摩擦学(tribology)研究表面摩擦行为的学科,是有相互作用的相对运动表面的科学和工程。即研究相对运动或有相对运动趋势的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损,及其三者间相互关系的基础理论和技术。摩擦学是一门边缘学科。涉及数学、物理学、
化学、材料科学、冶金学、力学、
机械工程、
化学工程等学科。它包括研究和应用摩、润滑和摩檫原理。摩檫学是机械工程的一个分支。研究摩檫学可减少工件的许多摩损,节省大量的材料和资金。
概况
摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损,以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。
世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗,便可大量节省能源。另外,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的,如果能控制和减少磨损,则既减少设备维修次数和费用,又能节省制造零件及其所需材料的费用。
人类对摩擦现象早有认识,并能用来为自己服务,如史前人类的钻木取火。《诗经·风·泉水》中有“载脂载宣,还车言迈”的诗句,表明
中原地区在春秋时期已应用动物脂肪来润滑车轴。
应用
矿物油作润滑剂的记载最早见于
晋朝张华所著《
博物志》,书中提到酒泉延寿和高奴有石油,并且用于“膏车及水碓甚佳”。
摩擦学研究的对象很广泛,在
机械工程中主要包括动、静摩擦,如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和
盒式录音磁带录音头等;零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击,如犁和水轮机转轮等;机械制造工艺的摩擦学问题,如金属成形加工、切削加工和超精加工等;弹性体摩擦,如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等;特殊工况条件下的摩擦学问题,如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等,深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。
此外,还有生物中的摩擦学问题,如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计,研究人体关节润滑机理以诊治风湿性
关节炎,研究人造
心脏瓣膜病的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有
地壳移动、火山爆发和地震,以及山、海,
断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。
摩擦学涉及许多学科。如完全
流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜,基本上可以运用
流体力学的理论来解算。但是齿轮传动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦,就还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响;在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质,甚至要考虑瞬时变化过程的效应,而不能把它简化成
牛顿流体。
如果油膜厚度接近于接触表面的
粗糙度,还需要考虑表面纹理对润滑油的阻遏和疏导作用,以及油温所引起的热效应。油膜再薄,两
摩擦表面粗糙峰点也会发生接触或碰撞,接触峰将分担一部分载荷,接触峰点区域处于边界润滑状态。在使用油性添加剂时,表面形成
吸附膜,而在使用极压添加剂时,表面形成反应膜。
为了了解磨损的发生发展机理,寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系,需要对表面的磨损全过程进行微观研究。仅就油润滑金属摩擦来说,就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦
化学和金属物理等问题,涉及物理、化学、材料、
机械工程和润滑工程等学科。
研究简史
人类对摩擦现象早有认识,并能用来为自己服务,如史前人类已知钻木取火。《诗经·邶风·泉水》已有“载脂载,还车言迈”的诗句,表明
中原地区在春秋时期已较普遍地应用动物脂肪来润滑车轴。应用
矿物油作润滑剂的记载最早见于
晋朝张华所著《
博物志》。书中提到酒泉延寿和高奴有石油,并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢。直到15世纪,
