第一章 固体表面.doc

第一章_固体表面第一章固体表面
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)。


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)。
表面的三维形貌图
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。()。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。
微凸体
微观粗糙度
宏观粗糙度
粗糙表面的二维图
Zi
粗糙表面示意图
x轴
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)。
。
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)
具有相同CLA
值的不同形貌
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。。而用RMS,图中各不相同的形貌具有不同的表面粗糙度。
正态分布曲线
高度Zi
微凸体的高度分布曲线

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(),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。
%的高度(σ为分布的标准差)。

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。。
几种典型的晶体结构
面心立方
体心立方
密排六方
立方晶系中几个