《現(xiàn)代設計理論與方法》研究生課件,現(xiàn)代設計理論與方法,現(xiàn)代,設計,理論,方法,研究生,課件 第第11章摩擦學設計章摩擦學設計(1)TribologyDesign內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介第第11章章摩擦學設計摩擦學設計 摩擦學摩擦學摩擦學摩擦學（TribologyTribology）是是近近 40年來發(fā)展起來的年來發(fā)展起來的一門新的邊緣學一門新的邊緣學一門新的邊緣學一門新的邊緣學科科科科。它是它是它是它是有關(guān)有關(guān)摩擦摩擦、磨損磨損與與潤滑科學潤滑科學的總稱，的總稱，是研究是研究是研究是研究相互接觸的摩相互接觸的摩擦表面之間的擦表面之間的摩擦摩擦和和磨損磨損的有關(guān)科學和技術(shù)的的有關(guān)科學和技術(shù)的一門學科一門學科一門學科一門學科。由于在由于在機械產(chǎn)品機械產(chǎn)品及其及其零部零部件的設計中，需要應用和處理大量的件的設計中，需要應用和處理大量的摩擦學問題摩擦學問題摩擦學問題摩擦學問題，因而也就誕生了，因而也就誕生了摩擦學設計摩擦學設計。本章本章本章本章主要介紹了主要介紹了如下方面內(nèi)容如下方面內(nèi)容如下方面內(nèi)容如下方面內(nèi)容：摩擦學的概念及摩擦學設計內(nèi)容摩擦學的概念及摩擦學設計內(nèi)容 金屬表面的金屬表面的摩擦和磨損摩擦和磨損摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇潤滑和潤滑系統(tǒng)設計潤滑和潤滑系統(tǒng)設計摩擦學系統(tǒng)的監(jiān)測與診斷技術(shù)摩擦學系統(tǒng)的監(jiān)測與診斷技術(shù)11.1 摩擦學設計概述摩擦學設計概述 摩擦學摩擦學摩擦學摩擦學（TribologyTribology）是是近近40年來發(fā)展起來的年來發(fā)展起來的一門新的邊緣學科一門新的邊緣學科。它是它是它是它是有關(guān)有關(guān)摩擦摩擦、磨損磨損與與潤滑科學潤滑科學的總稱，的總稱，是研究是研究相互接觸的摩擦表相互接觸的摩擦表面之間的面之間的摩擦摩擦和和磨損磨損的有關(guān)科學和技術(shù)的一門學科。的有關(guān)科學和技術(shù)的一門學科。摩擦摩擦摩擦摩擦是現(xiàn)象，是現(xiàn)象，磨損磨損磨損磨損是是摩擦摩擦摩擦摩擦的結(jié)果，的結(jié)果，潤滑潤滑潤滑潤滑是是降低摩擦降低摩擦、減少磨損減少磨損的重的重要措施。因此，要措施。因此，摩擦摩擦、磨損與潤滑磨損與潤滑三者有著三者有著十分密切的關(guān)系十分密切的關(guān)系。任任何何機機器器的的運運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)都都依依賴賴其其其其零零零零件件件件副副副副的的相相相相對對對對運運運運動動動動來來實實現(xiàn)現(xiàn)。而而零零件件的的相相相相對對對對運動運動運動運動必然會產(chǎn)生必然會產(chǎn)生摩擦摩擦摩擦摩擦和和磨損磨損磨損磨損。為為了了減減少少摩摩擦擦或或降降低低磨磨損損，最最有有效效的的手手段段是是采采采采用用用用潤潤潤潤滑滑滑滑。因因此此，解解決決摩摩摩摩擦擦擦擦、磨磨磨磨損損損損和和潤潤潤潤滑滑滑滑問問問問題題題題就就成成為為機機械械及及大大多多數(shù)數(shù)技技術(shù)術(shù)部部門門最最普普遍遍和和最最重重要要的的問題問題之一。之一。摩擦學摩擦學摩擦學摩擦學問世于問世于1966年，它是世界上近幾十年中發(fā)展最快的學科之年，它是世界上近幾十年中發(fā)展最快的學科之一，這主要是由于一，這主要是由于摩擦學的研究摩擦學的研究對于國民經(jīng)濟具有十分重要的意義。對于國民經(jīng)濟具有十分重要的意義。由于全世界約有由于全世界約有 1/21/3的能源的能源以各種形式消耗在以各種形式消耗在摩擦摩擦上，而上，而摩摩擦擦導致導致磨損磨損是是機械設備失效機械設備失效的主要原因，大約有的主要原因，大約有80的損壞零件的損壞零件是由是由于于各種形式的磨損各種形式的磨損引起的。引起的。由于由于摩擦學摩擦學摩擦學摩擦學對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的巨大影響，因而自這門對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的巨大影響，因而自這門學科與學科與1966年一經(jīng)提出，就迅速引起年一經(jīng)提出，就迅速引起世界各國的普遍重視世界各國的普遍重視，成為近，成為近40多年來迅速發(fā)展的技術(shù)學科，并日益得到廣泛的應用。多年來迅速發(fā)展的技術(shù)學科，并日益得到廣泛的應用。摩擦學設計摩擦學設計摩擦學設計摩擦學設計是以是以摩擦摩擦、磨損及潤滑理論磨損及潤滑理論為基礎，從為基礎，從系統(tǒng)工程觀點系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，通過一系列出發(fā)，通過一系列計算計算與與經(jīng)驗類比分析經(jīng)驗類比分析，來預測并排除可能，來預測并排除可能發(fā)生的故發(fā)生的故障障，使機械設備在，使機械設備在使用過程中使用過程中達到達到盡可能小的摩擦盡可能小的摩擦、損耗損耗和和經(jīng)濟的穩(wěn)經(jīng)濟的穩(wěn)定磨損率定磨損率。摩擦學設計摩擦學設計摩擦學設計摩擦學設計是是機械設備零件設計機械設備零件設計經(jīng)歷了經(jīng)歷了運動設計運動設計與與強度設計強度設計以后以后的的第三階段設計第三階段設計，它涉及它涉及到到流體力學流體力學、固體力學固體力學、流變學流變學、數(shù)學數(shù)學、材材料科學料科學、物理物理和和化學化學等內(nèi)容。等內(nèi)容。摩擦學設計摩擦學設計摩擦學設計摩擦學設計的的基本內(nèi)容基本內(nèi)容基本內(nèi)容基本內(nèi)容主要主要包括如下三方面包括如下三方面包括如下三方面包括如下三方面：(1)(1)摩擦副設計摩擦副設計摩擦副設計摩擦副設計。它包括它包括它包括它包括摩擦副的摩擦副的類型選擇類型選擇、結(jié)構(gòu)設計結(jié)構(gòu)設計和和材料選擇材料選擇等；等；(2)(2)潤滑系統(tǒng)設計潤滑系統(tǒng)設計潤滑系統(tǒng)設計潤滑系統(tǒng)設計。它它它它包括包括包括包括潤滑劑和潤滑方法的選擇潤滑劑和潤滑方法的選擇、潤滑系統(tǒng)的設計潤滑系統(tǒng)的設計等；等；(3)(3)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設計狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設計狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設計狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設計。