摩擦学原理第3章ppt课件.ppt
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1、123摩擦力的方向永远摩擦力的方向永远沿着接触面的切线方向,跟物体沿着接触面的切线方向,跟物体相对运动的方向相反,或者跟物相对运动的方向相反,或者跟物体的相对运动趋势相反,阻碍物体的相对运动趋势相反,阻碍物体间的相对运动。体间的相对运动。4v外摩擦:外摩擦:摩擦与两物体接触部分的表面相互作用摩擦与两物体接触部分的表面相互作用有关,而与物体内部状态无关,所以又称为外摩擦。有关,而与物体内部状态无关,所以又称为外摩擦。v内摩擦:内摩擦:阻碍同一物体阻碍同一物体( (如液体和气体如液体和气体) )各部分间各部分间相对移动的摩擦称为内摩擦。相对移动的摩擦称为内摩擦。v滑动摩擦:滑动摩擦:物体接触表面相
2、对滑动时的摩擦称为物体接触表面相对滑动时的摩擦称为滑动摩擦。滑动摩擦。v滚动摩擦:滚动摩擦:在力矩作用下,物体沿接触表面滚动在力矩作用下,物体沿接触表面滚动时的摩擦,叫做滚动摩擦。时的摩擦,叫做滚动摩擦。5v静摩擦:静摩擦:一物体沿另一物体表面有相对运动趋一物体沿另一物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称静摩擦,这种摩擦力称静摩擦势时产生的摩擦称静摩擦,这种摩擦力称静摩擦力力F F静静。其随外力增大而增大,当外力增大到临界。其随外力增大而增大,当外力增大到临界值时,静摩擦力达最大值,称最大静摩擦力。外值时,静摩擦力达最大值,称最大静摩擦力。外力超过最大静摩擦力时,物体才开始宏观运动。力超过最大静
3、摩擦力时,物体才开始宏观运动。 v动摩擦:动摩擦:一个物体沿另一个物体表面相对运动一个物体沿另一个物体表面相对运动时产生的摩擦叫动摩擦。其阻碍物体运动的切向时产生的摩擦叫动摩擦。其阻碍物体运动的切向力叫动摩擦力力叫动摩擦力F F动动。动摩擦力通常小于静摩擦力。动摩擦力通常小于静摩擦力。6摩擦表面没有任河吸附膜或化合物存在时的摩摩擦表面没有任河吸附膜或化合物存在时的摩擦称为纯净摩擦。这种摩擦只有在接触表面产生塑性变形擦称为纯净摩擦。这种摩擦只有在接触表面产生塑性变形( (表而膜破坏表而膜破坏) )或在真空中摩擦时才发生。或在真空中摩擦时才发生。 在大气条件下,摩擦表面间名义上没有润滑剂存在大气条
4、件下,摩擦表面间名义上没有润滑剂存在时的摩擦叫做干摩擦。在时的摩擦叫做干摩擦。 相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦称为流体摩擦。当流体为液体时称液体摩擦;为气体时称擦称为流体摩擦。当流体为液体时称液体摩擦;为气体时称气体摩擦。流体摩擦时,摩擦发生在流体内部。气体摩擦。流体摩擦时,摩擦发生在流体内部。 摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦称为边界摩擦。称为边界摩擦。是过渡状态的摩擦,如半干摩擦和半流体摩擦。是过渡状态的摩擦,如半干摩擦和半流体摩擦。半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦半干摩
5、擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。半流体摩擦是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。 7v金属材料的摩擦:金属材料的摩擦:摩擦副由金属材料摩擦副由金属材料( (钢、铸铁及有色金钢、铸铁及有色金属等属等) )组成的摩擦。组成的摩擦。v非金属材料的摩擦:非金属材料的摩擦:摩擦副由高聚物、无机物等与金属配摩擦副由高聚物、无机物等与金属配对时的摩擦。对时的摩擦。v一般工况下的摩擦:一般工况下的摩擦:即常见的工况即常见的工况( (速度、压力、温度速度、压力、温度) )下下的摩擦。的摩擦。v特殊工况下的摩擦:特殊工况下的摩擦:指在高速、高温、高压、低温、真空指在高速、高温
