第二章表面形貌和表面性质.ppt

1、 第二章 表面形貌和表面性质第一节第一节 表面形貌表面形貌由于摩擦的起因是由于两相互接触表面的相对运由于摩擦的起因是由于两相互接触表面的相对运动，因此动，因此表面性质表面性质和和表面接触状态表面接触状态必然会影响到必然会影响到接触表面间的摩擦。接触表面间的摩擦。一一.表面形貌表面形貌任何表面都不可能是绝任何表面都不可能是绝对光滑的，即时宏观看对光滑的，即时宏观看起来很光滑，但是在显起来很光滑，但是在显微镜下仍然是非常粗糙，微镜下仍然是非常粗糙，在微观上看，材料表面在微观上看，材料表面是由连续凹凸不平的峰是由连续凹凸不平的峰和谷组成的，右图为金和谷组成的，右图为金属三维表面形貌图。属三维表面形貌

2、图。材料的表面形貌是指其几何形状的详细材料的表面形貌是指其几何形状的详细图形，着重研究表面微凸体高度的变化，图形，着重研究表面微凸体高度的变化，表面形貌由表面形貌由形状公差、波纹度和表面粗形状公差、波纹度和表面粗糙度糙度组成。组成。表面粗糙度表面粗糙度+波纹度波纹度+形状公差形状公差=实际表面形貌实际表面形貌波高：相邻波形波峰与波谷之间的垂直距离波高：相邻波形波峰与波谷之间的垂直距离波距：相邻波形波峰或波谷之间的水平距离。波距：相邻波形波峰或波谷之间的水平距离。(1)(1)表面粗糙度：波距小表面粗糙度：波距小(小于小于1 mm)1 mm)，波高低，波高低，是是材料表面的材料表面的微观几何形状误

3、差微观几何形状误差。工程上通常采用工程上通常采用表面粗糙度表征表面的形貌参数表面粗糙度表征表面的形貌参数。(2)(2)波纹度：波纹度：是指材料表面是指材料表面周期性周期性重复出现的几重复出现的几何形状误差。何形状误差。波距范围为波距范围为1-10 mm1-10 mm，是是中间几何形中间几何形貌误差貌误差，通常用波距和波高表示。，通常用波距和波高表示。(3)(3)形状公差：形状公差：是实际表面形状与理想表面形状的是实际表面形状与理想表面形状的宏观几何形状误差宏观几何形状误差，波距波距10 mm10 mm以上以上。在表面形貌。在表面形貌分析中，通常不考虑。分析中，通常不考虑。表面粗糙度的特征：表面

4、粗糙度的特征：1.1.变化规律：变化规律：呈现某种规律性变化或为无呈现某种规律性变化或为无规律的随机变化特征。如车削、钻孔或刨规律的随机变化特征。如车削、钻孔或刨削等工艺加工的表面微凹凸体分布往往具削等工艺加工的表面微凹凸体分布往往具有一定的规律和方向性；磨削、研磨或抛有一定的规律和方向性；磨削、研磨或抛光等精加工表面则为无规律的随机分布特光等精加工表面则为无规律的随机分布特征。征。2.2.与摩擦磨损关系密切：与摩擦磨损关系密切：表面粗糙度的特表面粗糙度的特征对接触表面的压力分布、接触变形程度、征对接触表面的压力分布、接触变形程度、分子吸引力的大小、以及摩擦阻力和摩擦分子吸引力的大小、以及摩擦

5、阻力和摩擦成因等有决定性的影响。成因等有决定性的影响。二二.表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数高度特征参数高度特征参数:沿着垂直于中心线的方法测沿着垂直于中心线的方法测量的。包括：量的。包括：(1)(1)轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差 R Ra a(2)(2)微观不平度十点平均高度微观不平度十点平均高度R Rz z(3)(3)轮廓最大高度轮廓最大高度R Ry y间距特征参数：间距特征参数：是沿着中心线方向测量的，是沿着中心线方向测量的，能直接反映表面加工纹理的细密程度。包能直接反映表面加工纹理的细密程度。包括：括：(1)(1)轮廓微观不平度的平均间距轮廓微观不平度的平均间距S Sm m

6、 (2)(2)轮廓的单峰平均间距轮廓的单峰平均间距S S 形状特征参数：形状特征参数：用轮廓支撑长度率表示。用轮廓支撑长度率表示。(1)(1)轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差 Ra:Ra:在取样长度在取样长度l内，轮廓内，轮廓上各点到中心线距离的绝对值的算术平均值，上各点到中心线距离的绝对值的算术平均值，y yi i：轮廓上点与中心线的距离轮廓上点与中心线的距离;n n:标准长度内测量次数。标准长度内测量次数。左图为一条典型的表面轮廓曲线左图为一条典型的表面轮廓曲线y(x)y(x)。l 为取样长度；为取样长度；m-mm-m为为轮廓中心线轮廓中心线，该线之上轮廓包围的面积与之下包，该线之上轮廓包

