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伴随着18世纪后叶的工业化，早期石油
工业于19世纪50年代出现于苏格兰、加拿大和美国[15,20]。
牛顿（Newton）1668年提出了粘性流体的基本理论。
一直到19世纪后期，人们对轴承的润滑作用才有了科学队识。
实际上，人们对流体动力润滑原理的认识，始于1884年Tower的试验研究、1886年雷诺（Reynolds）对其进行的理论解释以及Petroff的相关工作。
此后，为了提高新型机械的轴承可靠性，流体动力轴承的理沦及实践就发展得非常快。
相对于摩擦理论和轴承技术的发展而言，磨损研究起步较晚，它基于大量的试验I：
作。
直到20卅纪十期，对磨损进行的研究还比较少。
Holm是最早对磨损研究做出实质性贡献的先驱者之一[16]。
工业革命期间（公元1750—1850年），机械制造业得到快速发展。
蒸汽机及随后的铁路工业促进了制造技术的进步，从20世纪初开始，工业的巨大发展推动了摩擦学发展，对摩擦学各方面知识的需求也急速增长[3,6,11,12,16]。
1．2摩擦学的重要意义
对于山滑动和滚动表面构成的现代机械而言，摩擦学是非常重要的。
利用摩擦的机械有制动闸、离合器、车辆驱动轮、螺栓、螺母等。
利用磨损的场合有铅笔写字、机加工、抛光等：
不需要摩擦磨损的场合有内燃机、航天发动机、齿轮、凸轮、轴承、密封等。
据估计，美国由于缺乏摩擦学知识而每年造成的损失占其国民生产总值的4％左右，以1966年计算．约损失2000亿美元。
日前，世界二分之一总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗：
因此．队经济和可靠性角度看，减小摩擦和控制磨损的重要性不可低估。
按照Jost的论述，通过摩擦学研究及其合理实践，将节约，—个工业化国家1％的国民生产总值。
近期研究表明，通过节约获取的收益相当于研发投入经费的50倍，这些节约不仅现实而且重要，它不需要投入大量资全：
研究摩擦学的目的是减少或消除表面摩擦磨损所造成的损失，提高生产效幸．改善声品苎釜．减少零件失效，节约可观资源。
摩擦学不仅对工业设备具有重要意义。
同时也影响人们的日常生活。
例如，写字就是一个摩擦学过程．它需要有控制的拓笔铅或墨水转移到纸上，当用铅笔写字的时候，笔铅与纸之间必须有很好的枯着作用．这样才能将少量的笔铅转移到纸上，同时笔铅必须具有很好的
第2章固体表面的特征
2．1表面的基本特性
固体表面，确切地说是固气或固液界面，具有很复杂的结构和特性，这些特性与材料性能、表面处理方法、周围环境作用等都有很大关系。
固体表面特性对实际接触面积、摩擦、磨损和润滑性能等表面相互作用行为也有重要影响。
除了摩擦学功能之外，表面特性还对光学、导电、传热、着色及外观等性能产生影响。
任何加工方法形成的固体表面都存在不规则性，它们与理想几何平面有一定偏差[15,83]，这种不规则性从宏观的外形偏差到原子级的表面偏差都有表现。
目前，尚无精密方法可以把常规材料加工到分子精度的平面，即使一些晶体解理所获得的最平整表面也存在大于原子尺度的不规则表面粗糙度。
就工程应用而言，表面的宏观形貌、微观形貌和纳米形貌都是很重要的。
除了表面偏差之外，固体发面包括一些独特的物理化学特性区域，如图2．1．1所示[29,46,52]。
