摩擦与磨损全ppt课件第3章摩擦.ppt

摩擦与磨损摩擦与磨损第三章第三章 摩擦（摩擦（2）2/3/20231/393.3.4 粘着理论粘着理论n n1.1.简单的粘着理论简单的粘着理论简单的粘着理论简单的粘着理论 n n零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属零件表面都存在着不同程度的粗糙度，当两金属表面相互受载接触时，仅在表面相互受载接触时，仅在表面相互受载接触时，仅在表面相互受载接触时，仅在少数微凸体少数微凸体少数微凸体少数微凸体的顶端发的顶端发的顶端发的顶端发生接触。生接触。生接触。生接触。n n开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很开始，实际接触面积极小，微凸体上接触压力很大，产生大，产生大，产生大，产生塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形，使接触面积增加。，使接触面积增加。，使接触面积增加。，使接触面积增加。n n同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不同时，另一些高度较低的微凸体也相继接触，不断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承断增加接触面积，直到实际接触面积正好能支承其载荷为止。其载荷为止。其载荷为止。其载荷为止。n n这时，金属表面塑性接触处会出现这时，金属表面塑性接触处会出现这时，金属表面塑性接触处会出现这时，金属表面塑性接触处会出现牢固的粘着牢固的粘着牢固的粘着牢固的粘着。2/3/20232n n牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或牢固粘着：指表面不存在氧化膜和其他吸附膜或者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即者这个隔离膜被表面微凸体刺穿，亦即纯净金属纯净金属纯净金属纯净金属直接接触直接接触直接接触直接接触的情况。的情况。的情况。的情况。2/3/20233图图3-11 两表面摩擦示意图两表面摩擦示意图 2/3/20234简单粘着理论基本要点简单粘着理论基本要点（Bowden，1945）n n1)1)摩擦表面处于塑性接触状态摩擦表面处于塑性接触状态摩擦表面处于塑性接触状态摩擦表面处于塑性接触状态 实际接触面积只占表观接触面积的很小部分实际接触面积只占表观接触面积的很小部分实际接触面积只占表观接触面积的很小部分实际接触面积只占表观接触面积的很小部分,在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服在载荷作用下接触峰点处的应力达到受压的屈服极限极限极限极限ss而产生塑性变形。此后而产生塑性变形。此后而产生塑性变形。此后而产生塑性变形。此后,接触点的应力不再接触点的应力不再接触点的应力不再接触点的应力不再改变改变改变改变,只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的载荷。载荷。载荷。载荷。图图3-12 表面接触状况表面接触状况 2/3/20235n n2)2)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n n接触点的金属处于塑性流动状态接触点的金属处于塑性流动状态接触点的金属处于塑性流动状态接触点的金属处于塑性流动状态,在摩擦中接触在摩擦中接触在摩擦中接触在摩擦中接触点还会产生瞬时高温点还会产生瞬时高温点还会产生瞬时高温点还会产生瞬时高温,使两金属产生粘着。使两金属产生粘着。使两金属产生粘着。使两金属产生粘着。n n随后在摩擦力作用下随后在摩擦力作用下随后在摩擦力作用下随后在摩擦力作用下,粘着结点被剪切产生滑动。粘着结点被剪切产生滑动。粘着结点被剪切产生滑动。粘着结点被剪切产生滑动。n n滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过滑动摩擦就是粘着结点形成和剪切交替发生的过程。程。程。程。n n当滑动速度增加时当滑动速度增加时当滑动速度增加时当滑动速度增加时,粘着时间和摩擦系数的变化粘着时间和摩擦系数的变化粘着时间和摩擦系数的变化粘着时间和摩擦系数的变化幅度都减小幅度都减小幅度都减小幅度都减小,摩擦系数和滑动过程趋于平稳。