由于污染、化學(xué)熱處理、電鍍和平滑劑的作用,金屬表面形成了極薄的外膜,如氧化膜、硫化物膜、磷化膜、氯化物膜、限制膜、鎘膜、鋁膜等,使表面具有與基材不同的性能。如果外膜在一定厚度內(nèi),實(shí)際接觸面積仍然分散在基材上,而不是外膜上,外膜的剪切強(qiáng)度可能低于基材的剪切強(qiáng)度;另一方面,由于外膜的存在,不太可能發(fā)生粘附,導(dǎo)致摩擦力和摩擦系數(shù)降低。
外膜的厚度也對摩擦系數(shù)有顯著影響。如果外層薄膜太薄,薄膜很容易被壓碎,并與基材直接接觸;如果外層薄膜太厚,一方面由于薄膜的柔軟性而增加了實(shí)際接觸面積,另一方面,兩對表面上的微峰也對外層薄膜產(chǎn)生了更顯著的犁削效果??梢钥闯?,外膜具有更好的厚度,值得尋求。
金屬摩擦副的摩擦系數(shù)隨配對數(shù)據(jù)的性質(zhì)而變化。一般來說,相同金屬或互溶性較大的金屬的摩擦副容易粘附,導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高;相反,摩擦系數(shù)較小。不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)具有不同的摩擦特性。石墨由于其穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)和較低的層間分離力,容易滑動,導(dǎo)致摩擦系數(shù)較低;例如,與金剛石配對的摩擦副由于其高硬度和小的實(shí)際接觸面積而不易粘附,其摩擦系數(shù)也相對較小。
周圍介質(zhì)溫度對摩擦系數(shù)的影響主要是由表面數(shù)據(jù)性質(zhì)的變化引起的。Bowden等人的實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)周圍介質(zhì)的溫度為700-800℃時,許多金屬(如鉬、鎢、秦等)及其化合物的摩擦系數(shù)顯示出較小的值。這種現(xiàn)象是由于初始溫度升高導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低,進(jìn)一步的溫度升高導(dǎo)致屈服點(diǎn)急劇下降,從而導(dǎo)致實(shí)際接觸面積顯著增加。然而,在高聚物摩擦副或壓力加工過程中,摩擦系數(shù)將隨著溫度的變化而呈現(xiàn)最大值。
從上面可以看出,溫度對摩擦系數(shù)的影響是可變的,由于詳細(xì)的操作條件、數(shù)據(jù)特性、氧化膜變化和其他因素的影響,溫度和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系變得非常復(fù)雜。
在正常情況下,滑動速度會導(dǎo)致表面加熱和溫度升高,從而改變表面的性質(zhì)。因此,摩擦系數(shù)必然會相應(yīng)地發(fā)生變化。當(dāng)摩擦副在表面上的相對滑動速度超過50m/s時,與表面接觸會產(chǎn)生大量的摩擦熱。由于接觸點(diǎn)處的持續(xù)接觸時間較短,瞬間產(chǎn)生的大量摩擦熱無法及時擴(kuò)散到基材內(nèi)部。因此,摩擦熱集中在表層,導(dǎo)致溫度升高和冷凝層。冷凝的金屬液體起著平滑作用,導(dǎo)致摩擦系數(shù)隨著速度的增加而降低。例如,當(dāng)銅以135m/s的速度滑動時,其摩擦系數(shù)為0.055;在350m/s時,它下降到0.035。但是一些材料(如石墨)的摩擦系數(shù)根本不受滑動速度的影響,因?yàn)檫@些材料的機(jī)械性能在很寬的溫度范圍內(nèi)可以保持不變。
關(guān)于邊界摩擦,在0.0035m/s以下的低速范圍內(nèi),即從靜摩擦到動摩擦的過渡,隨著速度的增加,吸附膜的摩擦系數(shù)逐漸降低并趨于恒定值,而反應(yīng)膜的摩擦系數(shù)值也逐漸增加并趨于恒定。
在正常情況下,金屬摩擦副的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低,然后趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象可以用粘附理論來解釋。當(dāng)載荷很小時,兩對表面處于彈性接觸狀態(tài)。此時,實(shí)際接觸面積與載荷的2/3的冪成正比,而根據(jù)粘附理論,摩擦力與實(shí)際接觸面積成正比,因此摩擦系數(shù)與載荷的1/3的冪成反比;當(dāng)載荷較大時,兩對表面處于彈塑性接觸狀態(tài),實(shí)際接觸面積與載荷的2/3比1的冪成正比。因此,摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而緩慢降低并趨于穩(wěn)定;當(dāng)載荷大到兩個雙面塑性接觸時,摩擦系數(shù)完全與載荷無關(guān)。
靜摩擦系數(shù)的大小也與負(fù)載下兩對表面之間的靜接觸持續(xù)時間有關(guān)。在正常情況下,靜接觸時間越長,靜摩擦系數(shù)越大。這是由于負(fù)載的影響,導(dǎo)致接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形。隨著靜態(tài)接觸時間的延長,實(shí)際接觸面積將增加,微峰將更深入地嵌入,造成更多的麻煩。
在塑性接觸條件下,表面粗糙度對實(shí)際接觸面積的影響很小,因此摩擦系數(shù)幾乎不受表面粗糙度的影響。對于具有彈性或彈塑性接觸的干摩擦副,當(dāng)表面粗糙度值較小時,機(jī)械作用也較小,而分子力效應(yīng)較大;反之亦然。可以看出,隨著表面粗糙度的變化,摩擦系數(shù)將達(dá)到最小值。
上述因素對摩擦系數(shù)的影響不是孤立的,而是相互聯(lián)系、相互影響的。
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