常规的疲劳设计理论认为:零件上没有裂纹,并以零件上产生宏观裂纹为破坏 的标志。即“不允许出现宏观裂纹”。 而断裂力学,允许零件上有裂纹,只要控制裂纹扩展的速度,以确保零件工作 安全即可。可以计算零件安全工作的寿命。 这是断裂力学的主要思想 由于时间关系也不多讲。 第三章摩擦、磨损和润滑基础 摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲,摩擦会使效率降低, 温度升高,表面磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度,进而产生振动和噪音 缩短使用寿命。世界上使用的能源大约有1/3~12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。 润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效的方法。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。 本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识 第一节摩擦 、摩擦的种类 内摩擦:在物质的内部发生的阻码分子之间相对运动的现象 静摩擦:仅有相对运动趋势时的摩擦。 动摩擦:在相对运动进行中的摩擦 滑动摩擦:物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦:物体表面间的运动形式是相对滚动。 滑动摩擦分为如下4种状态 1.干摩擦:是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。 2.边界摩擦:是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开,其摩擦性质取决于 边界膜和表面的吸附性能时的摩擦 3.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 粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小,且不会有磨损产生,是理想的摩擦 状态
26 常规的疲劳设计理论认为：零件上没有裂纹，并以零件上产生宏观裂纹为破坏 的标志。即“不允许出现宏观裂纹”。 而断裂力学，允许零件上有裂纹，只要控制裂纹扩展的速度，以确保零件工作 安全即可。可以计算零件安全工作的寿命。 —— 这是断裂力学的主要思想。 由于时间关系也不多讲。 第三章 摩擦、磨损和润滑基础 摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低， 温度升高，表面磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音， 缩短使用寿命。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。 润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效的方法。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。 本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。 第一节 摩擦 一、摩擦的种类 内 摩 擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外 摩 擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静 摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动 摩 擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。 滑动摩擦分为如下４种状态 １. 干摩擦：是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。 ２. 边界摩擦：是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于 边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 ３．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 粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦 状态
4.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,其摩擦系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,常统称为混合摩擦(或边界摩 擦)。 弹性变形 塑性变形 边界膜 流体 干摩擦 边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦 、摩擦的机理 1.干摩擦:研究干摩擦的理论主要有以下几种: “机械理论”认为产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用 分子理论”认为产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用: 机械一分子理论”认为两种作用均有 流体摩擦(流体润滑)(在后续内容中讨论)。 3.边界摩擦(边界润滑) 边界摩擦靠边界膜起润滑作用,边界膜的类型如下: 物理吸附膜 吸附膜 边界膜分为 化学吸附膜 反应膜 润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引,形成定向排列的分子栅,称为物理 吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力,称为油性 润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜,称为化学吸附 膜 在润滑剂中添加硫、磷、氯等元素,他们与金属表面发生化学反应生成的边界 膜,称为反应膜。反应膜在髙温下破裂后,能生成新的化合物,形成新的反应膜膜 这种能够能力称为极压性。能生成反应膜的润滑油称为极压油。 第二节磨损 磨损是运动副之间的摩擦导致的零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响 机器的效率,降低工作的可靠性,甚至促使机器提前报废 单位时间(或单位行程、转等)材料的损失量,称为磨损率 耐磨性:是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系 典型宏观磨损过程
