摩擦学原理-固体摩擦、磨损理论课件

第20章 固体摩擦、磨损理论第20章 固体摩擦、磨损理论1主要内容20-1 摩擦的基本特性 20-2 摩擦理论20-3 磨损的基本形式主要内容20-1 摩擦的基本特性 220-1 摩擦的基本特性 古典摩擦理论(Amonton、Coulomb):摩擦系数仅取决于材料性质,而与表观接触面积,滑动速度和载荷大小无关。1.静止接触时间的影响2.跃动现象干摩擦运动并非连续平稳的滑动,而是一物体相对于另一物体断续的滑动,此称跃动现象。滑动速度；接触时间 3.预位移问题：极限位移；静摩擦力 20-1 摩擦的基本特性 古典摩擦理论(Amonton、320-2 摩擦理论1、机械啮合理论问题(1)超精加工表面间的摩擦系数反而增加(2)表面吸附一层极性分子后,其厚度不及抛光粗糙度的十分之一，摩擦系数极大减小Amontons于1699年提出 认为滑动中摩擦能量损耗于粗糙峰的相互啮合,碰撞及弹塑性变形,即粗糙度越小,摩擦系数越低。一、简单摩擦理论20-2 摩擦理论1、机械啮合理论问题超精加工表面间的摩420-2 摩擦理论2、分子作用理论Tomlinson于1929年提出分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的起因,推导出Amontons公式20-2 摩擦理论2、分子作用理论Tomlinson于1520-2 摩擦理论2、分子作用理论立论依据:接触分子转换所引起的能量损耗应当等于摩擦力作功。所以接触面积摩擦力,与载荷无关,所以越粗糙,实际接触面积越小,因而摩擦系数越小,只是在重载下符合。3、机械分子摩擦理论 无论是机械理论还是分子理论，都是很不完善，得出与粗糙度的关系都是片面的，在英和苏相继建立了两个学派，即粘着理论，摩擦二项式。20-2 摩擦理论2、分子作用理论立论依据:接触分子转620-2 摩擦理论1.基本要点：Bowden和Tabor于1945年提出的,观点如下:1)摩擦表面处于塑性接触状态,即实际接触面积很小,峰点压力高,产生塑变二、粘着理论2)滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程接触点金属塑性流动,产生瞬时高温,因而使两金属产生粘着,随后在摩擦力作用下,粘着结点被剪切而产生滑动,滑动摩擦就是粘着结点的形成和剪切交替发生的过程。3)摩擦力是粘着效应和犁沟效应的总和梨沟面剪切面20-2 摩擦理论1.基本要点：Bowden和Tabo720-2 摩擦理论金属摩擦发生结点焊联这一事实不容置疑。纯净金属在高真空中，确实测出很高的粘着力和摩擦系数。金属在大气中摩擦，分子转移现象也由示踪放射技术所验证。问题：推导出的摩擦学数值与实测结果颇不一致。讨论?矛盾20-2 摩擦理论金属摩擦发生结点焊联这一事实不容置疑。820-2 摩擦理论修正：考虑摩擦切向力对变形的贡献。2.修正粘着理论实际接触面积和接触点变形条件应取决于压应力和剪应力的联合作用。当量应力20-2 摩擦理论修正：考虑摩擦切向力对变形的贡献。2.920-2 摩擦理论表面薄膜摩擦20-2 摩擦理论表面薄膜摩擦1020-2 摩擦理论硬金属粗糙峰嵌入软金属后,在滑动中挤软金属,使之产生塑性流动,在磨粒磨损和擦伤磨损中,它是摩擦力的主要成分。3.犁沟效应屈服性能各向同性粘性犁沟20-2 摩擦理论硬金属粗糙峰嵌入软金属后,在滑动中挤1120-2 摩擦理论其中,为单位面积上分子作用产生的摩擦力 为分子作用面积 为单位面积上机械作用产生的摩擦力 为机械作用面积与法向.载荷p的关系三、摩擦二项式定律20-2 摩擦理论三、摩擦二项式定律1220-2 摩擦理论二项式用于边界润滑的摩擦系数计算很理想。所以 f 不是常量,它随 A/W 比值而变化。