1.5 表面的摩擦與磨損

摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸表面的科學(xué)和技術(shù)，它包括摩擦、磨損、潤(rùn)滑三個(gè)部分。本節(jié)僅討論摩擦和磨損兩部分內(nèi)容。

1.5.1 摩擦

1.摩擦的定義和分類

兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸面間產(chǎn)生切向的運(yùn)動(dòng)阻力，這一阻力稱為摩擦力，這種現(xiàn)象稱為摩擦，這種摩擦僅與兩物體接觸部分的表面相互作用有關(guān)，而與物體內(nèi)部狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以又稱為外摩擦。阻礙同一物體（如液體或氣體）各部分之間相對(duì)移動(dòng)的摩擦，稱為內(nèi)摩擦。

根據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)和表面情況，摩擦可以按下列方式分類。

（1）按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類

1）靜摩擦。一個(gè)物體沿另一個(gè)物體表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為靜摩擦，這種摩擦力稱為靜摩擦力。靜摩擦力隨作用于物體上的外力變化而變化。當(dāng)外力大到克服了最大靜摩擦力時(shí)，物體才開始宏觀運(yùn)動(dòng)。

2）動(dòng)摩擦。一個(gè)物體沿另一個(gè)物體表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為動(dòng)摩擦，其阻礙物體運(yùn)動(dòng)的切向力稱為動(dòng)摩擦力。動(dòng)摩擦力通常小于靜摩擦力。

（2）按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類

1）滑動(dòng)摩擦。物體接觸表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為滑動(dòng)摩擦。

2）滾動(dòng)摩擦。在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦稱為滾動(dòng)摩擦。

（3）按摩擦副表面的潤(rùn)滑狀況分類

1）純凈摩擦。摩擦表面沒有任何吸附膜或化合物存在時(shí)的摩擦稱為純凈摩擦。這種摩擦只有在接觸表面產(chǎn)生塑性變形（表面膜破壞）或在真空中時(shí)才能發(fā)生。

2）干摩擦（無(wú)潤(rùn)滑摩擦）。在大氣條件下，摩擦表面之間名義上沒有潤(rùn)滑劑存在時(shí)的摩擦稱為干摩擦。

3）邊界潤(rùn)滑摩擦。摩擦表面間有一層極薄的潤(rùn)滑膜存在時(shí)的摩擦稱為邊界摩擦。這層膜稱為邊界膜，其厚度約為0.01μm或更薄。

4）流體潤(rùn)滑摩擦。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩物體表面完全被流體隔開時(shí)的摩擦稱為流體潤(rùn)滑摩擦，流體可以是液體或氣體。當(dāng)為液體時(shí)稱為液體摩擦，為氣體時(shí)稱為氣體摩擦。流體潤(rùn)滑摩擦?xí)r，摩擦發(fā)生在流體內(nèi)部。

5）固體潤(rùn)滑摩擦。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩物體表面間有固體潤(rùn)滑劑存在時(shí)的摩擦稱為固體潤(rùn)滑摩擦。

（4）按摩擦副所處的工況條件分類

1）正常摩擦。機(jī)器設(shè)備的摩擦副在正常溫度、壓力、速度等工況條件下的摩擦。

2）特殊工況條件下的摩擦?，F(xiàn)代機(jī)器設(shè)備中的摩擦副往往處于高速、高溫、低溫、真空、輻射等特殊環(huán)境條件下工作，其摩擦磨損性能也各具特點(diǎn)，將這類工況的摩擦稱為特殊工況條件下的摩擦。

2.摩擦理論

（1）早期摩擦理論1508年意大利科學(xué)家首先提出了摩擦力的概念，并指出摩擦力與物體的質(zhì)量成正比，與法向接觸面積無(wú)關(guān)。1699年法國(guó)工程師阿蒙頓（Amontons）進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，建立了摩擦的基本公式。1785年法國(guó)科學(xué)家?guī)靵觯–oulomb）也進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，完成了阿蒙頓-庫(kù)侖摩擦定律（Amontons-Coulomb摩擦定律），一般稱它為古典摩擦定律，綜述如下。

