《摩擦学与固体润滑讲义》中国科学院 徐锦芬 第五章╲t边界润滑.doc

第五章 边界润滑 PAGE PAGE 6 5－ 第五章 边界润滑 （Boundary lubrication） 当摩擦表面完全被粘性液体（或气体）分隔开时称为流体润滑，其摩擦系数与润滑剂的粘度有关。如果保持流体润滑状态，那末，摩擦表面（金属）间不会互相接触，也就不会产生磨损。但事实上失效总是会发生的。也就是说一般情况下很难长时间实现流体润滑状态。那么在难以保持流体润滑的时候如何来避免失效，这就是我们要研究的边界润滑状态。 边界润滑的特点是与润滑剂的物理性质没有直接联系，而与固体界面的化学性质有关。一般意义上的“干摩擦”，固体表面常因暴露在大气中而被氧化，覆盖其上的氧化膜也有一定的润滑作用，因此，实质上是边界润滑条件下的摩擦。从这个意义上讲，除了流体润滑之外的状态都可以认为是边界润滑状态。 边界润滑状态下的摩擦系数，只取决于摩擦表面的性质和边界膜的结构形式，而与润滑剂的粘度无关。 边界膜包括： 物理吸附膜 与表面的附着强度取决于吸附热。与表面间的结合力为范德华力。 化学吸附膜 介质与表面间有电子交换，与表面间为化学键结合。 化学反应膜 介质与表面发生原子交换。 5.1 边界润滑的特征 斯特里贝克（Stribeck）图（图5-1）表示了边界润滑与流体润滑的区别。 摩擦系数润滑剂粘度×滑动速度 摩擦系数 润滑剂粘度×滑动速度 载荷 图5-1 斯特里贝克图 5.2边界润滑理论 边界润滑不像流体润滑那样具有完整的理论体系,而是‘没有这样的理论体系’。但是已经有一些学者从实验得出了一些理论。现分别介绍于后： 5.2.1哈代（Hardy）的边界润滑理论及其试验 哈代的实验是以直链状的石蜡、脂肪酸和酒精作为润滑剂，测量玻璃球、钢球和铋球与各自的这些平面相摩擦。结果是：玻璃、钢、铋的摩擦系数均随润滑剂分子量的增大而减小；玻璃、钢、铋各自的摩擦系数，不管在什么润滑剂的情况下都是依次递减的。即玻璃的摩擦系数钢的铋的。如图5-2。 哈代根据以上结果提出了以下的边界润滑机理： 润滑剂分子量 润滑剂分子量 图5.2 润滑剂分子量与摩擦系数的关系 球面／平面,球面半径1.8～14.7㎝,载荷约0.2～0.6N范围内到摩擦系数不变 摩擦系数 玻璃 钢 铋 图5.3 哈代的模型首先认为，固体面上的摩擦取决于作用在界面上固体表面间的分子引力，即粘着。其次，他认为存在着肉眼看不到的薄膜，这种固体表面间的薄润滑膜，受固体引力的影响沿一个方向整齐排列。如图5.3所示。在受到切向应力时出现整齐定向排列的膜与膜之间的滑移。 图5.3 哈代的模型 由于有这种膜的存在，作用在固体面上的分子间引力被削弱，使摩擦减小。这就是边界润滑作用。润滑剂分子越大，减小摩擦的作用也明显，即摩擦力随润滑剂分子的增大而减小。 同时，采用同样的润滑剂时，原来分子间引力大的，摩擦系数也还是大的。 这就是最早的边界润滑理论。 5.2.2波登（Bowden）的边界润滑理论及其实验 波登和泰伯（Tabor）把哈代的想法与真实接触的概念联系起来研究边界润滑状态下的摩擦。 图5.4 波登的边界润滑模型ArαA 图5.4 波登的边界润滑模型 Ar αAr 波登的边界润滑观点是边界润滑膜有两个性质：1.在高压下承受大剪切力的真实接触区内也仍有边界膜覆盖；2.膜本身的剪切阻力很小。因此他认为，受剪切力作用时，既有边界润滑膜存在，也有固体间直接接触的地方——即产生在两相非均匀的界面上，而不像哈代说的产生在均匀的界面上。 这样，产生滑移时，需要分开的真实接触总面积Ar中包括两部分（见图5.4）：①αAr，为固体直接接触部分；②（1-α）Ar为其间有边界润滑膜存在的面积。 真实接触面积Ar＝N/σb 式中：N为法向载荷；σb为材料发生塑性流动时所需的压力,即屈服极限。 根据波登的粘着摩擦理论，摩擦力F是剪切这种真实接触面积所需要的力。设接触区金属的剪切强度为τ，润滑膜的剪切强度为τf，则摩擦力： F=αArτ+（1-α）Arτf F=Ar｛ατ+（1-α）τf｝ 从此式可以看出，如α小，即金属接触区小；如果τf小，即边界膜的剪切强度低，则摩擦力就小。边界润滑状态下α是很小的。所以： F≈τf Ar 因为τf很小，摩擦力也就很小，这就是波登认为即使在高压下承受剪切的真实接触区内，固体面上仍有润滑膜覆盖。而且这种润滑膜的剪切阻力很小。 图5.5 波登列宾式摩擦试验机波登的边界润滑理论强调了固体接触和润滑剂膜两个部分,即其表达式为数学方程中的二项式。 图5.5 波登列宾式摩擦试验机 为了说明其理论，波登进行了实验。他使用的实验装置为波登－列宾（Bowde