摩擦与润滑4金属材料成形中的摩擦.pptx
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1、4.1摩擦界面与摩擦的分类摩擦界面与摩擦的分类摩擦界面摩擦界面:根据纯力学观点,把界面看作是处于刚性膜和变形金属间的具有剪切强根据纯力学观点,把界面看作是处于刚性膜和变形金属间的具有剪切强度度i i的连续膜。不论界面是什么物质,还是有什么变化,可以采用一个适当的的连续膜。不论界面是什么物质,还是有什么变化,可以采用一个适当的i i(或(或)值反应对摩擦过程的影响,但不能充分解释摩擦界面的摩擦行为。因此,)值反应对摩擦过程的影响,但不能充分解释摩擦界面的摩擦行为。因此,必须从宏观、微观界面及摩擦环境方面进行研究。必须从宏观、微观界面及摩擦环境方面进行研究。宏观界面宏观界面 宏观上看,工模具不是刚
2、性体,而是具有一定强度的弹塑性体,在材料成形时产生宏观上看,工模具不是刚性体,而是具有一定强度的弹塑性体,在材料成形时产生弹性变形,甚至发生塑性变形。弹性变形,甚至发生塑性变形。工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大,工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大,若配合的紧密或完全吻合,可能发生互相吸引和粘着。在成形时,由于摩擦热和变若配合的紧密或完全吻合,可能发生互相吸引和粘着。在成形时,由于摩擦热和变形热使界面的温度升高,则对润滑与材料的性能有重要的影响。形热使界面的温度升高,则对润滑与材料的性能有重要的影响。4.金属材料成形中的摩擦金属材料成形中的摩擦微观界面微观界面 从宏观角度不
3、能完全解释摩擦学现象,必须从微观方面研究界面的形貌和结构对摩从宏观角度不能完全解释摩擦学现象,必须从微观方面研究界面的形貌和结构对摩擦和润滑的影响。擦和润滑的影响。1 1工模具和变形金属的表面凹凸不平工模具和变形金属的表面凹凸不平 2 2摩摩擦擦过过程程中中工工模模具具和和变变形形金金属属在在形形成成的的界界面面上上会会发发生生元元素素的的互互扩扩散散,改改变变二二表表面面的结构和性能。的结构和性能。3 3材料成形过程中,金属材料的表面存在反应膜和吸附膜,纯洁表面是不存在的。材料成形过程中,金属材料的表面存在反应膜和吸附膜,纯洁表面是不存在的。摩擦环境摩擦环境 宏观上看,工模具不是刚性体,而是
4、具有一定强度的弹塑性体,在材料成形时产生宏观上看,工模具不是刚性体,而是具有一定强度的弹塑性体,在材料成形时产生弹性变形,甚至发生塑性变形。弹性变形,甚至发生塑性变形。工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大,工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大,若配合的紧密或完全吻合,可能发生互相吸引和粘着。在成形时,由于摩擦热和变若配合的紧密或完全吻合,可能发生互相吸引和粘着。在成形时,由于摩擦热和变形热使界面的温度升高,则对润滑与材料的性能有重要的影响。形热使界面的温度升高,则对润滑与材料的性能有重要的影响。材料不同成形方式与过程就构成了界面摩擦环境,这对摩擦过程有重要影响。材料不同成形方式
5、与过程就构成了界面摩擦环境,这对摩擦过程有重要影响。1 1)成形过程中金属材料表面膜及润滑膜破裂,新生表面形成,易发生粘着摩擦。)成形过程中金属材料表面膜及润滑膜破裂,新生表面形成,易发生粘着摩擦。2 2界面的温度升高对摩擦界面的作用,温度过高会促进粘着并使润滑膜破坏。界面的温度升高对摩擦界面的作用,温度过高会促进粘着并使润滑膜破坏。3 3)界面压力影响润滑剂应力特性以及润滑剂与工模具、变形金属材料间的反应。)界面压力影响润滑剂应力特性以及润滑剂与工模具、变形金属材料间的反应。4 4润滑剂在界面上并非只形成简单的惰性膜,它的构成、性质、添加方法、分布润滑剂在界面上并非只形成简单的惰性膜,它的构
