摩擦磨损原理1固体的表面特性.ppt

1固体表面特性 物质不是无限的 在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面 如固体 液体 固体 气体及固体 固体的界面 常把固体 气体 或真空 固体 液体的界面称为固体的表面 很多物理化学过程 催化 腐蚀 摩擦和电子发射等都发生在 表面 可见其重要性 1洁净的固体表面 1 1金属的晶体结构通常 金属在固态下都是晶体 其原子均为有规则的周期性重复排列 晶体结构是指组成晶体的物质质点 分子 原子 离子 原子集团 依靠一定的结合键在三维空间做有规律的周期性重复排列的方式 金属元素中 约有百分之九十以上的金属属于FCC BCC HCP3种晶体结构 原子有规则的周期性重复排列 1 面心立方晶胞 fcc 面心立方的晶胞 在8个顶角各有1个原子 在立方体每一面中心还各有1个原子 金属钢 银 金 铝 镍 铅 铑 铁 钴 锰等 均为面心立方结构 每1个原子周围与其等距离的最近邻的原子数目叫配位数 CN 它是描述原子排列紧密程度的参量 配位数越高 原子排列越紧密 面心立方晶胞的配位数为12 面心立方晶胞 2 体心立方晶胞 bcc 体心立方晶胞 在8个顶角各有1个原子 在其立方体的中心还有一个原子 显然 每一个原子周围有8个最近邻原子 因此 配位数为8 属于这种结构的 金属有钒 铌 钽 钼 铬 钡 钛 铁 铁 钨等 体心立方晶胞 3 密排六方晶胞 hcp 密排六方晶胞 六棱柱体的各角有一个原子 在其上 下面中心还各有一个原子 此外在两面的中间还有三个原子 配位数为12 属于这类结构的金属有镁 锌 镉 锆 铍 钛 钴等 密排六方晶胞 3种典型金属晶体结构特征 以上所述都是理想晶体的结构 即把金属晶体中的原子排列看作是规则的 完整的 而且每个原子都是在阵点上静止不动的 然而 实际上金属晶体由于原子热振动 以及受到温度 辐射 压力加工等各种外界条件影响 在原子规则排列区中常出现原子排列的不规则区 这些不规则区称为 晶体缺陷 1 2表面晶体结构及缺陷 金属表面就是金属晶体与周围介质的界面 图为理想金属晶体表面原子的排列情况 表面原子M的配位数为5 而基体中的任一个原子的配位数为6 由此可知 表面原子的配位数比基体中的配位数少 表面原子少了在表面上层原子对它的约束 这将使表面原子处于高能状态 晶体表面的原子 面心立方表面原子的配位数 FCC 晶体表面原子的配位数与晶体的位向有关 面心立方晶体不同位向表面 原子的配位数见表 晶体表面原子不仅能量较高 而且还存在着许多缺陷 这些缺陷不是静止 稳定不变的 而是随着条件的改变而不断变化和交互作用的 它们对晶体表面的机械性能 物理性能和化学性能有很大的影响 晶体表面缺陷 按几何特征 晶体缺陷主要有以下3类 1 点缺陷 2 线缺陷 3 面缺陷 点缺陷 在三维方向上尺寸都很小的缺陷称为点缺陷 如空位 间隙原子和置换原子等 晶体中原子在其平衡位置上作高频率的热振动 振动能量经常变化 此起彼伏 称为能量起伏 在一定温度下 部分具有超额能量的原子有可能克服周围原子对它的束缚 而离开原来的平衡位置 于是在阵点上产生空位 即使在极纯的金属中 也总会存在一定量的杂质原子 杂质原子使周围的晶体发生畸变 明显地影响晶体的性质 点缺陷的存在对金属的物理和机械性能 以及热处理性能都有较大的影响 产生一个空位引起的体积膨胀约为0 5个原子体积 产生一个间隙原子引起的体积膨胀相当于一个原子体积 线缺陷 最基本的位错类型有两类 刃型位错和螺型位错 若同时既包含刃型位错又包含螺型位错 则称为混合位错 位错可视为晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体局部滑移的结果 晶体滑移部分与末滑移部分的交界线即为位错线 位错的基本类型a 刃位错 b 螺位错 位错的相互作用 当金属表面有氧化膜时 则表面对位错是相斥的 亦即表层不会产生低位错密度区 这主要是由于在两个弹性模量不同材料边界附近的位错 界面也会对它产生相互作用 如果位错处于弹性模量低的介质一侧 则界面对位错给予斥力 若位错处于弹性模量高的介质一侧 则界面对位错给予吸力 金属表面常常被氧化膜覆盖 而一般金属氧化膜的弹性模量比金属大 所以氧化膜覆盖的表面对位错有排斥作用 