20-2 摩擦理论二项式用于边界润滑的摩擦系数计算很理想1320-2 摩擦理论小结机械分子摩擦理论 摩擦二项式定律机械啮合理论分子作用理论基本粘着理论修正粘着理论犁沟效应简单摩擦理论粘着理论20-2 摩擦理论小结机械分子摩擦理论 摩擦二项式1420-3 磨损的基本形式磨损机理摩擦表面作用疲劳磨损粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损机械类分子机械类腐蚀机械类20-3 磨损的基本形式磨损机理摩擦表面作用疲劳磨损粘着磨1520-3 磨损的基本形式磨损过程1、表面相互作用2、表面层的变化3、表面层的破坏机械的、组织结构的、物理的、化学的变化擦伤点蚀剥落微观点蚀、剥落胶合二体三体机械的吸引粘着分子的20-3 磨损的基本形式磨损过程1、表面相互作用2、表面层1620-3 磨损的基本形式磨损机理疲劳磨损粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损20-3 磨损的基本形式磨损机理疲劳磨损粘着磨损磨料磨损腐1720-3 磨损的基本形式一、疲劳磨损 相对滚动或滚动兼滑动的表面，在循环接触应力作用下，由于材料疲劳而形成凹坑。1、表面萌生金属表面在循环接触应力作用下,疲劳裂纹发源于材料表层内部的应力集中源,如非金属夹杂物或空穴。裂纹萌生以后，首先顺滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后形成凹坑，其断口比较光滑。20-3 磨损的基本形式一、疲劳磨损1、表面萌生182、脱层理论 认为接触的两表面相对滑动,硬表面的峰顶滑过软表面时,软表面上每点都经受一次循环载荷。由于产生塑性变形，金属表面出现大量位错，塑性变形过程就是位错的移动过程，移动到表面的位错能量得以释放，而在亚表层就会形成位错堆积，从而形成裂纹核，这样，在循环载荷的不断作用下，裂纹就会不断扩展。Fujita等人于1977年对Nicr渗碳纲实验 20-3 磨损的基本形式2、脱层理论20-3 磨损的基本形式193、点蚀现象点蚀分为宏观点蚀和微观点蚀。宏观点蚀：Way于1935年提出,润滑油在高压下迅速进入裂纹,接触面将裂纹封住，使裂纹油压裂纹向纵深发展油压大，裂纹根部强度不够，折断形成小坑，即点蚀。裂纹深度在200m左右。20-3 磨损的基本形式 微观点蚀：认为实际接触在峰顶，每个峰进入接触都产生一个微观应力，其远高于Hertz应力,于是易产生应力集中,出现微裂纹。裂纹深度在20m左右。微观点蚀是宏观点蚀的起因。3、点蚀现象20-3 磨损的基本形式 微观点蚀：认为20疲劳磨损的影响因素20-3 磨损的基本形式宏观应力场摩擦副材料材料内部缺陷润滑剂或介质与摩擦副材料的作用弯曲应力接触应力接触应力摩擦力硬化粗糙度粘压性质腐蚀性变应力场机械性质和强度硬化层厚度粘度疲劳磨损的影响因素20-3 磨损的基本形式宏观应力场摩擦21二、粘着磨损粘着磨损理论源于Bowdon的粘着摩擦理论。观点：摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切的材料或脱落或磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损。机理：与粘着摩擦机理一样，峰点局部高压，瞬态高温，造成粘着。20-3 磨损的基本形式二、粘着磨损20-3 磨损的基本形式22种类：(1)轻微粘着磨损粘结点的强度摩擦副两金属强度,剪切破坏主要发生在软金属,有时在硬金属。粘着物使软金属面出划痕。(4)胶合磨损粘结点强度摩擦副两金属强度,而且粘结点面积较大时,剪切破坏发生在一个或两个金属表层较深的地方,此时,两表面出现严重磨损,使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。胶合是破坏性最大的磨损形式，一些设计手册提及胶合计算准则（齿轮）20-3 磨损的基本形式(3)擦伤磨损 20-3 磨损的基本形式24粘着影响因素20-3 磨损的基本形式1 载荷粘着影响因素20-3 磨损的基本形式1 载荷25粘着影响因素20-3 磨损的基本形式2 温度3 摩擦副材料脆性 优于 塑性表面膜粘着影响因素20-3 磨损的基本形式2 温度3 摩擦26粘着磨损计算20-3 磨损的基本形式引入 ks粘着磨损计算20-3 磨损的基本形式引入 ks27三、磨料磨损外界硬颗粒或是摩擦副表面上硬的凸体在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。这是一种机理简单的磨损，有的称其为机械磨损。