6、成、性质、添加方法、分布等对摩擦界面都有重要的作用。等对摩擦界面都有重要的作用。摩擦分类摩擦分类按照摩擦副的运动形式分按照摩擦副的运动形式分 1)1)滑动摩擦滑动摩擦:当接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。两物体接触点的速度大小和:当接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。两物体接触点的速度大小和方向不同,也可能仅是大小或方向不同。方向不同,也可能仅是大小或方向不同。2)2)滚动摩擦滚动摩擦:物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。两接触物体:物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。两接触物体的接触点的速度大小和方向相同。的接触点的速度大小和方向相同。按照摩擦副表面
7、润滑状态分按照摩擦副表面润滑状态分 1)1)干摩擦干摩擦:接触面间无任何介质的摩擦。:接触面间无任何介质的摩擦。真正的干摩擦在生产中是不存在的。通常所说真正的干摩擦在生产中是不存在的。通常所说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。2)2)边界摩擦边界摩擦:两个接触面间有一层厚度不超过:两个接触面间有一层厚度不超过0.1m0.1m很薄的分子吸附膜很薄的分子吸附膜,在吸附层内润在吸附层内润滑剂分子成垂直于接触表面的定向排列。将两表面间仅存在润滑剂吸附层的摩擦称之滑剂分子成垂直于接触表面的定向排列。将两表面间仅存在润滑剂吸附层的摩擦称之为边界摩擦。为边界摩擦。3)3
8、)流体摩擦流体摩擦:当两个物体接触表面间完全由液体润滑剂隔开,摩擦阻力只决定于流体的当两个物体接触表面间完全由液体润滑剂隔开,摩擦阻力只决定于流体的性质,而与接触面的状态无关时,这种摩擦叫流体摩擦性质,而与接触面的状态无关时,这种摩擦叫流体摩擦。4)4)固体膜摩擦固体膜摩擦:在两个物体接触表面间施加固态润滑剂:在两个物体接触表面间施加固态润滑剂,形成固体润滑膜形成固体润滑膜,将两接触表面将两接触表面隔开的摩擦称之为固体膜摩擦。隔开的摩擦称之为固体膜摩擦。5)5)混合摩擦混合摩擦:在实际生产中,摩擦状态常常会出现混合摩擦,即在接触面的不同部位分在实际生产中,摩擦状态常常会出现混合摩擦,即在接触面
9、的不同部位分别发生干摩擦、边界摩擦和液体摩擦;或者别发生干摩擦、边界摩擦和液体摩擦;或者 发生其中两种摩擦。一般将干摩擦发生其中两种摩擦。一般将干摩擦 与边界摩与边界摩 擦混合的摩擦称之为半干摩擦;擦混合的摩擦称之为半干摩擦;边界摩擦和液边界摩擦和液 体摩擦混合的摩擦称之为体摩擦混合的摩擦称之为 半液体摩擦。半液体摩擦。4.2古典摩擦理论古典摩擦理论古典摩擦定律古典摩擦定律 对对摩摩擦擦现现象象进进行行科科学学研研究究,最最早早开开始始于于1515世世纪纪意意大大利利的的文文艺艺复复兴兴时时代代。达达.芬芬奇奇、阿阿蒙顿以及库仑等科学家提出了古典摩擦定律,即:蒙顿以及库仑等科学家提出了古典摩擦
10、定律,即:*摩擦力的大小与接触物体间名义接触面积的大小无关。摩擦力的大小与接触物体间名义接触面积的大小无关。*摩擦力的大小与接触表面间的法向载荷成正比,摩擦力的方向总是与接触面积相摩擦力的大小与接触表面间的法向载荷成正比,摩擦力的方向总是与接触面积相 对运动速度的方向相反。对运动速度的方向相反。*静摩擦系数大于动摩擦系数,摩擦力的大小与接触面积间的相对滑动速度无关。静摩擦系数大于动摩擦系数,摩擦力的大小与接触面积间的相对滑动速度无关。F FN FN F摩擦力,摩擦力,摩擦系数,摩擦系数,N N正压力。正压力。古典摩擦定律中的参数古典摩擦定律中的参数(1 1)摩摩擦擦系系数数:古古典典摩摩擦擦定
