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1、摩 擦 学Tribology Lecturers:Nam P.Suh Nannaji Saka Text book:Suh,N.P.,Tribophysics,Prentice-Hall,1986 Suh,N.P.and Others,Tribophysics and Design of Tribological Systems(Manuscript)参考书参考书Mechanics Two 1 1/2 hour examination 考试考试 Term paper 报告报告 Homework 平时作业平时作业 课程安排邱丽芳邱丽芳参考书参考书 课程安排一一.学时安排学时安排:总学时总学时:3
2、2:32学时学时授课授课 :2424学时学时讨论课讨论课:习题与大作业、专题报告等习题与大作业、专题报告等 考试考试 :2:2学时学时 (开卷开卷)二二.成绩计算成绩计算:考试考试 讨论课发言讨论课发言 报告及论文报告及论文 平时作业平时作业 参考书参考书 课程安排1 温诗铸等，摩擦学原理，清华大学出版社，温诗铸等，摩擦学原理，清华大学出版社，2008，92 布尚（美），葛世荣译，摩擦学导论，机械工业出版社，布尚（美），葛世荣译，摩擦学导论，机械工业出版社，2007，13 张嗣伟，基础摩擦学，石油大学出版社，张嗣伟，基础摩擦学，石油大学出版社，2001，44 刘正林，摩擦学原理，高等教育出版社
3、，刘正林，摩擦学原理，高等教育出版社，2009，25 刘佐民，摩擦学理论与设计，武汉理工大学出版社，刘佐民，摩擦学理论与设计，武汉理工大学出版社，2009，96 谢友柏，摩擦学现代设计，科学出版社谢友柏，摩擦学现代设计，科学出版社 20067 谢友柏，张嗣伟，摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究，高等教育出版社谢友柏，张嗣伟，摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究，高等教育出版社 2009，38 郑林庆，摩擦学原理，高等教育出版社，郑林庆，摩擦学原理，高等教育出版社，1994Deals with friction,wear and lubricationTwo aspects Science
4、:Basic mechanisms Technology:Design,manufacture,maintenanceWhat is tribology?What is tribology?Economically very important-6%GDP(Jost)Probably more failures are caused by tribological problems than fracture,fatigue,plastic deformation,etc.Tribological problems are often related to systems issues.Exa
5、mples of tribological problems International Space Station Beta Gimbal Assembly Failure Drive sprockets,idlers,rollers,Grouser shoes Pin Joints Electrical Connectors Example:Electrical ConnectorFigure by MIT OCW.Example:Electrical ConnectorThese conventional electrical connectors are coupled Design.
6、Coupled designs are not robust,difficult to manufacture,lack long-term stability,sensitive to slight variations,difficult to decompose,etc.Four Elements of Tribology Surface interactions with its environment,including lubrication and lubricants Generation and transmission of forces at the interface
7、Response of materials to the force generated at the interface Design of tribological systems Some of the Basic Questions What is friction?How is the friction force generated?What is the coefficient of friction?How do materials wear?What is the effect of the applied load on friction and wear?What is
8、the role of lubricant?How does a pin-joint seize?Why does it take so much force to insert electrical contacts?How do you lower friction?How should we reduce the wear rate of materials?第一章 绪 论 1-1 摩擦学定义及其发展 1-2 摩擦学研究范围1-3 摩擦学问题的特点 1-1 摩擦学及其发展 一、定义：研究相对运动、相互作用表面的科学以及有关的应用技术。机械设计中，常常由于摩擦、磨损和润滑问题处理不当，造成
