塑性加工摩擦学(tribology in metalforming)：研究塑性加工过程中，工具与工件接触表面由于相对运动而发生的一系列物理、化学、力学等变化规律的基础科学。是金属塑性加工的主要基础理论之一。摩擦对金属塑性加工过程和加工产品的质量有重要的影响。塑性加工摩擦学的基本任务是按照摩擦学的基本原理，结合塑性加工时的摩擦特点，研究塑性变形中的摩擦、磨损和润滑问题，控制摩擦的不利方面，利用其有效方面，达到节能、降低工具消耗、不断提高产品质量和效率。摩擦是人类生产和生活中普遍存在的现象，它既有不利的一面，也有不可缺少的一面。在塑性加工中，例如在轧制钢锭的初轧机上，常在轧辊表面上刻痕以增加摩擦，增大咬入角便于钢锭的咬入；而在冷轧薄板时，为了降低轧制压力，提高表面质量和控制板形，需要将轧辊磨光甚至抛光，并加上良好的润滑以降低摩擦。在摩擦过程中将发生一系列物理、化学和力学的变化，因而摩擦学是涉及多种学科领域的综合性学科。但是过去这门学科的研究和发展并未得到重视，对摩擦、磨损和润滑的研究往往是孤立地进行，因此无法全面、系统地看到它在工程中的重要性、普遍性和复杂性，也阻碍了对它进行更深入的科学研究。例如，自然界中的金属在7000年以前就被锻打成形，但对成形过程中润滑剂的重要性的认识却是相当近代的事。以下从塑性加工的几个方面简要叙述其摩擦和润滑的发展概况。

摩擦和润滑及发展历史

        锻造是问世最早的塑性加工技术、自然界中的金、银、铜等在公元前5000年就被锻打成薄片并制成首饰和工具。当时进行塑性冷加工时并未采用任何润滑措施，但往往也无意中认识到某些物质的润滑作用而加以利用。如为了制取色泽光亮的金叶而把黄金薄片置于动物毛皮问进行锻打。公元前4000年就知道铜的退火，且热锻必须在退火后立即进行，因氧化铜是接触界面良好的润滑剂。最早出现于公元前7世纪的古铜币就是用模具锻压成形的。到18世：25用钢材制造火枪零件时，为了使其具有互换性而采用模锻的方法，加工中使用锯末、薄层重油或石墨与油的混合物作润滑剂。

       拉拔润滑自公元1世纪时就开始采用，当时用钢模拉制铅锡合金，用橡木模拉制金、银丝，在支撑模板上刻有沟槽来供给润滑剂，到14世纪开始用水作润滑。然而第一部关于拉拔润滑的资料却出现得很迟。比林格希欧(Biringuccio)认为，在拉拔金、银丝时必须用新的蜡涂在其表面，这除了可使材料易于通过拉拔模外，还能使丝材表面呈现金黄光亮的色泽。18世纪在拉拔铁丝时涂抹肥皂进行润滑，而在欧洲北部则使用猪油，南部用菜子油，在德国拉丝中心阿尔特纳(Altena)则采用橄榄油。拉拔加工中的表面处理工艺最早是在阿尔特纳使用砖灰和砂子用手工进行表面清理作为拉拔前的准备工序，这种方法延续使用了几个世纪。到17世纪才出现应用水轮机将含有细砂的高压水对成捆的钢条进行表面处理的工艺，清理后的表面进行拉拔时用油或脂润滑。公元1650年左右，格德斯(J．Gerdes)发现了金属表面处理的应用价值，即最早发现了黄化处理技术。这种方法几乎沿用了150年之久。到19世纪中叶，酸洗、蘸石灰、烘干等才开始应用于钢材的拉拔。湿拉工艺是使用油、乳化液或脂作润滑，在欧洲一直沿用至今，并且还在表面镀上一层铜(见镀铜)或铜一锡合金。影响丝材拉拔的最新变革是1923年硬质合金模具的采用和1934年拉拔前的磷化处理。

