第4章　摩擦、磨損和潤滑

4.1　復習筆記

一、摩擦

（1）定義

摩擦是指物體與另一物體沿接觸面的切線方向運動或有相對運動的趨勢時，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對運動的作用力的現象。

（2）分類

摩擦可分為外摩擦（兩物體表面間的摩擦）和內摩擦（存在于流體內部的摩擦）。

按摩擦界面的潤滑狀態，摩擦又可分為干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦和混合摩擦，如圖4-1所示。

圖4-1  摩擦狀態

1．干摩擦

（1）定義

干摩擦是指在不加潤滑劑時，相對運動的零件表面直接接觸而產生的摩擦。

（2）摩擦機理

①古典摩擦理論（不完全正確）；

②分子-機械理論：不僅適用于干摩擦，也適用于邊界摩擦。

（3）影響摩擦因數的因素

①摩擦副的配偶材料；

②表面粗糙度；

③表面膜；

④鍍層和涂層；

⑤滑動速度；

⑥環境的溫度；

⑦濕度等。

（4）特點

①摩擦因數大；

②磨損嚴重；

③零件使用壽命最短。

設計時應采取一定的措施盡量避免或減少干摩擦。

2．邊界摩擦

（1）定義

邊界摩擦是指兩摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開，摩擦性質不取決于流體粘度，而與邊界膜和表面的吸附性質有關的摩擦。

（2）特點

①有效地降低摩擦阻力、減輕磨損；

②提高承載能力；

③延長零件使用壽命。

3．流體摩擦（流體潤滑）

（1）定義

流體摩擦是指兩摩擦表面被流體（液體或氣體）完全隔開時，流體層間的相對運動產生的內摩擦。

（2）實現流體摩擦的方法

①流體動壓潤滑

形成基本條件：

a．兩運動表面成收斂性的楔形間隙。

b．兩表面間的相對運動速度足夠大并使油從大口流入小口流出。

c．潤滑油有一定粘度。

②彈性流體動壓潤滑；

a．定義

彈性流體動壓潤滑是指考慮接觸區彈性變形和壓力對接觸區潤滑油粘度的影響的動壓潤滑。

b．油膜厚度大小的影響因素

油膜厚度大小與接觸表面尺寸、形狀、接觸體的材料、接觸體運動速度、潤滑油的粘度、粘壓指數、以及載荷大小等諸多因素有關。

③流體靜壓潤滑。

a．優點

第一，不需要靠被潤滑表面的運動速度足夠大，將潤滑油代入潤滑部位；

第二，避免了機器啟動和停車時，由于速度較低，導致流體動壓力不高，使得無法避免磨損的情況；

第三，需要外界提供具有一定壓力的潤滑油；

第四，承載能力不受兩表面的相對速度和表面粗糙度的影響；

第五，運動精度高。

b．缺點

需要一個較復雜的液壓（氣壓）系統，造價較高，維護費用較高。

4．混合摩擦

混合摩擦是指流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦同時存在的摩擦狀態。

二、磨損

（1）定義

磨損是指運動副表面材料不斷損失的現象。

（2）磨損率

磨損率是指單位時間內材料的磨損量。

1．磨損過程

機械零部件的磨損過程分為三個階段，如圖4-2所示，分別是：

（1）跑合磨損階段（初期磨損階段）；

（2）穩定磨損階段（正常磨損階段）；

（3）劇烈磨損階段（耗損磨損階段）。

圖4-2  磨損的三個階段

2．磨損的分類

根據磨損機理可將磨損分為粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損及腐蝕磨損等。

（1）粘著磨損

①定義

粘著磨損是指由于粘著作用，材料由一表面轉移至另一表面所引起的磨損。

②影響因素

a．材料的硬度；

b．表面粗糙度；

c．相對運動速度；

d．工作溫度；

e．載荷大小。

③規律

a．同類材料的摩擦副較異類材料的摩擦副容易粘著；

b．脆性材料較塑性材料的抗粘著能力強；

c．在一定范圍內零件的表面粗糙度值越小抗粘著能力越強。

（2）磨粒磨損

①定義

磨粒磨損是指摩擦副表面上的較硬的微峰及從外界進入摩擦副間的硬質顆粒使摩擦副表面材料不斷損失的現象。

②特點

a．磨粒磨損是干摩擦狀態下的主要失效形式；

b．磨粒磨損破壞零件表面幾何形狀，使零件承載面積減小，發生突然折斷。

（3）疲勞磨損

①定義

疲勞磨損是指高副接觸的兩表面在接觸應力的反復作用下，零件工作表面或表面下一定深度處形成疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展與相互交接，使表層金屬剝落，出現凹坑的磨損。疲勞磨損也稱疲勞點蝕或者簡稱點蝕。

