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1、摩擦磨损润滑摩擦磨损润滑第1页，本讲稿共44页章 头 摩擦、磨损、润滑是一种古老的技术，但一直未成为一种独立的学科。1964年英国以乔斯特为首的一个小组，受英国科研与教育部的委托，调查了润滑方面的科研与教育状况及工业在这方面的需求。于1966年提出了一项调查报告。这项报告提到，通过充分运用摩擦学的原理与知识，就可以使英国工业每年节约510,000,000英镑，相当于英国国民生产总值的1%。这项报告引起了英国政府和工业部门的重视，同年英国开始将摩擦、磨损、润滑及有关的科学技术归并为一门新学科-摩擦学（Tribology）。摩擦学：“研究相互作用、相互运动表面的科学技术。”第2页，本讲稿共44页1
2、摩擦、摩擦力：摩擦、摩擦力：在外力作用外力作用下，一物体相对于另一物体运动运动或有运动趋势或有运动趋势时，在接触表面上所产生的切向阻力叫摩擦力，这一现象叫摩擦。2.磨磨损损：由由于于摩摩擦擦引引起起的的摩摩擦擦能能耗耗和和导导致致表表面面材材料料的的不不断断损损耗耗或或转转移移，形成形成磨损磨损。表现：物质丧失或转移。表现：物质丧失或转移。多多数数情情况况是是有有害害的的：能量损失、效率降低、温度升高；造成零件形状和尺寸改变、失去精度、产生振动和噪声。工业中30%能量被摩擦损耗，由于磨损原因失效占失效总零件的80%。措措施施：润滑；用减摩材料（具有较小的摩擦阻力）或耐磨材料制造。有有些些情情况
3、况摩摩擦擦是是有有益益的的：摩擦传动、磨床、摩擦离合器、摩擦制动器等。是利用摩擦来工作的。此时需增大摩擦力，应选耐磨材料制造（摩擦副磨损较轻）。第3页，本讲稿共44页l增大摩擦：用耐磨材料，磨损轻；l减小摩擦：用减摩材料，摩擦系数小，如轴瓦和轴颈。3.润滑：润滑：是减轻摩擦和磨损所应采取的是减轻摩擦和磨损所应采取的措施措施。是控制摩擦、降是控制摩擦、降低磨损、减少能量损失、提高效率保证机器可靠工作的一低磨损、减少能量损失、提高效率保证机器可靠工作的一种有效手段。种有效手段。第4页，本讲稿共44页4.1摩擦的种类及其基本性质摩擦的种类及其基本性质1.1.种类：四种滑动摩擦状态种类：四种滑动摩擦状
4、态（1）干摩擦：）干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。的摩擦。直接接触、凸峰接触。直接接触、凸峰接触。现实中真正的干摩擦很少见：氧化膜（空气中氧化）、脏污现实中真正的干摩擦很少见：氧化膜（空气中氧化）、脏污膜（受到油污）。膜（受到油污）。工程上把不人为添加润滑剂的摩擦叫干摩擦。工程上把不人为添加润滑剂的摩擦叫干摩擦。（如课程设计中不考虑润滑）（如课程设计中不考虑润滑）第5页，本讲稿共44页（2）边界摩擦：）边界摩擦：摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。
5、擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。膜厚0.10.2微米表面粗糙度的凸峰，会把油膜穿破。第6页，本讲稿共44页（3）流体摩擦：流体摩擦：摩擦表面被流体膜隔开，摩擦摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体性质取决于流体内部分子间粘性阻力内部分子间粘性阻力的摩擦。的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。生，是理想的摩擦状态。液体有粘度，摩擦力属液体内摩擦力，磨损基本液体有粘度，摩擦力属液体内摩擦力，磨损基本不会发生。不会发生。第7页，本讲稿共44页（4）混合摩擦）混合摩擦：摩擦表面间处于边界摩擦和流：摩擦表面间处于边界摩
