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滑動摩擦磨損的分類

更新時間:2023-05-15      點擊次數:742

一、聚合物磨損的分類

磨損是摩擦產生的必然結果,有摩擦就一定會導致磨損。磨損是一個廣泛的領域,可以說每一種磨損都有幾種性質不同、互不相關的機理存在。聚合物的磨損有多種形式,按不同的機理和條件主要可以分為四種類型,即:粘著磨損(adhesive wear;磨粒磨損(abrasive wear;疲勞磨損(fatigue wear)及摩擦中的化學反應(tribo-chemical reaction)等。在實際摩擦磨損過程中,幾種磨損機理會同時發生,至于那一種磨損機理起主要作用是由聚合物自身的性質決定的。磨粒磨損中對偶面的粗糙度對磨損大小起決定性作用;接觸疲勞磨損是在循環應力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴展的結果,是一種普遍的磨損形式。此外,斷裂能(G或J)決定裂紋的形成和磨損強度,其依賴于聚合物的延展性,直接影響聚合物的磨損;嚴重的摩擦化學磨損涉及到活性粒子的產生:如自由基,電子等。對于聚合物轉移膜,表面極性及表面能決定膜的轉移;對于在周期載荷作用下的疲勞磨損,斷裂能是決定材料是否抗疲勞的主要因素;并且熱塑性、彈性體及復合材料等材料磨損機理各不相同;而且大多數的磨損機理最終會導致聚合物的疲勞磨損。

二、粘著磨損

作用在固體接觸表面間的粘著是摩擦學領域中的一項重要內容。具體說,它對滑動摩擦、磨損以及潤滑等起著很重要的作用。粘著磨損是在正常載荷的作用下,由于粘著力的形成而使聚合物轉移到對偶面的現象。宏觀光滑的表面,從微觀尺度看總是粗糙不平的。當兩個表面接觸時,接觸的只是表面上的一些較高微突點。它們承受著整個載荷,以致使許多微突點發生塑性變形,并更緊密地接觸。在這種條件下,這些緊密接觸的微突點表面原子間將發生相互作用,使兩個表面微突點粘著、焊合。進一步的滑動使一些粘著點破壞,這樣聚合物就會轉移到其對偶面一金屬或聚合物上。通過以上分析可知:緊密接觸、塑性變形以及摩擦熱的形成都會使兩物質間產生粘著。粘著磨損中,真實接觸面積表觀接觸面積相比是非常小的。真實接觸面積約為表觀接觸面積的千分之一,而粘著磨損的磨損質量損失與真實接觸面積成正比。

對于聚合物一聚合物的滑動組,粘著磨損是最重要的磨損機理。如果表面粗糙度低于某一特定值,粘著也會發生在聚合物一金屬之間。對于一個光滑表面,很難區分粘著磨損與疲勞磨損。粘著強烈地依賴于表面界面特性。例如:表面形貌、表面能、界面剪切強度及表面吸附層等。在這些特性中表面能又起決定性作用。轉移膜的形成依賴于對偶面的表面能,通常是從低表面能的一面轉移到高表面能的一面。應該指出,分子形貌決定轉移層厚度及轉移的程度。光滑的分子,如高密度聚乙烯(HDPE,將在對偶面形成一層薄的、高度取向的轉移膜,因此表現為粘著磨損率較低。另外,高度交聯的材料不易在對偶面形成轉移膜,這說明交聯聚合物具有高的抗粘著磨損特性

三、磨粒磨損

磨粒磨損在工業中存在非常廣泛。據估計,工業中發生的磨損約50%是屬于磨粒磨損。磨粒磨損是由于對偶表面的粗糙不平(兩組分磨粒磨損)或磨粒夾在摩擦面之間(三組分磨粒磨損)或兩種情況同時發生從而使摩擦面主要因為切削而引起磨損脫落的現象。磨粒磨損表面通常有多方向的劃痕產生。如果兩個接觸面中,一個面比另一個面硬一些,那么在滑動時硬表面上的硬凸體就會在軟表面上劃出溝痕。由于這種溝痕很像農用犁在田地上犁出的溝,故稱犁溝,這種現象稱為犁溝效應。