摩擦系数和滑动过程趋于平稳。摩擦系数和滑动过程趋于平稳。摩擦系数和滑动过程趋于平稳。图图3-13钢对钢钢对钢钢对钢钢对钢滑动摩擦的跃动过程滑动摩擦的跃动过程2/3/20236n n3)3)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n n摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中,假设粗糙峰的形状为半圆柱体。假设粗糙峰的形状为半圆柱体。假设粗糙峰的形状为半圆柱体。假设粗糙峰的形状为半圆柱体。n n 接触面积由两部分组成接触面积由两部分组成接触面积由两部分组成接触面积由两部分组成：n n1 1、圆柱面、圆柱面、圆柱面、圆柱面：是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。是发生粘着效应的面积，滑动时发生剪切。n n2 2、端面、端面、端面、端面：是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材料。料。料。料。图图3-14 粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型粘着效应和犁沟效应的摩擦力模型 2/3/20237n n摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力F F 的组成为：的组成为：的组成为：的组成为：n nF=T+PF=T+Pe e=A=A b b+Sp+Spe en nT T为为为为剪切力剪切力剪切力剪切力,T=A,T=A b b，A A为实际接触面积，为实际接触面积，为实际接触面积，为实际接触面积，b b为粘为粘为粘为粘着结点的剪切强度；着结点的剪切强度；着结点的剪切强度；着结点的剪切强度；n nPePe为为为为犁沟力犁沟力犁沟力犁沟力,PePe=SpeSpe，S S为犁沟面积，为犁沟面积，为犁沟面积，为犁沟面积，pepe为单位为单位为单位为单位面积的犁沟力。面积的犁沟力。面积的犁沟力。面积的犁沟力。n n金属摩擦副，金属摩擦副，金属摩擦副，金属摩擦副，PePe值远小于值远小于值远小于值远小于T T，所以，所以，所以，所以粘着理论认为粘着理论认为粘着理论认为粘着理论认为粘着效应是产生摩擦力的主要原因粘着效应是产生摩擦力的主要原因粘着效应是产生摩擦力的主要原因粘着效应是产生摩擦力的主要原因，因此忽略犁，因此忽略犁，因此忽略犁，因此忽略犁沟效应。则：沟效应。则：沟效应。则：沟效应。则：n nF=AF=A b b2/3/20238简单粘着理论的不足简单粘着理论的不足n n不足不足不足不足：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大：预计的摩擦系数值与实测结果间存在较大的差异。的差异。的差异。的差异。n n原因原因原因原因：忽略了：忽略了：忽略了：忽略了粘着点滑动时接触面积的增加粘着点滑动时接触面积的增加粘着点滑动时接触面积的增加粘着点滑动时接触面积的增加和和和和微凸体塑性变形引起微凸体塑性变形引起微凸体塑性变形引起微凸体塑性变形引起加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化的影响。的影响。的影响。的影响。n n如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为如：对于大多数金属材料计算的摩擦系数为0.20.2，事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达事实上许多金属摩擦副在空气中摩擦系数可达0.50.5，在真空中更高。，在真空中更高。，在真空中更高。，在真空中更高。n n因此，鲍登（因此，鲍登（因此，鲍登（因此，鲍登（BowdenBowden）提出了修正的粘着理论。）提出了修正的粘着理论。）提出了修正的粘着理论。）提出了修正的粘着理论。2/3/20239n n2.