第五章-高分子材料表面摩擦磨損課件

第六章聚合物表面摩擦磨損1本章主要介紹:

聚合物表面摩擦性能聚合物表面磨損性能概念:黏著摩擦和變形摩擦磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損和氧化磨損2聚合物的摩擦理論3摩擦是一種在生活和工作中常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。世界上使用的能源大約有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無(wú)用的摩擦消耗，便可大量

節(jié)省能源。摩擦學(xué)（tribology)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸表面的科學(xué)和技術(shù)，包括摩擦(friction

)、磨損(wear)和潤(rùn)滑（lubrication）三個(gè)分支。（材料的三大失效：腐蝕、疲勞和磨損）摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、磨損和潤(rùn)滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)邊緣學(xué)科。摩擦 是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體表面間的相互阻礙作用現(xiàn)象；磨損 是由于摩擦而造成的物體表面材料的損失或轉(zhuǎn)移；潤(rùn)滑 是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)(Tribology)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)的理論和應(yīng)用必將由宏觀進(jìn)入微觀，由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，由定性進(jìn)入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域。4摩擦（Friction）的定義相對(duì)運(yùn)動(dòng)（或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）的物體，在接觸表面上的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)物體與另一物體沿接觸面的切線方向運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在兩物體的接觸面之間有阻礙它們相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用力，這種力叫摩擦力。5摩擦副(frictionpair)：接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體組成的系統(tǒng)。摩擦面：和另外的表面處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)接觸或受到?jīng)_擊或氣穴作用的物體。每個(gè)摩擦組元可含一個(gè)或多個(gè)摩擦面。阿蒙頓定律：1）摩擦力與法向力成正比；2）摩擦力與兩物體接觸面積的大小無(wú)關(guān)。6摩擦有利也有害。在多數(shù)情況下是不利的。如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦，造成能量的無(wú)益損耗和機(jī)器壽命的縮短，并降低了機(jī)械效率。因此常用各種方法減少摩擦，如在機(jī)器中加潤(rùn)滑油等。但摩擦又是不可缺少的，如人的行走，汽車(chē)的行駛都必須依靠地面與腳和車(chē)輪的摩擦。在泥濘的道路上，因摩擦太小走路就很困難，且易滑倒，汽車(chē)的車(chē)輪也會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，即車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)而車(chē)廂并不前進(jìn)。所以，在某些情況下又必須設(shè)法增大摩擦，如在太滑的路上撒上一些爐灰或沙土，車(chē)輪上加掛防滑鏈等。7關(guān)于穿什么樣的泳衣游得更快，人們已探索了

許多年。泳者在水中遇到的阻力，與水的密度、泳者的正面面積、摩擦系數(shù)及泳者速度的平方

成正比，因此減少正面面積和摩擦系數(shù)是設(shè)計(jì)

低阻力泳衣的關(guān)鍵。8鯊魚(yú)皮泳衣是人們根據(jù)其外形特征起的綽號(hào)，其實(shí)它有著更加響亮的名字：快皮，它的核心技術(shù)在于模仿鯊魚(yú)的皮膚。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鯊魚(yú)皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周?chē)乃鞲咝У亓鬟^(guò)，鯊魚(yú)得以快速游動(dòng)?？炱さ某煺估w維表面便是完全仿造鯊魚(yú)皮膚表面制成的。實(shí)驗(yàn)表明，快皮的纖維可以減少3%水的阻力，這在

