固体表面的接触.pptx

第三章第三章 固体表面的接触固体表面的接触 n一、在外加载荷作用下，两个粗糙表面接触时，一、在外加载荷作用下，两个粗糙表面接触时，其接触特性及变形特性如何？其接触特性及变形特性如何？n二二、两球体在载荷作用下发生弹性接触时，其假、两球体在载荷作用下发生弹性接触时，其假设条件是什么？接触面积与载荷之间的关系如何设条件是什么？接触面积与载荷之间的关系如何？n三、接触变形有哪些种类？三、接触变形有哪些种类？n四、平面与多凸体接触时，在简单模型条件下接四、平面与多凸体接触时，在简单模型条件下接触面积与载荷的关系？触面积与载荷的关系？n五、什么是塑性指数？塑性指数如何影响两表面五、什么是塑性指数？塑性指数如何影响两表面之间的实际接触面积？之间的实际接触面积？n六、实际接触面积与载荷之间的关系由什么因素六、实际接触面积与载荷之间的关系由什么因素决定？决定？n七、要使材料能够承受较大的载荷而不产生屈服，七、要使材料能够承受较大的载荷而不产生屈服，应该怎样选材？应该怎样选材？n八、如何测量接触面积？八、如何测量接触面积？固体表面的接触是研究摩擦磨损的基础，如固体表面的接触是研究摩擦磨损的基础，如果不了解两个固体表面接触时的情况，就无法搞果不了解两个固体表面接触时的情况，就无法搞清摩擦和磨损的实质。清摩擦和磨损的实质。接触表面间的相互作用接触表面间的相互作用 实实际际上上只只在在少少数数较较高高的的微微凸凸体体上上产产生生接接触触，由由于于实实际际接接触触面面积积很很小小而而接接触触点点上上的的应应力力很很大大，因因此此在在接接触触点点上上发发生生塑塑性性流流动动、粘粘着着或或冷冷焊焊。这种接触点叫做这种接触点叫做接点，也称粘着点或结点接点，也称粘着点或结点。金属间的焊合性金属间的焊合性：与两金属性质有关。：与两金属性质有关。机机械械相相互互作作用用：较较硬硬的的表表面面微微凸凸体体会会嵌嵌入入较较软软的的表表面面中中，较较软软的的材材料料表表面面微微凸凸体体被被压压扁扁和改变形状。和改变形状。理想固体表面间的接触理想固体表面间的接触 所所谓谓理理想想的的固固体体表表面面，是是指指不不考考虑虑其其粗粗糙糙度度的的理理想想光光滑滑表表面面。理理想想固固体体表表面面的的接接触触问问题题是是接触力学研究的重要基础内容。接触力学研究的重要基础内容。根据其接触特点，通常可将理想固体表面根据其接触特点，通常可将理想固体表面的接触问题分为的接触问题分为点接触和线接触点接触和线接触两种情况加以两种情况加以讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否可逆，讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否可逆，固体表面的接触又有固体表面的接触又有弹性接触和塑性接触弹性接触和塑性接触之分。之分。一、接触面积一、接触面积 对实际粗糙表面的接触，定义了三种含义对实际粗糙表面的接触，定义了三种含义不同的接触面积，即不同的接触面积，即名义接触面积名义接触面积An、轮廓轮廓接触面积接触面积Ac和和实际接触面积实际接触面积 Ar。接触面积接触面积所谓所谓名义接触面积名义接触面积，又称表观接触面积，即是把参，又称表观接触面积，即是把参与接触的两表面看成是理想的光滑面的宏观面积，记为与接触的两表面看成是理想的光滑面的宏观面积，记为An，它由接触表面的外部尺寸决定。名义接触面积为，它由接触表面的外部尺寸决定。名义接触面积为:轮廓接触面积轮廓接触面积，即是接触表面被压平部分所形成的，即是接触表面被压平部分所形成的面积，如图中的小圈范围内所示的面积，记作面积，如图中的小圈范围内所示的面积，记作Ac。轮轮廓接触面积廓接触面积Ac仍然是一种假设的接触面积，约占名义仍然是一种假设的接触面积，约占名义接触面积的接触面积的515%。Ac（515%）Aa 接触面积接触面积 实实际际接接触触面面积积，即即是是两两接接触触表表面面真真实实接接触触面面积积的的总总和和，记记为为Ar。它它是是由由粗粗糙糙表表面面较较高高微微凸凸体体接接触触构构成成的的微微观观接接触触面面积积。即即图图中中虚虚线线围围住住的的中中间间小小黑黑点点的的总总和和。实实际际接接触触面面积积在在摩摩擦擦学学中具有重要意义。中具有重要意义。Ar的的大大小小与与许许多多因因素素有有关关，主主要要与与表表面面粗粗糙糙度度、接接触触物物体体的的刚刚性性和和外外界界载载荷荷的的大大小小有有关关。在在一一般般情情况况下下，Ar只只占占Aa的的很小一部分，约为很小一部分，约为Ar（0.010.1%）Aa。真实接触面积随载荷变化的情况（真实接触面积随载荷变化的情况（20 cm2的接触表面）的接触表面）加载负荷，加载负荷，N Ar，cm2 20 25X10 5 200 20X10-4 500 5X10-2VW 阿查德（阿查德（Archard）认为，在弹性接触的情）认为，在弹性接触的情况下，实际接触面积与所加载荷的关系可用下式况下，实际接触面积与所加载荷的关系可用下式描述描述 m取决于表面接触模型取决于表面接触模型 接触面积接触面积 二、接触模型 由由于于A Ar r很很小小，故故在在此此面面积积上上的的接接触触压压力力远远远远大大于于A Aa a上上的的压压力力。