6、擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。全液体摩擦。第8页，本讲稿共44页2.各种摩擦的性质各种摩擦的性质l干摩擦摩擦阻力最大，磨损最严重，零件寿命最短，应力求避免；l流体摩擦的摩擦阻力最小，没有磨损，使用寿命长，但必须在一定的工况下才能实现；l边界摩擦和混合摩擦能有效地降低摩擦阻力、减轻磨损、提高承载能力和延长零件使用寿命。要求低摩擦的摩擦副，流体摩擦是最理
7、想的状态，维持边界摩擦和混合摩擦是最低要求；要求高摩擦的摩擦副，大多处于干摩擦或边界摩擦状态。第9页，本讲稿共44页各种摩擦均在一定的润滑条件下，常常称为：边界摩擦边界摩擦边界润滑边界润滑流体摩擦流体摩擦流体润滑流体润滑混合摩擦混合摩擦混合润滑混合润滑固体润滑：固体润滑：载荷很大、温度很高或很低时常采用。载荷很大、温度很高或很低时常采用。石墨、二硫化钼等。例如：南极考察车。石墨、二硫化钼等。例如：南极考察车。各种摩擦状态的摩擦系数各种摩擦状态的摩擦系数表表4.1。第10页，本讲稿共44页3摩擦特性曲线流体摩擦混合摩擦hn/p摩擦特性曲线摩擦系数m边界摩擦 随着轴承数的变化，摩擦副的润滑状态跟着
8、变化。当轴承数增大时，由边界摩擦过渡到混合摩擦、流体摩擦。摩擦系数在边界摩擦区和混合摩擦区由大变小，但在流体摩擦区，随着轴承数的增大流体运动阻力增大，摩擦系数缓慢增大。边界润滑时最小油膜厚度趋于零，混合润滑式近似等于粗糙度，流体润滑时油膜厚度大于粗糙度。第11页，本讲稿共44页4.磨损曲线磨损曲线磨损曲线磨损率e胶合磨损边界润滑混合润滑流体润滑第一临界温度第二临界温度咬死FyFz载荷F 随着载荷的增加，摩擦副分别处于不同的润滑状态。当载荷小于Fy时，磨损率较低，能保持一定的工作寿命。增大载荷，工作温度随之增加，摩擦副将发生胶合磨损甚至咬死。含有极压添加剂的润滑油的磨损曲线为虚线所示。第12页，
9、本讲稿共44页4.2 干摩擦干摩擦 摩擦理论：摩擦理论：库仑公式库仑公式 新理论：分子新理论：分子机械理论、能量理论、粘着理论等机械理论、能量理论、粘着理论等。简单粘着理论：简单粘着理论：表观接触面积表观接触面积真实接触面积真实接触面积摩擦力摩擦力真实接触面积真实接触面积摩擦系数摩擦系数左式表明：（1）摩擦系数与表观接触面积无关；（2）在不改变 的前提下，设法减小可降低摩擦系数。应用这一理论，在硬金属表面涂一层软金属膜则 减小，从而减小摩擦系数。第13页，本讲稿共44页4.3边界摩擦润滑边界摩擦润滑物理吸附膜物理吸附膜：常温、轻载、低速常温、轻载、低速 化学吸附膜化学吸附膜：中等载荷、速度和温
10、度中等载荷、速度和温度 化学反应膜化学反应膜：重载、高速和高温重载、高速和高温 边边界界膜膜（1）物理吸附膜物理吸附膜：润滑油中的极性分子与金属表面相互吸引而形成：润滑油中的极性分子与金属表面相互吸引而形成的吸附膜。教材图的吸附膜。教材图4.7、图、图4.8、图、图4.9。温度对物理吸附膜的影响较大。温度对物理吸附膜的影响较大。工作条件：工作条件：常温、轻载、低速。常温、轻载、低速。（2）化学吸附膜化学吸附膜：靠油中的分子键与金属表面形成的吸附。稳定性好，：靠油中的分子键与金属表面形成的吸附。稳定性好，受热后熔化温度较高。受热后熔化温度较高。工作条件：中等载荷、速度和温度工作条件：中等载荷、速
11、度和温度（3）化学反应膜化学反应膜：油中加入的：油中加入的 硫、磷、氯等添加剂与金属表面进行的硫、磷、氯等添加剂与金属表面进行的化学化学反应反应而形成的膜。而形成的膜。工作条件：重载、高速和高温工作条件：重载、高速和高温 第14页，本讲稿共44页润滑油的润滑油的 油性油性：润滑油容易和金属形成物理吸附膜和化学吸附膜的能力；极压性极压性：润滑油容易和金属形成化学反应膜的能力。第15页，本讲稿共44页提高边界膜强度的措施：提高边界膜强度的措施：图4.10 合理选择摩擦副材料和润滑剂、降低表面粗糙度值、加入油性润滑剂和极压润滑剂等都能提高边界膜强度。第16页，本讲稿共44页4.4磨损磨损1.概念概念
