1.5 表面的摩擦与磨损
摩擦学是研究相对运动接触表面的科学和技术，它包括摩擦、磨损、润滑三个部分。本节仅讨论摩擦和磨损两部分内容。
1.5.1 摩擦
1.摩擦的定义和分类
两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦，这种摩擦仅与两物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关，所以又称为外摩擦。阻碍同一物体（如液体或气体）各部分之间相对移动的摩擦，称为内摩擦。
根据摩擦副的运动和表面情况，摩擦可以按下列方式分类。
（1）按摩擦副的运动状态分类
1）静摩擦。一个物体沿另一个物体表面有相对运动的趋势时产生的摩擦称为静摩擦，这种摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。
2）动摩擦。一个物体沿另一个物体表面相对运动时产生的摩擦称为动摩擦，其阻碍物体运动的切向力称为动摩擦力。动摩擦力通常小于静摩擦力。
（2）按摩擦副的运动形式分类
1）滑动摩擦。物体接触表面相对滑动时产生的摩擦称为滑动摩擦。
2）滚动摩擦。在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦。
（3）按摩擦副表面的润滑状况分类
1）纯净摩擦。摩擦表面没有任何吸附膜或化合物存在时的摩擦称为纯净摩擦。这种摩擦只有在接触表面产生塑性变形（表面膜破坏）或在真空中时才能发生。
2）干摩擦（无润滑摩擦）。在大气条件下，摩擦表面之间名义上没有润滑剂存在时的摩擦称为干摩擦。
3）边界润滑摩擦。摩擦表面间有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦称为边界摩擦。这层膜称为边界膜，其厚度约为0.01μm或更薄。
4）流体润滑摩擦。相对运动的两物体表面完全被流体隔开时的摩擦称为流体润滑摩擦，流体可以是液体或气体。当为液体时称为液体摩擦，为气体时称为气体摩擦。流体润滑摩擦时，摩擦发生在流体内部。
5）固体润滑摩擦。相对运动的两物体表面间有固体润滑剂存在时的摩擦称为固体润滑摩擦。
（4）按摩擦副所处的工况条件分类
1）正常摩擦。机器设备的摩擦副在正常温度、压力、速度等工况条件下的摩擦。
2）特殊工况条件下的摩擦。现代机器设备中的摩擦副往往处于高速、高温、低温、真空、辐射等特殊环境条件下工作，其摩擦磨损性能也各具特点，将这类工况的摩擦称为特殊工况条件下的摩擦。
2.摩擦理论
（1）早期摩擦理论1508年意大利科学家首先提出了摩擦力的概念，并指出摩擦力与物体的质量成正比，与法向接触面积无关。1699年法国工程师阿蒙顿（Amontons）进行了摩擦试验，建立了摩擦的基本公式。1785年法国科学家库仑（Coulomb）也进行了相同的试验，完成了阿蒙顿-库仑摩擦定律（Amontons-Coulomb摩擦定律），一般称它为古典摩擦定律，综述如下。
1）摩擦力F与作用于摩擦面间的法向载荷N成正比，即
F∝μN （1-77）
式中 μ——摩擦因数，它是评定摩擦情况的重要参数。
此公式通常称为库仑定律。
2）摩擦力的大小与名义接触面积无关。
3）静摩擦力大于动摩擦力。
4）摩擦力的方向与滑动速度无关。
5）摩擦力的方向总是与接触面间相对运动速度的方向相反。
古典摩擦定律是试验中总结出的规律，它揭示了摩擦的性质。
但近来对摩擦的深入研究发现，上述规律与实际情况有不符之处。如第1）条，当法向压力不大时，对于普通材料，摩擦力与法向载荷成正比，即摩擦因数为常数。但实际上，摩擦因数是与材料和环境条件有关的一个综合特性系数，它不仅与摩擦副的材料性质有关，还与表面温度、表面粗糙度及表面污染情况等有关。当压力较大时，对于某些极硬材料（如钻石）或软材料（如聚四氯乙烯），摩擦力与法向载荷不成线性比例关系。第2）条，对于有一定屈服强度的材料（如金属材料）才能成立，而对于弹性材料（如橡胶）或黏弹性材料（如某些聚合物），摩擦力与名义接触面积的大小存在某种关系。对于很清洁、很光滑的表面，或承受载荷很大时，由于在接触面间出现强烈的分子吸引力，故摩擦力与名义接触面积成正比。第3）条，对黏弹性材料不适用，黏弹性材料的静摩擦因数不一定大于动摩擦因数。对于很多材料，摩擦因数与滑动速度有关。
古典摩擦理论是经验性的，在解决许多工程实际问题时仍大致适用，严格限定条件或加以修正后方可使用。
（2）滑动摩擦理论
