摘要：綜述了摩擦學(xué)的范疇（摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面間的摩擦、潤(rùn)滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐的一門邊緣學(xué)科），并對(duì)其發(fā)展歷史進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：摩擦學(xué)；范疇；發(fā)展歷史

1.摩擦學(xué)的簡(jiǎn)介

摩擦學(xué)是研究摩擦力和與之有關(guān)聯(lián)的潤(rùn)滑劑、磨蝕劑、表面磨損等的學(xué)科。也包括對(duì)諸如摩擦電流、摩擦發(fā)光等摩擦效應(yīng)的研究。它研究相互接觸的運(yùn)動(dòng)表面間的相互作用及有關(guān)的理論與實(shí)踐，接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦。摩擦過程中一系列的物理、化學(xué)和力學(xué)的變化導(dǎo)致材料的磨損。為了減少磨損，采用各種方式進(jìn)行潤(rùn)滑。這是一門涉及力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和冶金學(xué)等多學(xué)科的邊緣學(xué)科。

2.摩擦學(xué)的范疇

2.1 摩擦

當(dāng)在正壓力的作用下相互接觸的兩個(gè)物體受切向外力的影響而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，或者有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上就會(huì)產(chǎn)生抵抗滑動(dòng)的阻力，這一現(xiàn)象叫做摩擦。摩擦可以分為兩大類，一類是發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部，阻礙分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦；另一類是相互接觸的兩個(gè)物體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或者有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上產(chǎn)生的阻礙相對(duì)滑動(dòng)的外摩擦。對(duì)于外摩擦，僅有相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)的摩擦叫做靜摩擦；相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)行中的叫做動(dòng)摩擦。根據(jù)位移形式的不同，動(dòng)摩擦又分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦面間存在潤(rùn)滑劑的情況，滑動(dòng)摩擦又可分為干摩擦、邊界摩擦（邊界潤(rùn)滑）、流體摩擦（流體潤(rùn)滑）及混合摩擦（混合潤(rùn)滑）。

① 干摩擦干摩擦是指物件間或試樣間不加任何潤(rùn)滑劑時(shí)的摩擦作用。在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦，因?yàn)槿魏瘟慵谋砻娌粌H會(huì)因氧化而形成氧化膜，而且多少也會(huì)被含有潤(rùn)滑劑分子的氣體所潤(rùn)滑或者受到“油污”。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常把未有經(jīng)過人為潤(rùn)滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作“干摩擦”處理。是衡量摩阻材料的一個(gè)重要指標(biāo)，利用干摩擦的作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并加以吸收或散失以減少對(duì)磨表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，如剎車片這類材料就要求干摩擦力強(qiáng)。

有關(guān)摩擦的機(jī)理，直到20世紀(jì)中葉才比較清楚地揭示出來(lái)，并逐漸成為現(xiàn)今廣泛接受的分子—機(jī)械理論、粘附理論等。對(duì)于金屬材料，特別是鋼，目前較多采用的是修正后的粘附理論。

修正后的粘附理論認(rèn)為，做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)金屬表面間的摩擦系數(shù)為

f=FfFn=界面剪切強(qiáng)度極限兩種金屬基體中的較軟的壓縮屈服極限

式中 f：摩擦系數(shù)；

Ff：摩擦力；

Fn：法向載荷。

② 邊界摩擦（邊界潤(rùn)滑）兩摩擦表面間有潤(rùn)滑油存在，由于潤(rùn)滑油與金屬表面的吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜.邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開，所以相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，這種狀態(tài)稱為邊界摩擦。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界油膜后，雖不能絕對(duì)消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。這種狀態(tài)的摩擦系數(shù)f≈0.1-0.3。潤(rùn)滑油中的脂肪酸是一種極性化合物，它的極性分子能牢固地吸附在金屬表面上。這些分子膜，稱為邊界膜。按邊界膜的形成機(jī)理，邊界膜分為吸附膜（物理吸附膜及化學(xué)吸附膜）和反應(yīng)膜。合理選擇摩擦副材料和潤(rùn)滑劑，降低便面粗糙度值，在潤(rùn)滑劑中加入適量的油性添加劑和極壓添加劑，都能提高邊界膜的強(qiáng)度。

③ 混合摩擦（混合潤(rùn)滑）兩摩擦表面，有較多的摩擦副處于干摩擦、邊界摩擦、流體摩擦的混合狀態(tài)，稱為混合摩擦?；旌夏Σ帘仨氃谝欢?rùn)滑條件下實(shí)現(xiàn)，故又稱為混合潤(rùn)滑。在一定的條件下，混合摩擦能夠有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)要比邊界摩擦?xí)r要小得多。但是因?yàn)楸砻骈g仍有輪廓峰的直接接觸，所以不可避免地仍有磨損存在。

