什么是摩擦学?

[拼音]：mocaxue

[外文]：tribology

研究表面摩擦行为的学科。摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的基础理论和实践（包括设计和计算、润滑材料和润滑方法、摩擦材料和表面状态以及摩擦故障诊断、监测和预报等）的一门边缘学科。世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。不过，摩擦也有可供利用的一面。

人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类已知钻木取火。《诗经·邶风·泉水》已有“载脂载舝，还车言迈”的诗句，表明中国在春秋时期已较普遍地应用动物脂肪来润滑车轴。应用矿物油作润滑剂的记载最早见于西晋张华所著《博物志》。书中提到酒泉延寿和高奴有石油，并且用于“膏车及水碓甚佳”。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢。直到15世纪，意大利的列奥纳多·达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径。1785年，法国C.A.de库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的F.P.鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦。1950年，鲍登提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的O.雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触d性流体动压润滑的理论有所突破。对磨损的研究开展较晚，50年代提出粘着理论后，60年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。至此综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。

摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括：

（1）动、静摩擦副，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带-录音头等；

（2）零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；

（3）机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；

（4）d性体摩擦副，如汽车轮胎与路面的摩擦(见地面车辆力学)、d性密封的动力渗漏等；

（5）特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海、断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。

摩擦学涉及许多学科。例如油润滑的金属摩擦副，处于完全流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜，基本上可以运用流体力学的理论来解算。但是齿轮传动和滚动轴承这类点、线接触的摩擦副，在计算它的流体动压润滑的承载油膜时，还需要考虑接触变形和高压下润滑油粘度变化的影响；在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质（从应力、应变、温度和时间几方面研究物质变形和流动的物理性质），甚至要考虑瞬时变化过程的效应，而不能把它简化成牛顿流体。如果油膜厚度接近于接触表面的粗糙度，还需要考虑表面纹理对润滑油的阻遏和疏导作用，以及油温所引起的热效应。油膜再薄，两摩擦表面粗糙峰点将发生接触或碰撞，接触峰将分担一部分载荷，接触峰点区域处于边界润滑状态。在使用油性添加剂时，表面形成吸附膜，而在使用极压添加剂时，表面形成反应膜。各种摩擦状态，以及各种表面膜的生成和破裂，都与磨损的发生和发展有密切关系。为了了解磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类型的相互转化以及复合的错综关系，则需要对表面的磨损全过程进行微观研究。这样，仅就油润滑金属摩擦副来说就需要研究润滑力学、d性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表面形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题，涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科。随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。

摩擦学问题涉及多种因素，错综复杂，应用系统分析的方法进行研究，可以明了诸因素之间的依赖和制约关系，以及分析问题的思路。图1以油润滑金属摩擦副为例表示摩擦学系统的组成，它表明运动件、静止件、润滑油和环境大气间的相互作用原理。图2是摩擦学系统的过程，用功能平面和由它分解出的3个概念性平面（功平面、热平面、材料平面）来表示。材料平面包括固体材料面、流体（润滑油、气体）平面和反应产物平面。图中画出这些概念性平面间可能发生的摩擦学过程。垂直的实线表示化学转变过程，垂直的虚线表示由功转到熵的过程，它们都集中到热平面上。因此系统过程图是分析摩擦学问题时的有力工具。

参考书目

D.F.摩尔著，黄文治等译：《摩擦学原理及应用》，机械工业出版社，北京，1982。(D.F.Moore， Principles and Application of Tribology， Pergamon International Library，London，1975.)J.霍林著，上海交通大学摩擦学研究室译：《摩擦学原理》，机械工业出版社，北京，1981。(J.Halling，Principles of Tribology， Macmillan Pr.Ltd.，London，1975.)H.Czichos， Tribology—ɑ System Approach to the Science and Technology of Friction Lubrication and Wear，Elsevier Scientific Publ.Co.， Amsterdam，1978.