材料摩擦磨损.ppt
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1、材料摩擦磨损材料摩擦磨损引言引言 摩擦学摩擦学(Tribology)是近三十多年来迅速发展起来的是近三十多年来迅速发展起来的一门新兴边沿学科。它主要包括一门新兴边沿学科。它主要包括摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损和润滑等研等研究领域。摩擦导致大量机械能的损耗,而磨损则是机械究领域。摩擦导致大量机械能的损耗,而磨损则是机械零件失效的一个重要原因。零件失效的一个重要原因。据估计,工业化国家能源的约据估计,工业化国家能源的约30消耗于摩擦。对消耗于摩擦。对一个高度工业化的国家,每年因摩擦和磨损所造成的经一个高度工业化的国家,每年因摩擦和磨损所造成的经济损失差不多占其国民经济年产值的济损失差不多占其国民经济
2、年产值的l2。摩擦与磨。摩擦与磨损的研究是一个有重大社会经济效益的课题。损的研究是一个有重大社会经济效益的课题。摩擦与磨损自古以来就存在,利弊共存。摩擦与磨损自古以来就存在,利弊共存。摩擦与磨损摩擦与磨损 摩擦与磨损是涉及两个或两个以上作相对摩擦与磨损是涉及两个或两个以上作相对运动物体之间的界面的科学和技术问题的一门运动物体之间的界面的科学和技术问题的一门学科。学科。包含着许多物理、化学及力学过程。物理学、化包含着许多物理、化学及力学过程。物理学、化学及材料科学工作者对此相当关注。摩擦与磨损直接学及材料科学工作者对此相当关注。摩擦与磨损直接影响机械零件间力、功或运动的传递,因此,又是机影响机械
3、零件间力、功或运动的传递,因此,又是机械工程师们重视的问题。不难看出,摩擦和磨损的研械工程师们重视的问题。不难看出,摩擦和磨损的研究将是多学科的综合,涉及物理、化学、数学、材料究将是多学科的综合,涉及物理、化学、数学、材料科学和机械工程等方面的很多基础知识。科学和机械工程等方面的很多基础知识。三个问题三个问题 为为解解决决摩摩擦擦学学领领域域中中的的技技术术问问题题,必必须须弄弄清清楚楚摩摩擦擦学基本的问题。学基本的问题。摩擦学的这三个方面问题显然是互相联系的。因摩擦学的这三个方面问题显然是互相联系的。因此,为了能全面解决摩擦学问题,必须对这三个方面此,为了能全面解决摩擦学问题,必须对这三个方
4、面问题有所了解。问题有所了解。(1)通过物理和化学作用,环境对表面特征的影响;通过物理和化学作用,环境对表面特征的影响;(2)接触表面之间的力的产生和传输;接触表面之间的力的产生和传输;(3)作用在表面接触点处的外力附近表面材料的特性。作用在表面接触点处的外力附近表面材料的特性。前景前景 随着工业的发展,特别是在现代随着工业的发展,特别是在现代工业与技术中高速、重载的运转条件,工业与技术中高速、重载的运转条件,核反应堆、宇宙飞船那样的恶劣工作核反应堆、宇宙飞船那样的恶劣工作环境,微型机构、生物等方面,对摩环境,微型机构、生物等方面,对摩擦与磨损提出了越来越高的要求,为擦与磨损提出了越来越高的要
5、求,为这门新兴学科的发展提供了强大动力。这门新兴学科的发展提供了强大动力。目前的研究目前的研究热点热点:空间、生物、:空间、生物、微纳米、高速机械等。微纳米、高速机械等。课程内容课程内容 1、材料表面特性及接触力学、材料表面特性及接触力学2、材料的摩擦、材料的摩擦3、材料的磨损、材料的磨损第一章第一章 固体表面特性固体表面特性 第一节第一节 固体表面特性及结构固体表面特性及结构 表表面面是是一一个个抽抽象象的的概概念念,实实际际常常把把无无厚厚度度的的抽抽象象表表面面叫叫数数学学表表面面,把把厚厚度度在在几几个个原原子子层层内内的的表表面面叫叫作作物物理表面理表面,而把我们常说实际的固体表面叫