27 ４．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，其摩擦系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，常统称为混合摩擦（或边界摩 擦）。 二、摩擦的机理 1．干摩擦： 研究干摩擦的理论主要有以下几种： “机械理论” 认为产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用； “分子理论”认为 产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用； “机械－分子理论” 认为两种作用均有。 2．流体摩擦（流体润滑）（在后续内容中讨论）。 3．边界摩擦（边界润滑） 边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下： 物理吸附膜 吸附膜 化学吸附膜 反应膜 润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅，称为物理 吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。 润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学吸附 膜。 在润滑剂中添加硫、磷、氯等元素，他们与金属表面发生化学反应生成的边界 膜，称为反应膜。反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜膜， 这种能够能力称为极压性。能生成反应膜的润滑油称为极压油。 第二节 磨损 磨损是运动副之间的摩擦导致的零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响 机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。 单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。 耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。 一、典型宏观磨损过程 边界膜分为
个零件的磨损过程大致可分为以下 三个阶段 稳定期 失效 1)磨合阶段 磨合(跑合):是指新的零件在运转初 期的磨损,磨损率较高。新的摩擦副表面 比较粗糙,真实微观接触面积比较小,压 oe 比较量B(路程、时间……) 强大,因此运转初期的磨损比较快。但是 磨损以后表面的微观凸峰降低,接触面积递减 递增 增大,压强减小,磨损的速度逐渐减慢。 2)稳定磨损阶段属于零件正常工作 比较量B(路程、时间……) 阶段,磨损率稳定且较低。这一阶段的长 短直接影响机器的寿命 图3-3磨损特性曲线及其磨损率曲线 3)剧烈磨损阶段零件经长时间工作磨损以后,表面精度下降,表面形状和尺 寸有较大的改变,破坏了原有的间隙和润滑性质,使效率降低,温度升高,冲击振 动加大,导致磨损加剧,最终导致零件报废。 二、磨损的类型 按磨损的机理不同,机械零件的磨损大体分为四种基本类型 粘着磨损也称胶合,当摩擦表面的微观凸峰在相互作用的各点处由于瞬时 的温升和压力而粘在一起后,相对运动时,材料从一个表面迁移到另一个表面,便 形成粘着磨损 2.疲劳磨损也称点蚀,是由于摩擦表面材料微体积在交变接触应力和摩擦力 的作用下,反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。 3.磨粒磨损也称磨料磨损,是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰 尖所引起的磨损 4.腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀,在摩擦 副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 三、减小磨损的主要方法 (1)润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法, 合理选择润滑剂及添加剂,适当选用高粘度的润滑油、在润滑油中使用极压添 加剂或采用固体润滑剂,可以提高耐疲劳磨损的能力。 (2)合理选择摩擦副材料 由于相同金属比异种金属、单相金属比多相金属粘着倾向大,脆性材料比塑性 材料抗粘着能力髙,所以选择异种金属、多相金属、脆性材料有利于提髙抗粘着磨 损的能力。采用硬度高和韧性好的材料有益于抵抗磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦化学 磨损。提高表面的光洁程度,使表面尽量光滑,同样可以提高耐疲劳磨损的能力
28 一个零件的磨损过程大致可分为以下 三个阶段： 1）磨合阶段 磨合（跑合）：是指新的零件在运转初 期的磨损，磨损率较高。新的摩擦副表面 比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压 强大，因此运转初期的磨损比较快。但是， 磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积 增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。 2）稳定磨损阶段 属于零件正常工作 阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长 短直接影响机器的寿命。 3）剧烈磨损阶段 零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，表面形状和尺 寸有较大的改变，破坏了原有的间隙和润滑性质，使效率降低，温度升高，冲击振 动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。 二、磨损的类型 按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型： 1．粘着磨损 也称胶合，当摩擦表面的微观凸峰在相互作用的各点处由于瞬时 的温升和压力而粘在一起后，相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便 形成粘着磨损。 2．疲劳磨损 也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变接触应力和摩擦力 的作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。 3．磨粒磨损 也称磨料磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰 尖所引起的磨损。 