第4章 摩擦、磨损和润滑
4.1 复习笔记
一、摩擦
（1）定义
摩擦是指物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力的现象。
（2）分类
摩擦可分为外摩擦（两物体表面间的摩擦）和内摩擦（存在于流体内部的摩擦）。
按摩擦界面的润滑状态，摩擦又可分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图4-1所示。
图4-1 摩擦状态
1．干摩擦
（1）定义
干摩擦是指在不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触而产生的摩擦。
（2）摩擦机理
①古典摩擦理论（不完全正确）；
②分子-机械理论：不仅适用于干摩擦，也适用于边界摩擦。
（3）影响摩擦因数的因素
①摩擦副的配偶材料；
②表面粗糙度；
③表面膜；
④镀层和涂层；
⑤滑动速度；
⑥环境的温度；
⑦湿度等。
（4）特点
①摩擦因数大；
②磨损严重；
③零件使用寿命最短。
设计时应采取一定的措施尽量避免或减少干摩擦。
2．边界摩擦
（1）定义
边界摩擦是指两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质不取决于流体粘度，而与边界膜和表面的吸附性质有关的摩擦。
（2）特点
①有效地降低摩擦阻力、减轻磨损；
②提高承载能力；
③延长零件使用寿命。
3．流体摩擦（流体润滑）
（1）定义
流体摩擦是指两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，流体层间的相对运动产生的内摩擦。
（2）实现流体摩擦的方法
①流体动压润滑
形成基本条件：
a．两运动表面成收敛性的楔形间隙。
b．两表面间的相对运动速度足够大并使油从大口流入小口流出。
c．润滑油有一定粘度。
②弹性流体动压润滑；
a．定义
弹性流体动压润滑是指考虑接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响的动压润滑。
b．油膜厚度大小的影响因素
油膜厚度大小与接触表面尺寸、形状、接触体的材料、接触体运动速度、润滑油的粘度、粘压指数、以及载荷大小等诸多因素有关。
③流体静压润滑。
a．优点
第一，不需要靠被润滑表面的运动速度足够大，将润滑油代入润滑部位；
第二，避免了机器启动和停车时，由于速度较低，导致流体动压力不高，使得无法避免磨损的情况；
第三，需要外界提供具有一定压力的润滑油；
第四，承载能力不受两表面的相对速度和表面粗糙度的影响；
第五，运动精度高。
b．缺点
需要一个较复杂的液压（气压）系统，造价较高，维护费用较高。
4．混合摩擦
混合摩擦是指流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的摩擦状态。
二、磨损
（1）定义
磨损是指运动副表面材料不断损失的现象。
（2）磨损率
磨损率是指单位时间内材料的磨损量。
1．磨损过程
机械零部件的磨损过程分为三个阶段，如图4-2所示，分别是：
（1）跑合磨损阶段（初期磨损阶段）；
（2）稳定磨损阶段（正常磨损阶段）；
（3）剧烈磨损阶段（耗损磨损阶段）。
图4-2 磨损的三个阶段
2．磨损的分类
根据磨损机理可将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损及腐蚀磨损等。
（1）粘着磨损
①定义
粘着磨损是指由于粘着作用，材料由一表面转移至另一表面所引起的磨损。
②影响因素
a．材料的硬度；
b．表面粗糙度；
c．相对运动速度；
d．工作温度；
e．载荷大小。
③规律
a．同类材料的摩擦副较异类材料的摩擦副容易粘着；
b．脆性材料较塑性材料的抗粘着能力强；
c．在一定范围内零件的表面粗糙度值越小抗粘着能力越强。
（2）磨粒磨损
①定义
磨粒磨损是指摩擦副表面上的较硬的微峰及从外界进入摩擦副间的硬质颗粒使摩擦副表面材料不断损失的现象。
②特点
a．磨粒磨损是干摩擦状态下的主要失效形式；
b．磨粒磨损破坏零件表面几何形状，使零件承载面积减小，发生突然折断。
（3）疲劳磨损
①定义
疲劳磨损是指高副接触的两表面在接触应力的反复作用下，零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互交接，使表层金属剥落，出现凹坑的磨损。疲劳磨损也称疲劳点蚀或者简称点蚀。