1%秒就能決定勝負(fù)的游泳比賽中有著非凡意義。9顯微鏡下的鯊魚(yú)皮膚鯊魚(yú)皮泳衣的結(jié)構(gòu)，V字型可以減少游泳時(shí)水流帶來(lái)的阻力。10人類(lèi)對(duì)摩擦現(xiàn)象早有認(rèn)識(shí)，并能用來(lái)為自己服務(wù)，如史前人類(lèi)的鉆木取火。對(duì)摩擦的科學(xué)研究始于十五世紀(jì)的達(dá)芬奇：1508年，達(dá)·芬奇（Leonardo

da

Vinci，1452-1519）使用石頭和木頭開(kāi)始了對(duì)固體摩擦的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了水平和斜面上物體間的摩擦力，他得出了等重物體之間的摩擦力與接觸面積無(wú)關(guān)的重要結(jié)論，并首先引入了摩擦系數(shù)的概念。該系數(shù)定義為摩擦力和垂直載荷的比值，即μ=F/P。他的結(jié)論是：“每一個(gè)摩擦物體所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一?！碑?dāng)時(shí)他使用的材料大多為硬木或鐵與硬木的組合，他的結(jié)論對(duì)于這些材料來(lái)說(shuō)還是比較符合實(shí)際的。111785年，法國(guó)庫(kù)侖繼前人的研究，用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來(lái)又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年，英國(guó)的鮑登等人開(kāi)始用材料粘著概念研究干摩擦，1950年，鮑登提出了粘著理論。121．凹凸嚙合說(shuō)：是從15世紀(jì)至18世紀(jì)，科學(xué)家們提出的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論，嚙合說(shuō)認(rèn)為摩擦是由于互相接觸的物體表面粗糙不平產(chǎn)生的。兩個(gè)物體接觸擠壓時(shí)，接觸面上很多凹凸部分就相互嚙合。如果一個(gè)物體沿接觸面滑動(dòng)，兩個(gè)接觸面的凸起部分相碰撞，產(chǎn)生斷裂、摩損，就形成了對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙。2．粘附說(shuō)：這是繼凹凸嚙合說(shuō)之后的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論。認(rèn)為兩個(gè)表面拋得很光的金屬，摩擦?xí)龃?，可以用兩個(gè)物體的表面充分接觸時(shí)它們的分子引力將增

大來(lái)解釋。13近代摩擦粘附論認(rèn)為：兩個(gè)互相接觸的表面，無(wú)論做得

多么光滑，在原子尺度還是粗糙的，有許多微小的凸起；兩表面接觸時(shí)微凸起的頂部發(fā)生接觸，微凸起之外的部

分接觸面間有10-8m或更大的間隙。接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個(gè)壓力很小，微凸

起的頂部發(fā)生彈性形變；如果法向壓力較大，超過(guò)某一

數(shù)值（每個(gè)凸起上約千分之幾牛頓），超過(guò)材料的彈性

限度，微凸起的頂部便發(fā)生塑性形變，互相接觸的兩個(gè)

物體之間距離變小到分子（原子）引力發(fā)生作用的范圍，于是，兩個(gè)緊壓著的接觸面上產(chǎn)生了原子性粘合。這時(shí)

