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机械设计第二章摩擦磨机械设计第二章摩擦磨损润滑损润滑2022/10/8机械设计第二章摩擦磨损润滑第二章第二章摩擦、磨损及润滑基础知识摩擦、磨损及润滑基础知识第一节第一节 概述概述摩擦学摩擦学:专门研究作相对运动和相互作用两表面间专门研究作相对运动和相互作用两表面间的摩擦、磨损和润滑问题的摩擦、磨损和润滑问题是有关摩擦、磨损和是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称润滑科学的总称有用摩擦：有用摩擦：利用摩擦传递动力或吸收能量起缓利用摩擦传递动力或吸收能量起缓冲阻尼作用应采用耐磨材料副冲阻尼作用应采用耐磨材料副有害摩擦：有害摩擦：造成能量损耗、效率降低、温度升造成能量损耗、效率降低、温度升高、表面磨损应采用减摩材料和减摩措施高、表面磨损应采用减摩材料和减摩措施磨损磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中，大约是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中，大约有有80%80%是由于各种形式的磨损造成的是由于各种形式的磨损造成的润滑润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法机械设计第二章摩擦磨损润滑1 1、表面形貌、表面形貌 在工程中使用的金属表面，都不是理想的光滑表在工程中使用的金属表面，都不是理想的光滑表面，尽管宏观上看上去大都很光滑，但微观上看，实面，尽管宏观上看上去大都很光滑，但微观上看，实际表面际表面凹凸不平凹凸不平。

一、表面性质一、表面性质 金属表面性质主要包括两方面的内容：表面形貌金属表面性质主要包括两方面的内容：表面形貌和表面组成和表面组成第二节第二节 表面性质及表面接触表面性质及表面接触表面形貌表面形貌指金属表面几何特征的指金属表面几何特征的详细图形详细图形机械设计第二章摩擦磨损润滑 表面表面形貌中的形貌中的三个三个主要参量主要参量(表征表征)：表面粗糙度表面粗糙度 指细密空间的不规则性指细密空间的不规则性跳动，反映的是金属表面微跳动，反映的是金属表面微观几何形状误差它体现了观几何形状误差它体现了表面加工方法的固有特性表面加工方法的固有特性表面波度表面波度 指较大空间内周期性出现的不规则性波指较大空间内周期性出现的不规则性波动往往是因为机床刀具或工件振动的结果往往是因为机床刀具或工件振动的结果形状误差形状误差 实际表面形状偏离名义表面形状的偏差实际表面形状偏离名义表面形状的偏差在表面形貌分析中，通常是不考虑的在表面形貌分析中，通常是不考虑的机械设计第二章摩擦磨损润滑表面粗糙度表面粗糙度对材料表面性质影响最大，通常用轮廓算术对材料表面性质影响最大，通常用轮廓算术平均偏差平均偏差Ra值的大小来度量金属表面的粗糙程度。

值的大小来度量金属表面的粗糙程度机械设计第二章摩擦磨损润滑2、表面组成、表面组成 金属表面在切金属表面在切削加工过程中表削加工过程中表层组织结构将发层组织结构将发生变化，使表生变化，使表面由若干层次构面由若干层次构成，典型的金属成，典型的金属表面结构如图所表面结构如图所示金属表面的组成指表层结构和其金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质物理化学机械性质机械设计第二章摩擦磨损润滑表面吸附膜表面吸附膜决定金属表面的润滑特性（边界润滑）决定金属表面的润滑特性（边界润滑）（边界膜）（边界膜）表面氧化膜表面氧化膜决定决定金属表面的摩擦磨损特性金属表面的摩擦磨损特性变形层和贝氏层变形层和贝氏层决定金属表面强度决定金属表面强度机械设计第二章摩擦磨损润滑 研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先是了解它研究两金属表面的摩擦磨损过程时，首先是了解它们之间的接触状况一般经过机械加工的金属表面，们之间的接触状况一般经过机械加工的金属表面，都有一定的都有一定的粗糙度粗糙度二、表面接触二、表面接触 因此，两摩擦因此，两摩擦表面在相互接触表面在相互接触时，实际只是个时，实际只是个别的别的微凸体之间微凸体之间接触接触。

