摩擦磨损润滑精选PPT.ppt
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1、摩擦磨损润滑第1页,此课件共48页哦第一节第一节 概述概述 机机械械的的运运转转必必然然产产生生零零、部部件件的的相相对对运运动动,有有相相对对运运动动就必然产生摩擦和磨损。就必然产生摩擦和磨损。润滑润滑是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。是改善表面摩擦状态、减缓磨损最有效的方法。摩擦学(摩擦学(TribologyTribology)是专门研究相对运动和相互作用的两是专门研究相对运动和相互作用的两表面间现象和有关实践的一门科学技术,表面间现象和有关实践的一门科学技术,是有关摩擦、磨损和是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称。润滑科学的总称。摩擦摩擦是造成能量损失的主要原因。是造成能量损失的主要
2、原因。磨损磨损是摩擦的必然结果,在失效的机械零件中,大约有是摩擦的必然结果,在失效的机械零件中,大约有80%80%是由于各种形式的磨损造成的。是由于各种形式的磨损造成的。第2页,此课件共48页哦第二节第二节 表面性质及表面接触表面性质及表面接触 摩擦、磨损和润滑等摩擦学现象都是在两物体接触的表面摩擦、磨损和润滑等摩擦学现象都是在两物体接触的表面间发生的,因此,有必要对物体间发生的,因此,有必要对物体表面性质表面性质有一个初步的了解。有一个初步的了解。在此,本书主要对机械设计中最典型的金属表面的性质做一个在此,本书主要对机械设计中最典型的金属表面的性质做一个简单的介绍。简单的介绍。第3页,此课件
3、共48页哦1 1、表面形貌、表面形貌 在工程中使用的金属表面,都不是理想的光滑表面,尽在工程中使用的金属表面,都不是理想的光滑表面,尽管宏观上看上去大都很光滑,但微观上看,实际表面管宏观上看上去大都很光滑,但微观上看,实际表面凹凸不凹凸不平平。一、表面性质一、表面性质 金属表面性质主要包括两方面的内容:表面形貌和金属表面性质主要包括两方面的内容:表面形貌和表面组成。表面组成。第4页,此课件共48页哦 表面表面形貌中的形貌中的三个三个主要参量主要参量:表面粗糙度表面粗糙度 指细密空间的不规则性指细密空间的不规则性跳动,反映的是金属表面微跳动,反映的是金属表面微观几何形状误差。它体现了表面加工方法
4、的固有特性。观几何形状误差。它体现了表面加工方法的固有特性。表面波度表面波度 指较大空间内周期性出现的不规则性波动。往指较大空间内周期性出现的不规则性波动。往往是因为机床刀具或工件振动的结果。往是因为机床刀具或工件振动的结果。形状误差形状误差 实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。在表实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。在表面形貌分析中,通常是不考虑的。面形貌分析中,通常是不考虑的。第5页,此课件共48页哦 从从摩擦学摩擦学观点讲,观点讲,表面粗糙度表面粗糙度对材料表面性质影响最对材料表面性质影响最大,通常用轮廓算术平均偏差大,通常用轮廓算术平均偏差Ra值的大小来度量金属表面值的大小来度量金属表
5、面的粗糙程度。的粗糙程度。第6页,此课件共48页哦2、表面组成、表面组成 金属表面在切金属表面在切削加工过程中表削加工过程中表层组织结构将发层组织结构将发生变化,使表生变化,使表面由若干层次构成,面由若干层次构成,典型的金属表面结典型的金属表面结构如图所示。构如图所示。金属表面的组成指表层结构和其金属表面的组成指表层结构和其物理化学机械性质物理化学机械性质。第7页,此课件共48页哦 研究两金属表面的摩擦磨损过程时,首先是了解它们研究两金属表面的摩擦磨损过程时,首先是了解它们之间的接触状况。一般经过机械加工的金属表面,都有之间的接触状况。一般经过机械加工的金属表面,都有一定的一定的粗糙度粗糙度。
6、二、表面接触二、表面接触 因此,两摩擦因此,两摩擦表面在相互接触表面在相互接触时,实际只是个时,实际只是个别的别的微凸体之间微凸体之间接触接触。如图所示。如图所示 第8页,此课件共48页哦u金金属属表表面面的的实实际际接接触触面面积积非非常常小小,通通常常只只是是名名义义面面积积的的1%1%到到0.01%0.01%,视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。,视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。表面接触的一些结论:表面接触的一些结论:u表面微凸体表面微凸体大小、高度不等,接触时大小、高度不等,接触时一部分弹性变形一部分弹性变形,一部分塑性变形一部分塑性变形,这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。由于
