主题：【讨论】摩擦力/微动是一种不同于滑动和滚动

微动是一种不同于滑动和滚动的特殊摩擦运动，普遍存在于振动环境（机械振动、热交换、流体运动、电磁震动、人体运动等）下的间隙或过盈配合件之中，可以造成接触表面独特的磨损，进而引起咬合、松动、信号失真、噪声增加等；或造成裂纹萌生、扩展，使构件使用寿命急剧降低。
本项目的研究特点：基于系统的实验研究，突破传统模式研究的束缚，揭示了微动损伤构性关系，澄清了长期困扰该领域研究中的一些争议，建立了迄今关于微动损伤最为完备的理论，微动研究从过去单一参数的影响研究方法提升到由系统决定的微动图的研究方法，使得微动摩擦学的研究进入一个新的阶段。
（1）微动实验与测试设备研发
为了确保微米量级时的实验数据完整、可靠，本项目先后自行研制切向、径向和复合等三种微动模式试验夹具系统，装置系统满足了微动实验在定位、刚度等方面的高精度要求；自行设计开发的二套系统控制程序（控制载荷和位移模式），不仅可以完整地记录不同微动方式下任一循环次数内的所有动态数据的变化过程（摩擦力、摩擦系数、刚度、摩擦耗散能等），而且在同一实验中具有自动变频、变幅等功能。
（2）发现微动运行工况微动图和材料响应微动图
本项目在对铝锂合金（2091）的大量微动磨损实验研究时，在仅改变微动幅度（其它参数不变）时，在传统的部分滑移区和常见的滑移区之间，发现微动混合区。在混合区，微动初期呈相对滑移，然后，摩擦力逐渐增加，直至摩擦力随位移变化呈直线状，界面处于粘着状态；又经过一定循环次数后，相对运动状态发生突变，微动界面又处于滑移状态，摩擦力随位移变化曲线呈四边形状；这种现象在一个微动试验中可以反复出现，但在相对稳定状态，摩擦力 - 位移变化曲线往往呈椭圆状。同样，当改变压力时，也可以依次观测到上述三个微动区域。相对于部分滑移区和滑移区，混合区具有较高的的摩擦系数（更确切地说为切向力与法向压力之比）。三个微动区域与测试系统刚度（夹紧机构、试样大小等）密切相关。混合区的形成、区域大小与材料形变特性密切相关。
与运行工况微动图不一样，一旦初始条件确定，部分滑移区、混合区和滑移区的分布在一定循环次数后就可以确定，具有唯一性，而材料响应微动图与循环次数密切相关，尤其是裂纹区，明显具有一般疲劳破坏的特点。
参照运行工况和材料响应微动图，不难发现：轻微或无损伤区主要位于部分滑移区或微动初期，磨损区主要位于滑移区，而裂纹首先在混合区产生（如对铝合金，在循环次数为1000次左右就可观测到裂纹）；随循环次数的增加，裂纹区可向部分滑移区和滑移区扩展。
研究还揭示：
1）在滑移区，表面的颗粒剥离较为严重，快速的表面磨损不仅消除了接触表面可能形成的微裂纹或降低了裂纹核形成的可能性，而且，磨损使得实际接触面积增大，加上大量被氧化的第三体（磨屑）在界面中的调节作用，使得接触表面上的应力分布更加平缓，交变应力水平降低，局部接触疲劳效应明显降低。
2）在混合区，微动过程主要通过表面的弹性和塑性变形来调节，磨损较小，实际接触面积随微动循环次数的增加时的变化较小，因此，同一接触区域受到较大的切向力（过应力）的反复作用（即局部疲劳），表层的塑性变形强烈，裂纹得以快速萌生、扩展。
3）在部分滑移区，微动过程主要依靠接触表面的弹性变形来实现，磨损轻微，接触面积几乎没有增加，加上界面承受的切向力较小，局部接触疲劳轻微，但不排除裂纹在高周微动循环次数下萌生的可能性。
（3）抗微动磨损的防护研究
防止微动破坏最简单的办法就是消除振动，但是在工程实践中，振动是无法避免的，因此微动破坏也是无法避免的，只能采取合理措施去减缓这种破坏。
根据二类微动图理论，提出了三种减缓微动破坏（磨损和裂纹）的方法并指出了这些方法的局限性：
1）改变微动区域：提高压力（或预紧力）、降低切向刚度（如插入弹性垫片）、改变结构设计等手段，促使微动处于部分滑移区，但同时应当考虑配合面的实际情况如所能承受的强度极限等，不能顾此失彼；
2）采用润滑技术：发现固体润滑对抑制部分滑移区的微动损伤非常有效，而脂和油润滑适用于滑移区。润滑脂、油在较低微动幅度时，由于油（对于润滑脂是指摩擦过程中分离出来的油）向摩擦表面的微裂纹渗透，可出现挖坑效应，磨损反而增加；脂与油的润滑效果随微动幅度的增加而增加；增加压力或频率不利于润滑效果的改善；固体润滑膜（聚苯一烯薄膜、粘结MoS2固体润滑涂层、粘结PTFE涂层等）在较低微动幅度时，具有很强的抗微动磨损能力，但随微动幅度的增加而降低。
3）采用表面强化或复合表面处理技术：研究了离子镀TiN、喷丸+离子硫化、TiN+MoS2复合涂层等多种改性层的微动磨损特性，建立了多种单一和复合涂层下的微动图，提出了相应微动损伤机制，从中发现，与表面处理前相比，微动磨损性能得到不同程度的改善。
（4）径向微动磨损研究
获得了径向微动下的两种基本的载荷 - 位移变化曲线，即由局部微滑、塑变引起的张开型和弹性变形调节为主的闭合型曲线。径向微动的摩擦特性与摩擦副材料及匹配、涂层特性、表面粗糙度、载荷大小、加载速率等密切相关。         
研究发现由于变形协调的原因，局部摩擦磨损主要发生在不同材料组成的摩擦副，同种材料组成的摩擦副由于变形协调作用几乎观测不到微滑的痕迹，这与接触力学分析结果相吻合；对于异种金属材料组成的摩擦副，接触表面呈现接触疲劳特征，颗粒因粘着而剥离，磨损轻微；对于陶瓷材料，在接触表面边缘可明显观测到由微滑引起的环状磨损区。                       
对于金属材料/硬或软涂层材料组成的摩擦副，发现在TiN涂层表面形成了微裂纹，磨屑呈片状剥离，主要发生在接触边缘；MoS2涂层损伤轻微，具有良好的抗径向微动磨损能力；通过系统研究，提出了径向微动是一种评价硬质薄膜接触疲劳寿命的新方法。
（5）复合微动磨损研究
获得了复合微动下的三种基本的载荷 - 位移变化曲线，即由相对滑移为主引起的准梯形、局部微滑和塑变引起的椭圆型以及弹性变形调节为主的闭合型曲线。复合微动的摩擦特性与摩擦副材料、倾角、载荷大小、加载速率、循环次数等密切相关。
研究发现复合微动的初期表现出明显的滑移特征，界面发生相对运动，滑移幅度随倾角的减小和载荷的增大而增大，微动磨痕呈非对称的彗星状形貌，磨损机制如同切向微动磨损；随着循环次数的增加，接触中心呈粘着、边缘呈微滑状态；在相对稳定状态，运动主要通过弹性变形调节来实现。
与切向微动磨损相比，复合微动损伤在表面磨痕形貌、剖面磨损深度、裂纹的起源扩展等方面表现出强烈的非对称特性。裂纹主要在载荷处于最大值时所对应的接触边缘起源和扩展，而在另一边，形成裂纹的可能性较小。研究发现，由于塑变积累和磨损，界面的局部接触几何状态随循环次数的增加而不断发生改变，复合微动从初期以切向微动为主逐渐向以径向微动为主的模式演变，并提出了相应的位移协调机制。

