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1、材料的摩擦特性第1页，此课件共49页哦金属材料的摩擦金属材料的摩擦 材料相容性材料相容性 拉宾诺维奇发现，纯金属组合之间的摩擦系数拉宾诺维奇发现，纯金属组合之间的摩擦系数与摩擦对之间的与摩擦对之间的粘着能粘着能Wab及较软金属的压入硬度及较软金属的压入硬度P之间存在下述关系：之间存在下述关系：c1为一与表面几何特为一与表面几何特性有关的常数。性有关的常数。Wababab Wab的最大值应为的最大值应为(ab)，而最小值是零。，而最小值是零。可以把上式改写成可以把上式改写成 Wabc2(ab)c2是介于是介于 1 与零之间的常数。与零之间的常数。第2页，此课件共49页哦材料相容性材料相容性上上式
2、式表表明明，摩摩擦擦系系数数与与表表面面能能对对软软金金属属硬硬度度的的比比值值有有关关。比比值值越越大大，摩摩擦擦系系数数越越大大；反反之之越越小小。相相容容性性参参数数c2越越大大（趋趋近近1时时）摩摩擦擦系系数数也也越越大大。为为了了了了解解相相容容性性参参数数的的物物理理意意义义，拉拉宾宾诺诺维维奇奇把把二二百百多多对对金金属属组组合合，按按其其二二元元相相图图的的特特征征进进行行了了分分类类。发发现现它它们们有有的的具具有有较较大大互互溶溶度度，有有的的只只有有很很小小互互溶溶度度，而而有有的的完完全全不不互互溶溶。并并且且发发现现金金属属对对之之间间互互溶溶度度大大的的，摩摩擦擦系
3、系数数大大，相相容容性性参参数数c2也也大大。因因此此，他他认认为为相相容容性性参参数数c2是是与与互互溶溶度度有有关关。对于同种金属组成的摩擦副，其相容性参数定义为对于同种金属组成的摩擦副，其相容性参数定义为1。第3页，此课件共49页哦金属表层在摩擦过程中的变化金属表层在摩擦过程中的变化 在在力力和和热热的的共共同同作作用用下下，将将使使摩摩擦擦表面发生一系列变化。这些变化主要有：表面发生一系列变化。这些变化主要有：1)表面几何形状的变化；表面几何形状的变化；2)亚亚表表层层晶晶体体缺缺陷陷及及组组织织结结构构的的变化；变化；3)表面化学成分的变化。表面化学成分的变化。第4页，此课件共49页
4、哦1.摩擦表面几何形状的变化摩擦表面几何形状的变化（1）平衡粗糙度）平衡粗糙度摩摩擦擦副副滑滑动动时时，表表面面粗粗糙糙度度不不断断改改变变而而趋趋于于一一个个稳稳定定值值。原原来来粗粗糙糙的的表表面面可可能能变变得得光光滑滑，而而原原来来光光滑滑的的表表面面也也可可能能变变得得粗粗糙糙。同同一一种种材材料料在在相相同同外外部部条条件件下下发发生生摩摩擦擦时时，经经过过几几个个小小时时的的磨磨合合，其其表表面面都都会会达达到到同同样样的的粗粗糙糙度度。人人们们把把在在摩摩擦擦磨磨损损过过程程中中，除除了了摩摩擦擦初初期期外外，在在任任何何后后继继过过程程中中都都会会重重复复出出现现的的固固定定
5、不不变变的的粗粗糙糙度度称称为为“平平衡衡粗糙度粗糙度”。平衡粗糙度可理解为在磨合结束后，摩擦状态不变时在摩擦接触平衡粗糙度可理解为在磨合结束后，摩擦状态不变时在摩擦接触面上新形成的粗糙度。而且面上新形成的粗糙度。而且平衡粗糙度与原始粗糙度无关。平衡粗糙度与原始粗糙度无关。第5页，此课件共49页哦（2）塑性变形）塑性变形 摩擦表面的塑性变形是通过微凸体间的相互作用造成的，摩擦表面的塑性变形是通过微凸体间的相互作用造成的，其变形特点其变形特点:1)摩摩擦擦表表面面的的接接触触先先发发生生在在较较高高的的微微凸凸体体上上，外外力力加加大大，接接触触的的微微凸凸体体数数目目增增多多，且且接接触触的的
6、微微凸凸体体发发生生弹弹塑塑性性变变形形。各微凸体上变形的程度不一；各微凸体上变形的程度不一；2)摩摩擦擦表表面面的的塑塑性性变变形形是是不不连连续续的的、反反复复发发生生的的。其其程程度由摩擦工况条件决定；度由摩擦工况条件决定；3)摩摩擦擦表表面面的的接接触触状状态态决决定定了了应应力力状状态态的的不不均均匀匀性性，这这将将导致导致巨大的微观应力巨大的微观应力；4)摩摩擦擦表表面面的的近近表表层层(10100nm)，塑塑性性变变形形使使组组织织呈呈强强烈的方向性，烈的方向性，产生表面层织构产生表面层织构；5)摩擦表面晶体缺陷密度大。摩擦表面晶体缺陷密度大。第6页，此课件共49页哦表面层发生的