為了獲得為了獲得摩擦副摩擦副摩擦副摩擦副當前運動狀態(tài)的信息，并當前運動狀態(tài)的信息，并進行進行進行進行機械故障診斷，機械故障診斷，包包括括溫度、振動傳感器、油液監(jiān)測器的設計或選用；信號傳輸?shù)奶幚?、溫度、振動傳感器、油液監(jiān)測器的設計或選用；信號傳輸?shù)奶幚?、分析等。分析等?1.2 金屬表面的金屬表面的摩擦和磨損摩擦和磨損11.2.1金屬表面特性金屬表面特性機機械械設設備備的的工工工工作作作作表表表表面面面面大大多多都都是是采采用用金金屬屬制制作作的的。而而摩摩擦擦學學研研究究的的對對象象是是作作相相對對運運動動、相相互互作作用用的的表表面面，所所以以了了解解金金屬屬表表面面的的特特性性是解決摩擦學問題的基礎知識之一。是解決摩擦學問題的基礎知識之一。金屬表面的特性，主要包括金屬表面的形貌、表面的結(jié)構(gòu)組成金屬表面的特性，主要包括金屬表面的形貌、表面的結(jié)構(gòu)組成以及表面的接觸。以及表面的接觸。1.1.金屬表面形貌金屬表面形貌金屬表面形貌金屬表面形貌 圖圖11-1表面形貌及其特性表面形貌及其特性 2.2.金屬的表層結(jié)構(gòu)金屬的表層結(jié)構(gòu)金屬的表層結(jié)構(gòu)金屬的表層結(jié)構(gòu) 圖圖11-2金屬零件表層的一般結(jié)構(gòu)金屬零件表層的一般結(jié)構(gòu)3.3.金屬表面的接觸金屬表面的接觸金屬表面的接觸金屬表面的接觸 圖圖11-3表面接觸面積表面接觸面積 如如圖圖11-3所所示示。接接接接觸觸觸觸面積面積面積面積可分為可分為如下如下 3種種：(1)(1)名義接觸面積名義接觸面積名義接觸面積名義接觸面積A An nAn=ab，即即接接觸觸表表面面的的宏宏觀觀面面積積，由由接接觸觸物物體體的外部尺寸決定。的外部尺寸決定。(2)(2)輪廓接觸面積輪廓接觸面積輪廓接觸面積輪廓接觸面積A AP P即即金金屬屬表表面面彈彈性性變變形形部部分分所所形形成成的的接接觸觸面面積積總總和和，AP的的大大小小與與表表面面所所承承受受的的載載荷荷有有關(guān)關(guān)，通通常常，APAn(515)。(3)(3)實際接觸面積實際接觸面積實際接觸面積實際接觸面積ArAr即即輪廓接觸面積輪廓接觸面積AP內(nèi)內(nèi)各真實接觸部分的微小面積的各真實接觸部分的微小面積的總和總和。11.2.2 摩擦摩擦 1.摩擦的定義摩擦的定義兩個相互接觸的兩個相互接觸的物體物體在在外力外力作用下作作用下作相對運動相對運動時其時其接觸表面接觸表面之間之間的的切向阻抗現(xiàn)象切向阻抗現(xiàn)象，叫做，叫做摩擦摩擦摩擦摩擦。其阻力叫做。其阻力叫做摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力。這種這種摩擦摩擦與與兩個物體接觸部分的表面相互作用兩個物體接觸部分的表面相互作用有關(guān)，而與有關(guān)，而與物體內(nèi)物體內(nèi)部狀態(tài)部狀態(tài)無關(guān)，所以又稱為無關(guān)，所以又稱為外摩擦外摩擦。液體或者氣體中各部分之間。液體或者氣體中各部分之間相對移相對移動動而發(fā)生的而發(fā)生的摩擦摩擦，稱為，稱為內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦。而邊界潤滑狀態(tài)下的摩擦是吸附膜或。而邊界潤滑狀態(tài)下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之間的摩擦，也屬于其它表面膜之間的摩擦，也屬于外摩擦外摩擦。兩個物體之間的兩個物體之間的摩擦力摩擦力與其與其法向壓力法向壓力之比值，稱為之比值，稱為摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)。兩上物體表面相互接觸或相對運動時，就會兩上物體表面相互接觸或相對運動時，就會發(fā)生摩擦發(fā)生摩擦發(fā)生摩擦發(fā)生摩擦。因此，。因此，摩摩摩摩擦擦擦擦是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象。是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象。人類對人類對摩擦最早的應用摩擦最早的應用摩擦最早的應用摩擦最早的應用就是就是“摩擦起火摩擦起火”。近代工業(yè)的。近代工業(yè)的摩擦輪傳摩擦輪傳動動、各種車輛和飛機的、各種車輛和飛機的制動器制動器、摩擦切削摩擦切削等都是等都是利用摩擦利用摩擦利用摩擦利用摩擦為人類服務為人類服務的例子。但在大多數(shù)情況下，的例子。但在大多數(shù)情況下，摩擦是有害的摩擦是有害的摩擦是有害的摩擦是有害的，它它造成造成能量的損耗能量的損耗和和機機件材料的磨損件材料的磨損。據(jù)統(tǒng)計，世界上能源有。據(jù)統(tǒng)計，世界上能源有1/21/3以各種形式以各種形式消耗于摩擦消耗于摩擦。外摩擦外摩擦外摩擦外摩擦和和內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦的的共同特征共同特征共同特征共同特征是：一物體或一部分物質(zhì)將自身的是：一物體或一部分物質(zhì)將自身的運動傳遞給與它相接觸的另一物體或另一部分物質(zhì)，并試圖使運動傳遞給與它相接觸的另一物體或另一部分物質(zhì)，并試圖使兩者兩者的運動速度的運動速度趨于一致，因而在趨于一致，因而在摩擦過程中摩擦過程中發(fā)生發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換能量的轉(zhuǎn)換能量的轉(zhuǎn)換能量的轉(zhuǎn)換。外摩擦外摩擦外摩擦外摩擦與與內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦的的不同特征不同特征在于內(nèi)部運動狀況。在于內(nèi)部運動狀況。內(nèi)摩擦時內(nèi)摩擦時內(nèi)摩擦時內(nèi)摩擦時流體相鄰質(zhì)點的運動速度是連續(xù)變化的，具有一定的流體相鄰質(zhì)點的運動速度是連續(xù)變化的，具有一定的速度梯度速度梯度；而外摩擦而外摩擦而外摩擦而外摩擦是在滑動面上發(fā)生速度突變。是在滑動面上發(fā)生速度突變。此外，此外，內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力與相對滑動速度成正比，當滑動速度為零時與相對滑動速度成正比，當滑動速度為零時內(nèi)內(nèi)摩擦力摩擦力也就消失；也就消失；而而外摩擦力外摩擦力與滑動速度的關(guān)系隨工況條件變化，與滑動速度的關(guān)系隨工況條件變化，當滑動速度消失后仍有當滑動速度消失后仍有靜摩擦力靜摩擦力存在。