滑動(dòng)摩擦機(jī)理

至到今天，人們對(duì)滑動(dòng)摩擦機(jī)理的本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不是十分清楚。

最早對(duì)摩擦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的代表性人物是文藝復(fù)興時(shí)期的達(dá)·芬奇。他對(duì)表面光滑程度不同的物質(zhì)的摩擦作了比較，提出物體間的摩擦程度取決于物體表面粗糙程度的大小，表面愈粗糙，摩擦力愈大，即固體表面的凹凸程度是產(chǎn)生摩擦的根本原因。這一想法后來(lái)逐步被 發(fā)展為一種學(xué)說(shuō)——凹凸說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為：物體表面無(wú)論經(jīng)過(guò)何種加工，都必然留下或大或小的凹凸，這種表面凹凸不平的物體相互接觸，就必然產(chǎn)生摩擦。有人對(duì)此做過(guò)這樣一個(gè)比喻：固體表面的接觸，猶如把一列山脈翻過(guò)來(lái)蓋在另一列山脈上一樣。由于它們的相互咬合，所以只有把凸部破壞掉，才能使之滑動(dòng)，這便是產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力的基本原理。這種學(xué)說(shuō)在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，受到許多人的支持。

對(duì)于摩擦力的另外一種看法是分子說(shuō)。這是由英國(guó)的物理學(xué)家德薩古利埃提出的。他認(rèn)為，摩擦力產(chǎn)生的原因是摩擦面上的分子力 相互交錯(cuò)所致。該學(xué)說(shuō)指出，物體表面愈是光滑，摩擦面愈是相互接近，表面分子力就愈大，這樣摩擦力也就愈大。但是這種學(xué)說(shuō)由于加工技術(shù)上的原因，一直沒(méi)有 得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，因而入們對(duì)此很難接受。   

進(jìn)入20世紀(jì)以后，分子說(shuō)逐漸得到很多人的支持。一個(gè)叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量損失，是因固體表面分子引力場(chǎng)的相互干涉所致，與凹凸程度無(wú)關(guān)。而另一名著 名的學(xué)者哈迪，他進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，從而證明了分子說(shuō)的正確性。他首先把兩個(gè)物體表面研磨得極光滑，然后來(lái)做摩擦實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩物體磨得越光滑，它們 之間的摩擦力就越少，但是這種光滑水平達(dá)到一定程度時(shí)，摩擦力反而有所增加，甚至兩個(gè)光滑的金屬面能“粘”在一起。而這正好證實(shí)了分子說(shuō)的觀點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)表 面的分子互相進(jìn)入彼此的分子間的引力圈時(shí)，兩者間就能產(chǎn)生強(qiáng)烈的粘合作用，并以摩擦力的形式顯示出來(lái)。哈迪的實(shí)驗(yàn)為分子說(shuō)提供了有力的證據(jù)，分子說(shuō)因而獲 得了廣泛的承認(rèn)，并被進(jìn)一步發(fā)展為“粘合說(shuō)”。但是，凹凸說(shuō)并沒(méi)有因分子說(shuō)和粘合說(shuō)的進(jìn)展而被完全廢棄，它與對(duì)立的分子說(shuō)和粘合說(shuō)都持之有據(jù)，言之有理。 有人在這兩者的基礎(chǔ)上提出了包含凹凸說(shuō)內(nèi)容的綜合性的現(xiàn)代粘合論。  

1：古典的摩擦定律

人們對(duì)摩擦現(xiàn)象的研究比實(shí)際應(yīng)用要晚得多。最初的研究是在15世紀(jì)意大利的文藝復(fù)興時(shí)代。1508年意大利科學(xué)家達(dá)·芬奇(1452一1519年)首先對(duì)固體摩擦進(jìn)行了研究，他第一個(gè)提出；物體剛要滑動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生叫做摩擦力的阻力。并指出，摩擦力與物體的重量成正比，與法向接觸面積無(wú)關(guān)。l699年法國(guó)工程師阿蒙頓(1663一1705年)進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，并建立了摩擦的基本公式。隨后在1785年法國(guó)科學(xué)家?guī)靵?span lang="EN-US">(1736—1806年)也進(jìn)行了相同的試驗(yàn)，完成了今天的阿蒙頓一庫(kù)侖摩擦定律，一般稱它為古典摩擦定。也就是我們中學(xué)物理中所學(xué)的摩擦定律。

上圖中的字母A代表的是一個(gè)物體，B代表的是另一個(gè)物體，f 代表的就是摩擦阻力.

