第六章 高分子材料的磨损性能
材料性能与测试课件第六章材料的磨损性能
上式表明，粘着磨损体积磨损量与法向力、滑 动距离成正比，与软方材料的压缩屈服强度（或硬 度）成反比，与表观接触面积无关
13
二、磨粒磨损特点和过程
1、特点： 摩擦面上有擦伤或因明显犁皱形成的沟槽。 2
→疲劳破坏或脆性断裂 →产生沟槽。
14
图6-4 磨粒磨损形貌
磨损方式、磨损机理、磨损本质、影响因素；提 高耐磨性途径；
2
Friction
This phenomenon is encountered whenever there is relative motion between contacting surfaces, and it always opposes the motion. As no mechanically prepared surfaces are perfectly smooth, when the surfaces are first brought into contact under light load, they touch only along the asperities (real area of contact). The early theories attributed friction to the interlocking of asperities; however, it is now understood that the phenomenon is far more complicated.
第六章 疲劳与磨损
通常，试验在给定应力比 或平均应力 的前提下进行, 或平均应力σ 通常，试验在给定应力比r或平均应力 m的前提下进行 根据不同应力水平的试验结果,以最大应力 或应力幅 根据不同应力水平的试验结果 以最大应力σ或应力幅 a为纵 以最大应力 或应力幅σ 坐标,疲劳寿命 为横坐标绘制 曲线， 坐标 疲劳寿命N为横坐标绘制 疲劳寿命 为横坐标绘制σ-N曲线，表示寿命的横坐标 曲线 采用对数标尺，表示应力的纵坐标采用算术标尺或对数标尺。 采用对数标尺，表示应力的纵坐标采用算术标尺或对数标尺。
平均应力——最大应力与最小值的平均值，用 σm表示。 平均应力 最大应力与最小值的平均值， 表示。 最大应力与最小值的平均值
应力幅值——应力变化幅度的均值，用 σa表示 应力变化幅度的均值， 应力幅值 应力变化幅度的均值
循环特征——最小应力与最大应力的比值，用 r 表示 最小应力与最大应力的比值， 循环特征 最小应力与最大应力的比值
若应力变化幅度为常值，称为等幅交变应 等幅交变应 力。若应力变化幅度也是周期性变化的（图 a），或应力变化幅度具有偶然性（图b）， 称为变幅交变应力 变幅交变应力。图b所示的也称随机交变 变幅交变应力 随机交变 应力。 应力
变动应力示意图： 变动应力示意图：
+ -
+ -
+ -
+ -
交变应力的描述： 交变应力的描述：
σ -N曲线也称为疲劳寿命曲线，是研究材料的疲劳过程和 曲线也称为疲劳寿命曲线， 曲线也称为疲劳寿命曲线 预测疲劳寿命的重要手段。 预测疲劳寿命的重要手段。
σ -N曲线可以分为三个区域 曲线可以分为三个区域
①低循环疲劳区，在很高的应力下和很小的循环次数后，试件 低循环疲劳区，在很高的应力下和很小的循环次数后，
材料性能与测试课件-第六章材料的磨损性能
4
风阻：550公里/小时 轨道磨损
弓网：大电流下的摩擦磨损
5
水中航行体的主要能源和动力 被用来克服行进中的阻力，其中 摩擦阻力占最大成分(水下80%)； 对于诸如输油管道这类管道运输， 其能量几乎全部被用来克服流固 表面的摩擦阻力。
6
卫星飞轮 轴承润滑油 耐磨轴承材料 稳定的微量供油技术 航空发动机 叶片和摩擦阻尼器
振动故障占发动机总故障的60%以上，而叶片的故障要 占发动机振动故障的70%以上
压气机盘与涡轮盘
7
§目 录
§6.1 磨损的概念和类型 §6.2 磨损过程
§6.3 耐磨性指标及其测试 §6.4 提高耐磨性的途径 §6.5 补充：炭炭复合材料的磨损 补充：
8
§6.1 磨损的概念和类型
一、摩擦与磨损的概念
10
2、各种磨损类型可以发生转化。 、各种磨损类型可以发生转化。
图6-2 磨损类型转化
11
§6.2 磨损过程
一、粘着磨损特点和过程
1、特点： 、特点： 机件表面有大小不等的结疤， 机件表面有大小不等的结疤， 2、发生条件： 、发生条件： 多发生在摩擦副相对滑动速度小;接触面 多发生在摩擦副相对滑动速度小 接触面 氧化膜脆弱;润滑条件差 润滑条件差; 氧化膜脆弱 润滑条件差 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 以及接触应力大的滑动摩擦条件下。 3、磨损过程： 、磨损过程： 表面接触的少量微凸体→产生很高的应 表面接触的少量微凸体 产生很高的应 图6-3 粘着磨损形貌和示意图 力 →发生塑性变形 形成粘着点 发生塑性变形→形成粘着点 发生塑性变形 →被剪断、拉开 转移到一方材料表面 被剪断、 被剪断 拉开→转移到一方材料表面 →脱落下来 形成磨屑。 脱落下来→形成磨屑。 脱落下来 形成磨屑 就是粘着点不断形成， 就是粘着点不断形成，又不断被破坏并脱 落的过程。 落的过程。
