摩擦与润滑4金属材料成形中的摩擦.pptx

4.1摩擦界面与摩擦的分类摩擦界面与摩擦的分类摩擦界面摩擦界面：根据纯力学观点，把界面看作是处于刚性膜和变形金属间的具有剪切强根据纯力学观点，把界面看作是处于刚性膜和变形金属间的具有剪切强度度i i的连续膜。不论界面是什么物质，还是有什么变化，可以采用一个适当的的连续膜。不论界面是什么物质，还是有什么变化，可以采用一个适当的i i（或（或）值反应对摩擦过程的影响，但不能充分解释摩擦界面的摩擦行为。因此，）值反应对摩擦过程的影响，但不能充分解释摩擦界面的摩擦行为。因此，必须从宏观、微观界面及摩擦环境方面进行研究。必须从宏观、微观界面及摩擦环境方面进行研究。宏观界面宏观界面 宏观上看，工模具不是刚性体，而是具有一定强度的弹塑性体，在材料成形时产生宏观上看，工模具不是刚性体，而是具有一定强度的弹塑性体，在材料成形时产生弹性变形，甚至发生塑性变形。弹性变形，甚至发生塑性变形。工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大，工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大，若配合的紧密或完全吻合，可能发生互相吸引和粘着。在成形时，由于摩擦热和变若配合的紧密或完全吻合，可能发生互相吸引和粘着。在成形时，由于摩擦热和变形热使界面的温度升高，则对润滑与材料的性能有重要的影响。形热使界面的温度升高，则对润滑与材料的性能有重要的影响。4.金属材料成形中的摩擦金属材料成形中的摩擦微观界面微观界面 从宏观角度不能完全解释摩擦学现象，必须从微观方面研究界面的形貌和结构对摩从宏观角度不能完全解释摩擦学现象，必须从微观方面研究界面的形貌和结构对摩擦和润滑的影响。擦和润滑的影响。1 1工模具和变形金属的表面凹凸不平工模具和变形金属的表面凹凸不平 2 2摩摩擦擦过过程程中中工工模模具具和和变变形形金金属属在在形形成成的的界界面面上上会会发发生生元元素素的的互互扩扩散散，改改变变二二表表面面的结构和性能。的结构和性能。3 3材料成形过程中，金属材料的表面存在反应膜和吸附膜，纯洁表面是不存在的。材料成形过程中，金属材料的表面存在反应膜和吸附膜，纯洁表面是不存在的。摩擦环境摩擦环境 宏观上看，工模具不是刚性体，而是具有一定强度的弹塑性体，在材料成形时产生宏观上看，工模具不是刚性体，而是具有一定强度的弹塑性体，在材料成形时产生弹性变形，甚至发生塑性变形。弹性变形，甚至发生塑性变形。工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大，工模具与变形材料的界面结合状态对摩擦影响很大，若配合的紧密或完全吻合，可能发生互相吸引和粘着。在成形时，由于摩擦热和变若配合的紧密或完全吻合，可能发生互相吸引和粘着。在成形时，由于摩擦热和变形热使界面的温度升高，则对润滑与材料的性能有重要的影响。形热使界面的温度升高，则对润滑与材料的性能有重要的影响。材料不同成形方式与过程就构成了界面摩擦环境，这对摩擦过程有重要影响。材料不同成形方式与过程就构成了界面摩擦环境，这对摩擦过程有重要影响。1 1）成形过程中金属材料表面膜及润滑膜破裂，新生表面形成，易发生粘着摩擦。）成形过程中金属材料表面膜及润滑膜破裂，新生表面形成，易发生粘着摩擦。2 2界面的温度升高对摩擦界面的作用，温度过高会促进粘着并使润滑膜破坏。界面的温度升高对摩擦界面的作用，温度过高会促进粘着并使润滑膜破坏。3 3）界面压力影响润滑剂应力特性以及润滑剂与工模具、变形金属材料间的反应。）界面压力影响润滑剂应力特性以及润滑剂与工模具、变形金属材料间的反应。4 4润滑剂在界面上并非只形成简单的惰性膜，它的构成、性质、添加方法、分布润滑剂在界面上并非只形成简单的惰性膜，它的构成、性质、添加方法、分布等对摩擦界面都有重要的作用。等对摩擦界面都有重要的作用。