第一章-摩擦学基础知识(摩擦表面)

第一章摩擦学基础知识1摩擦表面1.表面形貌组成：固体表面的微观几何形状，即形状公差、波纹度和表面粗糙度统称为表面形貌。（1）表面形状误差：实际表面形状与理想表面形状的宏观偏差，是一种连续而不重复的形状偏差。它是机床-工件-刀具系统的误差和弹性变形等造成，如机床和刀具精度不够、不正确的加工规范或温度应力等。表面形状误差的数值由最大偏差表示，国家标准GB1182～1184-80规定了形状和位置公差。（2）表面波纹度：表面周期性重复出现的几何形状误差，是有规律、周期性、峰和谷的大小几乎相等的表面宏观误差。是由机床-工件-刀具系统的振动和机床传动件的缺陷引起的。它的存在对摩擦磨损是有害的，减少配合件的实际接触面积，导致真实接触表面压强增加，加快零件的磨损。波高h：波峰与波谷之距离。波距s：相邻波形对应点距离。（3）表面粗糙度(surfaceroughness)：是固体表面的基本形貌，又称表面微观粗糙度，波距小，约2~800μm，波高较低0.03~400μm，属表面微观几何形状误差。主要与切削加工方法、刀具的运动轨迹、磨损及工艺系统的高频振动有关。GB1031-83规定了表面粗糙度的参数和数值。工程上通常采用表面粗糙度表征表面的形貌参数。表面粗糙度的特征：1.变化规律：呈现某种规律性变化或为无规律的随机变化特征。如车削、钻孔或刨削等工艺加工的表面微凹凸体分布往往具有一定的规律和方向性；磨削、研磨或抛光等精加工表面则为无规律的随机分布特征。2.与摩擦磨损关系密切：表面粗糙度的特征对接触表面的压力分布、接触变形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力和摩擦成因等有决定性的影响。2.表面粗糙度的评定参数z为轮廓上各点的高度，m-m为轮廓中线，L为取样长度，h为峰或谷距任一平行于中线的基线距离。（1）轮廓算术平均偏差Ra(Arithmeticaverageroughness)轮廓上各点高度在测量长度范围内的算术平均值，数学表达式：概率统计表达式：zi以中线为起点度量出的轮廓高度；n标准长度内测量的次数；ƒ(x)轮廓图形的分布函数。算术平均偏差Ra反映了取样长度范围内轮廓随机分布高度偏离概率分布中心的绝对平均情况，不能真实反映出表面轮廓的离散性和波动性，但由于其定义与测量仪表读数设计原理一致，作为衡量表面粗糙度的主要参数，被广泛采用。（2）轮廓均方根偏差Rq：轮廓图形上各点和中线之间距离平方和平均值的平方根。均方根偏差比算术平均偏差优越，在理论上普遍采用。（3）微观不平度十点平均高度Rz：在取样长度范围内以平行轮廓中线的任一条直线为基准，测量轮廓上五点最高的凸峰和五点最低的凹谷之间的算术平均距离，hpi第i个最高的轮廓峰高，hvi第i个最低的轮廓峰高。这一参数对表面轮廓的评定，在测量时易受人为因素的影响，不能稳定反映出表面的几何特征。(4)中线截距平均值Sm：取样长度范围内，表面轮廓曲线与中线交点各波形之间距离的算术平均值。该参数反应了表面不规则起伏的波长或间距以及粗糙峰的疏密程度。（5）支承面曲线：即能表示粗糙表面的微凸体高度分布，也能反映摩擦表面磨损到一定程度时支承面积的大小。主要用于计算实际接触面积，一般用二维作图法求支承面曲线。（1）以通过最高峰顶点的直线为零位线，在标准长度L的轮廓曲线上，作与中线平行的一系列直线，如h1、h2、h3…..（2）将各平行线截取轮廓图形中微凸体的长度相加，画在轮廓图右侧，直到轮廓图形的最低点为止，连接图中各点，即得到支承面曲线。（3）描述参数（GB3505-83)：相对支承长度率：支承面积：Ax离峰顶h处面积Ao离峰顶最大高度面积（4）按支承面积的大小将轮廓图形分三个高度层：支承面积小于25%的部分称为波峰，为最高层；在25%~75%之间部分称为波中，为中间层；大于75%部分为波谷，最低层。