高分子材料的耐磨性能研究
高分子材料的耐磨性能研究高分子材料是一种在工业领域广泛应用的材料，具有许多优异的性能，其中包括耐磨性能。
耐磨性能对于很多应用来说至关重要，特别是在制造行业和运输领域。
本文将探讨高分子材料的耐磨性能，分析其特点及测试方法，并讨论如何提高高分子材料的耐磨性能。
一、高分子材料的耐磨特点高分子材料的耐磨性能有其独特的特点。
首先，高分子材料通常具有高分子链的柔软性，使其能够在应力下发生弯曲和变形，从而减小了磨损的程度。
其次，高分子材料分子链中存在大量的非晶态区域和分子链间的絮团结构，提高了其抗磨损能力。
此外，高分子材料的表面可以通过改变表层结构进行钝化处理，从而提高耐磨性。
二、高分子材料耐磨性能测试方法为了准确评估高分子材料的耐磨性能，需要进行一系列的测试。
以下是几种常见的耐磨性能测试方法：1. 滑动磨损实验：用一个加载块在高分子材料表面上施加一定的力和滑动速度，测量材料表面的磨损程度。
2. 磨粒磨损实验：将磨料颗粒添加到高分子材料表面，在一定的载荷下进行旋转或往复摩擦，通过测量磨料颗粒和材料表面的变化来评估磨损程度。
3. 弯曲磨损实验：用一个滚动轮或加载块对高分子材料进行弯曲并施加载荷，通过测量材料的失重量或长度的变化来评估磨损程度。
4. 冲击磨损实验：施加冲击载荷到高分子材料上，检测材料表面的磨损程度，适用于模拟实际工作条件下的磨损情况。
三、提高高分子材料的耐磨性能的方法为了提高高分子材料的耐磨性能，可以采取以下方法：1. 添加增强剂：在高分子材料中添加一些增强剂，如纳米材料、纤维素等，可以增加材料的硬度和刚度，提高耐磨性能。
2. 表面改性：通过改变高分子材料表面的结构和性质，如进行表层硬化处理或涂覆保护层，可以提高其耐磨性。
3. 优化配方：合理选择高分子材料的成分和比例，使其具备较好的抗磨损性能。
4. 改进制造工艺：优化高分子材料的加工工艺，如改变成型温度、时间和压力等参数，有助于提高材料的耐磨性能。
第6章__高聚物的摩擦与磨损
6.3.1本体结构的设计
提高高聚物的硬度和韧性可有效地控制它们的磨损。 • 骨架结构 ：刚性、半刚性、柔性 刚性：高硬度 or (and)高强度，如聚碳酸脂、聚砜。 聚醚砜（PES）；聚酰亚胺（PI）；聚酰胺亚胺（PAI）； 聚苯硫醚（PPS）；聚醚醚酮（PEEK) 这些高聚物的骨架以芳香环为主体，在常规工作温度下是相当耐磨的， 在高温下的磨损速率则各有不同程度的上升。 • 分子及分子量分布：分子量高，分子间作用力大，韧性好，耐磨性也好 • 聚集态结构（晶相、非晶相）：结晶度高时硬度较高，耐磨性也较好 • 液晶结构：在熔融态或溶液中的分子链处于高度取向的结晶态，若在适 当条件下变为固态时仍然保持这种取向的结晶结构，则可具有优异的机 械性能。
对金属来说：粘着摩擦是主要因素，变形摩擦是次要因素。 对粘弹性高聚物来说：若接触面光滑： 粘着摩擦 主导 若接触面粗糙： 变形摩擦 主导 在自身上滑动时：粘着摩擦 主导 在摩擦过程中，摩擦类型也可能发生转变，若粗糙面被磨 平，变形摩擦→粘着摩擦 摩擦物的摩擦系数随温度、负荷、速度等滑动条件的改变 而变化，也受环境气氛与介质的影响
磨损率与高聚物本体强度有关
本体强度<界面剪切强度：易发生本体转移而较高的磨损率。即：当高聚 物在金属表面滑动时由于高聚物与对摩材料的粘着作用，高聚物常在距 界面一定距离的本体内发生断裂，同时小片高聚物从本体材料上滑移下 来，形成自由的磨屑，或附着到对摩面上形成转移膜。然后高聚物本体 与附着在金属表面的高聚物转移膜之间发生粘着，高聚物本体剥落下来 的磨屑脱落掉，这样就形成了材料的逐渐损耗过程。 转移膜的生成改变了磨损接触面的类型，从金属与高聚物的摩擦接触变 为高聚物与高聚物的接触，同时也改变了金属的表面形貌，两个因素都 影响局部应力，从而影响高聚物的疲劳磨损。（如PE、PTFE， µa小 ，磨 损率大） 本体强度>界面剪切强度：在界面上仅出现一些细小的磨屑，这是局部疲 劳的产物。但当T>Tg时，由于本体强度下降<界面剪切强度，高聚物也会 发生本体转移，这是高速滑动时磨损加剧的原应。（如PS、PMMA、PVC、 PP，µa高 ，磨损率少）
高分子材料分析与检测技术：摩擦及磨耗性能
高分子材料在摩擦条件下使用
• 橡胶件——举例
1、轮胎
2、传动带
4 胶 鞋 底
3、传送带
• 塑料件
齿轮 轴 承
减摩耐磨性良好的塑料件 ？
优异的摩擦磨耗性能高分子材料
聚四氟乙烯 聚 乙 烯
尼龙 聚 甲 醛
