第11章　摩擦学设计(1) Ⅺ Tribology Design.

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1 第11章　摩擦学设计(1) Ⅺ Tribology Design

2 第11章　摩擦学设计 内容简介 　　摩擦学（Tribology）是近 40 年来发展起来的一门新的边缘学科。它是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究相互接触的摩擦表面之间的摩擦和磨损的有关科学和技术的一门学科。 　　由于在机械产品及其零部件的设计中，需要应用和处理大量的摩擦学问题，因而也就诞生了摩擦学设计。 本章主要介绍了如下方面内容： 摩擦学的概念及摩擦学设计内容 金属表面的摩擦和磨损 摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择 润滑和润滑系统设计 摩擦学系统的监测与诊断技术

3 11.1 摩擦学设计概述 摩擦学（Tribology）是近40 年来发展起来的一门新的边缘学科。
11.1 摩擦学设计概述 　　摩擦学（Tribology）是近40 年来发展起来的一门新的边缘学科。 　　它是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究相互接触的摩擦表面之间的摩擦和磨损的有关科学和技术的一门学科。 　　摩擦是现象，磨损是摩擦的结果，润滑是降低摩擦、减少磨损的重要措施。因此，摩擦、磨损与润滑三者有着十分密切的关系。 　 任何机器的运转都依赖其零件副的相对运动来实现。而零件的相对运动必然会产生摩擦和磨损。 为了减少摩擦或降低磨损，最有效的手段是采用润滑。因此，解决摩擦、磨损和润滑问题就成为机械及大多数技术部门最普遍和最重要的问题之一。

4 　　摩擦学问世于1966年，它是世界上近几十年中发展最快的学科之
一，这主要是由于摩擦学的研究对于国民经济具有十分重要的意义。 　　由于全世界约有 1/2 ~ 1/3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩 擦导致磨损是机械设备失效的主要原因，大约有80％的损坏零件是由 于各种形式的磨损引起的。 由于摩擦学对于工农业生产和人民生活的巨大影响，因而自这门 学科与1966年一经提出，就迅速引起世界各国的普遍重视，成为近40 多年来迅速发展的技术学科，并日益得到广泛的应用。

5 　　摩擦学设计是以摩擦、磨损及润滑理论为基础，从系统工程观点
出发，通过一系列计算与经验类比分析，来预测并排除可能发生的故 障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦、损耗和经济的稳 定磨损率。 　　摩擦学设计是机械设备零件设计经历了运动设计与强度设计以后 的第三阶段设计，它涉及到流体力学、固体力学、流变学、数学、材 料科学、物理和化学等内容。

6 　　摩擦学设计的基本内容主要包括如下三方面：
　　(1)摩擦副设计。 　　它包括摩擦副的类型选择、结构设计和材料选择等； 　　(2)润滑系统设计。 　　它包括润滑剂和润滑方法的选择、润滑系统的设计等； 　　(3)状态监测及故障诊断系统设计。 　　为了获得摩擦副当前运动状态的信息，并进行机械故障诊断，包括温度、振动传感器、油液监测器的设计或选用；信号传输的处理、分析等。

7 11.2 金属表面的摩擦和磨损 金属表面特性 　　机械设备的工作表面大多都是采用金属制作的。而摩擦学研究的对象是作相对运动、相互作用的表面，所以了解金属表面的特性是解决摩擦学问题的基础知识之一。 　　金属表面的特性，主要包括金属表面的形貌、表面的结构组成以及表面的接触。

8 1. 金属表面形貌 图11-1 　表面形貌及其特性

9 2. 金属的表层结构 图 金属零件表层的一般结构

10 3. 金属表面的接触 如图11-3所示。接触面积可分为如下 3 种： (1)名义接触面积An
An=a×b，即接触表面的宏观面积，由接触物体的外部尺寸决定。 (2)轮廓接触面积AP 即金属表面弹性变形部分所形成的接触面积总和，AP的大小与表面所承受的载荷有关，通常，AP≈An(5~15)％。 图 表面接触面积 　　(3)实际接触面积Ar 　　即轮廓接触面积AP内各真实接触部分的微小面积的总和。

