1、摩擦磨損與潤滑第一章緒論,1,第一章 緒論 摩擦、磨損和潤滑是一個古老的課題，特別是工業革命以后，機器的大量使用對其產生了迫切需求，使其研究和發展進入了一個新的時期。1966年英國的喬斯特（H.Perer.Jost）先生在其著名的報告“A Report on the Present and Industrys Needs”中提出了“摩擦學（Tribology)”這一名詞:“相互作用、相對運動表面副的科學及有關技術”，標志著該領域研究的系統化和革命化進展。 摩擦學研究的理論和實踐包括設計和計算、潤滑材料和潤滑方法，摩擦材料和表面狀態以及摩擦故障診斷、監測和預報等。 世界上使用的能源大約有1312

2、消耗于摩擦,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,2,第一節 摩擦學定義、簡史及其研究內容 一、定義： 摩擦學的一般定義是：“關于相對運動中相互作用表面的 科學、技術及有關的實踐”。通常也理解為包括摩擦、磨損和 潤滑在內的一門跨學科的科學,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,3,第一節 摩擦學定義、簡史及其研究內容 一、定義：摩擦學的一般定義是：“關于相對運動中相互作用表面的科學、技術及有關的實踐”。通常也理解為包括摩擦、磨損和潤滑在內的一門跨學科的科學。 二、簡史 人類很早就對摩擦現象有了認識并加以利用，許多早期的文獻里，都有把摩擦的影響減至最小的多種嘗試的記載2000多年前的亞里士多德就已經提到摩擦力的概念。但

3、是真正對摩擦進行定量的研究，則始于15世紀的文藝復興時期。 500多年的漫長而曲折的歷史大致可劃分為四個時期來討論,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,4,二、簡史 1、直到15世紀意大利的L.達芬奇（法國阿蒙頓1699有同樣的發現）才開始摩擦學的理論研究。人類對摩擦現象早有認識，如史前人類已知鉆木取火。中國在春秋時期已經普遍地應用動物脂肪來潤滑車軸。用礦物油作潤滑劑最早見于中國西晉張華所著博物志。 2、1750年歐拉用引入靜摩擦概念，1785年法國的C.A.de庫侖繼前人的研究，用機械嚙合概念解釋于摩擦，提出摩擦理論，并對靜摩擦與動摩擦給出區別。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論。 3、1935

4、年，英國的F.P.鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦。1950年，鮑登提出粘著理論。 4、1886年，英國的雷諾繼前人觀察到的流體動壓現象，總結出流體動壓潤滑理論。20世紀50年代普遍應用電子計算機以后，線接觸彈性流體動壓潤滑理論有所突破。60年代在相繼研制出各種表面分析儀的基礎上，磨損研究得以迅速開展。至此綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關系的條件已初步具備，并逐漸形成摩擦學這一新學科,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,5,1785年庫侖對摩擦的解釋,庫侖對摩擦的解釋如圖他在1785年用凹凸面說明摩擦面之間的接觸，但是他也承認分子力的存在,庫侖測滑動摩擦力的裝置,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,6,雷尼研究

5、摩擦與壓力的實驗裝置,庫侖研究滾動摩擦的裝置,庫侖測靜摩擦的裝置,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,7,達芬奇手稿中的一頁， 描述他對摩擦的研究,阿孟頓的摩擦實驗裝置,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,8,1508年，達芬奇（14521519）使用石頭和木頭開始了對固體摩擦的實驗研究，測量了水平和斜面上物體間的摩擦力，測量了半圓形槽與滾筒間的摩擦，進行了表面接觸面積對摩擦阻力影響的實驗研究，發現了等重物體之間的摩擦力與接觸面積無關的重要結論。達芬奇首先引入了摩擦系數的概念他將該系數定義為摩擦力和垂 物體所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一”當時他使用的材料大多為硬木或鐵與硬木的組合，他的結論對于這些材料來說

6、還是比較符合實際的 達芬奇還研究了摩擦面間有潤滑油和其它介質時對摩擦的影響他認為“所有東西，不管它如何薄，當它放入兩個互相摩擦的物體之間時，摩擦都會減少,一、達芬奇的早期研究時期,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,9,進入16世紀后，由于水力和風力能源的廣泛應用，機器大量增加特別是磨的發展，大大推進了對摩擦的研究許多科學家進行了各種各樣的摩擦實驗，其中最有成就者當推法國實驗物理學家阿蒙頓（16631705）。作為一個永動機的積極倡導者，他通過多次實驗后，于1699年12月19日向皇家科學院提交了一分經典論文。在文中提出了摩擦力的經典規律，這就是后來人們所熟知的阿蒙頓定律。 靜摩擦定律：兩接觸物體間的最

