2.3 摩擦分类及影响因素

2.3.1 摩擦分类

为了研究与控制摩擦，须对其加以分类。按摩擦副的运动状态分为静摩擦与动摩擦；按摩擦副的运动形式分为滑动摩擦与滚动摩擦；按摩擦副的表面摩擦润滑状态分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦。表 2.1 给出了摩擦的分类方法及特点。

（1）滑动摩擦

所谓的滑动摩擦就是当一物体在另一物体表面上滑动时，在两物体接触面上产生的阻碍它们之间相对滑动的现象。滑动摩擦产生的原因非常复杂，国内外专家学者已对其进行了深入研究，但目前尚没有完整的科学定论。然而近代摩擦理论认为，产生滑动摩擦的主要原因有两个：一是关于摩擦的机械啮合理论，认为摩擦的产生是由于物体表面粗糙不平，当两个物体接触时，在接触面上的凹凸不平部分就互相啮合，使物体运动受到阻碍而引起摩擦；二是分子作用理论，认为当相互接触的两个物体的分子间距离小到分子引力的作用范围内时，在两个物体紧压着的接触面上的分子引力便引起吸附作用。

滑动摩擦力是阻碍相互接触物体间相对运动的力，不一定是阻碍物体运动的力。它的大小与施加在物体上的正压力成正比。

（2）滚动摩擦

通常人们将滑动摩擦转换成滚动摩擦，目的是减小摩擦系数，从而减小摩擦带来的危害。而有关滚动摩擦理论的实验数据很少。圆柱或圆球在力矩的作用下沿接触表面运动，当接触点上两接触物体间的相对速度为零时，称为纯滚动，理论上纯滚动应该没有摩擦系数，而在实际中不是这样的。但滚动中产生的滚动摩擦力远远小于滑动摩擦力，齿轮之间的作用、轴承之间的作用、车轮与地面之间的作用等这些都是滚动摩擦的例子。

现假定变形在弹性范围内，不考虑其他因素的影响，我们来计算圆柱-平面、球-平面的滚动摩擦系数 k 。根据赫兹理论，在圆柱-平面上的接触应力为：

式中 σ ₀ ——最大的赫兹压应力；

σ ——距压力中心 x 处的正应力，应力呈椭圆曲线分布，如图 2.9 所示；

b ——接触宽度的 ；

L ——接触长度（圆柱体的高度）。

取 L 为单位长度时，根据接触区右半侧材料压力下所受的阻力矩、所做的功以及接触区左半侧回弹消耗的功可得滚动摩擦系数为：

式中 R ——圆柱体的直径；

E ——弹性模量；

ε ——消耗系数。

球-平面的滚动摩擦系数的求法与上述步骤相同，只是球在平面上的接触区为圆形。根据式（2.28）则有：

滚动摩擦与滑动摩擦不尽相同，一般情况下不存在犁沟效应，剪切阻力也不是滚动摩擦的主要原因。滚动摩擦的阻力主要由以下 4 个因素组成。

①微观滑动。在实际的滚动摩擦中，固体接触表面在滚动时存在微观的相对滑动。这是滚动摩擦中普遍存在的一种现象。在滚动时，由切向力的作用致使切向位移不完全相同或者在传递功时，切向力以及切向速度不同会造成不同程度的微观滑动。微观滑动造成的摩擦阻力为主要的滚动摩擦力，机理与滑动摩擦一致。在这一情况下，固体接触表面容易造成不同程度的微观磨损，也是一种磨损类型。

②塑性变形。在滚动过程中，随着外向载荷的不断增大，表面接触区的应力不断增大，当增加到一定值时，在距接触表面一定深度下发生塑性变形，形成不同的沟槽。以沟槽形式出现的塑性变形在外向载荷的反复作用下，沟槽宽度不断加宽，表面出现加工硬化效果，有的甚至发展成弹性状态。滚动摩擦力做的功主要消耗在塑性变形上，由弹性力学分析计算发生弹性变形前材料的滚动摩擦力，如图 2.10 所示。

