干摩擦发表评论(0)编辑词条

工具与被加工件两个洁净表面之间不存在其他物质时的摩擦，也叫接触摩擦，或外摩擦。干摩擦对金属塑性变形过程起到本质的影响，很大程度上影响到轧辊的轧入能力、轧制过程的动力学条件、工具的磨损与轧材的质量。因此，对外摩擦的研究在金属塑性加工中有着重要的理论与实际意义。

干摩擦方式在通常的塑性加工工具与变形材料之间是不可能出现的，因为材料表面有氧化物，或被氧化物污染，在大气下表面吸附了氧等气体、水分以及其他形式的物质存在。但是干摩擦过程在实验室的真空条件下，表面进行适当处理后，在一定程度上可以获得。

阿芒东定律    两固体之间的摩擦系数 μ可定义为F/W，其中F代表摩擦力，W为垂直于表面的负荷或力，阿芒东(Amonton)定律认为μ与表观的接触面积无关。当负W相同时，小滑块的摩擦力与大滑块的一样，即μ与负荷的面积无关。

虽然干摩擦定律已经确立了多年，但只有在近来才接受了一种普遍认为是可能的正确解释。这一解释的基础是依赖于表面微观性质和表面之间的接触状态的。

两固体表面间接触的性质     许多观察证明，即使外表看来很平滑的表面，在分子尺寸的距离上也是不规则的。这种表面不规则的程度，可通过小角度反射法，或者碳复制法电子显微镜进行研究。分辨率可以达到10A，这就允许直接评价表面上存在的非理想状态、台阶等，以及一表面滑过另一表面时所留下的凹槽。低能电子衍射与场发射技术也能提供许多表面结构的信息。光干涉法能够鉴定表面高度10A的变化；在较大尺度上的表面粗糙度，可通过带宝石尖的探针，慢慢划过表面时运动轨迹放大图来分析研究。

研究结果证明：结晶物质的表面可有深度为几百或几千埃的很不规则的台阶，而平面磨削或研磨过的表面，在这一尺度的距离上也是参差不齐的。甚至经磨光后的金属表面，也并不真正是平滑的。磨光过程中会导致局部熔化，其效应能使凹凸不平处变平；即便如此，最后的表面仍呈波纹状。在金属磨光时，还往往伴随着氧化与塑性变形，因此磨光后的表面还覆盖有氧化物。即使一般认为最平滑的表面，也是不规则的，因此当两平滑表面相互接触时，仅仅是某些点相互接触。事实上，在两平面表面开始接触时，可预期至多只三点接触；但即使总负荷很小，在点接触处的单位压应力，也足以引起塑性变形而导致随之而来的多点接触。(在机械加工中的平面刮研检查是表面点接触的最好模拟)因此真实接触面积要比表观接触面积小很多；可通过两固体之间的接触电导，测定估计此真实接触面积的大小。若电阻完全是由于面积收缩而引起的，则可以证明测出的电导应正比于A^1/2，A是真实接触面积，在实验室条件下的钢表面，在10kg负荷下，A约为0.004cm²，或约为表观面积的0.01％。

摩擦局限于远小于表观面积的真实接触面积的另一证明是：在滑动运动中能得到很高的局部温度。这可以通过一个金属的滑子，在另一金属表面上摩擦，记录由此而产生的电势差而测定。用一个钢滑子在不同金属的表面上滑动的实验结果可见局部温度可升高到好几百度；若以△T对滑动速度作图，看来的确在最高温度相当于熔点较低的金属熔点时曲线一般会变平。另一个方法是，若表面是透明的(如玻璃)，则可采用红外光敏电池，检视局部热点，并根据发射光光谱估计局部温度，用此法曾发现钢在玻璃上滑动时，局部温度可达1200℃。

总起来看，两表面之间的接触只局限在表观面积的很小的一部分，其后果是摩擦时显示有较高的局部温度。另一点是具有很高的局部单位压力。第三点是两个表面在相对滑过时，较软的金属受到损伤，在表面形成不规则的坑或槽。有时在表面发生相当强烈的粘着，或实际上发生了熔接。

剪切作用和犁的作用     将两个表面靠在一起，开始的接触点上压应力非常之大，并立即发生塑性变形，而且这种塑性变形范围迅速扩展到其他点上，这一塑性流动一直继续下去，直至总接触面积达到局部压应力降至较软金属特征屈服压应力≤ρ_m时的面积，每一接触点附近是一个塑性区，再外面产生弹性变形。正常情况下，实际的接触面积由屈服压应力所决定：

                     A=P/σ_{m                                     (1)}

对于大多数金属的σ_m=100～1000MPa；在10kg负荷的摩擦实验中，真正的接触面积确是由测定电导估算的，约为¹⁰-3cm²。但是由此法计算的接触面积可能会有很大的误差，这是由于接触点上在塑性变形的同时，还产生加工硬化，结果导致‰增大。尽管如此，上式还是有参考价值的。对于小负荷，在弹性极限范围内时，在平表面上半球形滑子的接触面积为                       A=KP^{2/3                                      (2)}

式中K为常数。这时接触面不正比于负荷。

在摩擦的典型测量中，滑子压在静止的大块上，移动滑子的力为F，一般包括两项，一项是在实际的接触点上，剪切接点所需要的力；另一项是硬滑子在较软金属上犁出一道痕迹，所以它是一项功：F=Aτ_m                                   (3)

