第六章 高分子材料的磨损性能

高分子材料性能学高分子材料性能学1第六章高分子材料的磨损性能高分子材料性能学高分子材料性能学2磨损的基本概念及类型；磨损过程；耐磨性及其测量方法；影响磨损的因素摩擦磨损中的表面力化学反应主要内容:高分子材料性能学高分子材料性能学36.1磨损的基本概念及类型一、摩擦与磨损的概念1．摩擦接触物体间阻碍运动的现象，阻力称为摩擦力2．磨损在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现象。静强度理论基本适合于磨损过程分析高分子材料性能学高分子材料性能学4高分子材料的磨损1.优点:1)抗划伤能力(柔性大,硬度小)2)聚合物对磨粒具有良好的适应性、就范性和埋嵌性。3)高弹性又可在接触表面产生变形而不发生切削犁沟式损伤4)就耐磨性而言，聚合物与金属配对的摩擦副优于金属与金属配对的摩擦副2.缺点:摩擦热使聚合物有显著的蠕变现象摩擦热使聚合物有显著的蠕变现象高分子材料性能学高分子材料性能学5高分子材料与刚性表面在接触界面上相互作用包括黏附和滞后变形，分别称为黏附摩擦作用和滞后摩擦作用HaFFF黏附力Fa：两个摩擦副表面分子间的相互作用力，施加剪切力克服滞后力FH：表面间粗糙凸体间的相互啮合作用，必须施加足够大的外力使软表面产生位移、变形或局部破坏，才能产生相对滑移高分子材料性能学高分子材料性能学6黏附摩擦与滞后摩擦示意高分子材料性能学高分子材料性能学7使摩擦副开始滑动所需要的切向力称为静摩擦力维持滑动持续进行所需要的切向力是动摩擦力材料的摩擦力与接触时的法向压力P和摩擦系数μ成正比PF聚四氟乙烯的摩擦系数很小，橡胶类弹性体的摩擦系数较大高分子材料性能学高分子材料性能学8滚动速度v(m/s)滚动摩擦系数μ3.摩擦形式与特点滑动摩擦、滚动摩擦、润滑摩擦滚动摩擦示意低v，与载荷（W）无关；中等v，μ正比于W1/3;高v，μ正比于W1/2高分子材料性能学高分子材料性能学96.2磨损①反复进行局部变形和断裂②材料表层经过每次循环后总要变到新的状态磨损三个阶段：①跑合（磨合）阶段②稳定磨损阶段③剧烈磨损阶段高分子材料性能学高分子材料性能学10磨损机理1.根据摩擦面损伤和破坏的形式，可分4类：粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损麻点疲劳磨损(接触疲劳)2、各种磨损可以发生转化高分子材料性能学高分子材料性能学111.橡胶磨损特征与机理分为黏附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损起卷磨损（1）黏附磨损橡胶与金属微凸处之间产生粘着，当粘附部位的强度大于橡胶的强度时，剪切作用使粘附部位产生少量的橡胶磨屑粘着磨损示意(金属与橡胶间）高分子材料性能学高分子材料性能学12J.F.Archard提出了估算粘着磨损量的方法LddpKLKNVWSC3323234'VscHpLKpLK39高分子材料性能学高分子材料性能学13(2)磨粒磨损磨粒磨损示意(金属与橡胶间）橡胶的磨粒磨损是刚性金属表面的微凸使橡胶变形且产生撕裂切屑而造成的。高分子材料性能学高分子材料性能学1422)3(rHrpsctan2LrWHPLPLWsctan3tan高分子材料性能学高分子材料性能学15(3)疲劳磨损疲劳磨损示意(金属与橡胶间）在交变应力作用下，橡胶与金属表面微凸接触点处受到周期性变化的应力作用，在相对运动中，刚性微凸使橡胶材料表面发生多次压缩、拉伸、剪切变形，当应力循环次数达到一定时产生疲劳裂纹，进而扩展形成磨屑。高分子材料性能学高分子材料性能学16(4)起卷磨损橡胶与较光滑的表面摩擦时，若表面具有较高的摩擦系数，发生起卷模塑是低模量、大变形的橡胶材料特有的磨损形式必要条件：摩擦界面--高摩擦系数橡胶--低撕裂强度高分子材料性能学高分子材料性能学176.3耐磨性及其测量方法一、材料的耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示。磨损量愈小，耐磨性愈高。磨损量的测量有称重法和尺寸法两种：称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。高分子材料性能学高分子材料性能学18常用磨损量的倒数或用相对耐磨性(ε)表征材料的耐磨性亦称磨损系数。比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量被测试样的磨损量标准试样的磨损量高分子材料性能学高分子材料性能学196.4影响高分子材料磨损的因素(1).微观、细观结构影响高分子材料次价力作用和粘弹损耗的因素（组成、极性、柔顺性、结晶度、滞后损失和模量）塑料摩擦系数低于橡胶交联密度低，粘弹损耗大，摩擦系数和磨损增大分子链柔性下降，磨损量下降纤维增强复合材料，沿垂直纤维取向方向摩擦，磨损率低；沿纤维取向摩擦，磨损率高高分子材料性能学高分子材料性能学20(2).载荷正压力较低时摩擦系数随增压力增加而减小；正压力较高时，摩擦系数变化不大高分子材料性能学高分子材料性能学21(3).滑动速度与温度硅橡胶PMMAPSPE尼龙66高分子材料性能学高分子材料性能学22(4).摩擦环境的影响摩擦环境决定了摩擦形式和磨损程度干摩擦是两个完全干净表面间的摩擦，摩擦系数很大湿摩擦是两摩擦表面间存在水或润滑剂等液体的摩擦，摩擦系数较低，磨损率也较低摩擦过程中高分子材料与周围介质发生化学反应而产生的表面损伤称为侵蚀磨损，包括氧化磨损和特殊介质磨损高分子材料性能学高分子材料性能学23（5）填充的影响在高分子材料中填充一些能降低摩擦系数的液态或固态的润滑材料，可以有效的降低材料的摩擦系数。高分子材料性能学高分子材料性能学246.5磨损中的表面力化学反应表面力化学反应指在两相物质表面处，由于受到机械作用而引发的各种化学反应（1）链断裂反应天然橡胶从最弱的α-亚甲基键处断裂高分子材料性能学高分子材料性能学25CH2COHCOCH2CCHCH3CH2OOCH3CH2CH2COOHHCCH3CHCH2COCH3CHCH+夺取分子链中的氢异构化+（2）氧化降解与热降解反应大分子链中双键被氧化降解高分子材料性能学高分子材料性能学26CH2CCHCH3HCS+O2CH2CCHCH3HCSOO摩擦力作用下，交联橡胶的中S-S交联键断裂，并与氧作用表面层的氧化降解和热降解，降低了强度性能，加速了磨损高分子材料性能学高分子材料性能学27CH2CCNHCH2+H+OH-CH2HCCCH2NHOHCH2HCCCH2ONH2++低分子（I）（II）异构化（3）与环境介质的反应100~200oC或较长时间条件下，-CN容易水解成酰氨基，产物I和产物II脱落，使材料磨损高分子材料性能学高分子材料性能学28磨损实例---F1赛车的轮胎