意大利的
列奥纳多·达·芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。1785年,
法国C.库仑继前人的研究,用机械啮合概念解释干摩擦,提出摩擦理论。
后来又有人提出分子吸引理论和
静电力学理论。1935年,
英国的F.P.鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦。1950年,鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究,英国的O·雷诺于1886年继前人观察到的
流体动压现象,总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子
计算机之后,线接触弹性流体动压润滑的理论有所突破。对磨损的研究开展较晚,50年代提出粘着理论后,60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上,磨损研究才得以迅速开展。至此综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备,并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。然而发展成为Tribology还是1966年的事。
中国对外翻译出版有限公司Tribology为“摩擦学”,在1980年冬才被正式确定。美国接受以Tribology代替Lubrication的地位,始于1984年。
学科范围
摩擦学研究的对象很广泛,在机械工程中主要包括:①动、静摩擦副,如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和
盒式录音磁带录音头等;②零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击,如犁铧和水轮机转轮等;③机械制造工艺的摩擦学问题,如金属成形加工、切削加工和超精加工等;④弹性体摩擦副,如汽车轮胎与路面的摩擦(见地面车辆力学)、弹性密封的动力渗漏等;⑤特殊工况条件下的摩擦学问题。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。
摩擦学涉及许多学科。例如油润滑的金属摩擦副,处于完全
流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜,基本上可以运用
流体力学的理论来解算。但是齿轮传动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦副,在计算它的流体动压润滑的承载油膜时,还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响;在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质(从
应力、应变、温度和时间几方面研究物质变形和流动的
物理性质),甚至要考虑瞬时变化过程的效应,而不能把它简化成
牛顿流体。这样,仅就油润滑金属摩擦副来说就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦
化学和金属物理等问题,涉及物理、化学、材料、
机械工程和润滑工程等学科。随着科学技术的发展,摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观,由静态进入动态,由定性进入定量,成为系统综合研究的领域。
系统
摩擦学问题涉及多种因素,错综复杂,应用系统分析的方法进行研究,可以明了诸因素之间的依赖和制约关系,以及分析问题的思路。互相接触的两个物体,当有相对滑动或有相对滑动的趋势时,在它们接触面上出现的阻碍相对滑动的力。摩擦对工程技术和日常生活极为重要。摩擦阻碍物体的运动,使运动能量遭受损失,人类生产的总能量有很大一部分就是这样被消耗掉的。因摩擦而损失的机械能转化为热,使机器中许多滑动面必须冷却。同时,摩擦还伴随着表面材料的损失,即发生磨损。磨损使零件的尺寸改变,失去应有的精度和功能。世界上有很大一部分生产力就是用于补充、替换因磨损而变为无用的零件的。
因此,人们采取各种减小摩擦的措施,例如在相对滑动的表面上施用润滑剂;用轮子、滚柱和滚珠使滑动改为滚动等。但摩擦也有有用的一面,许多传动与制动设备是通过摩擦起作用的。常用的皮带传动功能就是通过
摩擦力实现的;汽车和
机车的行驶也要依靠地面和钢轨上的摩擦力。严冬冰雪覆盖路面,有时必须在汽车后轮上加装铁链或在钢轨上喷砂,才能产生足够的摩擦力推动车辆前进。若摩擦力完全消失,则结绳、织布、打钉、执笔以至坐立行走,都将成为不可能。因此,摩擦又是人类生存所不可缺少的。