7、变化表面层发生的变化 摩擦金属表面的摩擦金属表面的塑性变形塑性变形将使该表面层发生一系列物将使该表面层发生一系列物理和力学性质的变化以及组织结构的变化，如：理和力学性质的变化以及组织结构的变化，如：1)使表面产生使表面产生加工硬化加工硬化；2)形成形成变形织构，增大内应力变形织构，增大内应力；3)表表面面晶晶粒粒明明显显细细化化，亚亚晶晶尺尺寸寸减减小小，即即发发生生恢恢复复和和再结晶，甚至有时在表层形成再结晶，甚至有时在表层形成微薄熔化层微薄熔化层；4)由于变形和摩擦温升的共同作用，可使摩擦表由于变形和摩擦温升的共同作用，可使摩擦表面面产生二次淬火和二次回火产生二次淬火和二次回火，并促进表面
8、扩散过程。，并促进表面扩散过程。第7页，此课件共49页哦摩擦表面组织结构的变化摩擦表面组织结构的变化 摩擦过程中，表层中存在的复杂变形以及摩擦产生大量的热，摩擦过程中，表层中存在的复杂变形以及摩擦产生大量的热，会使表层中组织、结构发生很大变化。这包括会使表层中组织、结构发生很大变化。这包括位错位错大量增殖以及大量增殖以及与之相连的胞状亚结构形成、表面与之相连的胞状亚结构形成、表面织构织构形成、表层加工硬化以及形成、表层加工硬化以及恢复与再结晶，还有表面层内可能发生相变，甚至产生所谓的恢复与再结晶，还有表面层内可能发生相变，甚至产生所谓的“白层白层”结构等等。结构等等。（1）摩擦过程中表层相结构
9、的变化）摩擦过程中表层相结构的变化 1)同素异构转变同素异构转变 2)二次淬火二次淬火 表层温度超过表层温度超过Ac1，奥氏体将形成，冷却时，奥氏体转变，奥氏体将形成，冷却时，奥氏体转变为更加稳定的相，如马氏体。这种由二次奥氏体转变得来的马为更加稳定的相，如马氏体。这种由二次奥氏体转变得来的马氏体称为氏体称为摩擦马氏体摩擦马氏体。这种过程。这种过程称为二次淬火称为二次淬火。如果在冷却时，如果在冷却时，奥氏体不发生马氏体相变而保持至室温，这种奥氏体称为奥氏体不发生马氏体相变而保持至室温，这种奥氏体称为摩擦奥摩擦奥氏体氏体。摩擦奥氏体的特点是硬度高于原始（残余）奥氏体的。摩擦奥氏体的特点是硬度高于
10、原始（残余）奥氏体的硬度。硬度。第8页，此课件共49页哦组织结构的变化组织结构的变化3)二次回火二次回火 淬淬火火钢钢在在摩摩擦擦热热的的作作用用下下会会发发生生二二次次回回火火，其其回回火火程程度度取取决决于于摩摩擦擦温温度度和和时时间间等等。快快速速回回火火组组织织具有下述的特征：具有下述的特征：a)马马氏氏体体分分解解后后形形成成的的相相是是具具有有高高弥弥散散性性与与高高应力状态的亚组织，并且具有高的显微硬度；应力状态的亚组织，并且具有高的显微硬度；b)残余奥氏体分解和碳化物质点的聚集受阻；残余奥氏体分解和碳化物质点的聚集受阻；c)原始组织的位向不变。原始组织的位向不变。第9页，此课件
11、共49页哦组织结构的变化组织结构的变化 4)碳化物的溶解与析出碳化物的溶解与析出 KK其中其中铁素体或马氏体；铁素体或马氏体；奥氏体；奥氏体；K弥散碳化物。弥散碳化物。a)固固溶溶体体中中碳碳浓浓度度的的变变化化可可能能使使材材料料局局部部微微区区的的耐耐磨磨性性发生变化；发生变化；b)在摩擦时析出的石墨可起润滑作用。在摩擦时析出的石墨可起润滑作用。5)再结晶再结晶 6)逆变马氏体逆变马氏体 第10页，此课件共49页哦（2）白层）白层 白白层层是是摩摩擦擦表表面面常常见见到到的的一一层层与与基基体体组组织织明明显显不不同同的的组组织织形形态态，它它硬硬度度高高、难难以以腐腐蚀蚀，在在金金相相显
12、显微微镜镜和和扫扫描描电电镜镜下下呈呈白白亮亮色色，故故称称为为“白白层层”或或“白白亮亮层层”。白白层层的的存存在在范范围围十十分分广广泛泛。但但是是白白层层产产生生的的条条件件以以及及它它的的相相组组成成和和性性能能到到目目前前为为止止尚尚不不很很清清楚楚。一一般般认认为为白白层层主主要要是是由由塑塑性性流流动动、急急冷冷急急热热、表表面面反反应应三三种作用所致种作用所致。白白层层有有两两种种形形态态，一一种种是是均均匀匀而而不不易易腐腐蚀蚀的的薄薄白白亮亮层层，称称为为均均匀匀白白层层；另另一一种种是是白白亮亮层层与与暗暗带带相相间间的的带带状状白白层层。白白层层厚厚度度都都在在3012
