1、第一章 摩 擦 学基础知识（摩擦）,摩擦的定义：两个接触物体表面在外力作用下相互接触并作相对运动或有运动趋势时，在接触面之间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象就是摩擦。,概述,2 . 摩擦的分类1. 摩擦按摩擦副运动状态可分为：静摩擦：两物体表面产生接触，有相对运动趋势但 尚未产生相对运动时的摩擦。 动摩擦：两相对运动表面之间的摩擦。 2. 按相对运动的位移特征分类：滑动摩擦：两接触物体接触点具有不同速度和(或)方向时的摩擦。 滚动摩擦：两接触物体接触点的速度之大小和方向相同时的摩擦。 自旋摩擦：两接触物体环绕其接触点处的公法线相对旋转时的摩擦。,3. 按表面润滑状态分类：干摩擦：两表面之
2、间即无润滑剂又无湿气的摩擦。 边界摩擦：边界膜隔开相对运动表面时的摩擦。 流体摩擦：以流体层隔开相对运动表面时的摩擦， 即由流体的粘性阻力或流变阻力引起的摩擦。 混合摩擦：半干摩擦和半流体摩擦的统称。,4. Stribeck曲线： 不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状态，u、p 分别表示速度、润滑剂粘度和压力。,摩擦的基本特性1. 古典摩擦定律 (称为阿蒙顿-库仑定律): （1）摩擦力和载荷成正比，即 F= f N 。除了在重载荷下实际接触面积接近表观面积外，都是正确的。 （2）摩擦系数与（名义）接触面积无关。一般仅对具有屈服极限的材料如金属材料是满足的，不
3、适于弹性和粘弹性材料。 （3）静摩擦系数大于动摩擦系数。不适于粘弹性材料，尽管改材料究竟是否具有静摩擦系数还没定论。 （4）摩擦系数与滑动速度无关。金属材料基本符合，粘弹性显著的弹性材料，与滑动速度有关。,2. 修正摩擦定律： 古典摩擦定律长期作为工程应用中的指导法则使用。但是，根据近代的研究，发现多数内容不完全正确，必须进行修正：（1）摩擦力与名义接触面积无关，与真实接触面积有关，当两者接近时，即法向压力很高时，摩擦力与法向压力成非线性关系，摩擦力增加很快。,（2）有一定屈服极限的材料（如金属），其摩擦力才与（名义）接触面积无关，粘弹性材料的摩擦力与接触面积有关。 （3）粘弹性材料的静摩擦系
4、数不大于动摩擦系数。 （4）精确测量表明，摩擦力与滑动速度有关。一般，速度对金属的摩擦力的影响不像对粘弹性显著的弹性体的摩擦力那样明显。一般认为，f=F/Nk， k=2/31。,1. 摩擦一般特征： 一般压力与速度下对确定的摩擦副和环境气氛，摩擦力大体与载荷成比例，可以认为摩擦系数为常数。初步近似，摩擦力与物体面积无关。,滑动摩擦,2. 滑动摩擦理论：1. 机械啮合学说 摩擦是由表面粗糙不平的凸起之间的机械啮合作用的结果，解释了表面越粗糙，摩擦系数越大的现象，但无法解释经过精密研磨的洁净表面的摩擦系数反而增大的现象。该学说的摩擦系数: f=fi /Ni=F/N=tan 是接触微凸体的倾斜角。,
5、2. 分子吸引理论当两表面的材料分子接近时，分子之间的吸引作用是产生摩擦阻力的假说，利用分子力与分子之间距离的关系导出了摩擦系数与接触面积成正比： F=f(N+pAr) p为分子引力，Ar为真实接触面积,3. 分子机械理论克拉盖尔斯基1939年提出分子-机械摩擦理论，认为摩擦阻力是由机械变形抗力和分子引力的综合，并非常量，用摩擦二项式定律表示： f=Ar/N+如果=b，则分子分量与下述的粘着是一致的。金属的，塑料的=0.060.12 =0.0170.06。,4. 粘着理论 （1）概念：在外载荷的作用下，两表面的微凸体之间的接触压力很大，造成接触点的粘着(冷焊)。当相对滑动时，粘着点被剪断。如果
