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本书的基本内容分7章,主要包括国内外研究状况及将来主要发展方向,表面能、吸附与粘附以及摩擦磨损过程中表面特性的变化,固体表面受载接触过程与特性(包括力学性能、物理化学性能、接触面积、表面形貌等),古典摩擦定律、摩擦理论、非金属摩擦、滚动摩擦以及纳米摩擦学、环境摩擦学;粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等磨损机理,流体动力润滑、弹性流体润滑、边界润滑原理及其特性、纳米技术在润滑和润滑材料方面的应用,耐磨减摩材料(包括纳米材料)以及表面工程技术在摩擦磨损中的应用,摩擦磨损试验和测试分析技术。 本书注重摩擦学的系统依赖性、时间依赖性和多学科、跨学科特性以及理论与实际的有机结合,充分体现表面工程技术在解决摩擦磨损问题时所起到的作用,并将纳米摩擦学、环境摩擦学的理念引入传统摩擦学,注入新内涵。
内容简介
《摩擦学原理》的基本内容分7章,主要包括国内外研究状况及将来主要发展方向;表面能、吸附与粘附以及摩擦磨损过程中表面特性的变化;固体表面受载接触过程与特性;古典摩擦定律、摩擦理论、非金属摩擦、滚动摩擦以及纳米摩擦学、环境摩擦学;粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等磨损机理;流体动力润滑、弹流润滑、边界润滑原理及其特性、纳米技术在润滑和润滑材料方面的应用;耐磨减摩材料以及表面工程技术在摩擦磨损中的应用;摩擦磨损试验和测试分析技术。《摩擦学原理》可作为高等学校摩擦学课程的研究生教学用书和相关专业师生的教学和科研参考用书,也可供从事摩擦学研究的工程技术人员参考。摩擦学是一门多学科交叉的边缘学科,与载运工具运用工程学科密切相关。《摩擦学原理》是机械工程学科研究生教学用书之一,在内容上注重体现表面工程技术在解决摩擦磨损问题的作用,并将纳米摩擦学、环境摩擦学的理念引入传统摩擦学。
内页插图
目录
0 绪论
1 固体的表面特性
1.1 表面形貌
1.1.1 表面形貌
1.1.2 表面参数
1.1.3 表面形貌的测量方法
1.2 洁净的固体表面
1.2.1 金属的晶体结构
1.2.2 洁净的金属表面
1.2.3 表面晶体缺陷及其分布对表面性能的影响
1.3 表面张力与表面能
1.3.1 表面张力
1.3.2 表面能
1.3.3 影响表面能的主要因素
1.3.4 表面现象热力学
1.4 加工硬化层和表面残余应力
1.4.1 加工冷作硬化层
1.4.2 表面残余应力
1.5 吸附与粘附
1.5.1 物理吸附膜
1.5.2 化学吸附膜
1.5.3 化学反应膜
1.5.4 氧化膜
1.5.5 浸润
1.5.6 粘附
1.6 金属表面的实际结构
2 固体表面的接触
2.1 概述
2.1.1 固体表面接触过程
2.1.2 接触面积
2.1.3 接触模型
2.2 弹性接触
2.2.1 静载荷下的弹性接触
2.2.2 动载荷(摩擦载荷)下的弹性接触
2.2.3 理想粗糙表面的接触
2.3 塑性接触
2.4 变形种类的判据——塑性指数
3 金属的摩擦
3.1 摩擦的概念与分类
3.2 对古典摩擦定律的评述
3.3 摩擦理论
3.3.1 机械理论(凹凸说)
3.3.2 分子理论(分子说)
3.3.3 分子—机械理论
3.3.4 粘着理论
3.3.5 其他摩擦理论
3.3.6 摩擦振动(粘—滑运动)
3.4 非金属材料的摩擦
3.4.1 弹性体摩擦的一般机理
3.4.2 塑料(聚合物)的摩擦
3.4.3 橡胶的摩擦
3.4.4 金刚石的摩擦
3.5 摩擦时金属表面特性的变化
3.5.1 由摩擦引起的表面几何形状的变化
3.5.2 由摩擦引起的表面结构的变化
3.5.3 由摩擦引起的表面成分的变化
3.5.4 摩擦中表面膜的变化
3.6 滚动摩擦
3.6.1 弹性范围内滚动
3.6.2 塑性范围内滚动
3.7 影响摩擦系数的主要因素
3.8 特殊工况条件下的摩擦
4 磨损原理
4.1 概述
4.2 粘着磨损
4.2.1 粘着磨损理论(鲍登-泰勃的粘着磨损理论)
4.2.2 其他粘着磨损理论
4.3 磨料磨损