13、0m之之间间。均均匀匀白白层层的的显显微微硬硬度度明明显显高高于于带带状状白层，白层硬度高达白层，白层硬度高达Hv1000。第11页，此课件共49页哦白层白层 一一般般认认为为白白层层是是一一种种复复杂杂的的多多相相高高弥弥散散组组织织，其其中中含含有有奥奥氏氏体体、马氏体和碳化物。迄今为止对白层提出的各种组织上的推测是：马氏体和碳化物。迄今为止对白层提出的各种组织上的推测是：a)马氏体或马氏体为主的组织马氏体或马氏体为主的组织；b)主要是奥氏体主要是奥氏体；c)奥氏体与马氏体共格存在奥氏体与马氏体共格存在；d)由由于于同同外外部部介介质质作作用用，金金属属表表面面被被氧氧、氮氮富富化化，或或
14、润润滑滑剂剂中中存存在有的碳使表面碳化物富集。在有的碳使表面碳化物富集。关关于于白白层层的的摩摩擦擦学学特特性性，许许多多人人认认为为，白白层层的的硬硬度度高高、粗粗糙糙度度低低，它它的的形形成成有有助助于于摩摩擦擦系系数数的的降降低低和和耐耐磨磨性性的的改改善善。也也有有资资料料报报导导，虽虽然然白白层层硬硬度度很很高高，但但对对提提高高耐耐磨磨性性并并不不特特别别有有效效，原原因因是是不不平平衡衡的的白白层层组组织疲劳抗力很低，经一定循环后，白层将会剥落。织疲劳抗力很低，经一定循环后，白层将会剥落。第12页，此课件共49页哦3.摩擦过程中表层成分的变化摩擦过程中表层成分的变化 表面与介质的
15、相互作用表面与介质的相互作用 Fe2O3与与Fe3O4 膜的摩擦特性膜的摩擦特性最主要的一种是最主要的一种是发发生氧化反应，形成氧生氧化反应，形成氧化物化物。氧化物的性质如。氧化物的性质如硬度、薄厚、膜的成分、硬度、薄厚、膜的成分、与基体的结合强度等强与基体的结合强度等强烈影响着摩擦磨损性能。烈影响着摩擦磨损性能。若形成薄而致密的表面若形成薄而致密的表面膜，且膜与基体的结合膜，且膜与基体的结合牢固时，则摩擦系数大牢固时，则摩擦系数大大降低。大降低。第13页，此课件共49页哦转移膜转移膜 钢盘表面在与铝销滑动接触前后的俄歇谱钢盘表面在与铝销滑动接触前后的俄歇谱 接触前接触前 一次一次 十次十次
16、二十二十 第14页，此课件共49页哦表面偏聚表面偏聚 在摩擦过程中，由在摩擦过程中，由于摩擦的热效应以及于摩擦的热效应以及表层形变造成的各种表层形变造成的各种缺陷，使表层附近的缺陷，使表层附近的扩散系数比基体的要扩散系数比基体的要大得多。这些缺陷本大得多。这些缺陷本身在其周围造成的畸身在其周围造成的畸变，也易于使某些溶变，也易于使某些溶质原子富集。在摩擦质原子富集。在摩擦过程中将更容易出现过程中将更容易出现合金元素的表面偏聚，合金元素的表面偏聚，而且偏聚的浓度也可而且偏聚的浓度也可能更大些。能更大些。Fe-Ni(0.18Si)合金与工具钢合金与工具钢 硅将偏聚于表面，并硅将偏聚于表面，并且形成
17、一个且形成一个“玻璃膜玻璃膜”第15页，此课件共49页哦第二节第二节 非金属材料摩擦非金属材料摩擦 一、脆性固体的摩擦一、脆性固体的摩擦 脆性材料（如岩盐、石英、玻璃和陶瓷等）的性质与金脆性材料（如岩盐、石英、玻璃和陶瓷等）的性质与金属明显不同，它们被认为是非可延性的，在很小的拉应力下属明显不同，它们被认为是非可延性的，在很小的拉应力下它们就可能断裂和破碎。实验表明，脆性材料的摩擦，事实它们就可能断裂和破碎。实验表明，脆性材料的摩擦，事实上重复性很好，重复的程度与金属一样，而且大致符合古典上重复性很好，重复的程度与金属一样，而且大致符合古典摩擦定律。摩擦定律。1.脆性固体的摩擦机理脆性固体的摩
18、擦机理 我们以典型的脆性固体我们以典型的脆性固体岩盐（岩盐（NaCl）为研究对象。当）为研究对象。当硬金属球在岩盐上滑过时，表面的损伤表现出两个主要特硬金属球在岩盐上滑过时，表面的损伤表现出两个主要特征：第一是表面有微观碎裂和若干可见裂纹；其次是宏观征：第一是表面有微观碎裂和若干可见裂纹；其次是宏观的摩擦痕迹与其一般的金属或其它延性材料的磨痕相似，的摩擦痕迹与其一般的金属或其它延性材料的磨痕相似，也就是说表现出明显的塑性变形特征。也就是说表现出明显的塑性变形特征。第16页，此课件共49页哦脆性固体脆性固体 鲍鲍登登等等人人在在对对岩岩盐盐的的摩摩擦擦机机理理进进行行详详细细研研究究发发现现，金
19、金属属的的粘粘着着摩摩擦擦理理论论基基本本能能适适用用于于解解释释岩岩盐盐的的摩摩擦擦，即即岩岩盐盐在在摩摩擦擦过过程程中中也也存存在在粘粘着着现现象象。但但在在真真空空中中的的实实验验得得到到，对对洁洁净净的的岩岩盐盐来来说说，摩摩擦擦的的增增加加是是很很小小的的，这这说说明明岩岩盐盐没没有有出出现现金金属属那那样产生大规模的接点长大现象。样产生大规模的接点长大现象。通过对岩盐的摩擦研究，并结合其它一些脆性材料的研究，通过对岩盐的摩擦研究，并结合其它一些脆性材料的研究，我们可以得到：我们可以得到：脆性材料在摩擦过程中，尽管表面有微小的脆性材料在摩擦过程中，尽管表面有微小的破碎和裂纹，总的摩擦