（5）评定摩擦表面的接触和表面磨合:(a)图中，支撑面曲线在微凸体顶部处的斜率较大，曲线较陡，这种表面组成的摩擦副，接触面积小，耐磨性差。(b)图中的支撑面曲线在微凸体顶部处的斜率较小，曲线较平缓，这种表面组成的摩擦副，接触面积较大，耐磨性能较好。3表面形貌统计学特性切削加工的金属表面形貌包含了周期变化和随即变化两个部分，单一形貌参数不能够描述复杂的表面形貌，采用形貌统计参数能反映更多的表面形貌信息。（1).轮廓高度分布函数：切削加工表面的轮廓高度接近于正态分布（Gauss分布）：σ为粗糙度的均方值，正态分布中称标准偏差，σ2为方差。相关参数定义为：(2).分布曲线的数字特征(矩）：（1）一次矩算术平均值：确定中线位置。（2）二次矩-均方偏差：衡量高度分布的离散性。（3）三次矩-偏态S：分布曲线偏离对称位置的指标，正态分布曲线S=0，非正态分布可正可负。（4）四次矩-峰态K：分布曲线的陡峭度。正态K=3，K3概率分散，表面凸峰较平缓。K3概率集中，凸峰较尖锐。(3).自相关函数R(l)：反映了相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势。对于任一条轮廓曲线，自相关函数是各点的轮廓高度与该点相距一定间隔处的轮廓高度乘积的数学期望，即离散函数：测量长度内测量点n，高度值xi，则连续函数的轮廓曲线为积分形式：4表面形貌的测量1.光学法：光学显微镜，适用于测量较规则表面的Sm值。包括光切法和干涉法。2.电子显微镜：适用于评定不均匀表面的粗糙度。3.截面法：直接将轮廓表面切开进行表面几何形状的观察。4.流量法：当流体从测量仪器与被测表面之间的缝隙流过时，如果控制流体压力并测出一定量流体经过缝隙的时间，根据流体力学原理，就可以推算出表面的当量粗糙度。根据表面粗糙度的程度不同，使用的流体有气体和液体两种。5.针描法：利用仪器的触针与被测表面相接触，并使触针等速的沿表面轮廓移动以描述出轮廓的图形。最常使用的是表面轮廓仪。5.表面化学性质：金属零件在加工过程中，表面材料发生变形，位错密度增加，具有较高的能量,表面原子处于不饱和或非稳定态，空气中的气体分子或润滑油分子与金属表面发生作用，形成吸附层。这种吸附层隔开了相对运动的表面，减少了表面直接接触，起到减小摩擦、减轻磨损的作用。（1）物理吸附：当气体或液体与金属表面接触时，分子或原子相互吸引而产生的吸附。物理吸附是靠范德华力，吸附能较弱，小于104J/mol。对温度敏感，吸附层薄，热量可使分子脱吸。（2）化学吸附：吸附物与固体表面之间发生电子交换或存在共用电子对，形成化学键结合。吸附膜牢固，吸附能大，超过104J/mol。由于化学键力的作用范围多在单分子层，化学吸附基本为单分子层。其减磨作用好于物理吸附层。（3）氧化：加工后的金属表面化学活性大，容易氧化生成氧化膜，如铁表面的氧化膜从基体内层到外层的氧化物依次为：FeO-Fe3O4-Fe2O3**氧化膜对表面的保护作用取决于氧化膜的结构和厚度。较薄的氧化膜结合强度高，能阻止黏着。FeO和Fe3O4的保护作用较好，Fe2O3脆性大易被磨掉成磨粒，加剧磨损。铁氧化形成氧化膜6.金属表层的组成:加工后的表面金属表面组成是复杂的，微观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质发生相互作用。大致分为5个部分。污染层：油污、灰尘吸附层：液体、气体氧化层：大气中氧金属表面组成贝氏层：加工中表面熔化和表面分子层流动产生的微晶层。变形层：机加工过程中形成的变质层。金属表面组成吸附膜：表面的洁净程度较高时，极易将周围介质的分子吸附到表面上形成吸附膜。物理吸附膜：如果是靠范德华力键合在表面上的称物理吸附膜。