④ 流體摩擦（流體潤(rùn)滑）兩摩擦表面被一流體層 （液體或氣體） 隔開，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的稱為流體摩擦。流體摩擦必須在一定潤(rùn)滑條件下才能實(shí)現(xiàn)，故又稱為流體潤(rùn)滑。流體摩擦潤(rùn)滑的性質(zhì)取決于粘性流體的內(nèi)摩擦力。粘度是衡量?jī)?nèi)摩擦力大小的指標(biāo)，粘度越大，摩擦力也越大。

2.2 磨損

摩擦體間接觸的表面材料，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象。是摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，是造成機(jī)械零件失效的主要原因之一。如果能有效的控制磨損現(xiàn)象，減少設(shè)備維修費(fèi)用，提高使用壽命，意義十分重大。磨損一般由摩擦引起，磨損與摩擦力、摩擦系數(shù)之間的關(guān)系復(fù)雜。而且影響磨損的因素很多，載荷、速度、濕度、溫度、環(huán)境介質(zhì)、材料等諸因素均可影響磨損量或磨損機(jī)理的改變。因此，系統(tǒng)地研究和掌握磨損的機(jī)理、磨損變量與摩擦學(xué)有關(guān)參量的函數(shù)關(guān)系，對(duì)提高研究和應(yīng)用水平十分重要。

磨損按磨損機(jī)理主要分成： 粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損、侵蝕和氣蝕等。一個(gè)零件的磨損過程大致可分為三個(gè)階段，即磨合階段、穩(wěn)定磨損階段及劇烈磨損階段。在設(shè)計(jì)或使用機(jī)器時(shí)，應(yīng)該力求縮短磨合期，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來(lái)。

2.3 潤(rùn)滑

潤(rùn)滑是摩擦學(xué)研究的重要內(nèi)容。改善摩擦副的摩擦狀態(tài)以降低摩擦阻力減緩磨損的技術(shù)措施。一般通過潤(rùn)滑劑來(lái)達(dá)到潤(rùn)滑的目的。另外，潤(rùn)滑劑還有防銹、減振、密封、傳遞動(dòng)力等作用。 充分利用現(xiàn)代的潤(rùn)滑技術(shù)能顯著提高機(jī)器的使用性能和壽命并減少能源消耗。潤(rùn)滑劑按其形態(tài)可分為液態(tài)潤(rùn)滑劑、氣態(tài)潤(rùn)滑劑和固態(tài)潤(rùn)滑劑三大類。

3.摩擦學(xué)的發(fā)展歷史

人類對(duì)摩擦現(xiàn)象早有認(rèn)識(shí)，并能用來(lái)為自己服務(wù)，如史前人類已知鉆木取火。應(yīng)用礦物油作潤(rùn)滑劑的記載最早見于西晉張華所著《博物志》。書中提到酒泉延壽和高奴有石油，并且用于“膏車及水碓甚佳”。但長(zhǎng)久以來(lái)摩擦學(xué)的研究進(jìn)展緩慢。直到15世紀(jì)，意大利的列奧納多·達(dá)芬奇才開始把摩擦學(xué)引入理論研究的途徑。1785年，法國(guó)C.庫(kù)侖繼前人的研究，用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。

后來(lái)又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年，英國(guó)的F.P.鮑登等人開始用材料粘著概念研究干摩擦。1950年，鮑登提出了粘著理論。關(guān)于潤(rùn)滑的研究，英國(guó)的O·雷諾于1886年繼前人觀察到的流體動(dòng)壓現(xiàn)象，總結(jié)出流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論。20世紀(jì)50年代普遍應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)之后，線接觸彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的理論有所突破。對(duì)磨損的研究開展較晚，50年代提出粘著理論后，60年代在相繼研制出各種表面分析儀器的基礎(chǔ)上，磨損研究才得以迅速開展。至此綜合研究摩擦、潤(rùn)滑和磨損相互關(guān)系的條件已初步具備，并逐漸形成摩擦學(xué)這一新的發(fā)展中的學(xué)科。然而發(fā)展成為Tribology還是1966年的事。中譯Tribology為“摩擦學(xué)”，在1980年冬才被正式確定。美國(guó)接受以Tribology代替Lubrication的地位，始于1984年。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。（作者單位：鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)加工工藝詞典

[2]濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì). 8版. 北京：高等教育出版社，2006