存在。以上對以上對摩擦的定義摩擦的定義，確切地指出了，確切地指出了摩擦的實質(zhì)摩擦的實質(zhì)。顯然，兩接觸。顯然，兩接觸表面有相對運動或相對運動的趨勢，必然就有表面有相對運動或相對運動的趨勢，必然就有摩擦現(xiàn)象摩擦現(xiàn)象摩擦現(xiàn)象摩擦現(xiàn)象，其量值其量值其量值其量值可可以用以用摩擦力摩擦力或或摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)反映，而反映，而摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力始終與相對運動的方向相反。始終與相對運動的方向相反。2.摩擦的分類摩擦的分類摩擦摩擦摩擦摩擦可以按以下可以按以下不同的方式不同的方式不同的方式不同的方式來分類。來分類。1)按摩擦副的運動狀態(tài)分類按摩擦副的運動狀態(tài)分類按按摩擦副的運動狀態(tài)摩擦副的運動狀態(tài)分類，分類，摩擦摩擦摩擦摩擦可分為：可分為：靜摩擦靜摩擦和和動摩擦動摩擦。(1)(1)靜摩擦靜摩擦靜摩擦靜摩擦：兩個物體作宏觀位移前的微觀位移時其接觸表面之間兩個物體作宏觀位移前的微觀位移時其接觸表面之間的的外摩擦外摩擦。其摩擦力稱。其摩擦力稱靜摩擦力靜摩擦力。靜摩擦力靜摩擦力靜摩擦力靜摩擦力隨作用于物體上的外力變化而變化。當外力大到克服了隨作用于物體上的外力變化而變化。當外力大到克服了最大靜摩擦力時，物體才開始宏觀運動。最大靜摩擦力是物體產(chǎn)生宏最大靜摩擦力時，物體才開始宏觀運動。最大靜摩擦力是物體產(chǎn)生宏觀位移前的摩擦力極限。觀位移前的摩擦力極限。(2)(2)動摩擦動摩擦動摩擦動摩擦：兩個物體作相對運動時接觸表面之間的外摩擦。其阻兩個物體作相對運動時接觸表面之間的外摩擦。其阻礙物體運動的切向力叫礙物體運動的切向力叫動摩擦力動摩擦力。動摩擦力通常小于靜摩擦力。動摩擦力通常小于靜摩擦力。2)按摩擦副的運動形式分類按摩擦副的運動形式分類按按摩擦副的運動形式摩擦副的運動形式分類，分類，摩擦摩擦摩擦摩擦可分為：可分為：滑動摩擦滑動摩擦、滾動摩擦滾動摩擦和和滑滑-滾摩擦滾摩擦。(1)滑動摩擦滑動摩擦滑動摩擦滑動摩擦：指兩個接觸物體之間的指兩個接觸物體之間的動摩擦動摩擦，其接觸表面上切向，其接觸表面上切向速度的大小和（或）方向不同。也就是兩表面速度的大小和（或）方向不同。也就是兩表面發(fā)生相對滑動運動時發(fā)生相對滑動運動時的的動摩擦。動摩擦。(2)(2)滾動摩擦滾動摩擦滾動摩擦滾動摩擦：在力矩作用下，物體沿接觸表面在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動時的摩擦滾動時的摩擦。也。也就是兩表面發(fā)生純滾動運動時的就是兩表面發(fā)生純滾動運動時的動摩擦動摩擦。滾動摩擦時，其接觸表面上。滾動摩擦時，其接觸表面上至少有一點切向速度的大小和方向均相同。至少有一點切向速度的大小和方向均相同。(3)3)滾滾滾滾滑摩擦滑摩擦滑摩擦滑摩擦：指兩個接觸物體之間的動摩擦，其接觸表面上指兩個接觸物體之間的動摩擦，其接觸表面上同同時發(fā)生滾動和滑動運動時時發(fā)生滾動和滑動運動時的摩擦。的摩擦。3)按摩擦副表面的潤滑狀態(tài)分類按摩擦副表面的潤滑狀態(tài)分類按按摩擦副表面的潤滑狀態(tài)摩擦副表面的潤滑狀態(tài)分類，分類，摩擦摩擦摩擦摩擦可分為：干摩擦、液體摩可分為：干摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦等。擦、邊界摩擦和混合摩擦等。(1)(1)干摩擦干摩擦干摩擦干摩擦（無潤滑摩擦無潤滑摩擦無潤滑摩擦無潤滑摩擦）：在大氣條件下，摩擦表面間名義上在大氣條件下，摩擦表面間名義上沒沒有潤滑劑有潤滑劑存在時的摩擦。存在時的摩擦。(2)(2)液體摩擦液體摩擦液體摩擦液體摩擦：指相對運動的兩物體表面完全被指相對運動的兩物體表面完全被一層流體一層流體所隔開的所隔開的摩擦。這時的摩擦。這時的摩擦取決于流體的粘度摩擦取決于流體的粘度。流體可是液體或氣體。當為液體。流體可是液體或氣體。當為液體時稱時稱液體摩擦液體摩擦；為氣體時稱；為氣體時稱氣體摩擦氣體摩擦。流體摩擦流體摩擦時，摩擦是發(fā)生在流體內(nèi)部。時，摩擦是發(fā)生在流體內(nèi)部。(3)(3)邊界摩擦邊界摩擦邊界摩擦邊界摩擦：是指摩擦表面間有是指摩擦表面間有一層極薄的吸附潤滑膜存在時一層極薄的吸附潤滑膜存在時的的摩擦，這層膜叫摩擦，這層膜叫邊界潤滑膜邊界潤滑膜，其厚度大約為，其厚度大約為0.01m或更薄。這時摩擦或更薄。這時摩擦取決于潤滑膜的特性如表面特性。取決于潤滑膜的特性如表面特性。(4)(4)混合摩擦混合摩擦混合摩擦混合摩擦：是指介于是指介于上述三種摩擦之間上述三種摩擦之間的摩擦。這種類型的摩的摩擦。這種類型的摩擦是屬于過渡狀態(tài)的擦是屬于過渡狀態(tài)的摩擦摩擦，如半干摩擦和半流體摩擦。，如半干摩擦和半流體摩擦。半干摩擦半干摩擦是指同時有邊界摩擦和干摩擦的情況。是指同時有邊界摩擦和干摩擦的情況。半流體摩擦半流體摩擦是指同時有流體摩擦和邊界摩擦的情況。是指同時有流體摩擦和邊界摩擦的情況。3.摩擦理論摩擦理論摩擦摩擦摩擦摩擦是兩個接觸表面相互作用引起的是兩個接觸表面相互作用引起的滑動阻力滑動阻力和和能量損耗能量損耗。摩擦摩擦現(xiàn)象現(xiàn)象涉及的因素很多，因而提出了涉及的因素很多，因而提出了各種不同的摩擦理論各種不同的摩擦理論，現(xiàn)簡述如下。，現(xiàn)簡述如下。(1)(1)摩擦的機械理論摩擦的機械理論摩擦的機械理論摩擦的機械理論十八世紀以前的十八世紀以前的摩擦理論摩擦理論認為，摩擦起源于認為，摩擦起源于表面粗糙度表面粗糙度，滑動摩，滑動摩擦中能量損耗于微凸峰的相互嚙合、嵌入及彈塑變形，特別是硬微凸擦中能量損耗于微凸峰的相互嚙合、嵌入及彈塑變形，特別是硬微凸峰嵌入軟表面后在滑動中形成的犁溝效應。峰嵌入軟表面后在滑動中形成的犁溝效應。這一理論認為這一理論認為，表面越粗糙摩擦系數(shù)越大，反之隨著表面粗糙度，表面越粗糙摩擦系數(shù)越大，反之隨著表面粗糙度的降低，摩擦系數(shù)降低。實踐表明，摩擦機械理論只適用于普通粗糙的降低，摩擦系數(shù)降低。實踐表明，摩擦機械理論只適用于普通粗糙表面，而當表面粗糙度降到表面分子吸引力有效作用時，如超精加工表面，而當表面粗糙度降到表面分子吸引力有效作用時，如超精加工表面時，這時摩擦系數(shù)反而劇增，這說明表面時，這時摩擦系數(shù)反而劇增，這說明機械理論機械理論就不適用了。就不適用了。(2)(2)分子作用理論分子作用理論分子作用理論分子作用理論這種理論認為這種理論認為，摩擦是起因于兩摩擦表面上，摩擦是起因于兩摩擦表面上分子間的作用力分子間的作用力，是由于分子的活動性和分子力作用可使固體粘附在一起而產(chǎn)生阻抗是由于分子的活動性和分子力作用可使固體粘附在一起而產(chǎn)生阻抗現(xiàn)象?，F(xiàn)象。