磨損與潤(rùn)滑

1、第一章 緒論第二章 固體的表面特性第三章 摩擦原理第四章 磨損第五章 潤(rùn)滑理論第六章 潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法第七章 應(yīng)用實(shí)例,磨損與潤(rùn)滑,第1章 緒論,§1-2 摩擦學(xué)的研究?jī)?nèi)容,§1-3 課程的要求,§1-1 摩擦學(xué)簡(jiǎn)介,概　述,摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損和潤(rùn)滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)邊緣學(xué)科。,摩擦　是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作

2、用現(xiàn)象；,磨損　是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；,潤(rùn)滑　是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。,關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。,世界上使用的能源大約有 1/3-1/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無(wú)用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

3、，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。,當(dāng)在正壓力作用下相互接觸的兩個(gè)物體受切向外力的影響而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，或有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上就會(huì)產(chǎn)生抵抗滑動(dòng)的阻力，這一自然現(xiàn)象叫做摩擦，這時(shí)所產(chǎn)生的阻力叫做摩擦力。 摩擦是一種不可逆過(guò)程，其結(jié)果必然有能量損耗和摩擦表面物質(zhì)的喪失或遷移，即磨損，磨損會(huì)導(dǎo)致表面損壞和材料損耗。潤(rùn)滑是降低摩擦和減少磨損的有效手段。,摩擦學(xué)是研

4、究有關(guān)摩擦、磨損與潤(rùn)滑的科學(xué)與技術(shù)，并把在機(jī)械設(shè)計(jì)中正確運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)與技術(shù)，使之具有良好的摩擦學(xué)性能這一過(guò)程稱(chēng)為摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。 當(dāng)然，摩擦在機(jī)械中也并非總是有害的，如帶傳動(dòng)、汽車(chē)及拖拉機(jī)的制動(dòng)器等正是靠摩擦來(lái)工作的，這時(shí)還要進(jìn)行增摩技術(shù)的研究。這種反方向的研究領(lǐng)域也屬于摩擦學(xué)的學(xué)科范疇。,摩擦學(xué)的研究對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。據(jù)估計(jì)，全世界大約有1/3-1/2的能源以各種形式消耗在摩擦上。而摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失敗的主要原

5、因，大約有80%的損壞零件是由于各種形式的磨損引起的。 因此，控制摩擦，減少磨損，改善潤(rùn)滑性能已成為節(jié)約能源和原材料、縮短維修時(shí)間的重要措施。同時(shí)，摩擦學(xué)對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命和增加可靠性也有重要作用。由于摩擦學(xué)對(duì)工農(nóng)生產(chǎn)和人民生活的巨大影響，因而引起世界各國(guó)的普遍重視，成為近三十年來(lái)迅速發(fā)展的技術(shù)學(xué)科，并得到日益廣泛的應(yīng)用,摩擦學(xué)問(wèn)題中各種因素往往錯(cuò)終復(fù)雜，涉及到多門(mén)學(xué)科，例如流體力學(xué)、固體力學(xué)、流變學(xué)、熱物

6、理、應(yīng)用數(shù)學(xué)、材料科學(xué)、物理化學(xué)，以及化學(xué)和物理學(xué)等內(nèi)容。 因此多學(xué)科的綜合分析是摩擦學(xué)研究的顯著特點(diǎn)。,由于摩擦學(xué)現(xiàn)象發(fā)生在表面層，影響因素繁多，這就使得理論分析和實(shí)驗(yàn)研究都較為困難，因而理論與實(shí)驗(yàn)研究的相互促進(jìn)和補(bǔ)充是摩擦學(xué)研究的另一個(gè)特點(diǎn)。 隨著理論研究的日益深入和實(shí)驗(yàn)技術(shù)日益先進(jìn)，目前摩擦學(xué)研究方法的發(fā)展趨勢(shì)正由宏觀進(jìn)入微觀；由定性進(jìn)入定量；由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)；以及由單一學(xué)科角度的分析進(jìn)入多學(xué)科的綜合研究。,從摩

7、擦學(xué)研究的范圍來(lái)看，本課程包含的主要內(nèi)容有： 表面形貌分析處理和表面接觸理論； 固體摩擦理論； 磨損分類(lèi)及機(jī)理； 磨損試驗(yàn)和磨損測(cè)試； 流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論； 彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論和部分彈性流體動(dòng) 壓潤(rùn)滑理論簡(jiǎn)介； 流體靜壓潤(rùn)滑分析簡(jiǎn)介； 摩擦學(xué)應(yīng)用實(shí)例等。,2.1 表面形貌參數(shù)2.2 表面形貌的統(tǒng)計(jì)參數(shù)2.3 表層結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)2.4 粗糙表面的接觸,任何

