我的摩擦学导论五课件.ppt

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1、第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦第5 5章 摩擦1.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦目 录5.1 5.1 引言5.2 5.2 固体接触的摩擦5.3 5.3 液膜介质的摩擦5.4 5.4 材料的摩擦特性5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 滑动摩擦定律滑动摩擦定律 5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 滑动摩擦机理滑动摩擦机理 5.2.3 5.2.3 5.2.3 5.2.3 其他摩擦机理其他摩擦机理5.2.4 5.2.4 5.2.4 5.2.4 摩擦状态过度摩擦状态过度5.2.5 5.2.5 5.2.5 5.2.5 静摩擦静摩擦5.2.6 5.

2、2.6 5.2.6 5.2.6 粘滑现象粘滑现象5.2.7 5.2.7 5.2.7 5.2.7 滚动摩擦滚动摩擦 5.4.1 5.4.1 5.4.1 5.4.1 金属的摩擦特性金属的摩擦特性 5.4.2 5.4.2 5.4.2 5.4.2 陶瓷的摩擦特性陶瓷的摩擦特性 5.4.3 5.4.3 5.4.3 5.4.3 聚合物的摩擦特性聚合物的摩擦特性 5.4.4 5.4.4 5.4.4 5.4.4 固体润滑材料的摩擦特性固体润滑材料的摩擦特性2.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 生活中无处不在的摩擦力3.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 引言摩擦是运动阻力：当一个

3、固体相对于另一个固体有切向滑动或滚动并且相互接触时 就 会 产 生。如 图5.1.1（a），切向阻力的作用方向正好与运动方向相反，这个切向阻力便称为摩擦力。图5.1.1 (a)物体在表面滑动。(b)物体在水平面滚动。（W是法向载荷力，F是摩擦力）4.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦摩擦的种类按按运运动动状状态态分分静摩擦动摩擦按按运运动动形形式式分分滑动摩擦滚动摩擦干摩擦流体摩擦（润滑）边界摩擦（润滑）混合摩擦（润滑）按润滑状态分5.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦常见的两种摩擦类型：干摩擦 干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。又称库伦摩擦

4、流体摩擦 是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润滑的摩擦状态当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力很大，磨损严重，应避免。6.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 引言如果两个固体放到一块即产生切向力（F）。使它们由静止而相对运动所需施加的切向力的大小 称 为 静 摩 擦 力（Fstatic或Fs）。在进入相对运动状态前需有几微秒的时间来克服静摩擦力。而维持相对运动的切向力称为动摩擦力（Fkinetic或Fk）。(在一定条件下)静摩擦力大于或等于动摩擦

5、力，如图5.1.2。图5.1.2 切向力与滑动时间或位移的关系。Fstatic是使物体运动需克服的静摩擦力。Fkinetic是维持运动所需的动摩擦力。7.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 引言摩擦并不是材料的固有属性，而是由系统产生的。如果两个固体表面洁净且无化学粘膜和吸附物，则产生较高的摩擦。表面污物和薄膜会影响到摩擦。表面间有很好的润滑则产生较低的粘滞和较低的摩擦。然而，少量的流体存在于表面间却会产生流滞且导致较高的摩擦，尤其是在两个光滑表面间。8.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 引言摩擦力是好是坏？没有摩擦力就不可能行走，机动车无法行驶在公路上，不能拾取

6、物体。甚至一些机械场合比如车辆制动器，离合器以及以摩擦力为动力的传输装置（如皮带传输），摩擦需最大化。然而许多其它滑动和转动零件比如轴承，密封圈则不希望有摩擦，摩擦会导致能量损失以及磨损接触表面。在这些场合，摩擦需最小化。本章：我们讲述固体与固体接触、液体润滑面接触的各种摩擦机理，还将介绍一些典型材料的摩擦特性。9.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦固体接触的摩擦 最早提出摩擦基本概念的认为是1515世纪的达芬奇（Leonado da VinciLeonado da Vinci）滑动摩擦定律 10.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 古典摩擦定律内容归纳如下：摩擦力