根據(jù)分子作用理論似得出這樣的結(jié)論，即表面越粗糙實際接觸根據(jù)分子作用理論似得出這樣的結(jié)論，即表面越粗糙實際接觸面積越小，因而摩擦系數(shù)應越小。因而，面積越小，因而摩擦系數(shù)應越小。因而，摩擦分子理論摩擦分子理論能解釋一些能解釋一些摩擦機械理論摩擦機械理論不能解釋的現(xiàn)象，但是對實際粗糙表面，又與實際不不能解釋的現(xiàn)象，但是對實際粗糙表面，又與實際不符。符。(3)(3)分子分子分子分子機械理論機械理論機械理論機械理論這種理論認為這種理論認為，摩擦過程中有表面微凸峰間的，摩擦過程中有表面微凸峰間的機械嚙合力機械嚙合力和和摩摩擦表面分子相互吸引力擦表面分子相互吸引力這兩個方面的阻力。因此，可用這兩個方面的阻力。因此，可用二項式摩擦二項式摩擦定理定理來說明來說明這種理論這種理論，即，即（11-1）摩擦力摩擦力：摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)：（11-2）式中，式中，由摩擦表面分子特性決定的系數(shù)；由摩擦表面分子特性決定的系數(shù)；由摩擦表面機由摩擦表面機械特性決定的系數(shù)；械特性決定的系數(shù)；Ar實際接觸面積；實際接觸面積；W 外載荷。外載荷。分子機械理論分子機械理論較較上述兩種摩擦理論上述兩種摩擦理論更為完善一些，主要是因為它更為完善一些，主要是因為它既考慮了既考慮了微凸峰間分子的吸引力微凸峰間分子的吸引力，并又明確指出，界面間微凸峰的機，并又明確指出，界面間微凸峰的機械嚙合力是械嚙合力是產(chǎn)生摩擦產(chǎn)生摩擦的主要原因。這一理論更為符合實際情況。的主要原因。這一理論更為符合實際情況。式中，式中，T 剪切力，剪切力，TAr；Pe犁溝力，犁溝力，Pe=S pe；其中，；其中，Ar 為粘著面積即實際接觸面積；為粘著面積即實際接觸面積；b粘著點的剪切強度；粘著點的剪切強度；S犁溝面積；犁溝面積；pe單位面積的犁溝力。單位面積的犁溝力。；(4)(4)粘著理論粘著理論粘著理論粘著理論粘著理論粘著理論和和分子機械理論分子機械理論相比較，相比較，二者二者都考慮了表面微凸峰間的都考慮了表面微凸峰間的嚙合力，但嚙合力，但粘著摩擦理認為粘著摩擦理認為這種嚙合力是由微凸峰受載后的塑性變形這種嚙合力是由微凸峰受載后的塑性變形所產(chǎn)生，同時，還考慮了微凸峰在接觸以后產(chǎn)生粘結(jié)，如果被外力所所產(chǎn)生，同時，還考慮了微凸峰在接觸以后產(chǎn)生粘結(jié)，如果被外力所剪切而分離時，還必須克服微凸峰間相互位移所需的切向力。由于粘剪切而分離時，還必須克服微凸峰間相互位移所需的切向力。由于粘著結(jié)點具有很強的粘著力，當兩表面作相對滑動時，粘著點被切斷，著結(jié)點具有很強的粘著力，當兩表面作相對滑動時，粘著點被切斷，當一表面比另一表面硬時，則硬的微凸體頂峰還將較軟的表面上拉劃當一表面比另一表面硬時，則硬的微凸體頂峰還將較軟的表面上拉劃出犁溝，這時，出犁溝，這時，摩擦力摩擦力是是粘著效應粘著效應和和犁溝效應犁溝效應產(chǎn)生阻力的產(chǎn)生阻力的總和總和，即，即剪剪切這些粘著點的力切這些粘著點的力和和拉劃出犁溝的力之和拉劃出犁溝的力之和就是就是摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力。按上述按上述粘著理論得出的摩擦力粘著理論得出的摩擦力F 為為（11-3）式中，式中，b為較軟材料的剪切強度極限；為較軟材料的剪切強度極限；s為較軟材料的抗為較軟材料的抗壓屈服極限；壓屈服極限；W為外載荷。為外載荷。對于金屬摩擦副，通常對于金屬摩擦副，通常Pe 的數(shù)值遠小于的數(shù)值遠小于T 值。值。粘著理論粘著理論粘著理論粘著理論認為認為粘著粘著效應效應是是產(chǎn)生摩擦力產(chǎn)生摩擦力的主要原因。如果的主要原因。如果忽略忽略犁溝效應犁溝效應，式，式(11-3)變?yōu)樽優(yōu)槟Σ亮Γ耗Σ亮Γ海?1-4）摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)：（11-5）4.影響摩擦的因素影響摩擦的因素研究摩擦的根本目的研究摩擦的根本目的研究摩擦的根本目的研究摩擦的根本目的在于弄清摩擦的機理，以便在于弄清摩擦的機理，以便控制摩擦過程控制摩擦過程和和降低摩擦損耗。降低摩擦損耗。影響摩擦的因素影響摩擦的因素影響摩擦的因素影響摩擦的因素是多方面的，目較普遍的認識認為有以是多方面的，目較普遍的認識認為有以下下幾個主要方面幾個主要方面：(1)金屬材料的性質(zhì)（材料互溶性，材料的金相分子結(jié)構(gòu)等）；金屬材料的性質(zhì)（材料互溶性，材料的金相分子結(jié)構(gòu)等）；(2)法向載荷；法向載荷；(3)表面的滑動速度；表面的滑動速度；(4)環(huán)境及表面間的溫度；環(huán)境及表面間的溫度；(5)表面的粗糙度；表面的粗糙度；(6)表面膜等。表面膜等。因此，在研究分析因此，在研究分析具體摩擦現(xiàn)象具體摩擦現(xiàn)象及及問題問題時，應給于全面考慮。時，應給于全面考慮。11.2.3 11.2.3 磨損磨損磨損磨損 1.磨損的定義及其表示方法磨損的定義及其表示方法相相互互接接觸觸物物體體的的表表面面相相對對運運動動過過程程中中，表表層層物物質(zhì)質(zhì)發(fā)發(fā)生生不不斷斷損損失失的的現(xiàn)象現(xiàn)象稱為稱為磨損磨損磨損磨損，表現(xiàn)為，表現(xiàn)為物體尺寸物體尺寸和和(或或)形狀的變化形狀的變化。為為了了說說明明材材料料磨磨損損程程度度和和耐耐磨磨性性能能，需需要要用用定定定定量量量量方方方方法法法法表表征征磨磨損損現(xiàn)現(xiàn)象。通常采用下述象。通常采用下述幾種指標幾種指標幾種指標幾種指標。(1)(1)磨磨磨磨損損損損量量量量：指指以以尺尺寸寸、體體積積或或重重量量的的減減少少量量來來表表示示的的磨磨損損過過程程結(jié)結(jié)果果的的量量。通通常?？煽捎糜镁€線磨磨損損量量、體體積積磨磨損損量量、重重量量磨磨損損量量來來表表示示。磨磨損損量量是是評評定定材材料料耐耐磨磨性性能能，控控制制產(chǎn)產(chǎn)品品質(zhì)質(zhì)量量和和研研究究摩摩擦擦磨磨損損機機理理的的重重要要指標之一。指標之一。(2)(2)磨磨磨磨損損損損率率率率：是是指指磨磨損損量量對對產(chǎn)產(chǎn)生生磨磨損損的的行行程程或或時時間間之之比比值值。它它可可用用三三種種方方式式表表示示，即即單單位位滑滑動動距距離離的的材材料料磨磨損損量量；單單位位時時間間的的材材料料磨磨損量；每轉(zhuǎn)或每一往復行程的材料磨損量。損量；每轉(zhuǎn)或每一往復行程的材料磨損量。(3)(3)磨磨磨磨損損損損度度度度：指指磨磨損損量量與與發(fā)發(fā)生生磨磨損損所所經(jīng)經(jīng)過過的的規(guī)規(guī)定定距距離離或或所所作作的的功功之比值。之比值。(4)(4)耐耐耐耐磨磨磨磨性性性性：用用以以表表示示材材料料抵抵抗抗磨磨損損的的性性能能。