摩擦可分兩大類(lèi)：滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦。本處將只著重討論金屬表面間的滑動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦面間存在潤(rùn)滑劑的情況，滑動(dòng)摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦(邊界潤(rùn)滑)、流體摩擦(流體潤(rùn)滑)及混合摩擦(混合潤(rùn)滑)，如以下動(dòng)畫(huà)所示。

　 邊界摩擦、混合摩擦及流體摩擦都必須具備一定的潤(rùn)滑條件，所以，相應(yīng)的潤(rùn)滑狀態(tài)也常分別稱為邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑及流體潤(rùn)滑。可以用膜厚比λ來(lái)大致估計(jì)兩滑動(dòng)表面所處的摩擦(潤(rùn)滑)狀態(tài)，即

　　式中： hmin--兩滑動(dòng)粗糙表面間的最小公稱油膜厚度，μm ；

　　　　　Ra1,Ra2--分別為兩表面輪廓算術(shù)平均偏差，μm 。

　　當(dāng)膜厚比λ≤l時(shí)，為邊界摩擦(潤(rùn)滑)狀態(tài)；當(dāng)λ=l～5時(shí)，為混合摩擦(潤(rùn)滑)狀態(tài)；當(dāng)λ>5時(shí)，為流體摩擦(潤(rùn)滑)狀態(tài)。

　　干摩擦是指表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的純金屬接觸時(shí)的摩擦。在工程實(shí)際中，并不存在真正的干摩擦，因?yàn)槿魏瘟慵谋砻娌粌H會(huì)因氧化而形成氧化膜，而且多少也會(huì)被潤(rùn)滑油所濕潤(rùn)或受到"油污"。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常都把這種未經(jīng)人為潤(rùn)滑的摩擦狀態(tài)當(dāng)作“干”摩擦處理。固體表面之間的摩擦，雖然早就有人進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并在18世紀(jì)就提出了至今仍在沿用的、關(guān)于摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式：Ff=fFn(式中Ff為摩擦力、Fn為法向載荷、f為摩擦系數(shù))。但是，有關(guān)摩擦的機(jī)理，直到20世紀(jì)中葉才比較清楚地揭示出來(lái)，并逐漸形成現(xiàn)今被廣泛接受的分子--機(jī)械理論、粘附理論等。對(duì)于金屬材料，特別是鋼，目前較多采用修正后的粘附理論。

　　簡(jiǎn)單粘附理論于1945年由鮑登(F．P．Bowden)等人提出，他們認(rèn)為兩個(gè)金屬表面在法向載荷作用下的接觸面積，并非兩個(gè)金屬表面互相覆蓋的公稱接觸面積(或叫表觀接觸面積)A0，而是由一些表面輪廓峰相接觸所形 成的接觸斑點(diǎn)的微面積的總和，叫真實(shí)接觸面積Ar(下圖)。由于真實(shí)接觸面積很小，因此可以認(rèn)為輪廓峰接觸 區(qū)所受的壓力很高。當(dāng)接觸區(qū)受到高壓而產(chǎn)生塑性變形后， 這些微小接觸面便發(fā)生粘附現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點(diǎn)。當(dāng)接觸 面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，這些冷焊結(jié)點(diǎn)就被切開(kāi)。在于摩擦條件下，可將較硬表面堅(jiān)硬的輪廓峰在較軟表面上犁出"犁溝"所需克服的阻力忽略不計(jì),則摩擦力

式中：τB即是結(jié)點(diǎn)材料的剪切強(qiáng)度極限。 

    對(duì)于理想的彈塑性材料，當(dāng)法向載荷增大時(shí)，真實(shí)接觸面積Ar也隨之增大，應(yīng)力并不升高，而停留在材料的壓縮屈服極限σsy。例如下圖a所示為單個(gè)輪廓峰接觸區(qū)在高壓作用下產(chǎn)生塑性流動(dòng)，導(dǎo)致接觸面積增大到恰好能支承法向載荷為止的模型。故真實(shí)接觸面積Ar為

 　　故得： 

單個(gè)輪廓峰接觸模型

　　金屬的摩擦系數(shù)為

　　式中τB、σsy是指相接觸的兩種金屬中較軟者的剪切強(qiáng)度極限與壓縮屈服極限。由于大多數(shù)金屬的τB/σsy 的比值均較接近，所以其摩擦系數(shù)相差甚小。但是，這個(gè)結(jié)論不完全符合實(shí)際。例如處于真空中的潔凈金屬發(fā)生摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)要比常規(guī)環(huán)境里的摩擦系數(shù)大得多。這一事實(shí)說(shuō)明真實(shí)接觸面積一定比簡(jiǎn)單粘附理論所指出的大得多。在簡(jiǎn)單粘附理論中，認(rèn)為真實(shí)接觸面積決定于軟金屬的壓縮屈服極限和法向載荷。對(duì)于靜態(tài)接觸，這在大體上是正確的。為此，鮑登等人于1964年又提出了一種更切合實(shí)際的修正粘附理論。

這種理論認(rèn)為，在摩擦情況下，輪廓峰接觸區(qū)除作用有法向力外,還作用有切向力,所以接觸區(qū)同時(shí)有壓應(yīng)力和切應(yīng)力存在。這時(shí)金屬材料的塑性變形取決于壓應(yīng)力和切應(yīng)力所組成的復(fù)合應(yīng)力作用，而不僅僅取決于金屬材料的壓縮屈服極限σsy。圖<單個(gè)輪廓峰接觸模型>b所示為壓應(yīng)力σy及切應(yīng)力τ聯(lián)合作用下，單個(gè)輪廓峰的接觸模型，并且假定材料的塑性變形產(chǎn)生于最大切應(yīng)力達(dá)到某一極限值的情況。若將作用在輪廓峰接觸區(qū)的切向力逐漸增大到Ff值，結(jié)點(diǎn)將進(jìn)一步發(fā)生塑性流動(dòng)，這種流動(dòng)導(dǎo)致接觸面積增大。也就是說(shuō)，在復(fù)合應(yīng)力作用下，接觸區(qū)出現(xiàn)了結(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)的現(xiàn)象。結(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)模型如圖<單個(gè)輪廓峰接觸模型>c所示，其中τB 為較軟金屬的剪切強(qiáng)度極限。

