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、磨損和潤滑，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣學(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）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)器中加潤滑油等。但摩擦又是不可缺少的，如人的行走，汽車的行駛都必須依靠地面與腳和車輪的摩擦。在泥濘的道路上，因摩擦太小走路就很困難，且易滑倒，汽車的車輪也會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，即車輪轉(zhuǎn)動(dòng)而車廂并不前進(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)在于模仿鯊魚的皮膚。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過，鯊魚得以快速游動(dòng)。快皮的超伸展纖維表面便是完全仿造鯊魚皮膚表面制成的。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顯微鏡下的鯊魚皮膚鯊魚皮泳衣的結(jié)構(gòu)，V字型可以減少游泳時(shí)水流帶來的阻力。10人類對(duì)摩擦現(xiàn)象早有認(rèn)識(shí)，并能用來為自己服務(wù)，如史前人類的鉆木取火。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）使用石頭和木頭開始了對(duì)固體摩擦的實(shí)驗(yàn)研究，測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。”當(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)于這些材料來說還是比較符合實(shí)際的。111785年，法國庫侖繼前人的研究，用機(jī)械嚙合概念解釋干摩擦，提出摩擦理論。后來又有人提出分子吸引理論和靜電力學(xué)理論。1935年，英國的鮑登等人開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：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：這是繼凹凸嚙合說之后的一種關(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)龃螅梢杂脙蓚€(gè)物體的表面充分接觸時(shí)它們的分子引力將增

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

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，超過某一

數(shù)值（每個(gè)凸起上約千分之幾牛頓），超過材料的彈性

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、潤滑劑稀釋和防漏密封等。此外，還有生物中的摩擦學(xué)問題，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)生的摩擦過程是一個(gè)復(fù)雜過程，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滑作用減小摩擦。20周圍環(huán)境也影響滑動(dòng)過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高分子基自潤滑材料常見的減摩用聚合物有: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的長期使用溫度一般在240-260℃，熱固性PI的長期使用溫度可達(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通過離子注入的方法對(duì)PI進(jìn)行改性，來提高材料的耐磨性，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，離子注入過程中通常會(huì)在被注入物質(zhì)的表面形成一層極薄的無定型碳膜，同時(shí)也起到一定的潤滑作用。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，常用來制作耐高溫和高真空的自潤滑軸承、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，通過向PTFE內(nèi)填充纖維、無機(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

自潤滑復(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。它可以在無潤滑、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，在歐美各國受到高度重視，有“驚異塑料”之稱，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足受載、高速等特殊工況條件的要求，往往需要通過共混復(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固體潤滑劑的選擇減摩性樹脂基復(fù)合材料可以利用含油樹脂或添加固體潤滑劑來提高其減摩自潤滑性能。常用的固體潤滑劑有石墨、MoS2、WS2、PTFE、鉛、氧化鉛等無機(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。材料磨損理論是專門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36磨損下一個(gè)嚴(yán)格的定義并非易事。英國機(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。克拉孟爾斯基所下的定義是“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方法，至今尚無統(tǒng)一的分類方法。1957年比尤維爾(Burwell)提出按照磨損機(jī)制進(jìn)行分類。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：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題，但要把這個(gè)薄層內(nèi)的問題研究清楚，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、潤滑劑類型及特性、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。可以有效地保護(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：(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)：金屬從一個(gè)表面離開，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)語對(duì)磨料磨損下的定義為：“由于硬顆粒或硬突起物使材料產(chǎn)生遷移而造成的一種磨損”。對(duì)磨料磨損的分類方法也很多。許多文獻(xiàn)經(jīng)常引用的是

Avery和Rigney的分類方法（表2-6）；也采用不同的系統(tǒng)特性來分類（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型，約占50％。在磨料磨損過程中，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程。這種過程可直接造成材料去除，形成一次切屑。46二．由斷裂機(jī)制引起的去除過程。47這種過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粒可能壓入的深度。如果壓痕深度大于產(chǎn)生斷裂的臨界深度時(shí)，材料因斷裂機(jī)制產(chǎn)生的去除過程就會(huì)優(yōu)先發(fā)生。48三. 在磨料磨損過程中兩種機(jī)制的轉(zhuǎn)換無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)磨料磨損過程也有明顯的影響。由于各種磨料的形狀難以測量和定量區(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

料斷裂剝落下來的磨損過程”。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程中物體表面與周圍環(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)腐蝕過程中將成為陽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：

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