7、围的面积与之下包围的面积相等；围的面积相等；y yi i 为轮廓上的点与中心线的距离。为轮廓上的点与中心线的距离。近似为近似为1.1.表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数-高度特征参数高度特征参数 算术平均偏差算术平均偏差R Ra a的特点：的特点：能充分反映表面微观能充分反映表面微观几何形状高度方面的特性，但因受计量器具功几何形状高度方面的特性，但因受计量器具功能的限制，不用作过于粗糙或太光滑的表面的能的限制，不用作过于粗糙或太光滑的表面的评定参数；不能真实反映出表面轮廓的离散性评定参数；不能真实反映出表面轮廓的离散性和波动性。但由于其定义与测量仪表读数设计和波动性。但由于其定义与测量仪

8、表读数设计原理一致，作为衡量表面粗糙度的主要参数，原理一致，作为衡量表面粗糙度的主要参数，被广泛采用。被广泛采用。轮廓均方根偏差轮廓均方根偏差 R Rq q（RMSRMS）或均方根值）或均方根值：轮轮廓线上各点距中心线距离平方和的均方根。廓线上各点距中心线距离平方和的均方根。例题：例题：有两条正弦曲线轮廓，其波长分别为有两条正弦曲线轮廓，其波长分别为和和2 2，最大振幅为，最大振幅为A A0 0，试证明两条轮廓具有相，试证明两条轮廓具有相等的等的R Ra a。(2)(2)微观不平度十点平均高度微观不平度十点平均高度R Rz z：在取样长度内，在取样长度内，5 5个个最大轮廓峰高平均值和最大轮廓

9、峰高平均值和5 5个最大轮廓谷深平均值之和，个最大轮廓谷深平均值之和，y ypipi第第i i个最高的轮廓峰高，个最高的轮廓峰高，y yvivi第第i i个最低的轮廓谷深。个最低的轮廓谷深。只能反映轮廓的峰高，不能反映峰顶的尖锐或平钝的只能反映轮廓的峰高，不能反映峰顶的尖锐或平钝的几何特性，同时若取点不同，则所得几何特性，同时若取点不同，则所得R Rz z值不同，因此值不同，因此受测量者的主观影响较大。受测量者的主观影响较大。(3)(3)轮廓最大高度轮廓最大高度RyRy在取样长度内，轮廓的峰顶线和谷底线之间的距在取样长度内，轮廓的峰顶线和谷底线之间的距离。峰顶线和谷底线平行于中线且分别通过轮廓

10、离。峰顶线和谷底线平行于中线且分别通过轮廓最高点和最低点。最高点和最低点。R Ry y 值是微观不平度值是微观不平度1010点中最高点和最低点至中线的垂直点中最高点和最低点至中线的垂直距离之和，因此它不如距离之和，因此它不如R Rz z值反映的几何特性准确，它对值反映的几何特性准确，它对某些表面上不允许出现较深的加工痕迹和小零件的表面某些表面上不允许出现较深的加工痕迹和小零件的表面质量有实用意义。质量有实用意义。n三个评定主参数对照三个评定主参数对照a a：能客观地反映表面微观几何形状的特征。：能客观地反映表面微观几何形状的特征。z z：反映表面微观几何形状特征方面不如：反映表面微观几何形状特

11、征方面不如a a全面，全面，但测量方便。但测量方便。y y：所反映表面微观几何形状特征更不全面，但：所反映表面微观几何形状特征更不全面，但测量十分简便，弥补了测量十分简便，弥补了a a、z z不能测量极小面不能测量极小面积的不足。积的不足。确定表面粗糙度时，可在三项高度特性方面的参确定表面粗糙度时，可在三项高度特性方面的参数中数中R Ra a、R Rz z、R Ry y 选取，只有当用高度参数不能满选取，只有当用高度参数不能满足表面功能要求时，才选取附加参数。足表面功能要求时，才选取附加参数。2.2.表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数-间距特征参数间距特征参数 (1)(1)轮廓微观不平度

12、的平均间距轮廓微观不平度的平均间距S Sm m：在取样长度内，在取样长度内，轮廓微观不平间距的平均值。轮廓微观不平间距轮廓微观不平间距的平均值。轮廓微观不平间距指指含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中心线的含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中心线的长度长度S Smimi。该参数反应了表面不规则起伏的波长或。该参数反应了表面不规则起伏的波长或间距以及粗糙峰的疏密程度。间距以及粗糙峰的疏密程度。轮廓峰：轮廓峰：是指在取样长度是指在取样长度l内轮廓与中线相交，连内轮廓与中线相交，连接两相邻交点向外接两相邻交点向外(从材料到周围介质从材料到周围介质)的轮廓部分。的轮廓部分。轮廓谷：轮廓谷：是指在取样长度是