1）摩擦力F與作用于摩擦面間的法向載荷N成正比，即

F∝μN(yùn) （1-77）

式中 μ——摩擦因數(shù)，它是評(píng)定摩擦情況的重要參數(shù)。

此公式通常稱為庫(kù)侖定律。

2）摩擦力的大小與名義接觸面積無(wú)關(guān)。

3）靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力。

4）摩擦力的方向與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)。

5）摩擦力的方向總是與接觸面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的方向相反。

古典摩擦定律是試驗(yàn)中總結(jié)出的規(guī)律，它揭示了摩擦的性質(zhì)。

但近來(lái)對(duì)摩擦的深入研究發(fā)現(xiàn)，上述規(guī)律與實(shí)際情況有不符之處。如第1）條，當(dāng)法向壓力不大時(shí)，對(duì)于普通材料，摩擦力與法向載荷成正比，即摩擦因數(shù)為常數(shù)。但實(shí)際上，摩擦因數(shù)是與材料和環(huán)境條件有關(guān)的一個(gè)綜合特性系數(shù)，它不僅與摩擦副的材料性質(zhì)有關(guān)，還與表面溫度、表面粗糙度及表面污染情況等有關(guān)。當(dāng)壓力較大時(shí)，對(duì)于某些極硬材料（如鉆石）或軟材料（如聚四氯乙烯），摩擦力與法向載荷不成線性比例關(guān)系。第2）條，對(duì)于有一定屈服強(qiáng)度的材料（如金屬材料）才能成立，而對(duì)于彈性材料（如橡膠）或黏彈性材料（如某些聚合物），摩擦力與名義接觸面積的大小存在某種關(guān)系。對(duì)于很清潔、很光滑的表面，或承受載荷很大時(shí)，由于在接觸面間出現(xiàn)強(qiáng)烈的分子吸引力，故摩擦力與名義接觸面積成正比。第3）條，對(duì)黏彈性材料不適用，黏彈性材料的靜摩擦因數(shù)不一定大于動(dòng)摩擦因數(shù)。對(duì)于很多材料，摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度有關(guān)。

古典摩擦理論是經(jīng)驗(yàn)性的，在解決許多工程實(shí)際問題時(shí)仍大致適用，嚴(yán)格限定條件或加以修正后方可使用。

（2）滑動(dòng)摩擦理論

1）機(jī)械嚙合理論。該理論認(rèn)為，摩擦由表面上的微小凹凸不平所致。當(dāng)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)，由于表面微小凹凸不平相互嚙合，產(chǎn)生了阻礙固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力（圖1-27），因此稱為機(jī)械嚙合理論。機(jī)械嚙合理論把固體看做絕對(duì)剛體，對(duì)摩擦現(xiàn)象的解釋完全建立在固體表面的純幾何概念上。該理論還認(rèn)為，摩擦力就是所有這些嚙合點(diǎn)的切向阻力的總和。摩擦因數(shù)為微區(qū)粗糙面斜角θ的正切（圖1-27），表面越粗糙，摩擦因數(shù)越大。

圖1-27 機(jī)械嚙合示意圖

實(shí)踐表明，機(jī)械嚙合理論只適用于剛性粗糙表面，降低表面粗糙度值可以降低摩擦因數(shù)，但當(dāng)表面粗糙度值小到使表面分子吸引力有效發(fā)生作用時(shí)（如超精加工表面），摩擦因數(shù)反而增大，這個(gè)理論就不適用了。

2）分子作用理論。17世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家德沙古里艾（J.T.Desaguliers）第一次提出了產(chǎn)生摩擦力的主要原因是兩物體摩擦表面間所具有的分子力，該理論稱為分子作用理論。

托姆林森認(rèn)為，分子間的吸力和斥力是分子間距離的函數(shù)。當(dāng)兩個(gè)物體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于存在表面粗糙度，某些接觸點(diǎn)分子間的距離很小而產(chǎn)生分子斥力，另一些接觸點(diǎn)分子間的距離較大而產(chǎn)生分子吸力。他根據(jù)接觸表面上力的平衡條件推導(dǎo)出摩擦因數(shù)與接觸面積成正比，與載荷的三次方根成反比。

