第二章_高分子材料自润滑减摩机理和耐磨机理-2

第二章高分子材料的磨损与耐磨机理

一、高分子材料的磨损形式

高分子材料的磨损十分复杂，关于磨损的分类并不统一，我们主要可以概括为以下几种磨损形式：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和塑性变形磨损。常常一种磨损发生后诱发其它形式的磨损，在实际磨损中通常是几种类型的磨损同时存在。

1．粘着磨损（Adhesive Wear）

（1）粘着磨损理论

上世纪八十年代，一系列关于高分子断裂及粘着的综述相继出版，这些研究成果使我们能够提出高分子脱离过程中的银纹（微裂纹）理论，从而使预测、关联相关试验结果成为可能，如在什么条件下高分子能够与一个坚硬的固体发生或强或弱的粘着。这一理论可以用于高分子的磨损。实际上，它可以同时用于解释磨损中的粘着及粘着中的磨损。

当紧密接触表面发生相对滑动时，在粘着表面产生许多银纹，银纹的空洞由原纤连接，其发展到一定程度会转换为裂纹。通常认为裂纹扩散所需的能量由原纤的拉伸所消耗。当原纤被拉断并回缩，会释放出弹性能，形成真正的裂纹。银纹的增厚过程有两种机理。一种认为是一定质量的原纤被拉伸引起（C Kramer 认为这是一个蠕变机理）。另一种是表面拉伸机理，认为高分子由高分子体中拉伸出来，构成原纤，使原纤的质量不断增加。当银纹达到一定厚度时，增厚机理会由表面拉伸转化为一定质量下原纤的蠕变。银纹的增厚机理由环境和高分子的组成及特性如分子量、分子链的缠结程度而改变。

（2）粘着磨损的基本特征及其影响因素

作用在固体接触表面间的粘着是摩擦学领域中的一项重要内容。具体来说，它对滑动摩擦、磨损以及润滑等起着很重要的作用。粘着磨损过程是在外力作用下，摩擦接触的表面其材料分子或原子间形成显微熔接和分离过程。宏观光滑的

表面，从微观尺寸看总是粗糙不平的。当两个表面接触时，接触的将只是表面上的一些较高微突点。它们承受着整个载荷，以致使许多微突点发生塑性变形，并更紧密地接触。在这种条件下，这些紧密接触的微突点表面原子间将发生相互作用，使两个表面微突点粘着、焊合。进一步的滑动使一些粘着点破坏，这样高分子就会转移到其对应面金属或高分子材料上。从以上分析可知：紧密接触，塑性变形以及摩擦热的形成都会使两物质间产生粘着。

粘着磨损中，真实接触面积与表观接触面积相比是非常小的。真实接触面积约为表观接触面积的千分之一。而粘着磨损的磨损量与真实接触面积成正比。对于高分子—高分子的摩擦副，粘着磨损是最重要的磨损机理。如果表面粗糙度低于某一特定值，粘着也会发生在高分子—金属摩擦副之间。对于一个光滑表面，很难区分粘着磨损与疲劳磨损。粘着强烈地依赖于表面界面特性。例如：表面形貌、表面能、界面剪切强度及表面吸附层等。在这些特性中低表面能的一面转移到高表面能的一面。应该指出，分子形貌决定转移层厚度及转移的程度。光滑的分子将在对应面形成一层薄、高度取向的转移膜，因此表现为粘着磨损率较低。另外，高度交联的材料不易在对应面形成转移膜，这说明交联高分子具有高的抗粘着磨损特性。

Sviridyonok和Bahad作了PTFE，PE，PP，PMMA，PVC和PET的对磨实验以观察其转移的方向，以上高分子的内聚能密度按上述顺序由小到大排列。实验结果发现，材料转移也是按这个顺序从内聚能较小的万向内聚能较大的方向转移。所以在高分子与金属粘时通常可以看到金属摩擦副上粘着高分子。对偶面的表面粗糙度对转移膜附着强度有很大影响。若对偶面太粗糙，一方面由于对偶面的刨削作用使高分子很难形成均匀的转移膜，另一方面转移到对偶面上的高分子是不连续的。若对偶面十分光滑也不易形成牢固的转移膜。粘着磨损与其他磨损形式的很大不同在于，其他磨损形式一般都需要一些时间来扩展或达到临界破坏值，而粘着磨损则发生的非常突然。

