1-4摩擦与磨损李世维

摩擦学（Tribology）•定义：研究相互运动物体的相互作用表面及其有关理论和实践的科学技术。•内容：摩擦（friction）、磨损（wear）润滑（lubrication）•意义：•（1）经济方面•（2）理论方面•（3）应用方面§摩擦（Friction）•一．摩擦•1．定义：两个接触物体在外力作用下产生相对运动（或运动趋势）时，接触表面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。•2．摩擦副：•二、摩擦表面相互运动零件配合表面的摩擦、磨损与摩擦表面的形貌、表面层的结构和性能有关。摩擦表面的形貌（SurfaceLayermorphology）和表示方法•实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差。•零件表面形貌可分为：•表面波度：•表面粗糙度：粗糙度（Ra）•宏观几何形状：用圆度、圆柱度、平面度表示。轮廓算术平均偏差（Ra）•指在L长度范围内被测表面轮廓上的各点至轮廓中线mm距离绝对值总和的算术平均值。它是用表面轮廓在高度上的量来反映表面粗糙度的大小。•（公式见课本）表面层的结构（SurfaceLayerComposition）•金属表面层的具体结构：•表面层的硬度高于基体，提高表面的耐磨性。•表面层晶粒较细使晶界增加，对腐蚀介质中工作的摩擦副不利。•表面层中存在着物理、化学和应力缺陷。会成为磨损的应力集中源。结论•（1）实际表面是凹凸不平的；•（2）接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积名义接触面积；•（3）即使在接触点上，也可能有表面膜把金属隔开。三、（滑动）摩擦机理•1机械理论（凹凸说）1699年产生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交错啮合作用而引起的。表面的粗糙度越大，摩擦力越大。•2分子理论（分子说）：1734年，基本观点：产生摩擦的原因是由于表面分子间的相互作用。•3分子—机械理论：1939年，认为：摩擦有两重性（分子作用和机械作用）。•4粘着理论：1942年，比较公认的理论。Bowden等人，基本观点：实际接触面积小（名义接触面积的千分之几或万分之几）应力大表面膜破裂并伴有塑性变形（变形热）粘着产生滑动阻力即摩擦力。四、摩擦类型•按摩擦副的运动状态分：静摩擦和动摩擦•按摩擦副的运动形式分：滑动摩擦和滚动摩擦•按摩擦表面的润滑状态分：•纯净摩擦•干摩擦DryFriction：•边界摩擦BoundaryFriction•液体摩擦（LiquidFriction）•混合摩擦：干摩擦DryFriction•定义：摩擦表面间没有任何润滑剂时的摩擦。•特点：摩擦系数大，0.1～1.5。•摩擦机理：•机械作用：接触面积小→塑性变形→氧化膜被压碎或剪切→分子溶合→冷焊→焊点被剪切•分子作用：塑性变形→晶格歪扭破碎→加工硬化→表面温度升高，高于再结晶温度→硬化层发生再结晶→温度继续升高→表面金属软化，发生粘结和相变→继续运动→接触部分脱开→冷却淬火→进一步提高硬度。•化学作用：氧化膜被压碎或剪切→裸露的金属氧化→形成新的氧化膜。边界摩擦BoundaryFriction•定义：在摩擦副的表面间，存在一层极薄边界膜时的摩擦，称为边界摩擦。边界膜分为物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜。•特点：•★边界膜的厚度很小（0.1微米），但仍可使摩擦系数大大降低（0.05～0.5）。•★摩擦磨损特性不取决于润滑剂的粘度，而是取决于表面膜的特性。