6、,而把我们常说实际的固体表面叫工程表面工程表面。但但物物质质不不是是无无限限的的,在在晶晶体体中中原原子子或或分分子子的的周周期期性性排排列列发发生生大大面面积积突突然然终终止止的的地地方方就就出出现现了了界界面面,如如固固体体液液体体、固固体体气气体体及及固固体体固固体体的的界界面面,常常把把固固体体气气体体(或或真真空空)、固固体体液液体体的的界界面面称称为为固固体体的表面。的表面。很很多多物物理理化化学学过过程程:催催化化、腐腐蚀蚀、摩摩擦擦和和电电子发射等都发生在子发射等都发生在“表面表面”,可见其重要性。,可见其重要性。金属表面的实际构成示意图金属表面的实际构成示意图 工程表面工程表
7、面表面结构表面结构 面心立方表面原子的配位数面心立方表面原子的配位数在表面的位置配位数表面所处晶面配位数角上原子3原子在(111)上9边缘原子5原子在(100)上8 表面原子表面原子M 的配位数的配位数为为 5。而基。而基体中的任一体中的任一个原子的配个原子的配位数为位数为 6。表面的电子分布表面的电子分布 (a)电荷密度分布电荷密度分布 (b)电荷分布电荷分布 表面缺陷表面缺陷 点缺陷、线缺陷和面缺陷点缺陷、线缺陷和面缺陷 点缺陷点缺陷:在三维方向上都很小的缺陷。:在三维方向上都很小的缺陷。线线缺缺陷陷:它它是是在在一一个个方方向向上上尺尺寸寸较较大大,而而在在另另外外两两个个方向上尺寸较小
8、的线缺陷。方向上尺寸较小的线缺陷。面面缺缺陷陷:晶晶体体的的缺缺陷陷若若主主要要是是沿沿二二维维方方向向伸伸展展开开来来,而而在在另另一一维维方方向向上上的的尺尺寸寸变变化化相相对对地地甚甚小小,则则称称为为面面缺缺陷陷。各各种种界界面面如如晶晶体体表表面面、晶晶界界、亚亚晶晶界界及及相相界界等等都是面缺陷,它们通常只有一个至几个原子层厚。都是面缺陷,它们通常只有一个至几个原子层厚。由于界面特殊的结构和界面能量,使得界面有许由于界面特殊的结构和界面能量,使得界面有许多与晶体内部不同的性质。多与晶体内部不同的性质。例如,界面的扩散、界面例如,界面的扩散、界面吸附、界面腐蚀、界面与位错的相互作用等
9、,并对材吸附、界面腐蚀、界面与位错的相互作用等,并对材料的机械性能(强度、韧性)以及对变形、再结晶和料的机械性能(强度、韧性)以及对变形、再结晶和相变过程等都有重要影响。相变过程等都有重要影响。第二节第二节 表面热力学表面热力学 一、表面张力与表面能一、表面张力与表面能1.表面热力学函数表面热力学函数 在在表表面面,晶晶格格的的周周期期性性被被切切断断,因因此此表表面面原原子子处处于于与与固固体体内内部部不不同同的的环环境境之之中中。其其实实,表表面面的的组组成成和和物物理理性性质质是是由由单单一一相相慢慢慢慢地地变变化化而而来来的的领领域域,虽虽然然很很难难把把它它当当作作原原来来的的热热力
10、力学学相相,但但能能作作为为一一种种由由温温度度、面面积积、曲曲率率半半径径以以及及各各组组分分原原子子的的质质量量等等决决定定的的特特殊殊相相来来处处理理。总总之之,固固体体表表面面相相的的热热力力学学性性质质必必须须与与固固体内部区别开来考虑。体内部区别开来考虑。热力学函数热力学函数 现就其周围包含有现就其周围包含有N个原子的固体平面而言,若每个原子的固体平面而言,若每一原子的体能量为一原子的体能量为E0,则每单位面积的表面能,则每单位面积的表面能ES与总能与总能量量E之间有下述关系之间有下述关系:每单位面积的表面熵为每单位面积的表面熵为SS,体熵为,体熵为S0,则固体的总的,则固体的总的