6、两表面的硬度不同，硬的微凸体还会在软表面上产生犁沟。剪切力与犁沟作用的总和就构成了摩擦阻力 : F= Wb /s =F/W= b /s b、s分别是较软材料的剪切强度极限（或界面 剪切强度）和屈服极限。,(2)粘着理论基本要点：摩擦表面处于塑性接触状态:实际接触面只占名义面积很小部分，接触点处应力达到受压屈服极限产生塑性变形后，接触点的应力不再改变，只能靠扩大接触面积承受继续增加的载荷。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程:接触点处于塑性流动状态，在摩擦中产生瞬时高温，使金属产生粘着，粘着结点有很强的粘着力，随后在摩擦力作用下，粘结点被剪切产生滑动。,摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和
7、:粘着结点的剪切常发生在软材料内部，造成磨损中材料的迁移现象。*两点说明:(1)上式表明，摩擦力与载荷成正比，与名义接触面积无关，摩擦系数决定于较软材料的力学性质. (2)实验证明，接触点上的变形阻力和分子间作用力相比很小，可以忽略不计。b 是黏结点上分子键的剪切强度极限，s 是材料的受压屈服极限。,（3）修正粘着理论：结点增大效应：简单粘着理论中分析实际接触面积时,只考虑受压屈服极限，而计算摩擦力时又只考虑剪切强度极限，对静摩擦是合理的。对于滑动摩擦状态，由于存在切向力，实际接触面积和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生的压应力和切向力的联合作用。实际接触面积要大于只考虑法向载荷时的接触面积
8、。,.,表面膜效应：当摩擦副表面生成氧化膜或被污染形成污染膜时，摩擦系数将降低。污染膜的剪切强度较底时，粘着结点增长不明显。当剪切应力达到污染膜的剪切强度时，表面膜被剪断，摩擦副开始运动，摩擦系数表示为： = f /y f界面膜的剪切强度， y金属副的屈服强度，只适用与金属摩擦副。,犁沟效应：犁沟效应是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤软金属，产生塑性流动并划出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分，在磨粒磨损和檫伤磨损中，为主要分量。,（4）粘着磨损理论优缺点：优点：表面膜减摩作用、滑动摩擦的跃动现象、胶合磨损机理、材料转移等。存在的问题：（1）摩擦系数与 表面粗糙度无关， 不符合
9、实验结果。,（2）接点处产生的粘着机理，至今没弄清： 鲍登认为接点处产生粘着。 其他：许多情况下，粘着点温度并不高，不可能产生金属间的扩散，粘着力一般很小。（3）假设接点处产生牢固粘着，实际压力去除 后，很难测出粘着力。 接触点非完全塑性变形，一部分处于弹性接触，压力去除后，弹性变形回弹，破坏了部分粘着结点。,（4）无法解释脆性材料具有的和金属材料相似的摩擦性能。（5）粘着理论很好解释了“相溶性较大的金属之间容易发生黏着,摩擦系数较大”现象. 对于大多数金属, b =0.2s ,计算的摩擦系数为 0.2左右.正常大气中测的摩擦系数都高达 0.5 ,在真空中更高.,5.机械粘着犁沟综合作用理论
10、粘着理论的基础上提出“机械粘着犁沟” 综合作用的学说： = d + a + p 一般认为，犁沟和机械作用可能大于粘着作用。静摩擦系数决定于微凸体的变形的机械作用。,6.滑动摩擦机理分析：两相对滑动表面摩擦系数是微凸体变形、磨粒和微凸体犁沟以及表面粘着综合作用的结果，可以把摩擦特性和时间的关系分几个典型阶段描述：,（1）表面被污染，摩擦系数主要取决于材料组合、表面特性和环境条件。 （2）粘着起作用，摩擦系数开始上升，如果微凸体断裂，产生的磨粒将产生犁沟作用，使摩擦系数升高。 （3）滑动表面的磨粒数增加，犁沟作用增大，摩擦系数急剧上升。 （4）进入和离开界面的磨粒数相等时，摩擦系数保持不变，即稳定