机械设计第二章摩擦磨损润滑二、表面接触二、表面接触实际表面的接触情况实际表面的接触情况：a)许许多微凸体接触，实际接多微凸体接触，实际接触面积较小触面积较小b)受载后，参与接触的微凸受载后，参与接触的微凸体数目增加体数目增加机械设计第二章摩擦磨损润滑u金金属属表表面面的的实实际际接接触触面面积积非非常常小小，通通常常只只是是名名义义面面积积的的1%1%到到0.01%0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定视载荷的大小和表面的粗糙程度而定表面接触的一些结论：表面接触的一些结论：u表面微凸体表面微凸体大小、高度不等，接触时大小、高度不等，接触时一部分弹性变形一部分弹性变形，一部分一部分塑性变形塑性变形，这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关由于，这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关由于实际接触面积非常小，所以接触面积上的应力非常大，因此，大实际接触面积非常小，所以接触面积上的应力非常大，因此，大多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体u实实际际接接触触面面积积随随着着法法向向载载荷荷的的增增大大而而增增大大，它它的的增增大大主主要要体体现现在在接接触触点点的的数数量量增增加加，而而各各个个接接触触点点因因弹弹性性和和塑塑性性变变形形而而使使接触面积的增加是次要的。

接触面积的增加是次要的机械设计第二章摩擦磨损润滑第三节第三节 摩擦摩擦 在外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动在外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗或有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力，这一现象叫做滑动的阻力，这一现象叫做摩擦摩擦，这时所产生的阻力，这时所产生的阻力叫做叫做摩擦力摩擦力摩擦可分为摩擦可分为两大类两大类：一类是发生在物质内部，阻碍：一类是发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的分子间相对运动的内摩擦内摩擦；另一类是在物体接触表面上；另一类是在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动的产生的阻碍其相对运动的外摩擦外摩擦机械设计第二章摩擦磨损润滑外摩擦外摩擦静摩擦静摩擦动摩擦动摩擦动摩擦动摩擦滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦滚动摩擦表面摩擦状态表面摩擦状态干摩擦干摩擦液体摩擦（液体润滑）液体摩擦（液体润滑）边界摩擦（边界润滑）边界摩擦（边界润滑）混合摩擦（混合润滑）混合摩擦（混合润滑）（润滑状态）（润滑状态）机械设计第二章摩擦磨损润滑一、干摩擦一、干摩擦 是指表面间是指表面间无任何润滑剂无任何润滑剂或或保护膜保护膜的纯金的纯金属接触时的摩擦。

属接触时的摩擦在机械设计中，通常将两接触表面没有人在机械设计中，通常将两接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦干摩擦时，摩擦阻力最大，金属间的摩擦干摩擦时，摩擦阻力最大，金属间的摩擦系数系数 f=0.15 1.5机械设计第二章摩擦磨损润滑 古典摩擦理论古典摩擦理论（阿蒙顿，库仑）（阿蒙顿，库仑）l 摩擦力摩擦力F 与正压力与正压力FN 成正比成正比 F=f FN 古典摩擦理论有一定的局限性，例如，法向力很大古典摩擦理论有一定的局限性，例如，法向力很大的时候，实际接触面积接近名义接触面积，摩擦力和的时候，实际接触面积接近名义接触面积，摩擦力和法向力就不再成线性关系法向力就不再成线性关系l 摩擦力摩擦力F 与表面名义接触面积的大小无关与表面名义接触面积的大小无关 l F静静 F动动，且，且 F动动 与与 v 无关无关机械设计第二章摩擦磨损润滑机械啮合理论机械啮合理论库仑理论库仑理论分子作用理论分子作用理论 能量理论能量理论粘着摩擦理论粘着摩擦理论犁沟理论犁沟理论分子分子机械理论机械理论等等 干摩擦理论（表面接触数学模型）：干摩擦理论（表面接触数学模型）：鉴于古典摩擦理论的局限性，人们进一步研究有鉴于古典摩擦理论的局限性，人们进一步研究有关摩擦的机理，并形成了很多干摩擦理论：关摩擦的机理，并形成了很多干摩擦理论：机械设计第二章摩擦磨损润滑1、机械啮合理论、机械啮合理论 认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表面微凸体机械啮合力的总和。