11、熵熵S为:为:a是表面积。是表面积。热力学函数热力学函数表面每单位面积的吉布斯(表面每单位面积的吉布斯(Gibbs)自由能为:)自由能为:系统总的自由能为:系统总的自由能为:表面每单位面积的功为表面每单位面积的功为:表面张力表面张力 在建立新的表面时,邻近的原子丢失、键被切断。在建立新的表面时,邻近的原子丢失、键被切断。为此,必须作某种功。为此,必须作某种功。在一定的温度、压力下,保持在一定的温度、压力下,保持平衡条件,当表面积平衡条件,当表面积a只增加只增加da时,该系统也必须做时,该系统也必须做功。功。这个可逆的表面功这个可逆的表面功 W S由下式给出:由下式给出:如如果果没没有有任任何何
12、非非可可逆逆过过程程,那那么么这这个个可可逆逆功功 就就等于表面能量的变化。因此等于表面能量的变化。因此表面张力表面张力 高温时,在由解理而制得的新的表面的情况下,表高温时,在由解理而制得的新的表面的情况下,表面原子自由地在表面扩散的时候,与面积无关,则面原子自由地在表面扩散的时候,与面积无关,则 所以所以(表面张力与表面自由能相一致(表面张力与表面自由能相一致)低温,解理表面的原子不能自由扩散时,由于在表面低温,解理表面的原子不能自由扩散时,由于在表面残留有畸变,因此残留有畸变,因此 表面能的物理图像表面能的物理图像 以面心立方金属的(以面心立方金属的(100)面作为表面)面作为表面 只有当
13、每个原子有只有当每个原子有12个最近邻,能量才最低,结个最近邻,能量才最低,结构最稳定。当少了四个最近邻原子,出现了四个构最稳定。当少了四个最近邻原子,出现了四个“断断键键”时,表面原子的能量就会升高。和表面原子的这时,表面原子的能量就会升高。和表面原子的这种高出来的能量相连的就是表面能。种高出来的能量相连的就是表面能。晶面的表面能晶面的表面能 不同晶面作表面时,断键数目不同,因而表面能不同。不同晶面作表面时,断键数目不同,因而表面能不同。表面能表面能 还还可可以以更更直直观观地地说说明明表表面面能能,设设有有一一横横截截面面为为1cm2的的固固体体柱柱,在在理理想想条条件件下下(真真空空中中
14、)将将它它分分成成两两段段时时所所作作的的功功称称为为内内聚聚功功Wc,它它表表征征了了相相同同物物质质间间的的吸吸引引强强度度。拉拉断断后后的的固固体体柱柱增增加加了了两两个个面面积积为为1cm2的的新新表表面面,相相应应增增加加的的表表面面能能为为2a,a为固体为固体a增加的表面能。增加的表面能。根据功能原理得根据功能原理得Wc2a 物质的表面能和界面能物质的表面能和界面能 假如柱的上段为物质假如柱的上段为物质a,下段为物质,下段为物质b,则接触部分的,则接触部分的界面能为界面能为ab。若使柱在。若使柱在a、b界面上断开,对柱所作的功界面上断开,对柱所作的功称为粘附功称为粘附功Wab。断开
15、后柱增加表面能。断开后柱增加表面能a和和b。根据功能。根据功能原理得原理得 Wababab 界面能界面能实实验验证证明明,界界面面能能ab约约为为1/41/2(ab)。如如果果a、b两物质能相互溶解或能形成金属间化合物,其界两物质能相互溶解或能形成金属间化合物,其界面能较小,约为面能较小,约为 。若。若a、b 两物质不能相两物质不能相互溶解,其界面能较大,约为互溶解,其界面能较大,约为 。a、b为同一物质为同一物质 Wc2a 或或 Wc2b由上式可以看出,由上式可以看出,WcWab,即相同物质间的摩擦要,即相同物质间的摩擦要大于不同物质间的摩擦。大于不同物质间的摩擦。a、b相互溶解相互溶解 a
16、、b不能相互溶解不能相互溶解第三节第三节 表面吸附与化学反应表面吸附与化学反应 表面吸附是实际固体重要的表面现象,它的存在可表面吸附是实际固体重要的表面现象,它的存在可以显著降低表面的系统能量。以显著降低表面的系统能量。吸吸附附作作用用是是固固体体表表面面最最重重要要的的特特征征之之一一。被被吸吸附附的的分分子子称称为为吸吸附附物物(质质),固固体体作作为为吸吸附附剂剂。表表面面吸吸附附按按其其作作用用力力的的性性质质可可分分为为两两类类:物物理理吸吸附附和和化化学学吸吸附附。在吸附过程中,一些能量较高的吸附分子,可能在吸附过程中,一些能量较高的吸附分子,可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面,称