7、大靜摩擦力，跟接觸面上的正壓力成正比，并與接觸面的性質及狀態有關；但與接觸面的面積及形狀無關。即：f靜0N。 滑動摩擦定律：滑動摩擦力跟摩擦物體接觸面上的正壓力成正比，跟外表的接觸面積無關即：f滑N,二、阿蒙頓的進一步研究時期,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,10,進入18世紀，機器的大量使用，使得機械的效率和耐磨問題成為了一大難題。為此，巴黎科學院于1781年以“摩擦定律和繩的倔強性”為題，進行了一次有獎競賽。庫侖（17361806）研究總結了達芬奇和阿蒙頓的實驗和理論之后，又進一步做了大量的實驗。最終以簡單的機械理論為題的論文贏得了這次競賽的優勝獎，提出了他的摩擦理論庫侖摩擦定律。 庫侖摩擦第一

8、定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正壓力成正比，跟外表的接觸面積無關。稱謂靜摩擦定律和滑動摩擦定律。 庫侖摩擦第二定律：滑動摩擦力和滑動速度大小無關。 實際上滑動摩擦力和滑動速度的關系是相當復雜的。 庫侖摩擦第三定律：最大靜摩擦大于滑動摩擦力，即f靜f滑。 庫侖對摩擦的研究，總結了從達芬奇到阿蒙頓的理論，提出了他的庫侖摩擦定律。但是，實際上這些定律只能是經典的經驗公式，對于實際情況也僅僅是近似的、粗淺的描述,三、庫侖對摩擦的總結時期,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,11,19世紀，隨著蒸汽機進入實用階段，工業革命迅速普及，為了防止機器的高速轉動而帶來的軸承燒焦和磨損，潤滑成了這個時期摩擦研究的特征 18

9、83年，英國的托爾（18451904）在研究軸承的潤滑中發現油膜具有高壓力；同時代的雷諾（18421912）根據托爾的發現，利用流體力學的原理，從理論上證明了因旋轉而在油膜中產生高壓力的現象，說明了軸與軸承的間隙能支持載荷的道理 1896年，金斯伯里（18631943）證明了用空氣代替潤滑油的設想，在一次美國軍事系統的展覽會上進行了空氣軸承的公開表演這種軸承后來在高速磨床、高級陀螺儀上得到了廣泛的應用 在這一時期，雷尼（17911866）、莫倫（17951880）等人測定了許多物體間的摩擦系數，迄今仍在廣泛應用 總之，進入19世紀，由于摩擦的實驗定律大體已確立完畢，只是在研究如何減小摩擦方面進

10、行了一系列工作但仍然沒有對摩擦的物理機制給以科學的、滿意的解釋,四、19世紀對摩擦的研究時期,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,12,此外還有生物中的摩擦學問題，如研究海豚皮膚結構以改進艦只設計，研究人體關節潤滑機理以診治風濕性關節炎，研究人造心臟瓣膜的耐摩壽命以謀求最佳的人工心臟設計方案等。地質學方面的摩擦學問題有地殼運動、火山爆發和地震，以及山、海、斷層形成等。在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題。摩擦學涉及許多學科，如物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等。隨著科學技術的發展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態進入動態，由定性進入定量，成為系統綜合研究的領域,三、研究內

11、容 摩擦學研究的對象很廣泛，在機械工程中主要包括：動、靜摩擦副，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接等。零件表面受工作介質摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機轉輪等。機械制造工藝的摩擦學問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等。彈性體摩擦副，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力浸漏等。特殊工況條件下的摩擦學問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,13,三、研究內容 摩擦學研究的對象很廣泛，概括說研究摩擦、磨損(包括材料轉移)和潤滑(包括固體潤滑)的原理及其應用。 有以下八方面： 1摩擦學現象的作用機理。 2材料的摩擦學