13、指在取样长度l内轮廓与中线相交，连内轮廓与中线相交，连接两相邻交点向内接两相邻交点向内(从周围介质到材料从周围介质到材料)的轮廓部分。的轮廓部分。轮廓单峰：轮廓单峰：是指两相邻轮廓最低点之间的轮廓部分，是指两相邻轮廓最低点之间的轮廓部分，它没有基准线。它没有基准线。同一同一个轮廓峰可能有两个或多个轮廓峰可能有两个或多个轮廓单峰。个轮廓单峰。(2)(2)轮廓的单峰平均间距轮廓的单峰平均间距S S：在取样长度内，在取样长度内，轮廓的单峰间距的平均值。轮廓的单峰间距的平均值。轮廓的单峰间距是轮廓的单峰间距是两相邻轮廓单峰的最高两相邻轮廓单峰的最高点之间的距离投影在中心线的长度点之间的距离投影在中心线

14、的长度S Si i 。3.3.表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数-形状特征参数形状特征参数 (1)(1)支承面曲线支承面曲线轮廓支承长度率轮廓支承长度率tp：轮廓支撑长度：轮廓支撑长度p与取样长度与取样长度l之比。之比。轮廓支撑长度轮廓支撑长度p:在取样长度内，距峰顶线距离为在取样长度内，距峰顶线距离为p p时，时，与轮廓相截所得的各段截线长度之和，与轮廓相截所得的各段截线长度之和，p与截距与截距p的大小的大小有关，选有关，选tp时应同时截距时应同时截距p p值。值。支承面曲线既能表示粗糙表面的微凸体高度分布，也支承面曲线既能表示粗糙表面的微凸体高度分布，也能反映摩擦表面磨损到一定程度时

15、支承面积的大小。能反映摩擦表面磨损到一定程度时支承面积的大小。主要用于计算实际接触面积主要用于计算实际接触面积，一般用二维作图法求支，一般用二维作图法求支承面曲线。承面曲线。支撑面曲线作法：支撑面曲线作法：以距峰顶线的距离以距峰顶线的距离p p为纵坐标，以轮廓支承长度率为纵坐标，以轮廓支承长度率tp为为横坐标作图。横坐标作图。支承面积：支承面积：AxAx/A A0 0A Ax x离峰顶离峰顶p p处的支承面积处的支承面积;A A0 0离峰顶离峰顶y y处的支承面积。处的支承面积。按支承面积的大小将轮廓图形分三个高度层：支承按支承面积的大小将轮廓图形分三个高度层：支承面积小于面积小于25%25%

16、的部分称为波峰，为最高层；在的部分称为波峰，为最高层；在25%-25%-75%75%之间部分称为波中，为中间层；大于之间部分称为波中，为中间层；大于75%75%部分为部分为波谷，最低层。波谷，最低层。评定摩擦表面的接触和表面磨合评定摩擦表面的接触和表面磨合:(a):(a)图中，支撑面曲线在微凸图中，支撑面曲线在微凸体顶部处的斜率较大，曲线较陡，这种表面组成的摩擦副，体顶部处的斜率较大，曲线较陡，这种表面组成的摩擦副，接触面积小，耐磨性差。接触面积小，耐磨性差。(b)(b)图中的支撑面曲线在微图中的支撑面曲线在微凸体顶部处的斜率较小，曲凸体顶部处的斜率较小，曲线较平缓，这种表面组成的线较平缓，这

17、种表面组成的摩擦副，接触面积较大，耐摩擦副，接触面积较大，耐磨性能较好。磨性能较好。4 4、表明粗糙度评定参数的选用标准、表明粗糙度评定参数的选用标准n表面越粗糙的基本评定参数：表面越粗糙的基本评定参数：R Ra a R Rz z和和 R Ry y。R Ra a参数范围为参数范围为0.025-6.30.025-6.3；R Rz z的参数范围为的参数范围为0.1-250.1-25n表面越粗糙的附加评定参数：表面越粗糙的附加评定参数：S Sm m 、S Si i和和t tp pn表面粗糙度的要求可从上面表面粗糙度的要求可从上面6 6个参数中选取，其中高度参数个参数中选取，其中高度参数是基本参数，当

18、高度参数不能满足表面的功能要求是，根是基本参数，当高度参数不能满足表面的功能要求是，根据需要可选取间距参数和形状特征参数。据需要可选取间距参数和形状特征参数。n在高度参数的选取中优先选用参数在高度参数的选取中优先选用参数R Ra a,当表面当表面过于粗糙过于粗糙(R Ra a6.3)6.3)或太光滑或太光滑(R Ra a0.025)0.025)时时，常选用，常选用R Rz z，当表面积比较，当表面积比较小，不足一个取样长度时小，不足一个取样长度时(如顶尖，刀具的刃部及仪表的小如顶尖，刀具的刃部及仪表的小元件表面元件表面)，常选用，常选用 R Ry y ，对于应力集中而导致披露破坏比，对于应力集

19、中而导致披露破坏比较敏感的表面，在选取参数较敏感的表面，在选取参数R Ra a 或或R Rz z时刻同时选取时刻同时选取R Ry y 以控制以控制波谷深度。但波谷深度。但R Ra a 和和R Rz z在一个表面上不能同时选取。在一个表面上不能同时选取。n表面粗糙度评定参数：表面粗糙度评定参数：S Sm m 、S Si i和和t tp p不能单独使用，只有当不能单独使用，只有当规定高度参数不能控制表面功能要求是，才能取用以作为规定高度参数不能控制表面功能要求是，才能取用以作为补充控制，当选取补充控制，当选取t tp p时，还应同时给出水平截距时，还应同时给出水平截距p p的数值的数值5 5、表面