晶体中的位错靠近自由表面时 自由表面将与此位错产生相互作用 由于位错在晶体中引起晶格畸变 产生应变能 如果位借由晶体内部运动到晶体表面 应变能将会降低 故位错由晶体内部运动到晶体表面是一种自发的过程 其结果将使表面层中位错密度降低 固体表面上的原子比其内部的原子具有较高的势能 固体表面的所有原子势能的总和称为固体表面能或表面自由能 单位为J m2或N m 固体表面的原子在固体内部引力作用下有从其表面进入固体内部的趋向 同时使其表面的面积尽量收缩 这种使表面收缩而沿固体表面切向作用的力叫做表面张力 2表面张力与表面能 表面能的物理图像 以面心立方金属的 100 面作为表面 只有当每个原子有12个最近邻 能量才最低 结构最稳定 当少了四个最近邻原子 出现了四个 断键 时 表面原子的能量就会升高 和表面原子的这种高出来的能量相连的就是表面能 晶面的表面能 不同晶面作表面时 断键数目不同 因而表面能不同 表面能的大小与晶体类型有关 随结合键能的增加而增加 任一金属都有一定的结合键能 金属的许多性能都与结合键能有关 对于过渡族金属 结合键能越高 则弹性模数越高 金属的变形越困难 而且 结合键能越高 金属的熔点也越高 结合键能的大小对研究材料摩擦磨损非常重要 当两种不同的材料相互接触 作用的表面发生粘着和断裂时 断裂处往往不是在粘着接点 而是在两种材料中键合力较弱材料的一方 因此 根据结合键能 可以预计断开一个粘着接点所需的能量 金属的结合键能可查相关手册 表面张力和表面能数值相同 单位为 N m 表面张力作用在表面上 平行于表面 且力图使表面缩小 金属的表面张力 随其结合键能的增加而增加 因此 高熔点金属的表面张力比低熔点金属的表面张力大 表面能愈小意味着使表面分开所需的能量愈小 由于晶体中各晶面的原子排列密度各不相同 因而各个晶面的表面能也不相同 密排面的表面能较小 因为层面间距较大 若以它们作表面 则晶体能量较低 所以晶体暴露在外的表面通常尽量是这类低表面能的晶面 如果表面和这些面成一定角度 为了尽量以表面能低的晶面为表面 这时的表面微观上呈台阶状 表面能愈低的面 其摩擦也将愈小 金属表面能可通过实验测定 影响表面能的主要因素 1 材料种类 内聚力 晶体取向 表面形貌 粗糙表面凸峰处表面能大于平面和凹谷处 表面吸附 活性物质掺杂在材料表面可降低表面能 如铁中掺硫或氧 非活性物质掺杂在材料表面可提高表面能 5 减小表面积 晶体合并 雨滴成球形 润湿现象 3表面吸附与粘附 由于固体表面的分子及原子均处在不稳定的力场之中 因此 所有固体表面都具有一定的表面自由能 它能够吸引用围介质 如空气 水蒸气 润滑剂等 的分子 即产生吸附 于是 在金属表面可以形成各种膜 按照所形成膜的结构性质的差别 可将其分为吸附膜和反应膜两大类 前者又可分为物理吸附膜与化学吸附膜 后者也可分为化学反应膜及氧化膜 表面吸附是实际固体重要的表面现象 它的存在可以显著降低表面的系统能量 在吸附过程中 一些能量较高的吸附分子 可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面 称为 脱附 或 解吸 当吸附与解吸达到动态平衡时 固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子 这种吸附 称为平衡吸附 当固体表面与周围介质 气体或液体 接触 由分子 或原子 间的引力作用所产生的吸附称为物理吸附 物理吸附的作用力 是范得瓦尔斯 VanderWaals 分子力 范得瓦尔斯分子力是由于表面原子与吸附原子之间的极化作用而产生的 这类吸附能量较低 它不能改变吸附层分子的分布 而且对介质一般无选择性 这种吸附对温度非常敏感 热量可以使之脱吸 其吸附与脱吸是可逆的 吸附能量小于l04J mol 长链结构的碳氢化合物 如 油酸 棕桐酸和酯等 都具有这种性能 在边界润滑中的物理吸附膜可以在低速 轻载和常温的条件下工作 1 物理吸附 硬脂酸在固体表面物理吸附 2 化学吸附 化学吸附时吸附物与固体表面之间发生电子互换或存在共用电子对 吸附膜与固体表面的结合力很强 比物理吸附膜稳定得多 吸附能量超过104J mol称为化学吸附 并且是不可逆的 只有在高温下才脱吸 化学吸附于固体表面的强弱与固体表面和被吸附的物质特性有关 