12、特性。 3 摩擦學元件(包括人體人工關節)的特性與設計以及摩擦學失效分析。 4摩擦材料。 5潤滑材料。 6摩擦學狀態的測試技術與儀器設備。 7機器設備摩擦學失效狀態的在線檢測與監控以及早期預報與診斷。 8 摩擦學數據庫與知識庫,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,14,在機械工程中主要包括： 動、靜摩擦副，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接等。 零件表面受工作介質摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機轉輪等。 機械制造工藝的摩擦學問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等。 彈性體摩擦副，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力浸漏等。 特殊工況條件下的摩擦學問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作

13、業的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,15,此外還有： 生物中的摩擦學問題，如研究海豚皮膚結構以改進艦只設計，研究人體關節潤滑機理以診治風濕性關節炎，研究人造心臟瓣膜的耐摩壽命以謀求最佳的人工心臟設計方案等。 地質學方面的摩擦學問題有地殼運動、火山爆發和地震，以及山、海、斷層形成等。 在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題。摩擦學涉及許多學科，如物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等。隨著科學技術的發展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態進入動態，由定性進入定量，成為系統綜合研究的領域,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,16,概括幾點： 1、摩擦學機

14、理研究 2、各種材料和表面處理工藝的摩擦學特性研究 3、液體潤滑劑、固體潤滑材料及其摩擦學性能的研究 4、摩擦學測試技術與設備的應用研究以及摩擦、磨損工況監,測與故障診斷研究,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,17,第二節 摩擦學意義,摩擦學的意義主要表現在經濟與技術兩個方面：摩擦學是一門研究接觸界面力學行為和損傷機理的學科，它是控制摩擦行為、預防磨損失效、提高工作可靠性所必須掌握的一門基礎知識。現代裝備的失效主要源于三種形式，即磨損、斷裂和腐蝕，其中磨損約占60。摩擦會引起一系列的物理變化和化學變化，它產生熱、噪音、震動、污染，甚至會引發事故危險，摩擦即意味著消耗能源。據美國材料試驗學會ASTM的分

15、析報告稱，全世界約有40%以上的各類能源被摩擦消耗掉 1、1978年，世界摩擦學會主席JOST教授應遨來華訪問，經調查研究后指出：中國在控制摩擦、應用摩擦學研究成果等方面還十分落后，如果科學合理的應用現有的理論、技術、產品，中國每年可節省400億的資金。 2、2004年，謝友柏院士指出：摩擦每年為我國造成1000億元的經濟損失。 目前，我國能源產量居世界第3位，能源消耗量居第2位。 3、因此，準確認識摩擦、磨損的發生機理，尋找合理的技術手段控制摩擦磨損行為，對于節材、節能、降耗是非常重要的技術途徑。4、摩擦學研究推動相關技術的研究并推動生產技術的發展 5、大力改進摩擦學意義上的機械系統設計，增

16、加機械運行可靠性,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,18,一、常見的摩擦學失效如下： 機器除了消耗能量來克服摩擦外，由于機器中的摩擦副較早損壞，相應的零部件(易損件)定期更換。再加上制造、運輸、存儲、維修維護的費用和維修時的停機損失，構成了機器運行成本中的一個很大的份額。具統計，汽車的維護費用與油料費用相當；機器的失效報廢，有80%以上是由磨損造成的。 1、軸承因磨損而間隙變得過大，軸頸就偏離設計規定的位置，機器將失去預定的運動精度；當軸上作用有不穩定的載荷時，間隙過大直接導致軸頸與軸承表面的撞擊和機器的振動；軸及軸上零件的變位，會導致許多不同類型的非法運動；摩擦形成的熱膨脹使間隙變小或潤滑不良，軸頸

17、就可能與軸承咬死而完全不能旋轉。 、齒輪齒面或凸輪表面磨損幾何形狀發生變化，結果將破壞齒輪傳動的平穩性和設計所規定的從動件的運動規律，磨損還造成齒輪輪齒強度的降低和斷齒,第二節 摩擦學意義,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,19,運動副（如機床導軌等）的“爬行”是一個古典的非線性振動問題，其起因是靜摩擦系數大于動摩擦系數而產生的特殊現象。解決的辦法是通過改變潤滑狀態或表面材質匹配來改變這個問題。 、流體動力徑向軸承在一定條件下會產生自激振動，或稱油膜振蕩。由此引起的毀機等重大事故的發生已屢見不鮮。 、在制動器、離合器、帶傳動或其他摩擦傳動以及螺紋或其他借助摩擦力鎖緊的聯接中，又時常因為摩擦表面之間的摩