• 摩擦性能
• 指材料的摩擦系数
• 磨耗性能
• 指在摩擦过程中，材 料的表面不断损失的 性能
摩擦系数计算
F1 Rp1 p2
F2
rF2
F1为作用于两试样的摩擦力 F2为向两试样施加的法向力
橡胶摩擦磨耗的影响因素
• 实际接触面积的影响
• 粘附阻力的大小与两表面的微观接触面积的总和成比例 • 在一定速度下，随着负荷的增加而产生的橡胶变形使橡
（2）拉伸式恒牵引力式摩擦仪 同塑料的摩擦系数的测定
Fmax s N FD D N
力学分析
（3）摆式摩擦仪 带橡胶试样的摆锤提升到一定高度后向下摆动，由于试样 和摩擦面产生摩擦阻力，而使摆锤的高度减小，测定摆锤 头部的起始高度和终止高度，计算出平均摩擦力
（二）橡胶的磨耗
• 橡胶的磨耗比金属的磨损要复杂的多
负荷的影响 速度的影响 配对材料
随负荷的增大而缓慢下降
中\低速,摩擦系数随速度的增加而增大 高速下，滑动摩擦系数随速度的增加而降低
与不同材料配对时，其摩擦系数有很 大差别
三、橡胶的摩擦及磨耗性能
橡胶和固体之间的摩擦
F= Fa+ Fn
粘附力 滞后阻力
高聚物受力产生的变形是通过调整内部分子构象实现的。由 于分子链构象的改变需要时间，因而受力后除普弹性变形外， 高聚物的变形强烈地与时间相关，表现为应变落后于应力
改性超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究
改性超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究聚乙烯（Polyethylene,PE）是一种广泛应用的聚合物材料，是极富革新性的一种新型塑料材料，其具有良好的机械性能、耐热性、绝缘性、耐老化性和耐化学腐蚀性等特性。
近年来，随着工业的发展和电力行业的发展，改性超高分子量聚乙烯（Modified Ultra High Molecular Weight Polyethylene, MUHWPE）由于具有良好的抗腐蚀性和耐磨损性，作为一种重要的复合材料，被广泛地应用在电力行业中，如电缆外套、电缆套管、铜线绝缘套和电缆地下敷设等。
摩擦磨损现象是由于传动介质中悬浮着许多细小粒子，这些粒子在物体相对运动时，因交替地接触、抵抗、磨损而形成的现象。
摩擦磨损是由于摩擦，产生的搬运效应，和由于磨损，产生的磨蚀效应所共同形成的一种复合效应。
摩擦磨损通常是指摩擦接触面中的磨蚀和搬运作用，主要势能是摩擦和磨损依存一致性。
因此，研究与摩擦磨损有关的材料的性能和机制，对有效改善和防止摩擦磨损性能具有重要的意义。
超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE）的特点是其分子量极为高，达到了100万-200万范围以上，其高分子量表现出良好的高强度、高刚性、耐磨损和耐化学腐蚀性等特性。
然而，由于UHMWPE的热稳定性和摩擦磨损性能较差，因此不太适合作为电力行业的工程材料应用。
为了提高UHMWPE的摩擦磨损性能，UHMWPE可以经过改性处理，获得改性超高分子量聚乙烯（Modified UHMWPE，MUHWPE），MUHWPE具有更好的抗腐蚀性和耐磨损性，在电力行业有着广泛的应用前景。
本文的主要目的是研究MUHWPE的摩擦磨损特性，主要通过对MUHWPE的摩擦磨损试验进行研究，具体内容包括试验条件的确定、试验结果的分析和摩擦磨损机理的探讨。
试验条件的确定：本文采用高速摩擦磨损试验机进行MUHWPE摩擦磨损试验，试验参数有：测试温度：20℃±2℃；摩擦系数：0.3；转速：3000r/min；机械剪断强度：25kN；摩擦磨损时间：1个小时；摩擦磨损类型：滑动摩擦磨损。
高分子材料的耐磨性能研究
高分子材料的耐磨性能研究下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by the editor. I hope that after you download them, they can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!高分子材料在现代工业生产中扮演着重要的角色，其耐磨性能的研究也日益受到重视。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
CH3 CH2 C O + CH CH
高分子材料性能学
HC CH2 CH2 C O O
CH3
异构化
25
高分子材料性能学
摩擦力作用下，交联橡胶的中S-S交联键断裂， 并与氧作用
CH3 H
CH2 C CH C
S
+ O2
CH3 H
CH2 C CH C
SOO
表面层的氧化降解和热降解，降低了强度性能， 加速了磨损
19
高分子材料性能学
(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
