§4-1摩擦§4-2磨損§4-3潤滑劑、添加劑和潤滑方法§4-4流體潤滑原理簡介§4-0概述第4章摩擦、磨損及潤滑概述內容提要1§4-0概述摩擦學----研究相對運動的作用表面間的摩擦、磨損和潤滑，以及三者間相互關系的理論與應用的一門邊緣學科。▲摩擦--相對運動的物體表面間的相互阻礙作用現象；▲磨損--由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉移；▲潤滑--減輕摩擦和磨損所應采取的措施。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。機械產品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的。減少摩擦節省能源；減少磨損降低設備維修次數和費用，節省制造零件及其所需材料的費用。2一、摩擦的分類與性質內摩擦：在物質的內部發生的阻礙分子之間相對運動的現象。外摩擦：在相互接觸的兩物體發生相對滑動或有相對滑動趨勢時，在接觸表面上產生的阻礙相對滑動的現象。靜摩擦：僅有相對運動趨勢時的摩擦。動摩擦：在相對運動進行中的摩擦。滑動摩擦：物體表面間的運動形式是相對滑動。滾動摩擦：物體表面間的運動形式是相對滾動。§4-1摩擦3摩擦的種類及其基本性質按運動狀態分靜摩擦動摩擦按運動形式分滑動摩擦滾動摩擦干摩擦（潤滑）流體摩擦（潤滑）邊界摩擦（潤滑）混合摩擦（潤滑）按潤滑狀態分4滑動摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦(邊界潤滑)、流體摩擦(流體潤滑)及混合摩擦(混合潤滑):1.干摩擦2.邊界摩擦v3.液體摩擦vvvv4.混合摩擦5用膜厚比λ來大致估計兩滑動表面所處的摩擦(潤滑)狀態，即

當膜厚比λ≤l時，為邊界摩擦(潤滑)狀態；當λ=l～3時，為混合摩擦(潤滑)狀態；當λ>3時，為流體摩擦(潤滑)狀態。61.干摩擦兩零件表面直接接觸后，因為微觀局部壓力高而形成許多冷焊點，運動時被剪切。不允許出現干摩擦！三、滑動摩擦狀態→功耗↑磨損↑溫度↑→燒毀零件vv▲“機械說”--摩擦原因是表面微凸體的相互阻礙作用；▲“分子說”--摩擦原因是表面材料分子間的吸力作用；▲“機械－分子說”兩種作用均有。目前采用修正后的粘附理論7簡單粘附理論于1945年由鮑登(F．P．Bowden)等人提出，他們認為兩個金屬表面在法向載荷作用下的接觸面積，并非兩個金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積(或叫表觀接觸面積)A0，而是由一些表面輪廓峰相接觸所形成的接觸斑點的微面積的總和，叫真實接觸面積Ar(下圖)。由于真實接觸面積很小，因此可以認為輪廓峰接觸區所受的壓力很高。當接觸區受到高壓而產生塑性變形后，這些微小接觸面便發生粘附現象，形成冷焊結點。當接觸面相對滑動時，這些冷焊結點就被切開。在干摩擦條件下，可將較硬表面堅硬的輪廓峰在較軟表面上犁出"犁溝"所需克服的阻力忽略不計,則摩擦力8續