修正的粘着理论修正的粘着理论 n n(1)粘着点的增长粘着点的增长 n n在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简在没有切向侧推力的情况下，接触面积是一个简单的圆形；单的圆形；单的圆形；单的圆形；n n慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体慢慢施加切向侧推力，直至整个半球形金属滑体开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接开始滑动。这时，粘着点发生塑性屈服，实际接触面积比滑动前约增加触面积比滑动前约增加触面积比滑动前约增加触面积比滑动前约增加2-32-3倍。倍。倍。倍。2/3/202310n n（2 2）摩擦表面加工硬化的影响）摩擦表面加工硬化的影响）摩擦表面加工硬化的影响）摩擦表面加工硬化的影响 由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦由于加工硬化，摩擦粘着点的强度往往比摩擦副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不副中较软的金属大，因此相对滑动时，往往不一定沿接触面剪断。一定沿接触面剪断。一定沿接触面剪断。一定沿接触面剪断。粘着点材料粘着点材料粘着点材料粘着点材料加工硬化使切应力增大加工硬化使切应力增大加工硬化使切应力增大加工硬化使切应力增大，即摩擦系即摩擦系即摩擦系即摩擦系数增大数增大数增大数增大；但切应力增大的同时，材料屈服极限；但切应力增大的同时，材料屈服极限；但切应力增大的同时，材料屈服极限；但切应力增大的同时，材料屈服极限也增大。故也增大。故也增大。故也增大。故加工硬化对摩擦系数的影响不如对加工硬化对摩擦系数的影响不如对加工硬化对摩擦系数的影响不如对加工硬化对摩擦系数的影响不如对接触面积增长的影响大接触面积增长的影响大接触面积增长的影响大接触面积增长的影响大。2/3/202311n n3.3.金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论金属表面有自然污染膜的粘着摩擦理论 n n粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。粘着摩擦理论认为，摩擦表面是洁净的。n n在正常大气中金属表面被在正常大气中金属表面被在正常大气中金属表面被在正常大气中金属表面被氧化膜或其他污染膜覆氧化膜或其他污染膜覆氧化膜或其他污染膜覆氧化膜或其他污染膜覆盖盖盖盖。n n这种摩擦实际上是氧化膜的摩擦。这种摩擦实际上是氧化膜的摩擦。这种摩擦实际上是氧化膜的摩擦。这种摩擦实际上是氧化膜的摩擦。2/3/202312n n从摩擦磨损的观点看，从摩擦磨损的观点看，从摩擦磨损的观点看，从摩擦磨损的观点看，金属表面氧化膜、其他吸金属表面氧化膜、其他吸金属表面氧化膜、其他吸金属表面氧化膜、其他吸附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的附膜和化学反应膜的存在对摩擦是有利的。n n原因原因原因原因：界面膜的临界切应力界面膜的临界切应力界面膜的临界切应力界面膜的临界切应力比金属粘着点的小，当所作用的切比金属粘着点的小，当所作用的切比金属粘着点的小，当所作用的切比金属粘着点的小，当所作用的切向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通向应力低于该临界切应力时，法向应力和切向应力能通过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘过该界面层传到金属基体上，使金属发生塑性流动，粘着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时，着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时，着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时，着点增长。当所作用的切向应力等于该临界切应力时，界面层被剪断，开始滑动。界面层被剪断，开始滑动。界面层被剪断，开始滑动。界面层被剪断，开始滑动。摩擦力较小摩擦力较小摩擦力较小摩擦力较小。滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变滑动时，结点面积横向增长主要取决于基体金属塑性变形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向形，但变形受界面膜的抑制作用，因此结点面积的横向增长较小，即增长较小，即增长较小，即增长较小，即摩擦力较小摩擦力较小摩擦力较小摩擦力较小。n n研究表明，研究表明，研究表明，研究表明，只要界面有少许薄膜存在只要界面有少许薄膜存在只要界面有少许薄膜存在只要界面有少许薄膜存在，就会大大，就会大大，就会大大，就会大大削弱界面的连接强度，削弱界面的连接强度，削弱界面的连接强度，削弱界面的连接强度，摩擦系数急剧下降摩擦系数急剧下降摩擦系数急剧下降摩擦系数急剧下降。2/3/202313n n4.金属覆膜及减摩特性金属覆膜及减摩特性 n n摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到摩擦表面可以采用热处理、化学处理等方法得到各种各样的耐磨表面覆层。各种各样的耐磨表面覆层。各种各样的耐磨表面覆层。各种各样的耐磨表面覆层。n n粘着摩擦理论认为：粘着摩擦理论认为：粘着摩擦理论认为：粘着摩擦理论认为：摩擦力等于实际接触面积与摩擦力等于实际接触面积与摩擦力等于实际接触面积与摩擦力等于实际接触面积与金属临界切应力的乘积金属临界切应力的乘积金属临界切应力的乘积金属临界切应力的乘积。n n要减小摩擦力，只有减少要减小摩擦力，只有减少要减小摩擦力，只有减少要减小摩擦力，只有减少实际接触面积实际接触面积实际接触面积实际接触面积或或或或金金金金属临界切应力属临界切应力属临界切应力属临界切应力。n n这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低这意味着摩擦副材料既要有高的硬度，又要有低的临界剪切强度。的临界剪切强度。的临界剪切强度。的临界剪切强度。n n实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往实际上，这是不可能的，因为高硬度的金属往往具有高的临界剪切强度。具有高的临界剪切强度。具有高的临界剪切强度。具有高的临界剪切强度。2/3/202314措施措施n n根据粘着摩擦的基本原理，根据粘着摩擦的基本原理，可在硬金属基可在硬金属基体上涂敷一层软材料体上涂敷一层软材料。如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅如铟、镉、铅、锡基白合金、铅基白合金、铜铅合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。合金、铅青铜、铝锡合金、塑料、二硫化钼等。摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度；摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度；摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度；摩擦的剪切强度就是该层软材料的剪切强度；摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属摩擦中的变形抗力主要由软材料膜下的硬金属基体承受。基体承受。基体承受。基体承受。n n这样，即使在重载作用下，接触面积也几这样，即使在重载作用下，接触面积也几乎不变，因而摩擦力小，摩擦系数低。乎不变，因而摩擦力小，摩擦系数低。n n现代机器轴承等一般采用这种结构。现代机器轴承等一般采用这种结构。2/3/202315n n有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使有些情况，如航天，因条件或环境限制，不能使用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、用一般润滑剂，也常采用这种薄膜结构，如铟、铅、二硫化钼、石墨等。铅、二硫化钼、石墨等。铅、二硫化钼、石墨等。铅、二硫化钼、石墨等。n n高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临高温下亦是如此，因为随温度升高，金属膜的临界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一界剪切强度降低，而膜下硬的金属基体的熔点一般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。