由于成形方法的原因，金属和合金表面存在一个硬化层或材料变形层，它们上面是一个微品或非晶结构区，被称为贝氏层（Dcilbylayer），这个变形层在陶瓷和聚合物表面上也会出现。
许多表面都能声土化学反应。
除了一些贵重金属之外，大多数金属、合金和非金属表面在空气中都菱形成氧化层．在其他环境中也能形成氮化层、硫化层或氯化层。
除了化学反应层之外．环境气氛芒表面还会形成吸附膜，例如氧气、水气、碳氢化合物的物理吸附膜或化学吸附膜，偶尔还会形残油脂或润滑油膜。
这些表面膜在金属和非金属表面上都存在。
表面摸影响着摩擦磨损性能．吸附膜对表面的相互作用有很大影响。
有时，表面膜在运转初期被磨掉．之后它就不再产生影响：
表面上的油脂膜或润滑膜可使接触表面的摩擦学性能降低一个或儿个数量级。
表面化学反应和分子吸附属于表面的外在性质，而表面张力和自由能则是不可忽视的表面内在性能，它们影响表面的吸附能力。
2．2表层的基本特性
2．2．1变形层
金属、合金或陶瓷农层的冶金特性与它们的本体材料差别很大，这是材料表面的成形过程引起的。
例如，在磨削、刨削、车削和抛光过程中，无论有无温度梯度都会使表层产生塑性变形和高应变，这些残余应力被释放后就影响材料的稳定性。
应变层又称为变形层或加工硬化层，它是材料表面区域的重要组成部分[15,71,74]。
摩擦过程也会形成变形层[38]。
材料的变形量或变形程度受两个因素影响：
（1）变形过程中的输入功或能量；
（2）材料特性。
对于一些容易发生变形和加工硬化的材料，接近表面的变形层将产生更强烈的应变。
轻度变形层的厚度约为1～10um”，重度变形层的厚度约为10～100um。
2．2．2贝氏层
金属和合金中的贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。
超精密抛光的滚动轴承球体表面存在贝氏层，精细加工过程（或湿法抛光）可以减小贝氏层的厚度。
贝氏层的典型厚度约为1—loonm。
2．2．3化学反应层
除了一些贵金属（如黄金和白金）之外，所有金属和合金在空气中都能与氧气发牛反应而生成氧化物表层。
在其他环境中，它们也很容易形成其他化合物表层，例如氮化层、硫化层、氯化层等[56]，如图2．2．1所示。
对于一些不易氧化的非金属，表面也能形成氧化层或其他化学反应层，例如硅表面在空气中形成二氧化硅层。
一般情况下，聚合物表面不产生氧化层。
表面生成的单分子层吸附膜无法阻止表面与气体的相互作用，如果新表面连续暴露出来，那么它与周围环境的相互作用就会持续，结果形成较厚的表层。
氧化层和其他化学反应层的厚度取决于材料对环境的敏感性、反应温度和反应时间。
化学反应层的典型厚度为10—100nm。
加工过程或摩擦过程也能产生氧化层。
几乎所有加工方法都释放热量，因而增大了氧化率，生成各种形式的氧化物。
摩擦使表面温度升高，因而使表面与周围环境的化学反应速度加快，当金属摩擦副暴露于空气，表面就发生化学反应。
如果使用润滑剂和添加剂，那么摩擦表面上将形成固体反应层，这有利于表面保护。
第3章固体表面的接触
3．1引言
由于表面粗糙度的影响，两个表面的实际接触发生在离散的微凸体上，如图3．1．1所示。
所有微凸体的接触面积之和是实际接触面积Ar，或简称接触面积。
对于大多数材料，实际接触面积仅占名义接触面积Ar很小一部分，除非接触表面是理想的光滑表面。
实际接触面积与表面纹理、材料特性及界面载荷状况有关。
当表面上的微凸体很接近时，原子之间的作用力使微凸体产牛粘着，一旦有相对滑动，微凸体之间的粘着力和其他作用力即构成摩擦力。