摩擦分类摩擦分类按照摩擦副的运动形式分按照摩擦副的运动形式分 1)1)滑动摩擦滑动摩擦：当接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。两物体接触点的速度大小和：当接触表面相对滑动时的摩擦叫做滑动摩擦。两物体接触点的速度大小和方向不同，也可能仅是大小或方向不同。方向不同，也可能仅是大小或方向不同。2)2)滚动摩擦滚动摩擦：物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。两接触物体：物体在力矩的作用下沿接触表面滚动时的摩擦叫做滚动摩擦。两接触物体的接触点的速度大小和方向相同。的接触点的速度大小和方向相同。按照摩擦副表面润滑状态分按照摩擦副表面润滑状态分 1)1)干摩擦干摩擦：接触面间无任何介质的摩擦。：接触面间无任何介质的摩擦。真正的干摩擦在生产中是不存在的。通常所说真正的干摩擦在生产中是不存在的。通常所说的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。的干摩擦指的是不加润滑剂的摩擦状态。2)2)边界摩擦边界摩擦：两个接触面间有一层厚度不超过：两个接触面间有一层厚度不超过0.1m0.1m很薄的分子吸附膜很薄的分子吸附膜,在吸附层内润在吸附层内润滑剂分子成垂直于接触表面的定向排列。将两表面间仅存在润滑剂吸附层的摩擦称之滑剂分子成垂直于接触表面的定向排列。将两表面间仅存在润滑剂吸附层的摩擦称之为边界摩擦。为边界摩擦。3)3)流体摩擦流体摩擦：当两个物体接触表面间完全由液体润滑剂隔开，摩擦阻力只决定于流体的当两个物体接触表面间完全由液体润滑剂隔开，摩擦阻力只决定于流体的性质，而与接触面的状态无关时，这种摩擦叫流体摩擦性质，而与接触面的状态无关时，这种摩擦叫流体摩擦。4)4)固体膜摩擦固体膜摩擦：在两个物体接触表面间施加固态润滑剂：在两个物体接触表面间施加固态润滑剂,形成固体润滑膜形成固体润滑膜,将两接触表面将两接触表面隔开的摩擦称之为固体膜摩擦。隔开的摩擦称之为固体膜摩擦。5)5)混合摩擦混合摩擦：在实际生产中，摩擦状态常常会出现混合摩擦，即在接触面的不同部位分在实际生产中，摩擦状态常常会出现混合摩擦，即在接触面的不同部位分别发生干摩擦、边界摩擦和液体摩擦；或者别发生干摩擦、边界摩擦和液体摩擦；或者 发生其中两种摩擦。一般将干摩擦发生其中两种摩擦。一般将干摩擦 与边界摩与边界摩 擦混合的摩擦称之为半干摩擦；擦混合的摩擦称之为半干摩擦；边界摩擦和液边界摩擦和液 体摩擦混合的摩擦称之为体摩擦混合的摩擦称之为 半液体摩擦。半液体摩擦。4.2古典摩擦理论古典摩擦理论古典摩擦定律古典摩擦定律 对对摩摩擦擦现现象象进进行行科科学学研研究究,最最早早开开始始于于1515世世纪纪意意大大利利的的文文艺艺复复兴兴时时代代。达达.芬芬奇奇、阿阿蒙顿以及库仑等科学家提出了古典摩擦定律，即：蒙顿以及库仑等科学家提出了古典摩擦定律，即：*摩擦力的大小与接触物体间名义接触面积的大小无关。摩擦力的大小与接触物体间名义接触面积的大小无关。*摩擦力的大小与接触表面间的法向载荷成正比，摩擦力的方向总是与接触面积相摩擦力的大小与接触表面间的法向载荷成正比，摩擦力的方向总是与接触面积相 对运动速度的方向相反。对运动速度的方向相反。*静摩擦系数大于动摩擦系数，摩擦力的大小与接触面积间的相对滑动速度无关。静摩擦系数大于动摩擦系数，摩擦力的大小与接触面积间的相对滑动速度无关。F FN FN F摩擦力，摩擦力，摩擦系数，摩擦系数，N N正压力。正压力。古典摩擦定律中的参数古典摩擦定律中的参数（1 1）摩摩擦擦系系数数：古古典典摩摩擦擦定定律律认认为为摩摩擦擦系系数数是是一一个个常常数数（），但但实实际际的的摩摩擦擦系系数数不不是材料固有的特性，而是材料和环境条件的综合持性。是材料固有的特性，而是材料和环境条件的综合持性。