两相互接触的物体有相对运动或有相对运动趋势时在接触处产生阻力的现象,是摩擦学研究的重要内容。因摩擦而产生的阻力称为摩擦力。相互摩擦的两物体称为摩擦副。摩擦通常起有害作用，但有时又是不可缺少的。人的行走和机车的牵引能力都要依靠摩擦。在机械工程中利用摩擦做有益工作的有带传动、制动器、离合器和摩擦焊等。
　　摩擦种类 　摩擦的类别很多，按摩擦副的运动形式摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦，前者是两相互接触物体有相对滑动或有相对滑动趋势时的摩擦，后者是两相互接触物体有相对滚动或有相对滚动趋势时的摩擦；按摩擦副的运动状态摩擦分为静摩擦和动摩擦，前者是相互接触的两物体有相对运动趋势并处于静止临界状态时的摩擦，后者是相互接触的两物体越过静止临界状态而发生相对运动时的摩擦；按摩擦表面的润滑状态，摩擦可分为干摩擦、边界摩擦和流体摩擦（见图）。摩擦又可分为外摩擦和内摩擦。外摩擦是指两物体表面作相对运动时的摩擦；内摩擦是指物体内部分子间的摩擦。干摩擦和边界摩擦属外摩擦，流体摩擦属内摩擦。


