滑动摩擦机理

至到今天，人们对滑动摩擦机理的本质认识还不是十分清楚。

最早对摩擦进行实验研究的代表性人物是文艺复兴时期的达·芬奇。他对表面光滑程度不同的物质的摩擦作了比较，提出物体间的摩擦程度取决于物体表面粗糙程度的大小，表面愈粗糙，摩擦力愈大，即固体表面的凹凸程度是产生摩擦的根本原因。这一想法后来逐步被 发展为一种学说——凹凸说。该学说认为：物体表面无论经过何种加工，都必然留下或大或小的凹凸，这种表面凹凸不平的物体相互接触，就必然产生摩擦。有人对此做过这样一个比喻：固体表面的接触，犹如把一列山脉翻过来盖在另一列山脉上一样。由于它们的相互咬合，所以只有把凸部破坏掉，才能使之滑动，这便是产生阻碍相对运动的摩擦力的基本原理。这种学说在很长一段时间里，受到许多人的支持。

对于摩擦力的另外一种看法是分子说。这是由英国的物理学家德萨古利埃提出的。他认为，摩擦力产生的原因是摩擦面上的分子力 相互交错所致。该学说指出，物体表面愈是光滑，摩擦面愈是相互接近，表面分子力就愈大，这样摩擦力也就愈大。但是这种学说由于加工技术上的原因，一直没有 得到实验的证实，因而入们对此很难接受。   

进入20世纪以后，分子说逐渐得到很多人的支持。一个叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量损失，是因固体表面分子引力场的相互干涉所致，与凹凸程度无关。而另一名著 名的学者哈迪，他进行了大量的实验，从而证明了分子说的正确性。他首先把两个物体表面研磨得极光滑，然后来做摩擦实验，结果发现，两物体磨得越光滑，它们 之间的摩擦力就越少，但是这种光滑水平达到一定程度时，摩擦力反而有所增加，甚至两个光滑的金属面能“粘”在一起。而这正好证实了分子说的观点：当两个表 面的分子互相进入彼此的分子间的引力圈时，两者间就能产生强烈的粘合作用，并以摩擦力的形式显示出来。哈迪的实验为分子说提供了有力的证据，分子说因而获 得了广泛的承认，并被进一步发展为“粘合说”。但是，凹凸说并没有因分子说和粘合说的进展而被完全废弃，它与对立的分子说和粘合说都持之有据，言之有理。 有人在这两者的基础上提出了包含凹凸说内容的综合性的现代粘合论。  

1：古典的摩擦定律

人们对摩擦现象的研究比实际应用要晚得多。最初的研究是在15世纪意大利的文艺复兴时代。1508年意大利科学家达·芬奇(1452一1519年)首先对固体摩擦进行了研究，他第一个提出；物体刚要滑动时，便产生叫做摩擦力的阻力。并指出，摩擦力与物体的重量成正比，与法向接触面积无关。l699年法国工程师阿蒙顿(1663一1705年)进行了摩擦试验，并建立了摩擦的基本公式。随后在1785年法国科学家库仑(1736—1806年)也进行了相同的试验，完成了今天的阿蒙顿一库仑摩擦定律，一般称它为古典摩擦定。也就是我们中学物理中所学的摩擦定律。

上图中的字母A代表的是一个物体，B代表的是另一个物体，f 代表的就是摩擦阻力.

在古典摩擦定律中，

   f =μ·N

式中：f 摩擦阻力

      N正压力

      μ摩擦系数

这条定理一直沿用了几百年，对我们过去的科学研究有着不可估量的贡献。但是随着科学技术的进步；特别是科学研究方法和测试手段的发展，使摩擦机理研究有了长足的发展，并发现了这条古典定律存在的不足。例如：当法向压力不大时，对于普通材料，摩擦力与法向裁荷成正比，即摩擦系数为常数。

但实际上，摩擦系数不仅与摩擦副的材料性质有关，而且还与其它许多因素有关，如表面温度、光洁度和表面污染情况等。摩擦系数实际上是与材料和环境条件有关的一个综合特性系数。