8、摩擦表面都是由許多不同形態(tài)的微凸蜂和凹谷組成。表面幾何特性對(duì)于混合潤(rùn)滑和干摩擦狀態(tài)下的摩擦磨損和潤(rùn)滑起著決定性影響，因此，了解和研究表面形貌及其參數(shù)是十分有必要的。 表面幾何特征采用形貌參數(shù)來(lái)描述。最常用的表面形貌參數(shù)是表面粗糙度，它取表面上某一個(gè)截面的外形輪廓曲線來(lái)表示。根據(jù)表示方法的不同可分為一維、二維和三維的形貌參數(shù)。,一維形貌通常用輪廓曲線的高度參數(shù)來(lái)表示，如圖2-1，它描繪沿截面方向（X方向）上輪廓高度z的起伏變化。

9、選擇輪廓的平均高度線亦即中心線為X軸，使輪廓曲線在X軸上下兩側(cè)的面積相等。一維形貌參數(shù)種類(lèi)繁多，最常用的有輪廓算術(shù)平均偏差值 和輪廓均方根偏差或稱(chēng)均方根值 或,圖2—1 外形輪廓曲線,輪廓算術(shù)平均偏差值Ra 它是輪廓上各點(diǎn)高度在測(cè)量長(zhǎng)度范圍內(nèi)的算術(shù)平均值，即

10、 （2—1）式中, z(x)為各點(diǎn)輪廓高度;L為測(cè)量長(zhǎng)度;n為測(cè)量點(diǎn)數(shù);zi為各測(cè)量點(diǎn)的輪廓高度。,,輪廓均方根偏差,(2-2),應(yīng)當(dāng)指出：一維形貌參數(shù)不能完善地說(shuō)明表面幾何特征。如圖2-2所示，四種表面輪廓的 值相同，但形貌卻很不一致，甚至完全相反，如圖2-2中的a和b。雖

11、然均方根值 比中心線平均值 稍好一些，但對(duì)于圖2-2中a和b兩個(gè)相反的輪廓仍然無(wú)法區(qū)別。這表明：一維形貌參數(shù)不足以闡明表面幾何特征與摩擦學(xué)特性的關(guān)系。,圖2-2 不同輪廓表面的 和 值,坡度 或 ，它是表面輪廓曲線上各點(diǎn)坡度即斜率 的絕對(duì)值的算術(shù)平均值 或者均方根值 。該指標(biāo)對(duì)于微觀彈流潤(rùn)滑效應(yīng)十分重要。 峰頂曲率C 或C ，采用各個(gè)粗糙峰頂曲率的算術(shù)平均值C 或者均方根值C 。它對(duì)于潤(rùn)

12、滑和表面接觸狀況都有影響。,由于二維形貌參數(shù)還不夠全面，描述粗糙表面的最好方法是采用三維形貌參數(shù)。二維輪廓曲線族：通過(guò)一組間隔很密的二維輪廓曲線來(lái)表示形貌的三維變化；等高線圖：用表面形貌的等高線表示表面的起伏變化。,圖2－3 二維輪廓曲線族 圖2－4 等高線圖,切削加工的表面形貌包含著周期變化和隨機(jī)變化兩個(gè)組成部分，因此采用形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)比用單一形貌參數(shù)來(lái)描述表面幾何特征更加科學(xué)和反映更多的信息。這就是將輪廓曲線上

13、各點(diǎn)的高度、波長(zhǎng)、坡度或曲率等用概率密度分布函數(shù)來(lái)表示它們的變化，這里主要介紹表面形貌的高度分布函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)。,以平均高度線為X 軸，輪廓曲線上各點(diǎn)高度為z。概率密度分布曲線的繪制方法如下（圖2—5）：由不同高度z 作等高線，計(jì)算它與峰部實(shí)體(X 軸以上)或谷部空間(X 軸以下)交割線段長(zhǎng)度的總和 ,以及與測(cè)量長(zhǎng)度L的比值 。用這些比值畫(huà)出高度分布直方圖。如果選取非常多的z值，則從直方圖可以描繪出一條光滑曲線，這就是

14、輪廓高度的概率密度分布曲線。,圖2－5 高度分布曲線,切削加工表面的輪廓高度接近于Gauss分布規(guī)律。Gauss概率密度分布函數(shù)為,=,(2-3),式中，為粗糙度的均方根值，在Gauss分布中稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)偏差，而 稱(chēng)為方差。 概率密度分布曲線所包圍的面積應(yīng)當(dāng)?shù)扔?,即,式(2-4)表示的分布曲線是標(biāo)準(zhǔn)的Gauss分布。而 為概率密度函數(shù)，它表示不同高度出現(xiàn)的概率。,故,,則（2-3）變?yōu)?（2-4),理論上Gauss分布曲