要使兩個(gè)彼比接觸的表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，必須對(duì)其中的

一個(gè)表面施加一個(gè)切向力，來(lái)克服分子（原子）間的引

力，剪斷實(shí)際接觸區(qū)生成的接點(diǎn)，這就產(chǎn)生了摩擦。14摩擦學(xué)研究的對(duì)象很廣泛：15在機(jī)械工程中主要包括動(dòng)、靜摩擦，如滑動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等；機(jī)械制造工藝的摩擦學(xué)問(wèn)題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車(chē)輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動(dòng)力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學(xué)問(wèn)題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤(rùn)滑劑稀釋和防漏密封等。此外，還有生物中的摩擦學(xué)問(wèn)題，如研究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進(jìn)艦只設(shè)計(jì)，研究人體關(guān)節(jié)潤(rùn)滑機(jī)理以診治風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設(shè)計(jì)方案等。地質(zhì)學(xué)方面的摩擦學(xué)問(wèn)題有地殼移動(dòng)、火山爆發(fā)和地震，以及山、海斷層形成等。16聚合物的摩擦理論概述聚合物與另一種固體接觸后相對(duì)滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，其主要包括黏著摩擦和變形摩擦。當(dāng)一個(gè)粗糙的剛性物體在聚合物上滑動(dòng)時(shí)，摩擦功一般消耗在兩個(gè)區(qū)域：界面區(qū)（與兩者的真實(shí)接觸面積相關(guān)，厚度大約100nm）和內(nèi)聚區(qū)（與兩者的宏觀接觸面積相關(guān)）17在界面區(qū)，由黏著作用產(chǎn)生的應(yīng)力造成聚合物非常局限的界面剪切，引起黏著摩擦，在黏著摩擦過(guò)程中，剪切黏著接點(diǎn)消耗了能量。在內(nèi)聚區(qū)，由幾何齒合作用產(chǎn)生的應(yīng)力造成聚合物相當(dāng)大的體積變形，引起變形摩擦，在變形摩擦過(guò)程中，滯后作用消耗能量。18聚合物摩擦一般分別分析黏著摩擦和變形摩擦，然后用簡(jiǎn)單加和法求得總的摩擦力。19聚合物的摩擦系數(shù)的影響因素：負(fù)荷、速度和溫度等滑動(dòng)條件，以及環(huán)境氣氛與介質(zhì)等。若滑動(dòng)速度高，生熱多，散熱不良，摩擦系數(shù)也可能突然增大。聚合物的黏彈性使其形變性質(zhì)與速率有關(guān)，也使摩擦系數(shù)隨速度的改變而改變。非晶態(tài)或交聯(lián)聚合物的變化較小，部分結(jié)晶的熱塑性聚合物變化較大。低負(fù)載下摩擦系數(shù)增大是由于摩擦生熱，軟化引起實(shí)際接觸面積增大；在高負(fù)載下，由于局部表面熔化的潤(rùn)滑作用減小摩擦。20周?chē)h(huán)境也影響滑動(dòng)過(guò)程中形成的黏著接點(diǎn)的強(qiáng)度，但一般對(duì)聚合物的影響要比對(duì)金屬的影響小得多。如：PE、Nylon等線性結(jié)晶熱塑性聚合物的摩擦在空氣中、惰性氣體或真空中僅有很小的差異；但PS、PMMA等非晶態(tài)熱塑性聚合物及交聯(lián)熱固性樹(shù)脂的摩擦在真空中要比在空氣中大50%左右。常用的有機(jī)界面潤(rùn)滑劑對(duì)聚合物的減小摩擦的作用不如對(duì)金屬有效。21高分子基自潤(rùn)滑材料常見(jiàn)的減摩用聚合物有:聚酰亞胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)等。由于聚合物本身具有較低的摩擦系數(shù)，優(yōu)良的機(jī)械性能及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，特別是各種填料的加入使其耐磨性顯著提高，正在被廣泛的應(yīng)用到減摩領(lǐng)域。22聚酰亞胺(PI)

由于分子主鏈中具有十分穩(wěn)定的酰亞胺的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu),使它具有其他高聚物無(wú)法比擬的優(yōu)異性能。如：耐熱性和耐輻照性好，在高溫、高真空及輻照下穩(wěn)定，揮發(fā)物少。其中熱塑性PI的長(zhǎng)期使用溫度一般在240-260℃，熱固性PI的長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)到300℃以上。PI的摩擦性能僅次于聚四氟乙烯(

PTFE)，在干摩擦下與金屬對(duì)摩時(shí)，可以向?qū)δγ姘l(fā)生轉(zhuǎn)移，起到自潤(rùn)滑作用，并且靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)很接近，防止爬行的能力好。23對(duì)PI進(jìn)行改性：24通過(guò)離子注入的方法對(duì)PI進(jìn)行改性，來(lái)提高材料的耐磨性，如將Fe3+離子注入芳香PI薄膜，結(jié)果降低了鋼對(duì)PI膜的摩擦系數(shù)。這是由于，離子加入可以有效的改善PI膜的自潤(rùn)滑性能，可以提高聚合物的硬度，增大交聯(lián)度，降低其與鋼摩擦?xí)r的粘著，從而提高聚合物的耐磨性。此外，離子注入過(guò)程中通常會(huì)在被注入物質(zhì)的表面形成一層極薄的無(wú)定型碳膜，同時(shí)也起到一定的潤(rùn)滑作用。所得復(fù)合材料除了具有優(yōu)異的摩擦磨損性能外，還具有良好的機(jī)械性能，常用來(lái)制作耐高溫和高真空的自潤(rùn)滑軸承、壓縮機(jī)活塞環(huán)、密封圈和齒輪等。聚四氟乙烯(

