材料摩擦磨損.ppt

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1、材料摩擦磨損引言摩擦學(xué)(Tribology)是近三十多年來迅速發(fā)展起來的一門新興邊沿學(xué)科。它主要包括摩擦、磨損和潤(rùn)滑等研究領(lǐng)域。摩擦導(dǎo)致大量機(jī)械能的損耗，而磨損則是機(jī)械零件失效的一個(gè)重要原因。據(jù)估計(jì)，工業(yè)化國(guó)家能源的約30％消耗于摩擦。對(duì)一個(gè)高度工業(yè)化的國(guó)家，每年因摩擦和磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失差不多占其國(guó)民經(jīng)濟(jì)年產(chǎn)值的l～2％。摩擦與磨損的研究是一個(gè)有重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的課題。摩擦與磨損自古以來就存在，利弊共存。摩擦與磨損摩擦與磨損是涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體之間的界面的科學(xué)和技術(shù)問題的一門學(xué)科。包含著許多物理、化學(xué)及力學(xué)過程。物理學(xué)、化學(xué)及材料科學(xué)工作者對(duì)此相當(dāng)關(guān)注。摩擦與磨損直接影

2、響機(jī)械零件間力、功或運(yùn)動(dòng)的傳遞，因此，又是機(jī)械工程師們重視的問題。不難看出，摩擦和磨損的研究將是多學(xué)科的綜合，涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程等方面的很多基礎(chǔ)知識(shí)。三個(gè)問題為解決摩擦學(xué)領(lǐng)域中的技術(shù)問題，必須弄清楚摩擦學(xué)基本的問題。摩擦學(xué)的這三個(gè)方面問題顯然是互相聯(lián)系的。因此，為了能全面解決摩擦學(xué)問題，必須對(duì)這三個(gè)方面問題有所了解。(1)通過物理和化學(xué)作用，環(huán)境對(duì)表面特征的影響；(2)接觸表面之間的力的產(chǎn)生和傳輸；(3)作用在表面接觸點(diǎn)處的外力附近表面材料的特性。前景隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是在現(xiàn)代工業(yè)與技術(shù)中高速、重載的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，核反應(yīng)堆、宇宙飛船那樣的惡劣工作環(huán)境，微型機(jī)構(gòu)、生物等

3、方面，對(duì)摩擦與磨損提出了越來越高的要求，為這門新興學(xué)科的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力。目前的研究熱點(diǎn)：空間、生物、微納米、高速機(jī)械等。課程內(nèi)容1、材料表面特性及接觸力學(xué)2、材料的摩擦3、材料的磨損第一章固體表面特性第一節(jié)固體表面特性及結(jié)構(gòu)表面是一個(gè)抽象的概念，實(shí)際常把無厚度的抽象表面叫數(shù)學(xué)表面，把厚度在幾個(gè)原子層內(nèi)的表面叫作物理表面，而把我們常說實(shí)際的固體表面叫工程表面。但物質(zhì)不是無限的，在晶體中原子或分子的周期性排列發(fā)生大面積突然終止的地方就出現(xiàn)了界面，如固體－液體、固體－氣體及固體－固體的界面，常把固體－氣體（或真空）、固體－液體的界面稱為固體的表面。很多物理化學(xué)過程：催化、腐蝕、摩擦和電子發(fā)

4、射等都發(fā)生在“表面”，可見其重要性。金屬表面的實(shí)際構(gòu)成示意圖工程表面表面結(jié)構(gòu)面心立方表面原子的配位數(shù)在表面的位置配位數(shù)表面所處晶面配位數(shù)角上原子3原子在(111)上9邊緣原子5原子在(100)上8表面原子M的配位數(shù)為5。而基體中的任一個(gè)原子的配位數(shù)為6。表面的電子分布(a)電荷密度分布(b)電荷分布表面缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷點(diǎn)缺陷：在三維方向上都很小的缺陷。線缺陷：它是在一個(gè)方向上尺寸較大，而在另外兩個(gè)方向上尺寸較小的線缺陷。面缺陷：晶體的缺陷若主要是沿二維方向伸展開來，而在另一維方向上的尺寸變化相對(duì)地甚小，則稱為面缺陷。各種界面如晶體表面、晶界、亞晶界及相界等都是面缺陷，它們通常只

5、有一個(gè)至幾個(gè)原子層厚。由于界面特殊的結(jié)構(gòu)和界面能量，使得界面有許多與晶體內(nèi)部不同的性質(zhì)。例如，界面的擴(kuò)散、界面吸附、界面腐蝕、界面與位錯(cuò)的相互作用等，并對(duì)材料的機(jī)械性能（強(qiáng)度、韌性）以及對(duì)變形、再結(jié)晶和相變過程等都有重要影響。第二節(jié)表面熱力學(xué)一、表面張力與表面能1.表面熱力學(xué)函數(shù)在表面，晶格的周期性被切斷，因此表面原子處于與固體內(nèi)部不同的環(huán)境之中。其實(shí)，表面的組成和物理性質(zhì)是由單一相慢慢地變化而來的領(lǐng)域，雖然很難把它當(dāng)作原來的熱力學(xué)相，但能作為一種由溫度、面積、曲率半徑以及各組分原子的質(zhì)量等決定的特殊相來處理。總之，固體表面相的熱力學(xué)性質(zhì)必須與固體內(nèi)部區(qū)別開來考慮。熱力學(xué)函數(shù)現(xiàn)就其周圍包

6、含有N個(gè)原子的固體平面而言，若每一原子的體能量為E0，則每單位面積的表面能ES與總能量E之間有下述關(guān)系：每單位面積的表面熵為SS，體熵為S0，則固體的總的熵S為：a是表面積。熱力學(xué)函數(shù)表面每單位面積的吉布斯（Gibbs）自由能為：系統(tǒng)總的自由能為：表面每單位面積的功為:表面張力在建立新的表面時(shí)，鄰近的原子丟失、鍵被切斷。為此，必須作某種功。在一定的溫度、壓力下，保持平衡條件，當(dāng)表面積a只增加da時(shí)，該系統(tǒng)也必須做功。這個(gè)可逆的表面功?WS由下式給出：如果沒有任何非可逆過程，那么這個(gè)可逆功就等于表面能量的變化。因此表面張力高溫時(shí)，在由解理而制得的新的表面的情況下，表面原子自由地在表面擴(kuò)散的

7、時(shí)候，與面積無關(guān)，則所以（表面張力與表面自由能相一致）低溫，解理表面的原子不能自由擴(kuò)散時(shí)，由于在表面殘留有畸變，因此表面能的物理圖像以面心立方金屬的（100）面作為表面只有當(dāng)每個(gè)原子有12個(gè)最近鄰，能量才最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。當(dāng)少了四個(gè)最近鄰原子，出現(xiàn)了四個(gè)“斷鍵”時(shí)，表面原子的能量就會(huì)升高。和表面原子的這種高出來的能量相連的就是表面能。晶面的表面能不同晶面作表面時(shí)，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同。表面能還可以更直觀地說明表面能，設(shè)有一橫