20、形貌统计学特性、表面形貌统计学特性切削加工的金属表面形貌包含了周期变化和随机变化两个切削加工的金属表面形貌包含了周期变化和随机变化两个部分，单一形貌参数不能够描述复杂的表面形貌，采用形部分，单一形貌参数不能够描述复杂的表面形貌，采用形貌统计参数能反映更多貌统计参数能反映更多的表面形貌信息。的表面形貌信息。(1)(1)轮廓高度分布函数：轮廓高度分布函数：由不同高度由不同高度z z作等高线，计算它与峰部空间或谷部空间作等高线，计算它与峰部空间或谷部空间交割线段长度的总和交割线段长度的总和li i以及与测量长度以及与测量长度l的比值的比值li i/l。用这些比值画出高度分布直方图。如果在分布曲线上沿

21、用这些比值画出高度分布直方图。如果在分布曲线上沿z z向选取足够多的点，则从直方图可以描绘出一条光滑向选取足够多的点，则从直方图可以描绘出一条光滑的曲线，这就是轮廓高度的概率密度分布曲线。的曲线，这就是轮廓高度的概率密度分布曲线。左图为以平均高度线为左图为以平均高度线为x x轴，轮廓上各点高度为轴，轮廓上各点高度为z zi i的概率密度分布曲线，的概率密度分布曲线，绘制方法如下绘制方法如下:为粗糙度的均方值，正态分布中称标准偏差，为粗糙度的均方值，正态分布中称标准偏差，2 2为方差。为方差。切削加工表面的轮廓高度接近于正态分布（切削加工表面的轮廓高度接近于正态分布（GaussGauss分布）：

22、分布）：而实际切削加工表面形貌的分布曲线往往与标准的而实际切削加工表面形貌的分布曲线往往与标准的GaussGauss分分布存在一定偏差，通常用统计参数表示这种偏差。例如：布存在一定偏差，通常用统计参数表示这种偏差。例如：偏态差偏态差 S S：衡量分布曲线偏离对称位置的指标，定义衡量分布曲线偏离对称位置的指标，定义为为 峰态峰态K K：表示分布曲线的尖峭程度表示分布曲线的尖峭程度,定义为：定义为：对称分布曲线的偏态差对称分布曲线的偏态差S S均为均为0 0，标准，标准GaussGauss分布的分布的峰态为峰态为3 3。(2)自相关函数自相关函数R(l)：在分析表面形貌参数时，抽样间隔的大小对于绘

23、制直方图在分析表面形貌参数时，抽样间隔的大小对于绘制直方图和分布曲线有显著影响。和分布曲线有显著影响。为了表达为了表达相邻轮廓的关系和轮廓相邻轮廓的关系和轮廓曲线的变化趋势，引入另一个统计参数曲线的变化趋势，引入另一个统计参数R(l)。对于任一条。对于任一条轮廓曲线，自相关函数是各点的轮廓高度与该点相距一定轮廓曲线，自相关函数是各点的轮廓高度与该点相距一定间隔处的轮廓高度乘积的数学期望，即间隔处的轮廓高度乘积的数学期望，即如果测量长度如果测量长度l内的测量点为内的测量点为n n，各测量点的坐标为，各测量点的坐标为x xi i，则，则对于连续函数对于连续函数的轮廓曲线可写成积分形式：的轮廓曲线可

24、写成积分形式：任何表面形貌的特征都可以用高度分布概率密度函任何表面形貌的特征都可以用高度分布概率密度函数数(z)(z)和自相关函数和自相关函数R(l)这两个参数描述。这两个参数描述。6 6、表面形貌的测量、表面形貌的测量(1)(1)光切法光切法双管显微镜测量表面粗糙度，常用于车、铣、刨双管显微镜测量表面粗糙度，常用于车、铣、刨等外表面的等外表面的R Rz z的评定，测量范围的评定，测量范围0.5-60 0.5-60 m m。(2)(2)干涉法干涉法利用光干涉原理，用干涉显微镜测量。可测利用光干涉原理，用干涉显微镜测量。可测Rz和和Ry，测量范围，测量范围0.025-0.8 0.025-0.8

25、m。(3)(3)印模法印模法利用石蜡、低熔点合金利用石蜡、低熔点合金(锡铅等锡铅等)或其他印模材料或其他印模材料将被测表面印模下来，然后对复制印模表面进行将被测表面印模下来，然后对复制印模表面进行测量。由于印模材料不能充满谷底，其测量值略测量。由于印模材料不能充满谷底，其测量值略有缩小。该法适用于笨重零件及内表面有缩小。该法适用于笨重零件及内表面(深孔、凹深孔、凹槽、内螺纹等槽、内螺纹等)。(4)(4)针描法针描法利用仪器的触针与被测表面相接触，当触针以一利用仪器的触针与被测表面相接触，当触针以一定的速度的沿被测表面移动时，微观不平的痕迹定的速度的沿被测表面移动时，微观不平的痕迹是触针做垂直轮