15、線的范圍由-∞到+∞，但實(shí)際上在-3 到+3 之間包含了全部情況的99.9%，因此以±3 作為Gauss分布的極限所產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。 應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于二維形貌參數(shù)例如輪廓曲線的坡度和峰頂曲率，也可以用它們的概率密度分布曲線來(lái)描述變化規(guī)律。,切削加工表面形貌的分布曲線往往與標(biāo)準(zhǔn) Gauss分布存在一定偏差，通常用統(tǒng)計(jì)參數(shù)表示這種偏差。常用的偏差統(tǒng)計(jì)量有偏態(tài)s（衡量分布曲線偏離對(duì)稱(chēng)位置的指標(biāo)）和峰態(tài)K（表示分布

16、曲線的尖峭程度）。,偏態(tài)s的定義是,（2-5）,將標(biāo)準(zhǔn)的Gauss分布函數(shù)式(2-4)代人，求得s=0，即凡是對(duì)稱(chēng)分布曲線的偏態(tài)值s均為零。非對(duì)稱(chēng)分布曲線的偏態(tài)值可為正值或負(fù)值，如圖2-6所示。,圖2-6 偏態(tài) 圖2-7峰態(tài),峰態(tài)定義為,(2-6),將式(2-4)代入上式求得標(biāo)準(zhǔn)Gauss分布的峰態(tài)K=3。而K3的分布曲線稱(chēng)為尖峰態(tài)，如圖2-7所示。,在分析表面形貌參數(shù)時(shí)，抽樣間隔的大小對(duì)于繪制直方圖和

17、分布曲線有顯著影響．為了表達(dá)相鄰輪廓的關(guān)系和輪廓曲線的變化趨勢(shì)?？梢昧硪粋€(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)—自相關(guān)函數(shù)R( )。,對(duì)于一條輪廓曲線來(lái)說(shuō)，它的自相關(guān)函數(shù)是各點(diǎn)的輪廓高度與該點(diǎn)相距一固定間隔處的輪廓高度乘積的數(shù)學(xué)期望(平均)值，即,這里，E表示數(shù)學(xué)期望值。 如果在測(cè)量長(zhǎng)度L內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)為n，各測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)為 ，則 為,（2-7）,對(duì)于連續(xù)函數(shù)的輪廓曲線，上式可寫(xiě)成積分形式,（2-8）,R( )是抽樣間隔的函數(shù)。當(dāng) ＝0時(shí)，自相

18、關(guān)函數(shù)記作 ，且 方差。因此自相關(guān)函數(shù)的無(wú)量綱形式變?yōu)?,,(2-9),圖2-8為典型輪廓曲線及其自相關(guān)函數(shù)。自相關(guān)函數(shù)可以分解為兩個(gè)組成部分：函數(shù)的衰減表明相關(guān)性隨 的增加而減小，它代表輪廓的隨機(jī)分量的變化情況。函數(shù)的振蕩分量反映表面輪廓周期性變化因素。,圖2-8 典型的自相關(guān)函數(shù),計(jì)算實(shí)際表面的自相關(guān)函數(shù)需要采集和處理大量的數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，通常將隨機(jī)分量表示為按指數(shù)關(guān)系衰減，而振蕩分量按三角函數(shù)波動(dòng)。分析表

19、明：粗加工表面(例如 的粗刨平面)的振蕩分量是主要組成部分，而精加工表面(例如 的超精加工平面)的隨機(jī)分量將是主要的。 相關(guān)函數(shù)對(duì)于研究表面形貌的變化是十分重要的。任何表面形貌的特征都可以用高度分布概率密度函數(shù) 和自相關(guān)函數(shù) 這兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述。,金屬表面在切削加工過(guò)程中表層組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，使表面層由若干層次組成。典型的金屬表層結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。,圖

20、2-9 金屬表面結(jié)構(gòu),金屬基體之上是變形層，它是材料的加工強(qiáng)化層，總厚度為數(shù)十微米，由重變形層逐漸過(guò)渡到輕變形層。變形層之上是貝氏層(BielbylaYer)，它是由于切削加工中表層熔化、流動(dòng)，隨后驟冷而形成的非晶或者微晶質(zhì)層。氧化層是由于表面與大氣接觸經(jīng)化學(xué)作用而形成的，它的組織結(jié)構(gòu)與氧化程度有關(guān)。最外層是環(huán)境中氣體或液體極性分子與表面形成的吸附膜或污染膜。,由此可知：金屬表層的組織結(jié)構(gòu)隨著加工工藝條件而變化。同時(shí)，表層的機(jī)械性質(zhì)與基

21、體材料很不相同，金屬表層的強(qiáng)化程度、微硬度和殘余應(yīng)力等對(duì)于摩擦磨損起著重要的影響。 在各種表面性質(zhì)中，與摩擦學(xué)密切相關(guān)的主要有表面能、吸附效應(yīng)和表面氧化等。 產(chǎn)生新表面所做的功表現(xiàn)為表面能。液體表面分子由于表面能的作用，有從表面進(jìn)入內(nèi)部的趨勢(shì)，這種使液面自動(dòng)收縮而減少表面積的力稱(chēng)為表面張力。,在加工過(guò)程中，金屬的新生表面一旦暴露就很快地與大氣中的氧形成氧化膜。氧化速度將取決于氧向表層內(nèi)擴(kuò)散速度或金屬離子透過(guò)氧化膜