對于理想的彈塑性材料，當法向載荷增大時，真實接觸面積Ar也隨之增大，應力并不升高，而停留在材料的壓縮屈服極限σSy。9續例如下圖a所示為單個輪廓峰接觸區在高壓作用下產生塑性流動，導致接觸面積增大到恰好能支承法向載荷為止的模型。故真實接觸面積Ar為10續式中τB、σSy是指相接觸的兩種金屬中較軟者的剪切強度極限與壓縮屈服極限。由于大多數金屬的τB/σSy的比值均較接近，所以其摩擦系數相差甚小但是，這個結論不完全符合實際。例如處于真空中的潔凈金屬發生摩擦時，其摩擦系數要比常規環境里的摩擦系數大得多。這一事實說明真實接觸面積一定比簡單粘附理論所指出的大得多。在簡單粘附理論中，認為真實接觸面積決定于軟金屬的壓縮屈服極限和法向載荷。對于靜態接觸，這在大體上是正確的。為此，鮑登等人于1964年又提出了一種更切合實際的修正粘附理論11續這種理論認為，在摩擦情況下，輪廓峰接觸區除作用有法向力外,還作用有切向力,所以接觸區同時有壓應力和切應力存在。這時金屬材料的塑性變形取決于壓應力和切應力所組成的復合應力作用，而不僅僅取決于金屬材料的壓縮屈服極限σSy。B：單個輪廓峰接觸為壓應力σy及切應力τ聯合作用下，單個輪廓峰的接觸模型，并且假定材料的塑性變形產生于最大切應力達到某一極限值的情況。若將作用在輪廓峰接觸區的切向力逐漸增大到Ff值，結點將進一步發生塑性流動，這種流動導致接觸面積增大。也就是說，在復合應力作用下，接觸區出現了結點增長的現象。結點增長模型如圖<單個輪廓峰接觸模型>c所示，其中τB為較軟金屬的剪切強度極限。12續在真空中，潔凈的金屬表面發生摩擦時結點可能大幅度地增長,因此摩擦系數較高,在空氣中，由于界面上覆蓋有一層氧化膜或污染膜，這種表面膜通常抗剪能力很弱,因而摩擦系數較低。修正后的粘附理論認為：

當兩金屬界面被表面膜分隔開時,τBj為表面膜的剪切強度極限；當剪斷發生在較軟金屬基體內時,τBj為較軟金屬基體的剪切強度極限τB；若表面膜局部破裂并出現金屬粘附結點時，τBj將介于較軟金屬的剪切強度極限和表面膜的剪切強度極限之間。這個理論與實際情況比較接近，可以在相當大的范圍內解釋摩擦現象。在工程中，常用金屬材料副的摩擦系數是指在常規的壓力與速度條件下,通過實驗測定的,并可認為是一個常數，其值可參考有關資料。132、邊界摩擦（邊界潤滑）：單分子吸附膜的定向結構單分子吸附膜的摩擦原理模型多層分子吸附膜的摩擦模型

潤滑油（主要是石油產品）中的脂肪酸是一種極性化合物，它的極性分子能牢固地吸附在金屬表面上。極性團14運動副表面有一層厚度<1μm的薄油膜，不足以將兩金屬表面完全分開，其表面部分微觀高峰部分仍將相互搓削。比干摩擦的磨損輕，f≈0.1~0.3v邊界膜：比較牢固地吸附在金屬表面上的分子膜，稱為邊界膜。15潤滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，牢固地吸附在金屬表面上形成為物理吸附膜。潤滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。潤滑劑中的分子靠化學鍵力作用而吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱為化學吸附膜。

吸附膜反應膜邊界膜分為：物理吸附膜化學吸附膜在潤滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發生化學反應生成的邊界膜，稱為反應膜。邊界摩擦靠邊界膜起潤滑作用，邊界膜的類型如下：注：溫度對邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。16

３）流體摩擦：是指摩擦表面完全被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦。

其摩擦系數最小，且不會產生磨損，是理想的摩擦狀態。(油潤滑時約為0.001～0.008)174.混合摩擦v混合摩擦是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數比邊界摩擦時要小得多。fηn/po邊界摩擦混合摩擦液體摩擦摩擦特性曲線稱無量綱參數ηn/p為軸承特性數。

η-動力粘度，p-壓強，n-每秒轉數邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區分，常統稱為不完全液體摩擦。摩擦學研究的最新進展：微－納米摩擦學理論可實現：f≤0.001----超潤滑摩擦狀態。vvv1819磨損—由于摩擦而導致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。§4-2磨損后果—降低機器的效率和可靠性，甚至促使機器提前報廢。一、零件的磨損過程注意：磨損并不都是有害的。如磨削20新摩擦表面的微觀形貌21機器的壽命磨損曲線磨合階段磨損量時間劇烈磨損階段穩定磨損階段磨損過程大致如圖所示：