26、廓方向的运动，从而产生电信号，是触针做垂直轮廓方向的运动，从而产生电信号，信号经过处理后，可直接测出测量信号经过处理后，可直接测出测量R Ra a(5)(5)比较法比较法将被测表面与粗糙度样块进行比较来评定表面粗将被测表面与粗糙度样块进行比较来评定表面粗糙度。比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、糙度。比较法可用目测直接判断或借助于放大镜、显微镜比较或凭触觉来判断表面粗糙度。用此法显微镜比较或凭触觉来判断表面粗糙度。用此法检验表面粗糙度是生产车间常用的方法。检验表面粗糙度是生产车间常用的方法。第二节金属内部结构和表面性质第二节金属内部结构和表面性质摩擦过程中，除了表面形貌影响摩擦磨损性能摩擦过

27、程中，除了表面形貌影响摩擦磨损性能外，材料表面的物理、化学、机械性能影响也外，材料表面的物理、化学、机械性能影响也很大。很大。一、金属材料的内部结构特征一、金属材料的内部结构特征1 1、金属结构、金属结构通常，金属在固态下都是晶体，其原子按一定通常，金属在固态下都是晶体，其原子按一定几何形状有规则的排列，称为空间晶体。基本几何形状有规则的排列，称为空间晶体。基本排列形式分别为排列形式分别为体心立方、面心立方和密排六体心立方、面心立方和密排六方方。晶体结构的不同，使晶体的力学和物理性。晶体结构的不同，使晶体的力学和物理性能具有明显的方向性。原子密度最大晶面的晶能具有明显的方向性。原子密度最大晶面

28、的晶面间距最大，结合力最弱，滑移阻力最小。三面间距最大，结合力最弱，滑移阻力最小。三种典型晶体的结构特征见下图。种典型晶体的结构特征见下图。8+6=148+6=14个原子个原子8+1=98+1=9个原子个原子12+2+3=1712+2+3=17个原子个原子实际晶体中，存在着许多晶体结构的缺陷，这些缺陷不实际晶体中，存在着许多晶体结构的缺陷，这些缺陷不是静止、稳定不变的，而是随条件的改变而不断变化和是静止、稳定不变的，而是随条件的改变而不断变化和交互作用的。对晶体表面的机械、物理和化学性能影响交互作用的。对晶体表面的机械、物理和化学性能影响很大。很大。2 2、晶体缺陷、晶体缺陷按几何特征，晶体缺

29、陷主要有三类。按几何特征，晶体缺陷主要有三类。（1 1）点缺陷：）点缺陷：三维方向上尺寸都很三维方向上尺寸都很小的缺陷，如空位、间隙原子和杂质小的缺陷，如空位、间隙原子和杂质原子等。点缺陷引起点阵对称性的破原子等。点缺陷引起点阵对称性的破坏，不仅仅像是基本单元在空位和间坏，不仅仅像是基本单元在空位和间隙原子中不能完整复制。而且，对称隙原子中不能完整复制。而且，对称性的破坏还必然造成在其附近一个区性的破坏还必然造成在其附近一个区域内的弹性畸变，对金属的物理、机域内的弹性畸变，对金属的物理、机械和热处理性能都有较大的影响。械和热处理性能都有较大的影响。(2)(2)线缺陷：线缺陷：一个方向上尺寸较大

30、，另外两个方向一个方向上尺寸较大，另外两个方向的尺寸较小的缺陷。位错是典型的线缺陷，主要包的尺寸较小的缺陷。位错是典型的线缺陷，主要包括刃型位错和螺型位错。括刃型位错和螺型位错。刃型位错：刃型位错：BCBC线以上原子向左推移一个原子间距，线以上原子向左推移一个原子间距，然后上下原子对齐，在然后上下原子对齐，在EFEF处不能对齐，多了一排原处不能对齐，多了一排原子。子。EFEF就是线缺陷就是线缺陷-刃型位错刃型位错。螺型位错螺型位错：将晶体沿：将晶体沿ABCDABCD割开至割开至EFEF，将割口上下，将割口上下两部分晶体沿两部分晶体沿-z-z轴方向相对滑移一个原子间距轴方向相对滑移一个原子间距d

31、 d，再胶合好。，再胶合好。EFEF就是螺型位错就是螺型位错，EFEF周围的原子面周围的原子面形成以形成以EFEF为轴线的螺卷面。为轴线的螺卷面。(3)(3)面缺陷面缺陷缺陷若主要沿二维方向伸展开来，而在另一维缺陷若主要沿二维方向伸展开来，而在另一维方向上的尺寸变化相对甚小，则形成面缺陷。方向上的尺寸变化相对甚小，则形成面缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶体表面、晶界、金属晶体中的面缺陷主要有晶体表面、晶界、亚晶界、孪晶界、相界、层错等。亚晶界、孪晶界、相界、层错等。3 3、晶体结构变化、晶体结构变化晶体结构变化可改变表面的摩擦特性。晶体结构变化可改变表面的摩擦特性。例如钴在加热时，晶体结构从密