12、：摩擦表面的物质不断损失的现象称为磨损。2正常磨损正常磨损：在规定年限内磨损量不超过允许值；过度磨损过度磨损：超过允许值。3.有益磨损有益磨损：如新机器的跑合。4.磨损率磨损率：单位时间（行程、每一转等）的材料磨损量。控制磨损率的措施控制磨损率的措施：（1）进行表面磨损强度计算：pvpv；pp；vv；（2）选择合适的摩擦副材料。第17页，本讲稿共44页5.耐磨性：磨损率的倒数1/，表示磨损中材料抵抗脱落的能力。6.磨损过程：图4.11 通过跑合，改变机器的三性：适应性、表面形貌、摩擦相容性。适应性：滑动轴承能自行适应轴的挠曲和不对中而保持正常运转的性能；固体表面的微观几何形状称为表面形貌；配对
13、摩擦材料抵抗粘着磨损的性能为摩擦相容性第18页，本讲稿共44页跑合后，峰顶降低，峰顶半径增大，利于增大接触面积，降低磨损速度。跑合要求跑合要求：由轻至重、缓慢加载，保持润滑油清洁。稳定磨损阶段稳定磨损阶段：磨损率低，代表零件的寿命；剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段：零件经若干使用时间后，精度下降、间隙增大、润滑状况恶化，产生振动、冲击和噪声，磨损加剧、温度升高、零件迅速报废。第19页，本讲稿共44页正确的做法：（1）初期按跑合工艺进行试运转；（2）稳定磨损阶段：加强润滑维护，延长工作期；（3）剧烈磨损阶段：及时更换易磨损件。第20页，本讲稿共44页磨损的类型磨损的类型1、粘着磨损、粘着磨损 2、磨粒磨
14、损、磨粒磨损 3、表面疲劳磨损、表面疲劳磨损 4、腐蚀磨损、腐蚀磨损 5、其它磨损、其它磨损 1)侵蚀磨损侵蚀磨损2)微动磨损微动磨损其中的胶合是高速重载接触副常见的失效形式。其中的胶合是高速重载接触副常见的失效形式。硬度越大的材料磨损量越小。硬度越大的材料磨损量越小。滚动轴承和齿轮传动中常见。滚动轴承和齿轮传动中常见。某些滑动轴承材料中会存在腐蚀磨损。某些滑动轴承材料中会存在腐蚀磨损。水泵零件、水轮机叶片、火箭尾部喷水泵零件、水轮机叶片、火箭尾部喷管等有气蚀磨损和冲蚀磨损。管等有气蚀磨损和冲蚀磨损。轴孔的过盈配合面，螺纹等联接件的轴孔的过盈配合面，螺纹等联接件的接合面等。接合面等。第21页，
15、本讲稿共44页4.4.1粘着磨损粘着磨损1.定义定义：在切向力作用下，摩擦副表面的吸附膜和脏污膜遭到破坏，表面的轮廓峰在相互作用的各点处发生冷焊，由于相对运动，材料从一个零件表面转移到另一个零件表面，形成粘着磨损。2.按破坏程度可分为五级按破坏程度可分为五级：轻微磨损、涂抹、划伤、撕脱、咬死，其中后三种为严重的粘着磨损，又称为胶合。第22页，本讲稿共44页 3.影响粘着磨损的因素影响粘着磨损的因素(1)材料性质材料性质脆性材料的抗粘着磨损能力比塑性材料高。塑性材料的粘着破坏常发生在表层深处，磨屑的颗粒大；而脆性材料的粘着破坏常发生在表层浅处，磨屑的颗粒细小。材料的屈服点或硬度愈高，其抗粘着磨损
16、能力也愈强。不同材料或互溶性小的材料组成的摩擦副，比相同材料或互溶性大的材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高，如铁与镍、铝相溶，则不能配对成摩擦副；铅、锡、银、铟与铁不相溶，所以常用这几种金属的合金作轴瓦。金属与非金属（如石墨、塑料等）组成的摩擦副比金属摩擦副的抗粘着磨损性能好。(2)表层性质表层性质采用表面处理工艺使摩擦副对偶表面互溶性减少，从而避免同种金属相互接触，可提高抗粘着磨损能力。如电镀、表面化学热处理、表面合金沉积、喷镀、刷镀等工艺，都可提高抗粘着磨损能力。(3)表面平均压力表面平均压力表面平均压力，即法向载荷除以名义接触面积。当表面平均压力低于时，相互接触的微峰下的塑性变形区相互作