PTFE)

是研究較早的耐熱性聚合物，其分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，靜摩擦系數(shù)可達(dá)0.04，是已知的可實(shí)用的滑動(dòng)材料中摩擦系數(shù)最小的。當(dāng)PTFE與其它物體對(duì)摩時(shí)，由于PTFE大分子容易被拉出結(jié)晶區(qū),因而在摩擦之初就向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移，以庫(kù)倫力和范德華力在對(duì)摩面上形成一層20～30nm厚的薄膜，這層薄膜的大分子按滑動(dòng)方向高度取向，從而摩擦系數(shù)很低。另外，在摩擦過(guò)程中還會(huì)發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，能夠影響轉(zhuǎn)移膜的生成及其完整性。25由于PTFE的表面能極低，其轉(zhuǎn)移膜在對(duì)摩面上的附

著性較差，導(dǎo)致PTFE做摩擦材料時(shí)具有嚴(yán)重的磨損。同時(shí)，由于PTFE的彈性模量小，線膨脹系數(shù)大，承

載能力低，使其作為摩擦件使用受到了限制。目前對(duì)PTFE 進(jìn)行改性的方法主要有兩個(gè)方面：一方面，通過(guò)堿金屬溶液、輝光放電以及等離子體對(duì)PTFE材料表面進(jìn)行改性處理；另一方面，通過(guò)向PTFE內(nèi)填充纖維、無(wú)機(jī)粉末和有機(jī)高分子填料完成改性。這些填料的加入，除了提高了PTFE 的耐磨性以外，還可以提高其硬度和剛度，使制品具有良好的抗蠕變性和尺寸穩(wěn)定性。26聚四氟乙烯自潤(rùn)滑復(fù)合材料在常規(guī)環(huán)境下具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能，因而它的應(yīng)用范圍比較廣泛，可以作為軸承、導(dǎo)軌、滾動(dòng)軸承保持架、活塞環(huán)和葉片等。需要指出的是，通常所說(shuō)的PTFE的摩擦系數(shù)為0.04，是指PTFE自摩擦?xí)r，而且是在新打磨的表面上以低于0.011m/s 的速度進(jìn)行滑移時(shí)才能獲得的。在0.5-4m/s 的速度范圍內(nèi)，PTFE的摩擦系數(shù)為0.2左右，并不低。另外，PTFE基自潤(rùn)滑復(fù)合材料與金屬相比，存在線膨脹系數(shù)較大、導(dǎo)熱性較差的缺陷。27PEEK

(polyetheretherketone

)的應(yīng)用28PEEK是繼PTFE后又一類(lèi)倍受歡迎的耐磨減摩材料，

與PTFE相比，其承載能力和耐磨性有了很大的提高，溫度對(duì)其摩擦磨損性能及機(jī)械性能影響不大。這類(lèi)

自潤(rùn)滑復(fù)合材料可用于制作飛機(jī)上的耐熱、耐有機(jī)

溶劑的連接件，汽車(chē)軸承支架、活塞密封、發(fā)動(dòng)機(jī)

