0-3 摩擦与磨损（课件）《机械基础》上好课（高教版·第三版）

《机械基础》（劳动版)第三版 上好课—中职专业课 绪论 0-3 摩擦与磨损 教学目标 知识目标 1.说出摩擦的概念，记住摩擦的三种分类方式及各类别名称； 2.说出三种表面润滑状态（干摩擦、边界摩擦、液/气体摩擦）的特征与区别； 3.说出磨损的概念，说出磨损过程的三个阶段及各阶段特征； 4.记住五种基本磨损类型的名称及其主要特征。 能力目标 1.能根据摩擦副的运动状态、运动形式和表面润滑状态对摩擦进行分类； 2.能分析判断具体机械零部件的摩擦状态类型； 3.能识别常见磨损现象的类型，初步分析零部件的磨损原因。 情感目标 1.激发学习兴趣和热情，认识摩擦与磨损在工程实际中的重要性； 2.培养观察机械运行状态的习惯，增强故障预判意识； 3.养成重视机械润滑与维护、严谨规范的工作态度； 1.7.2013 ‹#› 教学引入 这些现象有什么共同特点？ 01. 现象本质：磨损 观察这些图片，我们可以发现它们的共同点是物体表面材料发生了损耗，形状和尺寸发生了变化。这种物体表面材料逐渐损失、几何形状改变的现象，在工程学中被定义为磨损。 02. 核心成因：摩擦 磨损的背后，是物体接触表面之间发生的相对运动和相互作用。这种相互作用产生的阻碍相对运动的阻力，就是摩擦。摩擦是导致磨损的直接物理原因，没有摩擦就没有磨损。 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 教学引入 身边的摩擦与磨损 摩擦与磨损是生活中无处不在的物理现象，从交通工具到日常用品，其性能衰减与形态改变往往源于此。 • 交通工具的损耗：轮胎抓地力衰退、刹车片减薄，直接关乎行车安全。 • 日常用品的老化：鞋底纹路磨平、工具表面划痕，标志着寿命逐步耗尽。 本质：物体表面在接触与相对运动中发生的材料损耗。 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 知识讲授：摩擦的概念与定义 01 / 摩擦的核心定义 两物体的接触表面因相对运动（或有相对运动趋势）而产生的机械阻力，即为摩擦。这一阻力的本质作用是阻碍物体间的相对运动，是机械运动中普遍存在的物理现象。 02 / 关键术语：摩擦副 相互摩擦的两个物体共同构成“摩擦副”。在工程中，轴与轴承、齿轮啮合面、刹车片与刹车盘等，都是最典型且应用广泛的摩擦副实例。 知识讲授：摩擦的分类方式（一） 摩擦的现象复杂多样，为了便于研究，我们可以从不同角度对其进行分类。在物理学中，基于摩擦副的运动状态、接触形式等维度，主要有三种核心分类方式。 静态摩擦：趋势未动时的阻碍 当物体之间存在相对运动趋势，但尚未发生实际相对运动时产生的摩擦。例如用力推静止在地面的箱子却未推动，此时箱子与地面间的摩擦即为静态摩擦。 临界摩擦：动与静的转折点 物体即将开始相对运动的瞬间所产生的摩擦，此时静摩擦力达到最大值，是从静摩擦过渡到动摩擦的关键临界状态，也是克服摩擦阻力的极限点。 知识讲授：按运动状态分类（续） 动态摩擦 物体在做匀速相对运动时，为了克服摩擦所需的力。通常动态摩擦力略小于临界摩擦力，维持物体持续滑动往往比让它从静止开始滑动更容易。 惯性摩擦 物体在加速或减速运动时所受到的摩擦阻力。其大小随加速度变化，常见于车辆启动、制动，或是电梯升降等变速运动场景。 核心区别：动态摩擦对应“匀速运动”，惯性摩擦对应“变速运动”，二者受力条件与大小变化规律截然不同。 分类方式二：按运动形式分类 根据摩擦副表面相对运动的形式，摩擦可分为两种基本类型，其中滑动摩擦是日常生活和工程应用中最普遍的一种。 滑动摩擦：当两个接触表面发生相对滑动时产生的摩擦。例如内燃机活塞在气缸中往复运动、擦黑板、刹车时刹车片与轮圈的摩擦。