1、1工程摩擦學(xué)基礎(chǔ)知識點(diǎn)Foundation of Engineering Tribology2教學(xué)目的與要求：明確摩擦學(xué)的定義及研究內(nèi)容了解摩擦學(xué)發(fā)展的歷史了解摩擦學(xué)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域及其進(jìn)展教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：解析摩擦學(xué)的內(nèi)涵及其主要研究內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系教學(xué)方式及學(xué)時：講授、2學(xué)時第一章 緒論3Content 摩擦學(xué)的定義及特性 摩擦學(xué)發(fā)展簡史 研究摩擦學(xué)的重要意義 摩擦學(xué)研究的領(lǐng)域及內(nèi)容4一、摩擦學(xué)的定義及特性定義：“研究做相對運(yùn)動的相互作用 表面及其有關(guān)理論和實(shí)踐的一門科學(xué)技術(shù)”，包括研究摩擦、磨損與潤滑.相對運(yùn)動可以是滑動、滾動、振動等任何一種形式，或是幾種運(yùn)動形式的組合；相互作用是指在載荷作

2、用下，兩表面發(fā)生的各種變化，如彈性變形、塑性變形、粘著和材料的轉(zhuǎn)移等；表面包括固體固體，固體液體，固體氣體，液體氣體。5相對運(yùn)動摩 擦磨 損能量損耗、摩擦熱設(shè)備損壞、壽命縮短機(jī)械設(shè)計、材料設(shè)計、合理潤滑 減 少減 少6摩擦學(xué)是多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科摩擦學(xué)化學(xué)物理材料科學(xué)機(jī)械工程學(xué)78“圣經(jīng)”寫到：“上帝對諾亞說，用木頭建造一個拱廊，并用瀝青將里外進(jìn)行封刷” 摩擦學(xué)發(fā)展簡史9最早的用于表示石油及產(chǎn)品的楔形文字10史前期（石器時代，公元前3500年以前） 摩擦學(xué)元件主要是石頭、木頭上的凹洞。人類知道了運(yùn)動間的阻礙作用，會利用木頭進(jìn)行摩擦生火。瀝青被用于減小運(yùn)動物體間的尖叫聲。11早期文明（公元前35

3、00年以后） 比較典型的是出現(xiàn)了一些類似軸承的元器件，明確知道使用“潤滑劑”可以減小摩擦，部分馬車車軸上使用了羊油和牛油。12 古埃及人在木制滑板上移動大雕像（公元前2400年）13 古埃及人在木制滑板上移動大雕像（公元前2400年）14最早的“潤滑工程師”在滑板上加潤滑劑。潤滑劑可能是：水、尼羅河里的泥水、尼羅河里的泥水+橄欖油。潤滑工程師15輪緣上布滿銅釘?shù)哪局栖囕喴詼p少磨損（公元前2500年） 銅 釘16詩經(jīng)有“載脂載轄，還車言邁”的詩句，證明我國至少在2500年以前已經(jīng)有了潤滑的初步應(yīng)用 。17古希臘與古羅馬時代（公元前900公元400） 主要以發(fā)展滑動軸承、齒輪為特征，也開始設(shè)計滾動

4、軸承。在潤滑劑方面開始從原油中分離出比瀝青輕的組分并加以應(yīng)用，如在水泵上安裝活塞時，在活塞上涂敷薄油膜使安裝過程更容易。另外也記載了一些常用的動植物油潤滑劑。對摩擦磨損理論方面有了一定的認(rèn)識，如知道采用合適的材料配對可使摩擦磨損減小。18 古 戰(zhàn) 車（指南車）上的木制齒輪（中 國，公元前255年）19鐵環(huán)做的襯套減小石軸與木頭間的磨損20中世紀(jì)（公元400-1450年） 在此漫長的歷史時期內(nèi)，機(jī)械元件、潤滑劑、摩擦和磨損基礎(chǔ)理論方面的研究幾乎沒有進(jìn)展。21文藝復(fù)興時期（1450-1600）此時期可以稱為是科學(xué)奇才達(dá)芬奇的時代，他對摩擦、磨損、潤滑的研究和對促進(jìn)摩擦學(xué)的應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)，是摩擦

