摩擦与润滑---4金属材料成形中的摩擦.

4.1摩擦界面与摩擦的分类◆摩擦界面：根据纯力学观点，把界面看作是处于刚性膜和变形金属间的具有剪切强度τi的连续膜。不论界面是什么物质，还是有什么变化，可以采用一个适当的τi（或μ）值反应对摩擦过程的影响，但不能充分解释摩擦界面的摩擦行为。因此，必须从宏观、微观界面及摩擦环境方面进行研究。●宏观界面宏观上看，工模具不是刚性体，而是具有一定强度的弹塑性体，在材料成形时产生弹性变形，甚至发生塑性变形。工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大，若配合的紧密或完全吻合，可能发生互相吸引和粘着。在成形时，由于摩擦热和变形热使界面的温度升高，则对润滑与材料的性能有重要的影响。4.金属材料成形中的摩擦●微观界面从宏观角度不能完全解释摩擦学现象，必须从微观方面研究界面的形貌和结构对摩擦和润滑的影响。1〕工模具和变形金属的表面凹凸不平2〕摩擦过程中工模具和变形金属在形成的界面上会发生元素的互扩散，改变二表面的结构和性能。3〕材料成形过程中，金属材料的表面存在反应膜和吸附膜，纯洁表面是不存在的。●摩擦环境宏观上看，工模具不是刚性体，而是具有一定强度的弹塑性体，在材料成形时产生弹性变形，甚至发生塑性变形。工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大，若配合的紧密或完全吻合，可能发生互相吸引和粘着。在成形时，由于摩擦热和变形热使界面的温度升高，则对润滑与材料的性能有重要的影响。材料不同成形方式与过程就构成了界面摩擦环境，这对摩擦过程有重要影响。1）成形过程中金属材料表面膜及润滑膜破裂，新生表面形成，易发生粘着摩擦。2〕界面的温度升高对摩擦界面的作用，温度过高会促进粘着并使润滑膜破坏。3）界面压力影响润滑剂应力特性以及润滑剂与工模具、变形金属材料间的反应。4〕润滑剂在界面上并非只形成简单的惰性膜，它的构成、性质、添加方法、分布等对摩擦界面都有重要的作用。◆摩擦分类●按照摩擦副的运动形式分1)滑动摩擦：当接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。两物体接触点的速度大小和方向不同，也可能仅是大小或方向不同。2)滚动摩擦：物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。两接触物体的接触点的速度大小和方向相同。●按照摩擦副表面润滑状态分1)干摩擦：接触面间无任何介质的摩擦。真正的干摩擦在生产中是不存在的。通常所说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。2)边界摩擦：两个接触面间有一层厚度不超过0.1μm很薄的分子吸附膜,在吸附层内润滑剂分子成垂直于接触表面的定向排列。将两表面间仅存在润滑剂吸附层的摩擦称之为边界摩擦。3)流体摩擦：当两个物体接触表面间完全由液体润滑剂隔开，摩擦阻力只决定于流体的性质，而与接触面的状态无关时，这种摩擦叫流体摩擦。4)固体膜摩擦：在两个物体接触表面间施加固态润滑剂,形成固体润滑膜,将两接触表面隔开的摩擦称之为固体膜摩擦。5)混合摩擦：在实际生产中，摩擦状态常常会出现混合摩擦，即在接触面的不同部位分别发生干摩擦、边界摩擦和液体摩擦；或者发生其中两种摩擦。一般将干摩擦与边界摩擦混合的摩擦称之为半干摩擦；边界摩擦和液体摩擦混合的摩擦称之为半液体摩擦。4.2古典摩擦理论◆古典摩擦定律对摩擦现象进行科学研究,最早开始于15世纪意大利的文艺复兴时代。达.芬奇、阿蒙顿以及库仑等科学家提出了古典摩擦定律，即：*摩擦力的大小与接触物体间名义接触面积的大小无关。*摩擦力的大小与接触表面间的法向载荷成正比，摩擦力的方向总是与接触面积相对运动速度的方向相反。*静摩擦系数大于动摩擦系数，摩擦力的大小与接触面积间的相对滑动速度无关。F＝μNF－摩擦力，μ－摩擦系数，N－正压力。◆古典摩擦定律中的参数（1）摩擦系数：古典摩擦定律认为摩擦系数是一个常数（×），但实际的摩擦系数不是材料固有的特性，而是材料和环境条件的综合持性。（2）接触面积：在古典摩擦理论中，摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积的大小无关（√）。