如氧可以很强烈地吸附于铁或钛 但吸附于铜 银等贵金属却很弱 化学吸附基本上是一单层过程 例如 在固体铁的表面一旦吸附一层氧 这层氧不会长期停留在它开始吸附的位置上 而是在表面发生氧原子和铁原子的重新排列 铁与氧交换位置 直到表面能量达到最低状态时 交换终止 这称之为再组建的化学吸附 在边界润滑中 化学吸附膜可在中速 中载的条件下正常工作 硬脂酸化学吸附 吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸 金属皂膜 硬脂酸化学吸附 吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸 金属皂膜 这种 金属皂膜 不仅有较低的切变强度 相对说来也有比较高的熔点 硬脂酸的熔点是69 而金属皂膜的熔点约为120 物理吸附和化学吸附的比较 用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能 当产生化学吸附时 需要有一定的活化能 这可能是由于存在一个温度界限的缘故 低于此界限就不会发生化学吸附 物理吸附无需活化能 在任何温度下都会以一定的速率 即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附 3 氧化 氧吸附于铁表面时 若环境中氧的浓度足够高或温度足够高 则在铁表面发生氧化 即化学吸附的氧开始与铁表面反应形成铁的氧化物 表面氧化物是化合物 其晶体结构不同于原金属基体的结构 金属表面在加工过程中 新生表面一旦暴露 则很快就与大气中的氧起化学反应而形成金属氧化膜 铁的表面氧化膜构造如图 其中Fe3O4 磁铁体 和FeO 方铁体 可做为一种固体润滑剂 有利于减少磨损 而Fe2O3 赤铁体 则起磨粒作用 使磨损增大 铁的氧化膜构造 Fe2O3Fe3O4FeOFe 氧化膜 氧化膜的生长速度受氧原子的扩散控制 其生长速度服从阿累尼乌斯方程 膜厚与时间呈抛物线关系 h2 Kt C 物理吸附化学吸附化学反应表面氧化膜 金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷 晶界 位错 台阶等 这些部位能量高 氧化也就往往从这些高能位置开始 一直到将表面覆盖 氧化膜的生长过程 氧化膜对金属的保护作用取决于氧化膜的内应力以及生长速度 1 氧化膜的密度和金属相近 氧化膜能牢固覆盖在金属表面 2 氧化膜的密度大于金属密度 氧化膜中易出现拉应力 膜易破裂或出现多孔疏松膜 3 氧化膜的密度小于金属密度 随着氧化膜的生长 膜的体积不断膨胀 在膜内形成平行于表面的压应力和垂直于表面使膜脱离表面的拉应力 膜愈厚 内应力愈大 膜易剥落 4 氧化膜与基体的热涨系数不同 也会造成氧化膜脱落 4 化学反应膜 一般是指润滑油添加剂中的硫 磷 氯等活性元素在高温下与金属表面产生化学反应 二者间相互交换价电子而生成新的化合物膜 如磷化物 硫化物 氯化物等金属盐膜 这种膜生成的厚度可以很厚 其结合能及活性高 反应是不可逆的 其熔点高 而剪切强度低 比物理吸附膜和化学吸附膜更稳定 化学反应膜能适用于高速 高温 重载等 极压 条件下使用 能产生这种反应膜的油中添加剂也就称为极压添加剂 常用的极压添加剂如硫化烯烃 磷酸脂 氯化石蜡等 化学反应膜 物理吸附膜 化学吸附膜 化学反应膜 化学吸附膜 化学反应膜 4 表面浸润 在干净的玻璃板上滴上一滴水 由于玻璃表面对水有亲和力 所以水滴很快展开 其接触角 润湿角 90 若水滴在石蜡板上 则水滴呈现椭圆球形 其 90 接触角 是度量液体对固体表面润湿程度的一个重要参数 0 完全润湿 90 可以润湿 90 不能润湿 180 完全不润湿 lw sw sl分别代表固体与气体 液体与固体 液体与气体之间的表面能 润湿度接触角 达平衡时 在气 液 固三相交界处 气 液界面和固 液界面之间的夹角称为接触角 图中角 如图 1 0 完全润湿 2 90 不能润湿 5 粘附 设有一横截面为1cm2的固体柱 在理想条件下 真空中 将它分成两段时所作的功称为内聚功Wc 它表征了相同物质间的吸引强度 拉断后的固体柱增加了两个面积为1cm2的新表面 相应增加的表面能为2 a a为固体a增加的表面能 根据功能原理得Wc 2 a 