11、摩擦状态。,（5）硬表面的微凸体被逐渐磨平，形成光滑表面，磨粒不能黏附在光滑的表面，犁沟作用减弱。同时微凸体变形也减弱，摩擦系数有所下降。（6）硬表面的表面粗糙度达到最佳值，软表面也可能达到同样光滑，摩擦系数趋于平稳。（？）如果硬表面不是静止的，而是相对于静表面运动的，则硬表面将始终是粗糙的，后两个阶段不可能实现。,影响滑动摩擦的因素1.摩擦副材料：相同金属或互溶性较大的金属摩擦副摩擦系数较大；二者之间容易发生粘着，而互溶性差的金属不易发生粘着。2.摩擦副表面特性： （1）表面粗糙度：非常粗糙的表面，表面须越过另一表面的微凸体，摩擦系数高。非常光滑的表面摩擦系数甚至更高：实际接触面积大，分子作
12、用增强。在塑性接触下，实际接触面积总是与载荷成正比，表面粗糙度的实际影响并不大。,（2）表面膜：表面膜具有减摩作用， 降低表面分子力的作 用使摩擦副之间的原 子结合力或离子结合 力被较弱的范德华力 所代替。表面膜的机械强度低 于基体材料，滑动时 剪切阻力较小，摩擦 表面不发生粘着。,3.滑动速度：当滑动速度不引起表面 层性质发生变化时，摩 擦系数几乎与滑动速度 无关。滑动速度引起表面层发 热、变形和化学变化及 磨损，而显著影响摩擦 系数。实验表明，滑动 速度的影响主要取决于 温度状况。,4.载荷：通过接触面积的大小和变形来影响摩擦力。一般情况下，摩擦系数随载荷增加而降低，然后逐渐趋于稳定。5.
13、温度：金属摩擦副，温度升高100 ，摩擦系数仅降低百分之几。由于金属接点的接触面积取决于载荷和屈服压强：高温时，屈服强度降低，接点的总面积有所增加，同时剪切强度下降，使剪切接点的力（摩擦力）大致保持不变。除非高温使金属发生明显地软化。,1.滚动摩擦定义： 成点接触或线接触的两物体在接触处的速 度大小和方向均相同（纯滚动）时的滚动阻 力矩称为滚动摩擦力矩，这种现象称为滚动 摩擦。 引起滚动摩擦的因素是多方面的，主要包 括接触处变形的微观滑移、弹性滞后、塑性 变形和粘着等。,滚动摩擦,2. 滚动摩擦形式：（1）自由滚动滚动元件沿平面无约束地作直线滚动，为最简单的滚动形式。（2）具有牵引力的滚动-滚
14、动元件受到法向载荷和牵引力的作用产生的滚动形式。（3）伴随滑动的滚动-几何形状造成接触面上切向速度不等时，必将伴有滑动。,3. 滚动摩擦系数,（1）有量纲滚动摩擦系数：驱动力矩与法向载荷之比，即： =FR/W=We/W=e,（2）无量纲滚动摩擦系数： 称为滚动阻力系数，数值上等于驱动力矩在单位距离所作的功与法向载荷之比，即： =FR/ R W=F/W= / R #滚动摩擦系数较小，一般钢钢的滚 动摩擦系数 =0.0001。,4. 滚动摩擦机理（1）微观滑移效应 雷诺(Reynolds)滑移：弹性常数不同的两个物体发生赫芝接触并自由滚动，作用在每一个物体界面上的压力相同，但两表面上引起切向位移不
15、相等，而导致界面的滑移过程。（理解）当刚性滚轮沿弹性平面滚动时，在一整周内滚轮走过的距离要小于圆周长。（理解）当弹性滚轮沿刚性平面滚动时，在一整周内滚轮走过的距离要大于圆周长。,Carter-Poritsky-Foppl滑移：滚动接触面切向力的作用引起的微观滑移。两滚动接触的各点受切向力后，产生的弹性变形不同，使接触面的一部分发生微观弹性滑移。Heathcote滑移：几何形状的差异，致使接触点上两表面的切向速度不等，引起的微观滑移。这种滑移引起的摩擦阻力，取决于滚动体的曲率半径、材料特性以及表面状态等。,（2）弹性滞后效应接触时的弹性变形要消耗能量，脱离接触时要释放出弹性变形能。由于材料弹性滞
16、后、松弛效应，释放的能量小于弹性变形能，两者之差就是滚动摩擦的损耗。粘弹性材料的弹性滞后大，摩擦损失大于金属。（3）塑性变形效应滚动表面接触应力超过一定限度时，将首先在表面层下的一定深度产生塑性变形，随载荷的增大，逐渐扩展到表面。塑性变形消耗的能量构成了滚动摩擦的损耗。在反复循环滚动摩擦接触时，由于硬化等，会产生相当复杂的塑性变形过程。,（4）粘附效应滚动接触粘附效应与滑动摩擦不同，表面粘着力作用在滚动接触界面的法向，不发生粘着点剪切、增大等现象。滚动粘附力属范德华力，只作用在微观滑移区内的微观触点上。在滚动接触区的后缘将受拉力而分离，不像滑动接触受剪切而分离，因此引起的滚动阻力很小。滚动摩擦