（2 2）接触面积）接触面积：在古典摩擦理论中，摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积的大：在古典摩擦理论中，摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积的大小无关小无关（）。试验表明，实际接触面积与摩擦系数有关，随着实际接触面积的增。试验表明，实际接触面积与摩擦系数有关，随着实际接触面积的增加，摩擦系数增大，摩擦力亦增大。加，摩擦系数增大，摩擦力亦增大。（3 3）滑动速度）滑动速度：古典摩擦理论认为摩擦力大小与滑动速度无关：古典摩擦理论认为摩擦力大小与滑动速度无关（）。而实践表明，。而实践表明，对于许多材料来说，摩擦系数与滑动速度有关。对于许多材料来说，摩擦系数与滑动速度有关。（4 4）摩摩擦擦力力与与正正压压力力：经经典典摩摩擦擦理理论论认认为为摩摩擦擦力力的的大大小小与与接接触触表表面面间间的的法法向向载载荷荷成成正正比比（）。而而实实际际上上，对对于于某某些些很很硬硬或或很很软软的的材材料料，摩摩擦擦力力与与正正压压力力之之间间表表现现出出非非线性线性关系，此时：关系，此时：FCNB C常数，常数，B指数，指数，0.71.04.3近代摩擦理论近代摩擦理论机械理论机械理论 18世世纪纪以以前前，许许多多学学者者把把摩摩擦擦的的起起因因说说成成是是由由于于表表面面的的凹凹凸凸不不平平，即即当当两两个个固固体体表表面面相相接接触触时时，由由于于表表面面凹凹凸凸不不平平处处的的互互相相咬咬合合，而而产产生生了了阻阻碍碍两两物物体体流流动动的的阻阻力力，故故称称之之为为机机械械摩摩擦擦理理论论，这这个个理理论论完完全全建建立立在在纯纯几几何何概概念念上上，把把固固体体看看作作刚刚体体来研究的来研究的。当当II相对于相对于I克服作用力克服作用力N做运动时，做运动时，而被抬起，以越过凸峰。此时相当于物体而被抬起，以越过凸峰。此时相当于物体克服斜面进行运动，开始滑动时的静摩擦克服斜面进行运动，开始滑动时的静摩擦系数为系数为，tantan。因此，摩擦系数。因此，摩擦系数只与只与有关，而与载荷及接触面积无关，有关，而与载荷及接触面积无关，这复合经典摩擦理论这复合经典摩擦理论。机械摩擦理论只适于粗糙表面，对于表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生机械摩擦理论只适于粗糙表面，对于表面粗糙度达到使表面分子吸引力有效发生作用时，摩擦系数反而加大，这一问题就难以解释。因此，提出分子理论。后来库仑作用时，摩擦系数反而加大，这一问题就难以解释。因此，提出分子理论。后来库仑在整理摩擦力在整理摩擦力F F与正压力与正压力N N关系的试验时，也曾提出一个试验式：关系的试验时，也曾提出一个试验式：F FA A1 1 N N 作为整体的摩擦系数，其表达为：作为整体的摩擦系数，其表达为：1 1A/NA/N 当正应力当正应力N N很小时，摩擦系数显得很大，在很小时，摩擦系数显得很大，在N N曲线中存在一个高摩擦系数区，曲线中存在一个高摩擦系数区，然后随着正压力（正应力然后随着正压力（正应力的增加而降低，并趋近于某一定值。的增加而降低，并趋近于某一定值。式中式中A A的本质是粘着力的本质是粘着力，但当时库仑并不知道这一点。正因为如此，库仑把，但当时库仑并不知道这一点。正因为如此，库仑把A A看作看作摩擦力中辅助性、偶然的数值，于是就忽略了。后来有人提出分子摩擦理论。摩擦力中辅助性、偶然的数值，于是就忽略了。后来有人提出分子摩擦理论。分子理论分子理论 1717世世纪纪英英国国物物理理学学家家德德萨萨古古利利(J.T.Desaguliers)(J.T.Desaguliers)在在他他实实验验物物理理教教程程中中第第一一次次提提出出了了产产生生摩摩擦擦力力的的主主要要原原因因在在于于两两物物体体摩摩擦擦表表面面间间具具有有分分子子力力，即分子理论。即分子理论。托托姆姆林林森森(G.A.Tomlinson)(G.A.Tomlinson)和和苏苏联联的的捷捷里里亚亚)等等都都用用这这“分分子子说说”来来解解释释摩摩擦擦原原因因。