假如柱的上段为物质a 下段为物质b 则接触部分的界面能为 ab 若使柱在a b界面上断开 对柱所作的功称为粘附功Wab 断开后柱增加表面能 a和 b 根据功能原理得Wab a b ab 实验证明 界面能 ab约为1 4 1 2 a b 如果a b两物质能相互溶解或能形成金属间化合物 其界面能较小 约为 若a b两物质不能相互溶解 其界面能较大 约为 a b为同一物质Wc 2 a或Wc 2 b 由上式可以看出 Wc Wab 即相同物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦 a b相互溶解 a b不能相互溶解 4金属表面的实际结构 表面与不同环境发生相互作用 在表面上可形成吸附层 氧化层 表面下由于机加工而产生严重的塑性变形 实际的金属表面层剖面如图所示 大致可分为五个组成部分 图2 19实际的原始表面层剖面 1 普通脏污层 手指的油污或灰尘等 2 吸附层 大气中的液体或气体分子吸附膜 3 氧化层 金属表面与空气中的氧形成的氧化物层 4 贝氏层 由于机加工中表面熔化和表面分子层的流动而产生的微晶层 5 变形层 由于机加工而形成的变质层 其变形层的强烈程度取决于加工时的变形功和金属本身的性质 实际的金属表面除上述五部分外 还有更微观的缺陷存在 如位错 杂质 台阶 生长台阶或解理台阶 等 这些缺陷的存在都大大地影响着表面的性能 在摩擦过程中 表面膜的结构 性质及破裂和再生的规律对摩擦性能影响也很大 若摩擦主要发生在膜内 膜的存在使金属摩擦表面不易发生粘着 则摩擦系数将降低 磨损可能减少 表面膜只有处于固态时 才能有效地防止微凸体的接触损伤 表面膜的最主要性能是熔点及剪切强度 低的剪切强度可降低摩擦系数 5 固体表面形貌 机械零件的表面形貌直接影响其磨损 疲劳与腐蚀 以及接触刚度和传热性能 影响界面间的导电性能与密封性能 磨具的表面形貌影响它的磨削性能 喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层 如油漆 的质量与外观 飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命 公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命 海洋表面的形貌直接同船舶航行有关 而电子的发射 电磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的关系 所以 表面形貌越来越为工程技术界所重视 宏观和微观粗糙度 固体表面形貌的表征 表面形貌的定量测量 表面形貌的定量测量对于解决摩擦学问题是极为重要的 测量表面微观或宏观的几何性能 可用很多方法 在观察和测量表面形貌的方法中 比较常用的有用干涉或反射显微术的光测法以及用电子显微镜等方法 观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面 目前比较先进的原子力显微镜 AFM 和扫描隧道显微镜 STM 可以达到原子的尺度 在测量表面轮廓和粗糙度的仪器中 以电子放大的触针式仪器使用最为普及 测定表面形貌的方法 表面轮廓测量仪 工作原理 在传感器测杆的一端装有金刚石触针 触针尖端曲率半径r很小 测量时将触针搭在工件上 与被测表面垂直接触 利用驱动器以一定的速度拖动传感器 由于被测表面轮廓峰谷起伏 触状在被测表面滑行时 将产生上下移动 此运动经支点使磁芯同步地上下运动 从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化 此变化经由电器箱中放大 滤波 检波 积分运算等部分处理以后 可以直接由仪器电器箱的读数表上指示出来 也可以传递到计算机上进行处理 AFM图象 轮廓仪得到的表面形貌 表面粗糙度的表征参数 轮廓算术平均偏差 Ra 轮廓算术平均偏差 Ra 又称中位线算术平均偏差 定义为一个取样长度内 表面轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值 其数学表达式为 其离散化计算公式为 2 轮廓均方根偏差 Rq 统计学认为 Rq能比Ra更好地描述表面轮廓的粗糙度特征 其定义为 在一个取样长度内 