17、的粘附分量只占摩擦阻力的很小部分。,5 滚动摩擦力矩的计算： （圆柱体在平面上的滚动）,摩擦阻力： F = 2Wa/3R滚动摩擦系数： = F/W = 2a/3R = 2(4 W R/ E )1/2/3R滚动阻力系数与滚柱的几何尺寸、载荷与弹性模量有关。,1. 高速摩擦：航空、化工机械中，摩擦表面的滑动速度常超过50m/s，有时高达600m/s以上，此时接触面产生大量的摩擦热，由于滑动速度很高，接触点的持续接触时间短，瞬时产生的大量摩擦热来不及向内部扩散，因此摩擦热集中在表面很薄的区间，使表面温度升高，温度梯度大而容易产生胶合。,特殊工况的摩擦,2. 高温摩擦学：如发动机、原子反应堆和宇航设备
18、。高温摩擦时，各种材料的摩擦系数随温度变化趋势相同。即摩擦系数随温度升高，先缓慢降低，然后迅速升高。摩擦系数存在最小值，约600700左右。（3）低温摩擦学：工作温度在0以下。此时摩擦热影响很小，摩擦材料的冷脆性和组织结构对摩擦影响最大。,（4）真空摩擦学在宇航和真空环境工作的摩擦副。由于周围介质稀薄，摩擦表面的吸附和氧化膜发生破裂后，难以再生，造成金属直接接触，产生强烈的粘着磨损，真空度越高，摩擦系数越大。同时，真空中无对流散热现象，摩擦热难以排出，表面温度升高。而且由于真空的蒸发作用，使液体润滑剂失效。,边界摩擦1.基本概念：摩擦界面上存在一层极薄的润滑膜时产生的摩擦，也称为边界润滑。物理
19、、化学吸附或化学反应膜称为润滑膜，小于0.1m，起到润滑作用。摩擦性能取决于表面和薄膜的性质，不取决于润滑剂的黏度，摩擦摩擦系数一般在0.04 0.15之间。,2.边界膜的分类：（1）物理吸附膜：分子的吸引力使极性分子定向排列而吸附到金属表面，吸附和脱吸完全可逆，高温时脱吸。 润滑油中具有长链的碳氢化合物分子，在金属表面上形成物理吸附膜，可防止金属直接接触，降低粘着分量。如脂肪酸极性分子吸附在金属表面，形成的脂肪酸膜，可作为滑动导轨、轻载的蜗杆传动润滑。,（2）化学吸附膜： 润滑剂极性分子与金属表面化学结合形成的吸附膜，吸附和脱吸不完全可逆，高温下脱吸。润滑油分子受化学键力的作用，而贴附到金属
20、表面上，就形成了化学吸附膜。 硬脂酸十FeO-硬脂酸铁金属皂膜 # 化学吸附膜剪切强度低，熔点高，适用于中等温度、速度、载荷。,（3）化学反应膜： 化学反应形成的膜。较高的温度（150-200）下，润滑油中的硫、氯、磷与金属起化学反应，形成化合物，在油与金属界面处形成化学反应膜。 # 化学反应膜具有较低的剪切强度和更高熔点，稳定性好，适于高温、高速、重载的场合。 # 边界摩擦时的摩擦规律与干摩擦相同，只是摩擦系数小些。,3.边界膜结构(1)边界膜典型成分润滑油主要成分是碳氢化合物，硬脂酸是润滑油中常含的一种脂肪酸。硬脂酸(C17H2n-1COOH)为长链型极性化合物，一端含有极性基团(-COO
21、H)，能牢固地吸附在金属表面。离表面越近，吸附能力越强。当接触表面相对运动时，第一层吸附分子不发生 相对位移，上面的分子之间发生位移，代替了金属之间的直接接触，保护了金属表面。,边界润滑膜的结构,（2）边界膜的分子结构被吸附的分子都具有一个极性团，即分子中存在一端为正，另一端为负的偶极。链状分子成束吸附在固体表面，链之间具有内聚力，形成一层侧向强度很强的单分子膜，具有一定的承载能力。极性端吸附在金属表面，并垂直于表面， 整个链状分子按一定方向排列。,4. 边界摩擦机理(1)边界润滑的接触，发生在润滑剂的非极性端之间， 摩擦力源于边界膜分子层之间的相互作用。(2)由于摩擦副表面粗糙不平，接触微凸
22、体的压力很 大，当两表面相互滑动时，接触点温度很高，部 分边界膜破坏,使金属直接接触。,(3)摩擦力为剪断表面粘着部分的剪切抗力和边界膜间的剪切阻力之和： F = Ar b + (1- ) f 正压力等于Ar s，混合摩擦系数为： m=b + (1- ) f / s Ar承担载荷总的实际面积； 总的接触面积中发生金属直接接触部分的百分数； b软金属剪切强度； f 边界膜剪切强度； s软体金属的屈服极限。,5. 影响边界摩擦因素：5.1 边界膜性质：（1）极性分子结构：,分子链长：一般随极性分子链长（分子中碳原子的数目）的增加，摩擦系数下降，并趋于一稳定值。极性强弱：极性强，易于吸附在金属表面。