20、机理与金属很相似，即产生粘着和塑破碎和裂纹，总的摩擦机理与金属很相似，即产生粘着和塑性变化，然而作为洁净金属特征的大规模的接点生长，在脆性变化，然而作为洁净金属特征的大规模的接点生长，在脆性材料中不会发生。所以，脆性材料洁净表面的摩擦系数一性材料中不会发生。所以，脆性材料洁净表面的摩擦系数一般不会超过般不会超过1.0 的数值。的数值。第17页，此课件共49页哦玻璃与陶瓷玻璃与陶瓷 玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特点的材料。从广泛的意义玻璃和陶瓷是常用的具有脆性特点的材料。从广泛的意义来说，可以把玻璃及结构陶瓷认为是很好控制成分和组织结构来说，可以把玻璃及结构陶瓷认为是很好控制成分和组织结构的岩石。
21、陶瓷与各种材料的摩擦在工程应用上是非常重要的，的岩石。陶瓷与各种材料的摩擦在工程应用上是非常重要的，如在陶瓷的轴承及轴瓦、密封面、滑道、汽车及航天器推进系如在陶瓷的轴承及轴瓦、密封面、滑道、汽车及航天器推进系统中的陶瓷元件等的设计上都要考虑摩擦的影响。统中的陶瓷元件等的设计上都要考虑摩擦的影响。第18页，此课件共49页哦陶瓷陶瓷陶陶瓷瓷主主要要是是由由离离子子键键和和共共价价键键形形成成的的，它它们们的的相相溶溶性性很很低低，自自配配对对的的摩摩擦擦系系数数比比较较小小。但但环环境境因因素素的的影影响响是是非非常常大大的的。陶陶瓷瓷的的摩摩擦擦有有两两个个基基本本的的状状态态，一一种种是是发发
22、生生严严重重磨磨损损和和表表面面断断裂裂的的情情况况，另另一一种种是是只只有有轻轻微微磨磨损损的的情情况况。对对于于前前者者，滑滑动动摩摩擦擦系系数数可可达达0.50.8，而而后后者者只只有有0.10.3。严严重重磨磨损损时时，摩摩擦擦由由于于不不断断发发生生的的断断裂裂和和产产生生硬硬磨磨屑屑而而增增加加。很很多多陶陶瓷瓷在在干干燥燥情情况况下下都都会会促促进进磨磨损损的的发发生生，因因此此会会使使摩摩擦擦提提高高。在在空空气气中中，随随着着滑滑动动温温度度的的增增加加，表表面面的的水水蒸蒸汽汽要要脱脱附附，这这会会使使摩摩擦擦增增大大。但但随随着着温温度度的的进进一一步步提提高高，由由于于
23、具具有有润润滑滑作作用用的的氧氧化化膜膜达达到到足足够够的的厚厚度度，这这样样又又会会使使摩摩擦擦下下降降。许许多多陶陶瓷瓷在在摩摩擦擦时时发发生生摩摩擦擦化化学学反反应应，能能获获得得非非晶晶态态表表面面层层，它它不不同同于于晶晶体体结结构构的的基基体体，在在适适当当的条件下可以减摩、耐磨的条件下可以减摩、耐磨。第19页，此课件共49页哦陶瓷材料在摩擦磨损方面的应用陶瓷材料在摩擦磨损方面的应用 与与金金属属材材料料相相比比，陶陶瓷瓷具具有有强强度度重重量量比比高高、刚刚度度弹弹性性模模量量比比大大、高高温温强强度度好好、抗抗腐腐蚀蚀性性强强等等特特点点。有有些些陶陶瓷瓷，如如碳碳化化物物、氮
24、氮化化物物、硼硼化化物物及及耐耐熔熔金金属属的的氧氧化化物物，都都有有很很高高的的熔熔点点，显显示示出出很很好好的的高高温温性性能能。这这类类材材料料主主要要用用于于苛苛刻刻的的工工作作条条件件，如如高高温温、高高压压和和高高滑滑速速等等。陶陶瓷瓷性性脆脆，受受拉拉伸伸、机机械械冲冲击击或或热热冲击时容易破碎。冲击时容易破碎。陶瓷在摩擦磨损方面的应用年代较长，早先用在精密计时陶瓷在摩擦磨损方面的应用年代较长，早先用在精密计时计上，后来用作计上，后来用作金属切削刀具、电刷金属切削刀具、电刷等等。近年国防及宇航工等等。近年国防及宇航工业提出的业提出的超高温工作超高温工作条件，要求开发新的陶瓷品种及
25、探索条件，要求开发新的陶瓷品种及探索表面改性新工艺。上世纪八十年代绝热发动机研制的浪潮表面改性新工艺。上世纪八十年代绝热发动机研制的浪潮也是陶瓷学科迅速发展的一个重要推动因素。也是陶瓷学科迅速发展的一个重要推动因素。第20页，此课件共49页哦二、聚合物的摩擦二、聚合物的摩擦 聚合物一般处在玻璃态、高弹态或粘流态。聚合物的摩擦聚合物一般处在玻璃态、高弹态或粘流态。聚合物的摩擦可分为三种类型：可分为三种类型：(a)玻璃态或晶态的摩擦；玻璃态或晶态的摩擦；(b)橡胶态的摩擦；橡胶态的摩擦；(c)粘流态的摩擦。粘流态的摩擦。第21页，此课件共49页哦摩擦机理摩擦机理 聚聚合合物物的的基基本本摩摩擦擦机
