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 科普文章
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掀起“摩擦学”的盖头

  经常遇到一些要求表征材料摩擦学行为的人员,他们拿来一种材料说:测量一下这种材料的摩擦系数。那么,材料的摩擦系数如其密度,颜色等,是其固有属性,是一个特定的数值么?

  闻名世界的埃及金字塔,工程浩大,聪明的古埃及人用木头做的滑橇和绳子装运石头,节省了大量的人力物力;我们自身也会有这样的感受,在路面上移动同样质量的箱子时,如果在箱子下面加上滚轮比我们直接拖动要省力得多。这就涉及到摩擦学的一个问题:同样条件下,即使是同一材料,滚动摩擦系数要比滑动摩擦系数小得多。

  再看一个例子:下过雨雪之后,很多车辆出门都要带上防滑链。因为大家都知道“雨雪过后路面变得十分光滑”。在外界条件相同的情况下,潮湿轮胎与潮湿路面的摩擦系数仅仅约为干燥轮胎与干燥路面的摩擦系数的1/5。再比如,我们在冰上走路要小心翼翼,而路面上却能行动自如,行走的人没有改变,可是与我们接触的另一面(冰面,路面)改变了,摩擦系数也随之而改变。这就是摩擦学的另一个问题:同样材料,在有无润滑或不同接触情况下,摩擦系数变化很大。

  这样的事例不胜枚举,大量的科学研究中也发现,同样外界条件下,铜在铜上滑动的摩擦系数约为其在硬钢上滑动的摩擦系数的2倍;石墨的摩擦系数在真空中达到其在空气中的2倍,磨损甚至高达1000倍;400℃时MoS2的摩擦系数约为其室温时的4倍……

  由此可见,摩擦行为不是材料的固有属性,而是在一定工况条件和适宜环境下表现出来的系统特性,是材料的使役行为。

  首先,摩擦系数测定的是两个接触面之间发生相对运动或有相对运动趋势时的数值。在中学课本中,我们就接触到这样一些有关摩擦系数的典型数值:书与桌子μ=0.3,冰与木材μ=0.05,闸瓦材料与闸轮μ=1.2,铜与钢μ=0.7……可见,提到摩擦系数,必然要涉及到两个接触面——即摩擦副。此时,摩擦系数与摩擦副的性质息息相关,如摩擦副材质(陶瓷,玻璃,钢铁,还是有色金属等),成分(元素种类,含量,组成合金的性状),表面状态(有无织构,有无污染膜,粗糙状态)等等。

  其次,摩擦系数还与应用环境的载荷,速度,温度,湿度,气氛(如空气,氩气,氮气,真空等,有没有腐蚀性气氛)等等多种因素有关。摩擦的形式(静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦),有无润滑等等也都大大地影响着材料的摩擦系数。

  所以说材料的摩擦系数是指材料在特定摩擦形式,特定外界环境条件下,于特定对磨副之间摩擦产生的数值。摩擦行为体现的是系统特性。

  目前在摩擦学设计中,仍然存在很大的盲区,工程教育中也缺少摩擦学知识的培养,很多人还不知道什么是摩擦学,只晓得一些技术片段。希望浅显之作能够有助于更多人员了解摩擦学!   

  作者:刘林林