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1、第第1章表面形貌与特章表面形貌与特性性本讲稿第一页，共十八页摩擦：在正压力作用下相互接触的两个物体受切向摩擦：在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动（或有相对滑动外力的影响而发生相对滑动（或有相对滑动的趋势）时，在接触表面上产生抵抗滑动阻的趋势）时，在接触表面上产生抵抗滑动阻力的现象。力的现象。磨损：摩擦造成的能量损耗和摩擦表面物质丧失或磨损：摩擦造成的能量损耗和摩擦表面物质丧失或转移的现象。转移的现象。润滑：为了控制摩擦、减少磨损、提高机器效率、润滑：为了控制摩擦、减少磨损、提高机器效率、减小能量损失、降低材料消耗、保证机器工减小能量损失、降低材料消耗、保证机器工作可
2、靠性的一种有效手段。作可靠性的一种有效手段。本讲稿第二页，共十八页摩擦磨损造成的损失摩擦磨损造成的损失:工业方面约有工业方面约有1/21/3的能量消耗在摩擦中；的能量消耗在摩擦中；大约大约80%的损坏零件是由于磨损引起的；的损坏零件是由于磨损引起的；1981年美国公布，每年磨损造成的损失为年美国公布，每年磨损造成的损失为100亿美元；亿美元；前苏联由于磨损造成的损失每年约前苏联由于磨损造成的损失每年约120140亿卢布；亿卢布；本讲稿第三页，共十八页2005年年11月月5日新闻联播报道，在河南长垣举行的日新闻联播报道，在河南长垣举行的第三届中国国际腐蚀控制大会上获悉，我国每年第三届中国国际腐蚀
3、控制大会上获悉，我国每年由腐蚀所造成的损失大约为由腐蚀所造成的损失大约为5000亿元人民币，远亿元人民币，远远超过自然灾害和安全事故。远超过自然灾害和安全事故。中国五个行业（冶金矿山、农机、煤炭、电力、中国五个行业（冶金矿山、农机、煤炭、电力、建材）的统计，每年由于磨料磨损而需要补充建材）的统计，每年由于磨料磨损而需要补充的备件的备件100万吨钢材，大约万吨钢材，大约1520亿人民币，亿人民币，40%的农机具备件是由于磨料磨损消耗的，的农机具备件是由于磨料磨损消耗的，30%的锅炉的锅炉钢管是由于腐蚀磨损失效的。钢管是由于腐蚀磨损失效的。本讲稿第四页，共十八页磨损造成巨大损失的原因：磨损造成巨大
4、损失的原因：零件表面工作状态发生变化（点蚀、剥离）；零件表面工作状态发生变化（点蚀、剥离）；零件尺寸发生变化零件尺寸发生变化:工作精度达不到要求；工作精度达不到要求；强度达不到要求，可靠性降低。强度达不到要求，可靠性降低。摩擦学：是摩擦、磨损、润滑科学的总称，是研究摩擦学：是摩擦、磨损、润滑科学的总称，是研究在摩擦与磨损过程中两个相对运动表面在摩擦与磨损过程中两个相对运动表面之间相互作用、变化及其有关的理论与之间相互作用、变化及其有关的理论与实践的一门学科。实践的一门学科。本讲稿第五页，共十八页十七世纪开始对摩擦进行研究，但真正形成一门十七世纪开始对摩擦进行研究，但真正形成一门学科还是六十年代
5、的事。学科还是六十年代的事。1966年英国的年英国的Jost教授提出摩擦学（教授提出摩擦学（Tribology）的概念，但到目前，摩擦、磨损的机理研究尚未的概念，但到目前，摩擦、磨损的机理研究尚未完全弄清，甚至实践比理论先得到解决。完全弄清，甚至实践比理论先得到解决。我国在摩擦学领域内曾有巨大贡献我国在摩擦学领域内曾有巨大贡献：公元前两千年左右就使用水碓、滑车等，采公元前两千年左右就使用水碓、滑车等，采用木质轴承，以动物油作润滑剂；用木质轴承，以动物油作润滑剂；1414世纪以前，我国在掌握轴承、齿轮、凸轮、世纪以前，我国在掌握轴承、齿轮、凸轮、润滑剂等方面一直居于世界的前列；润滑剂等方面一直居
6、于世界的前列；本讲稿第六页，共十八页1962年召开了摩擦、磨损和润滑研究的报告会；年召开了摩擦、磨损和润滑研究的报告会；1979年在广州成立了中国摩擦学会；年在广州成立了中国摩擦学会；1987年首次在北京召开了国际摩擦学会议。年首次在北京召开了国际摩擦学会议。本讲稿第七页，共十八页第一章第一章 表面形貌与特性表面形貌与特性Surface Forms and its Characteristics一、表面轮廓曲线及测量一、表面轮廓曲线及测量本讲稿第八页，共十八页表面轮廓仪测量零件表面的轮廓曲线表面轮廓仪测量零件表面的轮廓曲线测量样本必须具有代表性和可鉴别性：测量样本必须具有代表性和可鉴别性：各向