▲磨合階段----包括摩擦表面輪廓峰的形狀變化和表面材料被加工硬化兩個過程。▲穩定磨損階段----零件在平穩而緩慢的速度下磨損。▲劇烈磨損階段----在經過穩定磨損階段后，零件表面遭到破壞，運動副間隙增大引起額外的動載荷和振動。零件即將進入報廢階段。※設計機器時，要求縮短磨合期、延長穩定期、推遲劇烈磨損期的到來。22磨粒磨損

二、磨損的分類

疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型按磨損機理分按磨損表面外觀可分為點蝕磨損膠合磨損擦傷磨損23三、磨損的機理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型：磨粒磨損—也簡稱磨損，外部進入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的輪廓峰尖在軟材料表面上犁刨出很多溝紋時被移去的材料，一部分流動到溝紋兩旁，一部分則形成一連串的碎片脫落下來成為新的游離顆粒，這樣的微切削過程就叫磨粒磨損。24三、磨損的機理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型：粘附磨損—也稱膠合，當摩擦表面的輪廓峰在相互作用的各點處由于瞬時的溫升和壓力發生“冷焊”后，在相對運動時，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘附磨損。嚴重的粘附磨損會造成運動副咬死。這種磨損是金屬摩擦副之間最普遍的一種磨損形式。25三、磨損的機理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型：疲勞磨損—也稱點蝕，是由于摩擦表面材料微體積在交變的摩擦力作用下，反復變形所產生的材料疲勞所引起的機械磨損。點蝕過程：產生初始疲勞裂紋→擴展→微粒脫落，形成點蝕坑。

26三、磨損的機理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型：流體磨粒磨損：流動的液體或氣體中所夾帶的硬質物體或硬質顆粒沖擊零件表面所引起的機械磨損。利用高壓空氣輸送型砂或高壓水輸送碎石時，管道內壁所產生的機械磨損是實例之一。。流體侵蝕磨損是指由液流或氣流的沖蝕作用引起的機械磨損。近年來，由于燃氣渦輪機的葉片、火箭發動機的尾噴管這樣一些部位的破壞，才引起人們對這種磨損形式的特別注意。2728三、磨損的機理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型：腐蝕磨損—當摩擦表面材料與環境的化學或電化學作用下引起腐蝕，在摩擦副相對運動時所產的磨損即為腐蝕磨損。如氧化磨損。29三、磨損的機理磨粒磨損疲勞磨損粘附磨損沖蝕磨損腐蝕磨損微動磨損磨損類型：微動磨損—是指摩擦副在微幅運動時，由上述各磨損機理共同形成的復合磨損。微幅運動可理解為不足以使磨粒脫離摩擦副的相對運動。應用實例：軸與孔的過盈配合面、滾動軸承套圈的配合面、旋合螺紋的工作面、鉚釘的工作面等。30微動作用不僅要損壞配合表面的品質，而且要導致疲勞裂紋的萌生，從而急劇的降低零件的疲勞強度31一、潤滑劑作用：降低摩擦、減少磨損、冷卻、緩沖、吸振、防銹等。分類液體潤滑劑----潤滑油半固體潤滑劑----潤滑脂固體潤滑劑（一）潤滑油礦物油來源充足、成本低廉、穩定性好、因而應用最廣。種類：氣體潤滑劑----空氣有機油----動、植物油礦物油----石油產品

化學合成油§4-3潤滑劑、添加劑和潤滑方法32綠色潤滑油(環境友好潤滑油）的特點：低毒性和可生物降解性能；優良的氧化穩定性和低溫性能；成本較低；原材料可回收利用；良好的使用性能和換油周期符合；環境評價要求等。可生物降解性就是以微生物來實現生化氧化。33A液體層與層之間摩擦切應力：τ=-ηdudy--流體中任意點處的切應力與該處的速度梯度成正比。η----液體的動力粘度，簡稱粘度量綱：力·時間/長度2單位：N·s/m2(Pa·s)稱為泊。或厘泊：1P=1dyn·s/cm2實驗結果：oxyydyduB1、粘度----重要指標，粘度值越高，油越稠，反之越稀。

