表面磨损表面磨损如何影响材料的摩擦特性

于澍等：炭／炭刹车副表亘堡鏖　壁堡壁塑丝鳇　墅堕　．—————　———●－－－－—＿＿－＿＿————＿＿＿＿—————●Ｈ———————●—————＿————＿－＿—＿———＿—＿＿—————　————＿＿＿＿－————●－＿—＿＿————————一。　

炭／炭刹车副表面硬度对摩擦磨损性能的影响　

于　澍　，张红波　，熊　翔　，黄伯云　，张传福　，曾维亚　

（１－中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙４１００８３；２．邵阳市第三中学，湖南邵阳４２２０００）　

摘要：　对等温ＣＶＤ沉积所得两种不同结构的炭／　

炭复合材料，不同表面硬度下的摩擦磨损性能进行了　

研究。其中Ａ材料是光滑层结构，Ｂ材料是粗糙层和　

光滑层的混合结构。摩擦试验在实验室规模的ＭＭ—　

ｉ０００摩擦试验机上进行。试验表明：随着热处理温度　

的提高，不同材料的表面硬度均在下降；但在经历相同　

热处理温度后，Ｂ材料的表面硬度比Ａ材料的低；表面　

硬度较低的Ｂ材料塑性较强，摩擦面上的磨屑易于形　

成致密、连续的摩擦膜，有利于保持稳定而较高的摩擦　

系数。　

关键词：　炭／炭复合材料；表面硬度；摩擦性能　

中图分类号：ＴＢ３３２　文献标识码：Ａ　

文章编号：ｉ００１—９７３１（２００６）０９—１４５９—０４　

１　引　言　

炭／炭复合材料具有比强度高、比热容高、耐高温、　

密度低等优点，另外，其导热性能优良、热膨胀系数小。　

这些性能决定它能同时完成刹车副的３项功能：提高　

摩擦、传递机械载荷和吸收动能，因此又被称为结构炭　

材料［１　］。炭／炭复合材料刹车盘不仅能避免传统粉　

末冶金钢刹车盘在使用过程中出现的易变形、开裂、刹　

车力矩不稳定、使用寿命短、维护工作量大等问题，而　

且由于其炭材料的化学惰性，不受酸雾以及海水的侵　

蚀，在各种气候条件下均能使用，大大提高了飞机刹车　

装置的安全性和可靠性。炭／炭复合材料已成为新一　

代航空制动材料的发展方向　］。　

炭／炭复合材料的摩擦磨损性能是其作为航空刹　

摩擦、磨损和润滑

§1 摩 擦

在一定的压力下，表面间摩擦阻力的大小与两表面间的摩擦状态有密切关系，不同摩擦状态下，产生摩擦的物理机理是不同的。

一、 摩擦状态

按摩擦状态，即表面接触情况和油膜厚度，可以将滑动摩擦分为四大类，干摩擦、边界摩擦（润滑）、液体摩擦（润滑）和混合摩擦（润滑），如图所示。

1.干摩擦 两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。在工程实际中没有真正的干摩擦，因为暴露在大气中的任何零件的表面，不仅会因氧气而形成氧化膜，且或多或少也会被润滑油所湿润或受到"污染"，这时，其摩擦系数将显著降低。在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。

2.边界摩擦 两摩擦表面各附有一层极薄的边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩擦状态称为边界摩擦。与干摩擦相比，摩擦状态有很大改善，其摩擦和磨损程度取决于边界膜的性质、材料表面机械性能和表面形貌。

3.液体摩擦 两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰不直接接触的摩擦。此种润滑状态亦称液体润滑，摩擦是在液体内部的分子之间进行，故摩擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。关于液体摩擦（液体润滑）的问题，将在滑动轴承中进一步讨论。

4.混合摩擦 两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体摩擦的状态称为混合摩擦。

二、干摩擦理论

干摩擦理论主要有：

（1） 机械理论认为摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和，因而可解释为什么表面愈粗糙，摩擦力愈大；

（2）

分子-机械理论认为摩擦力是由表面凸峰间的机械啮合力F1和表面分子相互吸引力F2两部分组成，因而这一理论可解释为什么当接触表面光滑时，摩擦力也会很大。但上述两种理论不能解释能量是如何被消耗的；

（3）粘着理论；

（4）能量理论等。

a) 结点 b) 界面剪切 c)

软金属剪切

a) 结点 b) 界面剪切 c) 软金属剪切

摩擦和磨损的联系

一、摩擦和磨损的基本概念及关系

摩擦力是指两个接触物体相对运动时出现的阻力，而磨损是指固体表面在相对运动或接触过程中，由于摩擦力所引起的物质的消耗和形貌的变化。摩擦和磨损密切相关，两者之间存在着紧密的联系。本文将对摩擦和磨损的关系进行全面深入的探讨。