表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根 其数学表达式为 其离散化计算公式为 对绝大多数的固体表面而言 Ra与Rq之间有如下的近似关系 即 表面粗糙度的表征参数 3 微观不平度十点平均高度 Rz 定义为取样长度内 5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深的轮廓谷深的平均值之和 其数学表达式为 表面粗糙度的表征参数 4 轮廓最大高度 Ry 定义为取样长度内 轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离 表面粗糙度的表征参数 RaRq2 292 542 292 542 292 642 292 682 292 682 292 59 上述四种参数均属一维的 它们只能说明表面廓形在高度方向上的偏差 而不能说明微凸体的斜度 尺寸大小 形状及其分布特性 也不能提供微凸体出现的频率 均匀度等信息 由此可见 只用单一参数描述一个表面的形貌是远远不够的 而必须考虑使用两个或三个参数 例如 支承面曲线实质上是根据二维参数得来的 此外 还可以用微凸体的高度 形状和间隔三个不同的参数来定义一个表面的形貌 表面轮廓水平方向的表征 1 高点数 所谓高点数 是指在评定长度内 高出中位线或与中位线平行的某一预先设定高度的线的完整表面轮廓峰的数目 如图所示的表面轮廓 其高点数为7 轮廓微观不平度的平均间距Sm 含有一个轮廓峰 与中位线有交点的峰 和相邻轮廓谷 与中位线有交点的谷 的一段中位线长度 称为轮廓微观不平度间距 在取样长度内 轮廓微观不平度间距的平均值 称为轮廓微观不平度平均间距 用Sm表示 轮廓的单峰平均间距也是反映表面微观几何形状上峰谷间距特性方面的表面粗糙度参数 同样 其数值愈大 表面愈粗糙 固体表面形貌的二维表征 直至目前 两个相对成熟且有一定应用前途的表面形貌特征的二维表征参数是 轮廓高度分布的概率密度函数 轮廓的支承长度率及支承曲线 表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数 表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数这两者是相互关联的 其中 表面轮廓的自相关函数从空间域角度 刻划了表面轮廓不同点间的相互依赖关系 而功率谱密度函数则在频域上揭示表面轮廓的频率结构 事实上 表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数通过傅立叶变换建立联系 它们相互构成一对傅立叶变换对 轮廓高度分布的概率密度函数 所谓轮廓高度分布的概率密度函数f z 是指在一个取样长度内 轮廓高度为z的概率 其数学表达式为 概率密度函数 常用的概率密度函数有 三角形分布 矩形分布 高斯分布 韦布分布和伽玛分布等 常用高斯分布 Gaussiandistribution 又称正态分布 m 为z的平均值 为标准方差 即Rq 正态分布 通常认为 机加工表面的轮廓高度接近正态分布 右图为实测的电蚀表面的轮廓高度分布和正态分布的概率密度 锯齿线所示为实测值 光滑曲线所示为正态分布曲线 可见实际电蚀表面的轮廓高度接近正态分布 一般在 3 到 3 包含99 的分布 常以 3 作为Gauss的极限分布 越大数据越分散 支承面积曲线 在取样长度内 距峰顶线距离为p且与中位线平行的一条线 与轮廓相截所得的各段截线长度bi之和 称为此高度下的支承长度 用 p表示 支承长度 p与取样长度l之比 称为轮廓支承长度率 用tp表示 即有 以距峰顶线的距离p为纵坐标 以轮廓支承长度率tp为横坐标作图 就可得到轮廓的支承面积曲线 支承面积曲线 按支承面积的大小将轮廓图形分为三个高度层 支承面积在25 以内的部分称为波峰 为最高层 支承面积在25 至75 之间的部分称为波中 为中间层 支承面积大于75 的部分称为波谷 为最低层 研究表明 材料的摩擦磨损状况 电触点 热触点等与波峰有很大关系 而波谷则与润滑情况下储油性有关 小结 1 固体表面特性2 表面张力 表面能3 表面吸附 物理吸附和化学吸附 表面化学反应 浸润 粘附4 金属表面的实际结构5 固体表面形貌