以后的研究表明，摩擦是由分子運(yùn)動(dòng)鍵的斷裂過(guò)程所引起的，表面和次表面分子周期性的拉伸、破裂和松弛導(dǎo)致能量的消耗。

3）黏著理論。1950年英國(guó)劍橋大學(xué)的鮑登（Bowden）和泰伯（Tabor）提出了摩擦的黏著理論。當(dāng)金屬表面相互壓緊時(shí)，它們只在微凸體的頂端接觸，由于接觸面積很小，微凸體上的壓力很高，足以引起塑性變形和牢固黏著，接觸點(diǎn)發(fā)生冷焊，這種冷焊點(diǎn)在表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)被剪斷，這構(gòu)成了摩擦力的黏著分量F_adh，即

F_adh＝Aτ_b （1-78）

式中 A——剪切的總面積；

τ——焊合點(diǎn)的平均抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)較硬材料滑過(guò)較軟材料的表面時(shí)，較硬材料表面的微凸體會(huì)對(duì)軟材料表面造成犁削作用，這構(gòu)成了摩擦力的犁削分量F_pl。因此，總的摩擦力為

F＝F_adh＋F_pl （1-79）

在大多數(shù)情況下，犁削分量遠(yuǎn)小于黏著分量，可忽略不計(jì)，因此，摩擦因數(shù)為

式中 F——法向載荷；

σ——作用在材料上的壓應(yīng)力。

（3）滾動(dòng)摩擦理論 滾動(dòng)摩擦與滑動(dòng)摩擦在摩擦狀況和機(jī)理上差別都很大，摩擦因數(shù)也小得多。滾動(dòng)摩擦可分為兩類：一類傳遞很大的切向力，如機(jī)車主動(dòng)輪；另一類傳遞較小的切向力，通常稱為自由滾動(dòng)。圖1-28所示為輪子沿固定基礎(chǔ)滾動(dòng)，當(dāng)它轉(zhuǎn)過(guò)角度?后，輪軸相對(duì)于基礎(chǔ)移動(dòng)了R?，這種運(yùn)動(dòng)稱為無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)或純滾動(dòng)。

圖1-28 輪子沿固定基礎(chǔ)滾動(dòng)

滾動(dòng)摩擦因數(shù)μ_r定義為驅(qū)動(dòng)力矩M與法向載荷F之比，其具有長(zhǎng)度的量綱，即

式中 F₀——滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。

目前認(rèn)為，滾動(dòng)的摩擦阻力主要來(lái)自微觀滑動(dòng)、彈性滯后、塑性變形和黏著作用等方面的作用。

3.影響摩擦的因素

如前所述，摩擦大小通常用摩擦因數(shù)μ來(lái)表征，其值等于摩擦力F與法向載荷N的比值。影響摩擦因數(shù)的因素包括材料本身和摩擦系統(tǒng)（如接觸界面、工作環(huán)境和介質(zhì)等）兩方面。

（1）材料性能 當(dāng)摩擦副是同一種金屬或是非常類似的金屬，或這兩種金屬有可能形成固溶合金時(shí)，摩擦較嚴(yán)重。如銅-銅摩擦副的摩擦因數(shù)可達(dá)1.0以上，鋁-鐵或鋁-低碳鋼摩擦副的摩擦因數(shù)大于0.8。而不同金屬或低親和力的金屬組成的摩擦副，如銀-鐵或銀-低碳鋼組成的摩擦副，摩擦因數(shù)僅為0.3。

材料的彈性模量越高，摩擦因數(shù)越低；材料的晶粒越細(xì)，強(qiáng)度和硬度越高，抗塑性變形能力越強(qiáng)，越不容易在接觸點(diǎn)形成焊合，摩擦因數(shù)也就越低；摩擦副的表面越粗糙，摩擦因數(shù)越高，然而，非常光滑的表面有時(shí)摩擦因數(shù)可能會(huì)更大。

