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摩擦、磨损和润滑 §1 摩 擦 在一定的压力下，表面间摩擦阻力的大小与两表面间的摩擦状态有密切关系，不同摩擦状态下，产生摩擦的物理机理是不同的。 一、 摩擦状态 按摩擦状态，即表面接触情况和油膜厚度，可以将滑动摩擦分为四大类， 干摩擦、边界摩擦（润滑）、液体摩擦（润滑）和混合摩擦（润滑），如图 所示。 干摩擦 两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。在工程实际中没有真正的干摩擦，因为暴露在大气中的任何零件的表面，不仅会因氧气而形成氧化膜，且或多或少也会被润滑油所湿润或受到污染，这时，其摩擦系数将显著降低。在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。 边界摩擦 两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。与干摩擦相比，摩擦状态有很大改善，其摩擦和磨损程度取决于边界膜的性质、材料表面机械性能和表面形貌。 液体摩擦 两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。此种润滑状态亦称液体润滑，摩擦是在液体内部的分子之间进行，故摩擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。关于液体摩擦（液体润滑）的问题，将在滑动轴承中进一步讨论。 混合摩擦 两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。 二、干摩擦理论 干摩擦理论主要有： （1） 机械理论认为摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面愈粗糙，摩擦力愈大； （2） 分子-机械理论认为摩擦力是由表面凸峰间的机械啮合力F 1 和表面分子相互吸引 力 F 两部分组成，因而这一理论可解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力也会 2 很大。但上述两种理论不能解释能量是如何被消耗的； 粘着理论； 能量理论等。 a) 结点 b) 界面剪切 c) 软金属剪切 a) 结点 b) 界面剪切 c) 软金属剪切大量的试验表明，工程表面的实际接触面积约为名义接触面积的 10-2～ ，这样接触区压力很高，使材料发生塑性变形，表面污染膜遭到破坏， 从而使基体金属发生粘着现象，形成冷焊结点（如图a 所示）。当发生滑动时，必须先将结点剪断（如图b 所示），同时，当较硬的凸峰在较软的材料上滑过时，将切出沟纹（即犁刨作用），从而相对滑动时的摩擦力为上述两种因素所形成的阻力之和。由于后者相对来说较小，故可忽略。 三、摩擦系数 设结点的剪切强度为 τ ，则摩擦力为 F = Aτ B r B 摩 擦 系 数 f 为 ： ： （6-1） 在没有润滑的固体表面间，产生摩擦的主要原因是，表面形貌的粗糙不平，表面存在分子之间的吸引力，和表面凸峰间的焊-剪-刨作用。 影响摩擦系数的因素很多，有摩擦副配偶材料的性质、表面膜、镀层或涂层、滑动速度、环境温度及表面粗糙度等。 流体润滑条件下，摩擦力的大小取决于流体的内摩擦力。边界润滑条件 下摩擦力的大小取决于表面膜的性质。对有机化合物物理吸附膜，主要由吸附膜的类型及分子参数决定。试验发现，吸附分子碳数增加，摩擦系数和磨损率均减小。 各种摩擦状态下的摩擦系数典型值如表所示。 表 1 不同摩擦状态下的摩擦系数（大致值） 摩擦状况 摩擦系数 相同金属： 黄铜-黄铜；青铜- 干摩擦 青铜 异种金属： 铜铅合金-钢巴氏合金-钢 非金属： 橡胶-其他材料 聚四氟乙烯-其他材 0.8～1.5 0.15～0.3 0.15～0.3 0.6～1.9 0.04～0.12 料 固体润滑  石墨-二硫化钼润滑 0.06～0.20 铅膜润滑 0.08～0.20 边界润滑 矿物油湿润表面 加油性添加剂的油润滑： 钢-钢；尼龙-钢尼龙-尼龙 液体动力润滑 0.15～0.30 0.05～0.10 0.10～0.20 0.08～0.20 流体润滑 液体静力润滑 0.001 (与设计参数有关) 滚动摩擦 滚动摩擦系数与接触面材料的硬度、粗糙度、湿度等有关。球和圆柱滚子轴承的摩擦大体与液体动力润滑相近，其它滚子轴承则稍大 四、摩擦特性曲线 根据前述，液体摩擦润滑状态是最理想的润滑状态,干摩擦是应该避免的, 边界摩擦和混合摩擦最常见，亦称边界润滑和混合润滑状态,有时也叫半液体润滑状态。试验证明，这三种实际存在的摩擦润滑状态是随某些参数的改变而相互转化的。它们的摩擦系数 f 与流体粘度 η、相对滑动速度 v、单位面积上的载荷 p 之间的关系如图所示。 §2 磨 损 一、 摩损过程及曲线 Ⅰ为跑合磨损阶段， 由于机械加工的表面具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，因此，磨损速度较快。经跑合后尖峰高度降低，峰顶半径增大，实际接触面积增加， 磨损速度降低。 Ⅱ为稳定磨损阶段，机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。 Ⅲ为剧烈磨损阶段，经稳