试验表明，实际接触面积与摩擦系数有关，随着实际接触面积的增加，摩擦系数增大，摩擦力亦增大。（3）滑动速度：古典摩擦理论认为摩擦力大小与滑动速度无关（√）。而实践表明，对于许多材料来说，摩擦系数与滑动速度有关。（4）摩擦力与正压力：经典摩擦理论认为摩擦力的大小与接触表面间的法向载荷成正比（×）。而实际上，对于某些很硬或很软的材料，摩擦力与正压力之间表现出非线性关系，此时：F＝CNBC－常数，B－指数，0.7~1.04.3近代摩擦理论◆机械理论18世纪以前，许多学者把摩擦的起因说成是由于表面的凹凸不平，即当两个固体表面相接触时，由于表面凹凸不平处的互相咬合，而产生了阻碍两物体流动的阻力，故称之为机械摩擦理论，这个理论完全建立在纯几何概念上，把固体看作刚体来研究的。当II相对于I克服作用力N做运动时，而被抬起，以越过凸峰。此时相当于物体克服斜面进行运动，开始滑动时的静摩擦系数为μ，μ＝tanθ。因此，摩擦系数只与θ有关，而与载荷及接触面积无关，这复合经典摩擦理论。机械摩擦理论只适于粗糙表面，对于表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生作用时，摩擦系数反而加大，这一问题就难以解释。因此，提出分子理论。后来库仑在整理摩擦力F与正压力N关系的试验时，也曾提出一个试验式：F＝A＋μ1N作为整体的摩擦系数，其表达为：μ＝μ1＋A/N当正应力N很小时，摩擦系数显得很大，在μ－N曲线中存在一个高摩擦系数区，然后随着正压力（正应力〕的增加而降低，并趋近于某一定值。式中A的本质是粘着力，但当时库仑并不知道这一点。正因为如此，库仑把A看作摩擦力中辅助性、偶然的数值，于是就忽略了。后来有人提出分子摩擦理论。◆分子理论17世纪英国物理学家德萨古利(J.T.Desaguliers)在他《实验物理教程》中第一次提出了产生摩擦力的主要原因在于两物体摩擦表面间具有分子力，即分子理论。托姆林森(G.A.Tomlinson)和苏联的捷里亚Б．д．дерягин)等都用这“分子说”来解释摩擦原因。托姆林森是应用分子间存在吸力和斥力的假说来解释摩擦原因。他认为：分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数。分子间的距离很小时，它们之间产生分子斥力，分子间的距离较大时，它们之间产生分子吸引力。由力的平衡条件可得，外法向压力N加上所有吸引力∑Pi应该等于所有斥力∑Pc之和，即N＋∑Pi=∑Pc●摩擦的原子（分子）模型为计算摩擦功，就要考虑上表面对下表面运动距离X和相接触又分离的原子对数为W。对于如图所示的理想情况，原子中心间距为d。在载荷N作用下相接触的原子数为n，那么W＝n·x/d，对于实际接触情况，在不同的晶面可能有变化，所以对接触的原子数给予一个修正值a，即W＝an·x/d考虑摩擦系数μ的意义，通过X距离，外力所作的摩擦功:μNX＝WEμ＝a·nE/dNμ=a·E/dPcdxx在两表面摩擦的情况下，原子偏离其原始平衡位置，当相对表面上原子运动过后，这原子就力图回到其平衡置，若要回到平衡位置运动的距离是l，原子间的内聚力为Fn，那么，Fnl＝Eμ=a·Fnl/Pcd按摩擦的分子或原子模型，可得出摩擦系数与正压力无关。而摩擦力与正压力（载荷）成正比，由于载荷对弹性接触面积及接触的原子对数的影响，从上述可以看出摩擦过程，既有变形过程，又有粘着过程。◆粘着理论在英国，从1938年开始，鲍登(Bowden)和他的学生，提出了著名的摩擦粘着理论。认为：当两表面相接触时，载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将牢固的粘着，使两表面形成一体，即称为粘着或冷焊(焊接桥)。随着接触面温度的升高，金属间扩散过程加剧，从而会促进金属的粘着。当一表面相对另一表面滑动时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接的力Fj就是摩擦力。如果一表面比另一表面硬一些，则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟，这种犁沟的力Fl也是摩擦力。