17、用，整个表层都呈塑性流动状态，这时实际接触面积不再随法向载荷的增加而增大，极易出现胶合磨损现象。第23页，本讲稿共44页(4)滑动速度滑动速度在表面平均压力一定的情况下，粘着磨损和磨损率随滑动速度的增大而增大，到了某一极大值后，又随滑动速度的增大而减小。有时随滑动速度的变化，磨损类型也发生变化。产生上述现象是因为最初滑动速度的增大主要使表面温度升高而将部分表面膜破坏和使摩擦副的强度降低，粘着磨损增加，相应其磨损率也就增大；当因速度增大而使表面温度高于某一值后，在表面易形成一层氧化膜而阻止金属表面的大面积接触，一从而使粘着磨损减少，相应其磨损率也就减小。另一方面，因滑动速度升高而产生热量使表层软
18、化而基体并不软化，也可使磨损减轻。(5)温度温度温度对粘着磨损的影响主要表现在三个方面：一是破坏表面膜，使之产生新生面的直接接触；二是使金属处于回火状态，降低了表面硬度；三是使材料局部区域温升过高，以致该区域摩擦副对偶表面产生熔化。这三点都将促使粘着磨损产生并加重，故选用热稳定性高的金属材料（如硬质合金等）或加强冷却等措施，是防止因温升而产生粘着磨损的有效办法。第24页，本讲稿共44页(6)表面粗糙度表面粗糙度一般说来，摩擦副对偶表面粗糙度值越小，其抗粘着磨损能力就越强。但过分地降低表面粗糙度值，因润滑剂在对偶表面间难以储存又会促进粘着磨损。新机器的合理跑合是降低表面粗糙度值，减少早期粘着磨损
19、的有效措施之一。(7)润滑润滑润滑状态对粘着磨损的影响很大，如边界润滑状态下的粘着磨损比液体润滑严重，而液体动压润滑状态下的粘着磨损比液体静压润滑大些。这是由于摩擦副两对偶表面间润滑膜的作用特性不同而决定的。若在润滑剂中加入极压添加剂，即使在同样的润滑状态下，也能成倍地提高相对耐磨性。第25页，本讲稿共44页4.4.2表面疲劳磨损表面疲劳磨损 在交变接触应力作用下，如果该应力超过材料相应的接触疲劳极限，就会在摩擦幅表面以下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展及相互连接，金属微粒便从零件工作表面上脱落，导致表面出现麻点状损伤现象，即形成疲劳磨损或称疲劳点蚀。第26页，本讲稿共44页第五节磨损表
20、面疲劳磨损表面疲劳磨损影响因素影响因素a.表面粗糙度-影响初始裂纹b.润滑油粘度c.表面硬度。例：轮齿表面d.曲率半径章 头表面粗糙度越小，疲劳寿命越高。第27页，本讲稿共44页疲劳点蚀过程疲劳点蚀过程sHsH第28页，本讲稿共44页润滑油对疲劳强度的影响润滑油对疲劳强度的影响s sH润滑油第29页，本讲稿共44页FF曲率半径对曲率半径对s sH影响影响sHsH第30页，本讲稿共44页4.4.3磨粒磨损磨粒磨损1)定义：硬质颗粒或表面的硬质突出物在摩擦过程中引起材料脱落的现象。如犁铧和土壤的磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。硬质颗粒2)影响因素：硬度，图4.15 不同材料对磨损
21、影响不同。第31页，本讲稿共44页l长期在低应力下工作的零件，选硬度较高的钢，整体淬火+低温回火（如犁铧）。不会强度失效，主要是磨损，如用65SiMn钢。l在高应力和冲击下工作的零件，如汽车中的齿轮，选韧性好、冷作硬化的钢（表面硬、芯部韧），如20CrMnTi渗碳淬火。l在凿削下工作的零件，选一定硬度和高韧性的钢（工具钢），淬火+低温回火。第32页，本讲稿共44页3.措施措施l合理选材和热处理；l使摩擦表面的硬度大于磨粒的硬度；l加强润滑，把磨粒从摩擦表面带走；l加强密封，不让磨粒进入摩擦表面。第33页，本讲稿共44页4.4.4腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀磨损：腐蚀磨损：是指摩擦副对偶表面在相对滑动过