以油润滑金属摩擦副为例表示摩擦学系统的组成,它表明运动件、静止件、润滑油和环境大气间的相互作用原理。摩擦学系统的过程,用功能平面和由它分解出的3个概念性平面(功平面、热平面、材料平面)来表示。材料平面包括固体材料面、
流体(润滑油、气体)平面和反应产物平面。图中画出这些概念性平面间可能发生的摩擦学过程。垂直的实线表示
化学转变过程,垂直的虚线表示由功转到的过程,它们都集中到热平面上。因此系统过程图是分析摩擦学问题时的有力工具。
两个相接触的物体做相对运动时发生的阻碍它们相对运动的现象,称为“动摩擦”。在动摩擦中出现的
摩擦力称为“动摩擦力”。对物体所施之力大于最大静摩擦力时,物体就开始运动。在运动起来之后,若将所施加之力减小,物体便又停止运动。这一情况表明,物体运动之后,还有阻止物体运动的力,即还有摩擦阻力。这种物体运动时所产生的摩擦力即称动摩擦力。
置于固定平面上的物体由于受沿它们接触表面切向的外力作用有相对滑动的趋势但还没有发生相对滑动的时候,存在于接触表面的阻碍这种滑动趋势的现象,谓之“静摩擦”。这里应注意两点:一是两个紧密接触而又相对静止的物体;另一点是具有相对滑动的趋势,但又还没有发生相对的滑动。
基础
和材料及环境相互作用的固体介面由于摩擦的相互作用可造成材料从表面损失,导致材料损失的过程称为“摩损”。摩损的主要类型包括摩损,摩檫,侵蚀。可用一或多种“
表面工程”过程改善固体表面性质或用润滑剂减少摩损。
估计美国每年由于直接和间接与摩损有关的损失约占1-2%GDP,表面工程包括修改设备的原有表面和更新表面。这样可节省大量资金、材料、能源和保护环境。
减少摩损的方法包括正确地找出摩损的原因以及找出合适的解解办法。重要的方法包括:
1、设备维修工艺学。用有关各种学问的工程和经营技术去保护设备和机械的退化。
2、霍斯特·杰础斯(Czichos)近似系统。在已知工作环境下选择抗摩损的合适材料。
3、从材料的评估进行有效的管理。为了保持设备处于良好状态和24小时内,随时都能工作,美国军方防御远景研究规划局已引用了类似设备维工艺学的概念。良好状态监测系统结合适当的应急方法在维护和修理阶段就已改进仪器(如储备的硬件等)的性能,可靠性和延长寿命。
近年(截至2011年)来,微米和纳米摩擦学已占据主导地位。为了发展在
电子学、生命科学、
化学和
传感器方面的新产品,微观小成份的摩檫相互作用已变得日渐重要,而且延伸使用所有现代技术。
摩檫机制
在“斯特里伯克曲线”(Stribeck curve)基础上滑动的润滑表面的摩檫机制已被分为:
(1)固体/边界摩檫
(2)液体
(3)混杂摩檫
斯特里白克曲线清楚显示,当固体接触面间有润滑液膜和二个固体紧密(asperity)相互作用时摩檫值最小。
斯特里伯克和其他人系统地研究了二个液体润滑表面间的摩檫随无量纲的润滑参数nN/P的变化。这里n是动力粘滞系数,N是滑动的速度,而P是加到几何表面上的负荷。
斯特里伯克曲线是摩擦学课程中的经典教材。
历史
历史上,莱纳多·芬奇(1452-1519)第一次描述两条条摩檫定律。按照芬奇的结果:两不同的物体,它们的重量相同,但接触的宽度和长度不同,它们受到的摩檫抵抗力相同。他还观察到,当重量加倍时,需要克服摩檫的力也要加倍。
查利·库仑(1736-1806)也做了类似的观察。查尔斯·哈切特用曲拐机械去评估金币的摩损,做出了第一个可靠的摩损试验。他发现,二金币间有砂粒的摩损率要比无砂粒的要快。
列奥纳多·达·芬奇的工作比现今(2011年)称为摩擦学,科学的分支形成之前,早几个世纪。
20世纪前半,用“斯特里伯克”曲线去区分二个表面间的摩檫性质。理查·斯特里伯克(1861-1950)教授在柏林皇家普鲁技术试验研究所进行研究。约1885年阿道夫·马顿斯教授在同一研究所进行类似的试验。此后,斯特里伯克曲线“成为摩擦学中的经典教材。
1966年随着约斯特纪录,摩擦学被广泛应用。这一年在
英国每年由于摩损和腐蚀而造成大量资金损失,结果在英国成立了几个国际摩檫中心。此后,扩散到国际工程领域,在此领域内工作的也称为摩擦学专家。
现在,有大量的国家和国际协会,如在美国有摩檫和润滑工程协会,在英国的机械工程研究所中有摩檫组等大多技术大学都有摩擦学的工作组,大都设在机械工程系内。摩檫相互作用的极限不仅与机械设计有关,而与材量也有关。因此,摩擦学也涉及许多材料工程师,从事
机械工程的物理学家和化学家。
应用
摩擦学一般在轴承上应用。但也延伸至现代技术的其它方面,甚至达到一些不像可延伸的领域,如护发素和口红、粉末等方面。
任何一种涉及一种材料滑过或摩檫另一种材料的产品都受复杂的摩檫相互作用的影晌,一般在介面植入润滑片或在高温使用时,制造密实的氧化釉去抵抗摩损。
摩擦学在制造工业中起了重要的作用。在金属制品中摩檫增大摩损和增大工作的功率,结果造成经常更换零件而增加资金;一层润滑剂可以消除表面接触,实际消除工具摩损和减少所需的功耗的三分之一。
参考资料
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