接触界面的相互作用将产生磨粒，最终破坏表面。
接触面积越小，表面的相互作用越小，磨损就越少。
表面纹理和材料特性对摩擦磨损的影响与实际接触面积有关，因此，研究摩擦磨损行为之前应该先掌握固体接触力学的基本知识。
两个表面开始进入接触时，最初的接触只发生在几个粗糙体上，表面承受着法向载荷（以下简称载荷）。
随着载荷增大，表面进一步贴近，更多高微凸体都进入接触状态，同时也使已发生的接触面积进一步增大，以承受增大的载荷。
接触区发生的变形将产生抗衡外载荷的应力，表面变形包括弹性、塑性、粘弹性或粘塑性等形式，具体的变形形式取决于名义正应力和切应力、表面粗糙度和材料性能。
显然，接触点的局部应力远大于名义应力，尽管名义应力可能处于弹性范围，但局部应力却可能超出弹性极限或屈服强度，使接触点发生塑性屈服。
在大多数接触状态中，一部分微凸体发生弹性变形，另一部分微凸体发生塑性变形。
一般情况下，固体表面产生弹性变形，但微凸体顶端却可能发生局部塑性变形。
两个粗糙表面接触时，有大量形状各异、尺寸不同的微凸体相互挤压[8,10]。
为了简化分析，有时把表面微凸体的顶端视做球面，这就把两个表面的接触问题简化为一系列球面发生接触的模型。
在本章中，将用简化模型分析单个微凸体在匀质弹性表面或弹塑性表面上的静止或滑动接触问题，然后进一步分析多个微凸体的接触问题，最后介绍实际接触面积的测量方法及一些典型数据。
3．2接触力学分析
3．2．1匀质体上的单凸体接触
单个微凸体的接触分析可简化为两个曲面体的接触问题，微凸体简化为一个小尺寸的球面体。
对于各向异性的表面粗糙度，微凸体的简化模型可视为特殊几何形状的曲面体。
3．2．1．1弹性接触
赫兹（Hedz）在1882年第一次把弹性体视做二次曲面，分析了它的变形和接触问题[36]，因此，这类接触又被称为赫兹接触。
赫兹分析基于以下假定：
①表面是连续光滑和非同曲的；
②应变很小；
③接触区逼近时，每个固体都视为半空间弹性体；
④表面无摩擦。
两个一般形状的弹性体（为了方便起见，均取为凸体）承载后产生变形的剖面示意图如图
3．2．1所示，x-y平面为接触平面。
选择第一个接触点作为笛卡儿坐标系的原点，x-y平面为两个表面的公切面，z轴为正向朝下的公法线方向。
在加载之前，两表面在半径r处的间距为zl+z2。
当承受载荷W作用时，两弹性体的yl和T2点都沿z轴方向朝。
点移动，相应的垂直位移分别为o1和o2。
若两个弹性体不发生变形的话，其轮廓将会重叠，如图中的虚线所示，但弹性变形使表面产生位移，因而接触区尺寸2a小于图中虚线相交的重叠长度。
在接触压力作用下，各表面点沿着平行于仇的方向发十移动,T1和T2点的位移量分别为ux1和ux2（均为正值），发生移动后s1点和s2点重合。
总位移o=o1+o2又称为总干涉量或法向接近量，它是载荷作用下两个固体上远离变形区的点所产生的相对移动距离，它来自变形区的表面位移和变形。
如果两个固体是旋转体，那么根据轴对称原理，接触面积将是以。
点为中心的圆。
下面讨论两个半径分别为R1和R2的球体在载荷W作用下的弹性接触问题。
接触圆的半径为o，接触压力呈椭圆分布，接触区内半径r处的压力为p（r），根据赫兹分析，接触半径为
第4章粘着
4．1引言
两个相互接触的固体表面会发生粘着，这时需要一定的法向拉力才能使它们分开，这个拉力被称为粘着力。
