材料摩擦磨損教學(xué)教材.ppt

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1、材料摩擦磨損摩擦與磨損摩擦與磨損是涉及兩個或兩個以上作相對運(yùn)動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)工作者對此相當(dāng)關(guān)注。摩擦與磨損直接影響機(jī)械零件間力、功或運(yùn)動的傳遞，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。三個問題為解決摩擦學(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，必須對這三個方面問題有所了解。(1)通過物理和化學(xué)作用，環(huán)境對表面特征的影響；(2)接觸表面

2、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)、生物等方面，對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

3、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)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：它是在一個方向上尺寸較大，而在另外

4、兩個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，它們通常只有一個至幾個原子層厚。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、界面與位錯的相互作用等，并對材料的機(jī)械性能（強(qiáng)度、韌性）以及對變形、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，

5、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?？傊?，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)就其周圍包含有N個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，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，該系統(tǒng)也

6、必須做功。這個可逆的表面功?WS由下式給出：如果沒有任何非可逆過程，那么這個可逆功就等于表面能量的變化。因此表面張力高溫時，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)散的時候，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，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)每個原子有12個最近鄰，能量才最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。當(dāng)少了四個最近鄰原子，出現(xiàn)了四個“斷鍵”時，表面原子的能量就會升高。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，斷鍵數(shù)目不同，因而表面能不同。表面能還可以更直

7、觀地說明表面能，設(shè)有一橫截面為1cm2的固體柱，在理想條件下（真空中）將它分成兩段時所作的功稱為內(nèi)聚功Wc，它表征了相同物質(zhì)間的吸引強(qiáng)度。拉斷后的固體柱增加了兩個面積為1cm2的新表面，相應(yīng)增加的表面能為2γa，γa為固體a增加的表面能。根據(jù)功能原理得Wc＝2γa物質(zhì)的表面能和界面能假如柱的上段為物質(zhì)a，下段為物質(zhì)b，則接觸部分的界面能為γab。若使柱在a、b界面上斷開，對柱所作的功稱為粘附功Wab。斷開后柱增加表面能γ