托托姆姆林林森森是是应应用用分分子子间间存存在在吸吸力力和和斥斥力力的假说来解释摩擦原因。他认为：分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数。的假说来解释摩擦原因。他认为：分子间的吸力和斥力是分子间距离的函数。分子间的距离很小时，它们之间产生分子斥力，分子间的距离较大时，分子间的距离很小时，它们之间产生分子斥力，分子间的距离较大时，它们之间产生分子吸引力。由力的平衡条件可得，外法向压力它们之间产生分子吸引力。由力的平衡条件可得，外法向压力N N加上所有吸加上所有吸引力引力P Pi i应该等于所有斥力应该等于所有斥力P Pc c之和之和 ，即，即 N NP Pi i=P=Pc c 摩擦的原子（分子）模型摩擦的原子（分子）模型 为计算摩擦功，就要考虑上表面对下表面运动距离为计算摩擦功，就要考虑上表面对下表面运动距离X和相接触又分离的原子对数为和相接触又分离的原子对数为W。对于如图所示的理。对于如图所示的理想情况，原子中心间距为想情况，原子中心间距为d。在载荷。在载荷N作用下相接触的作用下相接触的原子数为原子数为n，那么，那么Wnx/d ，对于实际接触情况，在，对于实际接触情况，在不同的晶面可能有变化，所以对接触的原子数给予一个不同的晶面可能有变化，所以对接触的原子数给予一个修正值修正值a，即，即 Wa n x/d 考虑摩擦系数考虑摩擦系数 的意义，通过的意义，通过X距离，外力所作的距离，外力所作的 摩擦功摩擦功:N XW E a nE/dN =a E/dPc dxx 在两表面摩擦的情况下，原子偏离其原始平衡位置，当相对表面上原子运动过后，在两表面摩擦的情况下，原子偏离其原始平衡位置，当相对表面上原子运动过后，这原子就力图回到其平衡置，这原子就力图回到其平衡置，若要回到平衡位置运动的距离是若要回到平衡位置运动的距离是 l，原子间的内聚力为原子间的内聚力为 Fn，那么，那么，Fn lE =a Fnl/Pcd 按摩擦的分子或原子模型，可得出摩擦系数与正压力无关。而摩擦力与正压力按摩擦的分子或原子模型，可得出摩擦系数与正压力无关。而摩擦力与正压力（载荷）成正比，由于载荷对弹性接触面积及接触的原子对数的影响，从上述可以看（载荷）成正比，由于载荷对弹性接触面积及接触的原子对数的影响，从上述可以看出摩擦过程，既有变形过程，又有粘着过程。出摩擦过程，既有变形过程，又有粘着过程。粘着理论粘着理论 在英国，从在英国，从1938年开始，鲍登年开始，鲍登(Bowden)和他的学生，提出了著名的摩擦粘着理和他的学生，提出了著名的摩擦粘着理论。认为：当两表面相接触时，载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将论。认为：当两表面相接触时，载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将牢固的粘着，使两表面形成一体，即称为粘着或冷焊牢固的粘着，使两表面形成一体，即称为粘着或冷焊(焊接桥焊接桥)。随着接触面温度的升。随着接触面温度的升高，金属间扩散过程加剧，从而会促进金属的粘着。当一表面相对另一表面滑动时，高，金属间扩散过程加剧，从而会促进金属的粘着。当一表面相对另一表面滑动时，粘着点则被粘着点则被剪断剪断，而剪断这些连接的力，而剪断这些连接的力Fj就是摩擦力。如果一表面比另一表面硬一些，就是摩擦力。如果一表面比另一表面硬一些，则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟犁沟，这种犁沟的力，这种犁沟的力Fl也是摩擦力。也是摩擦力。故摩擦力是两种阻力之和。故摩擦力是两种阻力之和。