11 11.2.2 摩擦 两上物体表面相互接触或相对运动时，就会发生摩擦。因此，摩擦是自然界普遍存在的一种现象。
摩擦 　　两上物体表面相互接触或相对运动时，就会发生摩擦。因此，摩擦是自然界普遍存在的一种现象。 　　人类对摩擦最早的应用就是“摩擦起火”。近代工业的摩擦轮传动、各种车辆和飞机的制动器、摩擦切削等都是利用摩擦为人类服务的例子。但在大多数情况下，摩擦是有害的，它造成能量的损耗和机件材料的磨损。据统计，世界上能源有1/2~1/3以各种形式消耗于摩擦。 　1. 摩擦的定义 　两个相互接触的物体在外力作用下作相对运动时其接触表面之间的切向阻抗现象，叫做摩擦。其阻力叫做摩擦力。 　这种摩擦与两个物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内部状态无关，所以又称为外摩擦。液体或者气体中各部分之间相对移动而发生的摩擦，称为内摩擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦。 　两个物体之间的摩擦力与其法向压力之比值，称为摩擦系数。

12 　外摩擦和内摩擦的共同特征是：一物体或一部分物质将自身的运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物质，并试图使两者的运动速度趋于一致，因而在摩擦过程中发生能量的转换。
　外摩擦与内摩擦的不同特征在于内部运动状况。 　内摩擦时流体相邻质点的运动速度是连续变化的，具有一定的速度梯度；而外摩擦是在滑动面上发生速度突变。 　此外，内摩擦力与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时内摩擦力也就消失；而外摩擦力与滑动速度的关系随工况条件变化，当滑动速度消失后仍有静摩擦力存在。 　以上对摩擦的定义，确切地指出了摩擦的实质。显然，两接触表面有相对运动或相对运动的趋势，必然就有摩擦现象，其量值可以用摩擦力或摩擦系数反映，而摩擦力始终与相对运动的方向相反。

13 2. 摩擦的分类 摩擦可以按以下不同的方式来分类。 1)按摩擦副的运动状态分类 按摩擦副的运动状态分类，摩擦可分为：静摩擦和动摩擦。
　2. 摩擦的分类 　摩擦可以按以下不同的方式来分类。 　1)按摩擦副的运动状态分类 　按摩擦副的运动状态分类，摩擦可分为：静摩擦和动摩擦。 (1)静摩擦：两个物体作宏观位移前的微观位移时其接触表面之间的外摩擦。其摩擦力称静摩擦力。 　静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。最大静摩擦力是物体产生宏观位移前的摩擦力极限。 　(2)动摩擦：两个物体作相对运动时接触表面之间的外摩擦。其阻碍物体运动的切向力叫动摩擦力。 　动摩擦力通常小于静摩擦力。

14 　2)按摩擦副的运动形式分类 　按摩擦副的运动形式分类，摩擦可分为：滑动摩擦、滚动摩擦和滑-滚摩擦。 　(1)滑动摩擦：指两个接触物体之间的动摩擦，其接触表面上切向速度的大小和（或）方向不同。也就是两表面发生相对滑动运动时的动摩擦。 　(2)滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。也就是两表面发生纯滚动运动时的动摩擦。滚动摩擦时，其接触表面上至少有一点切向速度的大小和方向均相同。 　(3)滚－滑摩擦：指两个接触物体之间的动摩擦，其接触表面上同时发生滚动和滑动运动时的摩擦。 　　3)按摩擦副表面的润滑状态分类 　　按摩擦副表面的润滑状态分类，摩擦可分为：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦等。

15 　　(1)干摩擦（无润滑摩擦）：在大气条件下，摩擦表面间名义上没有润滑剂存在时的摩擦。
　　(2)液体摩擦：指相对运动的两物体表面完全被一层流体所隔开的摩擦。这时的摩擦取决于流体的粘度。流体可是液体或气体。当为液体时称液体摩擦；为气体时称气体摩擦。 　　流体摩擦时，摩擦是发生在流体内部。 　　(3)边界摩擦：是指摩擦表面间有一层极薄的吸附润滑膜存在时的摩擦，这层膜叫边界润滑膜，其厚度大约为0.01μm或更薄。这时摩擦取决于润滑膜的特性如表面特性。 　　(4)混合摩擦：是指介于上述三种摩擦之间的摩擦。这种类型的摩擦是属于过渡状态的摩擦，如半干摩擦和半流体摩擦。 　　半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。 　　半流体摩擦是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。