23、润滑剂的油性：润滑剂在金属表面的吸附能力。油性好，易于形成边界膜，摩擦阻力减小。,（2）边界膜特性强度：剪切强度低，摩擦系数小。边界膜剪切强度与基体剪切强度比值因素。,分子膜厚度：,（3）工作条件：温度：,速度：（1）无黏度效应时，滑动速度在0.051.0cm/s范围 的稳定摩擦，摩擦系数不受速度影响。（2）黏度起作用时，在 速度非常低时，对于吸 附膜，摩擦系数随速度 增大而降低，然后保持 稳定；对于化学反应膜， 摩擦系数随速度增大而 升高，然后保持稳定。,载荷一般情况下，摩擦系数不受载荷影响；吸附膜：载荷-吸附膜脱吸-摩擦系数 和磨损增大；化学反应膜：一般载荷下表现不明显 极高压力-很强抗粘
24、着能力；,各种摩擦状态下的摩擦系数范围,1. 机械能的损耗过程（1）功输入接触区-形成真实接触面积；（2）接触区能量的变换-弹性变形、塑性变形、黏附；（3）能量消耗 储存-产生点缺陷及位错、应变能储存 发射-声子（声波、声音） 光子（摩擦发光） 电子 热能-产生热和熵,摩擦系统能量传递与消耗,2. 摩擦系统的相互作用（1）材料性能-体积性能：几何形状、尺寸、化学成分；表面性能：表面形貌、表面组成（2）摩擦机械作用-弹性、塑性、粘弹性（3）摩擦化学作用-与周围介质反应的能力（4）摩擦物理相互作用-黏附、传递能量,第二章 表面形貌、结构、 性质与表面接触,主讲：高诚辉,内容目录,第一节 表面形貌、
25、结构、性质第二节 表面接触,第一节 表面形貌、结构、性质,摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。表面形貌着重研究表面的形状；表面组成着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。 一、固体表面几何形状 二、金属的表面结构 三、金属的表面性质,一、固体表面几何形状,实际表面：指物体与周围介质分隔的表面。 几何表面：则是理想表面。 宏观看来似乎是很光滑、很平整的零件加工表面，在显微镜下仔细观察时，却好似大地上布满了峡谷、高岗和山岳。这是因为在任何机器零件的表面，都是通过各种不同的方法加工而成的。
26、由于加工过程中的刀痕，切屑分离时的塑性变形以及机床刀具工件系统的振动等原因，造成实际表面与理想的绝对光滑、平整的表面存在一定的几何形状误差。,一、固体表面几何形状,因而从微观来看，所有被加工表面都如峰与谷那样起伏着。这种因加工而产生的形状误差，可分为宏观、中间和微观三种。1.宏观几何形状误差；2.中间几何形状误差表面波纹度；3.微观几何形状误差表面粗糙度。4.表面轮廓高度的分布5.支承面积曲线,1.宏观几何形状误差：,宏观几何形状误差就是通常所说的表面形状误差。机器零件的表面大多数是由简单的平面、圆柱面等组成。按照我国制定的“表面形状和位置公差”国家标准有关规定，对于平面，其形状公差可用不直度
27、和不平度表示，对于圆柱面，其形状公差可用不圆度、椭圆度、不柱度、不圆柱度来表示。,1.宏观几何形状误差：,不直度：是指实际直线(包括轴心线、母线等)出现的形状误差。可分为给定平面内的不直度，给定一个方向的不直度，在相互垂直的两个方向上的不直度和任意方向的不直度四种。图21所示为给定平面内的不直度。不平度：是评定整个平面上的形状误差。它是包容实际表面，而且距离为最小的两平面间的距离，见图22。,1.宏观几何形状误差：,对圆柱形表面，在垂直于轴线的横剖面内最典型的误差有椭圆度和棱圆度，在通过轴线的纵剖面内，最典型的误差有鼓形度、鞍形度、弯曲度和圆锥度等，见图23。,2.中间几何形状误差表面波纹度：