18、擦力不足或不穩定而失效，甚至出現嚴重事故，例如因制動失靈造成的車輛、提升設備的重大事故。 、利用接觸（如內燃機的活塞環）或不接觸（迷宮式）密封的表面副阻止流體泄漏時，發生碰撞、磨損使間隙增大和流體外流失控，造成機器故障甚至嚴重后果。 除此之外，工作物料對工作部件產生的磨損，也是摩擦學研究去解決的重要課題。例如：攪拌機葉片、水輪機葉片、球磨機磨球、破碎機工作件等,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,20,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,21,第三節 未來發展及動向： 一、摩擦學發展的主要表現 1、從宏觀到微觀；從靜態到動態；從定性到定量；從單因素到多因素； 2、多學科聯合研發：如力學、表面科學、金屬物理、傳熱學

19、、材料科學及測試技術； 3、利用先進技術成果；通過實驗進行機理研究；建立模型并實驗驗證； 二、摩擦學研究的動向 1、工程陶瓷材料摩擦學研究 2、微納米摩擦學、微機電系統摩擦學研究 3、表面工程研究 4、摩擦副中聚合物復合材料組合摩擦學研究 5、摩擦學系統的工況監測與故障診斷技術研究,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,22,第一章 緒論 （2學時） 本學科研究的內容、學習的目的與意義，本學科的發展動向。 1.1 摩擦學的定義及其研究的主要內容 1.2 摩擦學研究意義 1.3 發展動向 1.4 學習計劃與要求 第二章 固體的表面性質 （2學時） 2.1 概述固體表面形貌的組成， 2.2 固體的表面形貌 2

20、.3 表面參數及表面測量 2.4 典型表面的組成 2.5 表面能與表面吸附 第三章 固體表面的接觸 （4學時） 3.1 概述表面接觸的基本概念，接觸變形的判據，赫茲接觸理論。 3.2 接觸面積 3.3 赫茲接觸 3.4 粗糙表面的接觸 3.5 接觸物理和接觸化學,第四節 學習計劃,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,23,第四章 摩擦 （ 6學時） 4.1 概述古典摩擦定律的局限性，粘著理論，分子機械理論，影響摩擦系數的因素等。 4.2 摩擦的分類 4.3 古典摩擦定律 4.4 干摩擦機理 4.5 影響摩擦系數的主要因素 4.6 滑動摩擦的犁溝阻力與粘著阻力 第五章 磨損 （ 4學時） 5.1 概述粘著

21、磨損、磨料磨損、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕磨損、氣蝕磨損的現代理論。重點在：粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損。 5.2 磨損的主要類型 5.3 磨損的過程和磨損的測量 5.4 影響磨損的主要因素 5.5 磨損的計算,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,24,第六章 潤滑與潤滑劑 （ 8學時） 6.1 概述潤滑理論基礎，邊界潤滑的機理及影響 6.2 摩擦特性曲線與潤滑狀態 6.3 潤滑劑 6.4 潤滑方法 第七章 耐磨和減磨材料 （2學時） 7.1 金屬耐磨材料 7.2 金屬減磨材料 7.3 非金屬耐磨、減磨材料 7.4 復合材料 7.5 耐磨、減磨材料的選擇 第八章 機械耐磨性設計 （2學時） 8.

22、1 概述 8.2 摩擦副材料的選擇 8.3 提高耐磨性的結構設計 8.4 維護與保養 第九章 冶金設備潤滑與機械系統狀態診斷 （2學時） 9.1 冶金設備潤滑 9.2 診斷理論及狀態診斷方法分類應用,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,25,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,26,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,27,摩擦學研究的基本方法 1、黑箱法 只知其輸入值和輸出值，但不知其內部結構的系統稱為 黑箱,摩擦學系統黑箱,摩擦磨損與潤滑第一章緒論,28,系統辨識方法： 通過對系統輸入輸出數據的測量和處理，以建立系統數學模型的方法，即系統辨識方法。 所以黑箱法即用系統辨識方法建立相應的黑箱數學模型去解決實際問題的研究方法，可稱為黑箱法。 它是研究結構和機理尚難弄清楚的復雜系統，不能或不允許打開的系統的一種有效的方法,在摩擦學中常用這種方法分析材料的摩擦學性能，即在不了解材料內部的組織結構，或是不考慮其組織結構時，即把材料的內部組織結構看成是一個尚未認識或