第1章 绪 论1．1 摩擦学的发展历史　　 摩擦学一词最早是1966年Jost发表的一篇具有划时代意义的报告中提出的，它来源于古希腊词“tribos”，意思是摩擦，词义可译为摩擦科学，与其意思相当的英语词义是摩擦磨损或润滑科学，后者几乎包含了摩擦的全部内容。在词典里，摩擦学的定义是研究相互运动表面之间的相互作用以及相关问题与实践的科学与技术。　　 摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性、维修等问题的一门学问，这些问题具有重大经济意义，涉及的领域大到太空船，小到家用设备。摩擦表面的相耳作用非常复杂，要认识它们需要掌握多门学科知识，例如物理学、化学、应用数学、固体力学、流体力学、热力学、热传导、材料科学、流变学、润滑、机械设计、可靠性分析等。　　 虽然摩擦学的定名时间相对较晚，而实际上人们了解摩擦学的相关知识却要早于其历史记录时间［１５］，例如旧石器时代发明的钻孔或生火钻具就已经安装了川鹿角或骨头制作的轴承；制作陶器的转盘或碾谷物的石辊也使用了一些轴承［１４］；罗马附近的尼米湖曾发现了一个公元40年的推力球轴承。　　 公元前3500年人们就开始利用车轮，这表明我们的祖先那时就知道如何在移动物体时降低摩擦。在搬运铺路或建造纪念碑的巨大石块时，人们利用了减摩技巧，例如用水作为滑橇的润滑剂。图1．1．1是公元前1880年埃及人使用滑橇搬运巨大雕像的情景［１９］，172人沿着木制轨道拖拉重力约600kN的雕像，一个人站在滑橇上将一种液体(很可能是水)向滑动轨道上喷洒，他町谓是最早的润滑工程师之一。Dowson估计过这个工地的摩擦因数［１５］，以每人的拉力为800 N计算，172人的总拉力为172x 800N，物体滑动时此力至少等于摩擦力，因此摩擦因数约为0．23。埃及人在公元前几千年前就会使川润滑脂，曾在一个墓穴里发现了古战车轴承上的残留动物脂。　　 在占罗马辉煌之后的一段时间里，军队工程师利用摩擦学原理设计作战机械和防御工事，使他们名声显赫。达芬奇(DaVinci，1452—1519)是文艺复兴时期的工程师和艺术家，他在军事工程方面的天才与他的绘画、雕塑天赋同样出色，他最先提出了摩擦的科学定义。达芬奇推断了矩形物块在平面上的滑动规律，他第一次提出了摩擦因数的概念，认为摩擦因数是摩擦力与正压力之比。可惜他的试验笔记在几百年中都未出版，他的这些工作并没有产生历史影响。直到1699年，法国物理学家阿芒顿(Amontons)研究了两个平面之间的干摩擦之后，再次发现这个摩擦定律”。第一，阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比；第二，摩擦力的大小与接触面积无关。这些发现后来被法国物理学家库仑(coulomb)修正”“，他以发现静电现象而闻名，他补充了第三条摩擦定律，即滑动摩擦力与速度无关，并且对静摩擦和动摩擦作厂清晰的区别。　　 在16世纪，轴承材料有了很大发展。1684年，Hooke把钢轴颈和青铜轴瓦组合为车轮轴承，它比木质轴颈与铁质轴瓦的组合要好得多。伴随着18世纪后叶的工业化，早期石油工业于19世纪50年代出现于苏格兰、加拿大和美国[15,20]。　　 牛顿(Newton)1668年提出了粘性流体的基本理论。一直到19世纪后期，人们对轴承的润滑作用才有了科学队识。实际上，人们对流体动力润滑原理的认识，始于1884年Tower的试验研究、1886年雷诺(Reynolds)对其进行的理论解释以及Petroff的相关工作。此后，为了提高新型机械的轴承可靠性，流体动力轴承的理沦及实践就发展得非常快。　　 相对于摩擦理论和轴承技术的发展而言，磨损研究起步较晚，它基于大量的试验I：作。