26、机理理与与金金属属材材料料是是类类似似的的，也也就就是是说说微微凸凸体体的的粘粘着着及及犁犁划划变变形形是是影影响响聚聚合合物物和和与与之之相相对对材材料料之之间间摩摩擦擦的的主主要要因因素素。但但是是，金金属属的的摩摩擦擦特特性性是是不不同同于于聚聚合合物物的的，原原因因是是金金属属的的摩摩擦擦特特性性属属于于弹弹塑塑性性范范畴畴，而而弹弹性性模模量量和和熔熔点点较较低低的的聚聚合合物物的的摩摩擦擦特特性性属属于于粘粘弹弹性性范范畴畴。因因此此，聚聚合合物物的的摩摩擦擦特特性性对对外外加加载载荷荷、温温度度和和滑滑动动速速度度更更为为敏敏感感。另另外外，当当聚聚合合物物处处在在高高弹弹态态时
27、时，在在摩摩擦擦力力中中增增加加了了一一项项迟滞分量。迟滞分量。第22页，此课件共49页哦聚合物的摩擦特征聚合物的摩擦特征聚聚合合物物产产生生粘粘着着的的原原因因与与金金属属是是不不同同的的。一一般般说说，聚聚合合物物粘粘着着的的根根源源在在于于表表面面有有三三种种力力存存在在：一一种种是是静静电电力力；另另一一种种是是范范德德瓦瓦尔尔斯斯力力；如如果果聚聚合合物物中中有有某某种种极极性性原原子子存存在在，那那就就还还有有偶偶极极的的相相互互作作用用（色色散散力力）和和氢氢键键的的作作用用力力。另另外外，由由于于聚聚合合物物一一般般是是热热的的不不良良导导体体，在在滑滑动动过过程程中中，摩摩擦
28、擦表表层层的的温温度度可可升升至至可可观观的的程程度度。所所以以，聚聚合合物物表表层层由由于于摩摩擦擦热热而而熔熔融融的的情情况况很很普普遍遍。在在这这种种状状态态下下，熔熔融融层层的的物物质质很很容容易易发发生生粘粘着着和和转转移移，这这时时的的摩摩擦擦特特性性与与聚聚合合物物的的粘粘流流特特性性有有很很大大关关系系，而而且且摩摩擦擦明明显显取取决决于于速速度度和和温温度度情情况况。通通过过研研究究还还发发现现，在在聚聚合合物物干干摩摩擦擦时时，粘粘着着点点的的增增长长程程度度不不很很明明显显，因因而而简简单单的的粘粘着着理理论论看看来来比比金金属属更更适适合合于于聚聚合合物物。聚聚合合物物
29、的的犁犁沟沟作作用用方方式式一一般般不不是是采采取取塑塑性性变变形形或或弹弹性性变变形形的的方方式式，而而是是采取粘弹的方式。采取粘弹的方式。第23页，此课件共49页哦温度关系温度关系 聚合物的摩擦与温度、载荷及速度等有很大关系，甚至聚合物的摩擦与温度、载荷及速度等有很大关系，甚至加载时间都会对摩擦产生很大影响加载时间都会对摩擦产生很大影响。在弹性聚氨酯与钢的摩。在弹性聚氨酯与钢的摩擦实验中得到，随着加载时间的增加，聚氨酯的摩擦系数擦实验中得到，随着加载时间的增加，聚氨酯的摩擦系数明显提高。明显提高。第24页，此课件共49页哦聚四氟乙烯聚四氟乙烯 聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）在工程塑料中
30、占有非常重要的地位，）在工程塑料中占有非常重要的地位，有有“塑料王塑料王”的美称。它的用途相当广泛，从普通机械到有的美称。它的用途相当广泛，从普通机械到有极端苛刻使用条件的尖端装置上都在使用。极端苛刻使用条件的尖端装置上都在使用。聚四氟乙烯的大分子构形。它在温度低于聚四氟乙烯的大分子构形。它在温度低于19时呈三棱体时呈三棱体形，螺旋形大分子中每形，螺旋形大分子中每13个碳原子扭转个碳原子扭转180，其轴向间距为，其轴向间距为1.7nm；在高于；在高于19时呈六面体形，每时呈六面体形，每15个碳原子扭转个碳原子扭转180，轴，轴向间距为向间距为2nm。第25页，此课件共49页哦聚四氟乙烯性能聚四
31、氟乙烯性能聚四氟乙烯的分子链结构形式与聚乙烯的完全一样，只是用氟聚四氟乙烯的分子链结构形式与聚乙烯的完全一样，只是用氟原子置换了氢原子，而正是这一点使它具有一些优异的性能，特原子置换了氢原子，而正是这一点使它具有一些优异的性能，特别是具有优异的摩擦特性。别是具有优异的摩擦特性。1)CC 键键与与CF 键键结结合合能能大大，分分子子内内结结合合牢牢固固；分分子子间间结结合合为为范范德德瓦瓦尔尔斯斯力力，结结合合力力弱弱。所所以以，相相比比之之下下，分分子子链链不不易易断裂与分解，而大分子易于解脱与滑移。断裂与分解，而大分子易于解脱与滑移。2)聚四氟乙烯大分子上具有对称的氟原子，电性中和，大聚四氟