它它以以規(guī)規(guī)定定的的摩摩擦擦條條件下的磨損率的倒數(shù)來表示。件下的磨損率的倒數(shù)來表示。2.2.磨損的類型磨損的類型磨損的類型磨損的類型磨損的分類方法磨損的分類方法磨損的分類方法磨損的分類方法很多，為了對很多，為了對磨損現(xiàn)象磨損現(xiàn)象磨損現(xiàn)象磨損現(xiàn)象能夠深入地理解和研究，能夠深入地理解和研究，現(xiàn)代機械工程現(xiàn)代機械工程常按常按摩擦表面破壞的機理摩擦表面破壞的機理和和特性特性對對磨損進行分類磨損進行分類。為此，。為此，一般可將一般可將磨損磨損磨損磨損分為分為如下五類如下五類：粘著磨損粘著磨損磨料磨損磨料磨損 表面疲勞磨損表面疲勞磨損 腐蝕磨損腐蝕磨損 微動磨損微動磨損這五類磨損的機理這五類磨損的機理及及特點特點見見表表11-2。表表11-2五種基本磨損類型五種基本磨損類型類型類型基本概念基本概念特點特點舉例舉例粘著粘著磨損磨損摩擦副相對運動時，由于粘著作用使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面的磨損現(xiàn)象接觸點粘著剪切破壞內(nèi)燃機的活塞與汽缸壁的擦傷磨料磨料磨損磨損在摩擦過程中，因硬質(zhì)顆?；蛴驳耐钩鑫锬Σ帘砻娑鸩牧厦撀涞哪p現(xiàn)象磨料對摩擦表面進行微觀切削，表面有犁溝和劃痕犁鏵、球磨機的襯板和鋼球的磨損疲勞疲勞磨損磨損兩接觸表面作滾動或滾滑復合摩擦時，在交變接觸應力作用下，使摩擦表面材料受循環(huán)變應力并產(chǎn)生反復變形，材料表面因疲勞發(fā)生裂紋和剝落出微片或顆粒的磨損現(xiàn)象應力超過材料的疲勞極限，在一定循環(huán)次數(shù)后出現(xiàn)疲勞破壞，表面形成痘斑狀的凹坑呈麻坑狀齒輪和滾動軸承的點蝕腐蝕腐蝕磨損磨損摩擦副表面在摩擦過程中，金屬同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應，使表面材料損失的磨損現(xiàn)象表面發(fā)生腐蝕破壞曲軸軸頸的氧化磨損及化工設備中零件的腐蝕磨損微動微動磨損磨損兩接觸表面相對低振幅振動而引起表面復合磨損，出現(xiàn)材料損失的現(xiàn)象復合式磨損片式摩擦離合器的摩擦片上出現(xiàn)的磨損3.3.幾種類型磨損的計算方法幾種類型磨損的計算方法幾種類型磨損的計算方法幾種類型磨損的計算方法 下面介紹幾種較為重要的下面介紹幾種較為重要的磨損計算方法磨損計算方法磨損計算方法磨損計算方法。1)1)膠合磨損的計算方法膠合磨損的計算方法膠合磨損的計算方法膠合磨損的計算方法很多很多膠合計算準則膠合計算準則膠合計算準則膠合計算準則是在是在靜態(tài)條件靜態(tài)條件下作出的，如下作出的，如靜負荷靜負荷、不變速不變速度度、或是、或是用熱負荷用熱負荷（Thermalload）即）即計算溫度的方法計算溫度的方法來解決。來解決?，F(xiàn)已提出的現(xiàn)已提出的幾種膠合計算準則幾種膠合計算準則幾種膠合計算準則幾種膠合計算準則如下。如下。其中，其中，pH為為Hertz最大壓力；最大壓力；US為物體表面的相對滑動速度。為物體表面的相對滑動速度。該準則雖很簡單，但是包括了該準則雖很簡單，但是包括了主要參數(shù)主要參數(shù)主要參數(shù)主要參數(shù)：載荷載荷和和速度速度。在在不同的載荷不同的載荷和和速度速度下，實驗數(shù)據(jù)值的離散程度雖不超過下，實驗數(shù)據(jù)值的離散程度雖不超過50%，但誤差是很大的。盡管如此，仍可作為設計時的參考。但誤差是很大的。盡管如此，仍可作為設計時的參考。(1)(1)p pHHU US S=const=const準則準則準則準則(2)(2)f pf pHHU USS=const=const準則準則準則準則也可寫成也可寫成(11-6)式中，式中，f 為摩擦系數(shù)；為摩擦系數(shù)；W 為載荷。為載荷。fWUS的物理意義是因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而的物理意義是因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而產(chǎn)生的熱。但是，在產(chǎn)生膠合時的摩擦系數(shù)產(chǎn)生的熱。但是，在產(chǎn)生膠合時的摩擦系數(shù)f值很難確定，因此，值很難確定，因此，采用此式較為困難采用此式較為困難。(3)(3)f pf pHHU US Sx x=const=const準則準則準則準則這個準則這個準則這個準則這個準則是從是從p pHHU USS=const=const發(fā)展而來的。發(fā)展而來的。幾十年來，有許多研究者開展了對幾十年來，有許多研究者開展了對指數(shù)指數(shù) x值值的確定研究。求得的確定研究。求得x 值的方法值的方法有三種有三種有三種有三種：理論分析法理論分析法、經(jīng)驗數(shù)據(jù)的總結(jié)經(jīng)驗數(shù)據(jù)的總結(jié)以及以及試驗結(jié)果的總試驗結(jié)果的總結(jié)結(jié)。對于某一種具體條件下，只有通過試驗的方法求得。對于某一種具體條件下，只有通過試驗的方法求得x數(shù)值后，數(shù)值后，這個準則這個準則才有實際應用的價值。才有實際應用的價值。(2)(2)粘著磨損的計算方法粘著磨損的計算方法粘著磨損的計算方法粘著磨損的計算方法粘著磨損的計算粘著磨損的計算是基于是基于如下假設如下假設：表面的粘：表面的粘結(jié)結(jié)點是相同的點是相同的圓圓形，其形，其半徑半徑為為r，每一個粘，每一個粘結(jié)結(jié)點的面點的面積為積為r2，并且支持著的載荷為，并且支持著的載荷為pyr2，py為材料的屈服壓強；通過每一個粘結(jié)點的滑動距離為為材料的屈服壓強；通過每一個粘結(jié)點的滑動距離為2r（見（見圖圖11-4），），假定磨粒呈半球狀，每一個磨粒的體積假定磨粒呈半球狀，每一個磨粒的體積2r3/3。圖圖11-4粘著磨損的計算模型粘著磨損的計算模型 單位滑動長度時的單位滑動長度時的磨損體積磨損體積V 為為式中，式中，na 為全部接觸斑點的數(shù)目。設每一個點所支持的載荷為為全部接觸斑點的數(shù)目。設每一個點所支持的載荷為pyr2，可得，可得總載荷總載荷W 為為故得故得上式是在假定所有粘結(jié)點都磨去一個磨粒的條件下求得的。如上式是在假定所有粘結(jié)點都磨去一個磨粒的條件下求得的。如果只有全部接觸點的果只有全部接觸點的k 部分產(chǎn)生磨削，上式可寫為部分產(chǎn)生磨削，上式可寫為 式中，式中，k是一個凸峰接觸時是一個凸峰接觸時可能產(chǎn)生磨削的概率可能產(chǎn)生磨削的概率。由由上式上式可以得到可以得到粘著磨損的三條規(guī)律粘著磨損的三條規(guī)律粘著磨損的三條規(guī)律粘著磨損的三條規(guī)律：材料的磨損體積材料的磨損體積與與滑滑動距離動距離成正比，與成正比，與載荷載荷成正比，與成正比，與較軟材料的屈服壓強較軟材料的屈服壓強成反比。