的傳動(dòng)裝置，精密電子設(shè)備等零部件。但由于PEEK本身的價(jià)格高且成型加工困難，在普通的工程應(yīng)用

受到了很大的限制。PEEK 是一種半晶態(tài)熱塑性聚合物，具有良好機(jī)械性能、抗化學(xué)腐蝕性和抗輻射性，顯著的熱穩(wěn)定性和耐磨性。它可以在無(wú)潤(rùn)滑、低速高載下或在液體、固體粉塵污染等惡劣環(huán)境下使用。為了改善其機(jī)械性能，尤其是摩擦學(xué)性能，常在其中添加聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN) 和碳纖維(FC)等材料，也可添加顆粒增強(qiáng)型材料，或進(jìn)行特種表面處理(等離子體處理等)。當(dāng)PEEK及其復(fù)合材料與金屬材料相互對(duì)磨時(shí)，通常在金屬表面形成聚合物轉(zhuǎn)移膜，其結(jié)構(gòu)、成分均與原有的聚合物及復(fù)合材料不同，其性能、厚度及連續(xù)程度均對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能有重大影響。29超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)工程塑料具有優(yōu)異的物理和機(jī)械性能，其機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、摩擦系數(shù)小、耐磨性能極佳，在歐美各國(guó)受到高度重視，有“驚異塑料”之稱(chēng)，能替代金屬材料在離心泵和軸承等機(jī)械領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在玻璃化溫度以下，UHMW-PE的摩擦系數(shù)隨溫度升高而變大；在玻璃化溫度以上，摩擦系數(shù)隨溫度升高而變小；當(dāng)溫度很高時(shí)，材料表層熔化導(dǎo)致摩擦系數(shù)很低。摩擦系數(shù)隨相對(duì)濕度的增大而略有降低，這可能是由于UHMW-PE的吸水性很低，同時(shí)水對(duì)UHMW-PE具有潤(rùn)滑作用的緣故。30由于聚乙烯的耐熱性不高，硬度低、對(duì)熱較敏感、易蠕變，單一的聚乙烯材料往往難于滿(mǎn)足受載、高速等特殊工況條件的要求，往往需要通過(guò)共混復(fù)合進(jìn)行改性。采用填料對(duì)UHMW-PE進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維等填

料的加入，不僅使UHMW-PE獲得較高剛性,同時(shí)又降低表面剪切強(qiáng)度，因而能有效減小UHMW-PE的摩擦

和磨損。填料對(duì)UHMW-PE的摩擦磨損性能影響如下：①添加玻璃纖維使摩擦系數(shù)增大；②隨著填料比例的增加磨損量減少；③添加碳纖維對(duì)摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響；④添加石墨、MoS2、聚四氟乙烯可使摩擦系數(shù)變小。31固體潤(rùn)滑劑的選擇減摩性樹(shù)脂基復(fù)合材料可以利用含油樹(shù)脂或添加固體潤(rùn)滑劑來(lái)提高其減摩自潤(rùn)滑性能。常用的固體潤(rùn)滑劑有石墨、MoS2、WS2、PTFE、鉛、氧化鉛等無(wú)機(jī)物、有機(jī)物以及軟金屬。這些材料本身一般都具有低剪切強(qiáng)度和低摩擦系數(shù)，且容易在摩擦偶件的滑動(dòng)表面形成牢固的固體潤(rùn)滑膜層。32材料的三大失效：腐蝕、疲勞和磨損33磨損是發(fā)生在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面上的一種復(fù)雜現(xiàn)象。由于材料的耐磨性不像力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能那樣屬于材料固有的性能，而是受到摩擦學(xué)系統(tǒng)一系列接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響，而成為一個(gè)系統(tǒng)的性能。材料磨損理論是專(zhuān)門(mén)研究材料的磨損失效形式、磨損機(jī)理、影響磨損的因素、磨損的監(jiān)視與監(jiān)控方法、耐磨材料以及耐磨表面技術(shù)的新學(xué)科，涉及到機(jī)械、物理、冶金和化學(xué)等諸多學(xué)科。但至今對(duì)它的認(rèn)識(shí)基本上仍是經(jīng)驗(yàn)性的.內(nèi)容:磨損的定義和分類(lèi)磨損評(píng)定參數(shù)粘著磨損磨料磨損表面疲勞磨損腐蝕磨損就聚合物而言，除此之外還涉及蠕變磨損和老化磨損等。34磨損有益的：機(jī)器在跑合（Running-in）階段的磨損、研磨、拋光、磨削等加工。有害的：材料（80%零件失效）損耗能源（1/3-1/2）消耗35磨損的定義和分類(lèi)36磨損下一個(gè)嚴(yán)格的定義并非易事。英國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)所下的定義是“由于機(jī)械作用而造成物體表面材料的逐漸損耗”，這似乎排除了電和化學(xué)作用所產(chǎn)生的作用?？死蠣査够碌亩x是“由于摩擦結(jié)合力反復(fù)擾動(dòng)而造成的材料的破壞”，顯然過(guò)分強(qiáng)調(diào)疲勞的作用。較完善的定義：任一工作表面的物質(zhì)，由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷損失的現(xiàn)象，稱(chēng)為磨損（WEAR）。包括：Single-sided