32、排六方晶格转例如钴在加热时，晶体结构从密排六方晶格转为面心立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降为面心立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系数将与原先密排六方晶格的到室温时，摩擦系数将与原先密排六方晶格的摩擦系数相符。摩擦系数相符。二、摩擦表面性质二、摩擦表面性质1 1、表面张力、表面能和接触角、表面张力、表面能和接触角(1)(1)表面张力表面张力 ：在水内部的一个水分子受周围水分子的作：在水内部的一个水分子受周围水分子的作用力的合力为零，但在表面的一个水分子却不如此。因上用力的合力为零，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸层空间气相分子

33、对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。种收缩力称为表面张力。即液体受到拉向内部力的作用，即液体受到拉向内部力的作用，使其表面积收缩和凝聚，这种力叫表面张力。使其表面积收缩和凝聚，这种力叫表面张力。(2)(2)表面能表面能：液体表面的分子受到指向液体内部的拉力作：液体表面的分子受到指向液体内部的拉力作用，如果把液体内分子由内部移向表面就必须克服这种拉用，如果把液体内分子由内部移向

34、表面就必须克服这种拉力做功。这样，位于液体表面的分子比液体内分子具有较力做功。这样，位于液体表面的分子比液体内分子具有较大的势能大的势能。把液体表面全部分子具有的势能总和称为表面。把液体表面全部分子具有的势能总和称为表面能。能。或者定义为或者定义为将液体内部分子拉到表面上所需作的功。将液体内部分子拉到表面上所需作的功。(3)接触角：接触角：当液滴落到固体表面时，它同时受到固当液滴落到固体表面时，它同时受到固-气的气的界面张力界面张力sg(固体的表面张力固体的表面张力)、液、液-气的界面张力气的界面张力lg(液体液体的表面张力的表面张力)和固和固-液的界面张力液的界面张力sl的作用，当的作用，当

35、sg=sl+lgcos(杨氏公式杨氏公式)时，液滴在表面上达到平衡，且具有时，液滴在表面上达到平衡，且具有一固定的形态。一固定的形态。为接触角，是指在气、液、固三相交点为接触角，是指在气、液、固三相交点处所作的处所作的气气-液界面的切线与固液界面的切线与固-液交界线之间的夹角，是液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度润湿程度的量度。若。若=0，则液体可完全润湿固体；若，则液体可完全润湿固体；若90，则固体是憎液的，即液体不润湿固体，容易在表面上移动；则固体是憎液的，即液体不润湿固体，容易在表面上移动；当当=180，液体完全不润湿固体。，液体完全不润湿固体。接触角的大小衡量固体表面与液体间的润湿性

36、接触角的大小衡量固体表面与液体间的润湿性。不同液体在同种固体表面上，得到不同的接触角，不同液体在同种固体表面上，得到不同的接触角，接触角小的液体表面张力小，液体易润湿固体表接触角小的液体表面张力小，液体易润湿固体表面。面。同种液体在不同种固体表面上，也得到不同的接同种液体在不同种固体表面上，也得到不同的接触角，接触角小的表示固体的表面能高，是亲水触角，接触角小的表示固体的表面能高，是亲水表面，接触角大的表示固体的表面能低，是疏水表面，接触角大的表示固体的表面能低，是疏水表面，不易与液体亲和也不易与其他固体表面粘表面，不易与液体亲和也不易与其他固体表面粘着。着。p固体也有表面张力和表面能固体也有

37、表面张力和表面能。固体的表面能是指。固体的表面能是指将固体拉开而形成新表面时需做的功。如果固体将固体拉开而形成新表面时需做的功。如果固体表面十分洁净，则表面处于高能状态。与其他固表面十分洁净，则表面处于高能状态。与其他固体表面与这种表面接触，将体表面与这种表面接触，将显示出高的粘着能力，显示出高的粘着能力，摩擦明显增大摩擦明显增大。与液体接触时，。与液体接触时，具有较小的接触具有较小的接触角，能很好的与液体润湿角，能很好的与液体润湿，使液体润滑剂能很好，使液体润滑剂能很好的与之亲和，得到低摩擦。的与之亲和，得到低摩擦。2、表面膜、表面膜由于固体表面具有一定的表面张力，且金属零件在由于固体表面具

38、有一定的表面张力，且金属零件在加工过程中，形成的许多晶格缺陷使表面原子处于加工过程中，形成的许多晶格缺陷使表面原子处于不饱和或非稳定态，空气中的气体分子不饱和或非稳定态，空气中的气体分子(O(O2 2、N N2 2、COCO2 2)通过自由分子运动对金属表面的撞击，以及润通过自由分子运动对金属表面的撞击，以及润滑油的极性基团等都容易产生吸附，从而形成各种滑油的极性基团等都容易产生吸附，从而形成各种膜。表面吸附效果对于干摩擦和边界润滑状态都十膜。表面吸附效果对于干摩擦和边界润滑状态都十分重要，这种吸附膜隔开了相对运动的表面，减少分重要，这种吸附膜隔开了相对运动的表面，减少了表面直接接触，具有一定