5、學(xué)的鼻祖。22雷納德達(dá)芬奇（60歲時的自畫像，1512年）23 在潤滑劑方面，仍以動植物油為主導(dǎo)。在摩擦磨損理論方面，達(dá)芬奇發(fā)現(xiàn)摩擦力與負(fù)荷之間有一定關(guān)系，并提出了固體干摩擦的摩擦定律： 摩擦力與負(fù)荷成正比 摩擦力與名義接觸面積無關(guān) 摩擦力與滑動速度無關(guān)24 根據(jù)上述結(jié)論，達(dá)芬奇提出減少摩擦的可能途徑：滾動摩擦比滑動摩擦小點(diǎn)/線接觸比面接觸的摩擦小軸承中的滾動體之間保持一定距離可減小摩擦。25 滾珠軸承草圖。滾珠之間相互隔開，避免相互接觸而使摩擦增大（達(dá)芬奇手稿）26各種軸承草圖（達(dá)芬奇手稿）27把垂直運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的齒輪機(jī)構(gòu)（達(dá)芬奇手稿）28在摩擦磨損理論方面,越來越多的科學(xué)家加入到研究中

6、來,如: * R. Hook: 提出了滾動摩擦定律(1680) * I. Newton: 定義了粘度的概念(1687,沒有用 “Viscosity”這個詞) * G. Amontons: 確認(rèn)了達(dá)芬奇的摩擦定律 (1699) * L. Euler: 定義了摩擦系數(shù)的概念(1750).工業(yè)革命興旺時期（16001750）29工業(yè)革命時期(1750-1850)C. A. Coulomb :證實(shí)并確立了L. da Vinci 和 G. Amontons 的摩擦定律 (1785)G. Rennie: 建立了摩擦磨損測量方法、提出了不同材料的摩擦系數(shù)值、認(rèn)為磨損與潤滑有關(guān)（1825）C. Hatchet

7、t: 提出了磨損與材料性質(zhì)的關(guān)系(1803)C.L. Navier: 定義并使用了“粘度”的概念(1822)G. Stokes: 與Navier一起建立了流體運(yùn)動方程,成為流體動力潤滑的理論基礎(chǔ)(1845)30代表性的科學(xué)家有：G.A. Hirn: 證實(shí)了達(dá).芬奇、阿蒙頓、庫侖的摩擦定律（1880）H.R. Hertz: 發(fā)展了滾動摩擦的物理定律(1881)B.Tower: 測定了滑動軸承中的流體動壓(1833)N.P. Petrov: 滑動軸承中的摩擦定律(1883)O. Reynolds:建立流體動壓效應(yīng)的雷諾方程(1885) R. Stribeck: 提出了Stribeck曲線,建立了摩

8、擦、負(fù)荷、速度和粘度間的關(guān)系(1902)J.W. Sommerfeld: 提出雷諾方程解析解和Sommerfeld數(shù)(1904)近代摩擦學(xué)研究（18501925）311966年，摩擦學(xué)發(fā)展史上的里程碑l英國Jost教授在潤滑的教育與研究現(xiàn)狀及工業(yè)需求的調(diào)查報告中首先正式提出摩擦學(xué)這個概念，將其定義為“研究做相對運(yùn)動的相互作用表面及其有關(guān)理論和實(shí)踐的一門科學(xué)技術(shù)”，包括研究摩擦、磨損與潤滑，并建議用英語Tribology來表示。自此摩擦學(xué)開始成為一門獨(dú)立的科學(xué)。32與Jost教授的合影（2001年）33 摩擦、磨損、潤滑對人類的物質(zhì)生產(chǎn)和生活有極為深遠(yuǎn)的影響。鉆木取火使人類第一次支配了自然。人類

9、一方面利用摩擦、磨損，如摩擦傳動、摩擦制動、摩擦切削、摩擦焊接等。人們利用摩擦來傳遞功率、消耗動能。磨削工件、拋光、研磨是人們利用磨損為人類服務(wù)的實(shí)例。一方面又在為消除有害的摩擦、磨損作斗爭。三、研究摩擦學(xué)的重要意義 34摩擦學(xué)的意義 世界上能源約有13到12以各種形式消耗在克服摩擦上。紡織機(jī)械的功率有85為摩擦損失。根據(jù)美國環(huán)保局(EPA)測得的典型汽車能量分布情況可知，燃料能量消耗在汽車各種摩擦損失上的比例，活塞摩擦損失占3.0%，發(fā)動機(jī)其它摩擦損失占4.5%，變速器摩擦損失占1.5%，車軸摩擦損失占1.5%，總計占10.5%，亦即燃料的熱能中有10.5%消耗在汽車的各種摩擦損失中。 35

10、l摩擦不僅消耗能量，而且伴隨著磨損的產(chǎn)生。根據(jù)使用和試驗(yàn)統(tǒng)計，汽車零部件的主要失效形式是磨損，磨損型的故障約占50%。其中，磨損造成的故障在發(fā)動機(jī)總成故障中占47.2%：在變速器故障中占65.3%：在驅(qū)動橋故障中占72.9%由于磨損型故障而帶來的維修費(fèi)用約占汽車使用費(fèi)用總數(shù)的25%。36英國：1965年以英國Jost博士為首的調(diào)查組認(rèn)為，英國只要充分地運(yùn)用現(xiàn)有的摩擦學(xué)知識。十年內(nèi)每年可節(jié)約億英磅；1974年測算，每年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)87230萬英鎊。美國：ASME/STLE 1977年發(fā)表通過摩擦學(xué)以節(jié)約能源的戰(zhàn)略指出，美國公路運(yùn)輸、發(fā)電工業(yè)、汽輪機(jī)和機(jī)械工業(yè)的能源節(jié)約潛力為國家總能耗的11%，相當(dāng)