28、,表面波纹度：是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差。波纹度有两个重要参线即波高和波距。表面波纹度的波距较长，一般取110毫米范围。图24，表示平面表面的波纹度。圆柱形表面的波纹度见图25。表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中会引起磨损加剧。,3.微观几何形状误差表面粗糙度,表面粗糙度：不像表面波纹度那样具有明显的周期性，波距波高亦小，约2800m和0.03400m。表面粗糙度越低，则表面越光亮。表面微观几何形状误差的大小及其结构形状对机器零件的使用性能有很大的影响。表面越粗糙，实际有效接触表面面积对理论接触表面面积的百分比就越小，实际有效接触表面面积就越小，则单位面积压力越大
29、，故容易磨损。但表面过光，会增加零件接触表面之间的分子吸引力，也会使摩擦系数增大；增加磨损。此外，表面微观不平度的条纹(加工痕迹)方向对摩擦也有重要影响。研究表明，当摩擦表面运动方向与加工痕迹方向重合时，摩擦阻力最大，而当它们之间成一定角度或条纹无规则时，摩擦阻力最小。,3.微观几何形状误差表面粗糙度,（1）轮廓算术平均偏差Ra 在图24中，从三维的表面形貌截取一横截面，就是二维的表面轮廓。轮廓的算术平均中线仍是一特定的线，它将轮廓图形划分为上下两部分，并使上面实体面积和下面空间面积相等。,表面粗糙度的评定指标最常用的有轮廓算术平均偏差Ra和轮廓均方根偏差Rq，此外还有微观不平度十点高度Rz和
30、轮廓最大高度Ry。,（1）轮廓算术平均偏差Ra,式中 zi以中线为起点度量出的廓形高度； n在样品标准长度 l 内的测量次数。用概率统计的表达方式为式中 f (x)轮廓图形的分布函数。标准长度l 随粗糙度而定，粗糙度等级不同，l 值也不同，见下表。,算术平均偏差的数学表达式为,表21 Ra，Rz，Ry的取样长度l与评定长度ln的选用值,（2）均方根偏差Rq,均方根偏差Rq为轮廓图形上各点和中线之间距离平方的平均值的平方根。其数学表达式为 用概率统计的表达方式为 可以看出均方根偏差给予离开平均线较远的点较大的比重，因此它更能高度地反映出粗糙度的情况。Ra与Rq的关系为Ra0.8Rq。,（3）微观
31、不平度十点高度Rz,Rz是指在标准长度l内五个最高的轮廓峰高的平均值与五个最低的轮廓谷深的平均值之和，其计算公式为 式中： hpi是第i个最高的轮廓峰高；hvi是第i个最低的轮廓谷深。 若测量长度包括几个标准长度时，应取该测量长度内所测得的几个Ra或Rz的平均值作为某一表面的Ra或Rz。,（4）轮廓最大高度Ry,Ry是指表面经常出现的微观不平度的最大高度(如图26所示)，即在标准取样长度内轮廓蜂顶线和轮廓谷低线之间的距离，注意图中所示的个别偶然出现的特大高度R偶然不能代表整个表面微观几何特性。一般取若干段，求Ry的平均值。,图26 轮廓最大高度Ry,注意：,以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的
32、偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等特性。如图27所示的各种廓形有相同的Ra值，但形状却完全不同。因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承度以及支承面积等来加以描述。,图27 具有相同Ra的不同表面,4.表面轮廓高度的分布,表面微凸体高度的分布如图2-8(a)所示，以表面轮廓中线为x轴，在标准长度l内，每隔一定距离l，测量轮廓图形距参考中线的高度Z1、Z 2、Zi，然后求出同一Z值的纵坐标数之和，也就是该高度的纵标频数。,作出从Zmax至Zmax区间内的直方图。由此直方图可大致画出全部纵坐标高度分布曲线，如图2-8(b)所示。显然l 取得愈小，曲线的精确