1）机械啮合理论。该理论认为，摩擦由表面上的微小凹凸不平所致。当两个固体表面接触时，由于表面微小凹凸不平相互啮合，产生了阻碍固体相对运动的阻力（图1-27），因此称为机械啮合理论。机械啮合理论把固体看做绝对刚体，对摩擦现象的解释完全建立在固体表面的纯几何概念上。该理论还认为，摩擦力就是所有这些啮合点的切向阻力的总和。摩擦因数为微区粗糙面斜角θ的正切（图1-27），表面越粗糙，摩擦因数越大。
图1-27 机械啮合示意图
实践表明，机械啮合理论只适用于刚性粗糙表面，降低表面粗糙度值可以降低摩擦因数，但当表面粗糙度值小到使表面分子吸引力有效发生作用时（如超精加工表面），摩擦因数反而增大，这个理论就不适用了。
2）分子作用理论。17世纪，英国物理学家德沙古里艾（J.T.Desaguliers）第一次提出了产生摩擦力的主要原因是两物体摩擦表面间所具有的分子力，该理论称为分子作用理论。
托姆林森认为，分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数。当两个物体相对滑动时，由于存在表面粗糙度，某些接触点分子间的距离很小而产生分子斥力，另一些接触点分子间的距离较大而产生分子吸力。他根据接触表面上力的平衡条件推导出摩擦因数与接触面积成正比，与载荷的三次方根成反比。
以后的研究表明，摩擦是由分子运动键的断裂过程所引起的，表面和次表面分子周期性的拉伸、破裂和松弛导致能量的消耗。
3）黏着理论。1950年英国剑桥大学的鲍登（Bowden）和泰伯（Tabor）提出了摩擦的黏着理论。当金属表面相互压紧时，它们只在微凸体的顶端接触，由于接触面积很小，微凸体上的压力很高，足以引起塑性变形和牢固黏着，接触点发生冷焊，这种冷焊点在表面相对滑动时被剪断，这构成了摩擦力的黏着分量Fadh，即
Fadh＝Aτb （1-78）
式中 A——剪切的总面积；
τ——焊合点的平均抗剪强度。
当较硬材料滑过较软材料的表面时，较硬材料表面的微凸体会对软材料表面造成犁削作用，这构成了摩擦力的犁削分量Fpl。因此，总的摩擦力为
F＝Fadh＋Fpl （1-79）
在大多数情况下，犁削分量远小于黏着分量，可忽略不计，因此，摩擦因数为
式中 F——法向载荷；
σ——作用在材料上的压应力。
（3）滚动摩擦理论 滚动摩擦与滑动摩擦在摩擦状况和机理上差别都很大，摩擦因数也小得多。滚动摩擦可分为两类：一类传递很大的切向力，如机车主动轮；另一类传递较小的切向力，通常称为自由滚动。图1-28所示为轮子沿固定基础滚动，当它转过角度ϕ后，轮轴相对于基础移动了Rϕ，这种运动称为无滑动的滚动或纯滚动。
图1-28 轮子沿固定基础滚动
滚动摩擦因数μr定义为驱动力矩M与法向载荷F之比，其具有长度的量纲，即
式中 F0——滚动驱动力。
目前认为，滚动的摩擦阻力主要来自微观滑动、弹性滞后、塑性变形和黏着作用等方面的作用。
3.影响摩擦的因素
如前所述，摩擦大小通常用摩擦因数μ来表征，其值等于摩擦力F与法向载荷N的比值。影响摩擦因数的因素包括材料本身和摩擦系统（如接触界面、工作环境和介质等）两方面。
（1）材料性能 当摩擦副是同一种金属或是非常类似的金属，或这两种金属有可能形成固溶合金时，摩擦较严重。如铜-铜摩擦副的摩擦因数可达1.0以上，铝-铁或铝-低碳钢摩擦副的摩擦因数大于0.8。而不同金属或低亲和力的金属组成的摩擦副，如银-铁或银-低碳钢组成的摩擦副，摩擦因数仅为0.3。
材料的弹性模量越高，摩擦因数越低；材料的晶粒越细，强度和硬度越高，抗塑性变形能力越强，越不容易在接触点形成焊合，摩擦因数也就越低；摩擦副的表面越粗糙，摩擦因数越高，然而，非常光滑的表面有时摩擦因数可能会更大。
（2）接点长大 从摩擦黏着理论可知，滑动摩擦系数
，由于黏着点的破坏往往发生在摩擦副较软的材料中，因此τb和σ均为较软材料的性能。对于大多数金属，σ约为屈服强度的3倍，τb为较软材料的抗剪强度，同种材料屈服强度约是抗剪强度的1.7～2倍，所以σ≈5τb，即μ＝0.2。而实际上许多金属摩擦副在空气中的摩擦因数大于0.2，在真空中的摩擦因数则更大。研究发现，摩擦副滑动时由于有切向力的作用，材料的屈服实际是由法向载荷造成的压应力σ与切向载荷造成的切应力τ合成作用的结果。当切应力逐渐增大到材料的剪切屈服强度时，黏着点发生塑性流动，这种塑性流动使接触面积增大ΔA，实际接触面积的增大，将造成摩擦因数的增高。与滑动摩擦不同的是，当滚动摩擦产生的黏着点分离时，其方向是垂直于界面的，因此没有接点增大的现象。
（3）摩擦环境 载荷增大或滑动速度改变时，由于摩擦热会对摩擦副产生影响，摩擦因数常会发生变化。高温下摩擦副的摩擦学特性取决于两金属的高温强度、焊接性以及所形成的表面膜。表面膜对摩擦因数影响很大。表面膜可以是摩擦以前材料表面的氧化膜、摩擦过程中形成的表面反应膜或加入的润滑剂形成的润滑膜。只要表面膜能起到润滑剂的作用，就会减轻黏着，降低摩擦因数。