7、的大小与接触面间的法向力成正比，而与接触面积的大小无关，即摩擦力法向力摩擦因（系）数摩擦力的方向总与接触表面相对运动速度的方向相反。摩擦力的大小与接触面间的相对滑动速度无关。静摩擦力大于动摩擦力。（5.2.15.2.1）11.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 根据方程5.2.15.2.1，它是独立于载荷的量。根据静止角或摩擦角，此定律可被方便的表达为：s s=tan =tan （5.2.25.2.2）此方程中，是斜面角度，既若任何重量的任何物体放置到斜面其从水平面起的倾斜角度小于，则物体保持静止状态，但若倾斜角度增至，则物体开始滑动，如图5.2.15.2.1。此系数在干摩擦中有

8、很大变化范围，从0.050.05到1010。而对于洁净的软金属在真空中滑动还可更大。滑动摩擦定律12.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦图5.2.1 5.2.1 物体放置在斜面上的力平衡图滑动摩擦定律13.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体接触的摩擦 载荷作用影响下的摩擦系数如钢于空气中在无润滑的铝表面上滑动，如图5.2.25.2.2（a a）所示。尽管载荷变化因子数量级很大 ，但摩擦系数仍保持为一常量不变。图5.2.25.2.2（a a）钢于空气中在铝表面滑动14.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体接触的摩擦 然而在材料表面有薄膜时，无论

9、是有意所加还是由于环境相互作用而产生，载荷作用影响下的摩擦系数就不会再保持不变了。比如铜于空气中在铜表面上滑动，在低载荷时，摩擦系数很低，而在载荷增大时，摩擦因数增至更高数值，如图5.2.25.2.2（b b）。图5.2.25.2.2（b b）铜于空气中在铜表面滑动15.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦产生低摩擦的原因是：铜在空气中易于氧化，因此，低载荷时，氧化膜有效的将两个金属表面分隔，从而造成实际上很少的金属表面接触甚至没有。但氧化膜的抗剪强度很低。在高载荷下，氧化膜被破坏，从而产生密切的金属表面接触，这就导致了较高的摩擦和表面损坏。固体接触的摩擦16.第第第第5 5 5

10、5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体接触的摩擦图5.2.25.2.2（c c）AISI 440CAISI 440C不锈钢于空气中在Ni3AlNi3Al合金表面滑动 这种摩擦转变在其它金属中也很常见。许多金属摩擦副在高载荷下，摩擦系数随着载荷的增加而减少，如图5.2.25.2.2（c c）。而导致减小的主要原因被认为是表面粗糙度增大和产生了大量的磨损碎片。17.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦在非常光滑的表面，当载荷降低到毫微牛的程度时摩擦系数发生图5.2.35.2.3所示变化。图5.2.35.2.3展示了金刚石探针与SiSi（111111）、二氧化硅图层和天然金刚石表面的动摩擦因

11、数和磨损深度受载荷的影响 固体接触的摩擦图5.2.35.2.318.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体接触的摩擦 木材于空气中在未润滑的钢表面滑动，其摩擦系数如图5.2.45.2.4所示，载荷一定而名义接触面面积的变化因子近250250。由图可见，磨擦系数保持不变。这一事实支持了第二摩擦定律。而对于如橡胶之类有很光滑和洁净表面的软材料，磨擦系数则不会保持不变。比如，车辆轮胎在公路表面的摩擦系数会随轮胎宽度的增大而增大。木材与刚的名义接触面积对摩擦因数的影响图5.2.45.2.419.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体接触的摩擦图4.2.54.2.5钛在3