33、度愈高。,图28 微凸体高度分布曲线a微凸体高度分布；b微凸体高度分布曲线,4.表面轮廓高度的分布,图2-9为磨削表面的轮廓高度分布曲线。曲线的横坐标表示轮廓高度，纵坐标为该高度出现的频率数。,大多数工件表面的轮廓高度分布曲线接近正态分布，表面粗糙度愈低越接近正态分布。 正态分布曲线函数为:,图29 磨削表面的轮廓高度分布曲线,4.表面轮廓高度的分布,值的大小随加工方法而异。当大时，轮廓高度分布曲线较平缓，当小时，曲线陡峭。,(z)也称为轮廓高度分布的概率密度函数。从理论上讲，正态分布曲线的范围是从到。，而实际工件表面的分布范围是截取在3以内的，因为全部事件中约有99.9位于这一区域内，这样截
34、取所产生的误差可忽略不计，从而使测量和计算得以简化。,式中分布的标准偏差；2方差。,5.支承面积曲线,支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小。其主要用于计算实际接触面积。为简便起见，一般用二维作图法求支承面积曲线。理想的支承面积曲线如图210所示。,图210 支承面积曲线,5.支承面积曲线,轮廓支承面积曲线是用相对支承长度得到的，在国家标准GB350583中称之为轮廓支承长度率，表示为,tp值是对应不同水平截距x而给出的。若用支承面积表示，则,式中：Ax距蜂顶为x处的支承面积；A0距峰顶为Ry处的支承面积。用轮廓图计算和测量Ax是
35、比较困难的。,5.支承面积曲线,因此，有人用下列方程近似地逼近支承面积开始的一小段,式中x：距蜂顶的距离，x/Ry，其中Ry为微观不平度最大高度，为趋近量；b和：支承面积曲线参数，可实测或计算获得；tp：实际接触面积与名义接触面积之比。 实际上支承面积曲线(即轮廓支承长度率曲线)是所有纵坐标分布曲线的累积分布，由于绝大多数工程表面轮廓高度都接近于正态分布，所以支承面积曲线可表示为,式中：z为从中线开始测量的轮廓高度；(z)为轮廓高度分布的概率密度函数。,各种不同的加工方法的b,值见表2-2,由表可知,由于加工方法不同,其表面的微凸体形状也不同，因此得出的支承面积曲线不同，表面磨损到一定程度时，
36、支承面积曲线的变化情况也不一样。,支承面积曲线的实际应用,按支承面积的大小将轮廓图形分为三个高度层：波峰:支承面积在25以内的部分，为最高层；波中:支承面积在25至75之间的部分，为中间层;波谷:支承面积大于75的部分，为最低层。 波峰与摩擦磨损有很大关系，波谷则与润滑情况下贮油性有关。,支承面积曲线在研究摩擦磨损时非常有用。例如，有人对发动机气缸进行金刚石珩磨，发现从最高峰磨去l2m时，支承面积为5060，容油沟纹的深度为2.5l0m，宽为1580m，此时气缸的耐磨性大大提高。,二、金属的表面结构,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，见图2ll、晶体
37、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、HCP 3种晶体结构：,图211 原子有规则的周期性重复排列,（1）面心立方晶胞(fcc),面心立方的晶胞如图212所示，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。,图212 面心立方晶胞,（2）体心
38、立方晶胞(bcc),体心立方晶胞如图213所示，也是在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。,图213 体心立方晶胞,（3）密排六方晶胞(hcp),密排六方晶胞如图214所示，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。属于这类结构的金属有镁、锌、镉、锆、铍、钛、钴等。,图214 密排六方晶胞,表23 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
