第一節　摩擦

世界能源的1/3～1/2最終以各種不同形式的摩擦消耗掉，因此，降低機械的摩擦損失，對節約能源至關重要。為了減小機械的摩擦和磨損，必須對機械表面的性狀、摩擦和磨損的情形進行研究。

一、摩擦的作用

1.摩擦的定義

相互接觸的物體在相對運動時或具有相對運動的趨勢時，接觸面間所產生阻礙其相對運動的阻力稱為摩擦力，發生的現象則稱為摩擦。

互相接觸的物體相對運動時產生的摩擦現象，在生產實踐中早就被人們注意到。早在1508年，達·芬奇就正確地闡述了有關摩擦力的概念。1699年，法國工程師阿蒙頓歸納了兩條有關摩擦的基本定律：第一，摩擦與兩物體的接觸面的大小無關；第二，摩擦阻力與垂直負荷成正比。

根據此定律得出摩擦力與負荷的關系：

f=F/P

式中　f——摩擦系數；

F——摩擦力，N；

P——摩擦面上的垂直負荷，N。

在一定條件下，摩擦系數f是一個常數，但摩擦系數與摩擦接觸表面積、摩擦表面的材料、摩擦的種類和摩擦表面的加工精度等有關。如兩塊銅材在空氣中的摩擦系數約為0.6，石墨與石墨的摩擦系數在不太干燥的空氣中約為0.1，在很干燥的空氣中超過0.5。

摩擦現象是在兩個摩擦表面之間產生的，摩擦力的大小與摩擦表面的相互作用有密切的關系。

2.摩擦的作用

在許多場合，摩擦對人類有利。比如，人們依靠摩擦來拿起和握住物品，房間內的家具依靠與地面的摩擦而保持在固定的位置，水龍頭利用摩擦力而擰緊，釘子依靠摩擦力而固定在木材中以及人們生活中用刷子洗刷掉衣服上的污漬等。

在更多的情況下，摩擦是一個有害的因素，需要采取一定的措施進行限制，這在機械行業是一個十分普遍的問題。摩擦產生的危害主要體現在以下幾個方面。

（1）消耗動力　金屬表面發生相對運動時，其凸起的部分發生碰撞，會消耗一部分機械能。金屬在摩擦過程中會產生塑性變形，導致能量的大量消耗。

（2）金屬表面產生大量熱能　金屬表面發生相對運動時因摩擦而產生的熱能使機件表面溫度升高，嚴重時甚至使金屬熔化而燒結。

由于這些熱量集中在金屬表面，瞬時溫度可達500～1000℃，而高溫下，化學反應很容易進行。例如常用的抗磨劑二烷基二硫代磷酸鋅，在溫度達到140℃時會分解，并進一步生成聚合物，分解出的活性元素還會與摩擦副表面發生作用。礦物油中的烴類當溫度達到400℃左右時分解，當遇到氧或受到摩擦表面的催化作用時，會在更低的溫度下發生化學反應。

（3）機件磨損　在摩擦碰撞過程中，凸起部分會被撕裂，或因疲勞而碎裂，堅硬的部分還可將較軟的部分劃傷，這些都會使機件損毀，即磨損。機械零件表面磨損后往往造成設備精度喪失，需要進行維修，使得生產過程不得不被迫停工。

除了傳動皮帶、摩擦輪等部件外，一般的機械部件都要求減小摩擦和磨損，以保證機械的正常、高效運轉。

摩擦對人們的生活既有利又有害，這是一個客觀規律。只要認真研究和了解摩擦的原因，并采取相應的措施，就能達到利用摩擦為人類造福和控制、減緩摩擦，提高機械效率，延長機器零件使用壽命的目的。

二、產生摩擦的原因

當兩個金屬表面被負荷壓緊并發生相對運動時，阻礙運動進行的阻力就是產生摩擦的根本原因。

1.機械嚙合

機械嚙合由物體表面不平滑的凸起部分阻擋相互的運動而產生。任何實際存在的表面都不是絕對平滑的，一般都留有加工的痕跡，即使經過精密的加工，如研磨，其表面也只是相對光滑些，絕對光滑的表面是不存在的。