       轧制是公元15世纪首先用于铅和金的冷加工的，到16世纪轧制窄合金带制造货币。18世纪开始热轧宽的铅板，冷轧有色金属板并逐步增加宽度。但是在轧制铜和铜合金时进行润滑却是20世纪的事，通常使用矿物油及其与动植物油或脂的混合物作润滑剂。在20世纪盛行的铝板的冷轧中，首次系统地对润滑剂进行了研究，选用含少量添加剂如羊毛脂的轻质矿物油用于低速轧制时的工艺润滑，其产生的油斑的倾向小。在同一时期低速冷轧窄带钢时，使用矿物油润滑和进行水冷已足够了。德国是最早开始生产镀锡板的，大约在1790年前后仍然是用热叠轧(见叠轧薄板生产)的方法生产。随着镀锡板需求量的不断增长，冷轧宽镀锡板得到发展，原来采用的以矿物油为主的润滑剂已不能满足要求。到1930年，提出用棕榈油作为镀锡板生产线上的轧制润滑剂。这种润滑剂从美国推广到世界各地，直到今天仍然是人们公认的高质量润滑剂。随着近代高速轧制带来的温升问题，用乳化液作润滑开始得到重视。

基础理论

      早在公元1508年，意大利的达•芬奇(L．da Vinci)对摩擦学学科的早期发展作出了较大贡献。他首先提出了经典的摩擦理论，认为摩擦力与载荷成正比(摩擦第一定律)，而与名义接触面积无关(摩擦第二定律)。他还提出摩擦力的大小为荷重的1／4，即摩擦系数约为0．25。1699年，法国的阿芒东(Amonton)通过实验验证了上述两条摩擦定律。1780年库仑(Coulomb)发展了摩擦理论，假设摩擦来自物理表面粗糙度和粘结力，并提出摩擦力与速度无关(摩擦第三定律)。1919～1933年，哈里(Hary)提出了对压力加工过程有重要意义的边界润滑(见边界摩擦)理论。而与干摩擦和润滑摩擦(见液体摩擦)有关的理论研究则是在20世纪40年代。其中，粘着摩擦理论认为，两表面的凹凸部分主要是彼此在凸起的顶部以互压在一起的状态相接触，在很高的面压作用下，两表面压接到分子(原子)引力作用范围内，从而使两表面粘着。根据这一特性，冷压焊、双金属的固相复合等技术在实际生产中得到了运用。但是金属粘着也导致摩擦加大，力能消耗增加，制品表面显著损伤以及工具急剧磨损，使用寿命缩短等。苏联学者塔尔诺夫斯基在平面压缩圆柱体试件或轧制板带试件时，通过测量接触面上各点摩擦应力大小及分布来研究塑性变形条件下的摩擦规律，认为：

       (1)塑性变形过程中接触摩擦的大小和分布与接触表面上金属质点的运动学特点有关，平面压缩时接触表面上可能分别或同时存在粘着区、制动区以及滑动区，这些区域内质点运动学特点不同，致使摩擦特点也各不相同；

      (2)接触摩擦大小及分布状况与变形区形状系数(圆柱体时为直径与高度之比D／H，轧制板材时为接触弧长与平均高度之比L／H，也称形状因子。)及变形程度有关，因为二者与接触表面的更新过程与程度以及质点的运动学特点有关；

      (3)接触摩擦的大小及其分布状况还与接触表层金属的性质及其变化有关。因此，塑性变形条件下干摩擦的基本过程乃是表层金属的剪切流动过程。肖(M．C．Shaw)对塑性变形中摩擦机构的见解是从测定金属硬度的原理出发的。当钢球压入试件表面后，在球面下部的试件内会产生一塑性变形区。根据刻有网格的试件变化情况证明，在压力加工时，工具与变形金属接触开始外力较小，只是少数凸起点的弹性接触；随着外力的增大，在较软金属内出现逐渐扩大的塑性区以至最后塑性区相互交错，并扩及整个金属基体，出现金属的塑性流动。肖的这一观点与塔尔诺夫斯基的观点是一致的。