成反比。(11-12)因單位距離的因單位距離的磨損體積磨損體積。故得。故得 圖圖11-5圓錐凸峰嵌入式的圓錐凸峰嵌入式的磨料磨損計算模型磨料磨損計算模型(3)(3)磨料磨損的計算方法磨料磨損的計算方法磨料磨損的計算方法磨料磨損的計算方法假如采用假如采用硬的圓錐凸峰硬的圓錐凸峰在較軟的表面上劃過的在較軟的表面上劃過的磨損模型磨損模型來進行來進行磨磨料磨損的計算料磨損的計算，若視，若視圓錐凸峰圓錐凸峰的大小相同，并具有相同的的大小相同，并具有相同的半角半角（見（見圖圖11-5），當圓錐凸峰劃過一個單位距離時，），當圓錐凸峰劃過一個單位距離時，凸峰凸峰使軟物體移去的體使軟物體移去的體積為積為r。但因但因r cot，則可得移動單位距離時一個凸峰所劃去的體則可得移動單位距離時一個凸峰所劃去的體積為積為r2cot。假定較軟材料的屈服壓強為。假定較軟材料的屈服壓強為py，則則每一個圓錐凸峰每一個圓錐凸峰所承所承擔的載荷為擔的載荷為(r2/2)py。如果有。如果有n個凸峰接觸個凸峰接觸，則，則全部載荷全部載荷全部載荷全部載荷為為(11-14)上述分析上述分析上述分析上述分析適用于適用于二體磨料磨損二體磨料磨損。對于。對于三體磨料磨損三體磨料磨損，式式(11-15)仍可近似地采用，只是仍可近似地采用，只是ka 值要低一些，因在值要低一些，因在三體磨料磨損三體磨料磨損情況下，情況下，很多很多磨料磨料是在是在滾動滾動而不是而不是滑動滑動。上式上式是以是以圓錐凸峰模型圓錐凸峰模型為基礎而推得的，沒有考慮為基礎而推得的，沒有考慮凸峰的高度分凸峰的高度分布不同的狀態(tài)布不同的狀態(tài)。材料在滑動方向的前方。材料在滑動方向的前方產(chǎn)生堆積產(chǎn)生堆積，會改變接觸面積；，會改變接觸面積；材料的彈性模量材料的彈性模量E 對對磨損體積磨損體積磨損體積磨損體積也有影響。因此，可用也有影響。因此，可用下式算計下式算計式中，式中，HB為較軟材料的硬度；為較軟材料的硬度；ka 為磨料磨損常數(shù)。對不同的磨料，為磨料磨損常數(shù)。對不同的磨料，ka 值不同。值不同。(11-15)11.2.4 11.2.4 機械部零件的典型磨損過程機械部零件的典型磨損過程機械部零件的典型磨損過程機械部零件的典型磨損過程1.1.機械零部件的典型磨損過程機械零部件的典型磨損過程機械零部件的典型磨損過程機械零部件的典型磨損過程組組成成摩摩擦擦副副的的機機械械零零部部件件在在正正常常的的運運行行條條件件下下，其其典典型型磨磨損損過過程程一般分為一般分為三個階段三個階段，如，如圖圖11-6所示。所示。圖圖11-6典型磨損過程典型磨損過程(1)(1)磨合階段磨合階段磨合階段磨合階段（又稱跑合階段又稱跑合階段又稱跑合階段又稱跑合階段）如如圖圖11-6中的中的OA線段線段所示。所示。由由于于新新的的摩摩擦擦副副表表面面具具有有一一定定的的表表面面粗粗糙糙度度，在在載載荷荷作作用用下下，開開始始時時實實際際接接觸觸面面積積較較少少，單單位位接接觸觸面面積積實實際際承承受受的的載載荷荷較較大大。因因此，在運行初期，磨損率較快。此，在運行初期，磨損率較快。隨隨著著跑跑合合過過程程的的進進行行，摩摩擦擦表表面面粗粗糙糙峰峰逐逐漸漸磨磨平平，表表面面變變得得光光滑，實際接觸面積逐漸增大，磨損減緩?；?，實際接觸面積逐漸增大，磨損減緩。(2)(2)穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段經(jīng)經(jīng)過過磨磨合合，摩摩擦擦表表面面發(fā)發(fā)生生加加工工硬硬化化，微微觀觀幾幾何何形形狀狀改改變變，建建立立了了彈彈性性接接觸觸的的條條件件，這這時時磨磨損損穩(wěn)穩(wěn)定定下下來來，磨磨損損量量與與時時間間成成正正比比增增長長，磨損率磨損率基本不變，如基本不變，如圖圖11-6中的中的AB線段線段。(3)(3)劇烈磨損階段劇烈磨損階段劇烈磨損階段劇烈磨損階段 經(jīng)過較長時間的經(jīng)過較長時間的穩(wěn)定磨損穩(wěn)定磨損后，后，摩擦條件摩擦條件發(fā)生較大變化，如摩擦發(fā)生較大變化，如摩擦表面間的間隙增大，表面溫度過高，以及金屬組織的變化等致使磨表面間的間隙增大，表面溫度過高，以及金屬組織的變化等致使磨損率急劇增加。這時機械效率下降，精度降低，產(chǎn)生異常的噪聲和損率急劇增加。這時機械效率下降，精度降低，產(chǎn)生異常的噪聲和振動。最后導致零件的失效。如振動。最后導致零件的失效。如圖圖11-6中的中的B B點后的線段點后的線段點后的線段點后的線段。從從磨損過程的變化磨損過程的變化來看，為了提高來看，為了提高機器零件的使用壽命機器零件的使用壽命，則應，則應盡量延長盡量延長“穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定”磨損階段磨損階段。圖圖11-7(a)是在是在載荷一定載荷一定而而改變滑動速度改變滑動速度時，時，鋼對鋼表面鋼對鋼表面的磨損量的磨損量的變化和磨損形式的轉(zhuǎn)化。的變化和磨損形式的轉(zhuǎn)化。當當表面滑動速度很低表面滑動速度很低時，時，摩擦摩擦是在是在表面氧化膜表面氧化膜之間進行，所以產(chǎn)之間進行，所以產(chǎn)生的生的磨損磨損為為氧化磨損氧化磨損，磨損量小磨損量小。圖圖11-7列示了列示了機械零部件磨損形式機械零部件磨損形式隨隨工況條件的變化工況條件的變化而轉(zhuǎn)化的情而轉(zhuǎn)化的情況。況。2.2.磨損形式的轉(zhuǎn)化磨損形式的轉(zhuǎn)化磨損形式的轉(zhuǎn)化磨損形式的轉(zhuǎn)化圖圖11-7磨損形式的轉(zhuǎn)化磨損形式的轉(zhuǎn)化隨著隨著滑動速度增加滑動速度增加滑動速度增加滑動速度增加，磨粒增大，磨粒增大，表面表面出現(xiàn)金屬光澤且變得粗糙，出現(xiàn)金屬光澤且變得粗糙，此時已轉(zhuǎn)化為此時已轉(zhuǎn)化為粘著磨損粘著磨損，磨損量磨損量也是增大。也是增大。當當滑動速度再增大滑動速度再增大滑動速度再增大滑動速度再增大，由于溫度升高，由于溫度升高，表面表面重新生成重新生成氧化膜氧化膜，又轉(zhuǎn)，又轉(zhuǎn)化化氧化磨損氧化磨損，磨損量又變小。，磨損量又變小。若若滑動速度繼續(xù)增高滑動速度繼續(xù)增高滑動速度繼續(xù)增高滑動速度繼續(xù)增高，再次轉(zhuǎn)化為，再次轉(zhuǎn)化為粘著磨損粘著磨損，因，因磨損劇烈磨損劇烈而會導而會導致致零件失效零件失效。圖圖11-7(b)所示是當所示是當滑動速度保持一定滑動速度保持一定而而改變載荷改變載荷改變載荷改變載荷所得的實驗結(jié)果。所得的實驗結(jié)果。載荷小載荷小載荷小載荷小產(chǎn)生氧產(chǎn)生氧化磨損化磨損，磨粒主要是，磨粒主要是Fe2O3；當當載荷載荷載荷載荷達到達到達到達到 WWa a 后，磨粒是后，磨粒是FeO、Fe2O3和和Fe3O4混合物；混合物；當當載荷超過載荷超過載荷超過載荷超過 WWc c以后，便轉(zhuǎn)入危害性的以后，便轉(zhuǎn)入危害性的粘著磨損粘著磨損。