滑动摩擦中能量面微凸体机械啮合力的总和滑动摩擦中能量损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形2 2、分子作用理论、分子作用理论 认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引的起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引力形成的力形成的机械设计第二章摩擦磨损润滑4 4、分子、分子机械理论（摩擦二项式定律）机械理论（摩擦二项式定律）认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分子吸引力的过程，因而摩擦力就是接触面积上的分子子吸引力的过程，因而摩擦力就是接触面积上的分子和机械作用所产生的阻力总和和机械作用所产生的阻力总和其摩擦系数的表达式为：其摩擦系数的表达式为：式中：式中：为与表面分子特性有关的参数为与表面分子特性有关的参数;.为与表面机械特性有关的参数为与表面机械特性有关的参数;Ar为实际接触面积为实际接触面积;FN为法向载荷为法向载荷 分子分子机械理论考虑的因数较多，比较符合实验的结机械理论考虑的因数较多，比较符合实验的结果能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态。

果能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态机械设计第二章摩擦磨损润滑3 3、粘着摩擦理论、粘着摩擦理论 粘着理论认为：粘着理论认为：摩擦表面处于塑性接触的状态；摩擦表面处于塑性接触的状态；滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和表面承载接触表面承载接触小接触面积小接触面积高应力高应力塑性变形塑性变形冷焊冷焊粘粘着着相对运动相对运动剪断剪断摩擦磨损摩擦磨损表面承载接触表面承载接触较硬表面微凸体较硬表面微凸体相对运动相对运动在较软表面在较软表面上犁出上犁出犁沟犁沟机械设计第二章摩擦磨损润滑 在简单粘着理论中摩擦系数在简单粘着理论中摩擦系数 f 的表达式则为：的表达式则为：简单粘着理论简单粘着理论由于在分析实际接触面积时只考虑受压由于在分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限，而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，屈服极限，而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，没有考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切没有考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切应力的联合作用，因此得出的滑动摩擦系数与实测结果应力的联合作用，因此得出的滑动摩擦系数与实测结果有很大的出入，为此，有很大的出入，为此，BowdenBowden等人于等人于19641964年又提出了一年又提出了一种更切合实际的修正粘着理论。

可参考有关资料种更切合实际的修正粘着理论可参考有关资料机械设计第二章摩擦磨损润滑二、边界摩擦（边界润滑）二、边界摩擦（边界润滑）指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质与液体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附擦性质与液体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附性质有关性质有关虽然边界润滑不能完全避免金属间的直接接触，但可虽然边界润滑不能完全避免金属间的直接接触，但可以大大地减小摩擦力，一般摩擦系数以大大地减小摩擦力，一般摩擦系数 f=0.1 左右边界润滑动画边界润滑动画单层分子边界膜模型单层分子边界膜模型 单层分子边界膜摩擦单层分子边界膜摩擦 机械设计第二章摩擦磨损润滑 边界膜按形成的机理，分为边界膜按形成的机理，分为吸附膜吸附膜（物理吸附膜（物理吸附膜和化学吸附膜）和和化学吸附膜）和反应膜反应膜润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上，就形成面上，就形成物理吸附膜物理吸附膜润滑剂中分子受化学键力作用而吸附在金属表面润滑剂中分子受化学键力。