1.5.2 磨损
相互接触的物体在相对运动或具有相对运动趋势时，其接触表面会发生摩擦。摩擦不仅存在于固体，也存在于液体和气体。摩擦伴随的必然结果是磨损的发生。机器相互连接的部件之间及机器与外部接触时，如齿轮与齿轮、轴承与轴承、活塞环与缸套，以及采煤机采煤、犁铧犁地、破碎机破碎矿物等都会发生摩擦与磨损。
磨损的过程是很复杂的，至今一些磨损机理研究得还不很清楚。磨损有时是有益的，例如机器在磨合阶段的磨损以及利用磨损原理来进行加工（如研磨、抛光、磨削），这些都是利用磨损为生产服务。但是，磨损也是造成材料和能源损失的重要原因。
1.磨损的定义和分类
（1）磨损的定义 虽然磨损现象为大家所熟知，但是，寻找一个严格的定义来说明各种条件下所产生的磨损是困难的。英国机械工程师协会的一个委员会给磨损的定义是由于机械作用而造成物体表面材料的逐渐损耗。克拉盖尔斯基的定义为由于摩擦结合力反复扰动而造成的材料的破坏。前者似乎排除了电和化学所产生的作用，后者则过于强调疲劳的作用。邵荷生教授则认为：由于机械作用、间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象称为磨损。
目前比较完善的磨损定义是：任一工作表面的物质，由于表面相对运动而不断损失的现象，称为磨损。定义强调有相对运动，但未指明接触表面上一定要有相互作用力，因为有些腐蚀性磨损，如电火花磨损是由于界面间的放电作用引起物质转移，在表面上造成空穴所致。至于表面相对运动，有两种情况：一种是单面磨损，如气蚀中流体与叶片之间的磨损；另一种是双面磨损，一般情况下两个固体表面间的磨损都属于这一类。定义中所指的不断损失物质，是说明磨损过程是连续的、有规律性的，而不是偶然几次损失物质。
由磨损定义可知，磨损是一种十分复杂的微观动态过程，影响因素很多。在实际工况中，材料的磨损往往不只是一种机理在起作用，而是几种机理同时存在，只不过是某一种机理起主要作用而已。而当条件变化时，磨损也会发生变化，会以一种机理为主转变为以另一种机理为主。
（2）磨损的分类
1）根据不同的磨损机理，磨损可分为黏着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损四类。
虽然这种分类方法还不尽完善，但是它包括了主要的磨损种类。例如，微动磨损是一种复合型磨损，但由于产生微动磨损的主要原因是黏着点的氧化腐蚀作用，所以可以归纳在腐蚀磨损之内；冲击磨损则可归纳于磨料磨损之内。
2）注意事项：
①磨损并不局限于机械作用，还包括由于伴随化学作用而产生的腐蚀磨损，由于界面放电作用而引起物质转移的电火花磨损，以及由于伴随热效应而造成的热磨损等。
②特别强调磨损是在相对运动中所产生的现象，因而如橡胶表面老化、材料腐蚀等非相对运动中的现象不属于磨损研究的范畴。
③磨损发生在运动物体材料表面，其他非表面材料的损失或破坏不包括在磨损范围之内。
④磨损是不断损失或破坏的现象，损失包括直接耗失材料和材料的转移（材料从一个表面转移到另一个表面上去）。破坏包括产生残余变形、失去表面精度和光泽等。不断损失或破坏，则说明磨损过程是连续的、有规律的，而不是偶然的几次。
2.磨损的评定
目前对磨损的评定方法还没有统一的标准。常用的评定方法有：磨损量、磨损率和耐磨性。
（1）磨损量 评定材料磨损的三个基本磨损量是长度磨损量Wl、体积磨损量Wv和质量磨损量Wm。长度磨损量是指磨损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的磨损监测中经常使用。体积磨损量和质量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或质量的改变量。实验室试验中，往往是首先测量试样的质量磨损量，然后再换算成为体积磨损量进行比较和分析。对于密度不同的材料，用体积磨损量来评定磨损的程度比质量磨损量更为合理。
（2）磨损率 在所有的情况下，磨损都是时间的函数。因此，有时也用磨损率W来表示磨损的特性，如单位时间的磨损量、单位摩擦距离的磨损量。
（3）耐磨性 材料的耐磨性是指在一定工作条件下材料耐磨的特性。这里引入材料的相对耐磨性ε概念，其是指两种材料A与B在相同的外部条件下磨损量的比值，其中材料A是标准（或参考）试样。
磨损量WA和WB一般用体积磨损量，特殊情况下可使用其他磨损量。
耐磨性通常用磨损量或磨损率的倒数W-1来表示，使用最多的是体积磨损量的倒数。