粘着和粘结有很大区别，粘结力是指物质内部的原子间结合力，即物质内部原子与原子或分子与分子之间的连接力，例如劈开晶体材料形成两个新表面，断开结合键所需的力就是粘结力。
然而，两种不同（甚至相同）的材料放在一起产牛接触时，一个固体表面与另一个固体表面之间就产生粘着力，这通常被称为粘着。
可见，粘着是载荷作用F或载荷与切向力复合作用下两个表面贴紧时出现的粘连现象，它们承受正压力或正压力与切向力的复合力作用，只有施加法向拉力才能使它们分开，如图4．1．1所示。
分离两个表面的拉力旷（一般作为粘着力）与载荷W之比定义为粘着系数u'
，即
一般情况下，随着载荷w增大，拉力w，也成比例增大，而u'
则随着静止接触时间和分离速度的增大而增大。
粘着不仅发生于接触固体之中，固体之间存在液体或两个粘性体接触时也同样会发生粘着。
如果固体表面非常洁净，表面的化学膜和吸附膜都被除掉，那么表面之间将发生剧烈的粘着。
在许多情况下，表面污染物和薄膜将减小粘着，但也有相反的情况。
即使润滑良好的表面，也会发生轻微粘着。
粘着有利有弊。
欲把两个表面粘接在一起就需要强烈的粘着作用。
然而，对于工程中的许多滑动和滚动表面而言，粘着是有害的，它导致摩擦和磨损。
因此，对一些场合的粘着行为需要进行适当控制。
4．2固体接触的粘着
两个非常贴近的微凸体通过原子之间的吸引力将形成粘着点。
从广义上理解，粘着是物理作用或化学作用引起的[2,5,11,14,19,23,24,32,52]。
化学作用包括共价键、离子键或静电键、金属键和氢键等：
物理作用包括范德华力，范德华力比分子之间的化学作用力要小得多。
当两个物体非常接近时，界面之间就会出现这些作用力。
两个固体表面接触时，如果其中一种材料的内聚力较弱，那么接触界面的粘着力可能大于材料的内聚力，此时分离两个固体将导致内聚力较弱的材料转移到内聚力较强的材料表面上。
在图4．2．1所示的图像中，单晶硅（111）表面与金表面发生接触之后，金膜转移到硅表面上。
粘着力与配副材料的特性（晶体结构、品向、材料之间的溶解度、化学活性等）和界面条件（电荷间距、表面洁净度、载荷、温度、接触时间和分离速度等）有很大关系[14,46]。
如果洁净金属表面上没有生成氧化膜、表面膜和吸附气体膜，那么它们的接触界面将发生严重粘着，这种情况容易在超高真空下出现。
物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜和环境污染物将降低接触表面之间的粘着[13,14,17,26]。
在空气十，金属表面吸收氧气和水蒸气形成儿个分子厚的衷面膜，这些污染物的薄膜能够有效地降低粘着。
例如，非常少量的氧气（可能只够覆盖‘个分子层）就能明显地降低铁表面的粘着，而铜表面则需要相对多一些的氧气才能明显地降低其粘着。
温度对粘着有一定影响。
在高温情况下，表面软化增大了流动性、延展性，从而使实际接触面积增大，引起更人的粘着。
高温也能加速接触界面上的物质扩散，金属与金属接触时，高温提高厂材料溶解度。
对于聚合物与聚合物的接触，扩散增强厂接触，从而增大粘着。
两个表面发生接触之后，表面粗糙度的影响导致实际接触面积比名义几何面积小得多。
实际接触面积影响粘着，而实际接触面积又受到载荷、表面粗糙度和加工特性等因素影响（见第3章），所以粘着力与载荷成线性关系，如图4．2．2a所示[35]。
弹性好、硬度高和脆性的粗糙表面的实际接触面积较小，因而它们只产生轻微的粘着。