它是最常见的摩擦形式，在机械传动和制动系统中起着关键作用。 知识讲授：按运动形式分类（续） 滚动摩擦 当一个物体在另一个物体表面滚动时产生的摩擦。生活中常见的例子包括车轮滚动、滚珠轴承中的金属滚珠滚动（如图示紧密排列的钢制滚珠）。 核心优势与工程应用 同等条件下滚动摩擦系数远小于滑动摩擦，更省力且磨损更小。因此在机械设计中，工程师广泛使用滚动轴承替代滑动摩擦，以提升机械效率与使用寿命。 分类方式三：按表面润滑状态分类 这是机械工程中最重要、最常用的分类方式，依据摩擦副表面润滑状态可分为四类： 干摩擦：表面无润滑剂，直接接触，摩擦系数大、磨损严重，应尽量避免。 边界摩擦：表面有极薄不连续边界油膜，磨损中等，是设备常见状态。 液/气体摩擦：摩擦副被流体完全隔开，无直接接触，摩擦系数极小、磨损可忽略，是理想状态。 混合摩擦：前三种摩擦形式并存，性能优于干摩擦与边界摩擦，是实际设计的目标。 知识讲授：摩擦的类型 知识讲授：干摩擦 核心定义 摩擦副表面在无任何润滑剂（液体、气体或固体润滑膜）的情况下直接接触时产生的摩擦，是最基础的摩擦形式。 关键特点与工程原则 摩擦系数大、磨损严重且伴随大量热量产生。工程中仅在需主动利用摩擦力的场景保留，其余工况均需通过润滑手段极力避免。 核心启示：干摩擦是设备失效的重要原因，合理润滑是降低能耗与延长寿命的关键手段。 知识讲授：边界摩擦 核心定义 在摩擦副间施加润滑剂后，表面会吸附一层极薄的润滑膜（通常仅为几个分子厚度），这种依靠吸附膜润滑的摩擦状态，被称为边界摩擦。 主要特点与局限 吸附膜强度较低，易受载荷、速度等影响而破裂，导致摩擦副部分表面直接接触产生磨损；但相比干摩擦，其摩擦系数与磨损程度已得到显著改善。 知识讲授：液/气体摩擦 核心定义：当摩擦副表面被一层具有一定压力和厚度的流体润滑膜（液体或气体）完全隔开时的摩擦。此时的摩擦发生在流体内部，而非摩擦副固体表面之间。 显著优势与特点：摩擦副表面无直接接触，摩擦系数极小（通常小于0.01），理论上不产生磨损，是工业领域追求的理想摩擦状态，能极大延长机械零件的使用寿命。 知识讲授：混合摩擦 核心定义 兼有干摩擦（或边界摩擦）和液/气体摩擦的混合状态，摩擦副表面仍有少量直接接触，但大部分区域被流体润滑膜隔开。 典型特征与意义 实际机械运行中最常见的摩擦状态，摩擦系数和磨损程度优于干摩擦，在工程应用中更具普遍性。 核心特点 混合接触机制（固液共同作用）、性能表现均衡（兼顾承载与效率）、广泛应用于齿轮传动、滑动轴承等场景。 知识讲授：四种摩擦状态小结 01. 干摩擦 无润滑介质，金属直接接触，摩擦系数最大，磨损最严重，是需极力避免的状态。 02. 边界摩擦 有少量润滑剂形成边界膜，摩擦系数降低，磨损减少，是机器启动时的常见过渡状态。 03. 混合摩擦 & 液/气体摩擦 摩擦副被流体层隔开，摩擦系数极小，磨损极微，是理想的工作状态。 核心目标：通过润滑设计与维护，使摩擦副稳定处于混合或液/气体摩擦状态。 知识讲授：摩擦的利与弊 有利的一面：不可或缺的动力与控制 摩擦并非总是有害的，在许多关键场合，我们依赖摩擦力来实现功能。例如车辆行驶时轮胎与地面的抓地、传送带运输货物、机械的制动系统以及工业中的磨削抛光工艺，都是有益摩擦的典型应用。 有害的一面：能量损耗与零件失效 摩擦会导致能量转化为热量耗散，据统计约30%～50%的能量消耗于此；同时会造成零件磨损，约80%的机器故障源于此。我们研究摩擦学的核心目的，就是要“兴利除弊”，最大化利用有益摩擦，减少有害摩擦的影响。 知识讲授：磨损的概念与定义 磨损的定义 运动副之间的摩擦，导致机件表面材料逐渐损耗的现象，称为磨损。这是一个渐进、不可逆的过程，是机械零件失效的主要形式之一。 磨损的衡量与危害 通常用体积损失、质量损失或厚度减薄量衡量磨损程度。