22、向外的擴(kuò)散速度。由于金屬和氧化物的晶格常數(shù)不同，因而阻礙了氧向更深的內(nèi)部擴(kuò)散。 氧化膜對(duì)摩擦摩損的影響與氧化膜的強(qiáng)度有關(guān)。通常薄的氧化膜強(qiáng)度高，可以防止粘著發(fā)生。而氧化膜厚度增加使膜的強(qiáng)度降低，在摩擦過(guò)程中容易脫落而加劇磨損。 在摩擦過(guò)程中，由于力和熱的作用，摩擦表面將發(fā)生一系列的變化，這些變化對(duì)摩擦磨損性能有很大影響。 表面形貌和微觀接觸狀況在摩擦中不斷地變化。同時(shí)，摩擦表面的吸附膜和氧化膜也將發(fā)生破裂、再生和

23、轉(zhuǎn)移。,當(dāng)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)，由于表面粗糙，使實(shí)際接觸只發(fā)生在表觀面積的極小部分上。實(shí)際接觸面積的大小和分布對(duì)于摩擦磨損起著決定性的影響。 實(shí)際表面上粗糙峰頂?shù)男螤钔ǔＪ菣E圓體。由于橢圓體的接觸尺寸遠(yuǎn)小于本身的曲率半徑，因而粗糙峰可以近似地視為球體，兩個(gè)平面的接觸可視為一系列高低不齊的球體相接觸。 如前所述，兩個(gè)彈性體的接觸可以轉(zhuǎn)換為具有當(dāng)量曲率半徑R 和當(dāng)量彈性模量 E 的彈性球體與剛性光滑平面的接觸。,摩擦表

24、面表面形貌組成： 固體表面的微觀幾何形狀，即形狀公差、波紋度和表面粗糙度統(tǒng)稱(chēng)為表面形貌。,（1）表面形狀誤差： 實(shí)際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差，是一種連續(xù)而不重復(fù)的形狀偏差。它是機(jī)床- 工件- 刀具系統(tǒng)的誤差和彈性變形等造成，如機(jī)床和刀具精度不夠、不正確的加工規(guī)范或溫度應(yīng)力等。表面形狀誤差的數(shù)值由最大偏差表示，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1182～1184-80 規(guī)定了形狀和位置公差。,（2）表面波紋度： 表面周期性重復(fù)出現(xiàn)

25、的幾何形狀誤差，是有規(guī)律、周期性、峰和谷的大小幾乎相等的表面宏觀誤差。是由機(jī)床- 工件-刀具系統(tǒng)的振動(dòng)和機(jī)床傳動(dòng)件的缺陷引起的。它的存在對(duì)摩擦磨損是有害的，減少配合件的實(shí)際接觸面積，導(dǎo)致真實(shí)接觸表面壓強(qiáng)增加，加快零件的磨損。 波高 h：波峰與波谷之距離 波距 s：相鄰波形對(duì)應(yīng)點(diǎn)距離,（3）表面

26、粗糙度(surface roughness)： 是固體表面的基本形貌，又稱(chēng)表面微觀粗糙度，波距小，約 2~800μm，波高較低 0.03~400μm，屬表面微觀幾何形狀誤差。主要與切削加工方法、刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡、磨損及工藝系統(tǒng)的高頻振動(dòng)有關(guān)。GB1031-83 規(guī)定了表面粗糙度的參數(shù)和數(shù)值。工程上通常采用表面粗糙度表征表面的形貌參數(shù)。,表面粗糙度的特征：1.變化規(guī)律：呈現(xiàn)某種規(guī)律性變化或?yàn)闊o(wú)規(guī)律的隨機(jī)變化特征。如車(chē)削、鉆孔或

27、刨削等工藝加工的表面微凹凸體分布往往具有一定的規(guī)律和方向性；磨削、研磨或拋光等精加工表面則為無(wú)規(guī)律的隨機(jī)分布特征。2.與摩擦磨損關(guān)系密切：表面粗糙度的特征對(duì)接觸表面的壓力分布、接觸變形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力和摩擦成因等有決定性的影響。,2. 表面粗糙度的評(píng)定參數(shù),z 為輪廓上各點(diǎn)的高度，m-m 為輪廓中線，L 為取樣長(zhǎng)度，h 為峰或谷距任一平行于中線的基線距離。（1）輪廓算術(shù)平均偏差Ra(Arithmetic aver