般都比薄膜金属高得多，所以受影响很小。n n当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化当然，不能允许摩擦界面的温度达到金属膜熔化的温度，否则摩擦也会增加。的温度，否则摩擦也会增加。的温度，否则摩擦也会增加。的温度，否则摩擦也会增加。2/3/202316软金属薄膜厚度的影响软金属薄膜厚度的影响n n软金属膜很厚或很薄，都有可能使摩擦特软金属膜很厚或很薄，都有可能使摩擦特性发生变化。性发生变化。膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；膜厚超过某临界值后，摩擦系数会迅速增大；膜厚减小到某临界值后，摩擦系数也会急剧增膜厚减小到某临界值后，摩擦系数也会急剧增膜厚减小到某临界值后，摩擦系数也会急剧增膜厚减小到某临界值后，摩擦系数也会急剧增大。大。大。大。图图3 16 铟膜厚度与摩擦系数的关系曲线铟膜厚度与摩擦系数的关系曲线 2/3/2023175.“犁沟犁沟”效应效应n n犁沟犁沟定义：定义：是由于硬金属表面上的微凸体是由于硬金属表面上的微凸体楔入软金属后，使之产生塑性流动并犁出楔入软金属后，使之产生塑性流动并犁出的沟槽。的沟槽。n n此外，硬颗粒（磨屑或外来物）楔入软表此外，硬颗粒（磨屑或外来物）楔入软表面也可能在硬表面犁出沟槽。面也可能在硬表面犁出沟槽。n n犁沟的方向犁沟的方向与相对运动方向平行。与相对运动方向平行。2/3/202318犁沟犁沟2/3/202319n n犁沟的作用：犁沟的作用：犁沟作用是摩擦的一部分。总摩擦阻力由粘着犁沟作用是摩擦的一部分。总摩擦阻力由粘着犁沟作用是摩擦的一部分。总摩擦阻力由粘着犁沟作用是摩擦的一部分。总摩擦阻力由粘着剪切力和犁沟力两项组成。剪切力和犁沟力两项组成。剪切力和犁沟力两项组成。剪切力和犁沟力两项组成。一般情况下，犁沟力项可忽略不计，而只考虑一般情况下，犁沟力项可忽略不计，而只考虑一般情况下，犁沟力项可忽略不计，而只考虑一般情况下，犁沟力项可忽略不计，而只考虑粘着剪切力项。粘着剪切力项。粘着剪切力项。粘着剪切力项。当两摩擦表面硬度差比较大，且硬表面比较粗当两摩擦表面硬度差比较大，且硬表面比较粗当两摩擦表面硬度差比较大，且硬表面比较粗当两摩擦表面硬度差比较大，且硬表面比较粗糙时，犁沟力项不能忽略。糙时，犁沟力项不能忽略。糙时，犁沟力项不能忽略。糙时，犁沟力项不能忽略。在磨粒磨损中，犁沟力是摩擦力的在磨粒磨损中，犁沟力是摩擦力的在磨粒磨损中，犁沟力是摩擦力的在磨粒磨损中，犁沟力是摩擦力的主要部分主要部分主要部分主要部分。如，研磨加工和锉刀锉削。如，研磨加工和锉刀锉削。如，研磨加工和锉刀锉削。如，研磨加工和锉刀锉削。在粘着剪切力项很小、界面膜剪切强度低的良在粘着剪切力项很小、界面膜剪切强度低的良在粘着剪切力项很小、界面膜剪切强度低的良在粘着剪切力项很小、界面膜剪切强度低的良好润滑情况下，犁沟作用更是摩擦的主要的组好润滑情况下，犁沟作用更是摩擦的主要的组好润滑情况下，犁沟作用更是摩擦的主要的组好润滑情况下，犁沟作用更是摩擦的主要的组成部分。成部分。成部分。成部分。2/3/202320图图3-18 3-18 球形滑体在软金属上产生的球形滑体在软金属上产生的 犁沟犁沟 2/3/202321图图3-19 一圆锥体在软金属一圆锥体在软金属上滑动的示意图上滑动的示意图 n n假设硬金属表面的粗假设硬金属表面的粗假设硬金属表面的粗假设硬金属表面的粗糙峰由许多半角为糙峰由许多半角为糙峰由许多半角为糙峰由许多半角为 的的的的圆锥体组成圆锥体组成圆锥体组成圆锥体组成，在法向在法向在法向在法向载荷作用下载荷作用下载荷作用下载荷作用下,硬峰嵌入硬峰嵌入硬峰嵌入硬峰嵌入软金属的深度为软金属的深度为软金属的深度为软金属的深度为h h，滑，滑，滑，滑动摩擦时动摩擦时动摩擦时动摩擦时,只有圆锥体只有圆锥体只有圆锥体只有圆锥体的前沿面与软金属接的前沿面与软金属接的前沿面与软金属接的前沿面与软金属接触。触。触。触。n n在水平面上的投影面积：在水平面上的投影面积：在水平面上的投影面积：在水平面上的投影面积：A A1 1 =d=d2 2/8/8；n n在垂直面上的投影面积：在垂直面上的投影面积：在垂直面上的投影面积：在垂直面上的投影面积：A A2 2=dh/2=dh/2。