为为了了计计算算A A上上的的压压力力，首首先先将将微微凸凸体体的的形形状状模模型型转转化化为为宏宏观观的的规规则则几几何何形形状状，一一般般可可假假设设为为球球体体、圆圆柱柱体体、锥锥体体等等形形状状的的组组合合接接触触。在在多多数数情况下，都按球状微凸体进行分析和计算。情况下，都按球状微凸体进行分析和计算。三三.接触及接触变形的方式接触及接触变形的方式接触变形方式：弹性接触（Hertz接触）塑性接触弹塑性接触接触方式：点接触、线接触、面接触Ball-on-diskPin on-diskPin on-ring四、载荷与接触应力、接触变形 1 1、两平行圆柱体的接触、两平行圆柱体的接触接触宽度接触宽度b，最大接触应力，最大接触应力max及中心距接近量及中心距接近量 接触宽度接触宽度b b，最大接触应力，最大接触应力maxmax及中心距接近量及中心距接近量 b=max=、E分别为材料的泊桑比和弹性模量 n结论：结论：接接触触面面上上的的最最大大接接触触应应力力maxmax及及接接触面积均与载荷触面积均与载荷F F的平方根成比例。的平方根成比例。2 2、两球体的接触、两球体的接触 接触宽度a，最大接触应力max及中心距接近量max=接接触触面面上上的的最最大大接接触触应应力力maxmax与与载载荷荷的的立立方方根根成成正正比比。与与两两圆圆柱柱体体的的接接触触比比较较，球球体体接接触触面面上上的的应应力力值值与与载载荷荷关关系较不敏感。系较不敏感。五、接触面积的计算五、接触面积的计算1 1、单一球体同光滑平面的接触、单一球体同光滑平面的接触 接触面上的压力和变形可以用单个球体接触时的赫兹接触公式接触面上的压力和变形可以用单个球体接触时的赫兹接触公式进行计算。进行计算。载荷为：F=弹性变形后接触面积为:A=可见，真实接触面积与载荷的可见，真实接触面积与载荷的2/3次方成正比。次方成正比。2、简单粗糙表面接触 假设粗糙表面微凸体的形状和大小都一样，且假设粗糙表面微凸体的形状和大小都一样，且为分布在同一高度上的半球形微凸体，并设与为分布在同一高度上的半球形微凸体，并设与其接触的是理想的刚性平面其接触的是理想的刚性平面 1 1）弹性变形）弹性变形 弹性变形时，载荷与真实接触面积的弹性变形时，载荷与真实接触面积的3/23/2次方成正比。次方成正比。总载荷为：真实接触面积为：载荷和面积的关系为：2 2）塑性接触塑性接触 当当载载荷荷较较大大时时，由由于于真真实实接接触触面面积积很很小小，接接触触面面积积上上的的应应力力可可能能达达到到材材料料的的屈屈服服极极限限s s，使接触面积上的材料发生塑性变形。使接触面积上的材料发生塑性变形。总载荷为总载荷为 F=nFF=nFi i=nA=nAi is s=A=Ar rHBHBA Ar r为塑性变形后的真实接触面积为塑性变形后的真实接触面积,A,Ar r=2R=2R2 2 由上式可见由上式可见塑性变形后的真实接触面积与载荷塑性变形后的真实接触面积与载荷成正比成正比,且比弹性变形的真实接触面积大一倍。且比弹性变形的真实接触面积大一倍。NA rN切向力切向力FA0 AAr=A0+A3 3、微凸体高度随机分布时与光滑平面的接触、微凸体高度随机分布时与光滑平面的接触 实际粗糙表面与光滑表面接触模型实际粗糙表面与光滑表面接触模型 表面轮廓高度按正态规律分布的接触模型表面轮廓高度按正态规律分布的接触模型 A Ar r=n=na aR Re e-h-h F=2 nF=2 na aR EeR Ee-h-h F=F=na单位面积内微凸体数；为轮廓高度的均方根偏差。h=当微凸体高度随机分布时，随载荷增大，真实接当微凸体高度随机分布时，随载荷增大，真实接触面面积和实际接触面点数目成正比例增大。触面面积和实际接触面点数目成正比例增大。4 4、接触性质的判断、接触性质的判断塑性指数塑性指数 弹性变形和塑性变形的转变点，可用塑性指数来衡量：弹性变形和塑性变形的转变点，可用塑性指数来衡量：式中式中 E E 综合弹性模量；综合弹性模量；H HB B 材料的硬度；材料的硬度；RaRa 轮廓算术平均偏差；轮廓算术平均偏差；R R 微凸峰的曲率半径。微凸峰的曲率半径。n当当表表面面粗粗糙糙度度R Ra a值值大大，R R小小，H HB B低低，则则 值值大大，接触变形容易达到塑性状态；接触变形容易达到塑性状态；n反反之之，表表面面光光洁洁，微微凸凸体体曲曲率率半半径径大大，硬硬度度高，高，值小，则接触变形可能为弹性。值小，则接触变形可能为弹性。当当 0.60.6时，为弹性变形；时，为弹性变形；1 1时，开始出现塑性变形；时，开始出现塑性变形；1010时，完全为塑性变形。时，完全为塑性变形。由由于于大大多多数数表表面面的的 值值都都超超过过1 1，所所以以几几乎乎在在任任何何接接触触情情况况下下，都都有有某某些些接接触触微微凸凸体体为为塑塑性性变变形。形。四、研究接触特性的方法