当压力较大时，对于某些极硬材料(如钻石)或软材料(如聚四氯乙烯)摩擦力与法向载荷不呈线性比例关系。

古典摩擦定律只考虑正压力的作用，而完全没有考虑接触面积的影响，这对于有一定屈服点的材料(如金属材料)才能成立。而对于弹性材料(如橡胶)或粘弹性材料(如某些聚合物)，摩擦力与名义接触面积的大小则存在着某种关系。对于很洁净、很光沿的表固。或承受载荷很大时，由于在接触面间出现强烈的分子吸引力，故摩擦力与名义接触面积成正比。 另外古典摩擦定律只考虑了滑动摩擦条件下的摩擦情况而对其他类型的摩擦机理却没有详尽的描述。

     2：现代摩擦机理的研究情况

    现代摩擦机理的研究不仅对滑动摩擦的机理进行了全面深入的剖析，而且对其它类型的摩擦机理也进行了详细的研究。

   滑动摩擦学说及发展

   （1）．“凹凸—分子”学说

    在很早以前，许多学者为了解释摩擦产生的原因，产生了不同的学说，最早的学说(即机械学说)，是阿蒙顿等人为了解释古典的摩擦定律成立的理由，认为摩擦产生的原因是表面粗糙的凹凸不平引起的，当两固体表面发生接触时凹凸嵌合(粗糙度互锁)，因而在两表面相对滑动时产生了阻碍两固体表面滑动的阻力，它就产生了阻碍两固体表面滑动的摩擦力，这就是产生摩擦力的基本原现。就像我们走路一样，如果前面没有障碍我们就可以一直走下去，如果有了障碍，就会阻止我们走下去。

    但后来发现，在很光滑的表面接触并滑动时，也发生了相当大的摩擦力，因此，用上述学说就解释不通了，便出现了分子学说。它简单的理解是由于摩擦表面很光滑，相对接触面积增大，分子间的距离缩小，分子、原子吸引力增大所产生分子吸引力相互作用形成阻力的结果．但是愈粗糙表面，摩擦力也愈大，这个现象分子说解释不了。同样可以用走路来比喻，在没有障碍的路上我们 没有任何负荷行走，我们感到很轻松，如果有了负荷，我们就会感到很困难，甚至走不动。

    因此，最后把两种学说统一为“凹凸—分子”学说(理论)。该理论认为摩擦力产生的原因是由凹凸联合和表面分子互相吸引两个因素形成阻力的结果。

    （2）．粘合—变形”理论

  “粘合—变形”理论是在上述理论的基础上发展形成的，它认为两金属表面在负荷作用下，会发生粘合和变形。因为“粘合”中心思想是分子结合力，“变形”中心思想是机械嵌合变形损伤阻力。接触时，粗糙表面的凸峰接触点，产生极高压力，从而发生塑性变形，构成接触处的“粘合”，并在互相滑动时被剪切。同时，两表面粗糙度凹凸相互嵌合或是较硬的表面凸蜂陷入较软表面的材料基体中，在相互滑动时产生变形，以上两方面的因素构成相对运动的总阻力。因而摩擦力也是由两部分组成，即接触粘合力和联合变形力。

    如果把接触表面加工的非常平滑，则总摩擦力就以接触粘合摩擦力为主，而嵌合变形部分的阻力可忽略不计，在通常条件下表现在金属加工表面中，一般是以“粘合”为主的理由．但是在有润滑剂的粗糙表面间，变形阻力可能是主要的。出以上分析，这种理论比较完善和接近实际，它说明摩擦现象的很多本质问题，因此，是近代大家公认的一种摩擦理论。

    （3）．粘附理论

“粘附”理 论认为：金属表面间的摩擦首先是在接触点发生了粘结。当两表面相对运动时，必须有足够大的切向力来剪断这些粘结点。另外，较硬的金属表面的微凸体会陷入较软的金屑表面，两表面相对运动时，硬的微凸体会在软的金属面上犁出沟来。粘结和犁沟就是引起摩擦的原因，剪断粘结点和犁沟时所需的切向力就是用来克服摩擦阻力的。