在古典摩擦定律中，

   f =μ·N

式中：f 摩擦阻力

      N正壓力

      μ摩擦系數(shù)

這條定理一直沿用了幾百年，對(duì)我們過(guò)去的科學(xué)研究有著不可估量的貢獻(xiàn)。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步；特別是科學(xué)研究方法和測(cè)試手段的發(fā)展，使摩擦機(jī)理研究有了長(zhǎng)足的發(fā)展，并發(fā)現(xiàn)了這條古典定律存在的不足。例如：當(dāng)法向壓力不大時(shí)，對(duì)于普通材料，摩擦力與法向裁荷成正比，即摩擦系數(shù)為常數(shù)。

但實(shí)際上，摩擦系數(shù)不僅與摩擦副的材料性質(zhì)有關(guān)，而且還與其它許多因素有關(guān)，如表面溫度、光潔度和表面污染情況等。摩擦系數(shù)實(shí)際上是與材料和環(huán)境條件有關(guān)的一個(gè)綜合特性系數(shù)。

當(dāng)壓力較大時(shí)，對(duì)于某些極硬材料(如鉆石)或軟材料(如聚四氯乙烯)摩擦力與法向載荷不呈線性比例關(guān)系。

古典摩擦定律只考慮正壓力的作用，而完全沒(méi)有考慮接觸面積的影響，這對(duì)于有一定屈服點(diǎn)的材料(如金屬材料)才能成立。而對(duì)于彈性材料(如橡膠)或粘彈性材料(如某些聚合物)，摩擦力與名義接觸面積的大小則存在著某種關(guān)系。對(duì)于很潔凈、很光沿的表固。或承受載荷很大時(shí)，由于在接觸面間出現(xiàn)強(qiáng)烈的分子吸引力，故摩擦力與名義接觸面積成正比。 另外古典摩擦定律只考慮了滑動(dòng)摩擦條件下的摩擦情況而對(duì)其他類型的摩擦機(jī)理卻沒(méi)有詳盡的描述。

     2：現(xiàn)代摩擦機(jī)理的研究情況

    現(xiàn)代摩擦機(jī)理的研究不僅對(duì)滑動(dòng)摩擦的機(jī)理進(jìn)行了全面深入的剖析，而且對(duì)其它類型的摩擦機(jī)理也進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

   滑動(dòng)摩擦學(xué)說(shuō)及發(fā)展

   （1）．“凹凸—分子”學(xué)說(shuō)

    在很早以前，許多學(xué)者為了解釋摩擦產(chǎn)生的原因，產(chǎn)生了不同的學(xué)說(shuō)，最早的學(xué)說(shuō)(即機(jī)械學(xué)說(shuō))，是阿蒙頓等人為了解釋古典的摩擦定律成立的理由，認(rèn)為摩擦產(chǎn)生的原因是表面粗糙的凹凸不平引起的，當(dāng)兩固體表面發(fā)生接觸時(shí)凹凸嵌合(粗糙度互鎖)，因而在兩表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了阻礙兩固體表面滑動(dòng)的阻力，它就產(chǎn)生了阻礙兩固體表面滑動(dòng)的摩擦力，這就是產(chǎn)生摩擦力的基本原現(xiàn)。就像我們走路一樣，如果前面沒(méi)有障礙我們就可以一直走下去，如果有了障礙，就會(huì)阻止我們走下去。