圆锥体接触表面：圆锥体接触表面：圆锥体接触表面：圆锥体接触表面：2/3/202322n n如果软金属的塑性屈服性能各向同性如果软金属的塑性屈服性能各向同性如果软金属的塑性屈服性能各向同性如果软金属的塑性屈服性能各向同性，屈服极限屈服极限屈服极限屈服极限为为为为ss,于是法向载荷于是法向载荷于是法向载荷于是法向载荷WW和犁沟力和犁沟力和犁沟力和犁沟力PePe分别为：分别为：分别为：分别为：由犁沟效应产生的摩擦系数为：由犁沟效应产生的摩擦系数为：2/3/202323n n当当当当=60=60时时时时,f,f=0=0.3232;而而而而=30=30时时时时,f,f=1=1.1 1。n n对于大多数切削加工的表面对于大多数切削加工的表面对于大多数切削加工的表面对于大多数切削加工的表面,粗糙峰的粗糙峰的粗糙峰的粗糙峰的 角较大角较大角较大角较大,f f值甚小值甚小值甚小值甚小,所以通常所以通常所以通常所以通常可以忽略犁沟效应可以忽略犁沟效应可以忽略犁沟效应可以忽略犁沟效应。n n当粗糙峰的当粗糙峰的当粗糙峰的当粗糙峰的 角较小时角较小时角较小时角较小时,犁沟项不可忽视。犁沟项不可忽视。犁沟项不可忽视。犁沟项不可忽视。2/3/202324认为认为认为认为实际接触面积只占名义接触面积的极小部实际接触面积只占名义接触面积的极小部实际接触面积只占名义接触面积的极小部实际接触面积只占名义接触面积的极小部分分分分。揭示了揭示了揭示了揭示了接触峰点的塑性流动和瞬时高温对形成接触峰点的塑性流动和瞬时高温对形成接触峰点的塑性流动和瞬时高温对形成接触峰点的塑性流动和瞬时高温对形成粘着结点的作用粘着结点的作用粘着结点的作用粘着结点的作用。完善地完善地完善地完善地解释了许多滑动摩擦现象解释了许多滑动摩擦现象解释了许多滑动摩擦现象解释了许多滑动摩擦现象，如，如，如，如:表面膜的表面膜的表面膜的表面膜的减摩作用、滑动摩擦中的跃动现象，以及胶合减摩作用、滑动摩擦中的跃动现象，以及胶合减摩作用、滑动摩擦中的跃动现象，以及胶合减摩作用、滑动摩擦中的跃动现象，以及胶合磨损机理等。磨损机理等。磨损机理等。磨损机理等。得出的磨损中得出的磨损中得出的磨损中得出的磨损中材料迁转现象材料迁转现象材料迁转现象材料迁转现象也已经由示踪放射也已经由示踪放射也已经由示踪放射也已经由示踪放射技术验证。技术验证。技术验证。技术验证。粘着理论的积极意义粘着理论的积极意义2/3/202325过分地简化了摩擦中的复杂现象，因而存在一些不完善过分地简化了摩擦中的复杂现象，因而存在一些不完善过分地简化了摩擦中的复杂现象，因而存在一些不完善过分地简化了摩擦中的复杂现象，因而存在一些不完善之处。之处。之处。之处。如：实际的摩擦接触表面处于弹塑性变形状态，因而摩如：实际的摩擦接触表面处于弹塑性变形状态，因而摩如：实际的摩擦接触表面处于弹塑性变形状态，因而摩如：实际的摩擦接触表面处于弹塑性变形状态，因而摩擦系数随法向载荷而变化。擦系数随法向载荷而变化。擦系数随法向载荷而变化。擦系数随法向载荷而变化。又如：接触点的瞬时高温并不是滑动摩擦的必然现象又如：接触点的瞬时高温并不是滑动摩擦的必然现象又如：接触点的瞬时高温并不是滑动摩擦的必然现象又如：接触点的瞬时高温并不是滑动摩擦的必然现象,也不是形成粘着结点的必要条件。也不是形成粘着结点的必要条件。也不是形成粘着结点的必要条件。也不是形成粘着结点的必要条件。虽然接触点在塑性变形时形成粘着，但对于极软或极光虽然接触点在塑性变形时形成粘着，但对于极软或极光虽然接触点在塑性变形时形成粘着，但对于极软或极光虽然接触点在塑性变形时形成粘着，但对于极软或极光滑的表面，在不大的法向载荷作用下也发生粘着现象。滑的表面，在不大的法向载荷作用下也发生粘着现象。滑的表面，在不大的法向载荷作用下也发生粘着现象。滑的表面，在不大的法向载荷作用下也发生粘着现象。前边分析认为犁沟阻力前边分析认为犁沟阻力前边分析认为犁沟阻力前边分析认为犁沟阻力PePe与剪切阻力与剪切阻力与剪切阻力与剪切阻力T T无关，事实上两无关，事实上两无关，事实上两无关，事实上两者都是反映金属流动能力的指标。而材料的者都是反映金属流动能力的指标。而材料的者都是反映金属流动能力的指标。而材料的者都是反映金属流动能力的指标。