11、定律律认认为为摩摩擦擦系系数数是是一一个个常常数数(),但但实实际际的的摩摩擦擦系系数数不不是材料固有的特性,而是材料和环境条件的综合持性。是材料固有的特性,而是材料和环境条件的综合持性。(2 2)接触面积)接触面积:在古典摩擦理论中,摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积的大:在古典摩擦理论中,摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积的大小无关小无关()。试验表明,实际接触面积与摩擦系数有关,随着实际接触面积的增。试验表明,实际接触面积与摩擦系数有关,随着实际接触面积的增加,摩擦系数增大,摩擦力亦增大。加,摩擦系数增大,摩擦力亦增大。(3 3)滑动速度)滑动速度:古典摩擦理论认为摩擦力大小与滑
12、动速度无关:古典摩擦理论认为摩擦力大小与滑动速度无关()。而实践表明,。而实践表明,对于许多材料来说,摩擦系数与滑动速度有关。对于许多材料来说,摩擦系数与滑动速度有关。(4 4)摩摩擦擦力力与与正正压压力力:经经典典摩摩擦擦理理论论认认为为摩摩擦擦力力的的大大小小与与接接触触表表面面间间的的法法向向载载荷荷成成正正比比()。而而实实际际上上,对对于于某某些些很很硬硬或或很很软软的的材材料料,摩摩擦擦力力与与正正压压力力之之间间表表现现出出非非线性线性关系,此时:关系,此时:FCNB C常数,常数,B指数,指数,0.71.04.3近代摩擦理论近代摩擦理论机械理论机械理论 18世世纪纪以以前前,许
13、许多多学学者者把把摩摩擦擦的的起起因因说说成成是是由由于于表表面面的的凹凹凸凸不不平平,即即当当两两个个固固体体表表面面相相接接触触时时,由由于于表表面面凹凹凸凸不不平平处处的的互互相相咬咬合合,而而产产生生了了阻阻碍碍两两物物体体流流动动的的阻阻力力,故故称称之之为为机机械械摩摩擦擦理理论论,这这个个理理论论完完全全建建立立在在纯纯几几何何概概念念上上,把把固固体体看看作作刚刚体体来研究的来研究的。当当II相对于相对于I克服作用力克服作用力N做运动时,做运动时,而被抬起,以越过凸峰。此时相当于物体而被抬起,以越过凸峰。此时相当于物体克服斜面进行运动,开始滑动时的静摩擦克服斜面进行运动,开始滑
14、动时的静摩擦系数为系数为,tantan。因此,摩擦系数。因此,摩擦系数只与只与有关,而与载荷及接触面积无关,有关,而与载荷及接触面积无关,这复合经典摩擦理论这复合经典摩擦理论。机械摩擦理论只适于粗糙表面,对于表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生机械摩擦理论只适于粗糙表面,对于表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生作用时,摩擦系数反而加大,这一问题就难以解释。因此,提出分子理论。后来库仑作用时,摩擦系数反而加大,这一问题就难以解释。因此,提出分子理论。后来库仑在整理摩擦力在整理摩擦力F F与正压力与正压力N N关系的试验时,也曾提出一个试验式:关系的试验时,也曾提出一个试验式:F FA A1
15、1 N N 作为整体的摩擦系数,其表达为:作为整体的摩擦系数,其表达为:1 1A/NA/N 当正应力当正应力N N很小时,摩擦系数显得很大,在很小时,摩擦系数显得很大,在N N曲线中存在一个高摩擦系数区,曲线中存在一个高摩擦系数区,然后随着正压力(正应力然后随着正压力(正应力的增加而降低,并趋近于某一定值。的增加而降低,并趋近于某一定值。式中式中A A的本质是粘着力的本质是粘着力,但当时库仑并不知道这一点。正因为如此,库仑把,但当时库仑并不知道这一点。正因为如此,库仑把A A看作看作摩擦力中辅助性、偶然的数值,于是就忽略了。后来有人提出分子摩擦理论。摩擦力中辅助性、偶然的数值,于是就忽略了。后
16、来有人提出分子摩擦理论。分子理论分子理论 1717世世纪纪英英国国物物理理学学家家德德萨萨古古利利(J.T.Desaguliers)(J.T.Desaguliers)在在他他实实验验物物理理教教程程中中第第一一次次提提出出了了产产生生摩摩擦擦力力的的主主要要原原因因在在于于两两物物体体摩摩擦擦表表面面间间具具有有分分子子力力,即分子理论。即分子理论。托托姆姆林林森森(G.A.Tomlinson)(G.A.Tomlinson)和和苏苏联联的的捷捷里里亚亚)等等都都用用这这“分分子子说说”来来解解释释摩摩擦擦原原因因。托托姆姆林林森森是是应应用用分分子子间间存存在在吸吸力力和和斥斥力力的假说来解释