32、乙烯大分子上具有对称的氟原子，电性中和，大分子不带极性，因而具有优良的介电性能。分子不带极性，因而具有优良的介电性能。第26页，此课件共49页哦聚四氟乙烯特性聚四氟乙烯特性 3)相相邻邻大大分分子子的的氟氟原原子子的的负负电电荷荷有有相相斥斥作作用用，导导致致了了极极低的内聚力低的内聚力。4)由由于于氟氟原原子子体体积积大大，又又相相互互排排斥斥，以以致致整整个个大大分分子子链链不不能能呈呈平平面面锯锯齿齿形形而而呈呈螺螺旋旋形形，并并且且比比较较僵僵硬硬。大大分分子子链链的的这这种种硬硬棒棒状状特特性性，加加上上上上面面所所说说的的分分子子间间引引力力小小，使使得得它它的的熔熔体体粘粘度度极
33、极高高，不不溶溶于于任任何何溶溶剂剂，具具有有表表面面不粘性与润滑性等。不粘性与润滑性等。5)分子链没有支链。通过分子链没有支链。通过X射线衍射的研究指出，射线衍射的研究指出，聚四氟乙烯大分子的外部由分布得相当平滑的电子所包聚四氟乙烯大分子的外部由分布得相当平滑的电子所包围，围，分子呈柱状的分子呈柱状的“流线型流线型”结构，这也使得分子间的结构，这也使得分子间的相互作用大大减小。相互作用大大减小。第27页，此课件共49页哦聚四氟乙烯的摩擦聚四氟乙烯的摩擦如果将聚四氟乙烯滑块在光滑和洁净的表面上低速滑行，如果将聚四氟乙烯滑块在光滑和洁净的表面上低速滑行，起始阶段的摩擦系数相当高，可达起始阶段的摩
34、擦系数相当高，可达0.20.3，这时会有一些材料，这时会有一些材料团块转移到对摩表面上，这些团块的厚度为团块转移到对摩表面上，这些团块的厚度为0.10.3 m数量级。数量级。一旦继续运动，一旦继续运动，摩擦系数就急剧下降到摩擦系数就急剧下降到0.08左右左右，而且以薄膜，而且以薄膜形式转移到对摩件表面上，薄膜的厚度为形式转移到对摩件表面上，薄膜的厚度为510nm数量级。这层数量级。这层薄膜在对摩面上紧密贴合，薄膜的大分子依照运动方向高度薄膜在对摩面上紧密贴合，薄膜的大分子依照运动方向高度定位。初始的粘着一旦被滑块接触区周围的物料克服，材料定位。初始的粘着一旦被滑块接触区周围的物料克服，材料内部
35、的大分子就很容易被拉出结晶区而按滑动方向定向，这内部的大分子就很容易被拉出结晶区而按滑动方向定向，这不依赖于它们的结晶度或分子量，似乎主要与分子链的光滑不依赖于它们的结晶度或分子量，似乎主要与分子链的光滑外形有关。外形有关。很多研究指出，很多研究指出，摩擦过程中材料形成转移膜是摩擦过程中材料形成转移膜是PTFE摩擦摩擦的主要特性。的主要特性。第28页，此课件共49页哦主要缺点主要缺点 尽尽管管PTFE在在大大约约300以以下下具具有有非非常常低低的的摩摩擦擦系系数数，作为实际轴承材料，它有四个主要缺点：作为实际轴承材料，它有四个主要缺点：1)机械强度不够；机械强度不够；2)热传导性差；热传导性
36、差；3)热膨胀系数高；热膨胀系数高；4)在高速时，在高速时，0.3。若直接用若直接用PTFE作轴承材料，则它一定会发热、膨胀并粘作轴承材料，则它一定会发热、膨胀并粘住。如把它渗在多孔材料的表面上（如烧结铜），这些困难就可住。如把它渗在多孔材料的表面上（如烧结铜），这些困难就可以克服。以克服。第29页，此课件共49页哦PTFE高速滑动高速滑动在应用在应用PTFE时必须广泛使用填料，以期获得长的寿命时必须广泛使用填料，以期获得长的寿命和低的摩擦。无添加剂的纯和低的摩擦。无添加剂的纯PTFE无疑将继续被用在能避免摩无疑将继续被用在能避免摩擦过热的场合擦过热的场合。真空条件下使用。真空条件下使用100
37、的的PTFE表面，则会发表面，则会发生过度磨损。生过度磨损。第30页，此课件共49页哦金刚石金刚石 金刚石是人们所知的最硬金刚石是人们所知的最硬的材料。它压入和划伤最硬的材料。它压入和划伤最硬的金属及陶瓷时不产生永久的金属及陶瓷时不产生永久变形。它的屈服压力超过变形。它的屈服压力超过2000公斤毫米公斤毫米2，它的杨氏，它的杨氏模量约为钢的模量约为钢的4或或5倍。倍。载荷在载荷在570克范围以内，克范围以内，我们可以近似地写成：我们可以近似地写成：可由赫芝理论推出可由赫芝理论推出，这说明是弹性接触。，这说明是弹性接触。第31页，此课件共49页哦金刚石的摩擦金刚石的摩擦2)金金刚刚石石表表面面无