    但后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在很光滑的表面接觸并滑動(dòng)時(shí)，也發(fā)生了相當(dāng)大的摩擦力，因此，用上述學(xué)說(shuō)就解釋不通了，便出現(xiàn)了分子學(xué)說(shuō)。它簡(jiǎn)單的理解是由于摩擦表面很光滑，相對(duì)接觸面積增大，分子間的距離縮小，分子、原子吸引力增大所產(chǎn)生分子吸引力相互作用形成阻力的結(jié)果．但是愈粗糙表面，摩擦力也愈大，這個(gè)現(xiàn)象分子說(shuō)解釋不了。同樣可以用走路來(lái)比喻，在沒(méi)有障礙的路上我們 沒(méi)有任何負(fù)荷行走，我們感到很輕松，如果有了負(fù)荷，我們就會(huì)感到很困難，甚至走不動(dòng)。

    因此，最后把兩種學(xué)說(shuō)統(tǒng)一為“凹凸—分子”學(xué)說(shuō)(理論)。該理論認(rèn)為摩擦力產(chǎn)生的原因是由凹凸聯(lián)合和表面分子互相吸引兩個(gè)因素形成阻力的結(jié)果。

    （2）．粘合—變形”理論

  “粘合—變形”理論是在上述理論的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，它認(rèn)為兩金屬表面在負(fù)荷作用下，會(huì)發(fā)生粘合和變形。因?yàn)?ldquo;粘合”中心思想是分子結(jié)合力，“變形”中心思想是機(jī)械嵌合變形損傷阻力。接觸時(shí)，粗糙表面的凸峰接觸點(diǎn)，產(chǎn)生極高壓力，從而發(fā)生塑性變形，構(gòu)成接觸處的“粘合”，并在互相滑動(dòng)時(shí)被剪切。同時(shí)，兩表面粗糙度凹凸相互嵌合或是較硬的表面凸蜂陷入較軟表面的材料基體中，在相互滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生變形，以上兩方面的因素構(gòu)成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的總阻力。因而摩擦力也是由兩部分組成，即接觸粘合力和聯(lián)合變形力。

    如果把接觸表面加工的非常平滑，則總摩擦力就以接觸粘合摩擦力為主，而嵌合變形部分的阻力可忽略不計(jì)，在通常條件下表現(xiàn)在金屬加工表面中，一般是以“粘合”為主的理由．但是在有潤(rùn)滑劑的粗糙表面間，變形阻力可能是主要的。出以上分析，這種理論比較完善和接近實(shí)際，它說(shuō)明摩擦現(xiàn)象的很多本質(zhì)問(wèn)題，因此，是近代大家公認(rèn)的一種摩擦理論。

    （3）．粘附理論

“粘附”理 論認(rèn)為：金屬表面間的摩擦首先是在接觸點(diǎn)發(fā)生了粘結(jié)。當(dāng)兩表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須有足夠大的切向力來(lái)剪斷這些粘結(jié)點(diǎn)。另外，較硬的金屬表面的微凸體會(huì)陷入較軟的金屑表面，兩表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，硬的微凸體會(huì)在軟的金屬面上犁出溝來(lái)。粘結(jié)和犁溝就是引起摩擦的原因，剪斷粘結(jié)點(diǎn)和犁溝時(shí)所需的切向力就是用來(lái)克服摩擦阻力的。

簡(jiǎn)單粘附理論于1945年由鮑登(F．P．Bowden)等人提出，他們認(rèn)為兩個(gè)金屬表面在法向載荷作用下的接觸面積，并非兩個(gè)金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積(或叫表觀接觸面積)A₀，而是由一些表面輪廓峰相接觸所形 成的接觸斑點(diǎn)的微面積的總和，叫真實(shí)接觸面積A_r(下圖)。由于真實(shí)接觸面積很小，因此可以認(rèn)為輪廓峰接觸 區(qū)所受的壓力很高。當(dāng)接觸區(qū)受到高壓而產(chǎn)生塑性變形后， 這些微小接觸面便發(fā)生粘附現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點(diǎn)。當(dāng)接觸面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，這些冷焊結(jié)點(diǎn)就被切開。