粘度的種類動力粘度運動粘度條件粘度1)動力粘度-----牛頓粘性定律（1687年）1泊=100厘泊34工程中常用運動粘度：ν

=ηρ

單位：

m2

/

s稱為斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt2)運動粘度（40℃的粘度的中心值為潤滑油的牌號）表4-1常用潤滑油的主要性質名稱全損耗系統用油GB443-89汽輪機油GB11120-89代號40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝點≤C閃點(開式)≥C用于高速底負荷機械、精密機床、紡織紗錠的潤滑和冷卻。普通機床的液壓油。用于一般滑動軸承、齒輪、蝸輪的潤滑用于重型機床導軌、礦山機械的潤滑。用于汽輪機、發電機等高速高負荷軸承和各種小型液體潤滑軸承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途353)條件粘度指在一定條件下，利用某種規格的粘度計，通過測定潤滑油穿過規定孔道的時間來進行度量的粘度。常用的有：恩氏度（?

Et）----中國慣用賽氏通用秒（SUS）----美國慣用雷氏秒----英國慣用運動粘度與條件粘度之間的換算關系：362、潤滑油的特性1）粘度：粘----溫相關性溫度t↑壓力p

↑→η↓ 但p<10Mpa時可忽略。變化很小→η↑ 粘--溫圖0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA32L-TSA46L-TSA68L-TSA100選用原則：①載荷大、溫度高的軸承，宜選用粘度大的油；②載荷小、轉速高的軸承，宜選用粘度小的油；

粘度值的大小不僅影響摩擦副的運動阻力，而且對潤滑油膜的形成及承載能力具有決定性的作用。372）潤滑性（油性）潤滑性是指潤滑油中的極性分子與金屬表面吸附形成一邊界油膜，以減小摩擦和磨損。油性愈好，吸附能力愈強。對于那些低速重載或潤滑不充分的場合，潤滑性具有特別重要的意義。3）極壓性極壓性能是潤滑油中加入含硫、氯、磷的有機極性化合物之后，油中的極性分子在金屬表面生成抗磨、耐高壓的化學反應邊界膜的性能，它在重載、高速、高溫條件下，可改善邊界潤滑性能。4）閃點潤滑油在標準容器中加熱所蒸發的油氣，遇火焰即能發出閃光時的最低溫度。是衡量油易燃性的指標。對于在高溫下工作的機器，這是一個重要參數。一般要求工作溫度比油的閃點低30~40℃。385）凝點潤滑油在規定的條件下，不再自由流動時所達到的最高溫度。它是潤滑油在低溫下工作的一個重要指標，直接影響到機器在低溫下的啟動性能和磨損情況。6）氧化穩定性從化學意義上講，潤滑油是不活潑的。但當它們暴露在高溫氣體中時，也會發生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。這是一種膠狀沉積物，不但腐蝕金屬，而且加劇零件的磨損。39（二）潤滑脂----潤滑油與各種稠化劑（鈣、鈉、鋁、鋰等金屬皂）混合稠化而成。優點：密封簡單、不需要經常添加、不易流失；對速度和溫度不敏感，適用范圍廣。缺點：摩擦損耗較大、機械效率低，不適宜高速場合。40潤滑脂的種類：鈉基潤滑脂鋰基潤滑脂鋁基潤滑脂鈣基潤滑脂分類1、鈣基潤滑脂這種潤滑脂具有良好的抗水性（抵抗因吸收水分而使脂的結構破壞的能力，在水存在時防止金屬表面腐蝕的能力），但耐熱能力差，工作溫度不宜超過55~65℃。2、鈉基潤滑脂這種潤滑脂具有較高的耐熱性，但抗水性較差，工作溫度可達120℃。----工程上應用最廣413、鋰基潤滑脂這種潤滑脂既能抗水，又耐高溫，而且有較好的機械安定型，是一種多用途的潤滑脂。工作溫度不宜超過145℃。4、鋁基潤滑脂這種潤滑脂具有良好的抗水性，對金屬表面有高的吸附能力，故可起到良好的防銹作用。422)滴點，決定工作溫度。在規定的加熱條件下，潤滑脂從標準測量杯的孔口滴下第一滴時的溫度叫潤滑脂的滴點。潤滑脂的滴點決定了它的工作溫度。潤滑脂的工作溫度至少應低于滴點20℃。1)錐入度：指一個重1.5N的標準錐體，于25℃恒溫下，由潤滑脂表面經5s刺入的深度(以0.lmm計)。它標志著潤滑脂內阻力的大小和流動性的強弱。錐入度愈小表明潤滑脂愈稠。錐入度是潤滑脂的一項主要指標，潤滑脂的牌號就是該潤滑脂錐入度的等級。潤滑脂的主要質量指標是：43（三）固體潤滑劑聚四氟乙烯用于潤滑油不能勝任工作的場合：高溫、低速重載。石墨二硫化鉬（MoS2）---性能穩定、t>350℃才開始氧化，可在水中工作。-----摩擦系數低，使用溫度范圍廣(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系數低，只有石墨的一半。使用方式：1.調和在潤滑油中；2.涂覆、燒結在摩擦表面形成覆蓋膜；3.混入金屬或塑料粉末中燒結成型。其應用日漸廣泛44油性添加劑種類添加劑----為了改善潤滑劑品質和性能而添加的物質。二、添加劑非極壓油軟化溫度t/℃