故摩擦力是两种阻力之和。F=Fj+Fl●粘着理论的摩擦系数与摩擦力犁沟阻力可略去不计,设粘结点部分的剪切强度为τb’,则摩擦力为:F＝Az.τb’=N/σs·τb’μ=F/N=τb’／σs以上的分析是建立在理想的弹—塑性材料的基础上，忽略了冷作硬化的影响，与实际情况一定差别。为了更接近实际情况，以较软金属的剪切强度极限τb代替金属点的剪切强度τb’，则摩擦系数为：μ=τb／σs（此式要修正)接触点发生屈服，是与由法向载荷所造成的压应力σ和由切向载荷所造成的切应力τ的合成应力有关，根据σs2=σ2+ατ2，σ＝N/Az，τ=F/Az,实际接触面积:Az2=（N/σs）2+α（F/σs）2这个理论只适用于金属对金属的摩擦。因为它是建立在下列假定的基础上的：(1)实际接触面积是由塑性变形来决定的；(2)两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开；(3)摩擦力是剪切膜所需要的力。因此，在应用这个理论时必须考虑这些假定。上述粘着理论有一定的局限性，因为实际金属表面都被许多膜覆盖，是否所有的实际接触面积上都产生粘着，污染膜之间能否产生粘着等等，还需进一步研究。◆分子－机械理论前苏联克拉盖里斯(и．в．Kрагелъский)从1939年开始对固体摩擦的研究，第一次明确地提出了分子—机械理论。后来在他的著作中不断地完善了这一理论。分子—机械理论基本观点——摩擦的两重性：摩擦是一个混合过程，它既要克服分子相互作用力，又要克服机械变形的阻力。发生在接触处的总的阻力就是我们测得的摩擦力。下图表示摩擦过程中接触表面的相互作用。当两表面相对滑动时，则受到接触点上因机械啮合和分子吸引力所产生的切向阻力的总和(摩擦力)的作用，即F=Ff+FjF--总的摩擦力;Ff--摩擦力的分子作用组成部分;Fj--摩擦力的机械作用组成部分。●在切向移动时接触点被破坏的5种形式（1）在表面微凸体压入深度较大(h/R0.1，h-压入深度,R-压入不平度圆弧半径)，使材料剪切或划伤。（2）(h/R0.1),这发生材料的弹性回复，成塑性挤压状态。（3）(h/R0.01),发生材料的弹性挤压状态。（4）如果分子相互作用,部分形成比基体金属强度更低的连接这产生一般的粘着膜的破坏。（5）如果分子相互作用部分形成比基体金属强度更高的连接,则这种分子作用称为粘着。当晶格的平衡由于变形遭破坏,很容易与另一固体的晶格相互作用，形成粘着连接。当固体切向移动的力大于粘着连接的强度时，粘着连接被剪切或撕裂，即基体材料的破坏。1-压入深度较大;2-压入深度较小度;3-压入深度更小;4-部分形成比基体金属强度更低;5-部分形成比基体金属强度更高4.4金属材料成形的干摩擦理论◆从物理－化学基础出发分析摩擦过程：●摩擦力的构成:1）粘着点剪断力:塑性变形使新鲜质点转移到接触表面，同时高温高压作用会加强分子间的吸引力，促使变形区接触面上发生黏着。2）犁沟力：工具表面较硬的微凸体压入较软的金属，产生犁沟所需要的力。3）中间介质的剪切抗力：一般中间介质的剪切抗力要比变形金属小的多，在某些部位，滑移常常发生在中间介质层中，构成摩擦力的第三个部分。●摩擦条件对摩擦力构成的影响1)在干燥清洁表面上轧制：由于洁净金属裸露，使接触面产生强有力的黏着。滑移将由接触界面转移到变形金属的接触层中进行,已不属于外摩擦过程，而是在金属靠近接触表面层内产生的激烈滑移(剪断)，以剪切摩擦或者说内摩擦所取代。此时的摩擦力大小为：F＝τsAτs－金属剪切抗力，A－滑移面面积，接近于名义接触面积。2)轧制覆盖有氧化皮层的金属(热轧钢)：又分为两种不同情况：（1）轧制覆盖有厚氧化皮的金属时：滑移可能发生在下列4个面中，滑移抗力最小的那个面上进行：①在氧化皮和轧辊表面之间；②在氧化皮层内；③在金属和氧化皮的边界上；④在金属的内层。比如：轧制碳钢时：碳钢氧化皮如下图，这三层中强度最小的为FeO：热轧时温度为大于1200℃时，起滑移抗力几乎为0，滑移一般在该层进行。因此，在热轧时有时会在氧化皮层出现轧辊打滑现象。Fe2O3Fe3O4FeOFe（2）轧制覆盖有薄氧化皮的金属时：氧化皮越薄，则：第一，它越容易被轧辊冷却，强度很高；第二，它和金属表面黏着越坚固。此时，接触区可分为3个不同区段：①区：氧化皮发生了变