4．腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦 副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 三、减小磨损的主要方法 （1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。 合理选择润滑剂及添加剂，适当选用高粘度的润滑油、在润滑油中使用极压添 加剂或采用固体润滑剂，可以提高耐疲劳磨损的能力。 (2)合理选择摩擦副材料 由于相同金属比异种金属、单相金属比多相金属粘着倾向大，脆性材料比塑性 材料抗粘着能力高，所以选择异种金属、多相金属、脆性材料有利于提高抗粘着磨 损的能力。采用硬度高和韧性好的材料有益于抵抗磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦化学 磨损。提高表面的光洁程度，使表面尽量光滑，同样可以提高耐疲劳磨损的能力
(3)进行表面处理 对摩擦表面进行热处理(表面淬火等)、化学处理(表面渗碳、氮化等)、喷涂、 镀层等也可提高摩擦表面的耐磨性 (4)注意控制摩擦副的工作条件 对于一定硬度的金属材料,其磨损量随着压强的增大而增加,因此设计时一定 要控制最大许用压强。另外,表面温度过高易使油膜破坏,发生粘着,还易加速摩 擦化学磨损的进程,所以应限制摩擦表面的温升。 第三节润滑 润滑一一是指在作相对运动的两个摩擦表面之间加入润滑剂,以减小摩擦和磨 损。此外,润滑还可起到散热降温,防锈防尘,缓冲吸振等作用。 、润滑的分类 1.流体动力润滑依靠两摩擦表面的相对运动把润滑油带入两表面之间,自行 产生足够的压力,建立压力油膜(称为动压油膜),靠油膜的压力把两表面分开, 实现流体润滑。 2.流体静力润滑两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开,强迫形 成承载油膜,实现流体润滑。 3.弹性流体动力润滑主要是指在理论上为点、线接触的条件下,考虑流体动 力效应、润滑油的粘一压特性以及接触体的弹性变形的基础上建立的流体动压润 滑, 4.边界润滑和混合润滑(见前述边界摩擦和混合摩擦)。 、润滑剂 润滑油: 动植物油、矿物油、合成油 粘度是润滑油的主要质量指标,粘度值越高,油越稠,反之越稀: 粘度的种类有很多,如:动力粘度、运动粘度、条件粘度等
29 （3）进行表面处理 对摩擦表面进行热处理（表面淬火等）、化学处理（表面渗碳、氮化等）、喷涂、 镀层等也可提高摩擦表面的耐磨性。 （4）注意控制摩擦副的工作条件 对于一定硬度的金属材料，其磨损量随着压强的增大而增加，因此设计时一定 要控制最大许用压强。另外，表面温度过高易使油膜破坏，发生粘着，还易加速摩 擦化学磨损的进程，所以应限制摩擦表面的温升。 第三节 润滑 润滑――是指在作相对运动的两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨 损。此外，润滑还可起到散热降温，防锈防尘，缓冲吸振等作用。 一、润滑的分类 1．流体动力润滑 依靠两摩擦表面的相对运动把润滑油带入两表面之间，自行 产生足够的压力，建立压力油膜（称为动压油膜），靠油膜的压力把两表面分开， 实现流体润滑。 2．流体静力润滑 两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开，强迫形 成承载油膜，实现流体润滑。 3．弹性流体动力润滑 主要是指在理论上为点、线接触的条件下，考虑流体动 力效应、润滑油的粘－压特性以及接触体的弹性变形的基础上建立的流体动压润 滑。 4．边界润滑和混合润滑 （见前述边界摩擦和混合摩擦）。 二、润滑剂 1．润滑油： 动植物油、矿物油、合成油。 粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀； 粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等
1)动力粘度用n表示 在两个平行的平板间充满其有一定粘度的润滑油,若平板∧以速度移动,另一 平板B静止不动,则由于油分子与平板表而的吸附作用,将使贴近板A的油层以同样 的速度=ν随板移动;而贴近板B的油层则静止不动(=0)。于是形成各油层间的 相对滑移在各层的界面上就存在有相应的切应力。根据牛顿提出的粘性液摩擦定律 Fr-IN 式中: r一流体单位面积上的剪切阳力,即切应力 一流体沿垂直j运动方向(即沿图中y轴方向或流体膜厚度方向)的速度梯度 式中的”号表示v随v的增大而减小 η一比例常数,即流体的动力粘度; 动力粘度的单位是:Pas(帕秒) 2)运动粘度γ即动力粘度η与同温度下该流体密度ρ的比值。 工程中常用运动粘度,单位是:St(斯)或cSt(厘斯),量纲为(m2/: 润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系,如:牌号为L-AN10的油在40℃ 时的运动粘度大约为10cSt 润滑油粘度与温度和压力的关系 a)粘度与温度的关系:润滑油的粘度一般随温度的升高而降低(图3-10,) b)粘度与压力的关系:润滑油的粘度会随压力的增加而增大,在高压时尤为 显著。但在一般润滑情况下,压力对润滑油的粘度影响不大,可以忽略。当压力增 加到sMPa以上时(例如弹性流体动力润滑条件下),影响不宜忽略。 润滑脂:由润滑油+稠化剂混合而成。 润滑脂的主要质量指标是:锥入度,反映其稠度大小。 滴点,决定工作温度 3.固体润滑剂:石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等
30 1）动力粘度 用 表示。 动力粘度的单位是：Pa.s（帕.秒） 2）运动粘度 即动力粘度 与同温度下该流体密度 的比值。 = 工程中常用运动粘度，单位是：St(斯)或 cSt(厘斯)，量纲为(m2/s)； 润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为 L-AN10 的油在 40℃ 时的运动粘度大约为 10 cSt。 润滑油粘度与温度和压力的关系 a） 粘度与温度的关系：润滑油的粘度一般随温度的升高而降低（图 3-10，） b） 粘度与压力的关系：润滑油的粘度会随压力的增加而增大，在高压时尤为 显著。但在一般润滑情况下，压力对润滑油的粘度影响不大，可以忽略。当压力增 加到 5MPa 以上时(例如弹性流体动力润滑条件下)，影响不宜忽略。 2．润滑脂： 由润滑油+稠化剂混合而成。 润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。 滴点，决定工作温度。 3．固体润滑剂： 石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等