28、age roughness)輪廓上各點(diǎn)高度在測(cè)量長(zhǎng)度范圍內(nèi)的算術(shù)平均值，數(shù)學(xué)表達(dá)式：,概率統(tǒng)計(jì)表達(dá)式： zi 以中線為起點(diǎn)度量出的輪廓高度； n 標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度內(nèi)測(cè)量的次數(shù)； ?(x) 輪廓圖形的分布函數(shù)。算術(shù)平均偏差Ra反映了取樣長(zhǎng)度范圍內(nèi)輪廓隨機(jī)分布高度偏離概率分布中心的絕對(duì)平均情況，不能真實(shí)反映出表面輪廓的離散性和波動(dòng)性，但由于其定義與測(cè)量?jī)x表讀數(shù)設(shè)計(jì)原理一致，作為衡量表面粗糙度的主要參數(shù)，被廣泛采用

29、。,（2）輪廓均方根偏差 Rq：輪廓圖形上各點(diǎn)和中線之間距離平方和平均值的平方根。均方根偏差比算術(shù)平均偏差優(yōu)越，在理論上普遍采用。（3）微觀不平度十點(diǎn)平均高度Rz：在取樣長(zhǎng)度范圍內(nèi)以平行輪廓中線的任一條直線為基準(zhǔn)，測(cè)量輪廓上五點(diǎn)最高的凸峰和五點(diǎn)最低的凹谷之間的算術(shù)平均距離，hpi第i個(gè)最高的輪廓峰高，hvi第i個(gè)最低的輪廓峰高。這一參數(shù)對(duì)表面輪廓的評(píng)定，在測(cè)量時(shí)易受人為因素的影響，不能穩(wěn)定反映出表面的幾何特征。,(4) 中線截距平

30、均值 Sm：取樣長(zhǎng)度范圍內(nèi)，表面輪廓曲線與中線交點(diǎn)各波形之間距離的算術(shù)平均值。該參數(shù)反應(yīng)了表面不規(guī)則起伏的波長(zhǎng)或間距以及粗糙峰的疏密程度。,（5）支承面曲線：即能表示粗糙表面的微凸體高度分布，也能反映摩擦表面磨損到一定程度時(shí)支承面積的大小。主要用于計(jì)算實(shí)際接觸面積，一般用二維作圖法求支承面曲線。,（1）以通過(guò)最高峰頂點(diǎn)的直線為零位線，在標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度L的輪廓曲線上，作與中線平行的一系列直線，如h1、h2、h3…..（2）將各平行線截取輪廓圖

31、形中微凸體的長(zhǎng)度相加，畫(huà)在輪廓圖右側(cè)，直到輪廓圖形的最低點(diǎn)為止，連接圖中各點(diǎn)，即得到支承面曲線。（3）描述參數(shù)（GB3505-83)： 相對(duì)支承長(zhǎng)度率： 支承面積： Ax離峰頂h處面積 Ao離峰頂最大高度面積,（4）按支承面積的大小將輪廓圖形分三個(gè)高度層：支承面積小于25%的部分稱(chēng)為波峰，為最高層；在25%~75%之間部分稱(chēng)為波中，為中間

32、層；大于75%部分為波谷，最低層。（5）評(píng)定摩擦表面的接觸和表面磨合:(a)圖中，支撐面曲線在微凸體頂部處的斜率較大，曲線較陡，這種表面組成的摩擦副，接觸面積小，耐磨性差。(b)圖中的支撐面曲線在微凸體頂部處的斜率較小，曲線較平緩，這種表面組成的摩擦副，接觸面積較大，耐磨性能較好。,3 表面形貌統(tǒng)計(jì)學(xué)特性 切削加工的金屬表面形貌包含了周期變化和隨 即變化兩個(gè)部分，單一形貌參數(shù)不能夠描述復(fù) 雜的表面形貌，采用形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)

33、能反映更多 的表面形貌信息。 （1).輪廓高度分布函數(shù)：切削加工表面的輪廓高 度接近于正態(tài)分布（Gauss分布）： σ為粗糙度的均方值，正態(tài)分布中稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)偏差， σ2為方差。相關(guān)參數(shù)定義為：,(2). 分布曲線的數(shù)字特征(矩）：（1）一次矩算術(shù)平均值： 確定中線位置。（2）二次矩-均方偏差： 衡量高度分布的離散性。,（3）三次矩-偏態(tài) S：分布曲線偏離對(duì)稱(chēng)位置的指標(biāo)，正態(tài)分布曲線 S = 0，非

34、正態(tài)分布可正可負(fù)。（4）四次矩-峰態(tài)K：分布曲線的陡峭度。正態(tài)K =3，K3概率集中，凸峰較尖銳。,(3). 自相關(guān)函數(shù)R(l)： 反映了相鄰輪廓的關(guān)系和輪廓曲線的變化趨勢(shì)。對(duì)于任一條輪廓曲線，自相關(guān)函數(shù)是各點(diǎn)的輪廓高度與該點(diǎn)相距一定間隔處的輪廓高度乘積的數(shù)學(xué)期望，即 離散函數(shù)：測(cè)量長(zhǎng)度內(nèi)測(cè)量點(diǎn)n，高度值xi，則 連續(xù)函數(shù)的輪廓曲線為積分形式：,4 表面形貌的測(cè)量1. 光學(xué)法：光學(xué)顯微鏡，適用