16 　3. 摩擦理论 　摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。摩擦现象涉及的因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论，现简述如下。 　(1) 摩擦的机械理论 　十八世纪以前的摩擦理论认为，摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中能量损耗于微凸峰的相互啮合、嵌入及弹塑变形，特别是硬微凸峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。 　这一理论认为，表面越粗糙摩擦系数越大，反之随着表面粗糙度的降低，摩擦系数降低。实践表明，摩擦机械理论只适用于普通粗糙表面，而当表面粗糙度降到表面分子吸引力有效作用时，如超精加工表面时，这时摩擦系数反而剧增，这说明机械理论就不适用了。

17 　　(2)分子作用理论 　　这种理论认为，摩擦是起因于两摩擦表面上分子间的作用力，是由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生阻抗现象。 　　根据分子作用理论似得出这样的结论，即表面越粗糙实际接触面积越小，因而摩擦系数应越小。因而，摩擦分子理论能解释一些摩擦机械理论不能解释的现象，但是对实际粗糙表面，又与实际不符。 　　(3)分子―机械理论 　　这种理论认为，摩擦过程中有表面微凸峰间的机械啮合力和摩擦表面分子相互吸引力这两个方面的阻力。因此，可用二项式摩擦定理来说明这种理论，即　 摩擦力： 摩擦系数： （11-1） （11-2）

18 式中，α　　由摩擦表面分子特性决定的系数； β　　由摩擦表面机械特性决定的系数；Ar　　　　实际接触面积；W　　 外载荷。
　　分子机械理论较上述两种摩擦理论更为完善一些，主要是因为它既考虑了微凸峰间分子的吸引力，并又明确指出，界面间微凸峰的机械啮合力是产生摩擦的主要原因。这一理论更为符合实际情况。

19 式中，T 剪切力，T＝Ar ；Pe 犁沟力，Pe = S pe；其中，Ar 为粘着面积即实际接触面积；τb 粘着点的剪切强度；S
　　(4) 粘着理论 　　粘着理论和分子机械理论相比较，二者都考虑了表面微凸峰间的啮合力，但粘着摩擦理认为这种啮合力是由微凸峰受载后的塑性变形所产生，同时，还考虑了微凸峰在接触以后产生粘结，如果被外力所剪切而分离时，还必须克服微凸峰间相互位移所需的切向力。由于粘着结点具有很强的粘着力，当两表面作相对滑动时，粘着点被切断，当一表面比另一表面硬时，则硬的微凸体顶峰还将较软的表面上拉划出犁沟，这时，摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和，即剪切这些粘着点的力和拉划出犁沟的力之和就是摩擦力。 　　按上述粘着理论得出的摩擦力 F 为 （11-3） 式中，T 　　剪切力，T＝Ar ；Pe　　 犁沟力，Pe = S pe；其中，Ar　　 为粘着面积即实际接触面积；τb 粘着点的剪切强度；S 犁沟面积；pe 单位面积的犁沟力。 ；

20 　　对于金属摩擦副，通常Pe 的数值远小于 T 值。粘着理论认为粘着效应是产生摩擦力的主要原因。如果忽略犁沟效应，式(11-3)变为
摩擦力： （11-4） 摩擦系数： （11-5） 式中，τb　　　　为较软材料的剪切强度极限；σs　　　　为较软材料的抗压屈服极限；W　　　为外载荷。

21 　4. 影响摩擦的因素 　研究摩擦的根本目的在于弄清摩擦的机理，以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗。影响摩擦的因素是多方面的，目较普遍的认识认为有以下几个主要方面： 　(1)金属材料的性质（材料互溶性，材料的金相分子结构等）； 　(2)法向载荷； 　(3)表面的滑动速度； 　(4)环境及表面间的温度； 　(5)表面的粗糙度； 　(6)表面膜等。 　因此，在研究分析具体摩擦现象及问题时，应给于全面考虑。