12、N3N的载荷下在钛表面滑动时滑动速度对摩擦系数的影响由此可知：摩擦力与速度无关并不总是有效的。速度作用影响下的动摩擦系数总是递减的20.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体接触的摩擦 总之，以上摩擦定律在大多数情况下都有大部分相符合。应该强调的是，只有在给定相互滑动的材料及给定滑动过程进行中的条件（温度，湿度，压力和滑动速度），才是严格的常数。许多材料在干摩擦和有润滑的摩擦中显示出与载荷、滑动速度及直接可见接触面面积相独立的静摩擦系数和动摩擦系数。因此，任何给出的数值都应当谨慎使用！21.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 滑动摩擦机理 库仑以及其它的研究人员提

13、出金属的摩擦是由于微凹凸体接触面之间的机械的相互作用引起的。库仑理论模型认为：随着两面之间的滑动，V V型的粗糙面间的作用使两面分离后又靠拢。在从某处移到另处时，会导致表面越来越粗糙，并且，在两表面靠近的过程中，储存着大部分的运动所蓄的潜在能量。只有一小部分能量消耗在粗糙面的滑动中。由于摩擦是一个耗能过程，所以这种机械相互作用理论不适用了。因此一个真正的摩擦学理论应该包括耗能原理。22.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 滑动摩擦机理 BowdenBowden和Tabor(1950)Tabor(1950)提出：由于两金属之间的滑动接触，在单个的接触点的高压引起那点产生熔焊，但由此

14、引起的接触会被随之而来的相对滑动破坏。随后,它又提出微小凹凸体不一定产生熔焊，但这必须满足这点：粗糙表面间的相互间的表面粘合足以克服金属与陶瓷的摩擦（BowdenBowden与TaborTabor）。摩擦力除了克服凹凸表面接触所产生的粘合需要消耗能量外，在相对运动的接触表面的微小变形也需要消耗能量。23.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 如果忽略在滑动中的粘合和变形之间的相互作用，那就可以计算总的内摩擦力FiFi等于克服粘合所需的力FaFa与克服变形所需的力FdFd的和。因此，可以表示为：Fi=Fa+Fd Fi=Fa+Fd （5.2.35.2.3）或：摩擦系数 i i=a a

15、+dd 滑动摩擦机理24.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 对于聚合物（尤其是人造橡胶），d d几乎等于i i。粘合理论和变形理论的区别是非常明显的，并且没有相互作用的假设是不成立的。这两种情况，都有局部变形，并且摩擦的大小受相互作用的表面的物理和化学特性、载荷、滑动速度、温度等等的影响。并且还有两组成部分的不断的相互作用。对于脆性材料，必须考虑物质的变形和粘合接触的断裂。除此，物质的断裂韧度也很重要。滑动摩擦机理25.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 粘摩擦机理 当两个名义上的光滑表面在加载下相互接触时，就形成凹凸体顶部的接触，接触的凹凸体承受所加载荷。图5.

16、2.65.2.6，所有接触点的总面积构成真正的接触面，在正常载荷下的大部分材料，真正的接触面积只占名义面积的一小部分。凹凸体的接触引起由其它物理特性导致的粘合接触。剪切由已有的接触交叉面所形成的粘合点需要一个侧力，然后又形成新的接触。由于两表面之间的分子引力产生粘合，所以对于两同类材料，就像分子之间的引力一样存在着粘合力。因此，交叉面像材料一样硬，并且，事实上，在滑过剪切面的过程中会撕下材料碎片。在这种情况下，摩擦力就取决于材料的切变强度。26.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦图5.2.7 5.2.7 表面粗糙度对摩擦系数的影响（a a）表示类金刚石镀膜硬盘与Mn-ZnMn-Z

17、n的铁素体滑块之间产生弹性变形是的摩擦因数。随着粗糙度的升高，摩擦因数的值减小。（b b）表示铜与铜在加载10N10N的情况下以0.1mm/s0.1mm/s的速度滑动（铜与铜接触的塑性变形状况，对于中等的粗糙度，事实上摩擦因数与粗糙度无关；随着真正接触的面积的增加，在低粗糙度条件下，摩擦因数的值往往是变大。粘摩擦机理27.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 粘摩擦机理塑性变形的粘合摩擦：塑性变形的粘合摩擦：大部分的固体材料的剪切强度是由接触状况决定的。对大部分的固体材料的剪切强度是由接触状况决定的。对于塑料和一些非金属材料，有于塑料和一些非金属材料，有 (5.2.14a)(5.2