即使加工很“光滑”的零件表面，在顯微鏡的觀察下也是凸凹不平的（見圖1-2），有如地球表面的地貌一樣，布滿了高山和深谷。零件表面的這種凸凹不平的幾何形狀，稱為表面形貌。表面上凸起處稱為波峰，凹下處稱為波谷。相鄰的波峰與波谷間的距離稱為波幅（H），相鄰波峰或相鄰波谷間的距離稱為波距或波長（L）。

2.摩擦副表面產生的熱量

當表面發生相對運動時，由于所有摩擦作用都發生在很小的實際接觸面上，因此支撐點附近的表面溫度會迅速升高，產生的熱量造成局部的軟化和熔化而使黏結力增大。因此發生相對運動特別是高速運動時撕裂黏結點要消耗更多的動力。

3.摩擦副相互接觸部分的分子間引力

實踐表明，摩擦力不一定隨摩擦副表面的粗糙度降低而減小，有時反而增大。這是因為表面越光滑，相互接觸的部分越多，分子間引力產生的摩擦阻力也越大。

三、摩擦的分類

摩擦的現象極為普遍，種類很多，根據對摩擦現象觀察和研究的依據不同，可將摩擦劃分為不同的類型。摩擦的分類通常按摩擦副的運動狀態、運動形式和潤滑狀況來劃分。

1.按摩擦副的運動狀態分類

按摩擦副的運動狀態分類，摩擦可分為靜摩擦和動摩擦兩種。

（1）靜摩擦　當物體在外力作用下對另一物體產生微觀彈性位移，但尚未發生相對運動時的摩擦稱為靜摩擦。在相對運動即將開始瞬間的靜摩擦即最大靜摩擦，又稱極限靜摩擦。此時的摩擦系數，稱為靜摩擦系數。

（2）動摩擦　當物體在外力作用下沿另一物體表面相對運動時，產生的摩擦稱為動摩擦。兩物體之間具有相對運動時的摩擦系數，稱為動摩擦系數。

靜摩擦小于極限靜摩擦，而動摩擦則一般大于極限靜摩擦。

2.按摩擦副的運動形式分類

按摩擦副的運動形式分類，摩擦可分為滑動摩擦、滾動摩擦和自旋摩擦三種。其示意圖見圖1-3。

（1）滑動摩擦　一個物體在另一個物體上滑動時產生的摩擦稱為滑動摩擦［見圖1-3（a）］。如機床導軌的往復運動、曲軸在軸瓦套中的轉動和活塞在汽缸內的運動等。

（2）滾動摩擦　圓柱形或球形的物體在另一物體上滾動時產生的摩擦稱為滾動摩擦［見圖1-3（b）］。如滾珠或滾柱在軸承中滾動等。

（3）自旋摩擦（轉動摩擦）　物體沿垂直于接觸表面的軸線作自旋運動時的摩擦，稱為自旋摩擦［見圖1-3（c）］。在分類時有時不作為單獨的摩擦形式出現，以摩擦力矩來表征。

3.按摩擦副的潤滑狀況分類

按摩擦副的潤滑狀況分類，摩擦可分為干摩擦、液體摩擦和邊界摩擦三種。

（1）干摩擦　兩個物體表面間沒有潤滑劑存在時的摩擦稱為干摩擦［見圖1-4（a）］。

（2）液體摩擦　兩個物體表面被一層潤滑劑隔開時的摩擦稱為液體摩擦［見圖1-4（b）］。此時摩擦只發生在潤滑劑分子之間。

（3）邊界摩擦　當固體摩擦表面不是被一層具有流動性的液體隔開，而是被一層很薄的吸附油膜隔開，或是被一層具有分層結構和潤滑性能的邊界膜隔開時的摩擦，稱為邊界摩擦［見圖1-4（c）］。

邊界膜的厚度一般在0.1～1μm以下，摩擦面大部分區域被邊界膜隔開。邊界摩擦是液體摩擦和干摩擦之間的一種中間狀態。摩擦阻力遠小于干摩擦，摩擦系數約為0.01～0.1。

實際上，純粹的邊界摩擦并不存在。物體作相對滑動時，由于它的表面粗糙度不同，當凸起較高的部分發生邊界摩擦時，凸起較低的部分處于液體摩擦狀態中；當凸起較低的部分處于邊界摩擦時，凸起較高的部分因擠壓劇烈會導致邊界膜破裂，其表面直接接觸而發生局部的干摩擦。