11、于每年可節(jié)約160億美元。此外，美國每年耗用機(jī)械設(shè)備維修保養(yǎng)費(fèi)用1200億美元，其中一半可以由搞好潤滑節(jié)約下來。37日本：70%能源，尤其是99%石油依靠進(jìn)口。JSLE 1975年測算，1974年由于搞好潤滑，節(jié)約能源價值8000億日元，提高機(jī)械效率、減少維修次數(shù)、延長壽命而取得的間接經(jīng)濟(jì)效益60000億日元。1977年測算節(jié)能9900億日元，加上間接效益達(dá)72200億日元。1986年僅轎車一項就節(jié)省汽、柴油610萬米3，增加效益500億日元。德國：東部每年由于摩擦磨損造成的損失達(dá)100億馬克，西部1974年節(jié)約電力20億度。38中國：能耗大國，節(jié)約潛力巨大。我國1984年度對8個行業(yè)、地區(qū)進(jìn)

12、行調(diào)查認(rèn)為：運(yùn)用摩擦學(xué)知識，到2000年止，每年可節(jié)約400億元，相當(dāng)于國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的12。 大慶油田1982年消耗電力28億度、汽柴油8萬噸、潤滑油脂4000多噸，只需不到300萬元的研究和技術(shù)措施費(fèi)用，既可節(jié)電億度、節(jié)省汽柴油35008000噸，節(jié)省潤滑油400噸，總價值3400萬元的節(jié)能效果，加上間接效益可達(dá)億元。 39 我國打一口石油天然氣鉆井，消耗200多個鉆頭，先進(jìn)國家7080個鉆頭；磨煤機(jī)磨輥輥套壽命5200h，先進(jìn)國家可達(dá)18000h；我國質(zhì)量好的軋鋼機(jī)軸承平均壽命是軋鋼5060萬噸，日本軸承為軋鋼200300萬噸；國產(chǎn)機(jī)床梯形絲桿壽命為3年，美國產(chǎn)的壽命為10年；礦井提升機(jī)

13、減速器齒輪的使用壽命為510年，先進(jìn)國家為2030年； 40國產(chǎn)石油鉆機(jī)剎車片只能起、下鉆30次，國外一般能起、下鉆7080次。國產(chǎn)設(shè)備的大多數(shù)摩擦副的壽命只有先進(jìn)國家同類產(chǎn)品的壽命的3050。火力汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組軸承消耗的能量與發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的能量的比例，國外平均為，我國達(dá)到一以上，美國某種載重汽車每臺年耗潤滑油16Kg，我國同類車型臺年耗油量達(dá)到110kg。 41四、摩擦學(xué)的研究領(lǐng)域和內(nèi)容（1）材料的摩擦磨損材料的摩擦磨損包括測試設(shè)計與方法、接觸問題理論分析、各種類型的摩擦和磨損形式、各種材料的摩擦磨損機(jī)理及其狀態(tài)檢測研究。從工程實(shí)際需要出發(fā)，建立材料摩擦磨損的物理模型和定量計算公式，以便預(yù)測

14、機(jī)械零件的使用性能和失效壽命。現(xiàn)代材料磨損研究領(lǐng)域已從以普通的金屬材料為主擴(kuò)展到新型合金材料、非金屬材料（如陶瓷、聚合物及復(fù)合材料等）。 42（2）潤滑科學(xué)與工程l研究了牛頓流體和非牛頓流體中光滑表面具有不同尺寸比的線接觸和電接觸的彈性流體動壓潤滑，并且對微彈流有了更深入的了解。今后的任務(wù)是將潤滑理論有效地應(yīng)用于工程設(shè)計。l采用掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡和超薄膜干涉儀等先進(jìn)儀器設(shè)備對邊界潤滑和邊界膜進(jìn)行了原位研究，揭示了幾種不同的機(jī)理。l潤滑添加劑主要將進(jìn)一步向復(fù)合型、多功能化、環(huán)?；?、自潤滑以及自修復(fù)的方向發(fā)展；納米材料在潤滑油中的得到初步應(yīng)用，并在高性能、自潤滑和自修復(fù)方面產(chǎn)生

