4-1 摩擦

摩擦定义：正压力作用下相互接触的两物体受切向外力影响发生相对运动（或有相对运动趋势）时，接触面上产生的抵抗运动的阻力——这一自然现象称为摩擦。
摩擦分类（按位移形式）：滑动摩擦 vs 滚动摩擦。
摩擦分类（按相对运动）：静摩擦（相对运动趋势时的摩擦）vs 动摩擦（相对运动进行中的摩擦）。
金属表面滑动摩擦按润滑剂存在状况分四类：
干摩擦（无润滑剂或保护膜，两表面直接接触，见图 4-1a）；
边界摩擦（边界润滑）（摩擦由边界膜和表面吸附性能决定，见图 4-1b）；
流体摩擦（流体润滑）（流体膜隔开摩擦表面，摩擦在流体内部分子间粘性阻力，见图 4-1c）；
混合摩擦（混合润滑）（边界摩擦与流体摩擦同时存在，见图 4-1d）。
工程中真正的干摩擦并不存在——表面总被氧化膜或油气分子污染膜覆盖，通常按干摩擦处理。
状态判别（膜厚比 λ，式 4-1）：
λ ≤ 1 → 边界摩擦；
1 < λ < 3 → 混合摩擦；
λ ≥ 3 → 流体摩擦。

干摩擦——修正粘附理论

早期库仑摩擦定律 F_f = fF_n（F_f 摩擦力，F_n 法向载荷，f 摩擦因数）；20 世纪以来陆续形成分子—机械理论、粘附理论等，目前对金属材料多用修正粘附理论。
真实接触面积 A_r = ∑ A_ri（远小于表观接触面积 A₀ = ab）。
单峰接触模型（图 4-3）：复合应力由压应力 σ_y 与切应力 τ 组成；塑性变形发生于最大切应力达一般限值处；其后结点扩展面积增大、摩擦力逐渐增至 F_f。
修正粘附理论公式（式 4-2）：f = F_fF_n = τ_Bjσ_Sy = 界面剪切强度极限 / 两种金属基体中较软的压缩屈服极限。
τ_Bj——较软金属剪切强度极限；当剪断发生在基体内时 τ_Bj 为基体剪切强度极限；表面膜磨破且出现金属粘附结点时 τ_Bj 近似等于剪切极限。
工程中金属摩擦因数是在常规压力、速度下试验测定值，可视为常数（详见参考文献 [63]）。

边界摩擦（边界润滑）

边界膜：润滑油中的脂肪酸是极性化合物，极性分子牢固吸附在金属表面上形成的分子膜。
单层分子边界膜：极性分子整齐排列、像刷子一样横排列（图 4-4）。
多层分子边界膜（图 4-5）：离金属表面越远吸附能力越弱，剪切强度越低，远若干层后不再有约束；分子层越多层数越多总剪切强度越大，但层与层间易滑动。
摩擦因数约 0.1（因粗糙度之和常超过边界膜厚度，λ ≤ 1 时不能完全避免金属直接接触）。
边界膜组成：吸附膜（物理吸附膜、化学吸附膜，如脂肪酸的极性分子靠物理/化学吸附附着）+ 反应膜（含 S、Cl、P 的添加剂在 150~200℃ 下与金属反应生成的硫化物/氯化物/磷化物薄膜，剪切强度低、熔点高）。
合理选配摩擦副材料和润滑剂、降低粗糙度、添加油性添加剂与极压添加剂都能增强边界膜。

混合摩擦（混合润滑）

状态：1 < λ < 3；表面间同时有边界摩擦和流体摩擦。
流体润滑膜厚度增大→轮峰直接接触的接触点数量减少→承载侧摩擦阻力增加，混合摩擦因数比边界摩擦时小得多。
不可避免地仍存在磨损。

流体摩擦（流体润滑）

形成条件：λ ≥ 3~4 时完全流体摩擦，摩擦因数极小（油润滑时 0.001~0.008），理想摩擦状态。
润滑剂分子几乎不受吸附影响可自由移动，摩擦在流体内部分子间产生。

纳米摩擦学

在原子、分子尺度研究摩擦界面行为、损伤及对策，包括纳米薄膜润滑和微观摩擦磨损理论及表面和界面分子工程。

4-2 磨损

磨损定义：运动副之间摩擦导致零件表面材料逐渐丧失或迁移。会使机器效率下降、可靠性降低、提前报废。
磨料磨损的有用场合：精加工磨削抛光、机器磨合。
磨损三阶段（图 4-6，磨损量–时间曲线）：
磨合阶段：轮廓峰形状变化 + 表层加工硬化；时间短、不稳定，但「跑合」过程使表面粗糙度达到稳定。
稳定磨损阶段：磨损平稳缓慢，时间长短代表零件使用寿命。
剧烈磨损阶段：表面遭到破坏，运动副间隙增大，引起额外动载荷、噪声、振动，温度急增，必须停机更换零件。
应努力缩短磨合阶段，延长稳定磨损阶段，推迟剧烈磨损阶段。