而粘弹性变形和粘塑性变形都会导致实际接触面积随着接触时间延K而增大，这将增大粘着，如图4．2．2b所示[35,40]。
实际接触面积也可能由于原子间引力作用而增大，例如人造橡胶之类的软体与硬表面接触时，表面微凸体的间隙仅为分子水平（1～10nm）[10]。
正如第3章所分析，接触首先发生在接触表面的微凸体上，当表面间隙为I～10nm时，范德华力可使微凸体产生近1个大气压（101．325kpa）的压力，它驱使微门体更加贴近。
即使没有载荷作用，这样的过程也会发生，从而增大了实际接触面积（图4．2．3）。
这种机理部分解释了——些聚合物薄膜的粘着行为，例如食品包装膜的粘着，但这种机理不适用于硬质材料或粗糙表面。
另外一个影响实际接触面积的因素是弹性恢复。
当减小两个接触表面之间的载荷时，接触体的弹性恢复力使接触面分离，如图4．2．4所示[13]。
弹性模量越小，弹性恢复就越小，反
第5章摩擦
5．1弓I言
摩擦是两个相互接触的固体表面产生滑动或滚动时所遇到的阻力，如图5．1．1所示，与运动方向相反的切向阻力称为摩擦力。
常见的摩擦有干摩擦和流体摩擦两种类型。
干摩擦又叫库仑摩擦，顾名思义，它描述两个干燥表面发生相对运动或者有相对运动趋势时的接触力切向分量。
流体摩擦描述相邻流体层以不同速度运动时的接触力切向分量，就像轴承表面的液体或气体产生的摩擦。
对于流体摩擦，将在润滑一章中作详细阐述。
当两个固体受外力作用相互接触时，施加一个切向力F，触发固体运动的切向力是静摩擦力，记为F,它出现于界面产生相对运动之前的数微秒瞬间。
维持相对运动所需的切向力是动摩擦力，记为F。
静摩擦力大于或等于动摩擦力，如图5．1．2所示。
摩擦不是材料的固有特性，而是摩擦副的一种系统响应。
没有化学膜和吸附物的两个固体洁净表面将产生很大的摩擦。
表面污染物或薄膜将减小摩擦，润滑表面通常表现出较弱的粘着和很低的摩擦。
但是，界面上的少量液体会导致润滑面的粘着，从而产生很大的摩擦力，这对两个光滑表面尤为明显。
摩擦有利有弊。
没有摩擦，人们将无法行走，汽车在公路上也无法行使，人们无法拾起物体。
在某些机械部件中，如交通工具的制动系和离合器、摩擦传动（如带传动），还要设法增大摩擦。
对于大多数的滑动和转动零件（如轴承和密封件），摩擦是不希望出现的，它引起能耗和接触表面的磨损，所以应尽量减小它们的摩擦。
本章将介绍固体与固体接触、液体润滑面接触的各种摩擦机理，还将介绍一些典型材料的摩擦因数。
5．2固体接触的摩擦
5．2．1滑动摩擦定律
两个经典的摩擦定律适用于很多场合。
达芬奇是第一位描述了这些定律的学者（见第1章），经过两百多年之后，法国物理学家阿芒顿于1699年又重新发现了这两条定律[2]，所以它们才被称为阿芒顿方程。
第一摩擦定律的表达式为
当斜面倾角小于口时，斜面上任何重力的物体都保持静止；
而当倾角达到"
时，物体就开始下滑，如图5．2．1。
在真空中，软金属或金属洁净表面发生自滑动时的干摩擦因数的变化范围从o．05到10或更大。
第二摩擦定律指出，摩擦因数与接触体的名义接触面积无关。
因此，尽管两个物体的物理尺寸不同，但摩擦因数相同。
除了—卜述两个定律之外，通常还要加上第三摩擦定律，它是库仑在1785年发现的[‘6）。
该定律表述为：
当运动起始时，动摩擦因数与起始滑动速度无关。
他还对静摩擦力和动摩擦力作了明确的区分。
这三个摩擦定律都是由经验确定的，一些实际情况可能与这些定律不相符，但这并不意味着它们违背自然界的基本定律。