塑性加工中的摩擦特点及分类

       金属塑性加工过程中的摩擦阻力产生于基体金属塑性变形且沿工具表面流动的过程中，因此阻止这种流动的摩擦应力的大小与变形区中金属所处的应力应变状态，即变形过程的力学条件有关。此外，金属塑性加工时承受较高的单位压力，通常达500MPa左右，冷挤压时单位压力可达2500MPa，因此工具和工件之间的摩擦是在高压下产生的，压力越高，润滑就越困难。而且很多塑性加工又是在高温下进行的，例如钢的锻造和热轧的温度一般为800～1200℃，在这样的高温下，金属的组织和性能要发生变化，表面也产生强烈的氧化、粘着等。这些改变了工具和工件之间的摩擦条件，给润滑也带来很大影响。另外，塑性加工时常常由于变形产生新的接触面而不断改变工件和工具之间的接触摩擦条件，使接触面上金属各点的位移情况不同，有的滑动有的粘着(见滑动与粘着)。因此，塑性加工时的摩擦比一般机械摩擦要复杂得多。而且，变形的工艺条件如温度、速度及变形程度等又苛刻多变。所以，把金属塑性加工中摩擦的类型按接触界面的状态分为干摩擦、液体摩擦和边界摩擦。干摩擦实际是指表面上没有润滑剂的摩擦，润滑较困难的镦、锻过程、无润滑挤压铝及铝合金以及其他任何不加润滑剂的加工过程都有可能出现干摩擦的状态。液体摩擦是指在接触界面上存在一层较厚的流体润滑膜，厚度可达2～3μm，超过工具表面的不平度，摩擦发生在润滑膜内。在高速轧制和拉拔生产时容易出现这种状态。边界摩擦是指由于润滑剂对金属表面的物理、化学吸附作用，形成一层只有几个分子厚的边界润滑膜的摩擦，润滑膜厚度在1／100～1／10μm。由于塑性加工时的摩擦条件比较特殊，理想的液体润滑及边界润滑状态较难出现。整个接触面上为单一的摩擦润滑状态较少，多为混合状态。如液体一边界摩擦，边界-干摩擦及液体-千摩擦等。根据高速冷轧和拉拔时测出的摩擦系数分别为0．02～0．03和0．04～0．09，较一般的边界润滑的摩擦系数(油脂系润滑油为0．1～0．2，矿物油为0．2～0．3)低一个数量级，因而认为其加工过程是处于液体摩擦状态。但是，在上述两种加工方式下都同样观察到轧辊或模具上粘附金属微粒及在润滑油中存在散落的金属磨损粒子。这就表明，上述的加工过程实际是处在以液体润滑为主，并出现边界摩擦，甚至有干摩擦的混合摩擦状态。

摩擦界面和表面接触

       塑性加工时构成摩擦偶的工具和变形工件之间由于摩擦产生了作用在接触界面上的剪切应力，并阻碍相互运动。从纯力学的观点，界面可看作具有一定剪切强度的连续膜，它处于刚性膜和有一定屈服应力的变形工件之间。但在宏观上，模具材料不是刚性的，其形状会由于弹性变形而改变，若超过某一临界载荷就会产生塑性变形甚至破坏。在微观上，工具和工件表面显示出微小的峰和谷，这些微观几何形体的尺寸大小、间距、方向等对摩擦界面的行为起着重要的作用。一定成分的工具材料表面有硬质相的耐磨微粒镶入较软的延性又好的基体中。工件表面由于前一工序加工过程中摩擦和不均匀变形而受到强烈的加工摩擦变形，产生的大量热会引起材料组织性能变化，并与润滑剂中的活性元素硫反应，引起表层化学成分的变化。由于加工表面暴露在含有水、硫、氮等元素的大气环境和润滑剂中，新生表面会迅速同它们形成各种反应产物(即反应膜)，并被它们覆盖起来，而未被覆盖的新生表面具有较强的粘着力，轧制时容易引起工件和轧辊的粘着。