38、无论论是是彻彻底底洗洗净净和和清清除除了了油油渍渍的的、或或是是有有矿矿物油或脂肪酸覆盖的，其摩擦实际上都相同；物油或脂肪酸覆盖的，其摩擦实际上都相同；3)载荷减小时，摩擦系数上升；载荷减小时，摩擦系数上升；4)表明摩擦与方向性有明显关系。表明摩擦与方向性有明显关系。金刚石在空气中金刚石在空气中的摩擦有以下四种的摩擦有以下四种特征：特征：1)摩擦系数一摩擦系数一般是低的（般是低的（0.05）；）；金刚石针与金刚石的摩擦金刚石针与金刚石的摩擦 第32页，此课件共49页哦高真空高真空 高真空中加热到大约高真空中加热到大约700，许多污染膜清除掉，许多污染膜清除掉，值明显值明显地上升了。在空气中地上
39、升了。在空气中 0.40.6；而在真空中；而在真空中 13。真空中金刚石与清洁金属的摩擦真空中金刚石与清洁金属的摩擦 金刚石不可金刚石不可能发生连接能发生连接点的生长。点的生长。但金属塑性但金属塑性流动，可以流动，可以有大得多的有大得多的接触面积，接触面积，并伴随着高并伴随着高的摩擦系数。的摩擦系数。第33页，此课件共49页哦金刚石的高速摩擦金刚石的高速摩擦 高速情况下，由于金属大量地熔化，金刚石上覆高速情况下，由于金属大量地熔化，金刚石上覆盖一层薄的转移金属膜，这样，金属只碰到覆盖在金盖一层薄的转移金属膜，这样，金属只碰到覆盖在金刚石表面上的金属，与金刚石不能接触。然而在某临刚石表面上的金属
40、，与金刚石不能接触。然而在某临界滑动速度以下，摩擦产生的热不足以产生大规模的界滑动速度以下，摩擦产生的热不足以产生大规模的金属熔化。这时在金刚石表面上形成许多热点，热点金属熔化。这时在金刚石表面上形成许多热点，热点的温度由滑动金属的熔点决定。由于的温度由滑动金属的熔点决定。由于高温，金刚石转高温，金刚石转变成无定形碳变成无定形碳，这个过程在，这个过程在1000时是缓慢的，但超时是缓慢的，但超过过1600后就很快了后就很快了。所以金刚石的抛光大部分是由。所以金刚石的抛光大部分是由于一种碳形态的高温改变（石墨化）所致，于一种碳形态的高温改变（石墨化）所致，各种金属各种金属造成金刚石磨损的效果，随着
41、金属熔点的升高而迅速造成金刚石磨损的效果，随着金属熔点的升高而迅速增加。增加。第34页，此课件共49页哦金刚石材料的应用金刚石材料的应用 金刚石薄膜技术方面得到了很大发展。人们用金刚石薄膜技术方面得到了很大发展。人们用各种热化学方法在不同基体材料上制造出各种金刚各种热化学方法在不同基体材料上制造出各种金刚石薄膜，并使成本不断下降，目前已经得到了越来石薄膜，并使成本不断下降，目前已经得到了越来越广泛的应用。其中有一种叫类金刚石碳膜（越广泛的应用。其中有一种叫类金刚石碳膜（DLC膜膜）非常有应用前景。这种膜是）非常有应用前景。这种膜是金刚石与非晶态碳的金刚石与非晶态碳的混合体混合体，它的表面要比纯
42、金刚石膜的表面更平整、更，它的表面要比纯金刚石膜的表面更平整、更光滑，因此摩擦系数也更低。光滑，因此摩擦系数也更低。DLC膜已经在刀具及膜已经在刀具及磁介质（磁盘、磁头）等方面得到了迅速的应用磁介质（磁盘、磁头）等方面得到了迅速的应用。第35页，此课件共49页哦纳米金刚石颗粒纳米金刚石颗粒 1)纳米金刚石在摩擦界面上优异的承载能力；纳米金刚石在摩擦界面上优异的承载能力；2)纳纳米米金金刚刚石石的的小小尺尺寸寸效效应应，对对表表面面抛抛光光，形形成成一一层层金金刚刚石石固固体体边边界界润润滑膜；滑膜；3)纳纳米米金金刚刚石石的的球球形形和和准准球球形形可可在在摩摩擦擦表表面面形形成成滚滚珠珠轴轴
43、承承效效应应，表表现现出良好的润滑性，将滑动摩擦变成滚动摩擦；出良好的润滑性，将滑动摩擦变成滚动摩擦；4)金刚石在摩擦过程中，尤其在黑色金属摩擦副中，向石墨转金刚石在摩擦过程中，尤其在黑色金属摩擦副中，向石墨转变，可提高润滑性。变，可提高润滑性。结结果果表表明明，含含有有纳纳米米金金刚刚石石颗颗粒粒的的润润滑滑油油使使钢钢铁铁材材料料摩摩擦擦副副之之间间的的摩摩擦擦系系数数降降低低约约50%，使使得得动动力力消消耗耗明明显显减减少少。在在发发动动机机的的机机油油内内加加入入纳纳米米金金刚刚石石，加加入入量量0.1wt%，可可以以提提高高发发动动机机的的寿寿命命，油油料料节节约约10%左左右右。
44、对于纳米金刚石减摩耐磨机理研究尚没有明确结果，主要有如下观点：对于纳米金刚石减摩耐磨机理研究尚没有明确结果，主要有如下观点：第36页，此课件共49页哦冰的摩擦冰的摩擦 冰的摩擦特性是非常重要的，如车辆安全行使、娱乐业冰的摩擦特性是非常重要的，如车辆安全行使、娱乐业（滑冰、滑雪）以及破冰船的工作等都与冰雪的摩擦有关。尽（滑冰、滑雪）以及破冰船的工作等都与冰雪的摩擦有关。尽管冰的分子式很简单管冰的分子式很简单H2O，但它是结构最复杂的固体之一。，但它是结构最复杂的固体之一。温度的变化对冰的性能有很大影响。温度的变化对冰的性能有很大影响。冰粘附在金属上与它粘附在聚合物上看来是很不相同的。冰粘附在金属