Wear，Double-sided

Wear。由于磨損的復(fù)雜性，不同學(xué)者提出了不同的分類(lèi)方法，至今尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)方法。1957年比尤維爾(Burwell)提出按照磨損機(jī)制進(jìn)行分類(lèi)。把磨損分成粘著磨損（Adhesive

wear）、磨粒磨損（Abrasive

wear）、腐蝕磨損（Corrosive

wear）與表面疲勞磨損（SurfaceFatigue

wear）等。371979年德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(German

Institute

forStandardization)公布了磨損標(biāo)準(zhǔn)(DIN50-320“磨損”)。按下述幾方面對(duì)磨損進(jìn)行了分類(lèi)：磨損中所包含的材料(固體、液體等)；摩擦學(xué)作用力的動(dòng)力學(xué)類(lèi)型(滑動(dòng)、滾動(dòng)、沖擊等)；界面磨損的機(jī)制(粘著、磨粒、表面疲勞等)。根據(jù)DIN50-320，磨損機(jī)制主要分成四種：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞及摩擦-化學(xué)反應(yīng)(Tribo—Chemical

Reactions)。38磨損研究的對(duì)象雖然只是材料表面層破壞失效的問(wèn)題，但要把這個(gè)薄層內(nèi)的問(wèn)題研究清楚，是非常復(fù)雜和困難的任務(wù)。表面層的厚度只有幾個(gè)納米到幾十微米的量級(jí)，對(duì)這個(gè)

薄層的組織和性能進(jìn)行分析測(cè)定需要特殊的方法與手段；更主要的是它涉及到很多學(xué)科和一系列的影響因素：涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)、表面物理、表面化學(xué)、冶金學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)等學(xué)科；影響因素則包括載荷、速度、溫度、潤(rùn)滑劑類(lèi)型及特性、環(huán)境介質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接觸面粗糙度、所用材料類(lèi)型、組織結(jié)構(gòu)及性能等等。3940粘著磨損41粘著：當(dāng)一固體材料在另一個(gè)固體材料表面上滑動(dòng)或壓

在其表面上時(shí)，由于分子力的作用使兩個(gè)表面發(fā)生焊合，當(dāng)施加的外力大于焊合點(diǎn)的結(jié)合力將兩表面拉開(kāi)時(shí)，剪

切一般發(fā)生在強(qiáng)度較低的固體材料一面，在強(qiáng)度較高材

料的表面將粘附有強(qiáng)度較低的材料。粘著磨損實(shí)際是相互接觸表面上的微凸體不斷形成粘著

結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)斷裂并形成磨屑而導(dǎo)致摩擦表面破壞的過(guò)程。當(dāng)兩種聚合物材料滑動(dòng)接觸時(shí)，內(nèi)聚力較弱的聚合

物會(huì)粘著轉(zhuǎn)移到內(nèi)聚力較強(qiáng)的聚合物上，產(chǎn)生粘著

磨損；當(dāng)聚合物材料與金屬對(duì)磨時(shí)，剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小