直到20卅纪十期，对磨损进行的研究还比较少。Holm是最早对磨损研究做出实质性贡献的先驱者之一[16]。　　 工业革命期间(公元1750—1850年)，机械制造业得到快速发展。蒸汽机及随后的铁路工业促进了制造技术的进步，从20世纪初开始，工业的巨大发展推动了摩擦学发展，对摩擦学各方面知识的需求也急速增长[3,6,11,12,16]。1．2 摩擦学的重要意义　　 对于山滑动和滚动表面构成的现代机械而言，摩擦学是非常重要的。利用摩擦的机械有制动闸、离合器、车辆驱动轮、螺栓、螺母等。利用磨损的场合有铅笔写字、机加工、抛光等：不需要摩擦磨损的场合有内燃机、航天发动机、齿轮、凸轮、轴承、密封等。　　 据估计，美国由于缺乏摩擦学知识而每年造成的损失占其国民生产总值的4％左右，以1966年计算．约损失2000亿美元。日前，世界二分之一总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗：因此．队经济和可靠性角度看，减小摩擦和控制磨损的重要性不可低估。按照Jost的论述，通过摩擦学研究及其合理实践，将节约，—个工业化国家1％的国民生产总值。近期研究表明，通过节约获取的收益相当于研发投入经费的50倍，这些节约不仅现实而且重要，它不需要投入大量资全：研究摩擦学的目的是减少或消除表面摩擦磨损所造成的损失，提高生产效幸．改善声品苎釜．减少零件失效，节约可观资源。　　 摩擦学不仅对工业设备具有重要意义。同时也影响人们的日常生活。例如，写字就是一个摩擦学过程．它需要有控制的拓笔铅或墨水转移到纸上，当用铅笔写字的时候，笔铅与纸之间必须有很好的枯着作用．这样才能将少量的笔铅转移到纸上，同时笔铅必须具有很好的
第2章 固体表面的特征2．1 表面的基本特性　　 固体表面，确切地说是固气或固液界面，具有很复杂的结构和特性，这些特性与材料性能、表面处理方法、周围环境作用等都有很大关系。固体表面特性对实际接触面积、摩擦、磨损和润滑性能等表面相互作用行为也有重要影响。除了摩擦学功能之外，表面特性还对光学、导电、传热、着色及外观等性能产生影响。　　 任何加工方法形成的固体表面都存在不规则性，它们与理想几何平面有一定偏差[15,83]，这种不规则性从宏观的外形偏差到原子级的表面偏差都有表现。目前，尚无精密方法可以把常规材料加工到分子精度的平面，即使一些晶体解理所获得的最平整表面也存在大于原子尺度的不规则表面粗糙度。就工程应用而言，表面的宏观形貌、微观形貌和纳米形貌都是很重要的。　　 除了表面偏差之外，固体发面包括一些独特的物理化学特性区域，如图2．1．1所示[29,46,52]。由于成形方法的原因，金属和合金表面存在一个硬化层或材料变形层，它们上面是一个微品或非晶结构区，被称为贝氏层(Dcilby layer)，这个变形层在陶瓷和聚合物表面上也会出现。　　 许多表面都能声土化学反应。除了一些贵重金属之外，大多数金属、合金和非金属表面在空气中都菱形成氧化层．在其他环境中也能形成氮化层、硫化层或氯化层。除了化学反应层之外．环境气氛芒表面还会形成吸附膜，例如氧气、水气、碳氢化合物的物理吸附膜或化学吸附膜，偶尔还会形残油脂或润滑油膜。这些表面膜在金属和非金属表面上都存在。　　 表面摸影响着摩擦磨损性能．吸附膜对表面的相互作用有很大影响。有时，表面膜在运转初期被磨掉．之后它就不再产生影响：表面上的油脂膜或润滑膜可使接触表面的摩擦学性能降低一个或儿个数量级。表面化学反应和分子吸附属于表面的外在性质，而表面张力和自由能则是不可忽视的表面内在性能，它们影响表面的吸附能力。2．2 表层的基本特性2．2．1 变形层　　 金属、合金或陶瓷农层的冶金特性与它们的本体材料差别很大，这是材料表面的成形过程引起的。例如，在磨
摩擦与磨损.doc