4.3.1 磨料磨损及其机理
4.3.2 磨料磨损简化的定量关系式
4.3.3 影响磨料磨损的主要因素和减小磨损的途径
4.4 疲劳磨损
4.4.1 最大切应力理论
4.4.2 油楔理论
4.4.3 微观点蚀磨损理论
4.4.4 剥层磨损理论
4.4.5 影响疲劳磨损的主要因素
4.5 腐蚀磨损
4.5.1 氧化磨损
4.5.2 特殊介质腐蚀磨损
4.6 气蚀
4.7 微动磨损
5 润滑
5.1 润滑原理
5.1.1 润滑的作用和分类
5.1.2 润滑状态的转化
5.1.3 流体动力润滑
5.1.4 弹性流体动力润滑
5.1.5 流体静力润滑
5.1.6 边界润滑
5.2 润滑材料及其应用
5.2.1 润滑剂的分类
5.2.2 润滑油的主要性能
5.2.3 润滑油的添加剂
5.2.4 合成润滑油
5.2.5 润滑脂
5.2.6 固体润滑剂
5.3 纳米材料在润滑中的应用
5.3.1 纳米材料及其特性
5.3.2 纳米材料在润滑中的应用
6 耐磨减摩材料及表面处理
6.1 金属耐磨材料
6.1.1 材料的耐磨性及其评定指标
6.1.2 对金属耐磨性材料的一般要求
6.1.3 耐磨钢
6.1.4 耐磨铸铁
6.2 滑动轴承合金
6.2.1 对轴承合金的要求
6.2.2 滑动轴承合金
6.3 聚合材料
6.3.1 聚合材料简介
6.3.2 摩擦副中常用的聚合物
6.3.3 以聚合物为基的复台材料
6.3.4 应用
6.4 表面处理技术
6.5 纳米表面技术
7 摩擦磨损试验和测试分析技术
7.1 摩擦磨损试验的分类
7.1.1 使用试验
7.1.2 实验室试验
7.2 磨损试验的模拟问题和试验参数的选择
7.3 摩擦、磨损、润滑试验机
7.3.1 试验机的种类
7.3.2 常用的摩擦磨损试验机
7.4 摩擦磨损试验中的测试
7.4.1 摩擦温度的测量
7.4.2 摩擦系数的测量
7.4.3 磨损量的测量
7.5 摩擦表面的近代微观分析法
7.6 磨损微粒的分析技术
7.6.1 光谱分析法
7.6.2 铁谱分析法
参考文献
精彩书摘
1.摩擦学定义
摩擦普遍存在于人类的生产和生活中(包括人体内),凡有运动的地方就有摩擦产生,摩擦必然伴随着摩擦面的磨损,它是具有重大影响和作用的一种自然现象。
摩擦学(tribolgy)是关于作相对运动的相互作用表面的科学技术,包括摩擦、润滑、磨损和冲蚀。它涉及多种学科领域,如物理、化学、工程力学、冶金学、机械工程、材料科学、石油化工等。
2.摩擦学研究内容
摩擦学研究的内容很广泛,主要包括摩擦、磨损、润滑以及表面工程技术。
(1)摩擦
摩擦是抵抗两物体接触表面在外力作用下发生切向相对运动的现象。物体表面的相对运动、相互接触、相互作用所发生的各种变化特性,将取决于配对材料的种类及其机械性质、表面的微观几何尺寸(表面粗糙度及加工痕迹)、摩擦表面相对运动的工作条件(滑动速度、压力、温度、润滑状况、环境及周围介质的作用)、表面膜的生成和作用等因素。凡是影响物体接触几何形状和性质的因素都会影响它们的摩擦学特性,因此需要对材料的表面结构和实际接触部分的物理特性和有关影响因素进行研究。
(2)磨损
磨损着重研究与分析材料和机件在不同工况下的磨损机理、发生规律和磨损特性。对于磨损机理看法很多,其中对磨料磨损、粘着磨损机理的认识比较一致;对于微动磨损、浸蚀磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损的机理目前仍存在不同的看法。有关磨损机理、磨损规律和磨损失效的研究有待进一步深入。对磨损的研究使我们有可能进行合理的机械设计,合理地选择摩擦副材料及表面处理工艺,节约材料和能源,保证机器及其零部件有足够的使用寿命,且便于制造、维修和管理。
(3)润滑
润滑研究内容包括流体动力润滑、静力润滑、边界润滑、弹性流体动力润滑等在内的各种润滑理论及其在实践中的应用。近年来流体和弹性流体动力润滑的研究成果解决了机器中许多重要零部件(如齿轮、轴承、凸轮等)的设计问题,如润滑剂性质和作用的研究,尤其是纳米润滑剂的研究也有长足的发展,这对于改善润滑状况、减少摩擦、防止磨损和保证机器的正常运转有着重要的作用。
(4)表面工程技术