大气中钢对铝的干摩擦因数受载荷的影响如图5．2．2a，可见尽管载荷增大了10倍，但摩擦因数却保持一个恒定值。
如果材料表面有一层预先制备或与环境发生化学反应形成的薄膜，那么摩擦因数随载荷的变化就不再维持为常数。
铜与铜在空气中发生相对滑动时，低载荷下的摩擦因数较低，当载荷增大时，摩擦因数增至更高数值，如图5．2．2b所示。
出现低摩擦的原因是铜在空气中发生氧化，低载荷作用下的氧化层有效地隔离了两个金属表面，使它们很少或没有形成真正的金属接触。
但是，氧化层的抗剪强度较低，在高载荷作用下，氧化膜破裂，使金属之间产生亲密接触，导致摩擦增大和表面破坏。
在其他金属中，这种摩擦
第6章摩擦表面的温度
6．1引言
原子级的力学、化学和电现象一般都靠热能辅助或激发，因而大多数的表面行为都与温度有关。
在滑动过程中，l：
况条件（载荷和速度）对摩擦磨损的影响往往是由温升而引起的，许多材料的力学性能（弹性模量和硬度）和润滑性能都将随着界面温升而退化，从而影响其摩擦学行为。
因此，摩擦界面的温升计算是十分重要的。
在滑动过程中，大部分摩擦能量都消耗于塑性变形直被自接转化为接触面表层材料的热能。
塑性变形加剧了原子晶格的振动，产生一种叫光子的声波，声能最终转化为热能。
接触弹性变形的o．1％—10％（一般少于1％）能量损失消耗于光子。
在粘弹性变形中，弹性滞后也会产生热能。
在无润滑剂的条件下，这些热量通过接触点传入两个滑动体。
两个物体的接触可以近似看作单微凸体接触和多微凸体接触，如图6．1．1所示。
在高应力接触情况下，实际接触面积A接近于名义接触面积A,它可以近似为滑动过程巾的单体接触。
在很低的载荷下，两个非常光滑表面的接触也可以近似为单体接触。
在常见的工程表面接触十，低应力接触情况普遍存在，此时微凸体的相互作用导致温度很高的瞬间闪温，闪温出现在几个微米的面积上，温度高达几百摄氏度，持续时间只有儿纳秒到几微秒，它们在滑动过程中随时都在变化[4]。
因为热量仅释放在微小接触点卜，所以接触微凸体上的温升很高[19]；
若其中—个滑动体是软质材料（例如聚合物），温升就不会很高，因为聚合物的实际接触面积较大，它降低了单位面积上的热量[6,20]。
许多人都对微凸休接触点的闪温进行过研究[1,5,12,13,16,21,22,25]。
Jaeger[22]对在半空间体上的移动热源产生的温升提出了一个最完整解，基于Block[12]提出的热量分配概念，可以计算界面温度，这种分析适川于高应力接触情况，此时实际接触面积近似等于名义面积。
在低应力接触滑动中，主要发生多点微凸体接触，Dhushan提出了一套详细的热传导分析方法来计算微凸体接触过程中的温升[4,5]，并分析多个微凸休接触的累积效府。
在所有的分析中，都假定热量只在固体中传递导热，忽略了对流换热和辐射换热。
在本章中，将介绍几种工况的摩擦温升汁算方法，它们可用于大多数滑动表面的设计。
较大接触面的摩擦温升可以比较精确地测量，而孤立的微小接触点上的温升却很难测量。
很多技术试图用于测量滑动接触的瞬态温升，但收效甚微[8,24]此，瞬时温升一般只是通过计算得到，而非测量得到。
本章还将介绍几种温度在线测量技术。
6．2热传导分析
迄今，还没有一种热传导分析方法能够涵盖所有滑动条件，因此，只能在限定的接触应力和速度范围内推导有效的解法。
下面将重点介绍高应力
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