　　在真空中，潔凈的金屬表面發(fā)生摩擦?xí)r結(jié)點(diǎn)可能大幅度地增長(zhǎng),因此摩擦系數(shù)較高, 在空氣中，由于界面上覆蓋有一層氧化膜或污染膜，這種表面膜通常抗剪能力很弱,因而摩擦系數(shù)較低。修正后的粘附理論認(rèn)為：

　　當(dāng)兩金屬界面被表面膜分隔開(kāi)時(shí),τBj為表面膜的剪切強(qiáng)度極限；當(dāng)剪斷發(fā)生在較軟金屬基體內(nèi)時(shí),τBj為較軟金屬基體的剪切強(qiáng)度極限τB；若表面膜局部破裂并出現(xiàn)金屬粘附結(jié)點(diǎn)時(shí)，τBj將介于較軟金屬的剪切強(qiáng)度極限和表面膜的剪切強(qiáng)度極限之間。

　　這個(gè)理論與實(shí)際情況比較接近，可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)解釋摩擦現(xiàn)象。在工程中，常用金屬材料副的摩擦系數(shù)是指在常規(guī)的壓力與速度條件下,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的,并可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，其值可參考有關(guān)資料。

邊界摩擦(邊界潤(rùn)滑)

　當(dāng)運(yùn)動(dòng)副的摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦稱為邊界摩擦。潤(rùn)滑劑中的脂肪酸是一種極性化合物，它的極性分子能牢固地吸附在金屬表面上。單分子膜吸附在金屬表面上的符號(hào)如右上圖a所示，圖中o為極性原子團(tuán)。這些單分子膜整齊地呈橫向排列，很象一把刷子。邊界摩擦類(lèi)似兩把刷子間的摩擦，其模型見(jiàn)右上圖b。吸附在金屬表面上的多層分子邊界膜的摩擦模型如右下圖所示。分子層距金屬表面越遠(yuǎn)，吸附能力越弱，剪切強(qiáng)度越低，遠(yuǎn)到若干層后，就不再受約束。因此，摩擦系數(shù)將隨著尾數(shù)的增加而下降，三層時(shí)要比一層時(shí)降低約一半。比較牢固地吸附在金屬表面上的分子膜，稱為邊界膜。邊界膜極薄，潤(rùn)滑油中的一個(gè)分子長(zhǎng)度平均約為0.002μm，如果邊界膜有十層分子其厚度也僅為0.02μm 。金屬表面粗糙的輪廓峰一般都超過(guò)邊界膜的厚度(當(dāng)膜厚比λ≤l時(shí))，所以邊界摩擦?xí)r，不能完全避免金屬的直接接觸，這時(shí)仍有微小的摩擦力產(chǎn)生，其摩擦系數(shù)通常約在0.1左右。

　　按邊界膜形成機(jī)理，邊界膜分為吸附膜(物理吸附膜及化學(xué)吸附膜)和反應(yīng)膜。吸附膜的吸附強(qiáng)度隨溫度升高而下降，達(dá)到一定溫度后，吸附膜發(fā)生軟化、失向和脫吸現(xiàn)象，從而使?jié)櫥饔媒档停p率和摩擦系數(shù)都將迅速增加。

　　反應(yīng)膜是當(dāng)潤(rùn)滑劑中含有以原子形式存在的硫、氯、磷時(shí)，在較高的溫度(通常在150℃ ～ 200℃)下，這些元素與金屬起化學(xué)反應(yīng)而生成硫、氯、磷的化合物(如硫化鐵)在油與金屬界面處形成的薄膜。這種反應(yīng)膜具有低的剪切強(qiáng)度和高熔點(diǎn)，它比前兩種吸附膜都更穩(wěn)定。

　　合理選擇摩擦副材料和潤(rùn)滑劑，降低表面粗糙度值，在潤(rùn)滑劑中加入適量的油性添加劑和極壓添加劑，都能提高邊界膜強(qiáng)度。

多層分子邊界

膜的摩擦模型

混合摩擦(混合潤(rùn)滑)

　　當(dāng)摩擦表面間處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài)時(shí)(膜厚比λ=l～5)，稱為混合摩擦。混合摩擦?xí)r，如流體潤(rùn)滑膜的厚度增大，表面輪廓峰直接接觸的數(shù)量就要減小，潤(rùn)滑膜的承載比例也隨之增加。所以在一定條件下，混合摩擦能有效地降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)要比邊界摩擦?xí)r小得多。但因表面間仍有輪廓峰的直接接觸，所以不可避免地仍有磨損存在。

流體摩擦(流體潤(rùn)滑)

　　當(dāng)摩擦面間的潤(rùn)滑膜厚度大到足以將兩個(gè)表面的輪廓峰完全隔開(kāi)(即λ>5)時(shí),即形成了完全的流體摩擦。這時(shí)潤(rùn)滑劑中的分子已大都不受金屬表面吸附作用的支配而自由移動(dòng)，摩擦是在流體內(nèi)部的分子之間進(jìn)行，所以摩擦系數(shù)極小(油潤(rùn)滑時(shí)約為0.001～0.008)，而且不會(huì)有磨損產(chǎn)生，是理想的摩擦狀態(tài)。