18、.14a)(5.2.14a)(5.2.14a)和：和：(5.2.14b)(5.2.14b)(5.2.14b)(5.2.14b)其中：其中：是许用切变强度是许用切变强度 是压力系数是压力系数28.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 粘摩擦机理弹性变形的粘合摩擦：对于大部分材料来说，有关摩擦的经典粘合理论都适应，但黏弹性材料人造橡胶除外。粘合模型中，从分子角度看，有一部分物理模型考虑了一个简化了的粘合滑动条件，另一些也考虑了一些机械模型的相关信息。29.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 粘摩擦机理图图5.2.9 5.2.9 5.2.9 5.2.9 橡胶在硬表面橡胶在硬

19、表面间上产生粘着的机理间上产生粘着的机理如图5.2.9a5.2.9a所示，假设一人造橡胶在一刚性表面滑动后，粘合发生在A A点。在这个小系统移动一段距离的过程中，让粘合保持一段时间，然后释放。就会在材料中产生一个相关联的张力，这就会使能量储存在元件的弹性变形中（图5.2.9b5.2.9b）。当弹性张力超过粘合力时，在A A点就会使粘合点断开并且元件就会松弛。然后在新的点AA就会发生新的粘合，依此类推（图5.2.9c5.2.9c）。30.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦粘合摩擦系数就可以用下式来表示：(5.2.15)(5.2.15)其中:阻尼系数。假设一个光滑的半球形橡胶在一个干

20、净的光滑的玻璃表面滑动，它们之间就会发生间断地分离，这样就有高速地从头到尾的滑动。粘合似乎在贯穿于这种波动中，这就使得橡胶表面会有折痕，也有可能会由切向的压力而发生扣死。切线应力梯度是发生间断分离的驱动力。橡胶在玻璃上的运动不是交叉面间的滑动而类似于通过地毯后留下的一段皱褶或者说是像毛毛虫的移动。粘摩擦机理31.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 粘摩擦机理 当橡胶穿过接触区域时会连续不断地发生在皱的一边粘合断开而在另一当橡胶穿过接触区域时会连续不断地发生在皱的一边粘合断开而在另一边会重新粘合，如图边会重新粘合，如图5.2.105.2.105.2.105.2.10所示。重新粘合所

21、需的能量比断开粘合所需的所示。重新粘合所需的能量比断开粘合所需的能量少。在不断的粘合断开和重新粘合的过程中，摩擦与能量损耗有关。能量少。在不断的粘合断开和重新粘合的过程中，摩擦与能量损耗有关。图图5.2.10.5.2.10.5.2.10.5.2.10.示意图表明光滑的橡胶在光滑的玻璃上滑动时，示意图表明光滑的橡胶在光滑的玻璃上滑动时，间断的分离怎样滑过接触区域的间断的分离怎样滑过接触区域的32.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦v犁沟效应犁沟效应 犁沟是鲍顿和泰伯的总摩擦力中的一部分，也是机械作用形成阻力的另一种形式。它由于硬金属上的粗糙度凸峰陷入较软的金属而引起的，并且由于较软

22、金属的塑性流动而犁出一个沟槽。图为一个硬的金属圆锥在一较软金属表面上滑动所产生的犁沟。形变摩擦机理接触表面在水平面上的投影面积：A A1 1dd 2 28 8在垂直面上的投影面积：A A2 2dhdh2 233.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦球在软金属上滑动 犁沟效应 圆柱体横放圆柱体横放圆柱体在软金属上的滑动圆柱体在软金属上的滑动 圆柱体立放34.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 摩擦状态过度 在滑动过程中，摩擦副表面状态的改变对摩擦和磨损特性有一定影响。滑动过程中的摩擦因数增长的四种类型：1 1）摩擦因数在磨合期内爆出初始值基本不变，然后慢慢地增大到另一个