③弹性滞后。钢球在平面滚动时，如图 2.11 所示，在外力的作用下，将球体前方的材料压紧并发生凹陷，随之球体后方的材料也将发生凹陷。由于平面是弹性平面，具有回弹作用，此过程伴随着能量的消耗。这种过程称为弹性滞后。金属材料弹性滞后所消耗的能量远小于黏弹性材料。

④黏着效应。在滚动接触过程中，滚动表面受到垂直于黏着结点方向拉力的作用，会向此方向发生分离，黏着结点不断被拉长、剥离，甚至断开，此过程所需的力很小。由于黏着效应，在摩擦力曲线上可以看到阶段性的水平台阶，这种台阶较短，不影响摩擦力的总的趋势。滚动过程中发生的黏着效应与材料本身的物理性质有关，除此之外，还与接触状况、摩擦环境等因素有关。

综上所述，滚动摩擦过程十分复杂，上述几种因素都会影响滚动摩擦阻力的产生，在不同的实际工程中几种因素发挥的作用也不尽相同。

（3）边界摩擦

如图 2.12 所示，摩擦界面存在一定不同性质的薄膜介质（厚度为 0.01~0.1 μm），并且具有良好的润滑性，这种摩擦称为边界摩擦。这种薄膜称为边界膜，边界膜的润滑性决定边界摩擦的摩擦系数的大小。当润滑剂内含有表面活性物质时，极性分子的极性基团与金属表面发生物理化学吸附，在金属表面形成定向排列，形成吸附膜。例如，脂肪酸分子中的羧基—COOH和金属吸附。而非极性基团远离金属表面，如图 2.13 所示。这种膜不能承受较大的冲击力，容易破裂。

边界膜的分类和适应范围见表 2.2。

（4）流体摩擦

如图 2.14 所示为流体摩擦示意图。所谓流体摩擦就是两个摩擦表面之间完全被润滑油膜隔开而产生的摩擦。这种情况下就不存在微凸体的接触，与边界摩擦不同的是流体摩擦只服从流体动力学规律。

流体摩擦力根据牛顿定律得：

式中 η ——润滑剂动力黏度；

——垂直于运动方向上剪切的速度变化；

s ——剪切面积。

流体摩擦的存在会使摩擦变得不稳定，有时会造成表面粗糙度增大。

（5）混合摩擦

混合摩擦就是上述摩擦的混合形式，如图 2.15 所示。

此时的摩擦区域为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦 3 种形式的混合，所以摩擦力为：

式中 _d ——表面直接接触区的剪切应力；

A _d ——表面直接接触区面积；

_b ——边界润滑油膜剪切应力；

A _b ——边界摩擦区面积；

₁ ——流体润滑膜的剪切应力；

A ₁ ——流体摩擦区面积。

混合摩擦中 3 种形式的摩擦在金属变形过程中不断发生变化，由于表面微凸体被压平，这样实际接触面积增大，摩擦力增大。

2.3.2 摩擦影响因素

摩擦影响因素主要分为外部因素和内部因素。外部因素主要有载荷、滑动速度、摩擦介质、环境等因素；内部因素主要有材料的结构、物理化学性能及其他特性等因素。在高真空条件下，环境因素主要是原子氧、各种射线、各种辐照等。

（1）载荷

由库仑定律可知，摩擦系数的大小与正压力没有关系。但是实际中摩擦系数随着载荷的变化而发生变化。一般情况下，在干摩擦过程中，摩擦系数随着载荷的增加而降低，因为随着载荷的增加，实际接触面积增加。在边界摩擦中，一般载荷不会影响吸附膜的摩擦系数，当载荷增加时，吸附膜破坏，而具有极压性能的反应膜反而在高载荷时能够使摩擦系数降低。载荷对摩擦过程中产生的磨屑有一定的影响，对于绝大多数的磨屑来说，其质量与所作用的载荷之间存在以下关系：