35、于測(cè)量較規(guī)則表面的Sm值。包括光切法和干涉法。2. 電子顯微鏡：適用于評(píng)定不均勻表面的粗糙度。3. 截面法：直接將輪廓表面切開(kāi)進(jìn)行表面幾何形狀的觀察。,4. 流量法：當(dāng)流體從測(cè)量?jī)x器與被測(cè)表面之間的縫隙流過(guò)時(shí)，如果控制流體壓力并測(cè)出一定量流體經(jīng)過(guò)縫隙的時(shí)間，根據(jù)流體力學(xué)原理，就可以推算出表面的當(dāng)量粗糙度。根據(jù)表面粗糙度的程度不同，使用的流體有氣體和液體兩種。5. 針描法：利用儀器的觸針與被測(cè)表面相接觸，并使觸針等速的沿表面

36、輪廓移動(dòng)以描述出輪廓的圖形。最常使用的是表面輪廓儀。,5.表面化學(xué)性質(zhì)： 金屬零件在加工過(guò)程中，表面材料發(fā)生變形，位錯(cuò)密度增加，具有較高的能量, 表面原子處于不飽和或非穩(wěn)定態(tài)，空氣中的氣體分子或潤(rùn)滑油分子與金屬表面發(fā)生作用，形成吸附層。這種吸附層隔開(kāi)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，減少了表面直接接觸，起到減小摩擦、減輕磨損的作用。,（1）物理吸附：當(dāng)氣體或液體與金屬表面接觸時(shí)，分子或原子相互吸引而產(chǎn)生的吸附。物理吸附是靠范德華力，吸附能較

37、弱，小于104J/mol。對(duì)溫度敏感，吸附層薄，熱量可使分子脫吸。（2）化學(xué)吸附：吸附物與固體表面之間發(fā)生電子交換或存在共用電子對(duì)，形成化學(xué)鍵結(jié)合。吸附膜牢固，吸附能大，超過(guò)104J/mol。由于化學(xué)鍵力的作用范圍多在單分子層，化學(xué)吸附基本為單分子層。其減磨作用好于物理吸附層。,（3）氧化： 加工后的金屬表面化學(xué)活性大，容易氧化生成氧化膜，如鐵表面的氧化膜從基體內(nèi)層到外層的氧化物依次為： FeO-Fe3O4-

38、Fe2O3 *氧化膜對(duì)表面的保護(hù)作用取決于氧化膜的結(jié)構(gòu)和厚度。,較薄的氧化膜結(jié)合強(qiáng)度高，能阻止黏著。 FeO和Fe3O4的保護(hù)作用較好，F(xiàn)e2O3脆性大易被磨掉成磨粒，加劇磨損。,鐵氧化形成氧化膜,6.金屬表層的組成:加工后的表面金屬表面組成是復(fù)雜的，微觀是凹凸不平的微凸體，而且與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用。大致分為5個(gè)部分。污染層：油污、灰塵吸附層：液體、氣體氧化層：大氣中氧,金屬表面組成,貝氏層：加工中表面熔化和表面分

39、子層流 動(dòng)產(chǎn)生的微晶層。變形層：機(jī)加工過(guò)程中形成的變質(zhì)層。,金屬表面組成,吸附膜：表面的潔凈程度較高時(shí)，極易將周?chē)橘|(zhì)的分子吸附到表面上形成吸附膜。 物理吸附膜：如果是靠范德華力鍵合在表面上的稱(chēng)物理吸附膜。吸附的量是吸附物的分壓（當(dāng)吸附分子為氣體時(shí)）或吸附物濃度（當(dāng)吸附物為液體）和絕對(duì)溫度的函數(shù)。 ns=f（p,T） n

40、s=f（c,T） 式中：ns為吸附量；p為吸附氣體分壓；c為吸附液體濃度；T為絕對(duì)溫度。吸附熱值低，可逆，單層或多層分子，可在任何表面形成,7.表面膜,化學(xué)吸附膜：吸附分子與固體表面發(fā)生電子交換時(shí)（即改變了吸附層分子的電子分布），吸附分子與固體表面的作用是化學(xué)鍵結(jié)合，稱(chēng)化學(xué)吸附膜。吸附熱值高，單分子層，有一定選擇性。反應(yīng)膜：極壓添加劑（EP劑），S，P，Cl等極性有機(jī)化合物。復(fù)合添加劑 表面氧化膜,1.

