摩擦学第三章表面接触.ppt

第三章 金属表面的接触,第一节、表面接触的基本概念,二接触面积的概念 由固体表面的几何特性可知，一般工程中的各种固体的工程表面，不论其加工精度和表面光洁度多么高，在固固界面上的接触都是点接触，因此，必须分清以下两种接触面积的概念。,一表面接触的特点 1、宏观：低副接触、高副接触 2、微观：粗糙表面接触、三个位置接触、微凸体塑性变形、新微凸体接触、接触 体增加、平衡,1）名义接触面积（表观接触面积） 名义接触面积是指宏观的固固界面上的边界所决定的宏观接触面积，或两个具有理想的绝对光滑的物体的接触面积，,An = ab(3-1),其大小由下式决定：,3）实际接触面积Ar（真实接触面积） 实际接触面积是指在固固界面上，直接传递界面力的各个局部实际接触的微观面积Ari的总和。今假定在界面上有n个微观的实际接触面，则其总的实际接触面积为：,Ari,2）轮廓接触面积Ap 由于波纹度存在，使接触斑点聚集在个别 区域里的波顶，变形部分所形成的面积称为轮 廓接触面积,(3-2),三、微凸体模型和接触模型,1、微凸体模型,2）柱形模型,1）球形模型,3）锥形模型,2、接触模型,1）球面与球面接触,3）棒与棒接触,2）球面与平面接触,有关接触表面的特点：,（1）固体间接触不连续性，即接触的离散性 （2）固体间接触面积的三种类型：名义接触、轮廓接触、实际接触 （3）固体间接触具有分子和力学双重性 （4）摩擦过程中，微凸体的接触部位上的闪温比基体平均温度高的多,第二节 赫兹接触,1 固体接触的过程: 两个固体表面在法向载荷作用下相互接触，首先在软高的微突体（A，B点）接触，随着该微突体的变形（峰顶被压平）而逐渐在较低的微突体（C，D点）接触，直到接触的微突体的数量增加，使总的接触面积增大到足以支撑外载并达到静力平衡为止。,(1)、接触位置 两个表面相应微凸体高度之和的最大值部分开始 (2)、接触变形 弹塑性变形状态，成对最高的微凸体变形最大 (3)、粘着作用 粘着点-面积小应力大-分子相互作用 (4)、机械相互作用 以变形和位移适应相对运动,机械相互作用,发生变形和位移以适应相对运动 较硬的材料的微凸体会嵌入较软材料的表面中，较软材料的表面微凸体被压扁和改变形状。,微凸体互嵌微凸体不发生变形就不能产生运动,2、赫兹接触 定义:所谓赫兹接触就是指圆弧形物体的接触（赫兹1896年关于表面接触应力应变的研究） 假设:（1）材料为完全弹性；（2）表面是光滑的；（3）接触物体没有相对滚动；（4）接触物体不传递切向力； 一、两球体接触,半径 可由赫兹公式,式中：,引入,(3-3),(3-4),一般作用在接触面中心的最大接触应力是平均应力的1.5倍,=,=,=,=,=0.3,当两个球均为钢球时,代入,(3-5),(3-6),(3-7),1、,2、,二、两圆柱体接触 由赫兹公式,如圆柱 长度为L 即：,接触面上最大应力是平均应力的4/ 倍,当两圆柱体均为钢时,=,=,=,=0.3,(3-8),(3-9),(3-10),(3-11),代入b式,得：,三、球面与平面的接触（HZ）,令接触两球中的一球半径R2趋于无穷大设圆球面积为R0,四、圆球面与凹球面的接触(HZ),在接触两球中，令凹球半径为-R2。可看作球面与凹球面的接触。