39、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”。,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215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。,图215 晶体表面的原子,表24 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24
40、。,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。,晶体缺陷见图216。,图216 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
41、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(图217a)和螺型位错(图217b)。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。,图217 位错的基本类型 a）刃位错； b）螺位错,位错表征,位错从其几何特征来看，它是在一个方向上尺寸较大，而在另
42、外两个方向上尺寸较小的线缺陷。但从原子尺度来看，它不是一条线，而是一个直径为35个原子间距，长为几千一几万个原子间距的管状原子畸变区。这种缺陷的存在对晶体的生长、相变、形变、再结晶等一系列行为，以及对晶体的物理和化学性质都有十分重要的影响。,晶体中存在位错的多少可用位错密度这一参数来描述。常用的表示位错密度的方法有两种：其一定义为单位体积晶体中所包含的位错线总长度；其二定义为在晶体中垂直位错线的单位面积上，所穿过的位错线的数目。,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。
43、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。,面缺陷,晶体的缺陷若主要是沿二维方向伸展，而在另一维方向上的尺寸相对地甚小，则称为面缺陷。界面就是一种二维的面缺陷，它通常仅有一个至几个原子层厚。由于界面
44、特殊的结构和界面能量，使得界面有很多与晶体内部不同的性质，例如：界面的快速扩散、界面吸附、界面腐蚀等，并对金属材料的机械性能(强度、韧性)以及对变形、再结晶和相变过程等都有重要影响。,固态金属材料的重要界面有表面，晶界或亚晶界，相界3类：,重要界面,1)表面：固体与周围气相或液相介质的接触面。由于表面原子受力的不对称性,表面与晶体内部的原子结构发生偏差,表面晶格完整的周期性受到破坏。而且晶体表面具有表面能和表面张力,容易吸附外来原子,也容易被外部介质所腐蚀。,2)晶界、亚晶界：指多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向不同的两部分晶体之间的界面。界面处的原子排列不规则。因此，在常温下，界面对金属
45、材料的塑性变形会起阻碍作用。所以，晶粒越细，金属材料的强度、硬度也越高。此外，晶界处于晶体表面时也极易与外界介质发生反应，产生、氧化和腐蚀。3)相界：指晶体内部，结构不同，甚至成分也不同的两部分晶体之间的界面。相界对材料性能产生的影响与晶界相似。,三、金属的表面性质,1表面能与表面张力 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。,表面自由能,晶体表面原子的配位数比晶体内部的要少，因此表面原子与周围原子的键合数目也减少了，这使结合键能下降，内能升高，与此同时，也引起表面熵的变化。故表面自由能表示为,式中 U表面内能； S表面熵；T绝对温度。 晶体表面原子键合情况的改变是表面能的起因。这种影响一般只涉及几个原子层，但它们的能量将比规则排列的晶体内部高，这几层能量高的原子层称为表面。因此表面自由能也可定义为：晶体表面的单位面积自由能的增加，表面能的单位为Jm2。,