41、接觸的本質(zhì)：兩個(gè)粗糙表面在載荷作用下相互接觸時(shí)，最先是兩表面上一些較高的微凸體發(fā)生接觸，這些不連續(xù)的微小接觸點(diǎn)的變形構(gòu)成了真實(shí)的接觸面積。隨著載荷的的增加，其它次高微凸體也逐漸發(fā)生接觸。2.接觸表面的相互作用： （1）分子相互作用，即粘著:接觸只在少數(shù)較高微凸體上產(chǎn)生，實(shí)際接觸面積很小，接觸點(diǎn)上的應(yīng)力很大，在接觸點(diǎn)處發(fā)生塑性流動(dòng)、粘著或冷焊。金屬間的焊合性能將摩擦副分3類(lèi)：完全焊合(Pb-Cu,Al-Cu)、部分焊合(Zn-F

42、e,Al-Fe)和有限焊合(Mg-Fe,Ag-Fe)摩擦副。 (2) 機(jī)械相互作用：材料不發(fā)生粘著而是產(chǎn)生一定的變形和位移以適應(yīng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。,8 固體表面的接觸,3.接觸面積 （1）名義接觸面積An： 接觸表面的宏觀面積，由接觸物體的外部尺寸決定。,(2)輪廓接觸面積Ap： 接觸表面被壓扁部分形成的面積，即在波紋度的波峰上形成的接觸面積。是一種假設(shè)接觸面積，大小與載荷和表面幾何形狀有關(guān)，約占名義接

43、觸面積的5~15%。,(3) 實(shí)際接觸面積Ar： 物體真實(shí)接觸面積的總和，兩接觸物體通過(guò)表面微凸體直接傳遞界面相互作用，發(fā)生變形而產(chǎn)生的微接觸面積之和。為名義接觸面積的0.01~0.1 %，黑點(diǎn)表示的接觸面積。,實(shí)際接觸面積的部分特性：（1）由于表面粗糙度具有離散性，其接觸也同樣具有離散性。（2）實(shí)際接觸點(diǎn)是由塑性變形和彈性變形共同作用的結(jié)果。（3）實(shí)際接觸面積隨載荷的增大而增大，接觸點(diǎn)處的平均面積幾乎保

44、持不變。（4）實(shí)際接觸面積的增加主要是由于接觸點(diǎn)數(shù)的增加。,* 對(duì)于塑性接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面積與載荷成正比。* 通常認(rèn)為實(shí)際接觸面積與載荷保持線性關(guān)系，從理想粗糙表面模型分析表明，只有塑性狀態(tài)這一關(guān)系才成立，而彈性接觸為非線性關(guān)系。原因在于理想粗糙表面模型過(guò)于簡(jiǎn)化。,（4）實(shí)際粗糙表面的接觸實(shí)際表面的粗糙峰高度是按概率密度函數(shù)分布的，接觸的峰點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)概率計(jì)算。,兩粗糙表面接觸,兩表面粗糙度均方根值為σ1 和σ2，h為中線之間的

45、距離，其接觸可以轉(zhuǎn)化成光滑的剛性表面和另一個(gè)具有均方根值為 的粗糙平面想接觸。當(dāng)中心線之間的距離為h時(shí)，只有輪廓高度Z大于h的部分才發(fā)生接觸，Z>h部分的面積就是表面接觸的概率。即： 如粗糙峰表面的峰點(diǎn)數(shù)為n，參與接觸的數(shù)目m為：,單峰點(diǎn)的法向變形量為（z-h)，則實(shí)際接觸面積A為：接觸點(diǎn)支撐的承載量（載荷）為：,通常實(shí)際表面的輪廓高度按正態(tài)分布，靠近z值較大的部分近似于指數(shù)型分布，令ψ(z

46、)=exp(-z/σ), 計(jì)算可以得到：可以看到，兩個(gè)粗糙表面在彈性接觸條件下，實(shí)際接觸面積和接觸峰點(diǎn)數(shù)目都與載荷成線性關(guān)系。,塑性接觸狀態(tài): 實(shí)際接觸面積與載荷為線性關(guān)系，而與高度分布函數(shù)ψ(z)無(wú)關(guān)。結(jié)論：實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系取決于表面輪廓曲線和接觸狀態(tài)。當(dāng)為塑性接觸時(shí)，無(wú)論高度分布曲線如何，實(shí)際接觸面積都與載荷成線性關(guān)系。在彈性接觸狀態(tài)下，大多數(shù)表面的輪廓高度接近于正態(tài)分布，實(shí)際接觸面積與