22 11.2.3 磨损 相互接触物体的表面相对运动过程中，表层物质发生不断损失的现象称为磨损，表现为物体尺寸和(或)形状的变化。
磨损 　　 1. 磨损的定义及其表示方法 　相互接触物体的表面相对运动过程中，表层物质发生不断损失的现象称为磨损，表现为物体尺寸和(或)形状的变化。 　为了说明材料磨损程度和耐磨性能，需要用定量方法表征磨损现象。通常采用下述几种指标。 　(1)磨损量：指以尺寸、体积或重量的减少量来表示的磨损过程结果的量。通常可用线磨损量、体积磨损量、重量磨损量来表示。磨损量是评定材料耐磨性能，控制产品质量和研究摩擦磨损机理的重要指标之一。 　(2)磨损率：是指磨损量对产生磨损的行程或时间之比值。它可用三种方式表示，即单位滑动距离的材料磨损量；单位时间的材料磨损量；每转或每一往复行程的材料磨损量。

23 　(3)磨损度：指磨损量与发生磨损所经过的规定距离或所作的功之比值。
　(4)耐磨性：用以表示材料抵抗磨损的性能。它以规定的摩擦条件下的磨损率的倒数来表示。

24 2. 磨损的类型 　　磨损的分类方法很多，为了对磨损现象能够深入地理解和研究，现代机械工程常按摩擦表面破坏的机理和特性对磨损进行分类。为此，一般可将磨损分为如下五类： 　　　　　● 粘着磨损 　　　　　● 磨料磨损 　　　　　● 表面疲劳磨损 　　　　　● 腐蚀磨损 　　　　　● 微动磨损 　　这五类磨损的机理及特点见表11-2。

25 表11-2 　五种基本磨损类型 类型 基本概念 特点 举例 粘着 磨损 摩擦副相对运动时，由于粘着作用使材料由一表面转移到另一表面的磨损现象 接触点粘着剪切破坏 内燃机的活塞与汽缸壁的擦伤 磨料 在摩擦过程中，因硬质颗粒或硬的凸出物摩擦表面而引起材料脱落的磨损现象 磨料对摩擦表面进行微观切削，表面有犁沟和划痕 犁铧、球磨机的衬板和钢球的磨损 疲劳 两接触表面作滚动或滚滑复合摩擦时，在交变接触应力作用下，使摩擦表面材料受循环变应力并产生反复变形，材料表面因疲劳发生裂纹和剥落出微片或颗粒的磨损现象 应力超过材料的疲劳极限，在一定循环次数后出现疲劳破坏，表面形成痘斑状的凹坑呈麻坑状 齿轮和滚动轴承的点蚀 腐蚀 摩擦副表面在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学或电化学反应，使表面材料损失的磨损现象 表面发生腐蚀破坏 曲轴轴颈的氧化磨损及化工设备中零件的腐蚀磨损 微动 两接触表面相对低振幅振动而引起表面复合磨损，出现材料损失的现象 复合式磨损 片式摩擦离合器的摩擦片上出现的磨损

26 3. 几种类型磨损的计算方法 1) 胶合磨损的计算方法 下面介绍几种较为重要的磨损计算方法。
　　很多胶合计算准则是在静态条件下作出的，如静负荷、不变速度、或是用热负荷（Thermalload）即计算温度的方法来解决。 现已提出的几种胶合计算准则如下。 (1) pHUS = const 准则 其中， pH为Hertz最大压力；US为物体表面的相对滑动速度。 　　该准则虽很简单，但是包括了主要参数：载荷和速度。 　　在不同的载荷和速度下，实验数据值的离散程度虽不超过50%，但误差是很大的。尽管如此，仍可作为设计时的参考。

27 (2) f pHUS = const 准则 (11-6) 也可写成 式中，f 　　 为摩擦系数；W　　 为载荷。 　　fWUS的物理意义是因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而产生的热。但是，在产生胶合时的摩擦系数 f 值很难确定，因此，采用此式较为困难。 (3) f pHUSx = const 准则 　　这个准则是从 pHUS = const 发展而来的。 　　几十年来，有许多研究者开展了对指数 x 值的确定研究。求得 x 值的方法有三种：理论分析法、经验数据的总结以及试验结果的总结。对于某一种具体条件下，只有通过试验的方法求得 x 数值后，这个准则才有实际应用的价值。

28 图11-4 粘着磨损的计算模型 (2) 粘着磨损的计算方法
　(2) 粘着磨损的计算方法 　粘着磨损的计算是基于如下假设：表面的粘结点是相同的圆形，其半径为r，每一个粘结点的面积为πr2 ，并且支持着的载荷为pyπr2 ， py为材料的屈服压强；通过每一个粘结点的滑动距离为2r（见图11-4），假定磨粒呈半球状，每一个磨粒的体积2πr3/3。 图11-4　粘着磨损的计算模型