7、实际接触面积非常这两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。由于实际接触面积非常小,所以接触面积上的应力非常大,因此,大多数摩擦表面都存在着大小,所以接触面积上的应力非常大,因此,大多数摩擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体。量的塑性变形微凸体。u实实际际接接触触面面积积随随着着法法向向载载荷荷的的增增大大而而增增大大,它它的的增增大大主主要要体体现现在在接接触触点点的的数数量量增增加加,而而各各个个接接触触点点因因弹弹性性和和塑塑性性变变形形而而使使接接触触面面积积的的增加是次要的。增加是次要的。第9页,此课件共48页哦第三节第三节 摩擦摩擦 在外力作用下,相互接触的两个物体作相对运动或有在外力
8、作用下,相互接触的两个物体作相对运动或有相对运动的趋势时,其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻相对运动的趋势时,其接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力,这一现象叫做力,这一现象叫做摩擦摩擦,这时所产生的阻力叫做,这时所产生的阻力叫做摩擦力摩擦力。摩擦可分为摩擦可分为两大类两大类:一类是发生在物质内部,阻碍分子间:一类是发生在物质内部,阻碍分子间相对运动的相对运动的内摩擦内摩擦;另一类是在物体接触表面上产生的阻碍其;另一类是在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动的相对运动的外摩擦外摩擦。第10页,此课件共48页哦 对于外摩擦,根据摩擦副的运动状态,可将其分为对于外摩擦,根据摩擦副的运动状态,可将其分为静静
9、摩擦摩擦和和动摩擦动摩擦。动摩擦动摩擦还可根据摩擦副的运动形式,可将其分为还可根据摩擦副的运动形式,可将其分为滑动滑动摩擦摩擦和和滚动摩擦滚动摩擦。根据摩擦副的表面摩擦状态(或称润滑状态),又可将其根据摩擦副的表面摩擦状态(或称润滑状态),又可将其分为分为干摩擦干摩擦、边界摩擦边界摩擦(边界润滑)、(边界润滑)、液体摩擦液体摩擦(液体润(液体润滑)和滑)和混合摩擦混合摩擦(混合润滑)。(混合润滑)。第11页,此课件共48页哦一、干摩擦一、干摩擦 是指表面间是指表面间无任何润滑剂无任何润滑剂或或保护膜保护膜的纯金属接触时的的纯金属接触时的摩擦。在工程实际中,真正的干摩擦是不存在的,因为任何摩擦。
10、在工程实际中,真正的干摩擦是不存在的,因为任何零件的表面不仅会因为氧化而形成零件的表面不仅会因为氧化而形成氧化膜氧化膜,而且多少也会被,而且多少也会被含有润滑剂分子的气体所湿润或受到含有润滑剂分子的气体所湿润或受到“油污油污”。在机械设计。在机械设计中,通常将两接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当作中,通常将两接触表面没有人为引入润滑剂的摩擦当作干摩擦。干摩擦时,摩擦阻力最大,金属间的摩擦系数干摩擦。干摩擦时,摩擦阻力最大,金属间的摩擦系数 f=0.15 1.5。干摩擦动画干摩擦动画第12页,此课件共48页哦 古典摩擦理论古典摩擦理论l 摩擦力摩擦力F 与正压力与正压力FN 成正比成正比 F=f
11、 FN 古典摩擦理论有一定的局限性,例如,法向力很大的时候,古典摩擦理论有一定的局限性,例如,法向力很大的时候,实际接触面积接近名义接触面积,摩擦力和法向力就不再成线实际接触面积接近名义接触面积,摩擦力和法向力就不再成线性关系。性关系。l 摩擦力摩擦力F 与表面名义接触面积的大小无关与表面名义接触面积的大小无关 l F静静 F动动,且,且 F动动 与与 v 无关无关第13页,此课件共48页哦 鉴于古典摩擦理论的局限性,人们进一步研究有关摩擦的鉴于古典摩擦理论的局限性,人们进一步研究有关摩擦的机理,并逐渐形成了现今被广泛接受的以下几种干摩擦理论:机理,并逐渐形成了现今被广泛接受的以下几种干摩擦理
12、论:1、机械啮合理论、机械啮合理论 认为摩擦起源于表面粗糙度,摩擦力是表面微凸体认为摩擦起源于表面粗糙度,摩擦力是表面微凸体机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量损耗于微凸体的相机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量损耗于微凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形。互啮合、碰撞以及弹性变形。2 2、分子作用理论、分子作用理论 认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因,认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因,摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引力形成的。摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引力形成的。第14页,此课件共48页哦3 3、粘着摩擦理论、粘着摩擦理论 粘着理论认为:粘着理论认为:摩擦表面处于塑性接触的
