滑动摩擦机理的研究与设想
摘要:滑动摩擦是指两个相互接触的物体具有相对运动或相对运动趋势时,两个相互接触的物体之间总是存在着阻止这种相对运动或相对运动趋势的量。对滑动摩擦机理提出了有特色的观点。
关键词:摩擦;机理;滑动
滑动摩擦是指两个相互接触的物体具有相对运动或相对运动趋势时,两个相互接触的物体之间总是存在着阻止这种相对运动或相对运动趋势的量。滑动摩擦的大小可用摩擦力来表示。很显然,两个相互接触的物体只要有相对运动或相对运动趋势,就必有摩擦力的存在。但影响摩擦力大小的因素有哪些?这些因素如何影响摩擦力大小?滑动摩擦是如何产生的?这些看似简单的问题一直缠绕在一代又一代科研工作者心头,人们提出了一个个越来越完美的答案,离完美的答案已是一步之遥。
1摩擦机理研究的回顾
1.1古典的摩擦理论
关于滑动摩擦机理的研究,最早可以追溯到1699年由法国工程师G.Amontons提出Amontons-Coulomb理论,即古典的摩擦理论,也称库伦定律:
(1)摩擦力的大小与表面接触面积无关;
(2)摩擦力的大小与法向载荷成正比。法国的物理学家C.A.Coulomb于1785年又提出了第三条定律:
(3)静摩擦系数大于动摩擦系数。根据实验研究和理论分析,古典的摩擦理论已越来越不能满足科学技术发展的需要。经过近500年许多科学家的共同努力,目前对摩擦现象及其机理的研究已日臻成熟,但至今尚未形成统一的理论。
1.2分子机械理论
该理论认为,在摩擦过程中,两个相互接触的物体表面上的凹、凸峰间的机械咬合及表面分子间的相互吸引是阻碍两个相互接触的物体间有相对运动或相对运动趋势的主要原因。这种理论与古典的摩擦理论相比,更能反映真实情况。但两个相互接触的表面间压力很大,而使表面发生塑性变形时,没有加以考虑。如果两个相互接触的表面间压力很大而发生塑性变形,表面会粘接在一起,就象焊点一样。显然,要把这些焊点撕开,需要较大的力。
1.3简单的粘着理论
这一理论是Bowden和Tabor于1945年提出来的。他们认为两个相互接触的表面在接触时,只有少数的高峰在接触,实际接触面积较小,接触区产生塑性变形。由于压力的作用,接触区在逐渐增加,直至实际接触面积Ar足以支撑外载荷为止。即:
FN=A•rσS
式中,σS—材料的屈服极限;
FN—两个相互接触的表面间的正压力。
实验证明,用这一理论求得的摩擦系数和实际结果相差很大。问题出在哪里呢?Bowden和Tabor进一步推敲发现了该理论的缺陷,并对该理论做了切合实际的修改,得到了修正的粘着理论。
1.4修正的粘着理论
简单的粘着理论所以与事实不符,主要是忽略了两个事实:一个是没有考虑推动接触面滑动的力所产生的剪切应力;另一个原因是忽略了接触表面
的氧化膜和污染膜的影响。
(1)考虑剪切应力的影响,得到下列公式:
(FN/σS)2+α(F/σS)2=Ar2式中,α—(σS/τb)2;F—两个相互接触的表面间的剪切力。
(2)考虑接触表面的氧化膜和污染膜的影响,得到摩擦系数:
μ=C∕[α(1-C2)]0.51.5 N.P.Suh于1981年在《Wear》杂志上发表论文,对摩擦机理提出了新的观点他认为运动过程中的摩擦阻力来源于三个方
面,用摩擦系数表示分别为:表面微凸体变形阻力产生的摩擦系数μd,由刻槽阻力产生的摩擦系数μp,由粘着摩擦阻力产生的摩擦系数μa。为了证明自己的观点,N.P.Suh做了大量的实验,得出了基本符合实际的结论。
2作者对摩擦机理研究的观点