29 　单位滑动长度时的磨损体积 V 为　　　　　　　　　　　 式中，na 为全部接触斑点的数目。设每一个点所支持的载荷为pyπr2 ，可得总载荷 W 为 故得　　　　　　　　　　　 上式是在假定所有粘结点都磨去一个磨粒的条件下求得的。如果只有全部接触点的 k 部分产生磨削，上式可写为 (11-12) 式中，k　　　是一个凸峰接触时可能产生磨削的概率。 　　由上式可以得到粘着磨损的三条规律：材料的磨损体积与滑动距离成正比，与载荷成正比，与较软材料的屈服压强成反比。

30 (3)磨料磨损的计算方法 　　假如采用硬的圆锥凸峰在较软的表面上划过的磨损模型来进行磨料磨损的计算，若视圆锥凸峰的大小相同，并具有相同的半角θ （见图11-5），当圆锥凸峰划过一个单位距离时，凸峰使软物体移去的体积为 rδ。但因δ＝r cot θ，则可得移动单位距离时一个凸峰所划去的体积为 r2cotθ 。假定较软材料的屈服压强为 py ，则每一个圆锥凸峰所承担的载荷为 (πr2/2)py 。如果有 n 个凸峰接触，则全部载荷为 因单位距离的磨损体积 。故得 (11-14) 图11-5　圆锥凸峰嵌入式的 磨料磨损计算模型

31 　上式是以圆锥凸峰模型为基础而推得的，没有考虑凸峰的高度分布不同的状态。材料在滑动方向的前方产生堆积，会改变接触面积；材料的弹性模量E 对磨损体积也有影响。因此，可用下式算计
(11-15) 式中，HB 为较软材料的硬度；ka 为磨料磨损常数。对不同的磨料，ka 值不同。 　　上述分析适用于二体磨料磨损。对于三体磨料磨损，式(11-15)仍可近似地采用，只是 ka 值要低一些，因在三体磨料磨损情况下，很多磨料是在滚动而不是滑动。

32 11.2.4 机械部零件的典型磨损过程 1. 机械零部件的典型磨损过程
　1. 机械零部件的典型磨损过程 　组成摩擦副的机械零部件在正常的运行条件下，其典型磨损过程一般分为三个阶段，如图11-6所示。  图 典型磨损过程

33 　(1)磨合阶段（又称跑合阶段） 　如图11-6中的 O－A线段所示。 由于新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度，在载荷作用下，开始时实际接触面积较少，单位接触面积实际承受的载荷较大。因此，在运行初期，磨损率较快。 随着跑合过程的进行，摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，表面变得光滑，实际接触面积逐渐增大，磨损减缓。 (2)稳定磨损阶段 　经过磨合，摩擦表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹性接触的条件，这时磨损稳定下来，磨损量与时间成正比增长，磨损率基本不变，如图11-6中的 A－B线段。

34 　　(3)剧烈磨损阶段 　　经过较长时间的稳定磨损后，摩擦条件发生较大变化，如摩擦表面间的间隙增大，表面温度过高，以及金属组织的变化等致使磨损率急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，产生异常的噪声和振动。最后导致零件的失效。如图11-6中的 B点后的线段。 　　从磨损过程的变化来看，为了提高机器零件的使用寿命，则应尽量延长 “稳定”磨损阶段。

35 2. 磨损形式的转化 图11-7列示了机械零部件磨损形式随工况条件的变化而转化的情况。
　　图11-7列示了机械零部件磨损形式随工况条件的变化而转化的情况。 图 磨损形式的转化 　　图11-7(a)是在载荷一定而改变滑动速度时，钢对钢表面的磨损量的变化和磨损形式的转化。 　　当表面滑动速度很低时，摩擦是在表面氧化膜之间进行，所以产生的磨损为氧化磨损，磨损量小。

36 　　随着滑动速度增加，磨粒增大，表面出现金属光泽且变得粗糙，此时已转化为粘着磨损，磨损量也是增大。
　　当滑动速度再增大，由于温度升高，表面重新生成氧化膜，又转化氧化磨损，磨损量又变小。 　　若滑动速度继续增高，再次转化为粘着磨损，因磨损剧烈而会导致零件失效。 　　图11-7(b)所示是当滑动速度保持一定而改变载荷所得的实验结果。 　　载荷小产生氧化磨损，磨粒主要是Fe2O3； 　　当载荷达到 Wa 后，磨粒是 FeO、Fe2O3和 Fe3O4混合物； 　　当载荷超过 Wc以后，便转入危害性的粘着磨损。