将表面工程技术与摩擦学有机结合起来,解决机器零部件的减摩、耐磨,延长使用寿命的问题,是摩擦学在工程应用的一个重要方面。
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。
前言/序言
随着中国高等教育持续发展,研究生教育发生了很大变化,我国已经迅速跨入了世界研究生教育大国的行列。为了满足研究生教育的需求,高等教育出版社组织了若干套丛书作为研究生教学参考用书。其中机械工程学科研究生教学用书是在对全国机械工程学科研究生教育及其教学用书进行全面调研的基础上,由“机械工程学科研究生教学资源建设委员会”组织编写的。组织、编写、出版这套研究生教学用书是一件既有教学价值,又有学术价值的工作。
培养研究生应当特别重视能力的培养。所谓能力,包括自我充实的能力,即独立从一个领域进入另一个领域的能力,以及解决问题的能力。知识是一个动态的集合:昨天的新知识,今天就可能变成一般的知识,明天也许就要变为需要加以更新的知识。竞争迫使人们不断更新自己的知识和进入新的领域。任何人都不可能将他一生中解决问题需要用到的知识都在学校里装进大脑,也不可能年轻时学了的就可以用一辈子。因此,如何培养自我充实能力是非常重要的教育课题,特别是在研究生培养阶段。
自我充实主要有三个途径:浏览、读书和实践。在信息技术高度发展的时代,为一个名词搜集几万条信息,往往只是几秒钟的事。因此,需要将浏览和读书作为两个不同的学习方法区分开来。浏览是遍历广泛的信息而可以不甚了了,读书则不同,读书是为了对所描述的领域进行深入的了解。要了解一个领域,并且想进入这个领域,最好的办法就是先找一本这个领域的经典著作,老老实实地读完。不仅要掌握书中阐述的基本概念,还要弄懂书中介绍的基本理论,学好书中采用的基本方法。如果有计算公式,那么最好一个一个地推导,如果有作业,最好一个一个做一遍。读完以后,再依照书和借助其他工具的引导,去浏览可能得到的信:息以丰富自己。此时,对于得到的信息,不仅要能够辨别信息的可信程度,而且要估计它的重要性并判断是否需要花时间和需要花多少时间去进一步了解。这样就完成了从不了解到进入一个领域的第一步。一本好书,还应当起到帮助初学者掌握正确的学习方法,和以严谨、科学的治学态度潜移默化地感染读者的作用。
进入一个领域的第二步,也是不可缺少的一步,就是实践。一个人,不论他读了多少书,如果没有亲自做过,他就不可能真正领会很多理论和方法的精髓。当他要用读到的知识去解决问题时,就会觉得没有把握。另外,任何书都不可能完美无缺,经过实践,不仅能够更深入地理解书中正确的方面,更可以发现书中论点和方法的不足之处。读书不是为了做书呆子,而是为了在前人成功的基础上找到自己前进的方向。
从上面的分析可以看到,一本经典著作,对于引领一个人进入一个领域,是多么的重要。可惜现在这样的好书太少了,按照这种要求来写的书太少了。另外,能够这样读书的人也太少了。很多人往往满足于在网络上浏览,或者用对待查手册的态度对待读书。读得也不少,但是越读越理不出头绪。另一方面,没有好书可读也是事实。读文献不等于读书,一篇文献讲的往往是很局部的问题,不可能从一条缝隙中看到一片天;综述文献又太概括,对于还不熟悉这个领域的人,很难从中了解问题的本质。
《流体力学基础与应用》 这本书深入浅出地阐述了流体力学的基本原理,旨在为读者构建扎实的理论框架,并引导他们掌握解决实际工程问题的能力。全书共分为十五章,内容覆盖了流体静力学、流体动力学、粘性流体运动、边界层理论、相似性原理、可压缩流体以及一些重要的工程应用。 第一部分:流体的基本性质与静力学 第一章:流体的基本概念 本书开篇即对流体的定义、连续介质假设进行了详细介绍,并探讨了流体的基本物理性质,如密度、比重、粘度、表面张力、压缩性等。通过对这些性质的深入理解,为后续的学习奠定基础。书中列举了大量日常生活和工业生产中流体性质的实例,帮助读者建立直观认识。 第二章:流体静力学 本章重点讲解了静止流体中的压力分布规律,包括静压强、压强梯度、重力影响等。核心内容涵盖了压强随深度的变化、绝对压强与表压强的关系、以及流体平衡的条件。内容深入到浮力、阿基米德原理及其在浮体稳定性和浮标设计中的应用。此外,还介绍了测量流体压强的方法和常用仪器,如U形管压差计、皮托管等。 