（2）接點(diǎn)長(zhǎng)大 從摩擦黏著理論可知，滑動(dòng)摩擦系數(shù)，由于黏著點(diǎn)的破壞往往發(fā)生在摩擦副較軟的材料中，因此τ_b和σ均為較軟材料的性能。對(duì)于大多數(shù)金屬，σ約為屈服強(qiáng)度的3倍，τ_b為較軟材料的抗剪強(qiáng)度，同種材料屈服強(qiáng)度約是抗剪強(qiáng)度的1.7～2倍，所以σ≈5τ_b，即μ＝0.2。而實(shí)際上許多金屬摩擦副在空氣中的摩擦因數(shù)大于0.2，在真空中的摩擦因數(shù)則更大。研究發(fā)現(xiàn)，摩擦副滑動(dòng)時(shí)由于有切向力的作用，材料的屈服實(shí)際是由法向載荷造成的壓應(yīng)力σ與切向載荷造成的切應(yīng)力τ合成作用的結(jié)果。當(dāng)切應(yīng)力逐漸增大到材料的剪切屈服強(qiáng)度時(shí)，黏著點(diǎn)發(fā)生塑性流動(dòng)，這種塑性流動(dòng)使接觸面積增大ΔA，實(shí)際接觸面積的增大，將造成摩擦因數(shù)的增高。與滑動(dòng)摩擦不同的是，當(dāng)滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的黏著點(diǎn)分離時(shí)，其方向是垂直于界面的，因此沒有接點(diǎn)增大的現(xiàn)象。

（3）摩擦環(huán)境 載荷增大或滑動(dòng)速度改變時(shí)，由于摩擦熱會(huì)對(duì)摩擦副產(chǎn)生影響，摩擦因數(shù)常會(huì)發(fā)生變化。高溫下摩擦副的摩擦學(xué)特性取決于兩金屬的高溫強(qiáng)度、焊接性以及所形成的表面膜。表面膜對(duì)摩擦因數(shù)影響很大。表面膜可以是摩擦以前材料表面的氧化膜、摩擦過(guò)程中形成的表面反應(yīng)膜或加入的潤(rùn)滑劑形成的潤(rùn)滑膜。只要表面膜能起到潤(rùn)滑劑的作用，就會(huì)減輕黏著，降低摩擦因數(shù)。

1.5.2 磨損

相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，其接觸表面會(huì)發(fā)生摩擦。摩擦不僅存在于固體，也存在于液體和氣體。摩擦伴隨的必然結(jié)果是磨損的發(fā)生。機(jī)器相互連接的部件之間及機(jī)器與外部接觸時(shí)，如齒輪與齒輪、軸承與軸承、活塞環(huán)與缸套，以及采煤機(jī)采煤、犁鏵犁地、破碎機(jī)破碎礦物等都會(huì)發(fā)生摩擦與磨損。

磨損的過(guò)程是很復(fù)雜的，至今一些磨損機(jī)理研究得還不很清楚。磨損有時(shí)是有益的，例如機(jī)器在磨合階段的磨損以及利用磨損原理來(lái)進(jìn)行加工（如研磨、拋光、磨削），這些都是利用磨損為生產(chǎn)服務(wù)。但是，磨損也是造成材料和能源損失的重要原因。

1.磨損的定義和分類

（1）磨損的定義 雖然磨損現(xiàn)象為大家所熟知，但是，尋找一個(gè)嚴(yán)格的定義來(lái)說(shuō)明各種條件下所產(chǎn)生的磨損是困難的。英國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的一個(gè)委員會(huì)給磨損的定義是由于機(jī)械作用而造成物體表面材料的逐漸損耗?？死w爾斯基的定義為由于摩擦結(jié)合力反復(fù)擾動(dòng)而造成的材料的破壞。前者似乎排除了電和化學(xué)所產(chǎn)生的作用，后者則過(guò)于強(qiáng)調(diào)疲勞的作用。邵荷生教授則認(rèn)為：由于機(jī)械作用、間或伴有化學(xué)或電的作用，物體工作表面材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不斷損耗的現(xiàn)象稱為磨損。