•减少边界摩擦的方法•在普通工作条件的机械的润滑剂中，加入油性添加剂，如：油酸、甘油等。•在低速、重载的“极压条件”下工作的润滑剂中，加入极压添加剂（又称油膜增强剂），如：酯。•边界摩擦实例：气缸套—活塞环，凸轮—挺杆等。物理吸附膜•矿物润滑油中常含有一些极性物质，其分子的一端是带有强电荷的极性团，与金属表面亲和力强，在金属表面形成单层分子或多层分子的吸附膜。因此，摩擦发生在金属表面的极性分子的非极性端，从而有效地防止摩擦表面的直接接触，减少了摩擦。•物理吸附膜完全可逆，受热容易产生脱吸，所以适用于常温、低速、轻载的摩擦副。化学吸附膜•润滑剂中的一些极性分子的有价电子与金属或其氧化表面的交换电子产生新的化合物，定向排列吸附于金属表面。•化学吸附膜很薄，且吸附于脱吸不完全可逆，受热发生脱吸。化学反应膜•在润滑油中加入硫、磷、氯等元素的添加剂（极压添加剂），在高温下这些元素与金属表面发生化学反应形成厚度较大的化学反应膜。•化学反应膜稳定，用于高温、高压、高滑动速度的摩擦副。液体摩擦（LiquidFriction）•定义：摩擦副表面有一层由边界膜和流体膜组成的润滑剂，摩擦表面不直接接触。•特点：摩擦系数小。•类型：•☆流体静压润滑：利用压力把润滑剂打入摩擦表面使之隔开的润滑。需要一套专用的供油系统。•☆流体动压润滑：利用摩擦表面的相对运动使润滑剂流体自然产生内压来承受外部载荷并使摩擦表面隔开的润滑。建立液体摩擦油膜必须具备的条件•摩擦表面应具有较高的加工精度和表面粗糙度等级。•摩擦副零件的配合间隙要合适。•保证连续而又充分地供给一定温度下粘度合适的润滑油。•摩擦副零件必须具有足够高的相对滑动速度。4混合摩擦：•半干摩擦：介于边界摩擦和干摩擦间的摩擦。•半液体摩擦：介于边界摩擦和液体摩擦间的摩擦。•小结：•力求维持液体润滑;最低要维持边界润滑或混合润滑;避免出现干摩擦。§二磨损•定义：摩擦副的表面物质，在摩擦的过程中逐渐损失，使其尺寸、形状和位置精度及表面层性质发生改变的现象，称为磨损。•磨损指标：•磨损量指标：磨损量、磨损率•几何形状指标：平面度、圆度、圆柱度•引起磨损的主要因素。一、磨损的概念几何形状指标•平面度；公差带是距离为公差值t的两个平行平面之间的区域。•圆度：半径差为公差值t的两个同心圆之间的区域。轴颈的圆度误差可以采用外径千分尺测量指定平面两个相互垂直的直径，其半径差就是圆度误差。•圆柱度：其公差带是半径差为公差值t的两个同心圆柱面之间的区域。测量轴或孔的同一纵向截面（包含轴线）内数个直径，其中最大与最小直径的半径差即为圆柱度误差。引起运动副磨损的主要因素摩擦环境因素（温度、介质、润滑条件、应力等）材料的成分、组织和性能，以及在磨损过程中的变化。装配质量二、磨损的机理粘着磨损磨粒磨损腐蚀磨损微动磨损疲劳磨损粘着磨损•粘着——粘着点剪切——材料转移——反复作用后脱落，形成磨练粒低温粘着磨损高温粘着磨损低温粘着磨损•相对运动速度不大（0.5~0.6m/s）而法向载荷较大，摩擦表面温度在100~150度之间。接触点粘接——产生塑性变形而硬化（强度大于摩擦副中较软金属的强度——因相对运动而被剪切。表面层和基体的金相组织和化学成分均无明显变化。高温粘着磨损•相对运动速度很大而法向载荷较高，接触点的瞬时温度很高——表面金属发生软化并粘结在另一金属表面——沿运动方向形成裂口和凹穴。表面层的金相组织和化学成分均有明显变化。磨屑呈薄带状，厚度较低温摸粘着磨损厚度小。粘着磨损可分为：名称发生剪切部位表面破坏程度轻微磨损粘着面上金属有极轻微的转移涂抹距粘着面不远的较软的金属浅层内较软的金属涂抹在较硬的金属表面擦伤较软金属的表层内沿运动方向产生细小拉痕划伤较软金属的表层内严重的拉痕撕裂较软金属表面深层处表面被严重撕裂而显得很粗糙和有明显的变形咬死粘着强度高，粘着面积大，剪切应力小，粘接点焊合而使相对运动受阻。