磨损分类（按机理）

黏着磨损：摩擦表面轮廓峰相互作用「冷焊」后相对滑动时材料从一个表面迁移到另一表面，可反复迁移、逆迁移、脱落为游离颗粒，严重时运动副咬死——金属摩擦副最普遍的形式。
磨料磨损：外部进入摩擦面的游离硬颗粒（如尘土、磨损造成的金属微粒）或硬轮廓峰尖在较软表面上犁出沟纹，部分材料流到沟纹旁、部分形成碎片脱落——微切削过程。
疲劳磨损：表面微体积在重复变形下疲劳破坏引起的磨损（接触应力超过接触疲劳极限时，表面或次表面裂纹扩展、连接、剥落，形成月牙形浅坑→疲劳磨损/疲劳点蚀）。
流体磨料磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）：
流体磨料磨损：液/气流夹带硬质固体或硬质颗粒作用引起的磨损（高压空气输送型砂/高压水输送矿石时管道内壁）。
流体侵蚀磨损：液流/气流冲蚀作用引起的磨损（蒸汽和燃气涡轮叶片、火箭发动机尾喷管、直升机螺旋桨等）。
机械化学磨损（腐蚀磨损）：机械作用与化学/电化学共同作用，如空气中酸/润滑油、燃油中残存的无机酸（硫酸）+水分造成化学/电化学作用相对运动损失材料——氧化磨损最常见。
微动磨损（微动损伤）：粘着 + 磨料 + 机械化学 + 疲劳综合作用，多在名义上相对静止、实际存在微幅相对滑动的两个紧密接触表面（如轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈配合面、旋合螺纹工作面、铆钉工作面）；微幅滑动为循环变应力或振动下两接触面弹性变形差异引起，一般仅微米量级；不仅损坏配合表面品质还导致疲劳裂纹萌生，急剧降低疲劳强度。微动损伤包含微动磨损、微动腐蚀、微动疲劳。

4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法

润滑剂种类

气体润滑剂（应用最多的是空气，用于气体轴承）；
液体润滑剂（应用最广是润滑油）；
半固体润滑剂（润滑脂，润滑油 + 稠化剂的稳定混合）；
固体润滑剂（石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯）。

润滑油（重点）

三类：有机油（动、植物油）、矿物油（石油产品，主要是石油产品中化学合成油）、化学合成油（高温、低温、高速、重载等特殊用途）；近年出现绿色润滑油（生物可降解，特殊行业）。
评判指标（润滑油）：
黏度：最重要性能。
① 动力黏度 η（Pa·s，CGS 制为 P（泊），1 P = 100 cP；牛顿粘性定律式 4-3：τ = -η ∂ u∂ y。u 流速，∂ u/∂ y 速度梯度）。
② 运动黏度 ν（m²/s，CGS 制为 St（斯），1 St = 1 cm²/s = 100 cSt = 10⁻⁴ m²/s，1 cSt = 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s；式 4-4：ν = η/ρ，ρ 单位 kg/m³，矿物油 ρ = 850~900 kg/m³）。
GB/T 3141—1994 规定采用润滑油在 40 ℃ 时的运动黏度中心值作牌号，实际运动黏度在中心值 ±10% 偏差内（见表 4-1，如牌号 15 的运动黏度中心值 15 cSt，范围 13.5~16.5 cSt）。
③ 条件黏度：用某种规格黏度计测流过规定孔道的时间表示；中国用恩氏度（°E），美国用赛氏通用秒（SUS），英国用雷氏秒（R）。
运动-条件黏度换算（式 4-5）：
当 1.35 < η_E ≤ 3.2 时：ν_t = 8.0η_E^8.64/η_E（书页 58 的排版原样）
当 3.2 < η_E ≤ 16.2 时：ν_t = 7.6η_E^4.0/η_E
当 η_E > 16.2 时：ν_t = 7.41η_E
黏-温关系（图 4-7）：用黏度指数衡量温度影响——黏度指数越大，黏-温性能越好。
黏-压关系（式 4-6）：η_p = η₀ e^{α p}，p 单位 Pa，α 为黏-压系数（一般矿物油 α ≈ (1~3)×10⁻⁸ m²/N），100 MPa 以下每增加 20 MPa 油的密度只增加 1%；压力超过 20 MPa 时压力对黏度影响迅速增加，高副接触零件中影响显著。
润滑性（油性）：极性分子在金属表面吸附形成边界油膜减少摩擦磨损的能力；油性越好，低速、重载或润滑不充分场合意义越大。
极压性：含 S、Cl、P 的极性化合物生成的化学反应边界膜承受重载、高速、高温的性能。
闪点：加热蒸发油气遇火焰即闪光的最低温度；通常工作温度比闪点低 30~40 ℃。
凝点与倾点：凝点—规定条件下不能自由流动的最高温度；倾点—规定条件下能够自由流动的最低温度。同一品牌润滑油的倾点比凝点高几摄氏度。我国逐步采用倾点表示低温性能。
氧化稳定性：抗受热和金属催化抵抗氧化变质的能力。