37 11.3 摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择 11.3.1 减摩材料的设计与选择 各类机器中广泛使用着各种摩擦副。
　　各类机器中广泛使用着各种摩擦副。 　　在其材料选用中，不仅要求具有较好的耐磨性外，还要求具有良好的减摩性。 　　机器摩擦副工作时，在摩擦过程中具有低摩擦系数的材料称为减摩材料。不同工况，使用着不同的减摩材料。

38 1. 对减摩材料的要求 对于机器摩擦副中使用的减摩材料的主要要求有如下几点： (1)足够的承载能力
　对于机器摩擦副中使用的减摩材料的主要要求有如下几点： 　(1)足够的承载能力 　即要求材料具有一定的抗压强度、抗塑性变形能力和抗疲劳性能。 　(2)良好的表面性能 　即要有一定的塑性变形能力和良好的适应性、包括顺应性、嵌入性和磨合性。顺应性是指轴承材料依靠表面的弹塑性变形补偿对中误差和顺应其它几何误差的能力。嵌入性是指轴承材料嵌藏污物和外来微粒以减轻刮伤或磨料磨损轴颈的能力。磨合性是指轴承材料经短期轻载运转后能减小表面粗糙度而使轴瓦表面和轴颈表面相互吻合的性质。 　(3)良好的物理、化学性能 　即应有高的导热性和热容量，热膨胀系数小，对油膜的吸附性强，抗腐蚀性好，以利于摩擦热的导出、油膜的形成和保持。

39 2. 减摩材料的选用 　各类机器中，广泛使用着轴承-轴颈、凸轮-挺杆、活塞－汽缸等摩擦副。这些摩擦副的材料均要求具有较好的减摩性和耐磨性。常用的减摩材料如下： 　　1) 巴氏合金 　　巴氏合金是由锡或铅与少量其它元素组成一种具有良好减摩性的轴瓦合金材料。现用的巴氏合金主要有如下两类： 　　(1)锡基巴氏合金 　　常用锡基巴氏合金牌号及用途见教材表11-3。 　　(2)铅基巴氏合金。 　　2) 铜基合金 　　铜基合金包括铜锡合金及铜铅合金两类。 　　铜基合金中的铜，一般采用青铜。

40 　3) 铝基合金 　　铝基轴承合金导热性好，它的疲劳强度约为巴氏合金的两倍，使用温度高，承载能力强，在大型船用发动机中已用来代替巴氏合金。主要缺点是线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合。 　　此外，由于轴承本身硬度较高，故要求与之相配的轴的硬度相应提高。 　　4)锌基合金 　　锌基合金是在锌中加入高量的铝(8%～27%)，可制得高性能的轴瓦。 　　锌基合金的成本低，耐磨性在其允许承载条件下优于青铜。但由于受到工作温度(约140℃)的限制，它常用于低速，故还不能完全代替青铜。

41 　5)自润滑复合材料 　自润滑复合材料是近年来发展起来的一种具有独特减摩耐磨性能的滑动轴承材料，广泛应用于航空、机械、汽车、电力、农业等部门。 　根据材料成分组成的不同，自润滑复合材料可分为金属基、石墨基和高聚合物基三类。其中，石墨基和高聚合物基两类现已广泛使用，但结构强度、磨损寿命不如金属基类。 (1)金属基自润滑复合材料 较有代表性的金属基自润滑复合材料是DU自润滑材料和DX预润滑材料，它们均由英国Glacier公司研制。 　　(2)聚合物基自润滑复合材料 　　以聚合物为基的自润滑复合材料是在聚合物中加入添加剂，使材料具有良好的摩擦学特性，即具有低的摩擦系数和高的耐磨性。实际使用的以聚合物为基的自润滑复合材料，是以固体润滑剂作填充剂，所有的聚合物无论是热塑性的还是热固性的，均作为粘结剂使用。目前广泛应用的固体润滑剂主要是层状结构的石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铅等材料。