                         F’=KA’                                    (4)

式中τ_m为剪切强度；A’为犁出痕迹的横截面。

利用很薄的滑子可估计犁作用的贡献，因剪切的贡献此时降至极小。通常犁的作用只是在硬材料对软材料的摩擦条件下才是要考虑的；倘若两种材料皆硬，则摩擦主要取决于剪切项。于是联立式(1)和式(3)消去A得出：

                          F=P(τ_m/σ_m)                         (5)

或                      μ=τ_m/σ_m=常数                    (6)

这就是对阿芒东定律的解释。

式(6)之τ_m与σ_m指的是较软材料，故此μ是同一物质的不同性质之比所确定的。此比例与金属本身性质无关，因为τ_m 与σ_mμ有一起变化的趋势，这与实验结果相一致，对于多数的摩擦情况，摩擦系数在0.5～1.0之间。此外滑子对μ影响不大。

正如上面分析，倘若两个表面都不是太软，那么阿芒东定律就可成立。

例如鲍登(F．P．Bowden)与泰伯(D．Tabor)引用的在铝上的摩擦系数，当负荷在O．037～4000g范围内卢值近于常数。但对于高分子材料，接触面积对塑性变形起相当重要的作用。

摩擦系数也与两个表面的相对速度有关。这会影响到局部温度、金属加工硬化的程度以及犁和剪切项的相对重要性。这些事实产生的效果是摩擦系数随滑动速度增加而下降的趋势。

金属之间的摩擦，存在着两类性质的问题。一类是真正干净的金属表面问的摩擦；另一类是涉及吸附了气体或有氧化物覆盖的金属的摩擦。若将金属在真空中加热，以电子轰击除去污垢和吸附在表面的气体。在此种条件下，钨、铜、镍和金的摩擦系数很大。鲍登等发现其值为3～6。将这种方法处理过的镍表面相互接触，稍稍摩擦就会“轧住”，产生了金属之间的焊合。室温下铁表面的μ值为3．5，300℃才能轧住。有人在隋性气体下用经机床加工形成的新鲜表面作实验，通常也会轧住。若是两种不同金属，而它们又不互溶，不一定都发生这种现象。如镉和铁，二者不互溶，摩擦时能焊接在一起，但银和铁就不能。发生轧住时，形成焊接点的强度，基本上就是金属本身的强度。

在有空气存在时很不一样。例如，将干净铜表面不断暴露，以使氧化物层厚度不断增加，发现铜表面之间的摩擦系数不断降低，μ值自6.80降至0.80。有几种可能存在：在负荷很轻时，氧化层可以有效地防止金属间的接触，这时摩擦系数趋于0.6～1.0范围之内。在较重负荷下，膜会破坏，同时∥因形成金属间的接触而增加。对铜如此，对铝和银则不然。在铝的情况下，甚至很小负荷时，氧化膜即破裂，这可能是基底金属较氧化物软，所以氧化物易于破裂。在银的情况下，氧化物的生成可忽略不计，所以摩擦作用不依赖于负荷。在所有的情况下，甚至即使有金属间接触存在，摩擦系数都比纯表面之间的值小，其原因可能一是吸附的气体，二可能是氧化物的斑点和碎片存在的关系。

鲍登和泰伯提出不均匀表面摩擦力的公式如下：

                             F=A(ατ_m+(1一α)τ₀]                (7)

式中α为金属一金属型接触表面的分数；τ_m为金属的剪切强度；τ₀为氧化物的剪切强度。

从另一角度来看，氧化物覆盖层对干摩擦性质的影响是一般膜效应的特殊情况。

关于干摩擦的公式

阿芒东公式         在弹性状况下

                                 F=μP                (8)

式中F为摩擦力；P为正压力；μ为摩擦系数。

在轧制条件下，工具与工件(轧辊与轧件)一个处于弹性状态，另一个处于塑性状态，阿芒东定律不能表达这种摩擦规律。此外古典的摩擦系数概念，不能表述金属塑性变形时摩擦过程的物理本质。但在多数情况下，轧制参数的计算中，引用了以阿芒东定律为基础确定的摩擦系数，这样简化了计算，可认为它反映了f昆合摩擦力与正压力之间的规律。

摩擦系数是一个复杂的函数，至今尚无一个令人满意的解析解，单一参数下确定的摩擦系数关系，不能适用于所有情况。

库仑公式

                         F=μP+A                 (9)

式中μP为正压力的影响；A为分子间结合力的影响。

捷良舍公式——综合摩擦定律

                              F=μ(P+Q_OS_F)                   (10)

即                          F=μ(P+Po)                         (11)

式中Po=QoSr为分子间吸引力的合力；Q。为作用在实际接触单位面积上分子之间的吸引力；Sr为实际接触面积。

由这一公式可知，当外载荷为零时；摩擦力并不消失，即使在最精密抛光的条件下，摩擦力也不等于零。但当μQ_oS_F=A时，就是库仑公式。这一公式的缺点是把过于简化的分子之间的作用模型作为这一理论的基础，而未考虑宏观过程，当真实固体滑动时，在一些点上，由于两接触表面上机械地压入某些物质，它们产生弹性和塑性变形，并发生压紧或产生脱落等。