2．磨粒磨损（Abrasive Wear）

磨粒磨损是由外界硬颗粒或者对摩表面上的硬突起物或粗糙峰，在摩擦过程中引起的摩擦表面破坏，能分离出磨屑或形成划伤的过程。在形貌图上判断磨料

磨损的主要依据是划痕，在这些划痕中往往还有微切削痕迹存在；一些脆性材料上还会出现崩碎、颗粒。

最简单的磨粒磨损理论假设了一个模型：刚性物体的突起物具有锋利的棱角或边缘，在与高分子材料接触并相对滑动的过程中刺入高分子材料中，把刺入处附近的高分子材料进行拉伸，直到局部发生张力破坏，即通过微刨犁、微剪切、微切割作用把材料撕裂下来。

磨粒磨损的发生有三个步骤：

A、与对摩面某一区域接触的高分子材料发生变形，这是由高分子材料的硬度决定；

B、对摩面相对运动产生摩擦力；

C、变形的材料发生断裂，这取决于高分子材料的断裂能，它可以用高分子材料应力—应变下的面积来度量，相当于断裂应力σ与断裂伸长率ε的乘积。所以磨粒磨损体积Vd可以用下式计算：

（1.1）式中：KW…磨损因素

……摩擦系数

F……法向载荷

H……高分子材料的硬度

σ……断裂应力

ε……断裂伸长率

由此可见，高分子材料的磨粒磨损既取决于它的本体性质即韧度与强度，也与它的变形摩擦系数有关。一般认为，刚性突出物产生的应力越大，在每一段滑动产生的摩擦功越大，则被切割或刨犁掉的材料就越多。高分子材料与金属对摩时，因为高分子材料柔软，有包容异物的能力，所以，外来的异物或摩擦过程中

产生的微粒，可以在各种力的综合作用下嵌入高分子材料表层，使高分子材料表面变成了粒子增强型或弥散增强型的复合材料，耐磨性有一定的提高。

一般认为磨料磨损有凿削式磨料磨损、磨料浸蚀、高应力碾碎式磨料磨碎、低应力擦伤式磨料磨损和冲击浸蚀等类型。

3．疲劳磨损（Fatigue Wear）

疲劳磨损是摩擦副表面在交变载荷的作用下，使得摩擦副表面接触峰点处受周期性变化的接触应力，在相对运动中，刚性微凸使材料表面发生多次压缩、拉伸和剪切变形，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，分离出微片或颗粒的磨损成为疲劳磨损。

当与高分子材料做相对滑动的刚性物体的表面相对平滑时，高分子材料仅发生微小的变形，看不到明显的损伤。但在较长的摩擦之后，在重复循环应力的作用下，高分子材料表面以下不远的区域成为主要的能量聚集与耗散处，使那里的高分子材料发生热老化、化学降解或其它降低材料强度的作用。由此产生可见的材料损伤，即在高分子材料表面逐渐形成与滑动方向相垂直的裂纹，并有磨屑从缝隙处脱落下来。

高分子材料受到交变载荷作用时，外力所作的功包括两部分：一部分是应力作用，将造成高分子材料内部结构的某种的变化，例如分子链的滑动、断裂、重排与定向等；另一部分则是高分子材料发生内摩擦所消耗的能量，这种内摩擦使得高分子材料内部高温局部升高，显著的促使前一部分所发生的过程加速进行。这些大分子激烈活动区域内的应力集中更为显著。在交变载荷持续作用下，高分子材料内部不断产生微裂缝并继续扩展，使这些区域的强度不断下降以致断裂。当高分子材料中有增强物或夹杂物时，这些物质与高分子材料交换的界面上，很容易产生疲劳裂纹。

4．塑性变形磨损（Plastic Deformation Wear）

当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形是