。

在接触中线上最大接触应力为平均接触应力的4/π倍根据弹性力学的知识可得到最大接触应力为： σmax＝ (4/π).σa= (4/π).P/(2bL)=2P/(πbL)按照赫兹接触公式可得到： 因此：若两个钢质圆柱体接触，则：E相同，μ＝0.3相同，平均压力q=P/L,有：,曲面物体弹性接触时的接触面积、最大压应力、最大剪应力、及其距表面距离公式：,3.5 面积接触率的计算 表面的接触状况，通常引用面积接触率Rj表示，定义为真实接触面积Az 与名义接触面积Am之比，即 Rj＝Az/ Am 在不同条件下，表面的面积接触状况也不同，面积接触率发生变化◆静态条件下的面积接触率 面积接触率的计算: N=Azσsy Az=N/σsy 式中， N—外载荷或物体重量； σsy－软材料的压缩屈服极限 Rj＝Az/ Am ＝N/(σsy ·Am),在金属加工成形条件下，接触面积都有相对滑动，在真实接触面上将同时受到法向应力σn及摩擦应力τm的联合作用,面积接触率有比较大的增加。

根据Mises条件 σn2＋ατm2=K2 在理想的无摩擦的单向压缩状态下的摩擦应力τm=0 , 当σn＝σsy 则K＝σsy, 所以 σn2＋ατm2＝σsy2 设存在相对滑动时的真实接触面积为Ar’ 则  ( N/Az’)2＋α(F/Az’)2＝σsy2或 Az’2＝(N/σsy)2＋α(F/σsy)2 无相对滑动时, Az2＝(N/σsy)2 比较上两式, Az’/ Az＝(1＋αμ2 )1/2 式中，μ=F/N为平均摩擦系数塑性变形条件下，如镦粗圆柱体试件时，σsy为拉伸屈服极限的2.65～2.86倍，而α＝25左右的常数由此可见，在滑动摩擦，特别是金属塑性变形条件下的真实接触面积将有比较大增加当μ＝0.5 时，面积接触率将为静态的每1~42倍◆滑动条件下的面积接触 Az’/ Az＝(1＋αμ2 )1/2 Rj＝ Az’/Am ＝ (1＋αμ2 )1/2 Az / Am,3.6 接触状态的测定,◆薄膜法 如将齿轮表面涂一层红丹或普鲁士蓝，齿轮啮合后会在被测齿轮表面留下痕迹，根据红丹面积和分布评测接触状态。

涂在接触面上的膜有3类：（1）荧光膜：用松香液、油酸和带颜色的苯溶液涂到表面上，待溶液挥发后，会留下涂层，与未涂层的表面接触后会在表面留下接触斑点， 在紫外线照射下发出荧光，可根据荧光面积和分布评测接触状态2）同位素膜：在摩擦副表面涂同位素，根据活性同位素转移量来分析接触状态3）碳膜：表面涂一层碳膜，待接触后，分析碳膜的破裂情况研究接触状态◆光学法 在外力P作用下被测试样的粗糙表面与透光材料(玻璃)制成的三棱镜面接触时，透过棱镜的反射光在接触处不反射，在目镜上呈黑色斑点，接触点愈多，黑色斑点或条纹的数目愈多，实际接触面积就大若与光学显微镜配合使用，还可直接观察到在外力作用下静态和动态接触时的实际接触面的形成和发展过程并可通过安装在目镜上的照像装置，摄得实际接触面积的变化情形光学法测量实际接触面积,。