6、、高压、低温、真空等特殊环境下的摩擦。等特殊环境下的摩擦。8对摩擦现象进行科学研究,最早开始于十五世纪意大利的对摩擦现象进行科学研究,最早开始于十五世纪意大利的文艺复兴时代。文艺复兴时代。15081508年伟大的意大利科学家达年伟大的意大利科学家达芬奇芬奇(Leonardo da(Leonardo da Vinci Vinci,1452145215191519年年) )首先着手于固体摩擦首先着手于固体摩擦的研究,他第一个提出了一切物体,刚要开始滑动,便产生的研究,他第一个提出了一切物体,刚要开始滑动,便产生叫做摩擦力的阻力;并且指出,摩擦力与重量成正比,而与叫做摩擦力的阻力;并且指出,摩擦力与
7、重量成正比,而与法向接触面积无关。法向接触面积无关。16991699年法国科学家阿蒙顿年法国科学家阿蒙顿(G.Amontons(G.Amontons,l663l66317051705年年) )进行了摩擦试验,并建立了摩擦的基本公式。最后到进行了摩擦试验,并建立了摩擦的基本公式。最后到17801780年由库仑年由库仑(G.A.Coulomb(G.A.Coulomb,1736173618061806年年) )在同样的试验的基在同样的试验的基础上,完成了今天的阿蒙顿库仑摩擦定律,一般称为础上,完成了今天的阿蒙顿库仑摩擦定律,一般称为“古典摩擦定律古典摩擦定律”。910v 古典摩擦定律是实验中总结出的
8、规律,它揭示了摩擦的性古典摩擦定律是实验中总结出的规律,它揭示了摩擦的性质。几百年来,它被认为是合理的,并广泛地应用于工程质。几百年来,它被认为是合理的,并广泛地应用于工程计算中。但是,近代对摩擦的深入研究,发现上述定律与计算中。但是,近代对摩擦的深入研究,发现上述定律与实际情况有许多不符的地方,例如:实际情况有许多不符的地方,例如:v 第一条当法向压力不大时,对于普通材料,摩擦力与法向第一条当法向压力不大时,对于普通材料,摩擦力与法向载荷成正比,即摩擦系数为常数。当压力较大时,对于某载荷成正比,即摩擦系数为常数。当压力较大时,对于某些极硬材料些极硬材料( (如钻石如钻石) )或软材料或软材料
9、( (如聚四氯乙烯如聚四氯乙烯) )摩擦力与法摩擦力与法向载荷不呈线性比例关系。向载荷不呈线性比例关系。v 但实际上,摩擦系数不是材料的固有特性,其不仅与摩擦但实际上,摩擦系数不是材料的固有特性,其不仅与摩擦副的材料性质有关,而且还与其它许多因素有关,如表面副的材料性质有关,而且还与其它许多因素有关,如表面温度、光洁度和表面污染情况等。摩擦系数实际上是与材温度、光洁度和表面污染情况等。摩擦系数实际上是与材料和环境条件有关的一个综合特性系数。料和环境条件有关的一个综合特性系数。11v第二条对于有一定屈服点的材料,如金属材料,由于摩擦第二条对于有一定屈服点的材料,如金属材料,由于摩擦副表面粗糙度的
10、存在,故只在很小的接触区域内才有真正的副表面粗糙度的存在,故只在很小的接触区域内才有真正的接触,所以可以说摩擦力的大小与名义接触面积无关。而对接触,所以可以说摩擦力的大小与名义接触面积无关。而对于弹性材料于弹性材料( (如橡胶如橡胶) )或粘弹性材料或粘弹性材料( (如某些聚合物如某些聚合物) ),摩擦力,摩擦力与名义接触面积的大小则存在着某种关系。与名义接触面积的大小则存在着某种关系。v试验表明,实际接触面积与摩擦系数有关,随着实际接触试验表明,实际接触面积与摩擦系数有关,随着实际接触面积的增加,摩擦系数增大,摩擦力亦增大。面积的增加,摩擦系数增大,摩擦力亦增大。v第三条的得出是因为在第三条