13、状态;摩擦表面处于塑性接触的状态;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;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。两金属表面在法向载荷两金属表面在法向载荷FN作用下的实际接触面积作用下的实际接触面积Ar和和名义接触面积名义接触面积A A相比是很小的,这样微凸体接触区所受的压力很相比是很小的,这样微凸体接触区所受的压力很高,使材料发生塑性变形,表面边界膜遭到破坏,从而使基体金高,使材料发生塑性变形,表面边界膜遭到破坏,从而使基体金属发生粘着现象,形成冷焊结点。属发生粘着现象,形成冷焊结点。第15页,此课件共48页
14、哦 在简单粘着理论中摩擦系数在简单粘着理论中摩擦系数 f 的表达式则为:的表达式则为:简单粘着理论简单粘着理论由于在分析实际接触面积时只考虑受压屈由于在分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限,而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限,服极限,而在计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限,没有没有考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切应力的联合考虑由法向载荷产生的压应力及由切向力产生的切应力的联合作用,因此得出的滑动摩擦系数与实测结果有很大的出入,为作用,因此得出的滑动摩擦系数与实测结果有很大的出入,为此,此,BowdenBowden等人于等人于19641964年又提出了一种更切合实际的修正粘着年又提出
15、了一种更切合实际的修正粘着理论。可参考有关资料理论。可参考有关资料。第16页,此课件共48页哦4 4、分子、分子机械理论(摩擦二项式定律)机械理论(摩擦二项式定律)认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分子吸引力认为滑动摩擦是克服表面微凸体的机械啮合和分子吸引力的过程,因而摩擦力就是接触面积上的分子和机械作用所产生的过程,因而摩擦力就是接触面积上的分子和机械作用所产生的阻力总和。的阻力总和。其摩擦系数的表达式为:其摩擦系数的表达式为:式中:式中:为与表面分子特性有关的参数为与表面分子特性有关的参数;.为与表面机械特性有关的参数为与表面机械特性有关的参数;Ar为实际接触面积为实际接触面积;FN
16、为法向载荷为法向载荷 分子分子机械理论考虑的因数较多,比较符合实验的结果。机械理论考虑的因数较多,比较符合实验的结果。能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态。能非常好地适用于边界润滑及某些干摩擦状态。第17页,此课件共48页哦二、边界摩擦(边界润滑)二、边界摩擦(边界润滑)指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开,其摩擦性指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开,其摩擦性质与液体的黏度无关,只与边界膜和表面的吸附性质有关。质与液体的黏度无关,只与边界膜和表面的吸附性质有关。虽然边界润滑不能完全避免金属间的直接接触,但可以虽然边界润滑不能完全避免金属间的直接接触,但可以大大地减小摩擦力,一般摩擦系数大
17、大地减小摩擦力,一般摩擦系数 f=0.1 左右。左右。边界润滑动画边界润滑动画单层分子边界膜模型单层分子边界膜模型 单层分子边界膜摩擦单层分子边界膜摩擦 第18页,此课件共48页哦 边界膜按形成的机理,分为边界膜按形成的机理,分为吸附膜吸附膜(物理吸附膜和(物理吸附膜和化学吸附膜)和化学吸附膜)和反应膜反应膜。润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上,润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上,就形成就形成物理吸附膜物理吸附膜。润滑剂中分子受化学键力作用而吸附在金属表面上,润滑剂中分子受化学键力作用而吸附在金属表面上,就形成就形成化学吸附膜化学吸附膜。反应膜反应膜是当润滑剂中含有以原