7、同性的表面，测量数据有代表性；各向同性的表面，测量数据有代表性；各向异性的表面，测量数据没有代表性；各向异性的表面，测量数据没有代表性；测量的数据受测量仪测头圆弧半径的影响。测量的数据受测量仪测头圆弧半径的影响。本讲稿第九页，共十八页二、表面形貌参数二、表面形貌参数最常用的表面形貌参数是表面粗糙度最常用的表面形貌参数是表面粗糙度（Surface Roughness）：取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示。1.轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra 轮廓各点高度在测量长度范围轮廓各点高度在测量长度范围内的算术平均值。内的算术平均值。Ra 越大，表面越粗糙越
8、大，表面越粗糙。本讲稿第十页，共十八页2.轮廓均方根偏差或称均方根值轮廓均方根偏差或称均方根值3.最大峰谷距最大峰谷距Rmax或最大凸峰高度或最大凸峰高度Rp4.中线截距平均值中线截距平均值Sma 轮廓曲线与中心线各交点之轮廓曲线与中心线各交点之间的截距间的截距Smi在测量长度内的在测量长度内的平均值。平均值。在测量长度内最高峰与最低谷之间的高度差。在测量长度内最高峰与最低谷之间的高度差。本讲稿第十一页，共十八页一维形貌参数不能完善地一维形貌参数不能完善地说明表面几何特征说明表面几何特征二维表面形貌图像二维表面形貌图像三维形貌参数三维形貌参数即等高线图即等高线图本讲稿第十二页，共十八页三、表面
9、形貌的统计参数三、表面形貌的统计参数 1.高度分布曲线（高度分布曲线（Gauss曲线）曲线）Gauss分布曲线也称为承载面积曲线，反分布曲线也称为承载面积曲线，反映的是承受载荷的能力映的是承受载荷的能力本讲稿第十三页，共十八页2.分布曲线的偏差分布曲线的偏差衡量分布曲线偏离对称位置程度的指标衡量分布曲线偏离对称位置程度的指标S0 标准高斯分布标准高斯分布S0 正偏态（右偏）正偏态（右偏）S0 负偏态（左偏）负偏态（左偏）（1）偏态）偏态S本讲稿第十四页，共十八页（2）峰态）峰态 K表示分布曲线的表示分布曲线的尖峭程度尖峭程度 K3 标准高斯分布标准高斯分布 K3 尖峰态，曲线陡峭尖峰态，曲线陡
10、峭 K3 低峰态，曲线平缓低峰态，曲线平缓本讲稿第十五页，共十八页机器磨合的目的就是为了增加承载面积，进而机器磨合的目的就是为了增加承载面积，进而提高承载能力。提高承载能力。磨合要体现磨合要体现“载荷由轻到重，速度由低到高载荷由轻到重，速度由低到高”的原则进行磨合。的原则进行磨合。零件磨合后的表面性质：零件磨合后的表面性质：左偏态（左偏态（S0）、低峰态（）、低峰态（K3）本讲稿第十六页，共十八页3.表面轮廓的自相关函数表面轮廓的自相关函数自相关函数自相关函数R（l）：相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势。相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势。l0时：时：本讲稿第十七页，共十八页无量纲的自相关函数无量纲的自相关函数精加工表面，随机变化分量为主，函数衰减，相精加工表面，随机变化分量为主，函数衰减，相关性随关性随 l 的增加而减小；的增加而减小；粗加工表面，周期变化分量为主，函数不衰减，粗加工表面，周期变化分量为主，函数不衰减，相关性随相关性随 l 的增加而不变。的增加而不变。分布概率密度函数分布概率密度函数(z)：表示高度分布的大小及分布：表示高度分布的大小及分布状态；状态；自相关函数自相关函数R(z)：表示高度分布的变化和性质。：表示高度分布的变化和性质。表面形貌特征的描述：表面形貌特征的描述：本讲稿第十八页，共十八页