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滑動摩擦磨損試驗機規律及影響因素
閱讀：887發布時間：2024-5-11
摩擦的影響因素
1.溫度的作用
有人在20℃以下和低溫(-40℃)條件下，曾經測定聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯的摩擦系數隨溫度的變化曲線。分析認為，除了聚四氟乙烯外，在這個溫度區間內，其他幾種純高分子材料的摩擦系數都隨溫度升高而增大，但不呈線性關系。需要指出，s/Pm(s為剪切強度，Pm為屈服極限)的比值隨溫度變化的規律與摩擦系數一致，但數值卻不相等。其中，聚四氟乙烯的這兩個值隨溫度下降而逐漸增大。表5-4給出了幾類摩擦副的摩擦系數隨溫度變化的情況，可以看出，溫度對摩擦系數的影響，并不大，這與金屬的特性一致。溫度超過80℃以后，聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的表面太軟，測定結果無意義了。
2.載荷的作用
一般認為，在重載下，高分子材料的接觸界面上會產生塑性流動，遵循金屬的摩擦定律，即接觸的實際面積與作用載荷的大小成正比。當載荷降低時，接觸變為黏彈性狀態，摩擦機理也隨之發生變化。一般來說，重載下高分子材料的摩擦系數恒定，而當載荷降低時摩擦系數增大。在相當寬的載荷范圍內進行的實驗結果證明，高分子材料的摩擦系數隨載荷的增大而緩慢下降，大致成比例。
不同載荷下酚醛樹脂摩擦系數的數據見表5-5。但只能用這些數值分析變化規律，得出定性概念，因為這些數值都太小，與其他資料所列的數值相差甚遠，難以體現酚醛樹脂的典型摩擦性質(多數情況下，酚醛樹脂在干摩擦時的摩擦系數要高于0.1)。
3.速率的作用
在室溫條件下，中、低速率范圍內，高分子材料的摩擦系數隨滑動速率的增加而增大，達到一個最大值。在高速下，摩擦系數隨速率的增加而降低。大多數高分子材料具有低強度、低熔點、低導熱率的性質。顯然，在摩擦熱可以忽略的低滑動速率下，可以用金屬摩擦過程的黏著機理圓滿地解釋其摩擦特性。但是在滑動速率很高的情況下，特別是當還有重載荷時，接觸區產生的強摩擦熱對其摩擦特性起決定性的影響。這時，界面層將軟化甚至熔融“焊合",摩擦系數都將隨滑動速率的升高而降低。關于這種趨勢的解釋是，在高速高負荷下，高分子材料在高溫時分解可提供一些氣體潤滑劑。例如PA66的熔點約為265℃,它的摩擦系數隨滑動速率的增大不斷減小，并且在相當高的速率下也不會增大。
4.表面潤滑的作用
以上論述高分子材料的干摩擦機理時，只討論了理想狀態，即高分子材料表面與金屬表面都是純凈的表面，即表面結構與整體一樣。但在工程實際中通常不存在這種理想的狀態。高分子材料表面很容易存在成型過程中添加的增塑劑、潤滑劑、脫模劑與抗靜電劑等，形成表面膜；高分子材料極易受到油污與塵埃的污染；高分子材料表面可以吸附水分子；高分子材料表面在溫度、應力、水、氧、輻射等影響下會降解或分解，產生低分子量產物等。上述三方面都可能使高分子材料產生一定的潤滑作用的表面膜。
5.黏彈性的作用
高分子材料的結構決定了其在受到外力作用時，既表現出彈性形變的性質又表現出黏性形變的性質，即所謂黏彈性，它是高分子材料力學性質的一個重要特征。分子結構和相對分子質量的差異，都會對高分子材料的黏彈性特征產生顯著的影響，并改變其摩擦學特性。
高分子材料的黏彈性對摩擦性能的影響機理為，隨著滑動表面的接觸與分離，在滑動接觸點附近材料的受力變形將產生剪切、蠕變、松弛和回復這些復雜的力學效應，并引起阻尼損失(內耗)。摩擦阻力就是這種阻尼損失的一部分。高分子材料的黏彈性特征還會隨溫度和外力作用速率的快慢而變化，并導致材料的摩擦系數隨著載荷、速率和溫度的改變在一個較大范圍內變化。
另外，如高分子材料的表面取向、表面粗糙度、分子量、結晶度等因素也會使摩擦行為產生影響。
磨損的影響因素
磨損相對于摩擦來說是一個更為復雜的現象，其影響因素很多，凡是影響摩擦特性的因素，對磨損也有一定的影響。通常這些因素包括摩擦副材料、載荷、滑動速率、溫度、運動情況、表面粗糙度等。但是，具有低的摩擦系數的高分子材料的磨損率并不一定較小，具有高的摩擦系數其磨損也未必就大。比如純聚四氟乙烯的摩擦系數特別小，耐磨性卻很差，而尼龍的摩擦系數雖然高，但耐磨性卻比較好，因此，磨損呈現紛繁復雜的關系，其規律性至今仍值得仔細探討。
早期人們通過將高分子材料與鋼對摩，發現以下規律。
(1)磨損與所承受的載荷成正比。
(2)磨損隨著滑動速率的增大而增加。
(3)磨損隨著溫度的升高而增加。
(4)有潤滑時磨損小，即潤滑狀態改善后磨損降低。即便只是使高分子材料含油，也可以使其磨損顯著降低。例如低密度聚乙烯中含硅油5%或10%時，可以使磨損率降低一個數量級。
(5)對摩面的粗糙度越小，磨損也降低(圖5-2)。
(6)同種對摩材料，硬度大者磨損小，硬度小者磨損大。
(7)對摩材料的類型對磨損影響很大。通常說“什么材料耐磨",這些論斷并不確切的。應當說什么材料與什么材料匹配、在什么狀況、什么工況下耐磨才準確。一般來說，同種材料對摩時磨損大于異類材料。聚乙烯在聚乙烯上滑動，盡管摩擦力增大不到兩倍，但磨損卻很大。干摩擦時，超高分子量聚乙烯在相同材料上滑動，其磨損程度比在不銹鋼上的約高3個數量級。又比如聚四氟乙烯，對摩面同是金屬，但卻因金屬品種不同，使聚四氟乙烯也表現出不同的耐磨性能，而且差別極大。表5-6為聚四氟乙烯與不同金屬對摩的相對磨耗。
其他因素如高分子材料的分子量、結晶度等的提高可以使磨損下降。然而，磨損形式對高分子材料的磨損行為影響很大，如文獻報道超高分子量聚乙烯具有優良的抗沙漿沖蝕磨損性能。超高分子量聚乙烯的砂漿磨耗指數居常見高分子材料，比碳鋼、黃銅還耐磨數倍。圖5-3表示在沙漿磨損法測試下，超高分子量聚乙烯的磨損性能與其他材料的磨損性能的比較結果。試驗條件為：沙漿由2份水、3份沙組成；試件的轉速為900r/min;運轉時間為7h。
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