摩擦學的范疇與發展歷史 馬玉春

摘要：綜述了摩擦學的范疇（摩擦學是研究相對運動的相互作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關系的基礎理論和實踐的一門邊緣學科），并對其發展歷史進行了概述。

關鍵詞：摩擦學；范疇；發展歷史

1.摩擦學的簡介

摩擦學是研究摩擦力和與之有關聯的潤滑劑、磨蝕劑、表面磨損等的學科。也包括對諸如摩擦電流、摩擦發光等摩擦效應的研究。它研究相互接觸的運動表面間的相互作用及有關的理論與實踐，接觸表面相對運動時產生摩擦。摩擦過程中一系列的物理、化學和力學的變化導致材料的磨損。為了減少磨損，采用各種方式進行潤滑。這是一門涉及力學、物理學、化學和冶金學等多學科的邊緣學科。

2.摩擦學的范疇

2.1 摩擦

當在正壓力的作用下相互接觸的兩個物體受切向外力的影響而發生相對滑動，或者有相對滑動的趨勢時，在接觸表面上就會產生抵抗滑動的阻力，這一現象叫做摩擦。摩擦可以分為兩大類，一類是發生在物質內部，阻礙分子間的相對運動的內摩擦；另一類是相互接觸的兩個物體發生相對滑動或者有相對滑動的趨勢時，在接觸表面上產生的阻礙相對滑動的外摩擦。對于外摩擦，僅有相對滑動趨勢時的摩擦叫做靜摩擦；相對滑動進行中的叫做動摩擦。根據位移形式的不同，動摩擦又分為滑動摩擦和滾動摩擦。根據摩擦面間存在潤滑劑的情況，滑動摩擦又可分為干摩擦、邊界摩擦（邊界潤滑）、流體摩擦（流體潤滑）及混合摩擦（混合潤滑）。

① 干摩擦干摩擦是指物件間或試樣間不加任何潤滑劑時的摩擦作用。在工程實際中，并不存在真正的干摩擦，因為任何零件的表面不僅會因氧化而形成氧化膜，而且多少也會被含有潤滑劑分子的氣體所潤滑或者受到“油污”。在機械設計中，通常把未有經過人為潤滑的摩擦狀態當作“干摩擦”處理。是衡量摩阻材料的一個重要指標，利用干摩擦的作用將動能轉化為熱能，并加以吸收或散失以減少對磨表面相對運動速度，如剎車片這類材料就要求干摩擦力強。

有關摩擦的機理，直到20世紀中葉才比較清楚地揭示出來，并逐漸成為現今廣泛接受的分子—機械理論、粘附理論等。對于金屬材料，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為，做相對運動的兩個金屬表面間的摩擦系數為

f=FfFn=界面剪切強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；

Ff：摩擦力；

Fn：法向載荷。

② 邊界摩擦（邊界潤滑）兩摩擦表面間有潤滑油存在，由于潤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，所以相互運動時，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，這種狀態稱為邊界摩擦。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界油膜后，雖不能絕對消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。這種狀態的摩擦系數f≈0.1-0.3。潤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。按邊界膜的形成機理，邊界膜分為吸附膜（物理吸附膜及化學吸附膜）和反應膜。合理選擇摩擦副材料和潤滑劑，降低便面粗糙度值，在潤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度。

③ 混合摩擦（混合潤滑）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，稱為混合摩擦。混合摩擦必須在一定潤滑條件下實現，故又稱為混合潤滑。在一定的條件下，混合摩擦能夠有效降低摩擦阻力，其摩擦系數要比邊界摩擦時要小得多。但是因為表面間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（流體潤滑）兩摩擦表面被一流體層 （液體或氣體） 隔開，摩擦性質取決于流體內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滑條件下才能實現，故又稱為流體潤滑。流體摩擦潤滑的性質取決于粘性流體的內摩擦力。粘度是衡量內摩擦力大小的指標，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，由于相對運動而不斷損失的現象。是摩擦學研究的重要內容之一，是造成機械零件失效的主要原因之一。如果能有效的控制磨損現象，減少設備維修費用，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、摩擦系數之間的關系復雜。而且影響磨損的因素很多，載荷、速度、濕度、溫度、環境介質、材料等諸因素均可影響磨損量或磨損機理的改變。因此，系統地研究和掌握磨損的機理、磨損變量與摩擦學有關參量的函數關系，對提高研究和應用水平十分重要。

磨損按磨損機理主要分成： 粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損、侵蝕和氣蝕等。一個零件的磨損過程大致可分為三個階段，即磨合階段、穩定磨損階段及劇烈磨損階段。在設計或使用機器時，應該力求縮短磨合期，延長穩定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。

2.3 潤滑

潤滑是摩擦學研究的重要內容。改善摩擦副的摩擦狀態以降低摩擦阻力減緩磨損的技術措施。一般通過潤滑劑來達到潤滑的目的。另外，潤滑劑還有防銹、減振、密封、傳遞動力等作用。 充分利用現代的潤滑技術能顯著提高機器的使用性能和壽命并減少能源消耗。潤滑劑按其形態可分為液態潤滑劑、氣態潤滑劑和固態潤滑劑三大類。

3.摩擦學的發展歷史

人類對摩擦現象早有認識，并能用來為自己服務，如史前人類已知鉆木取火。應用礦物油作潤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”。但長久以來摩擦學的研究進展緩慢。直到15世紀，意大利的列奧納多·達芬奇才開始把摩擦學引入理論研究的途徑。1785年，法國C.庫侖繼前人的研究，用機械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。

后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學理論。1935年，英國的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。關于潤滑的研究，英國的O·雷諾于1886年繼前人觀察到的流體動壓現象，總結出流體動壓潤滑理論。20世紀50年代普遍應用電子計算機之后，線接觸彈性流體動壓潤滑的理論有所突破。對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上，磨損研究才得以迅速開展。至此綜合研究摩擦、潤滑和磨損相互關系的條件已初步具備，并逐漸形成摩擦學這一新的發展中的學科。然而發展成為Tribology還是1966年的事。中譯Tribology為“摩擦學”，在1980年冬才被正式確定。美國接受以Tribology代替Lubrication的地位，始于1984年。隨著科學技術的發展，摩擦學的理論和應用必將由宏觀進入微觀，由靜態進入動態，由定性進入定量，成為系統綜合研究的領域。（作者單位：鄭州大學機械工程學院）

參考文獻：

[1]機加工工藝詞典

[2]濮良貴，紀名剛. 機械設計. 8版. 北京：高等教育出版社，2006