②规律
a．材料硬度越低，接触应力越大，越容易出现点蚀；
b．表面粗糙度值较大时，容易发生疲劳点蚀；
c．油的粘度较大时，有利于提高疲劳寿命。
（4）冲蚀磨损
冲蚀磨损是具有一定速度的硬质微粒反复冲击物体表面，造成表面疲劳破坏，物体表面材料损失的磨损。
（5）腐蚀磨损
腐蚀磨损是指摩擦副在相对滑动过程中，其外表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。
三、润滑剂和添加剂
（1）润滑剂
润滑剂是润滑油、润滑脂和固体润滑剂的总称。
（2）润滑剂的作用
①减轻或防止磨损；
②减小摩擦；
③降低工作表面的温度；
④防锈；
⑤传递动力；
⑥消除污物；
⑦减振；
⑧密封。
（3）润滑剂的分类
①液体润滑剂；
②气体润滑剂；
③固体润滑剂；
④半固体润滑剂。
常用的润滑剂为润滑油和润滑脂，只有特殊情况下采用固体润滑剂。
1．液体润滑剂
液体润滑剂又称润滑油。
常用的液体润滑油的分类;有机油，如动植物油；矿物油，主要是石油产品；化学合成油。
（1）润滑油的粘度
粘度是液体内摩擦力大小的标志，反映润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力。
粘度的表示方法：
①动力粘度η
图4-3所示为长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，所需要的外力F为1N时，则流体的粘度η为1N·s/m2，常用Pa·s表示，这种粘度称为动力粘度。
图4-3 流体的动力粘度
②运动粘度v
运动粘度是流体的动力粘度与同温度下的密度ρ的比值，即
(4.1）
其单位是cm2/s，用St表示。1m2/s＝104St＝106cSt。
③相对粘度
恩氏粘度是200ml的粘性流体在给定的温度t下流经一定直径的小孔所需的时间与同体积的蒸馏水在20℃时流经同样的小孔所需时间的比值，用°Et表示，是相对粘度的一种。
（2）粘温和粘压特性
①粘温特性
润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系，即
ηt＝η0（t0/t）m （4.2）
式中，m——粘温指数，
。
②粘压特性
粘压特性是指润滑油的粘度随压力的升高而增大的一种关系，即
η＝η0eαp （4.3）
式中，η0——油的粘度（Pa·s）；
p——油的压力（Pa）；
α——粘压指数（m2/N）。
（3）润滑油的其他物理性能指标
①油性
a．定义
油性表示润滑油在摩擦表面上的吸附性能。
b．运用
油性差的油吸附能力差。
②闪点和燃点
a．定义
闪点是指将润滑油加热，油样蒸气与空气混合并接近明火发生闪光时的油温度。
燃点是指闪光时间连续达到五秒时的油温。
b．运用
机器工作温度高时，应选用燃点高的润滑油。
③凝点
a．定义
凝点是指润滑油冷却到不能流动时的温度。
b．运用
低温下工作的机器应选用凝点低的润滑油。
④极压性
a．定义
极压性是指润滑油中的活性分子与摩擦表面形成耐压、减摩、抗磨的化学膜的能力。
b．运用
载荷大的高副接触的摩擦副间宜用极压性好的润滑油
⑤酸值
酸值是指为中和一克润滑油中的有机酸所需的氢氧化钾的毫克数。
2．润滑脂
润滑脂是一种半固体润滑剂，在润滑油中加入适量的稠化剂，加热后混合均匀，冷却成为润滑脂。
润滑脂的性能指标：
（1）锥入度
①定义
锥入度是指在一个标准圆锥体在规定质量（150g）、时间（5s）和温度（25℃）条件下沉入标准量杯内的润滑脂的深度（以0.1mm为单位来表示）。
②性质
表示润滑脂的稠度，即软硬程度，标志润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。
③运用
低速重载时选用锥入度小的润滑脂。
（2）滴点
①定义
滴点是指在在规定的条件下加热，当润滑脂自滴点计的小孔滴下第一个液滴时的温度。
②性质
表示润滑脂的耐热性能，是确定润滑脂最高使用温度的依据。
③运用
a．润滑脂的工作温度至少比其滴点低20℃左右；
b．工作温度高时应选用滴点高的润滑脂。
3．固体润滑剂
固体润滑剂是一些固体粉末，其剪切强度低、摩擦因数小。
4．添加剂
（1）作用
①改善润滑剂的某些性能；
②延长润滑剂的使用寿命。
（2）应用
在重载接触副中常使用极压添加剂，以增进抗粘着能力。