式中 C ——常数，当铜在钢上滑动时， α = 0.3;

α ——分数，表示磨屑质量的增加比载荷增加得缓慢。

载荷对金属材料的摩擦系数和磨屑有一定的影响，也是研究材料摩擦机制必须考虑的一个因素。

（2）滑动速度

滑动速度对摩擦系数的影响主要体现在它引起材料表面层性质的变化上。除此之外，摩擦系数和磨屑几乎与滑动速度无关，然而在通常情况下，滑动速度的变化能够引起表面层急剧升温、变形、磨损、化学变化等，从而影响摩擦系数。

图 2.16 所示为苏联科学家克拉盖斯等提出的实验结果。曲线 2 和曲线 3 表示一般弹塑性接触状态的摩擦副，摩擦系数随滑动速度增加而越过一极大值，并且随着表面刚度或载荷的增加，极大值的位置向坐标原点移动。当载荷极小时，摩擦系数随滑动速度的变化曲线只有上升部分，而在极大的载荷条件下，曲线却只有下降部分，如图 2.16 中曲线 1 和曲线 4 所示。

滑动速度和摩擦系数之间可以归纳为以下关系式：

式中 U ——滑动速度；

a 、 b 、 c 和 d ——材料性质和载荷决定常数，具体参见表 2.3。

滑动速度影响摩擦力主要决定于温度的状况。随着滑动速度的增加，两个固体接触表面会积聚大量的热量，形成一定的温度场。这种温度的变化能够引起接触表面层的性质变化以及化学变化等，这样必然会影响摩擦系数的变化。例如GCr15 与PTFE相互接触摩擦时，接触表面形成的温度场，促使PTFE向黏弹态转变，从而增大磨损量，同时温度升高使磨屑变小，自润滑性降低。

温度场的分布情况与接触物体表面几何形状（表面粗糙度和波纹度）、摩擦副材料的热物理性能（热容量，导热性）、结构尺寸、工艺条件及散热条件有关。在同一热源作用下，热物性不同的物体内部所形成的温度场分布情况有很大的差别。根据热力学理论，摩擦热在摩擦副间的分配根据式（2.34）计算：

式中 c 、 ρ 、 λ ——分别为比热容、密度、热导率。

温度对摩擦系数的影响与表面层变化密切相关。实验表明，随着温度的升高，摩擦系数增加；当表面温度很高时，材料会发生黏弹态的转变，摩擦系数将降低。但对温度的测定至今还没有太好的办法，目前利用相变判断温度的范围；利用热电偶测温（缺点是测出的数值与计算的数值相差较大）；利用电阻传感器测温；利用红外线辐射法测温（只有在测量元件与热源之间没有任何障碍物的条件下才能使用）。

固体接触摩擦时表面产生温度场的现象一直是摩擦学研究的重要领域，对深入研究摩擦磨损机制具有重要的意义。

（3）表面性质

金属的种类、化学成分、表面粗糙度以及表面硬度对接触区的摩擦系数都有一定的影响。

实验表明，一般情况下，同类金属接触的摩擦系数比不同类金属接触的摩擦系数大；不同类接触的摩擦系数比金属-非金属接触的摩擦系数大；能形成合金的金属相摩擦的摩擦系数比不能形成合金的金属相摩擦的摩擦系数大，具体情况见表 2.4。

实验测得的平均摩擦系数：钢-钢为 0.07~0.10;铜-钢为 0.10~0.13;铝-钢为 0.10 ~0.14。这说明金属之间的摩擦系数小于纯金属之间的摩擦系数。

一般情况下，金属材料硬度越高，摩擦系数越小。表面粗糙度对摩擦系数的影响也较大，通常情况下，表面粗糙度越大，摩擦系数越大，由实验可知，表面粗糙度增加到 7~8 倍，摩擦系数几乎增加 2 倍。但并不是表面粗糙度越小，摩擦系数就越小，例如，当表面非常光滑时，摩擦系数反而变大，这是因为表面发生了黏着效应。