　　干摩擦 　摩擦副表面直接接触，没有润滑剂存在时的摩擦。常用库仑摩擦定律表达摩擦表面间的滑动摩擦力F、法向力N和摩擦系数f间的关系：f=F/N。钢对钢的f值在大气中约为 0.15～0.20，洁净表面可达0.7～0.8。根据英国的F.P.鲍登等人的研究，极为洁净的金属（表面上的气体用加热、电子轰击等方法排除）在高真空度的实验条件下，表面接触处被咬死，f值可高达100。这种极为洁净的金属表面一旦与大气相接触便立即被污染或氧化，从而使f值显著下降。
　　用于阐明干摩擦特性的主要摩擦理论有机械啮合理论、分子吸引理论、静电子理论以及焊合-剪切和犁削理论。最早出现的机械啮合理论认为，两个粗糙接触表面相对运动时，对偶表面上的微凸体互相啮合，摩擦力就是这些啮合点切向阻力的总和。这个理论不能解释极光滑表面间的摩擦现象。分子吸引理论认为金属分子作连续振动和扭转时,对偶表面彼此互相夺取和丢失分子,从而引起粘着-滑移现象,粘着摩擦力是由分子运动键的断裂过程所引起的。静电力理论认为金属摩擦表面间的电子流动会在接触表面上引起相反极性的电荷聚集，从而产生静电吸引力，使表面互相贴附。这个理论能够解释摩擦过程中的粘着-滑移现象,但它预示的摩擦表面间在较长时间间隔内将有电子逸出和摩擦系数因之降低的现象，尚未在实验中观察到。1950年,鲍登提出的焊合-剪切和犁削理论（简称粘着理论）认为，摩擦表面局部接触区产生的高压引起局部焊合，由此形成的粘着结点随表面的相对滑动而被剪断。此外，在滑动中较硬表面的微凸体犁削较软材料的基体而产生摩擦力。这个理论能够解释各种金属的摩擦物理现象，得到比较普遍的认可。这些理论并不互相抵触,而是互为补充。1979年,美国的徐楠朴等人提出过摩擦系数等于机械啮合摩擦系数、粘着摩擦系数、犁削摩擦系数之和。
　　静摩擦的测定方法有倾斜法和牵引法。①倾斜法:把重力为N的欲测物体放在对偶材料的斜面上,逐渐增加斜面的倾角，测得物体开始滑动时的倾角 θ(摩擦角)，由此求得摩擦系数f=tgθ。②牵引法:把重力为N 的欲测物体放在对偶材料的平面上，以力P牵引,物体开始滑动时的力F就是最大的静摩擦力（此时F=P），由此求得摩擦系数f=F/N。
　　动摩擦可在各类型试验机上（如往复式摩擦磨损试验机、旋转圆盘-销式摩擦磨损试验机和四球式摩擦试验机）测定，为此在试验机上装设测定摩擦力或摩擦力矩的机构，先测出摩擦力，而后换算出摩擦系数。常见的测量方法有杠杆法、弹簧法和电测法等。测定时需要确保清洁，否则会影响所测的摩擦力。
　　边界摩擦和流体摩擦 　边界润滑状态下的摩擦称为边界摩擦。边界摩擦系数低于干摩擦系数。边界摩擦状态下的摩擦系数只取决于摩擦界面的性质和边界膜的结构形式，而与润滑剂的粘度无关。流体润滑状态下的摩擦称为流体摩擦。这种摩擦是流体粘性引起的。其摩擦系数较干摩擦和边界摩擦为低（见润滑）。

是否方便提供regerences?

很不错，学习了

很不错，学习了