各類機器中各類機器中廣泛使用著廣泛使用著各種摩擦副各種摩擦副各種摩擦副各種摩擦副。在在其材料選用其材料選用中，不僅要求具有較好的中，不僅要求具有較好的耐磨性耐磨性耐磨性耐磨性外，還要求具有良外，還要求具有良好的好的減摩性減摩性減摩性減摩性。機器摩擦副機器摩擦副工作時，在工作時，在摩擦過程中摩擦過程中具有具有低摩擦系數(shù)的材料低摩擦系數(shù)的材料稱為稱為減減減減摩材料摩材料摩材料摩材料。不同工況，使用著不同的。不同工況，使用著不同的減摩材料減摩材料。11.3摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇11.3.1減摩材料的設計與選擇減摩材料的設計與選擇對于對于機器摩擦副機器摩擦副中使用的中使用的減摩材料的主要要求減摩材料的主要要求有有如下幾點如下幾點：(1)(1)足夠的承載能力足夠的承載能力足夠的承載能力足夠的承載能力即要求材料具有一定的即要求材料具有一定的抗壓強度抗壓強度、抗塑性變形能力抗塑性變形能力和和抗疲勞性抗疲勞性能能。(2)(2)良好的表面性能良好的表面性能良好的表面性能良好的表面性能即要有一定的即要有一定的塑性變形能力塑性變形能力和良好的和良好的適應性適應性、包括、包括順應性順應性、嵌嵌入性入性和和磨合性磨合性。順應性順應性是指軸承材料依靠表面的彈塑性變形補償對是指軸承材料依靠表面的彈塑性變形補償對中誤差和順應其它幾何誤差的能力。中誤差和順應其它幾何誤差的能力。嵌入性嵌入性是指軸承材料嵌藏污物是指軸承材料嵌藏污物和外來微粒以減輕刮傷或磨料磨損軸頸的能力。和外來微粒以減輕刮傷或磨料磨損軸頸的能力。磨合性磨合性是指軸承材是指軸承材料經(jīng)短期輕載運轉(zhuǎn)后能減小表面粗糙度而使軸瓦表面和軸頸表面相料經(jīng)短期輕載運轉(zhuǎn)后能減小表面粗糙度而使軸瓦表面和軸頸表面相互吻合的性質(zhì)?；ノ呛系男再|(zhì)。(3)(3)良好的物理、化學性能良好的物理、化學性能良好的物理、化學性能良好的物理、化學性能即應有高的即應有高的導熱性導熱性和和熱容量熱容量，熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小，對，對油膜的吸附性油膜的吸附性強強，抗腐蝕性好抗腐蝕性好，以利于，以利于摩擦熱摩擦熱的導出、的導出、油膜油膜的形成和保持。的形成和保持。1.對減摩材料的要求對減摩材料的要求各類機器中，廣泛使用著各類機器中，廣泛使用著軸承軸承-軸頸軸頸、凸輪凸輪-挺桿挺桿、活塞汽缸活塞汽缸等等摩摩擦副擦副。這些。這些摩擦副的材料摩擦副的材料均要求具有較好的均要求具有較好的減摩性減摩性和和耐磨性耐磨性。常用的。常用的減摩材料減摩材料如下：如下：2.減摩材料的選用減摩材料的選用1)1)巴氏合金巴氏合金巴氏合金巴氏合金巴氏合金巴氏合金巴氏合金巴氏合金是由是由錫錫或或鉛鉛與與少量其它元素少量其它元素組成一種具有良好減摩性的組成一種具有良好減摩性的軸瓦合金材料?，F(xiàn)軸瓦合金材料。現(xiàn)用的用的巴氏合金巴氏合金巴氏合金巴氏合金主要有主要有主要有主要有如下兩類：如下兩類：如下兩類：如下兩類：(1)錫基巴氏合金錫基巴氏合金常用常用錫基巴氏合金牌號錫基巴氏合金牌號及及用途用途見教材見教材表表11-3。(2)鉛基巴氏合金。鉛基巴氏合金。2)2)銅基合金銅基合金銅基合金銅基合金銅基合金銅基合金包括包括銅錫合金銅錫合金及及銅鉛合金銅鉛合金兩類。兩類。銅基合金中的銅，一般采用青銅。銅基合金中的銅，一般采用青銅。3)3)鋁基合金鋁基合金鋁基合金鋁基合金鋁基軸承合金鋁基軸承合金導熱性好，它的導熱性好，它的疲勞強疲勞強度約為度約為巴氏合金巴氏合金的的兩倍兩倍，使用溫度高，承載能力強，在使用溫度高，承載能力強，在大型船用發(fā)動機中大型船用發(fā)動機中已用來代替已用來代替巴氏合金巴氏合金。主要缺點主要缺點是線膨脹系數(shù)大，運轉(zhuǎn)時容易與軸咬合。是線膨脹系數(shù)大，運轉(zhuǎn)時容易與軸咬合。此外，由于軸承本身硬度較高，故要求與之相配的軸的硬度相此外，由于軸承本身硬度較高，故要求與之相配的軸的硬度相應提高。應提高。4)4)鋅基合金鋅基合金鋅基合金鋅基合金鋅基合金鋅基合金是在鋅中加入高量的鋁是在鋅中加入高量的鋁(8%27%)，可制得高性能的軸，可制得高性能的軸瓦。瓦。鋅基合金鋅基合金的成本低，的成本低，耐磨性耐磨性在其允許承載條件下在其允許承載條件下優(yōu)于青銅優(yōu)于青銅。但由。但由于受到工作溫度于受到工作溫度(約約140)的限制，它常用于低速，故還不能完全代的限制，它常用于低速，故還不能完全代替替青銅青銅。5)5)自潤滑復合材料自潤滑復合材料自潤滑復合材料自潤滑復合材料自潤滑復合材料自潤滑復合材料是近年來發(fā)展起來的一種具有獨特是近年來發(fā)展起來的一種具有獨特減摩耐磨性能減摩耐磨性能的的滑動軸承材料滑動軸承材料，廣泛應用于航空、機械、汽車、電力、農(nóng)業(yè)等部門。，廣泛應用于航空、機械、汽車、電力、農(nóng)業(yè)等部門。根據(jù)根據(jù)材料成分組成材料成分組成的不同，的不同，自潤滑復合材料自潤滑復合材料可分為可分為金屬基金屬基、石墨石墨基基和和高聚合物基高聚合物基三類。其中，三類。其中，石墨基石墨基和和高聚合物基高聚合物基兩類現(xiàn)已廣泛使用，兩類現(xiàn)已廣泛使用，但結(jié)構(gòu)強度、磨損壽命不如但結(jié)構(gòu)強度、磨損壽命不如金屬基類金屬基類。(1)(1)金屬基自潤滑復合材料金屬基自潤滑復合材料金屬基自潤滑復合材料金屬基自潤滑復合材料較有代表性的較有代表性的金屬基自潤滑復合材料金屬基自潤滑復合材料是是DU自潤滑材料自潤滑材料和和DX預潤預潤滑材料滑材料，它們均由英國，它們均由英國Glacier公司公司研制。研制。(2)(2)聚合物基自潤滑復合材料聚合物基自潤滑復合材料聚合物基自潤滑復合材料聚合物基自潤滑復合材料以以聚合物聚合物為基的為基的自潤滑復合材料自潤滑復合材料是在是在聚合物聚合物中加入中加入添加劑添加劑，使，使材料具有良好的材料具有良好的摩擦學特性摩擦學特性，即具有，即具有低的摩擦系數(shù)低的摩擦系數(shù)和和高的耐磨性高的耐磨性。實際使用的以實際使用的以聚合物為基聚合物為基的的自潤滑復合材料自潤滑復合材料，是以固體潤滑劑作填，是以固體潤滑劑作填充劑，所有的聚合物無論是熱塑性的還是熱固性的，均作為粘結(jié)劑充劑，所有的聚合物無論是熱塑性的還是熱固性的，均作為粘結(jié)劑使用。目前廣泛應用的固體潤滑劑主要是層狀結(jié)構(gòu)的石墨、二硫化使用。目前廣泛應用的固體潤滑劑主要是層狀結(jié)構(gòu)的石墨、二硫化鉬、氮化硼、氧化鉛等材料。鉬、氮化硼、氧化鉛等材料。磨阻材料磨阻材料磨阻材料磨阻材料又稱又稱制動摩擦材料制動摩擦材料或或剎車材料剎車材料。它它它它是各種機器設備和機構(gòu)的是各種機器設備和機構(gòu)的制動器制動器、離合器離合器和和摩擦傳動摩擦傳動等等制動制動和和傳動裝置傳動裝置中不可缺少的材料之一。