20-3 磨损的基本形式磨料磨损种类：(1)外界磨料移动于两摩擦表面间，类似于研磨作用，此称三体磨粒磨损。三、磨料磨损20-3 磨损的基本形式磨料磨损种类：28 (2)磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近于平行时,在固体表面产生擦伤或犁沟痕迹。当磨粒运动方向与固体表面垂直时，常称为冲击磨损，在表面产生高应力碰撞，磨出较深的沟槽。20-3 磨损的基本形式 (2)磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒29 (3)在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起磨粒作用，也是二体磨损。20-3 磨损的基本形式磨料磨损机理：(1)微观切削载荷将磨粒压入摩擦表面，滑动时摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切，切削。(2)挤压剥落磨料压入表面，将塑性材料的表面挤出层状或鳞片状剥落碎屑。(3)疲劳破坏摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落 (3)在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起磨粒作3020-3 磨损的基本形式磨料磨损影响因素方法：钢的含碳量、热处理等冷作硬化?20-3 磨损的基本形式磨料磨损影响因素方法：钢的含碳量、3120-3 磨损的基本形式磨料磨损磨损量计算引入 ka20-3 磨损的基本形式磨料磨损磨损量计算引入 ka32四、腐蚀磨损摩擦过程，金属与周围介质发生化学或电化学反应而产生表面损伤，称为腐蚀磨损。20-3 磨损的基本形式1.氧化磨损在摩擦过程，磨损发生在氧化膜中，氧化膜脱落和新氧化膜不断形成的过程。腐蚀磨损形式2.特殊介质腐蚀磨损金属表面与酸-碱、盐等介质作用而形成腐蚀磨损。由于润滑油中有腐蚀性化学成分，轴承中也常发生腐蚀磨损，主要是酸蚀和硫蚀。四、腐蚀磨损20-3 磨损的基本形式1.氧化磨损腐蚀磨333.微动磨损两表面间由于振幅很小的相对运动而产生的磨损称为微动磨损或微动腐蚀磨损。20-3 磨损的基本形式机理：在载荷作用下，表面接触峰点形成粘着结点，当接触表面受到外界微小振动（滑移量0.05mm0.25mm)，粘着结点被剪切，剪切面逐渐被氧化并发生氧化磨损，产生Fe2O3磨屑，并起到磨料作用，使接触面产生磨粒磨损。适当的润滑可以有效地改善抗微动磨损能力（防氧化、耐极压）。3.微动磨损20-3 磨损的基本形式机理：在载荷作用下344.气蚀液体中的气泡承受不住大压力时，发生溃灭，并产生极大的冲击力和高温，固体表面经受这种冲击多次反复作用，材料发生疲劳脱落，表面出现小凹坑。进而发展成海绵状，液体的化学和电化学作用加速了气蚀的破坏过程。20-3 磨损的基本形式4.气蚀20-3 磨损的基本形式35气蚀中的影响因素：气泡20-3 磨损的基本形式 气泡是空气在分散介质中形成的分散体系，具有很强的疏水性。一般认为，气泡外围水分子分为水化层、扩散层和普通水层三个层次。在气泡与颗粒的粘附过程中，要经历颗粒与气泡相互接近和碰撞、颗粒与气泡间水化膜薄化和破裂、颗粒在气泡表面粘附，即颗粒气泡相界面形成与调整等过程。当悬浮液中的颗粒与气泡附着时，将导致部分气液和固液界面的消失，并形成新的固气界面。水化层扩散层普通水层气蚀中的影响因素：气泡20-3 磨损的基本形式 气36气蚀过程20-3 磨损的基本形式 能量密度高度聚集后的耗散形式是重要研究内容，物理学界的注意力主要集中在光发射上。2000年德国Stuttgart大学Bruno教授用400ps快门速度的高速条纹摄像机对单个坍缩微气泡所发射的光与激波的动力学进行了研究，捕获了水中微气泡坍缩的时间分辨图像。发现在坍缩和同时发生的光发射后不久，激波的运动速度达到4000m/s，计算出气泡附近的压强达到6GPa，Bruno认为，几乎每次坍缩都伴有闪光，光子的产生表明在内爆气泡中必然出现极高的压力与温度，并以微射流和微激波的形式耗散。