②規律

a．材料硬度越低，接觸應力越大，越容易出現點蝕；

b．表面粗糙度值較大時，容易發生疲勞點蝕；

c．油的粘度較大時，有利于提高疲勞壽命。

（4）沖蝕磨損

沖蝕磨損是具有一定速度的硬質微粒反復沖擊物體表面，造成表面疲勞破壞，物體表面材料損失的磨損。

（5）腐蝕磨損

腐蝕磨損是指摩擦副在相對滑動過程中，其外表面材料與周圍介質發生化學或電化學反應，并伴隨機械作用而引起的材料損失現象。

三、潤滑劑和添加劑

（1）潤滑劑

潤滑劑是潤滑油、潤滑脂和固體潤滑劑的總稱。

（2）潤滑劑的作用

①減輕或防止磨損；

②減小摩擦；

③降低工作表面的溫度；

④防銹；

⑤傳遞動力；

⑥消除污物；

⑦減振；

⑧密封。

（3）潤滑劑的分類

①液體潤滑劑；

②氣體潤滑劑；

③固體潤滑劑；

④半固體潤滑劑。

常用的潤滑劑為潤滑油和潤滑脂，只有特殊情況下采用固體潤滑劑。

1．液體潤滑劑

液體潤滑劑又稱潤滑油。

常用的液體潤滑油的分類;有機油，如動植物油；礦物油，主要是石油產品；化學合成油。

（1）潤滑油的粘度

粘度是液體內摩擦力大小的標志，反映潤滑油在外力作用下抵抗剪切變形的能力。

粘度的表示方法：

①動力粘度η

圖4-3所示為長、寬、高各為1m的流體，如果使立方體頂面流體層相對底面流體層產生1m/s的運動速度，所需要的外力F為1N時，則流體的粘度η為1N·s/m²，常用Pa·s表示，這種粘度稱為動力粘度。

圖4-3  流體的動力粘度

②運動粘度v

運動粘度是流體的動力粘度與同溫度下的密度ρ的比值，即

　 (4.1）

其單位是cm²/s，用St表示。1m²/s＝10⁴St＝10⁶cSt。

③相對粘度

恩氏粘度是200ml的粘性流體在給定的溫度t下流經一定直徑的小孔所需的時間與同體積的蒸餾水在20℃時流經同樣的小孔所需時間的比值，用°Et表示，是相對粘度的一種。

（2）粘溫和粘壓特性

①粘溫特性

潤滑油的粘度隨溫度的變化存在指數關系，即

η_t＝η₀（t₀/t）^m （4.2）

式中，m——粘溫指數，。

②粘壓特性

粘壓特性是指潤滑油的粘度隨壓力的升高而增大的一種關系，即

η＝η₀e^αp （4.3）

式中，η₀——油的粘度（Pa·s）；

p——油的壓力（Pa）；

α——粘壓指數（m²/N）。

（3）潤滑油的其他物理性能指標

①油性

a．定義

油性表示潤滑油在摩擦表面上的吸附性能。

b．運用

油性差的油吸附能力差。

②閃點和燃點

a．定義

閃點是指將潤滑油加熱，油樣蒸氣與空氣混合并接近明火發生閃光時的油溫度。

燃點是指閃光時間連續達到五秒時的油溫。

b．運用

機器工作溫度高時，應選用燃點高的潤滑油。

③凝點

a．定義

凝點是指潤滑油冷卻到不能流動時的溫度。

b．運用

低溫下工作的機器應選用凝點低的潤滑油。

④極壓性

a．定義

極壓性是指潤滑油中的活性分子與摩擦表面形成耐壓、減摩、抗磨的化學膜的能力。

b．運用

載荷大的高副接觸的摩擦副間宜用極壓性好的潤滑油

⑤酸值

酸值是指為中和一克潤滑油中的有機酸所需的氫氧化鉀的毫克數。

2．潤滑脂

潤滑脂是一種半固體潤滑劑，在潤滑油中加入適量的稠化劑，加熱后混合均勻，冷卻成為潤滑脂。

潤滑脂的性能指標：

（1）錐入度

①定義

錐入度是指在一個標準圓錐體在規定質量（150g）、時間（5s）和溫度（25℃）條件下沉入標準量杯內的潤滑脂的深度（以0.1mm為單位來表示）。

②性質

表示潤滑脂的稠度，即軟硬程度，標志潤滑脂內阻力的大小和流動性的強弱。

③運用

低速重載時選用錐入度小的潤滑脂。

（2）滴點

①定義

滴點是指在在規定的條件下加熱，當潤滑脂自滴點計的小孔滴下第一個液滴時的溫度。

②性質

表示潤滑脂的耐熱性能，是確定潤滑脂最高使用溫度的依據。

③運用

a．潤滑脂的工作溫度至少比其滴點低20℃左右；

b．工作溫度高時應選用滴點高的潤滑脂。

3．固體潤滑劑

固體潤滑劑是一些固體粉末，其剪切強度低、摩擦因數小。

4．添加劑

（1）作用

①改善潤滑劑的某些性能；

②延長潤滑劑的使用壽命。

（2）應用

在重載接觸副中常使用極壓添加劑，以增進抗粘著能力。