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滑動摩擦
時間:2016-04-26    作者:得瑞爾    瀏覽量:次

滑動摩擦機理

至到今天,人們對滑動摩擦機理的本質認識還不是十分清楚。

最早對摩擦進行實驗研究的代表性人物是文藝復興時期的達·芬奇。他對表面光滑程度不同的物質的摩擦作了比較,提出物體間的摩擦程度取決于物體表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,摩擦力愈大,即固體表面的凹凸程度是產生摩擦的根本原因。這一想法后來逐步被 發展為一種學說——凹凸說。該學說認為:物體表面無論經過何種加工,都必然留下或大或小的凹凸,這種表面凹凸不平的物體相互接觸,就必然產生摩擦。有人對此做過這樣一個比喻:固體表面的接觸,猶如把一列山脈翻過來蓋在另一列山脈上一樣。由于它們的相互咬合,所以只有把凸部破壞掉,才能使之滑動,這便是產生阻礙相對運動的摩擦力的基本原理。這種學說在很長一段時間里,受到許多人的支持。


對于摩擦力的另外一種看法是分子說。這是由英國的物理學家德薩古利埃提出的。他認為,摩擦力產生的原因是摩擦面上的分子力 相互交錯所致。該學說指出,物體表面愈是光滑,摩擦面愈是相互接近,表面分子力就愈大,這樣摩擦力也就愈大。但是這種學說由于加工技術上的原因,一直沒有 得到實驗的證實,因而入們對此很難接受。   


進入20世紀以后,分子說逐漸得到很多人的支持。一個叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量損失,是因固體表面分子引力場的相互干涉所致,與凹凸程度無關。而另一名著 名的學者哈迪,他進行了大量的實驗,從而證明了分子說的正確性。他首先把兩個物體表面研磨得極光滑,然后來做摩擦實驗,結果發現,兩物體磨得越光滑,它們 之間的摩擦力就越少,但是這種光滑水平達到一定程度時,摩擦力反而有所增加,甚至兩個光滑的金屬面能在一起。而這正好證實了分子說的觀點:當兩個表 面的分子互相進入彼此的分子間的引力圈時,兩者間就能產生強烈的粘合作用,并以摩擦力的形式顯示出來。哈迪的實驗為分子說提供了有力的證據,分子說因而獲 得了廣泛的承認,并被進一步發展為粘合說。但是,凹凸說并沒有因分子說和粘合說的進展而被完全廢棄,它與對立的分子說和粘合說都持之有據,言之有理。 有人在這兩者的基礎上提出了包含凹凸說內容的綜合性的現代粘合論。  

1:古典的摩擦定律

人們對摩擦現象的研究比實際應用要晚得多。最初的研究是在15世紀意大利的文藝復興時代。1508年意大利科學家達·芬奇(14521519)首先對固體摩擦進行了研究,他第一個提出;物體剛要滑動時,便產生叫做摩擦力的阻力。并指出,摩擦力與物體的重量成正比,與法向接觸面積無關。l699年法國工程師阿蒙頓(16631705)進行了摩擦試驗,并建立了摩擦的基本公式。隨后在1785年法國科學家庫侖(17361806)也進行了相同的試驗,完成了今天的阿蒙頓一庫侖摩擦定律,一般稱它為古典摩擦定。也就是我們中學物理中所學的摩擦定律。

圖中的字母A代表的是一個物體,B代表的是另一個物體,代表的就是摩擦阻力.

在古典摩擦定律中,

   f =μ·N

式中:摩擦阻力

      N正壓力

      μ摩擦系數

這條定理一直沿用了幾百年,對我們過去的科學研究有著不可估量的貢獻。但是隨著科學技術的進步;特別是科學研究方法和測試手段的發展,使摩擦機理研究有了長足的發展,并發現了這條古典定律存在的不足。例如:當法向壓力不大時,對于普通材料,摩擦力與法向裁荷成正比,即摩擦系數為常數。

但實際上,摩擦系數不僅與摩擦副的材料性質有關,而且還與其它許多因素有關,如表面溫度、光潔度和表面污染情況等。摩擦系數實際上是與材料和環境條件有關的一個綜合特性系數。