42 11.3.2 摩阻材料的设计与选择 磨阻材料又称制动摩擦材料或刹车材料。
　磨阻材料又称制动摩擦材料或刹车材料。 　它是各种机器设备和机构的制动器、离合器和摩擦传动等制动和传动装置中不可缺少的材料之一。随着现代机器和机构日益向高速、高负荷、大功率方向发展，则对摩阻材料的要求越来越高。 　摩阻材料最重要的特点是能够吸收动能并将其转化为热能，进一步将热能散发到空气中去。而其中部分热能将为表面发生的摩擦磨损过程所吸收。 　摩阻材料失效的主要形式是热裂。这是由于使用过程中，接触表面之间不加任何润滑剂的，若摩阻材料的热导率不高，表面散失的热量比较少，当表面温度可能超过材料的临界值时，由于体积变化及热应力的作用，使表面产生热裂。 　因而，摩阻材料应具有下列要求： 　(1)高而稳定的摩擦系数； 　(2)高的耐磨性、耐热性，好的热导性；

43 1. 摩阻材料的种类 2. 摩阻材料的选用 (3)合适的机械强度，低的弹性模量； (4)不易产生粘着、抗擦伤性好；
　(3)合适的机械强度，低的弹性模量； 　(4)不易产生粘着、抗擦伤性好； 　(5)不污染环境、制造方便、价格便宜。 1. 摩阻材料的种类 目前，常用的摩阻材料的种类及其特点见教材表11-5。 2. 摩阻材料的选用 　(1)用于干摩擦工作条件下的摩阻材料 　在盘式制动器、汽车离合器、某些仪表中的摩擦件和带式摩擦传动件等零件中，常用粉末冶金摩阻材料为摩阻材料，其成分如表11-6所示。牌号为7504和754 的铁基摩阻材料用于航空摩擦片，FM69-20常用作离合器片，FM68-50、FM69-54一般作制动摩擦片。

44 　　(2)用于油润滑介质工作的摩阻材料 　　干摩擦条件的制动摩擦装置，除磨损较快、寿命短外，还常常因装置靠近使用润滑介质的零部件，时有润滑油溅到制动摩擦材料的表面，是摩擦系数急剧下降而影响使用的可靠性。为此，在油介质中工作的摩阻材料的研制与应用得到迅速发展，湿式制动装置的应用也日益广泛。 　　这种装置具有耐磨性好、可靠性高、冷却效果好、可简化装置结构等优点。但它的动摩擦系数最大只有0.08～0.1，比同一条件下干摩擦的摩擦系数要小2倍以上，要保证一定的制动摩擦功，则应相对增大摩擦盘的直径，或增大摩擦盘的数量，或提高摩擦表面的比压，一般常采用后者。因此，在油介质中工作的摩阻材料，工作速度高（100m/s以上），比压大（60～70kgf/cm2）。 教材表11-7列出了用于油介质的摩阻材料及其成分。

45 耐磨材料的选择 　　各类机器及机构摩擦副间的摩擦与磨损是影响机械设备的工作效率和使用寿命的主要因素。为了提高机械产品的工作效率、使用寿命和工作可靠性，应根据摩擦副的工况条件及要求，采用相应的耐磨和减摩材料。 　　常用的耐磨材料见教材表11-8 。

46 表面耐磨强化处理 　　减少摩擦、降低磨损的途径，除了采用正确的润滑措施和选择合适的材料外，正确地选用或进行有效的表面耐磨处理，也是重要的一环。 　　摩擦发生在表面，表层被磨损。在机械设备的各种相对运动的摩擦副，如常见的齿轮、凸轮、缸套、活塞环、机床导轨、工模具零件的失效形式，绝大多数并非发生断裂而失效，却是因其接触表面或表层不同形式的磨损（粘着磨损、疲劳磨损、磨料磨损及腐蚀磨损等）而报废。 　　为了提高运动副的耐磨性及可靠性，可用如下表面耐磨强化处理方法： 　(1)表面形变强化； 　　(2)表面热处理；

47 　　(3)表面化学热处理。 　　常用的表面化学热处理法主要有： 　　　　①表面渗碳； 　　　　②表面氮化； 　　　　③表面渗硼 ； 　　　　④表面渗硫等。 　　(4)表面喷涂与喷焊； 　　(5)表面电镀。 　　常用的表面耐磨电镀有：镀铬、镀镍及化学复合镀层等。

48 第11章 摩擦学设计(1) Thank You！