47、載荷也具有線性關(guān)系。,下面簡(jiǎn)要介紹三種接觸模型。,1.單峰接觸2.理想粗糙表面的接觸3.實(shí)際粗糙表面的接觸,圖2-10描述了單個(gè)粗糙峰接觸情況，在載荷W的作用下產(chǎn)生法向形變量δ，使彈性球體的形狀由虛線變?yōu)閷?shí)線所示。顯然，實(shí)際接觸面積是以為a半徑的圓，而不是以為e半徑的圓。,,圖2-10 單峰接觸,根據(jù)彈性力學(xué)分析可知,,,,（2-10）,從以上關(guān)系可得： 。于是實(shí)際接觸面積A為,,（2-11）,再根據(jù)幾何關(guān)系得,,因此

48、幾何接觸面積 為,,（2-12）,可知：?jiǎn)蝹€(gè)粗糙峰在彈性接觸時(shí)的實(shí)際接觸面積為幾何接觸面積的一半。,,,粗糙峰模型除去球體之外，常見(jiàn)的還有圓柱體和圓錐體。圓柱體和圓錐體模型的壓力分布出現(xiàn)不定值區(qū)域，即在邊緣或者中心區(qū)域壓力趨于無(wú)限，因此彈性變形的計(jì)算困難。圓柱體模型的實(shí)際接觸面積保持不變，這與粗糙表面的接觸情況不符．而圓錐體模型比較接近實(shí)際，可用于摩擦磨損計(jì)算。,理想粗糙表面是指表面為許多排列整齊的曲率半徑相同和高度相同的粗糙峰組成

49、，同時(shí)，各峰承受的載荷和變形完全一樣，且相互不影響，如圖2—11所示。,圖2-11 理想粗糙表面的接觸,如圖2-11，粗糙峰在基面以上的最大高度為h，當(dāng)光滑平面在載荷作用下產(chǎn)生法向變形后，法向變形量為 ，剛性光滑平面與粗糙面基面之間的距離為d。 如果表面上共有n個(gè)粗糙峰，每個(gè)粗糙峰承受相同的載荷 ，則由式(2-10)得總裁荷W,,實(shí)際接觸面積為各粗糙峰實(shí)際接觸面積 的總和，即,,再由以上兩式消

50、去 可得,(2-13),,由此可知:對(duì)于彈性接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面積與載荷的 次方成正比。,,,,,,當(dāng)表面處于塑性接觸狀態(tài)時(shí)，各個(gè)粗糙峰接觸表面上受到均勻分布的屈服應(yīng)力 。假設(shè)材料法向變形時(shí)不產(chǎn)生橫向擴(kuò)展，則各粗糙峰的接觸面積為幾何面積，即 。這樣,故,（2-14）,式（2-14）表明：對(duì)于塑性接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面積與載荷成正比。,在固體摩擦理論研究中，通常認(rèn)為實(shí)際接觸面積與

51、載荷保持線性關(guān)系。從理想粗糙表面模型的分析表明：只有塑性接觸這一關(guān)系才成立，而彈性接觸的實(shí)際接觸面積與載荷的關(guān)系卻是非線性的，原因在于理想粗糙表面模型過(guò)于簡(jiǎn)化，因此提出了隨機(jī)粗糙模型。,實(shí)際表面的粗糙峰高度是按照概率密度函數(shù)分布的，因而接觸的峰點(diǎn)數(shù)亦應(yīng)根據(jù)概率計(jì)算。 圖2-12a為混合潤(rùn)滑下兩個(gè)粗糙表面的接觸情況。兩表面粗糙度的均方根值分別為 和 ，油膜厚度h為中心線之間的距離。它們的接觸情況可以轉(zhuǎn)換為—個(gè)光滑

52、的剛性表面和另一個(gè)具有均方根值為 的粗糙的彈性表面相接觸，如圖2-12b。,圖2-12 兩粗糙表面的接觸,在圖2-12b中，當(dāng)油膜厚度為h時(shí)，只有輪廓高度z＞h的部分才發(fā)生接觸。在概率密度分布曲線中，z＞h部分的面積就是表面接觸的概率，即,z＞h概率,,如果粗糙表面的峰點(diǎn)數(shù)為n，則接觸峰點(diǎn)數(shù)m為,,各個(gè)接觸峰點(diǎn)的法向變形量為 ，由式(2-11)得實(shí)際接觸面積A為 由接觸峰點(diǎn)支承的總載量W

53、為,,,通常實(shí)際表面的輪廓高度按照Gauss分布。在Gauss分布中，靠近z值較大的部分近似于指數(shù)型分布。若令 ，計(jì)算可得,,,,（2-15）,從以上各關(guān)系式可進(jìn)一步得出W∝A，W∝m。由此可知：兩個(gè)粗糙表面在彈性接觸狀態(tài)下，實(shí)際接觸面積和接觸峰點(diǎn)數(shù)目都與載荷成線性關(guān)系。當(dāng)兩表面處于塑性接觸狀態(tài)時(shí)，從以上分析則得,,,（2-16）,即是實(shí)際接觸面積與載荷為線性關(guān)系，而與高度分布函數(shù) 無(wú)關(guān)。,,,綜上所述