20
(3).滑动速度与温度
PE
硅橡胶
PS PMMA
尼ห้องสมุดไป่ตู้66
高分子材料性能学
21
(4).摩擦环境的影响
高分子材料性能学
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
22
高分子材料性能学
（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。
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。
17
高分子材料性能学
比磨损量：单位摩擦距离、单位压力下的磨损量
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。
9
高分子材料性能学
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
10
1.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
黏附摩擦与滞后摩擦示意
6
高分子材料性能学
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
F P
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
7
3.摩擦形式与特点
滑动摩擦、滚动摩擦、润滑摩擦
高分子材料性能学
高分子材料性能学
28
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
F Fa FH
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
5
高分子材料性能学
26
（3）与环境介质的反应
高分子材料性能学
CH2 C CNH + H+ + OHCH2
H CH2 C C NH
CH2 OH
异构化
H CH2 C C O +
CH2 NH2
低分子
（I）
（II）
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
27
磨损实例---F1赛车的轮胎
23
高分子材料性能学
6.5 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
24
（2）氧化降解与热降解反应
大分子链中双键被氧化降解
CH3 CH2 C CH CH2
+OO
夺取分子链中的氢
HC C H
CH2 C OOH
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
18
高分子材料性能学
6.4 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
第六章 高分子材料的磨损性能
1
主要内容:
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
高分子材料性能学
2
高分子材料性能学
6.1 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
疲劳磨损示意 (金属与橡胶间）
15
(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
16
高分子材料性能学
6.3 耐磨性及其测量方法
一、材料的耐磨性
3
1.优点:
高分子材料的磨损
1)抗划伤能力(柔性大,硬度小)
高分子材料性能学
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
4
高分子材料性能学
滚动摩擦示意
滚 动 摩 擦 系 数 μ
滚动速度v(m/s)
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
8
6.2 磨损
高分子材料性能学
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
磨粒磨损示意 (金属与橡胶间）
13
p (3 sc )r 2 Hr 2
W r 2L tan
W PL tan PL tan
3 sc
H
高分子材料性能学
14
(3)疲劳磨损
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
粘着磨损示意 (金属与橡胶间）
11
高分子材料性能学
J. F. Archard提出了估算粘着磨损量的方法
W
KNV ' L
K
4p
3 SC d 3
2
3
d 2
3
L
K pL K pL
9 sc
3HV
12
(2)磨粒磨损
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。