第1章摩擦表面分析

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1、 摩擦学基础摩擦学基础宋宝玉宋宝玉 主讲主讲 2013-03-10材料学材料学物理化学物理化学机械学机械学力学力学纳米科学纳米科学生物医学生物医学摩擦学是摩擦学是交叉学科交叉学科本课程的学习方法本课程的学习方法课堂讲授课堂讲授课后自学课后自学网上阅读相关文献网上阅读相关文献是以实验科学为基础是以实验科学为基础建立起来的理论建立起来的理论很不完善很不完善 第一章第一章 摩擦表面分析摩擦表面分析 固体表面的摩擦学性能直接受到表面形态的影固体表面的摩擦学性能直接受到表面形态的影响，除几何形貌之外，表面物理与化学状态也是控响，除几何形貌之外，表面物理与化学状态也是控制摩擦学行为和过程的重要因素。制摩擦

2、学行为和过程的重要因素。 1.1 摩擦表面与内部结构摩擦表面与内部结构1.1.1 金属表面结构金属表面结构 金属表面在加工过程中表层组织结构将发生变化，金属表面在加工过程中表层组织结构将发生变化，使表面层由若干层次组成。使表面层由若干层次组成。 如果摩擦温度超过金如果摩擦温度超过金属的结构转变温度，由于属的结构转变温度，由于表面上的高压力和环境介表面上的高压力和环境介质的作用，将产生特殊的质的作用，将产生特殊的相变或结构转变。相变或结构转变。 例如，合金钢在摩擦例如，合金钢在摩擦过程中其表层产生一种特过程中其表层产生一种特殊的殊的贝贝氏体，它不仅具有氏体，它不仅具有很高的硬度还有一定的塑很高的

3、硬度还有一定的塑性。性。 1.1.2 金属材料的内部结构特征金属材料的内部结构特征1.金属结构金属结构 金属及其合金是由原子或分子所组成的物质聚集体。通金属及其合金是由原子或分子所组成的物质聚集体。通常金属在固态下都是晶体，其原子有规则地排列。这种常金属在固态下都是晶体，其原子有规则地排列。这种具有一定几何形状的排列结构称为空间晶格。具有一定几何形状的排列结构称为空间晶格。 大部分的金属晶体属于下列三种晶格形式：大部分的金属晶体属于下列三种晶格形式： 体心立方晶格的晶胞是由体心立方晶格的晶胞是由8个角原子构成的立方体，在个角原子构成的立方体，在立方体的中心还有一个原子，共有立方体的中心还有一个

4、原子，共有9个原子。个原子。 属于这种晶格的金属有铁属于这种晶格的金属有铁(910，-Fe)、铬、铬(Cr)、钼、钼(Mo)、钨、钨(W)、钒、钒(V)等。等。 （1）体心立方晶格）体心立方晶格（2）面心立方结构）面心立方结构 面心立方晶格的晶胞是由面心立方晶格的晶胞是由8个角原子构成的立方体，在立个角原子构成的立方体，在立方体每一面的中心还各有一个原子，共有方体每一面的中心还各有一个原子，共有14个原子。个原子。 属于这种晶格的金属有铝属于这种晶格的金属有铝(A1)、铜、铜(Cu)、镍、镍(Ni)、铅、铅(Pb)、金金(Au)、铑、铑(Rh)、-Fe、-Co、-Mn等。等。 （3）密排立方结

5、构）密排立方结构 密排六方晶格的晶胞，由密排六方晶格的晶胞，由12个角原子所构成的简单六方体个角原子所构成的简单六方体上下两个方形面的中心各有一个原子，而且在两个方形面的中上下两个方形面的中心各有一个原子，而且在两个方形面的中间还有间还有3个原子，共有个原子，共有17个原子。个原子。 属于这类晶格的金属有铍属于这类晶格的金属有铍(Be)、镁、镁(Mg)、镉、镉(Cd)、-Ti、-Co等。等。 晶粒：晶粒：每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状。每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状。 晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒之间的界面。 单晶体：单晶体：晶体的内部晶格位向完全一致。晶体的内部晶格位

6、向完全一致。 多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体，且过渡晶界处的原子排由多晶粒组成的晶体，且过渡晶界处的原子排列是不规则的。列是不规则的。 晶粒的尺寸：晶粒的尺寸：在钢铁材料中一般为在钢铁材料中一般为10-310-1mm，必须在，必须在显微镜下才能看到。显微镜下才能看到。 2. 晶体缺陷晶体缺陷 实际晶体中存在着大量的各种各样的晶体缺陷。实际晶体中存在着大量的各种各样的晶体缺陷。 随着摩擦条件的改变，由于晶体的交互作用，使得晶体缺随着摩擦条件的改变，由于晶体的交互作用，使得晶体缺陷也在不断地变动。陷也在不断地变动。 晶体缺陷将影响着金属表面的物理性质、化学性质及力学晶体缺陷将影响着金属表面的物