當壓力較大時,對于某些極硬材料(如鉆石)或軟材料(如聚四氯乙烯)摩擦力與法向載荷不呈線性比例關系。

古典摩擦定律只考慮正壓力的作用,而完全沒有考慮接觸面積的影響,這對于有一定屈服點的材料(如金屬材料)才能成立。而對于彈性材料(如橡膠)或粘彈性材料(如某些聚合物),摩擦力與名義接觸面積的大小則存在著某種關系。對于很潔凈、很光沿的表固?;虺惺茉睪珊艽笫?,由于在接觸面間出現強烈的分子吸引力,故摩擦力與名義接觸面積成正比。 另外古典摩擦定律只考慮了滑動摩擦條件下的摩擦情況而對其他類型的摩擦機理卻沒有詳盡的描述。

     2:現代摩擦機理的研究情況

    現代摩擦機理的研究不僅對滑動摩擦的機理進行了全面深入的剖析,而且對其它類型的摩擦機理也進行了詳細的研究。

   滑動摩擦學說及發展

   1).“凹凸—分子”學說

    在很早以前,許多學者為了解釋摩擦產生的原因,產生了不同的學說,最早的學說(即機械學說),是阿蒙頓等人為了解釋古典的摩擦定律成立的理由,認為摩擦產生的原因是表面粗糙的凹凸不平引起的,當兩固體表面發生接觸時凹凸嵌合(粗糙度互鎖),因而在兩表面相對滑動時產生了阻礙兩固體表面滑動的阻力,它就產生了阻礙兩固體表面滑動的摩擦力,這就是產生摩擦力的基本原現。就像我們走路一樣,如果前面沒有障礙我們就可以一直走下去,如果有了障礙,就會阻止我們走下去。

    但后來發現,在很光滑的表面接觸并滑動時,也發生了相當大的摩擦力,因此,用上述學說就解釋不通了,便出現了分子學說。它簡單的理解是由于摩擦表面很光滑,相對接觸面積增大,分子間的距離縮小,分子、原子吸引力增大所產生分子吸引力相互作用形成阻力的結果.但是愈粗糙表面,摩擦力也愈大,這個現象分子說解釋不了。同樣可以用走路來比喻,在沒有障礙的路上我們 沒有任何負荷行走,我們感到很輕松,如果有了負荷,我們就會感到很困難,甚至走不動。

    因此,最后把兩種學說統一為“凹凸—分子”學說(理論)。該理論認為摩擦力產生的原因是由凹凸聯合和表面分子互相吸引兩個因素形成阻力的結果。

    2).粘合—變形”理論

  “粘合—變形”理論是在上述理論的基礎上發展形成的,它認為兩金屬表面在負荷作用下,會發生粘合和變形。因為“粘合”中心思想是分子結合力,“變形”中心思想是機械嵌合變形損傷阻力。接觸時,粗糙表面的凸峰接觸點,產生極高壓力,從而發生塑性變形,構成接觸處的“粘合”,并在互相滑動時被剪切。同時,兩表面粗糙度凹凸相互嵌合或是較硬的表面凸蜂陷入較軟表面的材料基體中,在相互滑動時產生變形,以上兩方面的因素構成相對運動的總阻力。因而摩擦力也是由兩部分組成,即接觸粘合力和聯合變形力。

    如果把接觸表面加工的非常平滑,則總摩擦力就以接觸粘合摩擦力為主,而嵌合變形部分的阻力可忽略不計,在通常條件下表現在金屬加工表面中,一般是以“粘合”為主的理由.但是在有潤滑劑的粗糙表面間,變形阻力可能是主要的。出以上分析,這種理論比較完善和接近實際,它說明摩擦現象的很多本質問題,因此,是近代大家公認的一種摩擦理論。

    3).粘附理論

“粘附”理 論認為:金屬表面間的摩擦首先是在接觸點發生了粘結。當兩表面相對運動時,必須有足夠大的切向力來剪斷這些粘結點。另外,較硬的金屬表面的微凸體會陷入較軟的金屑表面,兩表面相對運動時,硬的微凸體會在軟的金屬面上犁出溝來。粘結和犁溝就是引起摩擦的原因,剪斷粘結點和犁溝時所需的切向力就是用來克服摩擦阻力的。

