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中國科學院金屬研究所
掀起“摩擦學”的蓋頭 ——特定一種材料的摩擦系數(shù)非定值
材料新視野
2013年12月12日
經(jīng)常遇到一些要求表征材料摩擦學行為的人員，他們拿來一種材料說：測量一下這種材料的摩擦系數(shù)。那么，材料的摩擦系數(shù)如其密度，顏色等，是其固有屬性，是一個特定的數(shù)值么？
聞名世界的埃及金字塔，工程浩大，聰明的古埃及人用木頭做的滑橇和繩子裝運石頭，節(jié)省了大量的人力物力；我們自身也會有這樣的感受，在路面上移動同樣質(zhì)量的箱子時，如果在箱子下面加上滾輪比我們直接拖動要省力得多。這就涉及到摩擦學的一個問題：同樣條件下，即使是同一材料，滾動摩擦系數(shù)要比滑動摩擦系數(shù)小得多。
再看一個例子：下過雨雪之后，很多車輛出門都要帶上防滑鏈。因為大家都知道“雨雪過后路面變得十分光滑”。在外界條件相同的情況下，潮濕輪胎與潮濕路面的摩擦系數(shù)僅僅約為干燥輪胎與干燥路面的摩擦系數(shù)的1/5。再比如，我們在冰上走路要小心翼翼，而路面上卻能行動自如，行走的人沒有改變，可是與我們接觸的另一面（冰面，路面）改變了，摩擦系數(shù)也隨之而改變。這就是摩擦學的另一個問題：同樣材料，在有無潤滑或不同接觸情況下，摩擦系數(shù)變化很大。
這樣的事例不勝枚舉，大量的科學研究中也發(fā)現(xiàn)，同樣外界條件下，銅在銅上滑動的摩擦系數(shù)約為其在硬鋼上滑動的摩擦系數(shù)的2倍；石墨的摩擦系數(shù)在真空中達到其在空氣中的2倍，磨損甚至高達1000倍；400 時MoS2的摩擦系數(shù)約為其室溫時的4倍……
由此可見，摩擦行為不是材料的固有屬性，而是在一定工況條件和適宜環(huán)境下表現(xiàn)出來的系統(tǒng)特性，是材料的使役行為。
首先，摩擦系數(shù)測定的是兩個接觸面之間發(fā)生相對運動或有相對運動趨勢時的數(shù)值。在中學課本中，我們就接觸到這樣一些有關(guān)摩擦系數(shù)的典型數(shù)值：書與桌子 =0.3，冰與木材 =0.05，閘瓦材料與閘輪 =1.2，銅與鋼 =0.7……可見，提到摩擦系數(shù)，必然要涉及到兩個接觸面——即摩擦副。此時，摩擦系數(shù)與摩擦副的性質(zhì)息息相關(guān)，如摩擦副材質(zhì)（陶瓷，玻璃，鋼鐵，還是有色金屬等），成分（元素種類，含量，組成合金的性狀），表面狀態(tài)（有無織構(gòu)，有無污染膜，粗糙狀態(tài)）等等。
其次，摩擦系數(shù)還與應(yīng)用環(huán)境的載荷，速度，溫度，濕度，氣氛（如空氣，氬氣，氮氣，真空等，有沒有腐蝕性氣氛）等等多種因素有關(guān)。摩擦的形式（靜摩擦、滑動摩擦和滾動摩擦），有無潤滑等等也都大大地影響著材料的摩擦系數(shù)。
所以說材料的摩擦系數(shù)是指材料在特定摩擦形式，特定外界環(huán)境條件下，于特定對磨副之間摩擦產(chǎn)生的數(shù)值。摩擦行為體現(xiàn)的是系統(tǒng)特性。
目前在摩擦學設(shè)計中，仍然存在很大的盲區(qū)，工程教育中也缺少摩擦學知識的培養(yǎng)，很多人還不知道什么是摩擦學，只曉得一些技術(shù)片段。希望淺顯之作能夠有助于更多人員了解摩擦學！
作者：劉林林
聞名世界的埃及金字塔，工程浩大，聰明的古埃及人用木頭做的滑橇和繩子裝運石頭，節(jié)省了大量的人力物力；我們自身也會有這樣的感受，在路面上移動同樣質(zhì)量的箱子時，如果在箱子下面加上滾輪比我們直接拖動要省力得多。這就涉及到摩擦學的一個問題：同樣條件下，即使是同一材料，滾動摩擦系數(shù)要比滑動摩擦系數(shù)小得多。
再看一個例子：下過雨雪之后，很多車輛出門都要帶上防滑鏈。因為大家都知道“雨雪過后路面變得十分光滑”。在外界條件相同的情況下，潮濕輪胎與潮濕路面的摩擦系數(shù)僅僅約為干燥輪胎與干燥路面的摩擦系數(shù)的1/5。再比如，我們在冰上走路要小心翼翼，而路面上卻能行動自如，行走的人沒有改變，可是與我們接觸的另一面（冰面，路面）改變了，摩擦系數(shù)也隨之而改變。這就是摩擦學的另一個問題：同樣材料，在有無潤滑或不同接觸情況下，摩擦系數(shù)變化很大。
這樣的事例不勝枚舉，大量的科學研究中也發(fā)現(xiàn)，同樣外界條件下，銅在銅上滑動的摩擦系數(shù)約為其在硬鋼上滑動的摩擦系數(shù)的2倍；石墨的摩擦系數(shù)在真空中達到其在空氣中的2倍，磨損甚至高達1000倍；400 時MoS2的摩擦系數(shù)約為其室溫時的4倍……
首先，摩擦系數(shù)測定的是兩個接觸面之間發(fā)生相對運動或有相對運動趨勢時的數(shù)值。在中學課本中，我們就接觸到這樣一些有關(guān)摩擦系數(shù)的典型數(shù)值：書與桌子 =0.3，冰與木材 =0.05，閘瓦材料與閘輪 =1.2，銅與鋼 =0.7……可見，提到摩擦系數(shù)，必然要涉及到兩個接觸面——即摩擦副。此時，摩擦系數(shù)與摩擦副的性質(zhì)息息相關(guān)，如摩擦副材質(zhì)（陶瓷，玻璃，鋼鐵，還是有色金屬等），成分（元素種類，含量，組成合金的性狀），表面狀態(tài)（有無織構(gòu)，有無污染膜，粗糙狀態(tài)）等等。
其次，摩擦系數(shù)還與應(yīng)用環(huán)境的載荷，速度，溫度，濕度，氣氛（如空氣，氬氣，氮氣，真空等，有沒有腐蝕性氣氛）等等多種因素有關(guān)。摩擦的形式（靜摩擦、滑動摩擦和滾動摩擦），有無潤滑等等也都大大地影響著材料的摩擦系數(shù)。
所以說材料的摩擦系數(shù)是指材料在特定摩擦形式，特定外界環(huán)境條件下，于特定對磨副之間摩擦產(chǎn)生的數(shù)值。摩擦行為體現(xiàn)的是系統(tǒng)特性。
目前在摩擦學設(shè)計中，仍然存在很大的盲區(qū)，工程教育中也缺少摩擦學知識的培養(yǎng)，很多人還不知道什么是摩擦學，只曉得一些技術(shù)片段。希望淺顯之作能夠有助于更多人員了解摩擦學！
作者：劉林林