17、为克服吸附势的束缚而脱离固体表面,称为“脱附脱附”或或“解吸解吸”。当吸附与解吸达到动态平衡时,固体表面。当吸附与解吸达到动态平衡时,固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子,这种吸附,保存着一定数量的相对稳定的吸附分子,这种吸附,称为平衡吸附。称为平衡吸附。物理吸附物理吸附 物理吸附的作用力,是物理吸附的作用力,是范得瓦尔斯(范得瓦尔斯(Vander Waals)分子力。范得瓦)分子力。范得瓦尔斯分子力是由于表面尔斯分子力是由于表面原子与吸附原子之间的原子与吸附原子之间的极化作用而产生的。极化作用而产生的。P 表示吸附能(吸附热),表示吸附能(吸附热),r0 中吸附分子在平中吸附分子在平衡
18、时离开表面的距离衡时离开表面的距离。化学吸附化学吸附 化学吸附,在吸附剂和吸附化学吸附,在吸附剂和吸附物的原子或分子间物的原子或分子间发生电子发生电子的转移的转移,改变了吸附分子的,改变了吸附分子的结构。结构。化学吸附中的库仑力化学吸附中的库仑力主要是吸引力,它按主要是吸引力,它按-2 规律变化。当吸附物的原规律变化。当吸附物的原子离表面很近时,也有按子离表面很近时,也有按-13 规律变化的斥力出现。规律变化的斥力出现。按照吸附过程中电子转移按照吸附过程中电子转移的程度,化学吸附还可以的程度,化学吸附还可以分为,分为,离子吸附和化学键离子吸附和化学键吸附吸附。在化学吸附中,吸。在化学吸附中,吸
19、附剂和吸附物分子或原子附剂和吸附物分子或原子之间的作用力,主要是之间的作用力,主要是静静电库仑力电库仑力。物理吸附和化学吸附的比较物理吸附和化学吸附的比较 用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。当产生能。当产生化学吸附时,需要有一定的活化能化学吸附时,需要有一定的活化能。这可能。这可能是由于存在一个温度界限的缘故,低于此界限就不会发是由于存在一个温度界限的缘故,低于此界限就不会发生化学吸附。生化学吸附。物理吸附无需活化能物理吸附无需活化能,在任何温度下都会以一定的,在任何温度下都会以一定的速率,即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。速
20、率,即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。物理吸附物理吸附 化学吸附化学吸附 化学反应化学反应 表面氧化膜表面氧化膜 表面化学反应表面化学反应 表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物。这时无论是吸附质还是吸附剂的特了一种新的化合物。这时无论是吸附质还是吸附剂的特性都发生了根本变化。性都发生了根本变化。金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷:晶界、位错、台阶等,这些部位缺陷:晶界、位错、台阶等,这些部位能量高能量高,氧化,氧化也就往往从这些高能位置开始,一直到将表面覆盖。也就