影响两个相互接触表面间的摩擦大小(用摩擦系数表示)的因素很多。经实验证实的有:两个相互接触的表面间的正压力、表面粗糙度、主(从)动件、运动副材料、表面氧化膜和污染膜的分布及厚薄及化学性质、表面间的剪切力等。作者通过对一组经实验得到的摩擦系数数据进行分析(见表1、2、3),提出自己的观点。
表1不同金属间的干摩擦系数(干燥的空气中)
Fe Al Zn Mo Ni Mg Cu
Fe 0.51
Al 0.54 0.57
Zn 0.55 0.58 0.75
Mo 0.46 0.50 0.53 0.44
Ni 0.50 0.52 0.56 0.50 0.56
Mg 0.51 0.55 0.49 0.51 0.52 0.64
Cu 0.47 0.48 0.56 0.48 0.54 0.53 0.55
2.1在干燥的空气中,金属表面的氧化膜及吸附的空气中水分子膜影响摩擦系数
在干燥的空气中,以上7种金属组合的摩擦系数在0.44─0.75间变化,变化的范围很小。此时,摩擦系数主要受金属表面的氧化膜及吸附的空气中水分子膜的影响。氧化膜在内,水分子膜在外。各种氧化膜对水分子的吸附程度不同,决定了水分子膜的厚度。水分子膜在相互接触的金属表面起润滑的作用,它越厚,摩擦系数越小。氧化锌是一种致密的膜,不易吸附水分子。所以,锌的摩擦系数最大。而氧化锰是一种松散的膜,吸附水分子的能力强。所以,锰的摩擦系数最小。
表2铜对铜在清洁表面下摩擦系数
表面处理方法 实测摩擦系数
真空中加热(1978年) 4.8
真空中加热(1989年) 4.3
氢气还原(1961年) 40─100
氢气还原(2004年) 30─140
真空中加热(2002年) 3.5─4.8
2.2表面清洁的纯金属比表面有氧化膜的金属摩擦系数大很多
从表2可知:在真空中加热的表面,前后差距20年的三组数据基本相同;而用氢气还原法得到的二组数据也基本相同。但用二种方法得到的摩擦系
数却相差10～20倍,原因何在?作者认为:用真空中加热的方法获得的清洁表面仍然有氧化膜存在,加热后,只是把金属表面的水分子膜去掉了;用氢气还原法得到金属表面已没有氧化膜,用公式表示:
XaOb+H2→H2O+X
氧化膜是非金属,它们之间的摩擦系数远小于纯金属间的摩擦系数。纯金属相接触时,表面间有分子之间的亲和力,摩擦系数很大。
2.3摩擦系数和运动状态有关
2.3.1从表3可知:摩擦系数和哪一个是固定或转动件有关,同样是20号钢与45号钢组成的摩擦副。
当20号钢是固定件时,稳态摩擦系数是0.67;当20号钢是转动件时,稳态摩擦系数就变成了0.53。有关资料没有说明原因。作者认为:较硬的材料做主动件时,它对比它软的材料有一种刻划的作用,阻力较大,摩擦系数较大;较软的材料做主动件时,它对比它硬的材料有一种自润滑的作用,阻力较小,摩擦系数较小。
2.3.2.从表3可知:稳态摩擦系数是初始摩擦系数的3～4倍。有关资料也没有说明原因。作者认为:当两相互接触的金属表面刚开始运动时,由于在两相互接触的金属表面间存在水分子膜、氧化膜,所以初始摩擦系数较小;当两相互接触的金属表面运动达到稳定状态时,由于摩擦温度较高,水分子膜部分破裂,甚至完全损坏,所以稳态摩擦系数较大。
2.3.3在峰值状态时,其摩擦系数约比稳态摩擦系数大40%。此时,两相互接触的金属表面间水分子膜完全破裂、甚至部分氧化膜发生分解反应,使一部分纯金属直接接触,所以峰态摩擦系数进一步增大。
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