隨著現(xiàn)代機器和機構(gòu)日益向高速、中不可缺少的材料之一。隨著現(xiàn)代機器和機構(gòu)日益向高速、高負荷、大功率方向發(fā)展，則對高負荷、大功率方向發(fā)展，則對摩阻材料摩阻材料的要求越來越高。的要求越來越高。摩阻材料最重要的特點摩阻材料最重要的特點是能夠吸收動能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，進一是能夠吸收動能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，進一步將熱能散發(fā)到空氣中去。而其中部分熱能將為表面發(fā)生的摩擦磨損步將熱能散發(fā)到空氣中去。而其中部分熱能將為表面發(fā)生的摩擦磨損過程所吸收。過程所吸收。摩阻材料失效的主要形式摩阻材料失效的主要形式摩阻材料失效的主要形式摩阻材料失效的主要形式是是熱裂熱裂。這是由于使用過程中，接觸表。這是由于使用過程中，接觸表面之間不加任何潤滑劑的，若摩阻材料的熱導率不高，表面散失的熱面之間不加任何潤滑劑的，若摩阻材料的熱導率不高，表面散失的熱量比較少，當表面溫度可能超過材料的臨界值時，由于體積變化及熱量比較少，當表面溫度可能超過材料的臨界值時，由于體積變化及熱應力的作用，使應力的作用，使表面產(chǎn)生熱裂表面產(chǎn)生熱裂。因而，因而，摩阻材料摩阻材料應具有應具有下列要求下列要求：(1)高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)；高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)；(2)高的耐磨性、耐熱性，好的熱導性；高的耐磨性、耐熱性，好的熱導性；11.3.2摩阻材料的設計與選擇摩阻材料的設計與選擇(3)合適的機械強度，低的彈性模量；合適的機械強度，低的彈性模量；(4)不易產(chǎn)生粘著、抗擦傷性好；不易產(chǎn)生粘著、抗擦傷性好；(5)不污染環(huán)境、制造方便、價格便宜。不污染環(huán)境、制造方便、價格便宜。1.1.摩阻材料的種類摩阻材料的種類摩阻材料的種類摩阻材料的種類目前，常用的目前，常用的摩阻材料的種類及其特點摩阻材料的種類及其特點摩阻材料的種類及其特點摩阻材料的種類及其特點見教材見教材表表11-5。2.2.摩阻材料的選用摩阻材料的選用摩阻材料的選用摩阻材料的選用(1)(1)用于干摩擦工作條件下的摩阻材料用于干摩擦工作條件下的摩阻材料用于干摩擦工作條件下的摩阻材料用于干摩擦工作條件下的摩阻材料在盤式制動器、汽車離合器、某些儀表中的在盤式制動器、汽車離合器、某些儀表中的摩擦件摩擦件和和帶式摩擦傳帶式摩擦傳動件動件等零件中，常用等零件中，常用粉末冶金摩阻材料粉末冶金摩阻材料為為摩阻材料摩阻材料，其成分如，其成分如表表11-6所所示。牌號為示。牌號為7504和和754的鐵基摩阻材料用于的鐵基摩阻材料用于航空摩擦片航空摩擦片，F(xiàn)M69-20常用常用作離合器片，作離合器片，F(xiàn)M68-50、FM69-54一般作制動摩擦片。一般作制動摩擦片。(2)2)用于油潤滑介質(zhì)工作的摩阻材料用于油潤滑介質(zhì)工作的摩阻材料用于油潤滑介質(zhì)工作的摩阻材料用于油潤滑介質(zhì)工作的摩阻材料干摩擦條件的制動摩擦裝置干摩擦條件的制動摩擦裝置，除磨損較快、壽命短外，還常常因，除磨損較快、壽命短外，還常常因裝置靠近使用潤滑介質(zhì)的零部件，時有潤滑油濺到制動摩擦材料的表裝置靠近使用潤滑介質(zhì)的零部件，時有潤滑油濺到制動摩擦材料的表面，是摩擦系數(shù)急劇下降而影響使用的可靠性。為此，在油介質(zhì)中工面，是摩擦系數(shù)急劇下降而影響使用的可靠性。為此，在油介質(zhì)中工作的摩阻材料的研制與應用得到迅速發(fā)展，濕式制動裝置的應用也日作的摩阻材料的研制與應用得到迅速發(fā)展，濕式制動裝置的應用也日益廣泛。益廣泛。這種裝置這種裝置具有具有耐磨性好耐磨性好、可靠性高可靠性高、冷卻效果好冷卻效果好、可簡化裝置結(jié)可簡化裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)等優(yōu)點。但它的等優(yōu)點。但它的動摩擦系數(shù)動摩擦系數(shù)最大只有最大只有0.080.1，比同一條件下干摩，比同一條件下干摩擦的摩擦系數(shù)擦的摩擦系數(shù)要小要小2 2倍倍以上，要保證一定的制動摩擦功，則應相對增大以上，要保證一定的制動摩擦功，則應相對增大摩擦盤的直徑，或增大摩擦盤的數(shù)量，或提高摩擦表面的比壓，一般摩擦盤的直徑，或增大摩擦盤的數(shù)量，或提高摩擦表面的比壓，一般常采用常采用后者后者。因此，在油介質(zhì)中工作的摩阻材料，工作速度高。因此，在油介質(zhì)中工作的摩阻材料，工作速度高（100m/s以上），比壓大（以上），比壓大（6070kgf/cm2）。）。教材教材表表11-7列出了用于列出了用于油介質(zhì)的摩阻材料油介質(zhì)的摩阻材料及其及其成分成分。各類機器及機構(gòu)各類機器及機構(gòu)摩擦副間摩擦副間的的摩擦摩擦與與磨損磨損是影響機械設備的是影響機械設備的工作工作效率效率和和使用壽命使用壽命的主要因素。為了提高機械產(chǎn)品的工作效率、使用的主要因素。為了提高機械產(chǎn)品的工作效率、使用壽命和工作可靠性，應根據(jù)摩擦副的工況條件及要求，采用相應的壽命和工作可靠性，應根據(jù)摩擦副的工況條件及要求，采用相應的耐磨和減摩材料耐磨和減摩材料。常用的常用的耐磨材料耐磨材料見教材見教材表表11-8。11.3.3耐磨材料的選擇耐磨材料的選擇減少摩擦、降低磨損的途徑，除了采用減少摩擦、降低磨損的途徑，除了采用正確的潤滑措施正確的潤滑措施和和選擇合選擇合適的材料適的材料外，正確地選用或進行有效的外，正確地選用或進行有效的表面耐磨處理表面耐磨處理表面耐磨處理表面耐磨處理，也是重要的一，也是重要的一環(huán)。環(huán)。摩擦摩擦發(fā)生在發(fā)生在表面表面，表層表層被磨損。在機械設備的各種相對運動的摩被磨損。在機械設備的各種相對運動的摩擦副，如常見的齒輪、凸輪、缸套、活塞環(huán)、機床導軌、工模具零件擦副，如常見的齒輪、凸輪、缸套、活塞環(huán)、機床導軌、工模具零件的失效形式，絕大多數(shù)并非發(fā)生的失效形式，絕大多數(shù)并非發(fā)生斷裂而失效斷裂而失效，卻是因其，卻是因其接觸表面接觸表面或或表表層不同形式的磨損層不同形式的磨損（粘著磨損粘著磨損、疲勞磨損疲勞磨損、磨料磨損磨料磨損及及腐蝕磨損腐蝕磨損等）等）而報廢。而報廢。為了提高為了提高運動副運動副的的耐磨性耐磨性及及可靠性可靠性，可用如下，可用如下表面耐磨強化處理表面耐磨強化處理方法方法：(1)表面形變強化表面形變強化；(2)表面熱處理表面熱處理；11.3.4表面耐磨強化處理表面耐磨強化處理(3)表面化學熱處理表面化學熱處理。常用的常用的表面化學熱處理法表面化學熱處