磨损会破坏配合精度，降低设备可靠性，增加振动和噪声，最终可能导致设备提前报废，造成经济损失。 知识讲授：磨损过程的三个阶段 机器零件的磨损过程遵循客观规律，可通过“磨损曲线”直观呈现。典型的磨损过程通常分为三个阶段，其中第一个阶段为： 阶段一：磨合阶段（跑合阶段） 这是磨损的初期，对应磨损曲线第一段。新零件表面的微观峰尖会被快速磨平，磨损速度由快变慢，曲线斜率陡峭，此过程为后续稳定运行奠定基础。 知识讲授：磨合与稳定磨损阶段 01. 磨合阶段特征 新零件表面存在微观不平度，初期使用中峰尖被迅速磨平，表面质量改善，配合间隙增大。这是设备投入使用前的必要过程，为后续稳定运行打下基础。 02. 稳定磨损阶段 磨合后磨损进入稳定期，曲线斜率变小且稳定，磨损量与时间呈线性关系，速度缓慢均匀。这是机器正常工作阶段，设备寿命主要取决于该阶段时长。 核心启示：充分的磨合是延长设备稳定磨损期、保障整体使用寿命的关键前提。 知识讲授：剧烈磨损阶段 01 / 阶段核心特征 当零件使用到一定时间后，配合间隙过大，润滑条件恶化，磨损速度急剧加快，磨损曲线斜率再次变大，标志着设备进入使用寿命的末期阶段。 02 / 危害与处置措施 此阶段会引发剧烈振动、噪声及额外动载荷，零件精度迅速丧失并最终失效。必须立即停机检修或更换零件，避免设备报废。机器的有效寿命，主要取决于稳定磨损阶段的维持时长。 知识讲授：磨损的分类方法 磨损形式多样，可从不同维度分类： 1. 按磨损结果分类：依据零件表面宏观形貌，如点蚀、胶合、擦伤磨损等，直观反映外观与尺寸影响。 2. 按磨损机理分类（本质视角）：揭示物理化学过程，涵盖黏着、磨粒、疲劳、腐蚀、冲蚀磨损五大类型。 核心要点：按机理分类能从根源指导磨损预防与控制，是工程常用分析依据。 知识讲授：磨损的类型 知识讲授：黏着磨损 01. 定义与机理 当摩擦副表面的不平度峰尖在高压下发生黏着（冷焊），随后在相对滑动时，材料从一个表面转移到另一个表面，形成黏着磨损。这种现象本质上是金属表面局部的原子间结合力在高压下起主导作用的结果。 02. 特征与危害 这是金属运动副间最普遍的磨损形式。严重时，大量材料转移会造成运动副“咬死”，导致设备卡死失效，是机械传动与精密部件中需要重点防范的失效模式。 知识讲授：黏着磨损的影响因素 材料性质的关键作用 同类金属比异类金属更易发生黏着；脆性材料因接触点易断裂，抗黏着能力显著强于塑性材料。 表面状态的重要影响 表面粗糙度越小，有效接触面积越小，抗黏着能力越强；金属表面的致密氧化膜能有效隔离接触面，防止黏着。 总结：合理选择异种金属配对、提升表面光洁度并保护氧化膜，是降低黏着磨损的核心策略。 知识讲授：磨粒磨损 定义与机理 外界的硬质颗粒（如灰尘、砂粒）或内部产生的磨屑（如金属微粒）进入摩擦副表面之间，如同刀具一样，在较软的材料表面上犁出沟纹，造成材料损失。 磨损特征 磨损表面通常呈现出明显的划痕或犁沟，这是其最直观的视觉标志。磨粒磨损是工程应用中危害性很大的磨损形式，会显著降低零件的使用寿命。 知识讲授：磨粒磨损的影响因素 磨粒磨损是机械磨损中最常见的形式之一，其核心机制是硬质颗粒对材料表面的切削与犁沟作用，严重影响设备寿命。 01. 材料硬度：耐磨性的核心防线 材料硬度越高，抵抗磨粒切削的能力越强。通过表面热处理、渗碳淬火等工艺提高零件表面硬度，是防止磨粒磨损最直接、有效的工程措施。 02. 磨粒特性：环境控制的关键变量 磨粒的硬度、尺寸及形状直接决定磨损程度。在生产中，保持工作环境清洁、加装防尘密封装置、过滤润滑油，防止硬质杂质侵入摩擦副至关重要。 知识讲授：疲劳磨损（疲劳点蚀） 01. 定义与机理 当齿轮、滚动轴承等运动高副受到反复作用的接触应力时，若应力值超过材料的接触疲劳强度极限，会在零件表面或表层下形成细微的疲劳裂纹，这是疲劳磨损发生的初始阶段。 02. 