,五、结论与讨论,（1）在弹性变形状态下，最大接触应力与载荷成非线形 （2）球与平面接触最大剪应力在表层下0.5 处，且 （3）圆柱与平面接触时在表层下0.786 处 ，且 （4）当法向载荷与切向力同时作用， 最大剪应力位置向表面移动 （5）由于表面粗糙度的影响，每个微凸体进入接触时出现微观赫兹应力分布 （6）大多数粗糙表面接触，表面接触具有弹塑性特点 （7）表面接触的形式取决于接触条件,第三节粗糙表面的接触,一、单个球体与刚性平面的接触计算 研究单个弹性球体与刚性平面的接触情况,理论接触面积：,实际是球体塑性变形时的接触圆面积,实际加载时弹性体侧向变形受到限制，实际面积比理论面积小,实际面积,法向变形量,故：法向载荷,(3-12),(3-13),(3-14),(3-15),(3-13),已知,二、理想粗糙表面的接触计算 研究粗糙表面时， 个微凸体按某些特定规律处理,1、完全弹性接触 由前式知：,由前知单个微凸体载荷：,上述结果表明在弹性变形情况下接触面积与载荷成正比,(3-14),(3-15),实际接触面积,总载荷：,2、完全塑性接触,假设载荷使微凸体在一恒定流动压力p下发生塑性变形，材料作垂直向下的位移而不作水平扩展。此时应力达到屈服应力 已知微凸体接触面积等于2R，若单个微凸体接触面积 ，作用载荷,实际接触面积有 个微凸体则总载荷,载荷可表示：,上式表明完全塑性变形时，总载荷与实际接触面积成正比,(3-16),三、两个实际粗糙表面的接触 实际粗糙表面的微凸体高度是按概率密度函数分布的，因而接触的微凸体 数量应根据概率方法计算。,若两个表面的粗糙度均方根值分别为Rq1（ ）、 Rq2（ ） ，且参考中线之间 距离为 h 。他们的接触可转化为一个光滑刚性平面和另一个具有均方根值为： 的粗糙当量表面相接触。,表面,表面,h,Zh概率,光滑刚性表面,当量表面,若单位名义接触面积内有n个微凸体，则实际接触点数m为:,1、弹性接触,设 为当量表面上微凸体高度概率分布函数，当光滑表面与当量表面参考中线 距离为h，只有微凸体高度zh时才会接触，接触概率,已知：,由前知：,代入,Z,得：,一般情况，在Z值较大部分的微凸体高度分布接近指数分布，故令：,则：,整理得：,或,与摩擦表面性质有关参数,、塑性接触,综上所述： 1、弹性接触面积与载荷成正比，与高度分布无关 2、塑性接触，实际面积与载荷成正比,在塑性接触状态时，其接触面积是弹性接触面积的2倍。即：,由：,得：,1、在表面上形成永久性塑性变形 （1）在曲面接触中，最大剪应力在表层下，故塑性变形发生在表层下； （2）当载荷增大，塑性变形扩展，在表层出现明显特征，即永久压痕； （3）此时，平均接触应力最大值 ； （4）通常用 定义材料的硬度值H，即； （5）结论：球面或圆柱对平面，或曲面对曲面施加载荷时，若平均接触应力未达到 三倍屈服应力之前，表面不会发生明显的永久性压痕； 判椐：,第四节接触变形的判据,材料硬度与压缩屈服极限有关 不发生永久性塑性变形,、平均接触应力：,时由弹性变形进入塑性变形。,当,材料布氏硬度,、 塑性变形的条件：,过渡点： 由完全弹性到完全塑性,同除Rq1/2 得：,q微凸体高度均方根,、塑性指数：,通常将,的倒数称为塑性指数，用表示。,塑性指数（无量纲） 综合弹性模量（cm） 材料布氏硬度（cm） q微凸体高度均方根（m） 微凸体曲率半（m）,10 完全塑性接触 0.6 10 弹塑混合接触,表面粗糙度Rq增加时，也增大，表示微凸体接触部分容易过渡到塑性变形。 10完全塑性接触 0.610弹性和塑性变形同时存在 大多数都属第三种,、依据判断表面接触状态,