    兩摩擦面間在一些部位之所以會(huì)發(fā)生“粘附”， 是因?yàn)榻饘俦砻鎵涸谝黄饡r(shí)，僅微凸體的尖端相互接觸，由于接觸處的面積很小，觸點(diǎn)之間的應(yīng)力很大，大到足以引起接觸處的材料產(chǎn)生塑性變形。在接觸處產(chǎn)生塑 性流動(dòng)時(shí)，摩擦表面的油污等薄膜和氧化層被破壞．暴露出潔凈的金屬表面。當(dāng)潔凈的兩金屬表面接觸時(shí)，表面的原子間會(huì)形成較強(qiáng)的金屬鍵結(jié)合，出現(xiàn)了兩表面金屬材料的粘附。

粘附力的存在已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。用一個(gè)潔凈的鋼球壓在潔凈的銦的表面上，二者就會(huì)粘附在一起，要用力才能拉開。壓緊時(shí)用多大力，拉開時(shí)也需要同樣大的力。粘附力是與垂直載荷成正比，二者的比例常數(shù)約為1。兩個(gè)摩擦表面之間出現(xiàn)的這種粘附力的作用范圍很小，一般不超過(guò)零點(diǎn)幾納米。所以只有在潔凈的金屬表面，或是表面膜嚴(yán)重變形，持別是被剪應(yīng)力破壞后．使金屬表面的原子直接接觸時(shí)，才可能出現(xiàn)粘附。

以金屬對(duì)金屬無(wú)潤(rùn)滑表面間的相對(duì)滑動(dòng)為例。由于表面的凹凸不平，兩個(gè)面接觸時(shí)，就像把兩大山脈倒扣在一起一樣，實(shí)際的接觸為點(diǎn)接觸，這也是一般情況下摩擦力與表觀接觸面積無(wú)關(guān)的原因，當(dāng)加載荷時(shí)，兩面之間產(chǎn)生正壓力，由于實(shí)際接觸面積極小，接觸點(diǎn)處的壓強(qiáng)大大超過(guò)材料的屈服極限，因而在接觸點(diǎn)處了生塑性流動(dòng)，使實(shí)際接觸面積迅速增大，直到能夠支承所加載荷為止。

在這些微凸體接觸處發(fā)生塑性流動(dòng)，實(shí)際上使兩面在這些局部區(qū)域發(fā)生了焊合。當(dāng)施加一切向力時(shí)，只有這些焊合點(diǎn)被剪切斷裂，表面間才會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，所以這時(shí)的摩擦力是界面處的剪切力，它等于焊合點(diǎn)處的平均剪切強(qiáng)度與實(shí)際接觸面積的乘積。這個(gè)摩擦力是界面處產(chǎn)生摩擦力的黏附分量。值得注意的是，由于焊合點(diǎn)處的剪切強(qiáng)度有時(shí)大于兩種金屬中較軟金屬的剪切強(qiáng)度，所以剪切斷裂有可能發(fā)生在較軟金屬內(nèi)部，而不是在焊合界面處。

上述金屬與金屆緊密接觸的表面發(fā)生的材料粘附，有人稱之為“冷焊”或“粘著”等。如果表面受到切向力的作用而發(fā)生移動(dòng)時(shí)，先要剪斷這些焊接起來(lái)的點(diǎn)才能發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)。  

    從微觀來(lái)看，將兩種干凈的金屬表面壓合時(shí)，一個(gè)表面上的原子趨近于另一個(gè)表面上的原子，直至如同金屬體內(nèi)的原子那樣接近為止。正是這種原子間、分子間的引力形成接觸表面處的黏合、附著現(xiàn)象。因而要使兩表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，就必須克服這些分子原子引力做功，從而消耗能量。

摩擦力不僅有黏附分量，還有變形分量。兩種金屬接觸，表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，較硬金屬的微凸體就在較軟金屬的表面上犁出一道溝槽，在切出的溝槽前材料還被壓皺和積聚，這種現(xiàn)象叫犁削。它使表面變形，因而也要消耗能量。由此而產(chǎn)生的摩擦力叫變形分量，通常它比黏附分量小。

這就是目前大家接受的滑動(dòng)摩擦機(jī)理，從宏觀上來(lái)說(shuō)是焊合、剪切犁削理論，從微觀說(shuō)是分子引力理論。