《摩擦学与固体润滑讲义》中国科学院 徐锦芬 第一章 固体表面13.doc

第一章 固体表面 概 述 因为摩擦和磨损都发生在表面上，表面的状态影响着摩擦的大小、磨损的类型以及润滑剂的选择。因此，表面是摩擦学研究的重要对象。在讨论摩擦磨损之前，首先需要对表面进行了解，正确判断表面对摩擦磨损的影响。 表面的定义：在物理学中，把两种物质的界面称为表面（在弹性力学中，表面应该满足以下边界条件：其上各点的法向应力σn和切向应力τn均为零）。 本文讨论的对象：几个到几十个原子（或分子）的表面膜或几个晶粒的表面层，以及几个mm的表层。 通常，这个表面层的状态是复杂的。宏观上具有一定的几何形状，微观上存在各种晶格缺陷，在一定的环境下还存在各种吸附膜、反应膜和污染膜。 人们将不存在其它任何物质（包括自然污染膜）的表面称作纯净表面。自然污染膜是指物体表面不是由于人为的原因，而是自然形成的表面覆盖膜，如水汽吸附膜、氧化膜或其它异物。这种表面可以在固体发生显著的塑性变形时，或表面污染膜被破坏时可能出现，也可以在真空条件下获得。 裸露的纯净表面性能十分活泼，极易吸附其它物质的分子，或与其起化学作用。纯净表面摩擦时摩擦系数一般很高，同时会发生粘着（有时被称作冷焊）。 1.1固体表面的几何性质 1.1.1表面粗糙度 表面的凹凸不平程度与表面积之比称为表面粗糙度，是表面的亚微观状况。它直接影响摩擦系数和磨损。 对于一个工程表面，不论其加工得怎样精细，从微观角度看，总是存在着某种程度的高低起伏。即工程表面都是粗糙的，不是理想光滑的表面。描述表面粗糙程度的参数称为表面粗糙度（过去也称表面光洁度）。 用显微镜观察表面，如地球表面的地形。要用三维图像才能精确描述其表面形貌。如图1.1所示。 如果表面加工方法有一定规律（如车、铣、刨），人们通常用二维图形来表示。（如图1.2所示）。由于加工方法造成的宏观粗糙度呈一定方向和波长的波形（称波度）。微观粗糙度的波长很短，且具有不同的幅度和间距。表面上的微小凸起部分称微凸体。如经过抛光研磨等加工，这种波度明显消失，粗糙度显示出各向同性。 描述表面粗糙度，不是用其最大的波峰波谷之差。国标（GB1031-83）规定了两种表面粗糙度的表示方法：中线平均值（CLA）和平均平方根值（均方根）（RMS）。 图1.3为粗糙表面轮廓的二维示意图。 先取一中线（x轴），把二维轮廓分成上下两半，并满足：中线上方的轮廓与中线所围的面积等于中线下方轮廓的面积。令从中线到轮廓的高度为Zi。 ①中线平均值（CLA） 表示表面轮廓上各点相对于中线的算术平均偏差。 ②平均平方根值（均方根）（RMS） 表示表面轮廓上各点相对于中线的偏差值之平方的平均值的开方。 通常使用RMS比较好，因为，同样的CLA值其表面形貌是可以很不相同的，对摩擦磨损的影响也是不同的。如图1.4。而用RMS,图中各不相同的形貌具有不同的表面粗糙度。 1.1.2表面微凸体 用触针式表面轮廓仪可直接测得表面的起伏不平。不过因其高度方向的放大比例远大于平面方向的。故所得图形并不能反映峰谷起伏的实际形状。而用电子显微镜观测到的表面，因其各向放大比例相等而比较真实。 由电子显微镜观测到的图形可以看到，表面上的峰与谷实际上是比较平缓的，因此人们通常取微凸体为近似的半球状、锥状或柱状来进行几何因素的分析。 表面微凸体的高度各点不同，如用统计学的方法进行研究，可以画出表面轮廓上各点的高度（Zi）是个随机的变量，将其不同高度出现的频率（概率）记录下来画成光滑的曲线（图1.5），称为高度分布曲线。 凡经过一般机械加工的表面，其微凸体高度的分布通常接近于正态分布（高斯分布）。 正态分布曲线理论上应延伸到处。 而实际上在的范围内已包括了99.5％的高度（σ为分布的标准差）。 1.2固体表面的原子排列和结构缺陷 经过不同加工过程形成的表面，因机械作用，往往导致材料的晶格扭歪、晶界开裂；由于温升导致金属发生相变而再结晶，使晶粒长大；或因为表层材料变形导致表层密度和体积发生变化，从而在表层的塑性变形层中产生残余应力，甚至产生微裂纹。金属表层内种种微观性状的改变，均对其摩擦磨损有密切的关系。因此需对其进行仔细的观察。 金属表面的原子排列具有一定的形状，对于没有缺陷的纯单晶体，表面上的原子排列应是整体材料内部原子排列的延伸。 不同的金属具有不同的晶体结构。图1.6所示为金属的几种典型结构。 在各种晶体结构中，不同晶面上的原子密度不等。当承受载荷发生滑动时，原子密度高（原子数多）表面能低的面上，容易发生滑移。图1.7为立方晶系中几个可能滑移的晶面：（100）面、（110）面和（111）面。面心立方的（111）面和体心立方的（110）面，以及密排六方的（001）面都是原子密度高的晶面，沿这类晶面滑移的阻力最小。 但是表面的原子排列，往往