23、稳定值。2)2)初始摩擦因数维持一段时间后先增大至较高值，然后下降到某个较低值（但高于初始值）保持不变。3 3）摩擦因数增至一个较高值之后保持不变，然后下降到一个较低值，接着又增至另一个较高值。4 4）摩擦因数以一种不可重复的方式变化。35.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 静摩擦 接触表面激发滑动所需的摩擦力大于或等于维持两物体滑行状态的摩擦力，即静摩擦因数大于或等于动摩擦因数。两个物体的静止时间（持续时间、粘着时间或接触持续时间）影响粘着和静摩擦因数，随着静止时间延长，静摩擦因数可能增大也可能减小。如果接触表面上粘附了污染物，那么静摩擦因数趋于减小。反之，如果接触表面非常洁

24、净，呢么静摩擦因数趋于增大。36.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 粘滑现象v滑动过程中。摩擦力波动变化。从粘着接触到刚开始滑动，摩擦力稳定增加到最大值即静摩擦力FsFs。它表示静态极限剪切应力。然后突然滑动到新的粘着接触，摩擦力减少到最小值即动摩擦力F Fk k，它表示动态极限剪切应力。v粘着与滑动的交替过程周而复始，而表面并无磨损痕迹。此外在达到静摩擦力后，滑动进行非常快而由动摩擦转变为静摩擦则是渐变过程如图所示这种转变需要5s5s时间。37.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦v如图，随着滑动速度v v增加，幅值降低，频率增加，直至达到临界滑动速度v vc c

25、时，粘滑现象消失。此后将以动摩擦力F Fk k作平稳滑动。粘滑预防38.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 滚动摩擦 车轮与地面的摩擦就是滚动摩擦。由于滚动摩擦的影响因素很多，所以研究滚动摩擦比研究滑动摩擦更为复杂。本节将介绍滚动摩擦的一些基本概念、摩擦机理及影响因素。1.1.基本概念（1 1）滚动摩擦的定义 滚动摩擦就是一个表面在另一个表面上做滚动是遇到的阻力，它一般限定于表面光滑的形状连续的物理。硬质材料的圆柱体或球体之间的滚动或它们在平面上滚动。如图，一球体在平面上滚动。39.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 各种滚动运动都可以视为以下三种基本滚动形式的组合

26、、这三种滚动形式的表面作用和摩擦机理各不相同。v自由滚动自由滚动 圆柱体或球体沿着平面无约束地作直线滚动，这是最简单的滚动形式。v具有牵引力的滚动具有牵引力的滚动 在接触区内同时受到法向载荷和切向牵引力的作用，例如摩擦轮传动。v伴随滑动的滚动伴随滑动的滚动 当两个滚动体的几何形状造成接触面上的切向速度不相等时，滚动中必将伴随滑动，例如向心推力球轴承中球与该道之间的滚动。滚动摩擦40.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 滚动摩擦一般比滑动摩擦小得多，在滚动界面也不存在犁沟和粘着点的剪切。因此，不能用滑动摩擦的微观模型来解释滚动中产生的摩擦，还需要作另外的解释。任何滚动摩擦的模型，象

27、滑动情况中一样必须能说明滚动摩擦力及滚动摩擦的能量消耗两个方面。目前认为滚动摩擦阻力主要来自下列几种作用：微观滑移（即微观滑动）；弹性滞后；塑性变形；粘附作用。滚动摩擦41.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 滚动摩擦 和滑动摩擦不同，在滚动摩擦中不存在界面间的犁沟及粘着接点的剪切。因此，不能应用滑动摩擦的微观模型来解释因滚动而产生的阻力。目前认为滚动的摩擦阻力主要来自微观滑动、弹性滞后、塑性变形和粘着作用等方面。（1 1）微观滑动 微观滑动是滚动过程中普遍存在的现象。当两个弹性模量不同的物体作自由滚动时，由于接触表面产生不相等的切向位移，就将有微观滑动出现。用以传递机械功的滚动