F=Fj+Fl 粘着理论的摩擦系数与摩擦力粘着理论的摩擦系数与摩擦力 犁沟阻力可略去不计犁沟阻力可略去不计,设粘结点部分的剪切强度为设粘结点部分的剪切强度为b,则摩擦力为则摩擦力为:FAz.b=N/sb =F/N=bs 以以上上的的分分析析是是建建立立在在理理想想的的弹弹塑塑性性材材料料的的基基础础上上，忽忽略略了了冷冷作作硬硬化化的的影影响响，与与实实际际情情况况一一定定差差别别。为为了了更更接接近近实实际际情情况况，以以较较软软金金属属的的剪剪切切强强度度极极限限b代代替替金金属属点点的剪切强度的剪切强度b，则摩擦系数为：，则摩擦系数为：=bs （此式要修正此式要修正)接触点发生屈服，是与由法向载荷所造成的压应力接触点发生屈服，是与由法向载荷所造成的压应力和由切向载荷所造成的切应和由切向载荷所造成的切应力力的合成应力有关的合成应力有关，根据，根据s 2=2+2，N/Az，=F/Az,实际接触面积实际接触面积:Az2=（N/s）2+（F/s）2 这个理论只适用于金属对金属的摩擦。因为它是建立在下列假定的基础上的：这个理论只适用于金属对金属的摩擦。因为它是建立在下列假定的基础上的：(1)实际接触面积是由塑性变形来决定的；实际接触面积是由塑性变形来决定的；(2)两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开；两个接触表面是被一个剪切强度较低的膜隔开；(3)摩擦力是剪切膜所需要的力。摩擦力是剪切膜所需要的力。因因此此，在在应应用用这这个个理理论论时时必必须须考考虑虑这这些些假假定定。上上述述粘粘着着理理论论有有一一定定的的局局限限性性，因因为为实实际际金金属属表表面面都都被被许许多多膜膜覆覆盖盖，是是否否所所有有的的实实际际接接触触面面积积上上都都产产生生粘粘着着，污污染染膜膜之之间间能否产生粘着等等，还需进一步研究。能否产生粘着等等，还需进一步研究。分子机械理论分子机械理论 前苏联克拉盖里斯前苏联克拉盖里斯(K)从从1939年开始对固体摩擦的研究，第年开始对固体摩擦的研究，第一次明确地提出了分子一次明确地提出了分子机械理论。后来在他的著作中不断地完善了这一理论。机械理论。后来在他的著作中不断地完善了这一理论。分子分子机械理论基本观点机械理论基本观点摩擦的两重性：摩擦的两重性：摩擦是一个混合过程摩擦是一个混合过程，它既要克服，它既要克服分子相互作用力分子相互作用力，又要克服，又要克服机械变形的阻力机械变形的阻力。发生在接触处的总的阻力就是我们测得。发生在接触处的总的阻力就是我们测得的摩擦力。下图表示摩擦过程中接触表面的相互作用。的摩擦力。下图表示摩擦过程中接触表面的相互作用。当当两两表表面面相相对对滑滑动动时时，则则受受到到接接触触点点上上因因机机械械啮啮合合和和分分子子吸吸引引力力所所产产生生的的切切向向阻阻力的总和力的总和(摩擦力摩擦力)的作用，即的作用，即 F=Ff+Fj F-总的摩擦力总的摩擦力;Ff-摩擦力的分子作用组成部分摩擦力的分子作用组成部分;Fj-摩擦力的机械作用组成部分。摩擦力的机械作用组成部分。在切向移动时接触点被破坏的在切向移动时接触点被破坏的5种形式种形式（1）在表面微凸体压入深度较大）在表面微凸体压入深度较大(h/R0.1，h-压入深度压入深度,R-压入不平度圆弧半径压入不平度圆弧半径)，使材料剪切或划伤。使材料剪切或划伤。（2）(h/R0.1),这发生材料的弹性回复，成塑性挤压状态。这发生材料的弹性回复，成塑性挤压状态。（3）(h/R0.01),发生材料的弹性挤压状态。发生材料的弹性挤压状态。（4）如果分子相互作用）如果分子相互作用,部分形成比基体金属强度更低的连接这产生一般的粘着膜部分形成比基体金属强度更低的连接这产生一般的粘着膜 的破坏。的破坏。（5）如果分子相互作用部分形成比基体金属强度更高的连接）如果分子相互作用部分形成比基体金属强度更高的连接,则这种分子作用称为则这种分子作用称为 粘着。当晶格的平衡由于变形遭破坏粘着。当晶格的平衡由于变形遭破坏,很容易与另一固体的晶格相互作用，形成很容易与另一固体的晶格相互作用，形成 粘着连接。