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(jīng)測(cè)定聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線(xiàn)。分析認(rèn)為，除了聚四氟乙烯外，在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，其他幾種純高分子材料的摩擦系數(shù)都隨溫度升高而增大，但不呈線(xiàn)性關(guān)系。需要指出，s/Pm(s為剪切強(qiáng)度，Pm為屈服極限)的比值隨溫度變化的規(guī)律與摩擦系數(shù)一致，但數(shù)值卻不相等。其中，聚四氟乙烯的這兩個(gè)值隨溫度下降而逐漸增大。表5-4給出了幾類(lèi)摩擦副的摩擦系數(shù)隨溫度變化的情況，可以看出，溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，并不大，這與金屬的特性一致。溫度超過(guò)80℃以后，聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的表面太軟，測(cè)定結(jié)果無(wú)意義了。

2.載荷的作用

一般認(rèn)為，在重載下，高分子材料的接觸界面上會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，遵循金屬的摩擦定律，即接觸的實(shí)際面積與作用載荷的大小成正比。當(dāng)載荷降低時(shí)，接觸變?yōu)?/span>黏彈性狀態(tài)，摩擦機(jī)理也隨之發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，重載下高分子材料的摩擦系數(shù)恒定，而當(dāng)載荷降低時(shí)摩擦系數(shù)增大。在相當(dāng)寬的載荷范圍內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，高分子材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而緩慢下降，大致成比例。

不同載荷下酚醛樹(shù)脂摩擦系數(shù)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-5。但只能用這些數(shù)值分析變化規(guī)律，得出定性概念，因?yàn)檫@些數(shù)值都太小，與其他資料所列的數(shù)值相差甚遠(yuǎn)，難以體現(xiàn)酚醛樹(shù)脂的典型摩擦性質(zhì)(多數(shù)情況下，酚醛樹(shù)脂在干摩擦時(shí)的摩擦系數(shù)要高于0.1)。

3.速率的作用

在室溫條件下，中、低速率范圍內(nèi)，高分子材料的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速率的增加而增大，達(dá)到一個(gè)最大值。在高速下，摩擦系數(shù)隨速率的增加而降低。大多數(shù)高分子材料具有低強(qiáng)度、低熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱率的性質(zhì)。顯然，在摩擦熱可以忽略的低滑動(dòng)速率下，可以用金屬摩擦過(guò)程的黏著機(jī)理圓滿(mǎn)地解釋其摩擦特性。但是在滑動(dòng)速率很高的情況下，特別是當(dāng)還有重載荷時(shí)，接觸區(qū)產(chǎn)生的強(qiáng)摩擦熱對(duì)其摩擦特性起決定性的影響。這時(shí)，界面層將軟化甚至熔融“焊合",摩擦系數(shù)都將隨滑動(dòng)速率的升高而降低。關(guān)于這種趨勢(shì)的解釋是，在高速高負(fù)荷下，高分子材料在高溫時(shí)分解可提供一些氣體潤(rùn)滑劑。例如PA66的熔點(diǎn)約為265℃,它的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速率的增大不斷減小，并且在相當(dāng)高的速率下也不會(huì)增大。

4.表面潤(rùn)滑的作用

以上論述高分子材料的干摩擦機(jī)理時(shí)，只討論了理想狀態(tài)，即高分子材料表面與金屬表面都是純凈的表面，即表面結(jié)構(gòu)與整體一樣。但在工程實(shí)際中通常不存在這種理想的狀態(tài)。高分子材料表面很容易存在成型過(guò)程中添加的增塑劑、潤(rùn)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(yīng)力、水、氧、輻射等影響下會(huì)降解或分解，產(chǎn)生低分子量產(chǎn)物等。上述三方面都可能使高分子材料產(chǎn)生一定的潤(rùn)滑作用的表面膜。