Putterman和Barber的研究表明，空泡的坍塌速度可以超过声速，在最小半径处的加速度高达1011g。气泡坍塌后的微射流与微激波（Stuttgart大学Prof.Bruno 2000）气蚀过程20-3 磨损的基本形式 能量密度高37气蚀结果20-3 磨损的基本形式 在工程界，气泡溃灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用导致过流壁面产生空蚀破坏的现象已经被公认，但是，在产生机理、破坏过程、破坏形式、抑制方法等领域还有许多不同的看法。一般认为，高强度的微射流作用将直接破坏物体表面而形成蚀坑，较小冲击力的微激波的高频反复作用则引会起物体表面疲劳破坏。空蚀破坏SEM照片（王国玉，2001）产生微射流的原因是，由于气泡上下壁角边界的不对称性，溃灭时空泡的上下壁面的溃灭速度不同，远离壁面的空泡壁较早破灭，形成高速向壁微射流，指向最高压力峰，在极短的时间内完成对表面的定向冲击。右图是德国Gttingeng大学Prof.Werner Lauterborn 1996年拍摄的气泡坍塌的照片。气蚀结果20-3 磨损的基本形式 在工程界，3820-3 磨损的基本形式小结磨损过程磨损机理疲劳磨损粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损1、表面相互作用2、表面层的变化3、表面层的破坏宏观应力场摩擦副材料润滑剂或介质与摩擦副材料的作用载荷温度摩擦副材料硬度表面萌生脱层理论点蚀现象轻微粘着磨损一般粘着磨损擦伤磨损胶合磨损三体磨粒磨损二体磨粒磨损气蚀氧化磨损特殊介质腐蚀磨损微动磨损20-3 磨损的基本形式小结磨损过程磨损机理疲劳磨损粘着39第21章 宏观磨损第21章 宏观磨损40主要内容1 磨损过程 2 表面品质与磨损3 磨损理论主要内容1 磨损过程 411 磨损过程 磨损过程曲线1 磨损过程 磨损过程曲线421 磨损过程 磨合磨损1 磨损过程 磨合磨损431 磨损过程 磨合磨损提高磨损性能措施润滑剂和添加剂材料配对：塑性、硬度表面粗糙度：由磨合工况确定合理的磨合规范载荷速度粘度油性添加剂1 磨损过程 磨合磨损提高磨损润滑剂和添加剂材料配对：塑442 表面品质与磨损表面品质几何品质物理品质冷作硬化残余应力粗糙度波纹度表面纹理疲劳磨损粘着磨损氧化磨损拉应力压应力疲劳磨损表面品质与磨损2 表面品质与磨损表面品质几何品质物理品质冷作硬化残余应452 表面品质与磨损 几何品质：表面粗糙度粗糙度工况分子机械2 表面品质与磨损 几何品质：表面粗糙度粗糙度工况分子机462 表面品质与磨损 几何品质：表面波纹度Wp=15m，L=3mmWp=10m，L=3mmWp=8.5m，L=3mm巴氏合金钢钢表面波纹度2 表面品质与磨损 几何品质：表面波纹度Wp=15472 表面品质与磨损 几何品质：表面纹理重载轻载表面纹理2 表面品质与磨损 几何品质：表面纹理重载轻载表面纹理483 磨损理论磨损理论疲劳磨损理论粘着磨损理论能量磨损理论剥层磨损理论3 磨损理论磨损理论疲劳磨损理论粘着磨损理论能量磨损理论493 磨损理论粘着磨损理论VsWs表面膜磨屑分离：磨屑尺寸 （变形能 表面能）3 磨损理论粘着磨损理论VsWs表面膜磨屑分离：磨屑尺503 磨损理论能量磨损理论磨损是能量的转化和消耗已知：磨屑产生的次数 n 实际形成磨屑的能量密度 Eb 单位面积上的摩擦力y每次摩擦材料吸收的能量密度 Ee每次摩擦转化为磨屑的能量密度 Ek磨屑形成所需的能量密度 Eb或Eb3 磨损理论能量磨损理论磨损是能量的转化和消耗已知：磨屑513 磨损理论剥层磨损理论脱层理论位错理论临界滑动距离s03 磨损理论剥层磨损理论脱层理论位错理论临界滑动距离s0523 磨损理论疲劳磨损理论载 荷运动状况材料属性粗 糙 度波 纹 度周期载荷疲劳破坏局部变形和应力磨损量3 磨损理论疲劳磨损理论载 荷运动状况材料属性粗 53宏观磨损磨损过程磨合磨损表面品质磨损机理几何品质物理品质3 磨损理论疲劳磨损理论粘着磨损理论能量磨损理论剥层磨损理论宏观磨损磨损过程磨合磨损表面品质磨损机理几何品质物理品质354Merry Christmas!Merry Christmas!55