簡單粘附理論于1945年由鮑登(FPBowden)等人提出,他們認為兩個金屬表面在法向載荷作用下的接觸面積,并非兩個金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積(或叫表觀接觸面積)A0,而是由一些表面輪廓峰相接觸所形 成的接觸斑點的微面積的總和,叫真實接觸面積Ar(下圖)。由于真實接觸面積很小,因此可以認為輪廓峰接觸 區所受的壓力很高。當接觸區受到高壓而產生塑性變形后, 這些微小接觸面便發生粘附現象,形成冷焊結點。當接觸面相對滑動時,這些冷焊結點就被切開。


    兩摩擦面間在一些部位之所以會發生“粘附”, 是因為金屬表面壓在一起時,僅微凸體的尖端相互接觸,由于接觸處的面積很小,觸點之間的應力很大,大到足以引起接觸處的材料產生塑性變形。在接觸處產生塑 性流動時,摩擦表面的油污等薄膜和氧化層被破壞.暴露出潔凈的金屬表面。當潔凈的兩金屬表面接觸時,表面的原子間會形成較強的金屬鍵結合,出現了兩表面金屬材料的粘附。

粘附力的存在已為實驗所證實。用一個潔凈的鋼球壓在潔凈的銦的表面上,二者就會粘附在一起,要用力才能拉開。壓緊時用多大力,拉開時也需要同樣大的力。粘附力是與垂直載荷成正比,二者的比例常數約為1。兩個摩擦表面之間出現的這種粘附力的作用范圍很小,一般不超過零點幾納米。所以只有在潔凈的金屬表面,或是表面膜嚴重變形,持別是被剪應力破壞后.使金屬表面的原子直接接觸時,才可能出現粘附。

以金屬對金屬無潤滑表面間的相對滑動為例。由于表面的凹凸不平,兩個面接觸時,就像把兩大山脈倒扣在一起一樣,實際的接觸為點接觸,這也是一般情況下摩擦力與表觀接觸面積無關的原因,當加載荷時,兩面之間產生正壓力,由于實際接觸面積極小,接觸點處的壓強大大超過材料的屈服極限,因而在接觸點處了生塑性流動,使實際接觸面積迅速增大,直到能夠支承所加載荷為止。

在這些微凸體接觸處發生塑性流動,實際上使兩面在這些局部區域發生了焊合。當施加一切向力時,只有這些焊合點被剪切斷裂,表面間才會發生相對滑動,所以這時的摩擦力是界面處的剪切力,它等于焊合點處的平均剪切強度與實際接觸面積的乘積。這個摩擦力是界面處產生摩擦力的黏附分量。值得注意的是,由于焊合點處的剪切強度有時大于兩種金屬中較軟金屬的剪切強度,所以剪切斷裂有可能發生在較軟金屬內部,而不是在焊合界面處。

上述金屬與金屆緊密接觸的表面發生的材料粘附,有人稱之為“冷焊”或“粘著”等。如果表面受到切向力的作用而發生移動時,先要剪斷這些焊接起來的點才能發生相互運動。  


    從微觀來看,將兩種干凈的金屬表面壓合時,一個表面上的原子趨近于另一個表面上的原子,直至如同金屬體內的原子那樣接近為止。正是這種原子間、分子間的引力形成接觸表面處的黏合、附著現象。因而要使兩表面發生相對滑動,就必須克服這些分子原子引力做功,從而消耗能量。

摩擦力不僅有黏附分量,還有變形分量。兩種金屬接觸,表面發生相對滑動時,較硬金屬的微凸體就在較軟金屬的表面上犁出一道溝槽,在切出的溝槽前材料還被壓皺和積聚,這種現象叫犁削。它使表面變形,因而也要消耗能量。由此而產生的摩擦力叫變形分量,通常它比黏附分量小。

這就是目前大家接受的滑動摩擦機理,從宏觀上來說是焊合、剪切犁削理論,從微觀說是分子引力理論。

 

 
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