吸附的量是吸附物的分压（当吸附分子为气体时）或吸附物浓度（当吸附物为液体）和绝对温度的函数。ns=f（p,T）ns=f（c,T）式中：ns为吸附量；p为吸附气体分压；c为吸附液体浓度；T为绝对温度。吸附热值低，可逆，单层或多层分子，可在任何表面形成7.表面膜化学吸附膜：吸附分子与固体表面发生电子交换时（即改变了吸附层分子的电子分布），吸附分子与固体表面的作用是化学键结合，称化学吸附膜。吸附热值高，单分子层，有一定选择性。反应膜：极压添加剂（EP剂），S，P，Cl等极性有机化合物。复合添加剂表面氧化膜1.接触的本质：两个粗糙表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表面上一些较高的微凸体发生接触，这些不连续的微小接触点的变形构成了真实的接触面积。随着载荷的的增加，其它次高微凸体也逐渐发生接触。2.接触表面的相互作用：（1）分子相互作用，即粘着:接触只在少数较高微凸体上产生，实际接触面积很小，接触点上的应力很大，在接触点处发生塑性流动、粘着或冷焊。金属间的焊合性能将摩擦副分3类：完全焊合(Pb-Cu,Al-Cu)、部分焊合(Zn-Fe,Al-Fe)和有限焊合(Mg-Fe,Ag-Fe)摩擦副。(2)机械相互作用：材料不发生粘着而是产生一定的变形和位移以适应相对运动。8固体表面的接触3.接触面积(1)名义接触面积An：接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。(2)轮廓接触面积Ap：接触表面被压扁部分形成的面积，即在波纹度的波峰上形成的接触面积。是一种假设接触面积，大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的5~15%。(3)实际接触面积Ar：物体真实接触面积的总和，两接触物体通过表面微凸体直接传递界面相互作用，发生变形而产生的微接触面积之和。为名义接触面积的0.01~0.1%，黑点表示的接触面积。实际接触面积的部分特性：（1）由于表面粗糙度具有离散性，其接触也同样具有离散性。（2）实际接触点是由塑性变形和弹性变形共同作用的结果。（3）实际接触面积随载荷的增大而增大，接触点处的平均面积几乎保持不变。（4）实际接触面积的增加主要是由于接触点数的增加。**对于塑性接触状态，实际接触面积与载荷成正比。**通常认为实际接触面积与载荷保持线性关系，从理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性状态这一关系才成立，而弹性接触为非线性关系。原因在于理想粗糙表面模型过于简化。（4）实际粗糙表面的接触实际表面的粗糙峰高度是按概率密度函数分布的，接触的峰点数应根据概率计算。两粗糙表面接触两表面粗糙度均方根值为σ1和σ2，h为中线之间的距离，其接触可以转化成光滑的刚性表面和另一个具有均方根值为的粗糙平面想接触。当中心线之间的距离为h时，只有轮廓高度Z大于h的部分才发生接触，Zh部分的面积就是表面接触的概率。即：如粗糙峰表面的峰点数为n，参与接触的数目m为：单峰点的法向变形量为（z-h)，则实际接触面积A为：接触点支撑的承载量（载荷）为：通常实际表面的轮廓高度按正态分布，靠近z值较大的部分近似于指数型分布，令ψ(z)=exp(-z/σ),计算可以得到：可以看到，两个粗糙表面在弹性接触条件下，实际接触面积和接触峰点数目都与载荷成线性关系。塑性接触状态:实际接触面积与载荷为线性关系，而与高度分布函数ψ(z)无关。结论：实际接触面积与载荷的关系取决于表面轮廓曲线和接触状态。当为塑性接触时，无论高度分布曲线如何，实际接触面积都与载荷成线性关系。在弹性接触状态下，大多数表面的轮廓高度接近于正态分布，实际接触面积与载荷也具有线性关系。