第六章 高分子材料的磨损性能

高分子材料性能学
疲劳磨损示意 (金属与橡胶间）
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(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
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6.3 耐磨性及其测量方法
一、材料的耐磨性
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磨粒磨损示意 (金属与橡胶间）
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p (3 sc )r 2 Hr 2
W r 2L tan
W PL tan PL tan
3 sc
H
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(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。
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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
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（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
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。
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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。
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1.优点:
高分子材料的磨损
1)抗划伤能力(柔性大,硬度小)
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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
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第六章 高分子材料的磨损性能
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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
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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
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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
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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
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(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
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(3).滑动速度与温度
ห้องสมุดไป่ตู้
PE
硅橡胶
PS PMMA
尼龙66
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(4).摩擦环境的影响
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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
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粘着磨损示意 (金属与橡胶间）
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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
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(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。
黏附摩擦与滞后摩擦示意
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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
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3.摩擦形式与特点
滑动摩擦、滚动摩擦、润滑摩擦
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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
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（3）与环境介质的反应
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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
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磨损实例---F1赛车的轮胎
标准试样的磨损量 被测试样的磨损量
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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
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
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6.2 磨损
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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
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
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（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。
CH3
CH3 CH2 C O + CH CH
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HC CH2 CH2 C O O
CH3
异构化
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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