45、上与它粘附在聚合物上看来是很不相同的。当当水在干净的金属表面结冰时，界面比冰本身强，裂缝发生在冰水在干净的金属表面结冰时，界面比冰本身强，裂缝发生在冰的内部的内部。金属表面污染的存在明显地使粘附力降低。对于聚合。金属表面污染的存在明显地使粘附力降低。对于聚合物材料，在一个宽广的温度范围内，界面力一般地小于整块物材料，在一个宽广的温度范围内，界面力一般地小于整块冰内部的内聚力，因而破裂确实发生在界面处。不管是金属冰内部的内聚力，因而破裂确实发生在界面处。不管是金属还是聚合物，实际粘附都与温度有关。对于聚合物，在还是聚合物，实际粘附都与温度有关。对于聚合物，在-15到到-30的范围内粘附对温度的相
46、关性似乎是消失了。的范围内粘附对温度的相关性似乎是消失了。第37页，此课件共49页哦冰的摩擦冰的摩擦第38页，此课件共49页哦冰的摩擦冰的摩擦 不同材料的雪橇在冰上的摩擦随速度的变化不同材料的雪橇在冰上的摩擦随速度的变化 第39页，此课件共49页哦冰的摩擦冰的摩擦冰的摩擦可概括为以下几点：冰的摩擦可概括为以下几点：1)在在冰冰点点以以下下，动动摩摩擦擦系系数数有有随随着着温温度度下下降降而而上升的趋势；上升的趋势；2)摩摩擦擦热热及及热热量量在在周周围围的的传传导导情情况况是是控控制制动动摩擦的主要机制；摩擦的主要机制；在冰点下几度内，光滑冰面与不同材料的在冰点下几度内，光滑冰面与不同材料的摩
47、擦系数一般为摩擦系数一般为0.010.05，但表面粗糙度的提，但表面粗糙度的提高会使摩擦增大。高会使摩擦增大。第40页，此课件共49页哦第三节第三节 层状固体的摩擦层状固体的摩擦 具有片状或层状结构的固体，由于它们有十分明显的具有片状或层状结构的固体，由于它们有十分明显的各向异性或方向性的性质，因而具有低的摩擦阻力。这类各向异性或方向性的性质，因而具有低的摩擦阻力。这类材料主要有石墨、二硫化钼、滑石、云母及氮化硼等，它材料主要有石墨、二硫化钼、滑石、云母及氮化硼等，它们也都是典型的固体润滑材料。们也都是典型的固体润滑材料。一、石墨一、石墨 第41页，此课件共49页哦石墨的摩擦石墨的摩擦 第42
48、页，此课件共49页哦二硫化钼二硫化钼 温温度度升升到到800以以上上，MoS2发发生生显显著著的的分分解解。这这样样就就剩剩下下了了固固体体钼钼，它它产产生生很高的摩擦，很高的摩擦，二硫化钼在真空中的二硫化钼在真空中的低摩擦使它特别适宜于太低摩擦使它特别适宜于太空中的应用。空中的应用。应用：在制造烧结金属零件应用：在制造烧结金属零件时使之含有时使之含有MoS2。MoS2作作为润滑脂和润滑油的主要为润滑脂和润滑油的主要耐磨添加剂也取得了很好耐磨添加剂也取得了很好的效果。的效果。第43页，此课件共49页哦减摩材料减摩材料 各种机器中许多摩擦副要求尽可能小的摩擦阻力，即尽量各种机器中许多摩擦副要求尽
49、可能小的摩擦阻力，即尽量低的摩擦系数，以降低摩擦损耗，提高使用效率；同时还要有低的摩擦系数，以降低摩擦损耗，提高使用效率；同时还要有较好的耐磨性，以保持机器的使用寿命和可靠性。较好的耐磨性，以保持机器的使用寿命和可靠性。对减摩材料的要求对减摩材料的要求 1)减摩性减摩性 2)耐磨性耐磨性 3)好的适应性和对异物的嵌藏性好的适应性和对异物的嵌藏性 4)足够的强度足够的强度 5)良好的物理、化学性能良好的物理、化学性能 6)工艺性好工艺性好 第44页，此课件共49页哦常用减摩材料常用减摩材料按按其其构构成成的的物物质质和和制制造造方方法法的的不不同同，减减摩摩材材料料有有以以下下几几类：类：1)轴
50、承合金；轴承合金；2)粉末冶金减摩材料；粉末冶金减摩材料；3)金属塑料减摩材料；金属塑料减摩材料；4)金属纤维减摩材料；金属纤维减摩材料；5)减摩铸铁；减摩铸铁；6)化学渗减摩层；化学渗减摩层；7)非金属减摩材料。非金属减摩材料。第45页，此课件共49页哦摩阻材料摩阻材料 摩阻材料又称（制动）摩擦材料，它是各种摩阻材料又称（制动）摩擦材料，它是各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之一。不用制动和传动装置，现代可缺少的材料之一。不用制动和传动装置，现代机器和机构就不能可靠地工作。由于各种机构的机器和机构就不能可靠地工作。由于各种机构