于金屬的聚合物材料表面受到損傷，形成轉(zhuǎn)移膜、

依附膜及磨屑?？梢杂行У乇Ｗo(hù)金屬材料不受磨損。粘著磨損與對(duì)磨材料的性質(zhì)、溫度、法向載荷等有關(guān),當(dāng)溫度接近材料的玻璃化溫度時(shí)，聚合物材料本體強(qiáng)度下降，甚至小于界面的剪切強(qiáng)度，可能有聚合物材料的團(tuán)塊轉(zhuǎn)移到對(duì)磨面上，造成材料嚴(yán)重?fù)p傷。42粘著磨損分類(lèi)：(根據(jù)摩擦表面的破壞程度)43輕微磨損：發(fā)生在摩擦初期，如機(jī)器跑合；程度決定于載荷和速度；剪切破壞發(fā)生在粘結(jié)點(diǎn)上端，表面材料的轉(zhuǎn)移輕微；涂抹(Smearing)：金屬?gòu)囊粋€(gè)表面離開(kāi)，并以很薄的一層堆積在另一個(gè)表面的現(xiàn)象；擦傷(Scratching)：沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生細(xì)小抓痕的現(xiàn)象；劃傷(Scoring)：在滑動(dòng)表面之間，局部產(chǎn)生固相焊合(Solidphase

welding)時(shí)，沿滑動(dòng)方向形成較嚴(yán)重的抓痕的現(xiàn)象；膠合(Scuffing)：在滑動(dòng)表面之間，由于固相焊合產(chǎn)生局部破壞，但尚未出現(xiàn)局部熔焊的現(xiàn)象；咬死(Seizure)：由于界面的摩擦使相對(duì)運(yùn)動(dòng)停止的現(xiàn)

象。

磨料磨損44在歐洲合作與發(fā)展組織(OECD)編定的摩擦學(xué)術(shù)語(yǔ)對(duì)磨料磨損下的定義為：“由于硬顆?；蛴餐黄鹞锸共牧袭a(chǎn)生遷移而造成的一種磨損”。對(duì)磨料磨損的分類(lèi)方法也很多。許多文獻(xiàn)經(jīng)常引用的是

Avery和Rigney的分類(lèi)方法（表2-6）；也采用不同的系統(tǒng)特性來(lái)分類(lèi)（表2-7）。磨料磨損很少是一種單一的磨損機(jī)制所引起，而經(jīng)常是多種磨損機(jī)制綜合作用的結(jié)果。而且，隨著磨損條件的變化，可以從一種磨損機(jī)制轉(zhuǎn)化成另一種磨損機(jī)制。在工業(yè)領(lǐng)域，磨料磨損是最主要的一種磨損類(lèi)型，約占50％。在磨料磨損過(guò)程中，形成磨屑的機(jī)制主要有兩種：45一．由塑性變形機(jī)制引起的去除過(guò)程。當(dāng)磨料與塑性材料表面接觸時(shí)，主要會(huì)發(fā)生兩種主要的材料去除過(guò)程(圖2-9)。犁溝：材料受磨損的擠壓向兩側(cè)產(chǎn)生隆起。并不會(huì)直接引起材料的去除，但在多次變形后會(huì)產(chǎn)生脫落而形成二次切屑。微觀切削：材料在磨料作用下發(fā)生如刨削一樣的切削過(guò)程。這種過(guò)程可直接造成材料去除，形成一次切屑。46二．由斷裂機(jī)制引起的去除過(guò)程。47這種過(guò)程在脆性材料中顯得特別重要。例如陶瓷、碳化物和玻璃等，它們對(duì)于斷裂破壞十分敏感。圖2-11表示由于斷裂機(jī)制形成徑向、中間及橫向裂紋的示意圖。當(dāng)施加載荷較大、磨料尖銳以及材料的斷裂韌度與硬度的比值愈低時(shí)，材料愈趨向于壓痕斷裂。材料的硬度決定了磨料顆?？赡軌喝氲纳疃取Ｈ绻麎汉凵疃却笥诋a(chǎn)生斷裂的臨界深度時(shí)，材料因斷裂機(jī)制產(chǎn)生的去除過(guò)程就會(huì)優(yōu)先發(fā)生。48三. 在磨料磨損過(guò)程中兩種機(jī)制的轉(zhuǎn)換無(wú)論是塑性材料或脆性材料，都可能發(fā)生塑性變形及斷裂兩種機(jī)制。只是由于磨損環(huán)境條件及材料特性不同，某一種磨損機(jī)制會(huì)占主導(dǎo)地位，而且常常隨條件的變化發(fā)生一種磨損機(jī)制向另一種磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)換。應(yīng)當(dāng)指出，斷裂機(jī)制要比塑性交形造成的材料損失大得多。49實(shí)際的磨料磨損過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多種因素綜合作用的摩擦學(xué)系統(tǒng)。利用系統(tǒng)分析方法可以較為清楚地考察各個(gè)組元及其相互作用以及環(huán)境條件的影響。圖2-13表示了在磨料磨損系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各種影響因素及其主要參數(shù)。5051磨料形狀(尖銳度)對(duì)磨料磨損過(guò)程也有明顯的影響。由于各種磨料的形狀難以測(cè)量和定量區(qū)別，一般僅定性的將磨料形狀分為三種典型類(lèi)型：即尖銳型、多角型和圓型。52表面疲勞磨損53由于交變應(yīng)力使表面材料疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)移稱(chēng)為疲