28、接触表面有切向牵引力作用，将产生较大的微观滑动。当几何形状使得接触面上两表面的切向速度不同时，将导致更大的微观滑动。微观滑动所产生的摩擦阻力占滚动摩擦的较大部分，它的机理与滑动摩擦相同。42.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦（1 1）微观滑动v雷诺雷诺(Reynolds)(Reynolds)滑移滑移 雷诺在18761876年对滚动摩擦的性质作了详细研究。认为接触面积上存在有滑动摩擦力作用着的滑移区是引起滚动阻力的原因之一。随后，许多研究者用不同的材料对接触面积上由于微观滑动所引起的滚动阻力进行了研究，指出弹性模量不同的两个物体赫兹接触时，若两物体一起自由滚动，作用在每一物体上的

29、压力一般在两表面上引起的切向位移不相等，这就导致界面的微观滑移。图示为一硬的圆柱体在橡胶上滚动。加载后，圆柱体在橡胶中压入一条沟槽。显然，压缩引起的伸长在1处比2、3处要大。在滚动过程中，A、B表面伸长的大小也不同，B是弹性体，表面伸长大；而A弹性差，表面伸长小，则A和B的界面由于伸长的差异而发生滑动。43.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦v希思柯特希思柯特(HeahcoteHeahcote)滑移滑移v当一个球在槽型滚道内滚动时，接触面积为椭圆形，如图所示。在这类接触中，球滚动时的瞬时转动中心并不是两物体的接触点，而是绕瞬时轴线AAAA转动。由于接触面积在垂直于滚动方向的平面内

30、具有曲率，因此在接触区内各接触点与旋转轴线的距离不同，即各点的线速度不同，于是引起球上各接触点相对于槽发生滑移。由图可知存在着三个滑移区：接触区中央部分，其滑移方向与滚动方向相反；两侧部分，其滑移方向与滚动方向相同。这种滑移是由球和槽型滚道的结构特点引起的。由滑移引起的阻力与槽半径或槽和球的曲率半径差有关。对球槽半径比在0.970.970.50.5范围的研究具有很大的实际意义，常用于滚动轴承中。44.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦v卡特卡特-波利斯基波利斯基-富波尔富波尔(Carter-(Carter-Poritsky-FpplPoritsky-Fppl)滑移滑移v两圆柱体相

31、互滚动时，在滚动方向有切向牵引力。其通过接触区传递，由于接触区内摩擦力的作用，两物体接触处的切向力方向必相反。这使主动轮1 1的表层进入接触区时受到压缩，而在离开接触区中点后受到拉伸;相反，从动轮2 2的表层在进入接触区时受到拉伸，而在接触区中点后受到压缩。这样两轮的表层会产生不同情况的弹性变形，因此产生相对滑移。如果沿整个接触区都发生滑移，则接触界面上的总切向力就等于p p(取圆柱体为单位长度，P P是单位长度上作用的压力)，两圆柱就要发生打滑，实际上微观滑动仅占很小一部分，大部分没有相对滑动(称粘着区)，滚动时粘着区靠近接触面积的前沿，它是滚动接触能传递机械功的原因。45.第第第第5 5

32、5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦（2 2）弹性滞后 当材料受力变形时，在弹性范围内，如果将应变量放大，常常发现加载线和卸载线不重合，加载线高于卸载线，如图所示，即加载时用于变形的功大于卸载时材料放出的功，有一部分功被材料吸收，这种现象叫做弹性滞后。加载线和卸载线所围成的封闭回线，称为弹性滞后回线。弹性滞后回线所包围的面积，表示材料在一次应力循环中以不可逆方式吸收的能量。46.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦（3 3）塑性变形 MerwlnJohnson提出的塑性变形机理可解释金属间的滚动阻力。金属物体滚动接触时，若接触压力超过一定数值，首先在距接触表面某一距离处产生屈服。产生塑

