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滑動摩擦磨損試驗機規律及影響因素

來源:北京中航時代儀器設備有限公司   2024年05月11日 14:13  

   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)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。

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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高于0.1)。

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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特性起決定性的影響。這時,界面層將軟化甚至熔“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℃,它的摩擦系數滑動率的增大不斷減小,并且在相當高的速率下也不會增大。

滑動摩擦磨損試驗機規律及影響因素

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,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)。

滑動摩擦磨損試驗機規律及影響因素

(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。


滑動摩擦磨損試驗機規律及影響因素

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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