22、程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。第34页，本讲稿共44页常见的腐蚀磨损有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损。1氧化磨损 除金、铂等少数金属外，大多数金属表面都被氧化膜覆盖着，纯净金属瞬间即与空气中的氧起反应而生成单分子层的氧化膜，且膜的厚度逐渐增长，增长的速度随时间以指数规律减小，当形成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，可见氧化磨损是由氧化和机械磨损两个作用相继进行的过程。同时应指出的是，一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧
23、化磨损能起到保护摩擦副的作用。2.特殊介质腐蚀磨损 在摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损，称为殊殊介质腐蚀磨损。其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损率较大，磨损痕迹较深。金属表面也可能与某些特殊介质起作用而生成耐磨性较好的保护膜。第35页，本讲稿共44页减轻腐蚀磨损的措施：减轻腐蚀磨损的措施：l采用耐腐蚀材料制造零件（如不锈钢）l把零件和腐蚀介质隔开l表面处理，如电镀、发蓝、喷漆等l按时更换润滑油第36页，本讲稿共44页4.5流体摩擦润滑流体摩擦润滑l特点：不直接接触，摩擦发生于液体内部，摩擦力为流体内摩擦力。粘度越大，摩擦力越大。l要维持流体润滑，必须在两滑动表面间建立
24、压力油膜，建立压力油膜是形成流体润滑的必要条件。l按照建立油膜的原理不同，可分为三种:流体动力润滑流体动力润滑弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑流体静力润滑流体静力润滑第37页，本讲稿共44页4.5.1流体动力润滑流体动力润滑 流体动力润滑是指两个作相对运动物体的流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。力来平衡外载荷。两板面对面接触，低副，平板距离要大于两板面对面接触，低副，平板距离要大于表面粗糙度。表面粗糙度。第38页，本讲
25、稿共44页形成流体动力润滑的基本条件：形成流体动力润滑的基本条件：要形成收敛性油楔，润滑油从大端入从小端出；两摩擦表面要有一定的相对速度；两摩擦表面间要有供应充足的有一定粘度的润滑油。第39页，本讲稿共44页vvvv下列情况能否形成流体动力润滑？下列情况能否形成流体动力润滑？第40页，本讲稿共44页流体动力润滑流体动力润滑 液体动力润滑液体动力润滑 气体动力润滑气体动力润滑 第41页，本讲稿共44页4.5.2 弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑l滑动轴承：低副、面接触、压强不大（10MPa）l高副中：压强P大、液体粘度增加、表面弹性变形l在流体动力润滑的基础上考虑弹性变形和压力对粘度的影响则为弹
26、性流体动力润滑。当油膜很薄进一步考虑表面形貌峰顶干扰的影响时成为部分弹流润滑。粘压关系方程：第42页，本讲稿共44页4.5.3流体静力润滑流体静力润滑利用外部供油的润滑。利用外部供油的润滑。借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式。滑方式。特点：特点：速度适用范围广；速度适用范围广；使用寿命长精度高；使用寿命长精度高；承载能力大抗振性好；承载能力大抗振性好；不依赖流体粘度；不依赖流体粘度；费用较高。费用较高。应用：应用：重载精密高效机器上的轴重载精密高效机器上的轴承、导轨、蜗杆副、传动承、导轨、蜗杆副、传动螺旋等零件。螺旋等零件。第43页，本讲稿共44页4.6膜厚比与润滑状态膜厚比与润滑状态 最小油膜厚度；接触表面均方根偏差；膜厚比是最小油膜厚度与表面粗糙度之比，是估计润滑状态的简单判据。1 边界润滑；1 3 混合润滑或部分弹流润滑；3 完全弹流润滑或流体润滑。4.7润滑剂、添加剂润滑剂、添加剂看教材看教材4.8润滑油粘度润滑油粘度看教材看教材第44页，本讲稿共44页