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2024/5/11 14:13:15摩擦的影响因素
1.温度的作用
有人在20℃以下和低温(-40℃)条件下,曾经测定聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯的摩擦系数随温度的变化曲线。分析认为,除了聚四氟乙烯外,在这个温度区间内,其他几种纯高分子材料的摩擦系数都随温度升高而增大,但不呈线性关系。需要指出,s/Pm(s为剪切强度,Pm为屈服极限)的比值随温度变化的规律与摩擦系数一致,但数值却不相等。其中,聚四氟乙烯的这两个值随温度下降而逐渐增大。表5-4给出了几类摩擦副的摩擦系数随温度变化的情况,可以看出,温度对摩擦系数的影响,并不大,这与金属的特性一致。温度超过80℃以后,聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的表面太软,测定结果无意义了。
2.载荷的作用
一般认为,在重载下,高分子材料的接触界面上会产生塑性流动,遵循金属的摩擦定律,即接触的实际面积与作用载荷的大小成正比。当载荷降低时,接触变为黏弹性状态,摩擦机理也随之发生变化。一般来说,重载下高分子材料的摩擦系数恒定,而当载荷降低时摩擦系数增大。在相当宽的载荷范围内进行的实验结果证明,高分子材料的摩擦系数随载荷的增大而缓慢下降,大致成比例。
不同载荷下酚醛树脂摩擦系数的数据见表5-5。但只能用这些数值分析变化规律,得出定性概念,因为这些数值都太小,与其他资料所列的数值相差甚远,难以体现酚醛树脂的典型摩擦性质(多数情况下,酚醛树脂在干摩擦时的摩擦系数要高于0.1)。
3.速率的作用
在室温条件下,中、低速率范围内,高分子材料的摩擦系数随滑动速率的增加而增大,达到一个最大值。在高速下,摩擦系数随速率的增加而降低。大多数高分子材料具有低强度、低熔点、低导热率的性质。显然,在摩擦热可以忽略的低滑动速率下,可以用金属摩擦过程的黏着机理圆满地解释其摩擦特性。但是在滑动速率很高的情况下,特别是当还有重载荷时,接触区产生的强摩擦热对其摩擦特性起决定性的影响。这时,界面层将软化甚至熔融“焊合”,摩擦系数都将随滑动速率的升高而降低。关于这种趋势的解释是,在高速高负荷下,高分子材料在高温时分解可提供一些气体润滑剂。例如PA66的熔点约为265℃,它的摩擦系数随滑动速率的增大不断减小,并且在相当高的速率下也不会增大。
4.表面润滑的作用
以上论述高分子材料的干摩擦机理时,只讨论了理想状态,即高分子材料表面与金属表面都是纯净的表面,即表面结构与整体一样。但在工程实际中通常不存在这种理想的状态。高分子材料表面很容易存在成型过程中添加的增塑剂、润滑剂、脱模剂与抗静电剂等,形成表面膜;高分子材料极易受到油污与尘埃的污染;高分子材料表面可以吸附水分子;高分子材料表面在温度、应力、水、氧、辐射等影响下会降解或分解,产生低分子量产物等。上述三方面都可能使高分子材料产生一定的润滑作用的表面膜。
5.黏弹性的作用
高分子材料的结构决定了其在受到外力作用时,既表现出弹性形变的性质又表现出黏性形变的性质,即所谓黏弹性,它是高分子材料力学性质的一个重要特征。分子结构和相对分子质量的差异,都会对高分子材料的黏弹性特征产生显著的影响,并改变其摩擦学特性。
高分子材料的黏弹性对摩擦性能的影响机理为,随着滑动表面的接触与分离,在滑动接触点附近材料的受力变形将产生剪切、蠕变、松弛和回复这些复杂的力学效应,并引起阻尼损失(内耗)。摩擦阻力就是这种阻尼损失的一部分。高分子材料的黏弹性特征还会随温度和外力作用速率的快慢而变化,并导致材料的摩擦系数随着载荷、速率和温度的改变在一个较大范围内变化。
另外,如高分子材料的表面取向、表面粗糙度、分子量、结晶度等因素也会使摩擦行为产生影响。
磨损的影响因素
磨损相对于摩擦来说是一个更为复杂的现象,其影响因素很多,凡是影响摩擦特性的因素,对磨损也有一定的影响。通常这些因素包括摩擦副材料、载荷、滑动速率、温度、运动情况、表面粗糙度等。但是,具有低的摩擦系数的高分子材料的磨损率并不一定较小,具有高的摩擦系数其磨损也未必就大。比如纯聚四氟乙烯的摩擦系数特别小,耐磨性却很差,而尼龙的摩擦系数虽然高,但耐磨性却比较好,因此,磨损呈现纷繁复杂的关系,其规律性至今仍值得仔细探讨。
早期人们通过将高分子材料与钢对摩,发现以下规律。
(1)磨损与所承受的载荷成正比。
(2)磨损随着滑动速率的增大而增加。
(3)磨损随着温度的升高而增加。
(4)有润滑时磨损小,即润滑状态改善后磨损降低。即便只是使高分子材料含油,也可以使其磨损显著降低。例如低密度聚乙烯中含硅油5%或10%时,可以使磨损率降低一个数量级。
(5)对摩面的粗糙度越小,磨损也降低(图5-2)。
(6)同种对摩材料,硬度大者磨损小,硬度小者磨损大。
(7)对摩材料的类型对磨损影响很大。通常说“什么材料耐磨”,这些论断并不确切的。应当说什么材料与什么材料匹配、在什么状况、什么工况下耐磨才准确。一般来说,同种材料对摩时磨损大于异类材料。聚乙烯在聚乙烯上滑动,尽管摩擦力增大不到两倍,但磨损却很大。干摩擦时,超高分子量聚乙烯在相同材料上滑动,其磨损程度比在不锈钢上的约高3个数量级。又比如聚四氟乙烯,对摩面同是金属,但却因金属品种不同,使聚四氟乙烯也表现出不同的耐磨性能,而且差别极大。表5-6为聚四氟乙烯与不同金属对摩的相对磨耗。
其他因素如高分子材料的分子量、结晶度等的提高可以使磨损下降。然而,磨损形式对高分子材料的磨损行为影响很大,如文献报道超高分子量聚乙烯具有优良的抗沙浆冲蚀磨损性能。超高分子量聚乙烯的砂浆磨耗指数居常见高分子材料,比碳钢、黄铜还耐磨数倍。图5-3表示在沙浆磨损法测试下,超高分子量聚乙烯的磨损性能与其他材料的磨损性能的比较结果。试验条件为:沙浆由2份水、3份沙组成;试件的转速为900r/min;运转时间为7h。