润滑脂

除润滑油外应用最多的一类；是润滑油 + 稠化剂（钙、锂、钠的金属皂）的膏状混合物；主要分钙基、钠基、锂基、铝基。
主要质量指标：
锥入度（针入度或稠度）：1.5 N 标准锥体 25 ℃ 从润滑脂表面 5 s 刺入的深度（0.1 mm 计）；越小越稠；润滑脂牌号即锥入度的等级。
滴点：规定加热下从杯孔口滴下第一滴液体的温度；工作温度至少比滴点低 20 ℃。

添加剂（4 大作用）

提高油性、极压性，使润滑油在极端工作条件下有效工作；
抑制润滑油的氧化，延长储存时间和使用寿命；
改善润滑油的物理性能（如降凝、消泡、提高黏度、改善黏-温特性）；
提高润滑油抗泡沫、防锈、抗乳化、增黏等。
种类：油性、极压、分散净化、消泡、抗氧化、降凝、增黏等添加剂。
简单有效方法：在润滑油中添加定量油性添加剂或极压添加剂（图 4-8）。

润滑方法

（1）油润滑——间歇式（手工加油壶、油枪向注油杯内注油，图 4-9 压配式注油杯、图 4-10 旋套式注油杯，仅适用于小型、低速、间歇场合）；
连续供油：
滴油润滑（图 4-11 针阀油杯可调节滴油速度、停车扳手柄关闭，停车止油；图 4-12 油芯油杯停车仍滴油，造成浪费）；
油环润滑（图 4-13，油环套在轴颈上、下部浸油中，轴颈转动带油环转将油带到轴颈表面润滑；轴颈速度 50~60 r/min 以上；轴线水平布置）；
浸油润滑（图 4-14，齿轮部分浸油池，传动时润滑油被带到啮合部位）；
飞溅润滑（转动件如齿轮或曲轴曲柄将润滑油溅起润滑轴承等需润滑零件）；
压力循环润滑（图 4-15 油泵供油，可保证供油充分并带走摩擦热以冷却轴承；用于高速、重载轴承或齿轮传动）。
（2）脂润滑——只能间歇供应润滑脂；旋盖式油杯（图 4-15）应用最广，杯内装满润滑脂旋上盖即可挤入轴承中；有时用油枪向轴承补充。

4-4 流体润滑原理简介

分类：流体动力润滑（靠相对运动自动形成承载膜）+ 流体静力润滑（靠外部液压强制形成承载膜）。
弹性流体动力润滑（EHL）：相滚或滚-滑条件下，接触处弹性变形不忽略、流体黏度随压力变化——把弹性方程、黏压方程与流体动力方程结合，求解膜压与厚度分布。

流体动力润滑

两相对运动摩擦表面借助相对速度产生的粘性流体膜将表面完全隔开，膜压平衡外载荷（图 4-16 两平板相对运动示意）。
楔形收敛间隙的动压形成（图 4-16b）：两板倾斜形成楔形间隙，移动件运动方向从间隙大→小，进入的油量大于流出的油量，剩余油量一部分自进口截面 a 流入、油液挤压又自板 c 排出，另一部分由 a→c 抬起，产生流体动压力——称为流体动力润滑的楔效应。流体动压力可承载——只要连续提供一定黏度的润滑油、相对速度足够大。

弹性流体动力润滑

高副接触（如齿轮、滚动轴承、凸轮机构）接触压力很大，摩擦表面会产生不能忽略的局部弹性变形，且高压下黏度也随压力变化。
第二峰值压力（图 4-17，赫兹接触区中部出现颈缩、最小油膜厚度 h_0、第二峰压力）；λ ≥ 3~4 实现完全 EHL，λ < 3 时总有少数表面轮廓峰直接接触（部分弹性流体动力润滑），绝大多数齿轮传动、滚动轴承都在部分 EHL 状态下工作。

流体静力润滑

液压泵（或他力流源）将加压后的流体送入两摩擦表面之间，利用静压力平衡外载荷（图 4-18 典型系统：1 运动件、2 封油面、3 油腔、4 承载件、5 节流阀、6 液压泵）。
环境压力包围的封油面和油腔通称油垫，一个油垫可有若干油腔，单油腔油垫不能承受倾覆力矩。
承载能力不依赖流体黏度、效率高、刚度高。