9、巨大的浪费。据估计，世界上总的能源约有l3l2为摩擦损耗，一般机械中磨损失效的零部件约占全部报废零部件的80%。1-1 摩擦学及其发展 一、定义：What is friction?Friction is a result of energy dissipation at the(sliding)interface.Friction force:where F and s are vectors.Friction is affected by the following:1.Presence of wear particles and externally introduced particle
10、s at the sliding interface 2.Relative hardness of the materials in contact3.Externally applied load and/or displacement 4.Environmental conditions such as temperature and lubricants5.Surface topography 6.Microstructure or morphology of materials7.Apparent contact area 8.Kinematics of the surfaces in
11、 contact(i.e.,the direction and the magnitude of the relative motion between the surfaces)What is the coefficient of friction?Friction coefficient is defined as Is it a material property?What is Coulomb friction?Coulomb friction is defined asFriction force is proportional to normal load.That is,the
12、coefficient of friction is constant.Does the normal load always increase friction force?Can the friction force finite when the normal load is absent?Is the friction coefficient constant?Is the friction coefficient constant?Is the friction coefficient constant?Is the friction coefficient constant?Is
13、the friction coefficient constant?Scale issues in tribology How do we measure friction?Macroscale Friction TestFriction tester under constant normal load Geometrically constrained system Microscale and Nanoscale Friction TestAtomic force microscope(AFM)Scanning probe microscope(SPM)etc.Friction at N
14、ano-and Micro-scale Contacts Important in hard disk Nanoscale contacts 10 nm Interatomic forces 0.07(MD simulation results)Microscale 10 m 0.7 to 1 Surface energy,meniscus,and adhesion at the interface 二、摩擦学发展摩擦学概念自古既有：钻木取火 摩擦生热运输重物时垫圆木、制冰润滑秦汉车轴中发现动物脂肪1-1 摩擦学及其发展 现代摩擦学理论始于60年代：1966年英国乔斯特(HPJost)报告 依
15、靠摩擦学教育和研究方面的各项改进措施，英国每年可节约5亿英镑以上。根据1976年的估计，运用摩擦学现有知识，美国每年可节约160亿美元，德国每年可节约100亿马克。1984年我国工矿企业可以节约176.4亿元人民币，到2000年，每年可节约400亿元人民币。1-1 摩擦学及其发展 1、摩擦与磨损机理 2、润滑理论 3、摩擦学测试技术与工况监测4、材料及表面处理工艺 5、润滑材料 6、生物工程研究 7、纳米摩擦学问题8、特殊条件下的摩擦学问题9、摩擦学数据库与知识库 1-2 摩擦学研究范围 研究相对运动中相互作用表面间的物理、化学、冶金和机械作用，探讨材料表面间摩擦与磨损机理，表面在摩擦过程中的
16、物理化学性能变化，以便更好地控制和预测磨损过程。1、摩擦与磨损机理 研究流体动压润滑、流体静压润滑、弹性流体动压润滑、边界润滑及混合润滑的理论。目前对润滑理论的研究主要集中在指导机械零部件的润滑设计方面，特别是在高温、高速、恶劣环境及极端工况等具体条件下的机械零部件润滑设计计算方面。2、润滑理论 由于机械设备日益向超大型化、自动化发展，它可以作为一个复杂工程系统来研究。该系统由结构与功能连接而成的许多摩擦副和元件组成，从而能够更好地对该系统进行结构设计、材料选择、磨损预测、工况监测、故障分析及性能试验等等。近年来在摩擦学研究方法和测试技术方面的发展趋势是：由宏观表面进入微观表面的研究，从定性分