磨粒磨損主要是犁溝和微觀切削作用,聚合物硬度與大部分金屬材料相比是比較低的,目前最硬的聚合物其硬度也不及低碳鋼。因此,聚合物對于硬質點的切削或刻槽現象極其敏感。尤其是當硬質點有尖銳棱角時,磨粒磨損更為嚴重。摩擦副接觸面的形成和分開過程伴隨著微突體的刺入和拔出,在這一微觀區域形成材料的粘著。一般來說容易產生彈性形變和各向異性的材料具有較高的摩擦系數。因此,在塑料和橡膠的摩擦學研究中,發現交聯密度、球晶尺寸和分子鏈結構都會影響摩擦系數。同時,聚合物材料的粘彈性還受溫度的影響。摩擦速率、載荷、表面形貌及粗糙度都會通過對界面粘接的影響而作用于摩擦系數產生磨粒磨損的硬顆粒的大小對聚合物的磨粒磨損有很大影響,磨粒顆粒越大,在相同的通過次數下,從聚合物表面移走的材料越多,磨損越嚴重。且

在初始磨損階段,磨損率較高,因為此時磨粒尖銳且沒有受到破壞,隨著磨損的進行,磨粒受到破壞,磨損率降低。

當然,聚合物的磨粒磨損還與聚合物本身性質有關。對于脆性聚合物,可用一個簡單的公式來確定磨損體積

Vw=kld tang /TCH(1一1)

式中,e表示微凸體的底角,Vw為磨損體積,k為常數,Z為載荷八偽滑動距離,H為硬度??梢?,磨損量與tang成正比,與硬度成反比。

許多研究者牙民道了決定聚合物磨粒磨損的重要參數一斷裂能。如果用s表示聚合物材料的拉伸強度,用6表示聚合物斷裂前的延伸率,那么參數(S'} (}將是一個和斷裂能有關的量。近似的說,參數(S'} (}越大,意味著斷裂能越大。則在相同粗糙度對偶面的條件下,材料抗磨粒磨損的性能越好。

四、疲勞磨損

疲勞磨損是在循環載荷的作用下,非明顯的磨損在粗糙表面積累,致使發生明顯的磨損現象:在較軟的材料表面形成磨損微粒并脫離下來。疲勞磨損在相當一段時間的滑動(或滾動)后才能產生。若表面相對粗糙度較大,磨粒磨損和粘著磨損較嚴重,材料表面沒有時間導致疲勞并產生疲勞磨損。疲勞磨損較溫和,其破壞性通常低于磨粒磨損與粘著磨損,一般在滾動條件下形成。在滑動條件下,疲勞磨損常與磨粒磨損和粘著磨損同時發生。疲勞磨損的重要性最早由蘇聯科學家發現,Kvaghels場將此進一步延伸,推導了一些疲勞磨損公式。

盡管疲勞磨損通常發生在聚合物表面,但它在某種程度上受材料體積疲勞磨損特性的影響[[47],疲勞包括裂紋的形成及延伸,因此,它是一個斷裂的過程。裂紋的擴展(生長)率與斷裂硬度(Kc成反比。因此,一種具有高斷裂硬度的聚合物,在磨損的過程中具有較長的疲勞周期,更加耐疲勞磨損。斷裂能在抗疲勞磨損中的重要性在Eiss和Potter[4g]的工作中進一步得到證實。他們的數據表明:填加15%的聚硅氧烷彈性體,使疲勞磨損率從600}m2/K下降到90}m2/K,然而彈性模量只有少量的下降,從1.11下降到0.92GPa。耐磨性不僅與彈性模量有關,而且與斷裂能有關。

五、化學磨損

化學磨損是指由于接觸表面與周圍環境發生化學作用而引起的磨損。當接觸面與環境中的物質發生化學反應時,其產物會脫離表面,使材料產生損失?;瘜W反應能否進行與摩擦過程產生的能量有關。雖然塑料都具有強的抗腐蝕能力,不為化學藥品所侵蝕,但當一些化學藥品、溶劑等進入摩擦界面,在應力反復作用下,又有熱、氧等環境因素,是能夠產生磨損的。在摩擦過程中,表面上真實接觸區域可以產生高溫,同時可能產生很高的局部應力與變形,在這些熱點能發生化學反應,從而加快了磨損速度。

綜上所述,聚合物材料的摩擦磨損機理錯綜復雜,不僅材料本身分子結構、機械性能、熱性能、化學性能讓材料具有不同的摩擦磨損性能,而且工況條件如負載、轉速、表面粗糙度、環境溫度、濕度會影響材料的摩擦磨損機理,并且由于各種復合材料的大量開發和使用,人們發現復合材料的組成、相界面的粘結度、相和相之間的相溶性都有可能改變材料的摩擦磨損特性。隨著掃描電子顯微鏡(SEM、X射線光電子能譜(XPS>、透射電鏡(TEM、原子力顯微鏡(AFM)等先進儀器的出現。人們對微觀世界的了解有了更強有力的手段,對材料的摩擦磨損機理的研究也將越來越深入,但對摩擦磨損機理的探索仍將是一個長期的過程。


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