第二部分:流体动力学基础 第三章:流体微团运动与描述方法 本章引入了描述流体运动的两种基本方法:拉格朗日方法(随体追踪)和欧拉方法(空间网格)。重点讲解了速度场、加速度场、涡度、散度等概念,并阐述了流体微团运动的轨迹线、流线、迹线之间的关系。这部分内容为理解后续复杂的流体现象提供了重要的数学工具。 第四章:流体动力学基本方程(一)——连续性方程与能量方程 本章推导并讲解了流体运动最基本的方程之一——连续性方程,它体现了质量守恒原理。接着,详细阐述了伯努利方程(理想流体)及其在不同形式下的表达,并着重分析了其实际应用,如文丘里管流量测量、飞机翼型升力产生等。本书在介绍伯努利方程时,充分考虑了其适用条件和局限性。 第五章:流体动力学基本方程(二)——动量方程 本章深入探讨了流体动量方程,它基于牛顿第二定律,描述了流体动量的变化率与作用在流体上的力之间的关系。本书详细推导了欧拉方程和纳维-斯托克斯方程(考虑粘性)。尽管纳维-斯托克斯方程极其复杂,本书侧重于其概念的理解和在简单流动情况下的应用,并解释了其在动量守恒方面的意义。 第三部分:粘性流体流动分析 第六章:粘性流体流动 本章将视线从理想流体转向实际存在的粘性流体。详细介绍了粘性对流体运动的影响,粘性力的概念,以及粘性力的作用形式。重点阐述了牛顿粘性流体和非牛顿粘性流体的区别,并对粘性系数这一关键参数进行了深入分析。 第七章:管道中的粘性流 本章聚焦于粘性流体在管道中的流动现象。引入了层流和紊流的概念,并给出了判别准则——雷诺数。详细分析了层流和紊流的流动特性、速度分布规律,以及与之相关的能量损失(沿程水头损失和局部水头损失)。书中提供了计算管道水头损失的各种经验公式,并结合实际工程案例进行讲解。 第八章:边界层理论 本章是粘性流体研究的一个重要里程碑。详细介绍了边界层的概念,即由于粘性作用,流体在固体壁面附近形成的薄层。分析了边界层的形成、发展、分离等现象,以及其对流体阻力和升力的影响。本书还涉及了层流边界层和紊流边界层的区分,以及它们各自的特点。 第四部分:相似性原理与可压缩流体 第九章:相似性原理与量纲分析 本章介绍了流体力学研究中强大的工具——相似性原理和量纲分析。通过量纲分析,可以减少实验变量的数量,找出影响流体问题的关键无量纲参数(如雷诺数、马赫数、弗劳德数等),并建立模型实验与实际原型之间的关系。本书讲解了π定理,并给出了一系列实际应用案例。 第十章:可压缩流体基本概念 本章开始探讨可压缩流体的流动。介绍了声速、马赫数以及可压缩流体的热力学性质。重点讲解了等熵流动,并推导了相关方程,如绝热过程中的速度、压力、温度、密度关系。 第十一章:可压缩流体在管道中的定常绝热流动 本章专注于可压缩流体在管道中的定常绝热流动。分析了不同马赫数下流动的特点,如收缩喷管和扩张喷管中的流动。重点讲解了临界马赫数、激波等现象,以及其对流动的影响。 第十二章:斜压流体与声速 本章进一步深化对可压缩流体的理解。探讨了斜压流体的概念,以及声速的产生和传播。分析了超音速流动中的激波(如斜激波、弓形激波)及其形成机制和影响。 第五部分:流体力学的工程应用 第十三章:外压缩流与边界层分离 本章将前面学到的概念应用于更复杂的外部流动。分析了物体绕流时的流动模式,如钝体和尖锐物体(如翼型)的绕流。深入讲解了边界层分离对阻力、升力的影响,以及如何通过改变物体形状来减缓或避免分离。 第十四章:流体机械基础 本章介绍了流体机械的基本原理,包括泵、风机、涡轮等。讲解了这些机械如何利用流体的动能、势能或压力能进行能量转换。重点分析了叶轮式机械的工作原理,如离心泵和轴流泵,以及水轮机和透平的工作原理,阐述了相关的效率和性能参数。 第十五章:多相流基础 本书最后简要介绍了多相流体的概念,即两种或两种以上不同物态(气、液、固)的流体混合物。概述了气液两相流、液固两相流等常见的多相流现象,并提及了多相流在化工、能源、环保等领域的应用挑战。 本书在每个章节都穿插了丰富的例题和习题,旨在帮助读者巩固所学知识,并提高解决实际问题的能力。同时,本书力求语言通俗易懂,避免过于抽象的数学推导,侧重于物理概念的阐释和实际应用的引导。相信通过对本书的学习,读者能够系统地掌握流体力学的核心知识,并为进一步深入研究或解决工程实践中的问题打下坚实的基础。