17、摩擦原因。他认为:分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数。的假说来解释摩擦原因。他认为:分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数。分子间的距离很小时,它们之间产生分子斥力,分子间的距离较大时,分子间的距离很小时,它们之间产生分子斥力,分子间的距离较大时,它们之间产生分子吸引力。由力的平衡条件可得,外法向压力它们之间产生分子吸引力。由力的平衡条件可得,外法向压力N N加上所有吸加上所有吸引力引力P Pi i应该等于所有斥力应该等于所有斥力P Pc c之和之和 ,即,即 N NP Pi i=P=Pc c 摩擦的原子(分子)模型摩擦的原子(分子)模型 为计算摩擦功,就要考虑上表面对下表面运动距离为计算摩擦
18、功,就要考虑上表面对下表面运动距离X和相接触又分离的原子对数为和相接触又分离的原子对数为W。对于如图所示的理。对于如图所示的理想情况,原子中心间距为想情况,原子中心间距为d。在载荷。在载荷N作用下相接触的作用下相接触的原子数为原子数为n,那么,那么Wnx/d ,对于实际接触情况,在,对于实际接触情况,在不同的晶面可能有变化,所以对接触的原子数给予一个不同的晶面可能有变化,所以对接触的原子数给予一个修正值修正值a,即,即 Wa n x/d 考虑摩擦系数考虑摩擦系数 的意义,通过的意义,通过X距离,外力所作的距离,外力所作的 摩擦功摩擦功:N XW E a nE/dN =a E/dPc dxx 在
19、两表面摩擦的情况下,原子偏离其原始平衡位置,当相对表面上原子运动过后,在两表面摩擦的情况下,原子偏离其原始平衡位置,当相对表面上原子运动过后,这原子就力图回到其平衡置,这原子就力图回到其平衡置,若要回到平衡位置运动的距离是若要回到平衡位置运动的距离是 l,原子间的内聚力为原子间的内聚力为 Fn,那么,那么,Fn lE =a Fnl/Pcd 按摩擦的分子或原子模型,可得出摩擦系数与正压力无关。而摩擦力与正压力按摩擦的分子或原子模型,可得出摩擦系数与正压力无关。而摩擦力与正压力(载荷)成正比,由于载荷对弹性接触面积及接触的原子对数的影响,从上述可以看(载荷)成正比,由于载荷对弹性接触面积及接触的原
20、子对数的影响,从上述可以看出摩擦过程,既有变形过程,又有粘着过程。出摩擦过程,既有变形过程,又有粘着过程。粘着理论粘着理论 在英国,从在英国,从1938年开始,鲍登年开始,鲍登(Bowden)和他的学生,提出了著名的摩擦粘着理和他的学生,提出了著名的摩擦粘着理论。认为:当两表面相接触时,载荷作用下,某些接触点的单位压力很大,这些点将论。认为:当两表面相接触时,载荷作用下,某些接触点的单位压力很大,这些点将牢固的粘着,使两表面形成一体,即称为粘着或冷焊牢固的粘着,使两表面形成一体,即称为粘着或冷焊(焊接桥焊接桥)。随着接触面温度的升。随着接触面温度的升高,金属间扩散过程加剧,从而会促进金属的粘着
21、。当一表面相对另一表面滑动时,高,金属间扩散过程加剧,从而会促进金属的粘着。当一表面相对另一表面滑动时,粘着点则被粘着点则被剪断剪断,而剪断这些连接的力,而剪断这些连接的力Fj就是摩擦力。如果一表面比另一表面硬一些,就是摩擦力。如果一表面比另一表面硬一些,则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟犁沟,这种犁沟的力,这种犁沟的力Fl也是摩擦力。也是摩擦力。故摩擦力是两种阻力之和。故摩擦力是两种阻力之和。F=Fj+Fl 粘着理论的摩擦系数与摩擦力粘着理论的摩擦系数与摩擦力 犁沟阻力可略去不计犁沟阻力可略去不计,设粘结点部分的剪切强度为设粘结点部分
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