简单粘附理论于1945年由鲍登(F．P．Bowden)等人提出，他们认为两个金属表面在法向载荷作用下的接触面积，并非两个金属表面互相覆盖的公称接触面积(或叫表观接触面积)A₀，而是由一些表面轮廓峰相接触所形 成的接触斑点的微面积的总和，叫真实接触面积A_r(下图)。由于真实接触面积很小，因此可以认为轮廓峰接触 区所受的压力很高。当接触区受到高压而产生塑性变形后， 这些微小接触面便发生粘附现象，形成冷焊结点。当接触面相对滑动时，这些冷焊结点就被切开。

    两摩擦面间在一些部位之所以会发生“粘附”， 是因为金属表面压在一起时，仅微凸体的尖端相互接触，由于接触处的面积很小，触点之间的应力很大，大到足以引起接触处的材料产生塑性变形。在接触处产生塑 性流动时，摩擦表面的油污等薄膜和氧化层被破坏．暴露出洁净的金属表面。当洁净的两金属表面接触时，表面的原子间会形成较强的金属键结合，出现了两表面金属材料的粘附。

粘附力的存在已为实验所证实。用一个洁净的钢球压在洁净的铟的表面上，二者就会粘附在一起，要用力才能拉开。压紧时用多大力，拉开时也需要同样大的力。粘附力是与垂直载荷成正比，二者的比例常数约为1。两个摩擦表面之间出现的这种粘附力的作用范围很小，一般不超过零点几纳米。所以只有在洁净的金属表面，或是表面膜严重变形，持别是被剪应力破坏后．使金属表面的原子直接接触时，才可能出现粘附。

以金属对金属无润滑表面间的相对滑动为例。由于表面的凹凸不平，两个面接触时，就像把两大山脉倒扣在一起一样，实际的接触为点接触，这也是一般情况下摩擦力与表观接触面积无关的原因，当加载荷时，两面之间产生正压力，由于实际接触面积极小，接触点处的压强大大超过材料的屈服极限，因而在接触点处了生塑性流动，使实际接触面积迅速增大，直到能够支承所加载荷为止。

在这些微凸体接触处发生塑性流动，实际上使两面在这些局部区域发生了焊合。当施加一切向力时，只有这些焊合点被剪切断裂，表面间才会发生相对滑动，所以这时的摩擦力是界面处的剪切力，它等于焊合点处的平均剪切强度与实际接触面积的乘积。这个摩擦力是界面处产生摩擦力的黏附分量。值得注意的是，由于焊合点处的剪切强度有时大于两种金属中较软金属的剪切强度，所以剪切断裂有可能发生在较软金属内部，而不是在焊合界面处。

上述金属与金届紧密接触的表面发生的材料粘附，有人称之为“冷焊”或“粘着”等。如果表面受到切向力的作用而发生移动时，先要剪断这些焊接起来的点才能发生相互运动。  

    从微观来看，将两种干净的金属表面压合时，一个表面上的原子趋近于另一个表面上的原子，直至如同金属体内的原子那样接近为止。正是这种原子间、分子间的引力形成接触表面处的黏合、附着现象。因而要使两表面发生相对滑动，就必须克服这些分子原子引力做功，从而消耗能量。

摩擦力不仅有黏附分量，还有变形分量。两种金属接触，表面发生相对滑动时，较硬金属的微凸体就在较软金属的表面上犁出一道沟槽，在切出的沟槽前材料还被压皱和积聚，这种现象叫犁削。它使表面变形，因而也要消耗能量。由此而产生的摩擦力叫变形分量，通常它比黏附分量小。

这就是目前大家接受的滑动摩擦机理，从宏观上来说是焊合、剪切犁削理论，从微观说是分子引力理论。