拉缸•柴油机运转时，活塞裙、活塞环和气缸套工作表面在异常情况下出现擦伤、划伤、撕裂和咬死的现象。•轻微拉缸、严重拉缸（咬死）影响因素载荷、润滑条件、相对运动速度、工作温度摩擦副的材料冶金互溶性：两种金属材料在固态能相互溶解的性能。金属相溶性好，易发生粘着。相同材料粘着磨损较不同材料大得多。元素周期表中相距较远的元素互溶性小，不易发生粘着。金属组织结构：多相金属比单相金属抗粘着性好。金属间化合物比单相固溶体抗粘着性好。脆性材料比塑性材料抗粘着性好。减少粘着磨损的方法（1）合理选材；（2）合理选择润滑剂与添加剂：油性剂、极压剂等。（3）采用表面处理：镀铬环。（4）降低表面粗糙度：（5）合理的结构设计：有利于形成油膜、散热等磨粒磨损•定义：在摩擦表面间存在的固体颗粒对摩擦表面产生微切削和刮擦作用引起的磨损。•磨损机理：•磨粒来源：•减磨措施：（1）提高材料的硬度、强度和韧性；（2）表面处理；（3）采用保护措施；防止外界磨粒的侵入，“三滤”。腐蚀磨损•定义：摩擦副表面的机械摩擦作用再加上表面与周围介质间的化学或电化学反应而造成的磨损。•化学反应或电化学反应和机械作用交替进行并且相互促进。•（1）氧化磨损：干摩擦时主要的磨损形式。•（2）特殊介质中的腐蚀磨损：有酸、碱、盐等介质存在时。•减小磨损的措施：（1）选择耐腐蚀能力强的材料。（2）涂保护层；（3）提高表面材料的屈服强度；（4）降低表面温度；（5）在润滑剂中加入抗氧化剂、抗腐蚀剂。微动磨损•两接触表面在载荷的作用下，由于微幅（0.25微米）振动而引起的机械化学磨损。是一种复合（粘着、腐蚀、磨粒、疲劳）磨损形式。•机理：粘着由于振动发生剪切氧化膜脱落形成磨粒磨粒不能外排而加剧磨损……。•特征：摩擦副表面存在大量的磨屑，且磨屑由大量的氧化物组成。•减磨措施：（1）选择抗粘着的材料；（2）涂二硫化钼；（固体润滑剂）；（3）加入抗氧化、抗腐蚀、极压剂等；（4）降低应力集中。疲劳磨损•定义：摩擦副的表面在交变接触应力的作用下，因疲劳而不断损失的现象。•场合：滚动、滚动＋滑动。•机理：物理的或化学的缺陷——在交变应力的作用下产生裂纹源——进一步扩展——最后发生局部剥落而引起表面的损耗。三、磨损规律时间（或摩擦行程）磨损量磨合期正常磨损期急剧磨损期•OA——磨合期•特点：磨损量增大速度快，“走顺”•原因：A、新造零件工作表面高低不平，实际接触面积小而应力大。B、润滑油膜在开始运转阶段因转速低而难于建立。C、即使形成油膜，也会因表面的尖峰和摩擦产生大量的热使润滑油粘度降低而遭到破坏，引起粘着磨损。•AB——正常磨损期：特点：磨损率小，增加缓慢。应设法延长。•BC——急剧磨损期：应停机检修，恢复技术状态。良好的磨合是重要的•理想的磨合：•A、在短时间内必须进行有效的初期磨合。•B、在磨合中的磨损量最小。•实现良好磨合的措施：•A、能很好地保证润滑油的品质和润滑油连续充足地供给。•B、有合适的负荷与运转时间分配。一般原则是：转速、负荷由小到大，先升速后加负荷。•C、摩擦表面的加工粗糙度应适当。影响磨合的因素•润滑：润滑油的品质及其充分供给。•低粘度气缸油具有良好的均布性和散热性，有利于磨合。•碱值越高，拉缸发生率越大。磨合初期用不含碱性的纯矿物油，随后选用中度碱值气缸油，最后使用高碱值气缸油。•注油器按说明书调节注油量。•摩擦表面形貌•活塞环外表面采用磷化、氧化、镀锡或镀铜、喷钼等工艺。•气缸套内表面采用磷化处理、松孔镀铬等工艺。采用衍磨工艺或波纹切削。•科学合理的磨合程序•转速由低到高、负荷由小到大、运转时间分配合理。