7、理性质、化学性质及力学性质。性质。 能量起伏：能量起伏：在晶体中，原子在其平衡位置上作高频率的热在晶体中，原子在其平衡位置上作高频率的热振动，振动能量经常变化，此起彼落。振动，振动能量经常变化，此起彼落。 空位：空位：在一定温度下，任何瞬间晶体中总有某些原子因具在一定温度下，任何瞬间晶体中总有某些原子因具有高振动能量而脱离其平衡位置，使晶体内留下一个空结点。有高振动能量而脱离其平衡位置，使晶体内留下一个空结点。 间隙原子：间隙原子：如果晶体表面上的一个原子跑到晶体内的间隙如果晶体表面上的一个原子跑到晶体内的间隙位置，晶格内部就多了一个原子。位置，晶格内部就多了一个原子。 (1)点缺陷点缺陷1）

8、刃型位错）刃型位错 按图中所示的剪切应力方向滑移。在晶体中部的按图中所示的剪切应力方向滑移。在晶体中部的b处便出处便出现一个半原子面现一个半原子面abcd。 半原子面下端半原子面下端bc附近原子排列的规则性破坏了，发生了弹附近原子排列的规则性破坏了，发生了弹性畸变，畸变是以性畸变，畸变是以bc线为中心展开的，越靠近中心部分畸变越线为中心展开的，越靠近中心部分畸变越大，远离中心的部位则基本上不存在畸变，所以这种缺陷可看大，远离中心的部位则基本上不存在畸变，所以这种缺陷可看成是一维的。成是一维的。 （2）线缺陷）线缺陷位错位错2）螺型位错）螺型位错 将晶体沿将晶体沿ABCD面局部地切开使上下两部分

9、晶体相对移动面局部地切开使上下两部分晶体相对移动(撕开撕开)一个原子间距，一个原子间距，BC右边晶体的上层原子与下层原于相对右边晶体的上层原子与下层原于相对移动了一个原子间距。移动了一个原子间距。 这里的原子平面被扭成了螺旋面，这里的原子平面被扭成了螺旋面，BC为位错线。为位错线。 3）混合位错）混合位错 若同时出现刃型位错和螺型位错，则称之为混合位错。若同时出现刃型位错和螺型位错，则称之为混合位错。 金属晶体中的位错大量存在，呈网状分布。位错可看成滑金属晶体中的位错大量存在，呈网状分布。位错可看成滑移和未滑移的分界线，则晶体的形变可以由位错的运动实现。移和未滑移的分界线，则晶体的形变可以由位

10、错的运动实现。 如果以完整晶体计算屈服强度，则比实验数据高出一千倍如果以完整晶体计算屈服强度，则比实验数据高出一千倍左右，而由位错的运动解释金属晶体的塑性变形就合理得多。左右，而由位错的运动解释金属晶体的塑性变形就合理得多。 （3）面缺陷）面缺陷 金属晶体的缺陷若主要沿二维方向伸展开来，而在另一维金属晶体的缺陷若主要沿二维方向伸展开来，而在另一维方向上的尺寸变化相对甚小，则成为面缺陷。方向上的尺寸变化相对甚小，则成为面缺陷。 晶体表面、晶界、亚晶界等都是面缺陷晶体表面、晶界、亚晶界等都是面缺陷。 晶体表面上的一层原子一面受晶体内面原子的结合作用，晶体表面上的一层原子一面受晶体内面原子的结合作用

11、，另一面则受环境的作用。这种受力的不对称性必然要求表层原另一面则受环境的作用。这种受力的不对称性必然要求表层原子适当调整它们的分布位置，表层原子的结构就与晶体内部原子适当调整它们的分布位置，表层原子的结构就与晶体内部原子的点阵发生偏差，因而晶体完整的周期性受到破坏。子的点阵发生偏差，因而晶体完整的周期性受到破坏。 1.1.3 塑料表面结构塑料表面结构 共性共性： 在常温下保持固定形状，相对密度不变，可加工性好等。在常温下保持固定形状，相对密度不变，可加工性好等。塑料与金属的共性与区别塑料与金属的共性与区别 区别：区别：金属：金属：由元素的原子以点阵形式由元素的原子以点阵形式构成，每个晶胞只有不