15、了突破性的變化。43（3）表面工程表面工程摩擦學(xué)l 表面工程與摩擦學(xué)是相互依存的兩個學(xué)科，與其他相互依存的學(xué)科關(guān)系一樣，有許多相互滲透的內(nèi)容。而從總體上看，各自都有明確的地位和任務(wù)，我們知道，研究接觸界面行為的最終目的不僅僅是弄清楚其內(nèi)在機(jī)理，更重要的是提高零部件的使用壽命和其他性能，而表面工程技術(shù)的最大優(yōu)勢正是體現(xiàn)在設(shè)備表面延壽、改性及維修等方面，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。44（4）微觀/納米摩擦學(xué)l納米摩擦學(xué)研究在20世紀(jì)90年代的迅速興起。納米摩擦學(xué)提供了一種新的思維方式和研究模式，即從原子分子尺度上揭示摩擦磨損與潤滑機(jī)理，從而建立材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的構(gòu)性關(guān)系。l納米摩擦

16、學(xué)的研究方法與宏觀摩擦學(xué)研究有很大差別。其理論分析手段主要是計算機(jī)分子動力學(xué)模擬(MDS)，而實(shí)驗(yàn)測試儀器為各類掃描探針顯微鏡，如掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、摩擦力顯微鏡(FFM)、表面力儀(SFA)以及專用的微型試驗(yàn)裝置。45（5）特殊工況下的摩擦學(xué)周邊環(huán)境苛刻，如高溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕、高真空等；摩擦副本身具有特殊性，接觸體除起傳遞或傳動功能外，往往還在帶電、帶磁、帶輻射工況下運(yùn)行；運(yùn)行參數(shù)超常如高速、重載等；運(yùn)行性能要求超群，如微機(jī)械系統(tǒng)高精度、高可靠性、長壽命等。46（6）生物摩擦學(xué)l人體內(nèi)存在各種摩擦，如關(guān)節(jié)的摩擦，管腔(血管、氣管、消化道、排泄道)內(nèi)的摩擦，運(yùn)動

17、中的肌肉和肌腱間的摩擦等。摩擦甚至可以引起人體許多生理變化和疾病。l目前生物摩擦學(xué)的研究目標(biāo)是研制摩擦磨損低、病理反應(yīng)輕微的人工器官，主要集中在人工關(guān)節(jié)、牙齒和人工心臟瓣膜的研究。根據(jù)調(diào)查推算，我國可能有100萬至150萬骨關(guān)節(jié)病人需要做人工關(guān)節(jié)手術(shù)。 l1960年首次進(jìn)行人工心臟瓣膜置換手術(shù)，但迄今尚未能取得滿意的結(jié)果，原因是心瓣膜材料與血液反復(fù)摩擦產(chǎn)生磨損以及疲勞斷裂等不良影響。 47（7） 生態(tài)摩擦學(xué)潤滑油特別是添加劑含有多種有害的金屬元素。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界每年潤滑油消耗量為約300萬噸，其中約有30因各種原因被排放到環(huán)境中而造成污染。綠色潤滑油目前在世界范圍內(nèi)市場占有率已達(dá)10，并呈

18、逐年增加趨勢。綠色潤滑油應(yīng)具有低毒性、低污染及可生物降解等特點(diǎn)，其基礎(chǔ)油主要有聚醚、合成酯及天然植物油等。48摩擦學(xué)教育 世界各國都十分重視。如英國工科學(xué)生需修完36學(xué)時摩擦學(xué)課程，Leeds大學(xué)設(shè)有摩擦學(xué)專業(yè)，Swansea大學(xué)設(shè)有摩擦學(xué)工業(yè)技術(shù)課程。中國也有許多大學(xué)設(shè)立摩擦學(xué)課程。49摩擦學(xué)協(xié)/學(xué)會 世界各國的摩擦學(xué)會很多，如美國的STLE。中國機(jī)械工程學(xué)會1979年設(shè)立摩擦學(xué)委員會，許多省市也設(shè)有摩擦學(xué)專委會。 世界各地每年舉行與摩擦學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)會議很多，極大地推進(jìn)了摩擦學(xué)的發(fā)展。50與摩擦學(xué)有關(guān)的期刊雜志 Wear、Lubrication Engineering、Tribology Letter、Tribology International、Lubrication Science、 Synthetic Lubrication、Transaction of the ASME 、Journal of Industrial tribology 摩擦學(xué)學(xué)報、潤滑與密封、潤滑油、石油煉制與化工、合成潤滑材料、石油學(xué)報、機(jī)械工程學(xué)報、中國機(jī)械工程、材料保護(hù)、機(jī)械科學(xué)與技術(shù)、石油商技、機(jī)械工程材料 其他外文語種的刊物還有很多，