目前比較完善的磨損定義是：任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象，稱為磨損。定義強(qiáng)調(diào)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但未指明接觸表面上一定要有相互作用力，因?yàn)橛行└g性磨損，如電火花磨損是由于界面間的放電作用引起物質(zhì)轉(zhuǎn)移，在表面上造成空穴所致。至于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有兩種情況：一種是單面磨損，如氣蝕中流體與葉片之間的磨損；另一種是雙面磨損，一般情況下兩個(gè)固體表面間的磨損都屬于這一類。定義中所指的不斷損失物質(zhì)，是說(shuō)明磨損過(guò)程是連續(xù)的、有規(guī)律性的，而不是偶然幾次損失物質(zhì)。

由磨損定義可知，磨損是一種十分復(fù)雜的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程，影響因素很多。在實(shí)際工況中，材料的磨損往往不只是一種機(jī)理在起作用，而是幾種機(jī)理同時(shí)存在，只不過(guò)是某一種機(jī)理起主要作用而已。而當(dāng)條件變化時(shí)，磨損也會(huì)發(fā)生變化，會(huì)以一種機(jī)理為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤硪环N機(jī)理為主。

（2）磨損的分類

1）根據(jù)不同的磨損機(jī)理，磨損可分為黏著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損四類。

雖然這種分類方法還不盡完善，但是它包括了主要的磨損種類。例如，微動(dòng)磨損是一種復(fù)合型磨損，但由于產(chǎn)生微動(dòng)磨損的主要原因是黏著點(diǎn)的氧化腐蝕作用，所以可以歸納在腐蝕磨損之內(nèi)；沖擊磨損則可歸納于磨料磨損之內(nèi)。

2）注意事項(xiàng)：

①磨損并不局限于機(jī)械作用，還包括由于伴隨化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕磨損，由于界面放電作用而引起物質(zhì)轉(zhuǎn)移的電火花磨損，以及由于伴隨熱效應(yīng)而造成的熱磨損等。

②特別強(qiáng)調(diào)磨損是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的現(xiàn)象，因而如橡膠表面老化、材料腐蝕等非相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的現(xiàn)象不屬于磨損研究的范疇。

③磨損發(fā)生在運(yùn)動(dòng)物體材料表面，其他非表面材料的損失或破壞不包括在磨損范圍之內(nèi)。

④磨損是不斷損失或破壞的現(xiàn)象，損失包括直接耗失材料和材料的轉(zhuǎn)移（材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面上去）。破壞包括產(chǎn)生殘余變形、失去表面精度和光澤等。不斷損失或破壞，則說(shuō)明磨損過(guò)程是連續(xù)的、有規(guī)律的，而不是偶然的幾次。

2.磨損的評(píng)定

目前對(duì)磨損的評(píng)定方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。常用的評(píng)定方法有：磨損量、磨損率和耐磨性。

（1）磨損量 評(píng)定材料磨損的三個(gè)基本磨損量是長(zhǎng)度磨損量W_l、體積磨損量W_v和質(zhì)量磨損量W_m。長(zhǎng)度磨損量是指磨損過(guò)程中零件表面尺寸的改變量，這在實(shí)際設(shè)備的磨損監(jiān)測(cè)中經(jīng)常使用。體積磨損量和質(zhì)量磨損量是指磨損過(guò)程中零件或試樣的體積或質(zhì)量的改變量。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，往往是首先測(cè)量試樣的質(zhì)量磨損量，然后再換算成為體積磨損量進(jìn)行比較和分析。對(duì)于密度不同的材料，用體積磨損量來(lái)評(píng)定磨損的程度比質(zhì)量磨損量更為合理。

（2）磨損率 在所有的情況下，磨損都是時(shí)間的函數(shù)。因此，有時(shí)也用磨損率W來(lái)表示磨損的特性，如單位時(shí)間的磨損量、單位摩擦距離的磨損量。

（3）耐磨性 材料的耐磨性是指在一定工作條件下材料耐磨的特性。這里引入材料的相對(duì)耐磨性ε概念，其是指兩種材料A與B在相同的外部條件下磨損量的比值，其中材料A是標(biāo)準(zhǔn)（或參考）試樣。

磨損量W_A和W_B一般用體積磨損量，特殊情況下可使用其他磨損量。

耐磨性通常用磨損量或磨損率的倒數(shù)W^-1來(lái)表示，使用最多的是體積磨損量的倒數(shù)。