当固体切向移动的力大于粘着连接的强度时，粘着连接被剪切或撕粘着连接。当固体切向移动的力大于粘着连接的强度时，粘着连接被剪切或撕 裂，即基体材料的破坏。裂，即基体材料的破坏。1-压入深度较大压入深度较大;2-压入深度较小度压入深度较小度;3-压入深度更小压入深度更小;4-部分形成比基体金属强度更低部分形成比基体金属强度更低;5-部分形成比基体金属强度更高部分形成比基体金属强度更高4.4 金属材料成形的干摩擦理论金属材料成形的干摩擦理论从物理化学基础出发分析摩擦过程从物理化学基础出发分析摩擦过程：摩擦力的构成摩擦力的构成:1）粘粘着着点点剪剪断断力力:塑塑性性变变形形使使新新鲜鲜质质点点转转移移到到接接触触表表面面，同同时时高高温温高高压压作作用用会会加加强强分分子子间的吸引力，促使变形区接触面上发生黏着。间的吸引力，促使变形区接触面上发生黏着。2）犁沟力：工具表面较硬的微凸体压入较软的金属，产生犁沟所需要的力。）犁沟力：工具表面较硬的微凸体压入较软的金属，产生犁沟所需要的力。3）中中间间介介质质的的剪剪切切抗抗力力：一一般般中中间间介介质质的的剪剪切切抗抗力力要要比比变变形形金金属属小小的的多多，在在某某些些部部位位，滑移常常发生在中间介质层中，构成摩擦力的第三个部分。滑移常常发生在中间介质层中，构成摩擦力的第三个部分。摩擦条件对摩擦力构成的影响摩擦条件对摩擦力构成的影响 1)在在干干燥燥清清洁洁表表面面上上轧轧制制：由由于于洁洁净净金金属属裸裸露露，使使接接触触面面产产生生强强有有力力的的黏黏着着。滑滑移移将将由由接接触触界界面面转转移移到到变变形形金金属属的的接接触触层层中中进进行行,已已不不属属于于外外摩摩擦擦过过程程，而而是是在在金金属属靠靠近近接接触触表表面面层层内内产产生生的的激激烈烈滑滑移移(剪剪断断)，以以剪剪切切摩摩擦擦或或者者说说内内摩摩擦擦所所取取代代。此此时时的的摩摩擦擦力力大小为：大小为：FsA s金属剪切抗力，金属剪切抗力，A滑移面面积，接近于名义接触面积。滑移面面积，接近于名义接触面积。2)轧制覆盖有氧化皮层的金属轧制覆盖有氧化皮层的金属(热轧钢热轧钢)：又分为两种不同情况：又分为两种不同情况：（1）轧轧制制覆覆盖盖有有厚厚氧氧化化皮皮的的金金属属时时：滑滑移移可可能能发发生生在在下下列列4个个面面中中，滑滑移移抗抗力力最最小小的的那个面上进行：那个面上进行：在氧化皮和轧辊表面之间；在氧化皮和轧辊表面之间；在氧化皮层内；在氧化皮层内；在金属和氧化皮的边界上；在金属和氧化皮的边界上；在金属的内层。在金属的内层。比比如如：轧轧制制碳碳钢钢时时：碳碳钢钢氧氧化化皮皮如如下下图图，这这三三层层中中强强度度最最小小的的为为FeO：热热轧轧时时温温度度为为大大于于1200时时，起起滑滑移移抗抗力力几几乎乎为为0，滑滑移移一一般般在在该该层层进进行行。因因此此，在在热热轧轧时时有有时时会在氧化皮层出现轧辊打滑现象。会在氧化皮层出现轧辊打滑现象。Fe2O3Fe3O4FeOFe （2）轧制覆盖有）轧制覆盖有薄薄氧化皮的金属时氧化皮的金属时：氧化皮越薄，则：第一，它越容易被轧辊冷却，：氧化皮越薄，则：第一，它越容易被轧辊冷却，强度很高；第二，它和金属表面黏着越坚固。此时，接触区可分为强度很高；第二，它和金属表面黏着越坚固。此时，接触区可分为3个不同区段：个不同区段：区：氧化皮发生了变形，并且金属基体被犁沟；区：氧化皮发生了变形，并且金属基体被犁沟；区：氧化皮和基体金属坚固黏着，在轧辊和氧化皮边界进行滑移；区：氧化皮和基体金属坚固黏着，在轧辊和氧化皮边界进行滑移；区：氧化皮被破坏，金属基体和轧辊发生黏着。区：氧化皮被破坏，金属基体和轧辊发生黏着。总轧制摩擦力应为总轧制摩擦力应为3者之和：者之和：F1A1 2A2 3A3 A1犁沟面积，犁沟面积，A2沿氧化皮表面滑移面积，沿氧化皮表面滑移面积，A3黏着区段面积。黏着区段面积。1、2、3 各区段滑移抗力。各区段滑移抗力。