33、性变形是需要能量的。其表现为滚动摩擦阻力，可根据弹塑性力学计算。一个球体在平面上滚动，球体在第一次滚过平面时就在平面上形成一条塑性变形的滚道，泰伯求得这种滚动摩擦力的经验公式为47.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦（3 3）塑性变形 有研究者认为滚动阻力主要是由滚动球体前方的塑性变形造成的。由上式可知，滚子半径越大，接触面积和弹性变形愈小，滚动摩擦阻力也愈小。因此在设计滚动摩擦机械时，要想减小滚动摩擦阻力，应尽可能地采用较大的滚子半径，并且必须设法减小接触处的接触面积或弹性变形，也就是选择合适的材料副。48.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦（4 4）粘着作用 滚

34、动摩擦时，摩擦副之间也会产生粘着，但滚动摩擦产生的粘着接点在分离时，其方向是垂直于界面的，因此没有接点的增大现象。而滑动摩擦时所产生的接点在分离时，其方向与界面相切，因此有接点的增大现象。这是滚动摩擦系数小于滑动摩擦的原因之一。滚动摩擦的粘着力主要是较弱的范德华力。象金属键这类较强的短程力可能只作用在微观滑移面积内的微观接触点上。形成接点后再分离时，接点不是受剪应力的作用而是受拉应力的作用而分开。一般说来，滚动摩擦的粘附分量可能只占摩擦阻力中的一部分。但对于特定情况下的金属滚动，如硬球在不同的金属薄层上滚动时，粘附分量仍然是不同金属副滚动摩擦系数的主要部分。49.第第第第5 5 5 5章章章章

35、 摩擦摩擦摩擦摩擦滚动摩擦v综上所述，滚动摩擦是一个很复杂的过程，上述各种机理可解释一些摩擦副以及某些工况条件下的摩擦现象。在某种特殊的条件下，某一种机理可能占主要地位。在一般情况下，可能几种机理同时起作用。这就需要对实际工况作具体分析。50.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 液膜介质的摩擦 当接触面上有润湿性较好的液膜（如润滑剂或吸附水膜）时，表面能的作用使接触面或非接触面微凸体上出现弯月面，表面张力在弯月面内产生负的拉普拉斯压力而形成一定引力。压力差与微凸体的浸没面积之积等于吸引力（或粘着力），它被称为弯月面力。这种固有的吸引力可能会导致很高的静摩擦力、动摩擦力和磨损。因此

36、，两个非常光滑的表面构成的界面中，液膜产生的静摩擦力是一个重要问题，它是计算机数据存储和微器件中的难题之一，一般被称为“粘滞”51.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 材料的摩擦特性金属的摩擦特性 单相合金(如币合金：9090AgAg，1010Cu)Cu)的性质象纯金属，摩擦性能一般与其主要组元相似。多相合金（如CuPbCuPb轴承合金）情况比较复杂，当含有少量的软相时，摩擦系数较低。其原因是软相能够涂抹在合金的表面上充当润滑剂。属于这种类型的合金有含铅的易切削钢和含有石墨的灰口铸铁等。当两个滑动表面是同一金属或是非常类似的金属，或是两种有可能形成固溶合金的金属时，则摩擦较严重。

37、例如，铜铜摩擦副的摩擦系数可达1.01.0以上，铝铁或铝低碳钢摩擦副的摩擦系数大于0.80.8。而不同金属或低亲合力的金属组成的摩擦副摩擦系数则较低。如银铁或银低碳钢摩擦副的摩擦系数约为0.30.3。52.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦金属的摩擦特性 金属的表面常覆盖有氧化膜、吸附气体膜及其它形式的污染薄膜。这些表面膜的存在将对摩擦副的摩擦特性产生影响，而且会使摩擦系数发生变化。金属和合金的摩擦因数除了受表面洁净度的影响之外，还与滑动速度、接触压力、温度、大气环境以及相对湿度有很大关系。53.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦金属的摩擦特性 相对滑动速度高时，瞬