二、摩擦对磨损的影响

1. 摩擦对磨损程度的影响

摩擦力的大小直接决定了磨损的程度。当两个物体之间的摩擦力增大时，磨损程度也会相应增加。摩擦力的大小与物体间的相互作用力、表面粗糙度以及润滑情况等因素密切相关。

2. 摩擦对磨损方式的影响

摩擦力的作用下，可以产生不同的磨损方式。当两个物体间的摩擦力较小时，可能会出现微小的磨粒，造成表面磨损；当摩擦力增大时，可能会出现表面剥蚀、刮伤等更为明显的磨损方式。

3. 摩擦对磨损速率的影响

摩擦力的大小还会直接影响磨损速率。摩擦力越大，物体表面的材料消耗速度越快，磨损速率也会相应增加。因此，在工程设计中需要合理控制摩擦力的大小，以减缓磨损速率，延长材料的使用寿命。 三、磨损对摩擦的影响

1. 磨损对摩擦力的影响

磨损会造成物体表面的不平整，增加了摩擦力的大小。磨损表面的粗糙度会显著影响摩擦力的大小。当物体表面经过长时间的磨损后，摩擦力可能会大幅增加，从而对摩擦产生重大影响。

2. 磨损对摩擦过程的影响

磨损会改变物体表面的形貌和材料特性，从而对摩擦过程产生影响。磨损会使物体表面变得粗糙，增加了接触面积，改变了摩擦系数。此外，磨损还会引起表面的氧化、硬质颗粒剥离等现象，进一步改变了摩擦过程的特性。

3. 磨损对摩擦耐磨性能的影响

磨损会降低物体的摩擦耐磨性能。物体经过长时间的磨损后，表面会变得疲劳、龟裂、掉屑等，从而降低了摩擦耐磨性能。因此，在工程设计中需要充分考虑材料的磨损特性，选择具有较高耐磨性的材料，以提高摩擦耐磨性能。

四、如何减少摩擦和磨损

1. 合理润滑

润滑是减少摩擦和磨损的重要手段之一。润滑可以在物体表面形成一层保护膜，减少摩擦力的大小，降低磨损程度。根据工况的不同，可以选择干润滑、液体润滑或固体润滑等方式，以达到减少摩擦和磨损的效果。

第26卷　第1期摩擦学学报Vol26,　No12006年1月TRIBOLOGYJan,2006

仿生非光滑表面铸铁材料的

常温摩擦磨损性能

宋起飞,周　宏,李　跃,王　磊,单宏宇,张志辉,任露泉

(吉林大学汽车材料教育部重点实验室,吉林长春　130025)

摘要:模仿动物体表形态,在试样表面通过激光雕刻出有规则分布的凹坑以及条纹等非光滑单元体,研究了具有非光滑表面材料的摩擦磨损性能.结果表明:非光滑表面材料的耐磨性较光滑表面提高1倍以上,摩擦系数提高66%以上;当非光滑表面的单元体硬度越高、直径越大和间距越小时,其耐磨性能越好,摩擦系数越大.这是由于激光加工的单元体相当于在母体上增加了许多强化质点,比母体具有较高的硬度和致密性,能够提高抗磨性,增加表面粗糙度,所以其耐磨性提高,摩擦系数增大.关键词:仿生;非光滑;表面;材料;摩擦磨损性能中图分类号:TG115.5+8;TH117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595(2006)01-0024-04

近年来,随着我国汽车保有量增加和平均速度

提高,其运行可靠性问题日益突出,特别是特殊工

况条件下的摩擦制动问题,如高温、高速下的摩擦磨损以及加载电流摩擦磨损等,由于其工作环境恶劣

且影响因素复杂,日益受到各国科研人员广泛重

视[1].对摩擦制动材料来说,摩擦与磨损是滑动过程

中既相关又矛盾的2个方面,需要有一定的摩擦阻力而又不引起过大磨损,即提高材料摩擦系数的同

时又延长制动盘(毂)的寿命一直是制动器研究者最

关注的问题.目前使用和正在研究的汽车制动盘

(毂)材料主要是铸铁和金属基复合材料两大类.由于铸铁具有一定强度和良好耐磨性,且制造成本较低,

因此长期以来一直用于汽车制动盘材料.金属基复合

材料虽然具有许多优异性能[2,3],但其价格较高,且尚未解决与之匹配的偶件材料问题,故有关研究尚

处于起始和实验阶段.

生物体结构经过20亿年物竟天择的优化,几乎

是完美无缺的.通过对某些动物如螳螂、穿山甲及竹材等研究发现,生物体表呈非光滑形态,且具有良好