从材料成形力学角度出发分析摩擦过程从材料成形力学角度出发分析摩擦过程：翁克索夫翁克索夫(E(E)等人，用光弹性法实验，确定了平砧压缩矩形铅等人，用光弹性法实验，确定了平砧压缩矩形铅试样试样(无宽展无宽展)接触面上单位压力接触面上单位压力(p)(p)和单位摩擦力和单位摩擦力(t)(t)的分布规律由三个区段组成的分布规律由三个区段组成(参见参见塑性加工力学塑性加工力学)：摩擦力的构成摩擦力的构成:（1）滑移区滑移区(a1b1）单位摩擦力与单位正压力）单位摩擦力与单位正压力 成正比增加：成正比增加：tp（2）制动区制动区(b1c1)单位摩擦力保持为常数：单位摩擦力保持为常数：tskK/2s/3（3）停滞区停滞区(c1o)单位摩擦力递减，到流动单位摩擦力递减，到流动 分界面处减到零：分界面处减到零：tK/2 x/xc s金属变形抗力，金属变形抗力，k屈服剪切应力，屈服剪切应力，K平面变形抗力。平面变形抗力。4.5 摩擦系数的测定摩擦系数的测定实验法实验法：摩擦磨损实验机。：摩擦磨损实验机。工程计算法工程计算法：轧制时摩擦系数的测定轧制时摩擦系数的测定 1）最最大大咬咬入入角角法法：将将较较厚厚的的轧轧件件用用较较小小的的力力送送入入辊辊缝缝，逐逐渐渐增增大大辊辊缝缝，直直到到刚刚好好实实现现咬入为止，根据压下量计算最大咬入角，从而计算咬入时的摩擦系数：咬入为止，根据压下量计算最大咬入角，从而计算咬入时的摩擦系数：amaxarccos（1h/D）冷轧时，考虑轧机弹跳：冷轧时，考虑轧机弹跳：amaxarccos（1（h）/D）tan amax h刚好咬入最大压下量，刚好咬入最大压下量，D工作辊直径，工作辊直径，机架弹跳。机架弹跳。注注意意：上上述述是是咬咬入入时时的的摩摩擦擦系系数数，不不是是稳稳定定轧轧制制时时的的摩摩擦擦系系数数，二二者者大大小小不不一一样样，但工程计算采用咬入摩擦系数代替稳定轧制摩擦系数也是可以接受的。但工程计算采用咬入摩擦系数代替稳定轧制摩擦系数也是可以接受的。2）强迫制动法：在轧件后端施加一个制动力）强迫制动法：在轧件后端施加一个制动力Q，强迫在轧制中的轧件在轧机中停止下来，强迫在轧制中的轧件在轧机中停止下来，在停止瞬间，测量制动力在停止瞬间，测量制动力Q和轧制力和轧制力P（其反作用力（其反作用力N，大小等于，大小等于P），在接触弧中点，），在接触弧中点，根据水平方向力平衡条件计算摩擦系数：根据水平方向力平衡条件计算摩擦系数：Q2Nsin2Ncos tan(a/2)+Q/（2Pcos(a/2)）a咬入角，咬入角，a(（Hh）/R)1/2，=a/2；H轧件轧前厚度；轧件轧前厚度；h轧件轧后厚度；轧件轧后厚度；R轧辊半径。轧辊半径。3）轧制力矩法：）轧制力矩法：在轧制时通过改变压下量或在轧制时通过改变压下量或 增大后张力增大后张力Q，使前滑量为，使前滑量为0，测量此时的，测量此时的 轧制力矩轧制力矩M和轧制压力和轧制压力P，计算摩擦系数：，计算摩擦系数：M/RP4）前前滑滑法法：在在沿沿轧轧辊辊圆圆周周表表面面距距离离L0两两个个位位置置刻刻两两个个标标志志，轧轧后后测测量量出出相相应应轧轧件件上上压压痕痕之之间间的的距距离离L1，计计算算出出前前滑滑值值S，再再根根据据前前滑滑计计算算中中性性角角r，从从而而计计算算摩摩擦擦角角和和摩摩擦擦系数系数：S（L1L0）/L0，r（Sh/R）1/2，a 2/2(a-2r),/2(a-2r),tan 4.6 影响摩擦系数的主要因素影响摩擦系数的主要因素工具表面状态和材质：工具表面粗糙度越低，摩擦系数越小；未淬火钢轧辊比淬火钢工具表面状态和材质：工具表面粗糙度越低，摩擦系数越小；未淬火钢轧辊比淬火钢轧辊摩擦系数大。轧辊摩擦系数大。成形温度：一方面，随温度升高轧制力降低，促使摩擦系数增加；另一方面，温度升成形温度：一方面，随温度升高轧制力降低，促使摩擦系数增加；另一方面，温度升高，使氧化皮软化，使摩擦系数降低。所以温度对摩擦系数影响比较复杂，低温下高，使氧化皮软化，使摩擦系数降低。