勞磨損，也定義為“當(dāng)兩個(gè)接觸體相對(duì)波動(dòng)或滑動(dòng)時(shí)，

在接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞強(qiáng)度的情況下，在表面層將引發(fā)裂紋，并逐步擴(kuò)展，最后裂紋以上的材

料斷裂剝落下來(lái)的磨損過(guò)程”。疲勞磨損的最普遍形式是出現(xiàn)在呈波動(dòng)接觸的機(jī)器零件表面上，如滾動(dòng)軸承、齒輪、軋輥等，其典型特征為點(diǎn)蝕及剝落，這種形式的磨損也常稱(chēng)為接觸疲勞。疲勞磨損有點(diǎn)蝕、剝落、剝層與擦傷。也有人根

據(jù)疲勞磨損的表面特征及磨損的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，將疲勞磨損分為點(diǎn)蝕、淺層剝落和硬化層剝落。點(diǎn)蝕與剝落是機(jī)器零件表面上接觸疲勞損傷的典型特征。點(diǎn)蝕裂紋一般都從表面開(kāi)始，向內(nèi)傾斜擴(kuò)展(與表面成10-30度角)，最后二次裂紋折向表面，裂紋以上的材料折斷脫落下來(lái)即成點(diǎn)蝕，因此單個(gè)的點(diǎn)蝕坑的表面形貌常表現(xiàn)為“扇形”或“貝殼形”。54剝落裂紋一般起源于亞表居內(nèi)部較深的層次(如可達(dá)幾百微米)，沿與表面平行的方向擴(kuò)展，最后形成片狀的剝落坑。一般認(rèn)為，剝落裂紋是由亞表層的循環(huán)切應(yīng)力引起的。55腐蝕磨損56腐蝕磨損是指在磨損過(guò)程中物體表面與周?chē)h(huán)境的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)起主要作用時(shí)的磨損現(xiàn)象。強(qiáng)烈變形區(qū)往往具有較高的位錯(cuò)密度和腐蝕活性，在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中將成為陽(yáng)極而其余部位成為陰極，構(gòu)成所謂“應(yīng)變差電池”。這種塑性變形可使腐蝕速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。根據(jù)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，可將腐蝕磨損分為兩大類(lèi)：

1．化學(xué)腐蝕磨損2．電化學(xué)腐蝕磨損機(jī)械磨損部件在同一摩擦過(guò)程中，摩擦磨損與摩擦修復(fù)往往同時(shí)存在，兩者不平衡時(shí)表現(xiàn)為磨損或負(fù)磨損,平衡時(shí)則表現(xiàn)為“零磨損”，而極不平衡時(shí)則表現(xiàn)為熔焊或膠合。摩擦磨損的自適應(yīng)、自修復(fù)是材料學(xué)和摩