3.1　摩擦

3.1.1　摩擦分类

摩擦的分类方法很多（见表3-1），根据摩擦的性质可分为内摩擦和外摩擦。内摩擦是指发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的摩擦；外摩擦是指相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对滑动的摩擦。按照运动形式可分为滑动摩擦和滚动摩擦。按照润滑的状态可分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦（见图3-1）。

3.1.2　常见摩擦类型的特点

1.干摩擦

（1）定义：固体表面间无任何润滑剂或保护膜时而直接接触的摩擦。

实际中，并不存在真正的干摩擦。因为任何零件的表面不仅会因氧化形成氧化膜，而且多多少少也会被含润滑剂分子的气体湿润，但人们通常将无意加入润滑，而不会出现明显润滑现象的摩擦，当作干摩擦。

（2）机理：固体表面之间的摩擦，虽然早就有人进行了系统的研究，并在18世纪就提出了至今仍然沿用的、关于摩擦力的数学表达式：Ff=μ·Fn（式中Ff为摩擦力，μ为摩擦因数，Fn为接触面间的法向载荷）。但是有关摩擦的机理，直到20世纪中叶才比较清楚的揭示出来，现逐一作简单介绍。

干摩擦理论主要有以下几种：

①机械理论：1785年，法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论即机械理论，该理论认为摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面越粗糙，摩擦力越大。

②分子理论：产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用。

③分子-机械理论：该理论认为摩擦力是由表面凸峰间的机械啮合力F1和表面分子相互吸引力F2两部分组成，因而这一理论可解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力也会很大。但上述两种理论不能解释能量是如何被消耗的。

④黏附理论：1935年，英国的鲍登等人开始用材料黏附概念研究干摩擦，1945年由鲍登等人提出简单黏附理论，1964年，鲍登提出了修正黏附理论。

对于金属材料特别是钢，目前较多采用修正后的黏附理论。下面就简单介绍一下黏附理论。

简单黏附理论于1945年由鲍登（F.P.Bowden）等人提出，他们认为两个金属表面在法向载荷作用下的接触面积，并非两个金属表面互相覆盖的公称接触面积（或叫表观接触面积）A0，而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点的微面积的总和，叫真实接触面积Ar（见图3-2）。由于真实接触面积很小，因此可以认为轮廓峰接触区所受的压力很高。当接触区受到高压而产生塑性变形后，这些微小接触面便发生黏附现象，形成冷焊结点。当接触面相对滑动时，这些冷焊结点就被切开。在于摩擦条件下，可将较硬表面坚硬的轮廓峰在较软表面上犁出“犁沟”所需克服的阻力忽略不计，则摩擦力Ff≈ArτB（其中τB是结点材料的剪切强度极限）。

对于理想的弹塑性材料，当法向载荷增大时，真实接触面积Ar也随之增大，应力并不升高，而停留在材料的压缩屈服强度σSy。

例如：图3-3（a）所示为单个轮廓峰接触区在高压作用下产生塑性流动，导致接触面积增大到恰好能支承法向载荷为止的模型。故真实接触面积Ar为，故得：。

金属的摩擦因数。

τB，σSy是指相接触的两种金属中较软者的剪切强度极限与压缩屈服强度。由于大多数金属的的比值均较接近，所以其摩擦因数相差甚小。

但是，这个结论不完全符合实际。例如，处于真空中的洁净金属发生摩擦时，其摩擦因数要比常规环境里的摩擦因数大得多。这一事实说明真实接触面积一定比简单粘附理论所指出的大得多。在简单粘附理论中，认为真实接触面积决定于软金属的压缩屈服极限和法向载荷。

对于静态接触，这在大体上是正确的。为此，鲍登等人于1964年又提出了一种更切合实际的修正粘附理论。

这种理论认为，在摩擦情况下，轮廓峰接触区除作用有法向力外，还作用有切向力，所以接触区同时有压应力和切应力存在。这时金属材料的塑性变形取决于压应力和切应力所组成的复合应力作用，而不仅仅取决于金属材料的压缩屈服极限σSy。

单个轮廓峰接触为压应力σy及切应力τ联合作用下，单个轮廓峰的接触模型，并且假定材料的塑性变形产生于最大切应力达到某一极限值的情况。若将作用在轮廓峰接触区的切向力逐渐增大到Ff值，结点将进一步发生塑性流动，这种流动导致接触面积增大。

也就是说，在复合应力作用下，接触区出现了结点增长的现象。结点增长模型（单个轮廓峰接触模型）如图3-3（c）所示，其中τB为较软金属的剪切强度极限。

在真空中，洁净的金属表面发生摩擦时结点可能大幅度地增长，因此摩擦因数较高，在空气中，由于界面上覆盖有一层氧化膜或污染膜，这种表面膜通常抗剪能力很弱，因而摩擦因数较低。修正后的粘附理论认为

当两金属界面被表面膜分隔开时，τBj为表面膜的剪切强度极限；当剪断发生在较软金属基体内时，τBj为较软金属基体的剪切强度极限τB；若表面膜局部破裂并出现金属黏附结点时，τBj将介于较软金属的剪切强度极限和表面膜的剪切强度极限之间。

这个理论与实际情况比较接近，可以在相当大的范围内解释摩擦现象。在工程中，常用金属材料副的摩擦因数是指在常规的压力与速度条件下，通过实验测定的，并可认为是一个常数，其值可参考有关资料。

2.边界摩擦

润滑油中的脂肪酸是一种极性化合物，它的极性分子能牢固的吸附在金属表面上。单分子膜吸附在金属表面上的符号如图3-4所示。图3-4中小圈为极性原子团。这些单分子膜整齐地呈横向排列，很像一把刷子。边界摩擦类似两把刷子之间的摩擦。吸附在金属表面上的多层分子边界膜的摩擦模型如图3-5所示。分子层距金属表面越远，吸附能力越弱，剪切强度越低，远到若干层后，就不再受约束。因此，摩擦因数将随着层数的增加而下降，三层时要比一层时降低约一半。比较牢固地吸附在金属表面上的分子膜，称为边界膜。边界膜极薄，润滑油中的一个分子长度平均约为0.002μm，如果边界膜有10层分子，其厚度也仅为0.02μm。两摩擦表面的粗糙度之和一般都超过边界膜的厚度（当膜厚比λ≤1时），所以边界摩擦时，不能完全避免金属的直接接触，这时仍有微小的摩擦力产生，其摩擦因数通常在0.1左右。

按照边界膜形成的机理，边界膜可分为物理吸附膜、化学吸附膜和反应膜。润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，牢固地吸附在金属表面上形成物理吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。润滑剂中的分子靠化学键力作用而吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学吸附膜。化学吸附膜的吸附强度随温度升高而下降，达到一定温度后，吸附膜发生软化、失向和脱吸想象，从而使润滑作用降低，磨损率和摩擦因数都将迅速增加。在润滑剂中添加入硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化学反应生成的边界膜，称为反应膜。反应膜具有低的剪切强度和高熔点，它比前两种吸附膜都更稳定。

合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适量的油性添加剂和极压添加剂，都能提高边界膜强度。

3.混合摩擦（混合润滑）

混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦因数比边界摩擦时要小得多。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。

4.流体摩擦（流体润滑）

流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间黏性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦因数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。