（4）表面膜

实际上摩擦过程中所处的环境往往存在二氧化碳、污垢、润滑剂等，会导致接触表面形成一些表面膜，这些表面膜直接影响摩擦系数的大小，这些表面膜主要有氧化膜、吸附膜和各种外来的润滑膜等。

由摩擦理论可知，两个摩擦副在没有吸附膜时摩擦系数较高，当存在吸附膜时，因其剪切强度小于材料本身的强度，接触区表面黏着结点的长大受到限制，摩擦系数降低；当没有吸附膜时，接触区表面黏着结点的长大未受到限制，摩擦系数趋于无穷大。可见，吸附膜起到了润滑的作用，改善了接触区黏着结点的长大情况。

除金属金外，所有的金属都能和氧发生化学反应，生成各种金属氧化膜，这种氧化膜的存在一方面限制了金属的进一步氧化，起到了保护的作用；另一方面影响摩擦系数的改变。一般情况下，金属的氧化与金属本身以及周围的环境有关，加热温度和加热时间影响最大，当温度为 850~900 ℃时，氧化速度很小；当温度为 1 000 ℃以上时急剧上升；当温度为 1 300 ℃时，氧化速度急剧增加。同一温度下，随加热时间的延长，氧化速度会逐渐变得缓慢，但氧化的总量越来越多。

由于氧化膜的组成和性质不同，氧化膜起到的作用也不同，有时起到润滑作用，有时起到磨损作用。要想氧化膜起到良好的润滑作用，需具备以下性能。

①氧化膜具有一定的厚度，且是连续的、均匀的。氧化膜的厚度主要是防止在摩擦过程中被对偶摩擦副穿透、剥离，甚至破坏。科学家提出 0.01 mm为最小的厚度，然而氧化膜也不能太厚，太厚的氧化膜如果在摩擦过程中被对偶摩擦副部分剥离，剥离的材料会集中在两个摩擦副表面之间，起到第二相粒子的作用，造成更大的磨损。连续、均匀的氧化膜能够保证较低的表面粗糙度，直接影响摩擦系数。不连续、不均匀的氧化膜表面粗糙度较大，提高了摩擦系数。

②氧化膜应具有一定的延展性，并能跟随工件同步变形。这种氧化膜是较为理想的耐磨氧化膜，但很难找到。氧化膜随着摩擦过程的进行，能够发生延展，且和工件同步变形，能够大大降低摩擦系数和磨损量，例如聚四氟乙烯，这种材料在摩擦过程中，形成自润滑膜，具有自润滑性，能够与工件保持较好的同步运动，是理想的润滑材料。

③氧化膜的剪切强度小于材料本身的强度。温度一旦升高，氧化膜会迅速软化，从而起到润滑剂的作用。

④被破坏的氧化膜能够迅速再生。为保证连续起到润滑作用，生成氧化膜的物质氧化速度应该很快，这对成型温度较低的钢很难实现。

事实上，像上述的氧化膜极少，一般的金属氧化物很脆，稳定性较差，自然起到的减磨作用也减低了。

与吸附膜和氧化膜不同的是，为了减小两个接触表面之间发生黏着的可能性，往往在两个接触表面之间涂覆一种金属膜，以起到润滑作用，这种金属膜需具备以下条件：金属膜能够降低接触表面之间发生的黏着效应，这是涂覆金属膜的主要目的；金属膜应具有较低的剪切强度；金属膜能够黏附于金属表面凹处；金属膜具有一定的厚度，可以形成连续、均匀的覆层。 nZfJkMKB2Efu+BY2qXPuPhC1hSfBCZrrcdE7LxZoG4V6oFkOJpXrxFZo+dNtwQa5