11、的得出是因为在1515世纪至世纪至1313世纪还没有出现现代的世纪还没有出现现代的高速机器。对于很多材料,摩擦系数与滑动速度有关。高速机器。对于很多材料,摩擦系数与滑动速度有关。v第四条对于粘弹性材料都不适用。粘弹性材料的静摩擦系第四条对于粘弹性材料都不适用。粘弹性材料的静摩擦系数不一定大于动摩擦系数。数不一定大于动摩擦系数。12只要两物体接触表面间有相对滑动的倾向或发生相对滑动,只要两物体接触表面间有相对滑动的倾向或发生相对滑动,就会发生滑动摩擦。古典摩擦定律也是在滑动摩擦的试验基就会发生滑动摩擦。古典摩擦定律也是在滑动摩擦的试验基础上提出的。础上提出的。200200多年来,经过许多科学家的
12、努力,使摩擦现象和机理多年来,经过许多科学家的努力,使摩擦现象和机理的研究有了很大的发展,提出了许多理论来解释摩擦的现象的研究有了很大的发展,提出了许多理论来解释摩擦的现象和本质,但目前尚未形成统一的理论。一般常把纯净表面间和本质,但目前尚未形成统一的理论。一般常把纯净表面间的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研究。解释摩擦起的干摩擦作为一种理想的摩擦状态来进行研究。解释摩擦起因的理论主要有:机械啮合理论、分子理论、分子机械理论因的理论主要有:机械啮合理论、分子理论、分子机械理论以及粘着摩擦理论。对于金属摩擦副来说,粘着摩擦理论比以及粘着摩擦理论。对于金属摩擦副来说,粘着摩擦理论比较令人满意。
13、较令人满意。131818世纪以前,许多研究者都认为摩擦世纪以前,许多研究者都认为摩擦表面上是凹凸不平的,当两个凹凸不平的表面接触时,凹表面上是凹凸不平的,当两个凹凸不平的表面接触时,凹凸部分彼此交错啮合。在发生相对运动时,互相交错啮合凸部分彼此交错啮合。在发生相对运动时,互相交错啮合的凹凸部分就要阻碍物体的运动。摩擦力就是所有这些啮的凹凸部分就要阻碍物体的运动。摩擦力就是所有这些啮合点的切向阻力的总和。合点的切向阻力的总和。巴拉认为摩擦是沿粗糙巴拉认为摩擦是沿粗糙面上升的结果,摩擦系数面上升的结果,摩擦系数为粗糙斜角为粗糙斜角的正切,即的正切,即tgtg。表面越粗糙,。表面越粗糙,摩擦系数越大
14、。摩擦系数越大。14贝利沙还尝试将摩擦面的凹凸形做成模型来证贝利沙还尝试将摩擦面的凹凸形做成模型来证实这种摩擦学说。他将为数众多的半球粘成模型当作摩擦面,实这种摩擦学说。他将为数众多的半球粘成模型当作摩擦面,从几何计算得出这种凹凸面合起来的摩擦系数为从几何计算得出这种凹凸面合起来的摩擦系数为1 13 3。贝利。贝利沙的半球凹凸模型,作为摩擦面形状的模型化来说,具有重沙的半球凹凸模型,作为摩擦面形状的模型化来说,具有重要的意义,就是在今天,也还是把摩擦面的凹凸形作为模型要的意义,就是在今天,也还是把摩擦面的凹凸形作为模型用来导出摩擦方程式。用来导出摩擦方程式。虽然此理论可解释一般情况下粗糙表面比
15、光滑表面的摩擦虽然此理论可解释一般情况下粗糙表面比光滑表面的摩擦力大这一现象。但当表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效力大这一现象。但当表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生作用时发生作用时( (如超精加工表面如超精加工表面) ),此理论就不适用了。例如,此理论就不适用了。例如,19191919年哈迪年哈迪(Hardy)(Hardy)对经过研磨达到凸透镜程度的光洁表面对经过研磨达到凸透镜程度的光洁表面和粗糙加工的表面进行摩擦试验,发现经充分研磨的表面摩和粗糙加工的表面进行摩擦试验,发现经充分研磨的表面摩擦力反而大,而且擦伤痕宽,表面破坏严重。擦力反而大,而且擦伤痕宽,表面破坏严重。 15摩擦的分