      为降低界面摩擦而加入的润滑剂并非只形成简单的惰性膜，由于润滑剂各种组分的表面活性和反应性能将会对界面性能产生重要的影响。此外，界面温度会由于摩擦和变形而升高到工具温度或工件温度以上，这将促进粘着并破坏润滑膜，加快新生面与润滑剂中活性物质和大气中氧等的反应速度，而分别形成化学反应膜和氧化膜。同时界面压力会升高并达到工件材料屈服应力的数倍，从而影响润滑剂与工具和工件材料之间的反应。

上述各种变量的交互作用决定了润滑机制的类型，控制了摩擦的大小及磨损和磨损速率，更重要的是控制了产品的质量。塑性加工时表面间真实接触情况十分复杂，两个表面首先在其微凸体高度值最大点处接触，其真实的接触面积只是整个表观接触面积的极小部分(0．01％～0．1％)。

       测定真实接触面积的方法很多，但是要直接用于金属基体发生塑性变形的实际塑性加工过程是困难的，通常还是用几何法进行近似计算。实际接触表面是具有典型的微观凸凹不平及带有表面污染物的工艺表面。因为通过观察无润滑剂界面间发生的现象表明，即使仅有单分子氧或氯吸附在表面上，也会有效地降低界面的剪切强度，而绝对的干摩擦条件是不存在的。但在分析粗糙表面实际接触情况时，常常把大气环境所造成的氧化膜或污染膜的润滑作用给予忽略了，把经过清洗的表面就看作干净的无润滑影响的干摩擦表面，以避免各种表面膜作用使问题更复杂化。具有微观粗糙表面的凸凹不平程度用表面粗糙度来表示。

       表面粗糙度的测量方法有电子、干涉或反射显微术的光测法及斜剖和测量表面轮廓等机械测量法。接触界面上的压力必须仔细区分是局部微凸体压力还是平均压力。由于接触面积很小，局部微凸体的压力可以达到很高值。平均值由于接触面积变化较大，其数值变化范围也较大。塑性加工时，当单个微凸体发生塑性变形时，其所受应力大约为材料的屈服应力的3倍，因为未变形的基体阻碍其自由变形。随着压力增加，越来越多的微凸体相接触，塑性变形开始在基体中发生，这时微凸体变形所需的压力下降，真实接触面积迅速增加，因此摩擦力也很快增加。

接触界面上外摩擦对塑性加工的影响

       实际塑性加工过程中接触面上的摩擦除与接触表面的状态(粗糙度、不同润滑剂等)有关外，还与变形区的形状因子密切相关，并对塑性加工过程带来很大影响，主要表现为：(1)接触表面上摩擦阻力的存在直接阻碍表层金属质点的流动，使金属变形时的实际变形抗力增大，力能消耗加大；(2)摩擦阻碍金属的塑性流动，且随变形区形状因子的不同，摩擦对金属内部质点流动的牵制作用的程度也不同，导致变形区各部分金属变形不均匀，从而引起加工制品的组织性能不匀，降低成品率；(3)由于摩擦的存在很容易发生工具与变形金属间的粘着，相对滑动时会出现金属微粒的转移，导致加工工模具的磨损加大，进而影响制品尺寸精度，并增加生产成本。

塑性加工的摩擦过程

      伴随着磨损，摩擦对金属变形又有许多不利的影响，因此，采取各种有效的润滑措施，尽可能消除摩擦的有害影响，减少工具的磨损，提高产品质量就成为金属塑性加工中十分重要的问题。