第6章-金属材料的表面摩擦与磨损详解.pptx

材料成形界面工程 Interfacial Engineering in Materials Processing 李 贵 武汉科技大学机械自动化学院 金属材料的表面摩擦与磨损 6/ 6.1 摩擦 6.2 磨损 摩擦 6/1 6.1 摩擦 1. 摩擦定义 两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时, 接触表面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。 摩擦表面 相互运动零件配合表面的摩擦、磨损与摩擦表面的形貌、表面层的结构和性能有关 摩擦表面的形貌(Surface Layer morphology)和表示方法 1) 表面波度： 2) 表面粗糙度：粗糙度(Ra) 3) 宏观几何形状：用圆度、圆柱度、平面度表示 实际表面与理想表面存在一定的几何形状误差 零件表面形貌可分为： 6.1 摩擦 1. 摩擦定义 两个接触物体在外力作用下产生相对运动(或运动趋势)时, 接触表面产生切向力和阻力矩以阻止运动的现象称为摩擦。 表面形貌 6.1 摩擦 1. 摩擦定义 轮廓算术平均偏差 (Ra) 指在L长度范围内被测表面轮廓上的各点至轮廓中线mm距离绝对值总和的算术平均值。它是用表面轮廓在高度上的量来反映表面粗糙度的大小 轮廓算术平均偏差(Ra) 6.1 摩擦 2. 表面层的结构(Surface Layer Composition) 金属表面层的具体结构示意图 6.1 摩擦 2. 表面层的结构(Surface Layer Composition) 表面层的硬度高于基体，提高表面的耐磨性 表面层中存在着物理、化学和应力缺陷。会成为磨损的应力集中源。 表面层晶粒较细使晶界增加，对腐蚀介质中工作的摩擦副不利 实际表面是凹凸不平的； 接触表面并非真正的全部接触：实际接触面积?名义接触面积； 即使在接触点上，也可能有表面膜把金属隔开。 6.1 摩擦 3. (滑动)摩擦机理 产生摩擦的原因是由于表面凹凸不平的交错啮合作用而引起的。表面的粗糙度越大, 摩擦力越大 1) 机械理论(凹凸说) 1699年 2) 分子理论(分子说) 1734年 基本观点：产生摩擦的原因是由于表面分子间的相互作用 3) 分子—机械理论 1939年 认为：摩擦有两重性（分子作用和机械作用） 4) 粘着理论 1942年, 比较公认的理论 Bowden等人, 基本观点: 实际接触面积小(名义接触面积的千分之几或万分之几）?应力大?表面膜破裂并伴有塑性变形（变形热） ?粘着?产生滑动阻力即摩擦力。 6.1 摩擦 4. 摩擦类型 静摩擦 和 动摩擦 1) 按摩擦副的运动状态分 2) 按摩擦副的运动形式分 滑动摩擦 和 滚动摩擦 3) 按摩擦表面的润滑状态分 纯净摩擦 干摩擦 Dry Friction 边界摩擦 Boundary Friction 液体摩擦（Liquid Friction） 混合摩擦 6.1 摩擦 4.1 干摩擦 Dry Friction 摩擦系数大, 0.1～1.5 摩擦表面间没有任何润滑剂时的摩擦 干摩擦的表面接触情况 6.1 摩擦 4.1 干摩擦 Dry Friction 摩擦机理 机械作用： 接触面积小→塑性变形→氧化膜被压碎或剪切→分子溶合→冷焊→焊点被剪切 分子作用： 塑性变形→晶格歪扭破碎→加工硬化→表面温度升高，高于再结晶温度→硬化层发生再结晶→温度继续升高→表面金属软化，发生粘结和相变→继续运动→接触部分脱开→冷却淬火→进一步提高硬度。 化学作用：氧化膜被压碎或剪切→裸露的金属氧化→形成新的氧化膜 6.1 摩擦 4.2 边界摩擦 Boundary Friction 在摩擦副的表面间, 存在一层极薄边界膜时的摩擦, 称为边界摩擦。边界膜分为物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜。 特点: 边界膜的厚度很小(0.1微米), 但仍可使摩擦系数大大降低(0.05-0.5) 摩擦磨损特性不取决于润滑剂的粘度, 而是取决于表面膜的特性 减少边界摩擦的方法: 在普通工作条件的机械的润滑剂中, 加入油性添加剂, 如：油酸、甘油等 在低速、重载的“极压条件”下工作的润滑剂中, 加入极压添加剂(又称油膜增强剂), 如：酯。 边界摩擦实例：气缸套—活塞环， 凸轮—挺杆等 6.1 摩擦 4.2 边界摩擦 Boundary Friction 物理吸附膜 矿物润滑油中常含有一些极性物质，其分子的一端是带有强电荷的极性团，与金属表面亲和力强，在金属表面形成单层分子或多层分子的吸附膜。 因此, 摩擦发生在金属表面的极性分子的非极性端, 从而有效地防止摩擦表面的直接接触, 减少了摩擦。 物理吸附膜完全可逆，受热容易产生脱吸，所以适用于常温、低速、轻载的摩擦副。 6.1 摩擦 4.2 边界摩擦 Boundary Friction 化学吸附膜 润滑剂中的一些极性分