16、子理论是摩擦的分子理论是G.A.Tomlinson(汤姆林逊汤姆林逊)于于1929年提出年提出的,在平衡状态时,固体原子间的排斥力和内聚力相中和。的,在平衡状态时,固体原子间的排斥力和内聚力相中和。但是,当两物体接触时,一个物体内的原子可能和第二个物但是,当两物体接触时,一个物体内的原子可能和第二个物体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。在此情况下,两表体的原子足够靠近以致于进入斥力场中。在此情况下,两表面分开就会造成能量的损失,并以摩擦阻力的形式出现。面分开就会造成能量的损失,并以摩擦阻力的形式出现。设一表面对另一表面滑动设一表面对另一表面滑动x x距离,则所做机械功为距离,则所做机械功为px
17、,p为两表面间的总力,假设它被原子间排斥力的总和所支承,为两表面间的总力,假设它被原子间排斥力的总和所支承,即即pn n0 0 p0 0,n n0 0为界面上接触原子的数目,为界面上接触原子的数目,p0 0为接触点的平均为接触点的平均排斥力。在滑动过程中,新的原子将进入斥力场,而另一些排斥力。在滑动过程中,新的原子将进入斥力场,而另一些原子将离开斥力场。因此会有一总能量损耗,设原子将离开斥力场。因此会有一总能量损耗,设E E为原子和为原子和原子碰撞时所有能量损耗的算术平均值,并设在距离原子碰撞时所有能量损耗的算术平均值,并设在距离x中遭中遭遇的次数为遇的次数为n n,则总能量损耗为,则总能量损
18、耗为nEnE,它的数值等于机械功。,它的数值等于机械功。p 16p也就是说,根据机械功与原子一原子碰撞总能也就是说,根据机械功与原子一原子碰撞总能量消耗相平衡可得出摩擦系数量消耗相平衡可得出摩擦系数为为p而而nn0 x/e,其中其中为概率因子,小于为概率因子,小于l l。因此上式也可。因此上式也可改写为改写为此式表明摩擦系数与摩擦副材料本身的性质有关。此式表明摩擦系数与摩擦副材料本身的性质有关。 17如上所述,简单的摩擦理论无论是机械的或分子如上所述,简单的摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都是很不完善的,它们得出的摩擦系数的摩擦理论都是很不完善的,它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面的
19、。与粗糙度的关系都是片面的。在二十世纪三十年代末期,人们从分子在二十世纪三十年代末期,人们从分子机械联机械联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论在英国【鲍登论在英国【鲍登(F.P.Bowden)(F.P.Bowden)和泰伯和泰伯(D.Tabor)(D.Tabor)提出】和苏联(克拉盖尔斯基提出)相继建立了两提出】和苏联(克拉盖尔斯基提出)相继建立了两个学派,前者以粘着理论为中心,后者以摩擦二项个学派,前者以粘着理论为中心,后者以摩擦二项式为特征,这些理论莫定了现代固体摩擦的理论基式为特征,这些理论莫定了现代固体摩擦的理论基础。础。18v19391
20、939年克拉盖尔斯基提出了分子年克拉盖尔斯基提出了分子机械摩擦理论。认机械摩擦理论。认为摩擦力不仅取决于两个接触面间的分子作用力,而且还为摩擦力不仅取决于两个接触面间的分子作用力,而且还取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌的取决于因粗糙面微凸体的犁沟作用而引起的接触体形貌的畸变畸变( (可逆或不可逆可逆或不可逆) )。v在干摩擦时,由于实际物体的表面有着微观不平的微凸在干摩擦时,由于实际物体的表面有着微观不平的微凸体和凹穴,因此,两个表面接触时,接触仅仅发生在微凸体和凹穴,因此,两个表面接触时,接触仅仅发生在微凸体处,其实际接触面积只占总的名义接触面的很小一部分,体处,其实际接触面
