摩擦系数
摩擦系数(Coefficient of Friction)
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什么叫摩擦系数[1]
式中 F——摩擦力，N；
P——正压力，N。
摩擦系数的影响因素[2]
影响摩擦系数的因素很多，主要有摩擦副材质、载荷、表面粗糙度和温度等。
1．摩擦副材料性质
摩擦副的摩擦系数与其材料密切相关。互溶性差的金属摩擦副的摩擦系数较小，一般不易粘着，例如铜与镍部分互溶，铜与钼则无互溶。
2．载荷
摩擦副的摩擦系数随载荷的增加而降低，这是因为实际接触面积比载荷增加得慢。对于有的非金属材料，时间对它的摩擦系数也有影响，如酚醛塑料，见表1所列。
表1 酚醛塑料的摩擦系数与载荷的关系
| 试验条件 | 时间／min | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 转速／(r／min) | 载荷／N | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
| 摩擦系数f | |||||||||
| 800 | 38 | 0．06 | 0．06 | O．06 | O．06 | 0．04 | 0．04 | 0．04 | 0．03 |
| 136 | O．11 | O．11 | 0．07 | 0．07 | 0．05 | 0．05 | 0．03 | 0．03 | |
| 318 | 0．04 | 0．04 | 0．03 | 0．03 | 0．02 | O．02 | 0．02 | O．02 | |
注：试验是在室温、水润滑条件下，在环一块试验机上进行的。
3．滑动速度
在不同工况和材料条件下，滑动速度对于摩擦系数影响是不同的。
有些材料随着滑动速度提高，其摩擦系数基本不变，例如石墨材料对温度不敏感，其摩擦系数几乎与滑动速度无关；有些摩擦副的摩擦系数则随着滑动速度的提高而增大，如聚乙烯对玻璃的摩擦。有些摩擦副的摩擦系数随滑动速度的提高而出现一最大值，但过了最大值后，又随着滑动速度的增加而降低，铸铁轧辊轧制铅材就是这种状况。有些摩擦副的摩擦系数随着滑动速度的提高反而降低，见表2所列。
表2 滑动速度与摩擦系数的关系
| 试样材料 | 滑动速度v／(m／s) | 摩擦系数f |
|---|---|---|
| 铜 | 135 | O．056 |
| 350 | 0．035 | |
| 工业纯铁 | 140 | 0．063 |
| 330 | 0．027 | |
| Q235 | 150 | 0．052 |
| 350 | 0．023 |
注：对摩件为钢环(碳的质量分数0．7％，硬度250 HB)；表中数据是在8 MPa压强条件下得到的。
4．表面粗糙度
在弹性或弹塑性接触状况下，摩擦副干摩擦系数随表面粗糙度值的降低而降低。但在塑性接触状况下，其干摩擦系数为一定值，此时表面粗糙度对实际接触面积无多大影响。
5．表面膜
当摩擦副接触表面存在氧化膜、其他污染膜或软金属薄膜时，其摩擦主要发生在表面膜间。表面膜的存在使得金属粘着现象不易产生，与无膜相比，摩擦系数也较低。当然，表面膜的形成速度和膜厚对摩擦系数也有影响。
钢-钢摩擦副接触表面的表面膜对摩擦系数的影响见表3所列。
表3 滑动速度与摩擦系数的关系
| 摩擦副材料 | 摩擦系数 | |
|---|---|---|
| 具有表面膜的表面 | 大气中的洁净表面 | |
| 钢-钢 | 0．11(油酸膜) | O．78 |
| 钢-钢 | 0．16(氧化膜-油) | |
| 钢-钢 | 0．19(硫化膜+油) | |
| 钢-钢 | 0．27(氧化膜) | |
| 钢-钢 | 0．32(润滑油膜) | |
| 钢-钢 | 0．39(硫化膜) | |
6．温度
摩擦副相对运动会导致温升和材料的表面性质的改变，使摩擦系数受到影响。在某些情况下，摩擦系数可能随温度的升高先降低到一最小值然后再升高。例如在真空中的碳化硅和用二硫化钼润滑的氮化硅。另一种情况是摩擦系数随着温度的升高而增大，但到达一最大值后开始减小。例如轧制铜材以及聚乙烯、聚四氟乙烯、尼龙等聚合物对钢，无氧化膜的铁对铸铁，钴对不锈钢的摩擦系数也有上述类似的规律。一般固体的干摩擦系数大多数都随温度升高而降低。
温度升高可能引起金属相变，产生晶体结构改变，从而影响摩擦系数。例如，灰锡(菱形晶格)向白锡(体心立方)转变时的相变温度为13．2℃，如在锡中加入铜、铝等合金元素，就会改变锡的相变温度。在相变温度以下，摩擦系数较高，在相变温度以上，则摩擦系数较低。
摩擦系数的测量[3]
摩擦系数大小是表示摩擦材料特性的主要参数之一。摩擦系数f分为静摩擦系数fa和动摩擦系数fk(一般直接用f表示)。一般情况下测定动摩擦数比较困难，如高真空、高压等条件下的摩擦只测定静摩擦系数。
1．静摩擦系数的测定方法
当测定材料在一定配对条件下的静摩擦系数时，最简单的方法是倾斜法和牵引法。
1)倾斜法
把被测物体放在对偶材料的斜面上(图1)，逐渐增大斜面倾斜度，当被测物体开始滑动时其斜面的倾斜角θ即为摩擦角，静摩擦数为fa = tanθ。
2)牵引法
把重量为形的被测物体放在如图2所示的对偶材料B的平面上。电动机通过蜗轮蜗杆减速缓慢地带动齿轮齿条机构，使对偶材料B平稳且缓慢向左移动，在摩擦力作用下，物体也随之移动并拉伸弹簧当弹簧拉伸一定程度时，被测物体和B发生相对移动，此时应变梁上应变片的应变量通过仪表反映出的最大力F，即为静摩擦力。静摩擦系数
。
2．动摩擦系数的测定法
常用测量连续摩擦时的摩擦力变化来求得摩擦系数，主要测量方法如下：
1)重力平衡法
Amsler机或MM-200试验机上所采用的就是此法，如图3所示。载荷形通过上试件1加到下试件2上。下试件旋转，上试件固定。摩擦副之间没有摩擦时，平衡砝码杆处于铅垂位置。有摩擦时，平衡砝码杆通过齿轮测力机构产生一定的偏摆，摆角的大小从刻尺6上读出摩擦力矩。由此摩擦力矩可以换算出试件上的摩擦力。
2)弹簧力平衡法
如图4所示。当下试件4转动时，由于摩擦，上试件将会有沿着F方向运动的趋势，从而使弹簧3变形。通过测量弹簧的变形，可计算出摩擦力的大小。用杠杆加砝码的方法来代替弹簧来测摩擦力(或力矩)，也在许多试验机上应用，如Timkeh型试验机上的测量机构。
3)电测法
把压力传感器附加到测力元件上，将摩擦力(或力矩)转换成电量(电信号)，输入到测量和记录仪上，自动记录下摩擦过程中摩擦力的变化。这种方法目前已普遍得到应用。
通过上述三种方法得到摩擦力，再由摩擦力与法向载荷间接求得摩擦系数。