39、的承载能力，起到减小了表面直接接触，具有一定的承载能力，起到减小摩擦、减轻磨损的作用。根据膜的结构性质不同，摩擦、减轻磨损的作用。根据膜的结构性质不同，表面膜可分为吸附膜和反应膜，吸附膜又有物理吸表面膜可分为吸附膜和反应膜，吸附膜又有物理吸附膜和化学吸附膜之分。反应膜又有氧化膜和化学附膜和化学吸附膜之分。反应膜又有氧化膜和化学反应膜之分。反应膜之分。(1)吸附膜吸附膜物理吸附膜：物理吸附膜：当气体或液体与金属表面接触时，分子或当气体或液体与金属表面接触时，分子或原子相互吸引而产生的吸附，原子相互吸引而产生的吸附，物理吸附膜可以为单分子物理吸附膜可以为单分子层，也可以为多分子层层，也可以为多分子

40、层。物理吸附是。物理吸附是靠范德华力，吸附靠范德华力，吸附能较弱能较弱，小于，小于10104 4J/molJ/mol。对温度敏感，吸附层薄，热量。对温度敏感，吸附层薄，热量可使分子解吸。物理吸附一般在可使分子解吸。物理吸附一般在常温、低速、轻载条件常温、低速、轻载条件下形成下形成。物理吸附和解附是。物理吸附和解附是完全可逆完全可逆的。的。化学吸附膜：化学吸附膜：由于极性分子的有价电子与基体表面的电由于极性分子的有价电子与基体表面的电子子发生交换而产生的化学结合力发生交换而产生的化学结合力，使极性分子定向排列，使极性分子定向排列，吸附在金属表面所形成的吸附膜，吸附在金属表面所形成的吸附膜，化学吸

41、附膜为单分子化学吸附膜为单分子层层。化学吸附膜牢固，。化学吸附膜牢固，吸附能大吸附能大，超过，超过10104 4J/molJ/mol。化学。化学吸附吸附一般在中载、中速及中温条件下形成一般在中载、中速及中温条件下形成，需要，需要高温才高温才能解附能解附。其减磨作用好于物理吸附层。其减磨作用好于物理吸附层。(2)(2)反应膜反应膜氧化膜：氧化膜：加工后的金属表面化学活性大，容易氧化生加工后的金属表面化学活性大，容易氧化生成氧化膜。如铁表面的氧化膜从基体内层到外层的氧成氧化膜。如铁表面的氧化膜从基体内层到外层的氧化物依次为：化物依次为：FeO-FeFeO-Fe3 3O O4 4-Fe-Fe2 2O

42、 O3 3FeOFeO和和FeFe3 3O O4 4的保护作用较好，的保护作用较好，FeFe2 2O O3 3脆性大易被磨掉成磨粒，脆性大易被磨掉成磨粒，加剧磨损。加剧磨损。*氧化膜对表面的保护作用取决于氧化膜的结构和厚度。较氧化膜对表面的保护作用取决于氧化膜的结构和厚度。较薄的氧化膜结合强度高，能阻止黏着；膜厚增大，强度降低，薄的氧化膜结合强度高，能阻止黏着；膜厚增大，强度降低，在摩擦力作用下易脱落成磨粒，对摩擦不利。在摩擦力作用下易脱落成磨粒，对摩擦不利。化学反应膜化学反应膜：润滑剂中的硫、磷、氯等元素与：润滑剂中的硫、磷、氯等元素与金属表面金属表面进行化学反应进行化学反应，二者之间的，二

43、者之间的价电子相互价电子相互交换而形成的一种新的化合物膜层交换而形成的一种新的化合物膜层叫做化学反应叫做化学反应膜。这种化学反应膜具有高的熔点及低的剪切强膜。这种化学反应膜具有高的熔点及低的剪切强度，并且度，并且比化学吸附膜和物理吸附膜稳定很多比化学吸附膜和物理吸附膜稳定很多。这种反应这种反应不可逆不可逆。化学反应膜一般化学反应膜一般在在重载、高温、重载、高温、高速条件高速条件下形成。下形成。3 3、金属的表层结构、金属的表层结构加工后的表面金属表面组成是复杂的，微观是凹凸不平的加工后的表面金属表面组成是复杂的，微观是凹凸不平的微凸体，而且与环境介质发生相互作用。大致分为微凸体，而且与环境介质

44、发生相互作用。大致分为5 5个部个部分。分。吸附层：吸附层：物理和化学吸附膜物理和化学吸附膜反应层：反应层：氧化膜和化学反应膜氧化膜和化学反应膜贝氏层：贝氏层：加工中分子层熔化和表面分子层流动产生的微晶加工中分子层熔化和表面分子层流动产生的微晶层。可提高材料的表面强度层。可提高材料的表面强度变形层：变形层：机加工过机加工过程中相互作用表面程中相互作用表面的相互作用力引起的相互作用力引起的表面层的变形。的表面层的变形。硬度较大有残余应硬度较大有残余应力。力。4 4、切削加工对表面层的影响、切削加工对表面层的影响 采用刀具对金属表面切削加工时，刀具把采用刀具对金属表面切削加工时，刀具把切削层切除，