典型失效特征 随着裂纹的持续扩展、连接，最终导致小块材料从零件表面剥落，形成大量月牙形或贝壳状的浅坑（麻点），这种现象被称为疲劳点蚀，是齿轮、轴承类零件常见的破坏性失效形式。 知识讲授：疲劳磨损的影响因素 材料与表面质量 提高表面硬度和表面加工质量（降低粗糙度），能显著提高零件的抗疲劳磨损能力。光滑的表面可以减少应力集中源的产生，而更高的表面硬度则能增强材料抵抗循环接触应力的能力，延缓微裂纹的萌生与扩展。 润滑条件 高压润滑油可均匀化接触应力，减少应力集中。高黏度润滑油更有利于抗疲劳，因为低黏度油易挤入裂纹形成“楔压效应”，反而加速裂纹扩展；而合适的黏度能形成有效油膜，缓冲冲击并隔离摩擦表面。 知识讲授：腐蚀磨损 定义与机理：零件表面在摩擦过程中，同时受到周围介质（如空气中的酸、水分，润滑油中的化学物质）的化学或电化学作用，导致材料腐蚀，并在摩擦过程中加速腐蚀产物的脱落，形成“腐蚀-磨损”的恶性循环，加剧零件失效。 典型特征：磨损产物多为氧化物等腐蚀产物，表面形貌呈现出腐蚀坑洼与机械划痕交织的状态。在潮湿、高温或有腐蚀性气体的工况下尤为常见，如矿山机械、化工设备及船舶零件的表面损伤。 知识讲授：腐蚀磨损的影响因素 基本定义：腐蚀磨损是环境介质与材料表面相互作用的复杂过程，其程度由环境腐蚀性与材料表面状态共同决定。 环境因素：环境介质的腐蚀性越强、温度越高，化学反应速率越快，金属表面腐蚀越剧烈，腐蚀磨损程度也会显著加重。 材料性质：致密稳定的氧化膜可隔离腐蚀介质起到防护作用；疏松易脱落的氧化膜则会成为磨料，反而加速磨损进程。 知识讲授：冲蚀磨损 定义与机理 当含有大量硬质固体微粒的流体（液体或气体）高速冲击固体表面时，造成的材料损失。其实质是硬质微粒反复冲击造成的表层疲劳破坏，在材料表面形成凹坑、犁沟并最终导致材料剥落。 典型工程实例 在工业生产中极为常见，例如高压水射流切割矿石的喷嘴、气力输送管道的内壁，以及挖掘机铲斗等工程机械的易损件，都长期承受着严重的冲蚀磨损，是设备失效的主要原因之一。 知识讲授：冲蚀磨损的影响因素 核心定义 冲蚀磨损是材料表面受流体中固体颗粒冲击造成的渐进性损伤，是工业设备失效的重要原因之一。 流体与磨粒特性 冲击速度越高、磨粒硬度越大且浓度越高，切削与塑形变形作用越强，磨损程度越严重。 冲击角度与材料属性 塑性材料小角度冲击磨损更甚，脆性材料大角度冲击下易脆性剥落，磨损规律截然不同。 知识讲授：实际磨损的复杂性 在实际工程中，单纯的一种磨损形式很少见。零件的失效往往是上述五种基本磨损类型中的几种共同作用的结果，形成复合磨损，各磨损形式之间还会相互影响，加速失效进程。 例如，高温重载下的轴承或发动机活塞，可能同时存在黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。因此，精准分析和判断实际磨损类型，需要综合考量工况、材质及环境等多重因素。 图示：发动机活塞在高温、高压、高摩擦的恶劣工况下，承受着典型的复合磨损。 知识点背诵 一、四种摩擦状态：干摩擦（直接接触，最严重）、边界摩擦（极薄油膜，部分接触）、液/气体摩擦（完全隔开，最理想）、混合摩擦（少量直接接触，介于中间）。摩擦系数由大到小：干摩擦＞边界摩擦＞混合摩擦＞液/气体摩擦。 二、磨损三阶段：磨合阶段（初期磨损较快）、稳定磨损阶段（磨损稳定，正常运转）、剧烈磨损阶段（磨损加剧，必须更换零件）。 三、磨损五种类型：黏着磨损（材料转移）、磨粒磨损（犁沟）、疲劳磨损（点蚀，月牙形浅坑）、腐蚀磨损（化学/电化学）、冲蚀磨损（流体冲击），实际多为复合形式。 1.7.2013 好了，我们来总结一下今天的重点知识。刨床分牛头和龙门；刨削能加工各种平面和沟槽；刨刀有弯颈、直杆、偏刀和成型刀四种主要类型。这些都是必须掌握的核心内容。 ‹#› 师生互动 降低正弦量计算门槛，提升效率 （1）正常骑行时，自行车链条与链轮之间有润滑油膜，属于边界摩擦（链条表面吸附一层极薄润滑油膜，润滑膜强度低，部分表面仍会直接接触）。 问题 分析自行车在正常骑行、急刹车、链条缺油三种情况下，其摩擦类型分别属于干摩擦、边界摩擦、液/气体摩擦、混合摩擦中的哪一种？并说明理由。 结论 （2）急刹车时，刹车块与轮圈之间无润滑剂，属于干摩擦（两接触表面直接接触，摩擦系数大，利用摩擦力实现制动）。 （3）链条缺油时，部分区域有残留油膜，部分区域直接接触，属于混合摩擦（兼有固体摩擦和液体摩擦，少量直接接触，大部分处于液体摩擦状态）。 结论 1.7.2013 ‹#› 单项选择题 1.下列四种摩擦状态中，磨损程度最严重的是（ ） A. 干摩擦 B. 边界摩擦 C. 混合摩擦 D. 液/气体摩擦 正确答案：A 干摩擦是摩擦副直接接触，无任何润滑剂，摩擦系数最大，磨损最严重。边界摩擦有极薄油膜保护，混合摩擦大部分处于流体润滑状态，液/气体摩擦理论上不产生磨损。 课后练习 1.7.2013 现在我们来做几道练习题巩固一下。第一题，主要用于加工大型工件的刨床是什么？A还是B？对，是B，龙门刨床。 ‹#› 单项选择题 2.下列关于磨损过程三阶段的说法正确的是（ ） A. 磨合阶段磨损速率低且稳定 B. 稳定磨损阶段必须更换零件 C. 剧烈磨损阶段磨损急剧加快，出现噪声振动 D. 磨合阶段在稳定磨损阶段之后 正确答案：C 磨合阶段初期磨损较快，A错误；剧烈磨损阶段必须更换零件，B错误；磨合阶段在稳定磨损阶段之前，D错误。剧烈磨损阶段磨损加剧，间隙增大，产生动载荷、噪声振动。 课后练习 1.7.2013 第二题，为了防止扎刀，精加工用哪种刨刀？没错，是弯颈刨刀，选B。 ‹#› 单项选择题 3.下列磨损类型中，主要影响因素与磨粒尺寸和硬度有关的是（ ） A. 黏着磨损 B. 磨粒磨损 C. 疲劳磨损 D. 腐蚀磨损 正确答案：B 磨粒磨损是游离颗粒在较软表面犁出沟纹，磨粒平均尺寸越大磨损越大，磨粒硬度越高磨损量越大。A影响因素为材料配对和表面粗糙度，C影响因素为硬度和表面质量，D影响因素为氧化膜性质和温度。 课后练习 1.7.2013 ‹#› 某台设备在运行过程中出现以下现象：①运行初期表面磨损较快，随后磨损速率趋于平稳；②运行后期出现剧烈振动和噪声，间隙明显增大，必须停机更换零件。 请回答： （1）该设备的磨损过程经历了哪三个阶段？ （2）分别说明各阶段的主要特征。 （3）该设备在哪个阶段必须更换零件？ 课后练习 （1）该设备的磨损过程经历了磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段三个阶段。 （2）各阶段的主要特征：①磨合阶段——初期磨损较快，表面不平度峰尖被磨平，表面质量改善；②稳定磨损阶段——磨损趋于稳定，磨损量与时间呈线性关系，是机器正常运转阶段，此阶段越长机器寿命越长；③剧烈磨损阶段——磨损急剧加快，间隙增大，引起额外动载荷、噪声和振动，最终导致失效。 （3）该设备在剧烈磨损阶段必须更换零件。 1.7.2013 最后是一道简答题，请大家简述刨削加工的工艺特点。大家可以从切削工况、成本、效率、应用和精度这几个方面来回答，把我们刚才总结的内容写出来就可以了。 ‹#› 课堂小结 1. 简述摩擦的概念及类型，列举生活、生产中的实例；简述磨损的概念及类型，列举生活、生产中的实例。 2. 观察身边的一种机械设备或工具（如自行车链条、教室门合页、黑板擦、橡皮等），判断其工作时的摩擦类型（按运动形式和表面润滑状态分别判断），写出简要分析。 课后作业 1.7.2013 这是今天的课后作业。基础题帮助大家巩固记忆，巩固题要求大家对比两种刨床的核心区别，预习任务是为下节课做准备。请大家认真完成。 ‹#› 感谢观看 $