摩擦系數f含脂肪酸和極壓添加劑的油含脂肪酸的油含極壓添加劑的油作用----提高油性、極壓性、延長使用壽命、改善物理性能。極壓添加劑分散凈化劑消泡添加劑抗氧化添加劑降凝劑增粘劑45潤滑油潤滑在工程中的應用最普遍，其供油方式有：三、潤滑方法潤滑方式人工給油；油杯滴油；浸油潤滑、飛濺給油；用油泵強制潤滑和冷卻。低速傳動高速傳動甩油環壓力循環潤滑油泵冷卻器滴油潤滑浸油潤滑油環潤滑46針閥式油杯旋蓋式油杯脂用壓注式油杯彈簧蓋油杯四、潤滑裝置1.油杯

472.油環潤滑

3.飛濺潤滑4.壓力循環潤滑48一、流體動力潤滑FFFFvF§4-4流體潤滑原理簡介

流體動力潤滑是指兩個作相對運動物體的摩擦表面，借助于相對速度而產生的粘性流體膜將兩摩擦表面完全隔開，由流體膜產生的壓力來平衡外載荷。動壓油膜----因運動而產生的壓力油膜。

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vvh1aah2ccvv兩平形板之間不能形成壓力油膜！Fpmax49F※形成動壓油膜的必要條件：1.兩工件之間的間隙必須有楔形間隙；2.兩工件表面之間必須連續充滿潤滑油或其它液體；3.兩工件表面必須有相對滑動速度。其運動方向必須保證潤滑油從大截面流進，從小截面出來。∑Fy=F∑Fx≠0∑Fy=F∑Fx=0應用實例--向心滑動軸承動壓油膜的形成過程：靜止→爬升→將軸起抬→質心左移→穩定運轉e----偏心距e50二、彈性流體動力潤滑

彈性流體動力潤滑理論----研究在點、線接觸條件下，兩彈性物體間的流體動力潤滑膜的力學性質。求解油膜壓力分布、潤滑膜厚度分布等問題▲在油膜壓力下，摩擦表面的變形的彈性方程；▲表述潤滑劑粘度與壓力間關系的粘壓方程；▲流體動力潤滑的主要方程。流體動力潤滑理論的前提：----適應于低副中兩零件之間的潤滑問題，潤滑劑粘度不隨壓力變化；零件摩擦表面為剛體；51依靠潤滑劑的粘附作