所以温度对摩擦系数影响比较复杂，低温下前者起主导，高温下后者起主导作用。前者起主导，高温下后者起主导作用。金属成分。金属成分。成形成形速度：轧制时一般规律是，轧制速度升高，摩擦系数降低。速度：轧制时一般规律是，轧制速度升高，摩擦系数降低。润滑剂：使摩擦系数显著降低。润滑剂：使摩擦系数显著降低。变形率：轧制时一般规律是，变形率增加，摩擦系数增加。变形率：轧制时一般规律是，变形率增加，摩擦系数增加。其他因素：单位压力；轧制变形区几何参数其他因素：单位压力；轧制变形区几何参数l/hl/h；轧辊直径等。；轧辊直径等。4.7 材料成形中金属的粘着材料成形中金属的粘着粘着的概念粘着的概念 当当二二纯纯净净的的金金属属表表面面被被压压接接到到原原子子键键力力范范围围之之后后，将将发发生生焊焊合合在在一一起起的的现现象象，即金属的粘着，也称粘结。即金属的粘着，也称粘结。在在金金属属材材料料成成形形过过程程中中，由由于于金金属属的的塑塑性性变变形形，使使新新生生表表面面不不断断出出现现，随随着着温温度度的的升升高高，面面压压的的加加大大，在在摩摩擦擦面面上上润润滑滑膜膜被被破破坏坏，工工具具与与变变形形金金属属直直接接接接触触，工工具具与与变变形形金金属属直直接接接接触触，而而产产生生金金属属的的粘粘着着。因因此此，由由粘粘着着而而造造成成被被加加工工的的金金属属表表面的损伤，称之为烧结面的损伤，称之为烧结烧结或烧伤。烧结或烧伤。粘着的形成粘着的形成 在成形过程中工具与变形摩擦面上形成金属烧结，一般经过四阶段：在成形过程中工具与变形摩擦面上形成金属烧结，一般经过四阶段：（1 1）表表面面膜膜破破坏坏：由由于于被被加加工工金金属属表表面面积积增增加加、温温度度升升高高及及接接触触面面压压力力增增加加等等原原因因，使润滑膜、氧化膜或者吸附膜等局部破坏。使润滑膜、氧化膜或者吸附膜等局部破坏。（2 2）接触焊合）接触焊合：袒露的新鲜基体金属与工具紧密接触而产生相互焊合。：袒露的新鲜基体金属与工具紧密接触而产生相互焊合。（3 3剪剪切切断断裂裂：由由于于相相对对滑滑动动在在金金属属表表面面附附近近产产生生激激烈烈地地剪剪切切变变形形，表表层层粘粘着着点点发发生断裂或出现裂纹。生断裂或出现裂纹。（4 4）表表面面烧烧结结：粘粘着着点点的的金金属属转转移移到到工工具具的的表表面面或或者者脱脱落落，而而被被加加工工金金属属材材料料的的表表面产生损伤，即形成表面烧结。面产生损伤，即形成表面烧结。影响粘着的因素影响粘着的因素金属塑性变形金属塑性变形塑性变形面积扩大，露出新金属，易粘着。塑性变形面积扩大，露出新金属，易粘着。摩擦面温度摩擦面温度摩擦面上温度达到由润滑剂和材料决定的临界温度时将发生粘着现象。摩擦面上温度达到由润滑剂和材料决定的临界温度时将发生粘着现象。临界温度临界温度：金属表面吸附分子失去取向的温度，或者表面膜熔点温度。：金属表面吸附分子失去取向的温度，或者表面膜熔点温度。膜厚比膜厚比当膜厚比小于临界值时，润滑膜破坏，金属间直接接触，当膜厚比小于临界值时，润滑膜破坏，金属间直接接触，进而发生粘着。进而发生粘着。膜厚比膜厚比A：指的是润滑膜厚度指的是润滑膜厚度于摩擦两表面合成粗糙度于摩擦两表面合成粗糙度R的比值。的比值。A/R R（R12R22）1/2成形速度成形速度影响有二方面：影响有二方面：随着加工随着加工 速度的增加，摩擦面的温度升高，润滑油的粘速度的增加，摩擦面的温度升高，润滑油的粘度降低，油膜的厚度减少，易造成粘着；度降低，油膜的厚度减少，易造成粘着；随着加工速度的增大，润滑油的导入量增随着加工速度的增大，润滑油的导入量增多，油膜厚度增大，防止金属间直接接触多，油膜厚度增大，防止金属间直接接触，限制粘着，最后看那个因素占主导。限制粘着，最后看那个因素占主导。VT 油膜油膜h 黏着。黏着。V油量油量 油膜油膜h 抑制黏着。抑制黏着。工具与成形材料工具与成形材料材料的组织性能、金属表面氧化膜特性等影响很大。材料的组织性能、金属表面氧化膜特性等影响很大。