18、子形式存在的硫、氯、是当润滑剂中含有以原子形式存在的硫、氯、磷时,它们与金属表面进行化学反应而生成的薄膜。这种反磷时,它们与金属表面进行化学反应而生成的薄膜。这种反应膜与金属表面接合牢固,强度高,熔点高,比前两种膜都应膜与金属表面接合牢固,强度高,熔点高,比前两种膜都更稳定,可在十分苛刻的条件下保护金属表面不发生粘着。更稳定,可在十分苛刻的条件下保护金属表面不发生粘着。第19页,此课件共48页哦三、液体摩擦(液体润滑)三、液体摩擦(液体润滑)当摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面完全隔当摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面完全隔开,即形成了完全的液体摩擦。这时,润滑剂中的分子已大开,即
19、形成了完全的液体摩擦。这时,润滑剂中的分子已大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动,摩擦只发生在都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动,摩擦只发生在液体内部的分子之间,所以摩擦系数极小,大约液体内部的分子之间,所以摩擦系数极小,大约 f=0.001 0.008,而且不会有粘着磨损产生,是理想的摩擦状态。,而且不会有粘着磨损产生,是理想的摩擦状态。液体摩擦动画液体摩擦动画第20页,此课件共48页哦四、混合摩擦(混合润滑)四、混合摩擦(混合润滑)当摩擦表面间处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态时称当摩擦表面间处于边界摩擦和液体摩擦的混合状态时称为混合摩擦。在一定条件下,混合摩擦能有效地降低摩擦阻为混
20、合摩擦。在一定条件下,混合摩擦能有效地降低摩擦阻力,其摩擦系数要比边界摩擦时小得多,大约力,其摩擦系数要比边界摩擦时小得多,大约 f=0.01 0.08,但因仍有金属的直接接触,所以不可避免地仍有磨损,但因仍有金属的直接接触,所以不可避免地仍有磨损存在。存在。混合摩擦动画混合摩擦动画第21页,此课件共48页哦 第四节第四节 磨磨 损损 磨损是表面物质在摩擦过程中不断损失的现象,是磨损是表面物质在摩擦过程中不断损失的现象,是伴随摩擦而产生的必然结果。磨损会消耗材料,降低运伴随摩擦而产生的必然结果。磨损会消耗材料,降低运转精度,影响寿命和可靠性。但磨损并非都是有害的,转精度,影响寿命和可靠性。但磨
21、损并非都是有害的,如机械的跑合、利用磨损原理进行的加工(研磨、抛光)如机械的跑合、利用磨损原理进行的加工(研磨、抛光)等。等。一、一般磨损的过程一、一般磨损的过程 机械零件的一般磨损过程大致分为三个阶段机械零件的一般磨损过程大致分为三个阶段 第22页,此课件共48页哦 一般磨损的过程一般磨损的过程第23页,此课件共48页哦跑合阶段跑合阶段 新的摩擦副表面较粗糙,在新的摩擦副表面较粗糙,在10%10%50%50%的额定载荷下的额定载荷下进行试运转,使摩擦表面的微凸体被磨平,实际接触面积逐步增大,进行试运转,使摩擦表面的微凸体被磨平,实际接触面积逐步增大,压强减小,磨损速度在跑合开始阶段很快,然后
22、减慢。跑合阶段对压强减小,磨损速度在跑合开始阶段很快,然后减慢。跑合阶段对新的机械是十分必要的。新的机械是十分必要的。稳定磨损阶段稳定磨损阶段 经过跑合,摩擦表面逐步被磨平,微观几何形状发经过跑合,摩擦表面逐步被磨平,微观几何形状发生改变,建立了弹性接触的条件,进入稳定磨损阶段,零件的磨损速度减生改变,建立了弹性接触的条件,进入稳定磨损阶段,零件的磨损速度减慢,它表征零件正常工作寿命的长短。慢,它表征零件正常工作寿命的长短。急剧磨损阶段急剧磨损阶段 经过长时间的稳定磨损阶段,积累了较大的磨损量,经过长时间的稳定磨损阶段,积累了较大的磨损量,零件开始失去原来的运动轨迹,磨损速度急剧增加,间隙加大
23、,精度降低,零件开始失去原来的运动轨迹,磨损速度急剧增加,间隙加大,精度降低,效率减小,出现异常的噪声和振动,最后导致零件失效。效率减小,出现异常的噪声和振动,最后导致零件失效。第24页,此课件共48页哦 从磨损过程的变化来看,为了提高零件的使用从磨损过程的变化来看,为了提高零件的使用寿命,在设计或使用机械时,应力求缩短跑合期,寿命,在设计或使用机械时,应力求缩短跑合期,延长稳定磨损期,推迟急剧磨损期的到来。若设延长稳定磨损期,推迟急剧磨损期的到来。若设计不当或工作条件恶化,则不能建立稳定磨损阶计不当或工作条件恶化,则不能建立稳定磨损阶段,在短暂的跑合后,就立即进入急剧磨损阶段,段,在短暂的跑
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