而材料的bb和和和和ss 都与都与都与都与表面层的应力状态和接触几何有关，因此都不是固定的表面层的应力状态和接触几何有关，因此都不是固定的表面层的应力状态和接触几何有关，因此都不是固定的表面层的应力状态和接触几何有关，因此都不是固定的数值。数值。数值。数值。粘着理论的局限性粘着理论的局限性2/3/2023263.3.5 其他摩擦理论其他摩擦理论n n1.摩擦的综合能量平衡理论摩擦的综合能量平衡理论n n摩擦过程中，输入的能量总是大于输出的能量，摩擦过程中，输入的能量总是大于输出的能量，摩擦过程中，输入的能量总是大于输出的能量，摩擦过程中，输入的能量总是大于输出的能量，损失的能量即相当于摩擦过程中力学、物理和化损失的能量即相当于摩擦过程中力学、物理和化损失的能量即相当于摩擦过程中力学、物理和化损失的能量即相当于摩擦过程中力学、物理和化学变化所消耗的能量总和。学变化所消耗的能量总和。学变化所消耗的能量总和。学变化所消耗的能量总和。主要能量都消耗在表层的塑性变形过程中。主要能量都消耗在表层的塑性变形过程中。主要能量都消耗在表层的塑性变形过程中。主要能量都消耗在表层的塑性变形过程中。另一部分消耗在磨损过程中，即另一部分消耗在磨损过程中，即另一部分消耗在磨损过程中，即另一部分消耗在磨损过程中，即形成新表面形成新表面形成新表面形成新表面以及以及以及以及裂纹的形成与扩展裂纹的形成与扩展裂纹的形成与扩展裂纹的形成与扩展所消耗的断裂能量。所消耗的断裂能量。所消耗的断裂能量。所消耗的断裂能量。n n后者只有在严重磨损过程中，特别是脆性材料磨后者只有在严重磨损过程中，特别是脆性材料磨后者只有在严重磨损过程中，特别是脆性材料磨后者只有在严重磨损过程中，特别是脆性材料磨损过程中才占较大比例。损过程中才占较大比例。损过程中才占较大比例。损过程中才占较大比例。2/3/202327n n2.摩擦的起因摩擦的起因新见解新见解 n n粘着学说存在的问题：粘着学说存在的问题：用粘着理论预计的数据比试验数据偏大。用粘着理论预计的数据比试验数据偏大。用粘着理论预计的数据比试验数据偏大。用粘着理论预计的数据比试验数据偏大。当试验在惰性气氛下进行时，粘着理论预计的当试验在惰性气氛下进行时，粘着理论预计的当试验在惰性气氛下进行时，粘着理论预计的当试验在惰性气氛下进行时，粘着理论预计的结果更差。结果更差。结果更差。结果更差。根据根据根据根据滑动表面相溶性滑动表面相溶性滑动表面相溶性滑动表面相溶性理论，无法解释化学溶解理论，无法解释化学溶解理论，无法解释化学溶解理论，无法解释化学溶解度差别很小时摩擦状态变化很大的原因。度差别很小时摩擦状态变化很大的原因。度差别很小时摩擦状态变化很大的原因。度差别很小时摩擦状态变化很大的原因。摩擦状态与时间有关这一性质过去被忽视了。摩擦状态与时间有关这一性质过去被忽视了。摩擦状态与时间有关这一性质过去被忽视了。摩擦状态与时间有关这一性质过去被忽视了。2/3/202328材料的摩擦力是由于微凸体变形、磨屑犁材料的摩擦力是由于微凸体变形、磨屑犁沟与粘着三者作用的结果。沟与粘着三者作用的结果。摩擦系数不是己知材料的属性摩擦系数不是己知材料的属性。它取决于。它取决于摩擦表面的力学性能和环境因素。摩擦表面的力学性能和环境因素。新见解新见解2/3/202329n n摩擦状态随时间可分为摩擦状态随时间可分为6个阶段：个阶段：n n阶段阶段阶段阶段1 1：摩擦早期，摩擦系数受微凸体在表面犁沟影响。摩擦早期，摩擦系数受微凸体在表面犁沟影响。摩擦早期，摩擦系数受微凸体在表面犁沟影响。摩擦早期，摩擦系数受微凸体在表面犁沟影响。因表面被污染，粘着在这个阶段不起重要作用。因表面被污染，粘着在这个阶段不起重要作用。因表面被污染，粘着在这个阶段不起重要作用。因表面被污染，粘着在这个阶段不起重要作用。影响摩擦系数的微凸体的变形这时也并不发生。影响摩擦系数的微凸体的变形这时也并不发生。影响摩擦系数的微凸体的变形这时也并不发生。影响摩擦系数的微凸体的变形这时也并不发生。这时表面易被抛光及产生新的微凸体。这时表面易被抛光及产生新的微凸体。这时表面易被抛光及产生新的微凸体。这时表面易被抛光及产生新的微凸体。摩擦系数在摩擦系数在摩擦系数在摩擦系数在0.1-0.20.1-0.2范围内，基本上与材料组合、范围内，基本上与材料组合、范围内，基本上与材料组合、范围内，基本上与材料组合、表面条件和环境条件无关。表面条件和环境条件无关。表面条件和环境条件无关。表面条件和环境条件无关。