21、往往从这些高能位置开始,一直到将表面覆盖。固固液界面上的效应液界面上的效应 在润滑系统中,液在润滑系统中,液固界面上发生的物理和化学过固界面上发生的物理和化学过程有非常重要的影响。程有非常重要的影响。润滑剂和固体在界面上相互作润滑剂和固体在界面上相互作用形成边界膜的机制有三种类型:一是物理吸附;二是用形成边界膜的机制有三种类型:一是物理吸附;二是化学吸附;三是化学反应。化学吸附;三是化学反应。1.物理吸附物理吸附 如同气体在固体表面上的物理吸附,润滑剂如同气体在固体表面上的物理吸附,润滑剂(如液如液体脂肪酸体脂肪酸)分子是以范德瓦尔斯力与固体表面原子作用分子是以范德瓦尔斯力与固体表面原子作用而
22、吸附的。吸附质与固体表面间的作用力很弱,受热而吸附的。吸附质与固体表面间的作用力很弱,受热时就可能产生脱附或使膜熔化。时就可能产生脱附或使膜熔化。物理吸附膜对温度比较敏感。由物理吸附而产生物理吸附膜对温度比较敏感。由物理吸附而产生的边界润滑,一般只适用于比较低的温度和摩擦热较的边界润滑,一般只适用于比较低的温度和摩擦热较小,即低载荷、低滑动速度的情况。小,即低载荷、低滑动速度的情况。硬脂酸在固体表面物理吸附硬脂酸在固体表面物理吸附化学吸附化学吸附 这是一种很强的短程作用力。化学吸附的吸这是一种很强的短程作用力。化学吸附的吸附热较大,一般是附热较大,一般是41.87418.68kJmol。这种。
23、这种吸附的一个典型例子是,在边界润滑时,硬脂酸吸附的一个典型例子是,在边界润滑时,硬脂酸和氧化铁在有水存在时所产生的吸附。吸附结果和氧化铁在有水存在时所产生的吸附。吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂膜金属皂膜”。这种。这种“金属皂膜金属皂膜”不仅有较低的切变强度,相对说来不仅有较低的切变强度,相对说来也有比较高的熔点。也有比较高的熔点。例如,硬脂酸的熔点是例如,硬脂酸的熔点是69,而这种金属,而这种金属皂膜的熔点约为皂膜的熔点约为120。因此,这种化学吸附膜。因此,这种化学吸附膜作为润滑剂,可以在中等裁荷、中等温度及中作为润滑剂,可以在中等裁荷、中等温度及中等滑动
24、速度下使用。等滑动速度下使用。硬脂酸化学吸附硬脂酸化学吸附 吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸吸附结果是表面上形成了一层硬脂酸“金属皂金属皂膜膜”化学反应化学反应 当润滑剂分子和固体表面之间出现价电子当润滑剂分子和固体表面之间出现价电子交换,并且交换,并且形成新的化合物形成新的化合物时,则表明液时,则表明液固固界面上发生了化学反应。由化学反应形成的边界面上发生了化学反应。由化学反应形成的边界膜,在厚度上可以是没有限制的,并且它们界膜,在厚度上可以是没有限制的,并且它们有较高的活性与结合能量。在边界润滑中,大有较高的活性与结合能量。在边界润滑中,大部分参加化学反应的边界润滑剂中均含有硫、部分参加化
25、学反应的边界润滑剂中均含有硫、氯和磷原子。氯和磷原子。形成低切变强度和高熔点金属盐膜的作用,形成低切变强度和高熔点金属盐膜的作用,如硫化物、氯化物、磷化物等。这种膜比物理如硫化物、氯化物、磷化物等。这种膜比物理吸附及化学吸附膜更稳定,因而适合于高载荷、吸附及化学吸附膜更稳定,因而适合于高载荷、高温度和高的滑动速度下使用。高温度和高的滑动速度下使用。小结小结1、固体表面特性、固体表面特性2、表面热力学、表面热力学 表面热力学函数、表面热力学函数、表面张力、表面能表面张力、表面能 3、表面吸附、表面吸附物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附、表面化学反应表面化学反应 4、吸附的应用、吸附的应用第二章
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- 材料 摩擦 磨损
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