38、间所产生的大量摩擦热来不及向内层扩散，因此，摩擦副表层受热的作用大，深度浅，温度梯度大，表面温度可达到材料的熔点，使表面有一层很薄的熔化层。高速时，这层熔化金属液在接触区具有液体动力学特性，摩擦系数均随着速度的增大而降低，且与摩擦副材料的导热性有关。摩擦系数与滑动速度的关系见下表。观察滑动后的试件，在摩擦表面实际接触的地方，发现金属的熔化现象。54.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 陶瓷的摩擦特性 陶瓷的力学强度很高且在高温下的衰退很小，它具有抗氧化和耐腐蚀性能。陶瓷主要是由离子键和共价键形成的，它们的相溶性很低，自配对的摩擦系数比较小。但环境因素的影响是非常大的。陶瓷的摩擦有

39、两个基本的状态，一种是发生严重磨损和表面断裂的情况，另一种是只有轻微磨损的情况。对于前者，滑动摩擦系数可达0.50.50.80.8，而后者只有0.10.10.30.3。严重磨损时，摩擦由于不断发生的断裂和产生硬磨屑而增加。55.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 聚合物的摩擦特性 聚合物一般处在玻璃态、高弹态或粘流态。聚合物的摩擦可分为三种类型：(a)(a)玻璃态或晶态的摩擦；(b)(b)橡胶态的摩擦；(c)(c)粘流态的摩擦。56.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 聚合物包括塑料和橡胶。聚合物的基本摩擦机理与金属材料是类似的，也就是说微凸体的粘着及犁划变形是影响

40、聚合物和与之相对材料之间摩擦的主要因素。聚合物的摩擦特性 聚合物的摩擦与温度、载荷及速度等有很大关系，甚至加载时间都会对摩擦产生很大影响。在弹性聚氨酯与钢的摩擦实验中得到，随着加载时间的增加，聚氨酯的摩擦系数明显提高。57.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦聚四氟乙烯 聚四氟乙烯（PTFEPTFE）在工程塑料中占有非常重要的地位，有“塑料王”的美称。它的用途相当广泛，从普通机械到有极端苛刻使用条件的尖端装置上都在使用。聚四氟乙烯的大分子构形。它在温度低于1919时呈三棱体形，螺旋形大分子中每1313个碳原子扭转180180，其轴向间距为1.7nm1.7nm；在高于1919时呈六面

41、体形，每1515个碳原子扭转180180，轴向间距为2nm2nm。58.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦PTFEPTFE的温度对摩擦系数和比值 S S y y 的影响 聚四氟乙烯59.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 PTFE PTFE受到拉伸或压延，分子链将按伸展的方向排列，而结构变成具有极高的取向性。聚四氟乙烯60.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦 固体润滑材料的摩擦特性金刚石 金刚石是人们所知的最硬的材料。它压入和划伤最硬的金属及陶瓷时不产生永久变形。它的屈服压力超过20002000公斤毫米2 2，它的杨氏模量约为钢的4 4或5 5倍。61

42、.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦石墨 具有片状或层状结构的固体，由于它们有十分明显的各向异性或方向性的性质，因而具有低的摩擦阻力。这类材料主要有石墨、二硫化钼、滑石、云母及氮化硼等，它们也都是典型的固体润滑材料。石墨 62.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦固体润滑材料的摩擦特性 63.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦二硫化钼 温度升到800800以上，MoSMoS2 2发生显著的分解。这样就剩下了固体钼，它产生很高的摩擦。二硫化钼在真空中的低摩擦使它特别适宜于太空中的应用。应用：在制造烧结金属零件时使之含有MoSMoS2 2。MoS MoS2 2作为润滑脂和润滑油的主要耐磨添加剂也取得了很好的效果。64.第第第第5 5 5 5章章章章 摩擦摩擦摩擦摩擦65.