21、积只占总的名义接触面的很小一部分,并且随着表面压力的增大而增大。在载荷作用下,表面膜并且随着表面压力的增大而增大。在载荷作用下,表面膜容易破坏,金属基体会直接接触。由于接触的不连续性,容易破坏,金属基体会直接接触。由于接触的不连续性,在很大的单位压力作用下,会同时出现表面微凸体相互压在很大的单位压力作用下,会同时出现表面微凸体相互压入和啮合,以及相接触的表面存在分子吸引力。当两表面入和啮合,以及相接触的表面存在分子吸引力。当两表面相对滑动时,则受到接触点上因机械啮合和分子吸引力所相对滑动时,则受到接触点上因机械啮合和分子吸引力所产生的切向阻力的总和产生的切向阻力的总和( (摩擦力摩擦力) )的
22、作用。的作用。19因而,在载荷作用下的接触表面的因而,在载荷作用下的接触表面的相互作用形式分为两种:机械作用相互作用形式分为两种:机械作用( (取决于变形取决于变形) )和分子作用和分子作用( (取决于原取决于原子相互作用子相互作用) )。 分子相互作用发生在极表层中,可触及到固体表层几百分子相互作用发生在极表层中,可触及到固体表层几百微米的深度。机械相互作用的过程发生在固体本身厚度为微米的深度。机械相互作用的过程发生在固体本身厚度为几十微米和更厚的各层中。机械作用与分子作用的比例与几十微米和更厚的各层中。机械作用与分子作用的比例与表面光洁度、材料种类、载荷大小有关。光洁度高时,分表面光洁度、
23、材料种类、载荷大小有关。光洁度高时,分子作用比例大;而光洁度低时,则机械作用大。对于金属,子作用比例大;而光洁度低时,则机械作用大。对于金属,分子作用大;而对于橡胶等,则分子作用小。分子作用大;而对于橡胶等,则分子作用小。20v克拉盖里斯基分析了在切向移动时接触点因机械作用或克拉盖里斯基分析了在切向移动时接触点因机械作用或分子作用而被破环的五种型式。前三种型式主要是由于机分子作用而被破环的五种型式。前三种型式主要是由于机械作用所致,后两种型式则明显地表现为分子作用的影响。械作用所致,后两种型式则明显地表现为分子作用的影响。第一种破坏型式是指切向移动时,在表面微凸体压入深度较第一种破坏型式是指切
24、向移动时,在表面微凸体压入深度较大时,使材料剪切或擦伤。若压入深度较小时,则发生材料的大时,使材料剪切或擦伤。若压入深度较小时,则发生材料的弹性回复和塑性挤压。若压入深度更小时,则形成材料的弹性弹性回复和塑性挤压。若压入深度更小时,则形成材料的弹性挤压;如果分子相互作用部分形成比基体金属强度低的连接,挤压;如果分子相互作用部分形成比基体金属强度低的连接,则产生一般的粘着膜的破坏。如果分子相互作用部分形成比基则产生一般的粘着膜的破坏。如果分子相互作用部分形成比基体金属强度更高的连接,当固体切向移动的力大于粘着连接的体金属强度更高的连接,当固体切向移动的力大于粘着连接的强度时,粘着连接被剪切或撕裂
25、,即基体材料的破坏。强度时,粘着连接被剪切或撕裂,即基体材料的破坏。21式中,式中,S Sa a 和和S Sm m分别为分子作用和机械作用的面积;分别为分子作用和机械作用的面积;a a和和m m分别为单位面积上分子作用和机械作用产生的摩擦力。分别为单位面积上分子作用和机械作用产生的摩擦力。其中,其中,p p为单位面积上的法向载荷;为单位面积上的法向载荷;A Am m为机械作用的切向阻为机械作用的切向阻力;力;B Bm m为法向载荷的影响系数;为法向载荷的影响系数;a a为指数,其值不大于为指数,其值不大于1 1但趋但趋于于1 1;A Aa a为分子作用的切向阻力,与表面清洁程度有关;为分子作用
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