2/3/202330n n阶段阶段阶段阶段2 2：粘着增加，摩擦力缓慢上升；粘着增加，摩擦力缓慢上升；粘着增加，摩擦力缓慢上升；粘着增加，摩擦力缓慢上升；如果界面有润滑，则阶段如果界面有润滑，则阶段如果界面有润滑，则阶段如果界面有润滑，则阶段1 1可延续较长时间而阶可延续较长时间而阶可延续较长时间而阶可延续较长时间而阶段段段段 2 2不再出现。不再出现。不再出现。不再出现。如果微凸体变形与断裂所产生的磨屑滞留在滑如果微凸体变形与断裂所产生的磨屑滞留在滑如果微凸体变形与断裂所产生的磨屑滞留在滑如果微凸体变形与断裂所产生的磨屑滞留在滑动表面之间并犁削表面，则摩擦力随时间上升动表面之间并犁削表面，则摩擦力随时间上升动表面之间并犁削表面，则摩擦力随时间上升动表面之间并犁削表面，则摩擦力随时间上升得比较快。得比较快。得比较快。得比较快。n n阶段阶段阶段阶段3 3：留在滑动表面之间的磨屑在数量上增加得很快，留在滑动表面之间的磨屑在数量上增加得很快，留在滑动表面之间的磨屑在数量上增加得很快，留在滑动表面之间的磨屑在数量上增加得很快，摩擦力随时间也很快上升。摩擦力随时间也很快上升。摩擦力随时间也很快上升。摩擦力随时间也很快上升。当当当当 然，洁净的界面区域内，由于粘着的增加，然，洁净的界面区域内，由于粘着的增加，然，洁净的界面区域内，由于粘着的增加，然，洁净的界面区域内，由于粘着的增加，也会使摩擦力随时间上升。也会使摩擦力随时间上升。也会使摩擦力随时间上升。也会使摩擦力随时间上升。2/3/202331n n阶段阶段阶段阶段4 4：滞留在界面间的磨屑保持为常数，粘着对摩擦滞留在界面间的磨屑保持为常数，粘着对摩擦滞留在界面间的磨屑保持为常数，粘着对摩擦滞留在界面间的磨屑保持为常数，粘着对摩擦的影响也不变。的影响也不变。的影响也不变。的影响也不变。由于剥落出现新的粗糙表面，其微凸体的变形由于剥落出现新的粗糙表面，其微凸体的变形由于剥落出现新的粗糙表面，其微凸体的变形由于剥落出现新的粗糙表面，其微凸体的变形仍起重要作用。仍起重要作用。仍起重要作用。仍起重要作用。大多数情况下，微凸体变形对摩擦的影响不如大多数情况下，微凸体变形对摩擦的影响不如大多数情况下，微凸体变形对摩擦的影响不如大多数情况下，微凸体变形对摩擦的影响不如犁沟的影响大。犁沟的影响大。犁沟的影响大。犁沟的影响大。当两相同金属相对滑动，或造成阶段当两相同金属相对滑动，或造成阶段当两相同金属相对滑动，或造成阶段当两相同金属相对滑动，或造成阶段5 5的机理还的机理还的机理还的机理还未起决定作用时，阶段未起决定作用时，阶段未起决定作用时，阶段未起决定作用时，阶段4 4的摩擦系数是稳态的。的摩擦系数是稳态的。的摩擦系数是稳态的。的摩擦系数是稳态的。2/3/202332n n阶段阶段阶段阶段5 5：n n在某些情况下，如，相对静止的表面很硬，硬表在某些情况下，如，相对静止的表面很硬，硬表在某些情况下，如，相对静止的表面很硬，硬表在某些情况下，如，相对静止的表面很硬，硬表面的微凸体会逐渐被除去而出现镜面，磨屑不能面的微凸体会逐渐被除去而出现镜面，磨屑不能面的微凸体会逐渐被除去而出现镜面，磨屑不能面的微凸体会逐渐被除去而出现镜面，磨屑不能在抛光了的硬表面上滞留，使犁沟作用减弱，加在抛光了的硬表面上滞留，使犁沟作用减弱，加在抛光了的硬表面上滞留，使犁沟作用减弱，加在抛光了的硬表面上滞留，使犁沟作用减弱，加上微凸体变形的减少，摩擦力下降。上微凸体变形的减少，摩擦力下降。上微凸体变形的减少，摩擦力下降。上微凸体变形的减少，摩擦力下降。n n阶段阶段阶段阶段6 6：n n当硬表面大范围变得镜面般光滑时，较软表面也当硬表面大范围变得镜面般光滑时，较软表面也当硬表面大范围变得镜面般光滑时，较软表面也当硬表面大范围变得镜面般光滑时，较软表面也成同样的镜面，摩擦系数维持一定大小不变。成同样的镜面，摩擦系数维持一定大小不变。成同样的镜面，摩擦系数维持一定大小不变。成同样的镜面，摩擦系数维持一定大小不变。n n但由于磨屑脱落时形成的坑洞，硬表面仍然粗糙但由于磨屑脱落时形成的坑洞，硬表面仍然粗糙但由于磨屑脱落时形成的坑洞，硬表面仍然粗糙但由于磨屑脱落时形成的坑洞，硬表面仍然粗糙而不发生抛光现象，致使阶段而不发生抛光现象，致使阶段而不发生抛光现象，致使阶段而不发生抛光现象，致使阶段5 5及阶段及阶段及阶段及阶段6 6不能出现。不能出现。不能出现。不能出现。2/3/2023333.3.6 摩擦振动（粘摩擦振动（粘滑运动）滑运动）n n在静摩擦力