17、析到定量计算，从单因素的研究进入到多因素的综合研究，从静态研究发展到动态研究。3、摩擦学测试技术与工况监测 目前从机械零件表面几何形状的改变到磨屑尺寸，数量及形貌特征均能实现监测。巳使用振动与噪声监测仪、放射性同位素分析仪、光谱仪。x射线荧光分析仪、扫描电子显微镜、电子探针，铁谱仪、磁塞等多种方法和仪器对机械设备工作状况进行有效的监测。3、摩擦学测试技术与工况监测 为了改善机械零件表面摩擦磨损性能，目前发展了大量新型材料和新的表面处理工艺。例如，研制陶瓷材料代替金属，或作为涂层使用，它具有耐熔、绝缘、耐浸蚀、耐磨、抗氧化和耐腐蚀等特性。4、材料及表面处理工艺 航空、航天、原子能、机械、汽车等技
18、术的发展，加速了新的合成润滑材料的发展。在高温、低温、强辐射、高载荷的特殊环境下，或在不便于使用液体润滑剂的食品工业等部门，新的固体润滑剂得到越来越广泛的应用。5、润滑材料 通过模拟人体机构的摩擦学原理研制人造结构代替人体损伤部位，例如：研制人造心脏瓣膜。研究人体运动部位的摩擦学功能，医治人体疾病，例如：医治关节炎。研究特殊生物的摩擦学功能，仿制具有类似功能的机械或改造现有机械，例如：设计功能较完善的机器人，研究海豚皮肤结构，改进舰船结构设计。6、生物工程研究7、纳米摩擦学问题 上世纪九十年代，学术界明确提出了微观摩擦学和纳米摩擦学的概念，然而在研究对象和研究方法上两者并无不同。纳米摩擦学旨在
19、原子、分子和纳米尺度下研究摩擦界面之间的摩擦、磨损与粘着行为及机理，设计与制备纳米尺度上的润滑剂和分子级超薄润滑膜，利用LB膜技术、AFM或FFM等现代表面分析技术揭示边界润滑剂的作用机理，并用计算机进行分子动力学模拟，即建立一个包含大量粒子的离散系统，建立数学和物理模型来模拟摩擦界面现象。8、特殊条件下的摩擦学问题 为了适应核工业、航天技术、海洋工程及其它高新技术的发展，在特殊条件下的摩擦学研究已经取得重大进展，包括高低温、真空、辐射或腐蚀介质中的磨损与润滑问题。此外，磁性存储装置的摩擦与润滑，带电条件下的磨损问题，以及生物工程中的人工关节和心脏瓣膜的研究也是现代摩擦学研究的重要领域。1-3
20、 摩擦学问题的特点1、摩擦学行为具有系统依赖性2、摩擦学元素特性的时间依赖性3、摩擦学行为是多个学科行为间强耦合结果摩擦学行为具有系统依赖性 发生在相对运动、相互作用表面和表面间的各种行为是摩擦学研究的内容，统称为摩擦学行为。表面的相对运动、相互作用是这些行为的原因，而行为的结果则是人们看到的各种与摩擦学有关的现象。摩擦学行为的内容十分复杂。是指简单系统(见图1-1)以及由简单系统所构成的任何更为复杂的系统（见图1-2），其行为已不能由任何一个构成它的元素来实现。图1-1 最简单的摩擦学系统系统依赖性图1-2 与构成构件的材料相比，构成摩擦副的任何一个元素的材料承受更为严酷的载荷：在非常小的尺
21、度范围内(表面不平)传递与构件整体所传递的相同的载荷，载荷密度极大；传递是在异构表面间实现的，不同于在同一材料内部的传递；同时存在相对运动，加剧了载荷的作用；而相对运动产生的高温则从物理和化学方面推动了变化的过程，如图1-3所示。摩擦学元素特性的时间依赖性图1-3 这种由表面相对运动和相互作用引起的变化，其速度大大超过构件中由其它行为导致的变化。因此，过去通常作为时不变处理的系统，在摩擦学分析和摩擦学设计时，就必须作为时时变变对对象象处理。在系统整个生命周期中，变化的速度也常常分成如图1-4所示几个大小不等的阶相对运动和相互作用引起的变化，其速度大大超过构件中由其它行为导致的变化。图1-4 因
22、此，过去通常作为时不变处理的系统，在摩擦学分析和摩擦学设计时，就必须作为时变对象处理。在系统整个生命周期中，变化的速度也常常分成如图1-4所示几个大小不等的阶段。也有另外一些系统具有更复杂的变化规律。摩擦学所要着重研究的内容之一，正是这种时变规律。如图1-1所示的最简单的摩擦学系统而言：n两个表面及两表面介质之间的相对运动和相互作用是力学行为；n由此耗散的机械能转变为热能、热能向周边的传递并形成稳定的和不稳定的温度场是热力学和传热学行为；n表面及表面间介质材料的分子相互作用及转移是物理学行为；摩擦学行为是多个学科行为间强耦合结果n表面及表面间介质材料的离子级和原子级相互作用是化学行为；n如果两
23、表面间存在电场和(或)磁场，则这些外场将导致电磁学行为，主要包括产生引力或斥力、导致表面和表面间材料分子排列的变化、导致表面材料中产生涡流和热等。以上这些行为之间存在相互强耦合作用。当孤立地研究其中任何一个行为时，可以采用其所从属的学科的理论和方法。而摩擦学的理论就是研究“在摩擦学环境下，它们之间相互耦合作用的规律”。这种规律“不是任何一个其它学科所能给出的”。了解摩擦、磨损和润滑的基本原理；控制摩擦、减轻磨损、改善润滑；你希望了解摩擦学的哪些内容；What is friction?How is the friction force generated?What is the coefficient of friction?How do materials wear?What is the role of lubricant?How do you lower friction?How should we reduce the wear rate of materials?