45、使金属表面产生塑性变形。刀具切削层切除，使金属表面产生塑性变形。刀具后刀面对已加工表面施加法向力，后刀面与已后刀面对已加工表面施加法向力，后刀面与已加工表面间还存在摩擦力，这些力引起加工表加工表面间还存在摩擦力，这些力引起加工表面的弹性变形和塑性变形，使表面层的机械、面的弹性变形和塑性变形，使表面层的机械、物理和化学作用加剧，影响已加工表面的表面物理和化学作用加剧，影响已加工表面的表面粗糙度、表面层的硬化和残余应力的性质及大粗糙度、表面层的硬化和残余应力的性质及大小。小。一、固体表面的接触本质一、固体表面的接触本质真实物体表面不是理想的光滑表面，两个粗糙真实物体表面不是理想的光滑表面，两个粗糙

46、表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表面表面在载荷作用下相互接触时，最先是两表面上一些较高的微凸体发生接触，这些不连续的上一些较高的微凸体发生接触，这些不连续的微小接触点的变形构成了真实的微小接触点的变形构成了真实的接触面积。接触面积。随随着载荷的的增加，其它次高微凸体也逐渐发生着载荷的的增加，其它次高微凸体也逐渐发生接触。接触。摩擦力是单位面积上的摩擦力和真实接触面积摩擦力是单位面积上的摩擦力和真实接触面积的乘积，的乘积，真实接触面积决定了摩擦力的大小真实接触面积决定了摩擦力的大小；磨损也只发生在真实接触面积上，磨损也只发生在真实接触面积上，磨损与真实磨损与真实接触面积密切相关接触面积密切相

47、关。第三节第三节 固体表面的接触固体表面的接触二、接触面积二、接触面积(1)(1)名义接触面积名义接触面积A An n(表观接触面积表观接触面积)：接触表面的宏观面接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。积，由接触物体的外部尺寸决定。(2)(2)轮廓接触面积轮廓接触面积A Ap p：接触表面在波纹度的波峰上形成的接触表面在波纹度的波峰上形成的接触面积。是一种假设接触面积，大小与载荷和表面接触面积。是一种假设接触面积，大小与载荷和表面几何形状有关，约占名义接触面积的几何形状有关，约占名义接触面积的5-15%5-15%。(3)(3)实际接触面积实际接触面积A Ar r：物体真实接触面积的总和

48、，两接触物体真实接触面积的总和，两接触物体通过表面微凸体直物体通过表面微凸体直接传递界面相互作用，接传递界面相互作用，发生变形而产生的微接发生变形而产生的微接触面积之和。为名义接触面积之和。为名义接触面积的触面积的0.01-0.1%0.01-0.1%，图中黑点表示的接触面图中黑点表示的接触面积。积。实际接触面积的部分特性：实际接触面积的部分特性：n（1 1）接触点具有离散性。）接触点具有离散性。n（2 2）在多数接触状态中，一部分微凸体发生）在多数接触状态中，一部分微凸体发生弹性变形，一部分微凸体发生塑性变形，实弹性变形，一部分微凸体发生塑性变形，实际际接触点的变形是由塑性变形和弹性变形共接触

49、点的变形是由塑性变形和弹性变形共同作用的结果。同作用的结果。n（3 3）实际接触面积的增加是依靠接触点数目实际接触面积的增加是依靠接触点数目的增加和每一接触尺寸的加大，而起主要作的增加和每一接触尺寸的加大，而起主要作用的是接触点数的增加用的是接触点数的增加。三、赫兹接触三、赫兹接触n详细研究固体表面的接触问题，精确计算两表面的实详细研究固体表面的接触问题，精确计算两表面的实际接触面积是很困难的。它不仅涉及因素很多，而且际接触面积是很困难的。它不仅涉及因素很多，而且需要掌握物体的弹性、塑性理论、热力学、冶金学及需要掌握物体的弹性、塑性理论、热力学、冶金学及化学等知识，同时需要进行广泛的摩擦学实验

50、，进行化学等知识，同时需要进行广泛的摩擦学实验，进行深入的研究分析，这样建立起来的理论才具有实际指深入的研究分析，这样建立起来的理论才具有实际指导意义。导意义。n摩擦学中，摩擦副接触处的几何形状多数是圆弧形的，摩擦学中，摩擦副接触处的几何形状多数是圆弧形的，如齿轮传动、滚动轴承、凸轮等。许多接触问题要涉如齿轮传动、滚动轴承、凸轮等。许多接触问题要涉及到圆柱、球体等曲面体的弹性接触，及到圆柱、球体等曲面体的弹性接触，赫兹接触理论赫兹接触理论(1895(1895年年)为曲面接触问题提供了理论根据，并广泛应为曲面接触问题提供了理论根据，并广泛应用于计算实际接触面积。用于计算实际接触面积。赫兹假设：赫