5.黏彈性的作用

高分子材料的結(jié)構(gòu)決定了其在受到外力作用時(shí)，既表現(xiàn)出彈性形變的性質(zhì)又表現(xiàn)出黏性形變的性質(zhì)，即所謂黏彈性，它是高分子材料力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要特征。分子結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量的差異，都會(huì)對(duì)高分子材料的黏彈性特征產(chǎn)生顯著的影響，并改變其摩擦學(xué)特性。

高分子材料的黏彈性對(duì)摩擦性能的影響機(jī)理為，隨著滑動(dòng)表面的接觸與分離，在滑動(dòng)接觸點(diǎn)附近材料的受力變形將產(chǎn)生剪切、蠕變、松弛和回復(fù)這些復(fù)雜的力學(xué)效應(yīng)，并引起阻尼損失(內(nèi)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(huì)隨溫度和外力作用速率的快慢而變化，并導(dǎo)致材料的摩擦系數(shù)隨著載荷、速率和溫度的改變?cè)谝粋€(gè)較大范圍內(nèi)變化。

 另外，如高分子材料的表面取向、表面粗糙度、分子量、結(jié)晶度等因素也會(huì)使摩擦行為產(chǎn)生影響。

磨損的影響因素

磨損相對(duì)于摩擦來(lái)說(shuō)是一個(gè)更為復(fù)雜的現(xiàn)象，其影響因素很多，凡是影響摩擦特性的因素，對(duì)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(dòng)速率、溫度、運(yùn)動(dòng)情況、表面粗糙度等。但是，具有低的摩擦系數(shù)的高分子材料的磨損率并不一定較小，具有高的摩擦系數(shù)其磨損也未必就大。比如純聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)特別小，耐磨性卻很差，而尼龍的摩擦系數(shù)雖然高，但耐磨性卻比較好，因此，磨損呈現(xiàn)紛繁復(fù)雜的關(guān)系，其規(guī)律性至今仍值得仔細(xì)探討。

早期人們通過(guò)將高分子材料與鋼對(duì)摩，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

(1)磨損與所承受的載荷成正比。

(2)磨損隨著滑動(dòng)速率的增大而增加。

(3)磨損隨著溫度的升高而增加。

(4)有潤(rùn)滑時(shí)磨損小，即潤(rùn)滑狀態(tài)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(shí)，可以使磨損率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

(5)對(duì)摩面的粗糙度越小，磨損也降低(圖5-2)。

(6)同種對(duì)摩材料，硬度大者磨損小，硬度小者磨損大。

(7)對(duì)摩材料的類(lèi)型對(duì)磨損影響很大。通常說(shuō)“什么材料耐磨",這些論斷并不確切的。應(yīng)當(dāng)說(shuō)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(zhǔn)確。一般來(lái)說(shuō)，同種材料對(duì)摩時(shí)磨損大于異類(lèi)材料。聚乙烯在聚乙烯上滑動(dòng)，盡管摩擦力增大不到兩倍，但磨損卻很大。干摩擦時(shí)，超高分子量聚乙烯在相同材料上滑動(dòng)，其磨損程度比在不銹鋼上的約高3個(gè)數(shù)量級(jí)。又比如聚四氟乙烯，對(duì)摩面同是金屬，但卻因金屬品種不同，使聚四氟乙烯也表現(xiàn)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(duì)摩的相對(duì)磨耗。

其他因素如高分子材料的分子量、結(jié)晶度等的提高可以使磨損下降。然而，磨損形式對(duì)高分子材料的磨損行為影響很大，如文獻(xiàn)報(bào)道超高分子量聚乙烯具有優(yōu)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(shù)居常見(jiàn)高分子材料，比碳鋼、黃銅還耐磨數(shù)倍。圖5-3表示在沙漿磨損法測(cè)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(jié)果。試驗(yàn)條件為：沙漿由2份水、3份沙組成；試件的轉(zhuǎn)速為900r/min;運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為7h。