滑动摩擦磨损的分类

一、聚合物磨损的分类

磨损是摩擦产生的必然结果，有摩擦就一定会导致磨损。磨损是一个广泛的领域，可以说每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的机理存在。聚合物的磨损有多种形式，按不同的机理和条件主要可以分为四种类型，即:粘着磨损(adhesive wear;磨粒磨损(abrasive wear;疲劳磨损(fatigue wear)及摩擦中的化学反应(tribo-chemical reaction)等。在实际摩擦磨损过程中，几种磨损机理会同时发生，至于那一种磨损机理起主要作用是由聚合物自身的性质决定的。磨粒磨损中对偶面的粗糙度对磨损大小起决定性作用;接触疲劳磨损是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果，是一种普遍的磨损形式。此外，断裂能(G或J)决定裂纹的形成和磨损强度，其依赖于聚合物的延展性，直接影响聚合物的磨损;严重的摩擦化学磨损涉及到活性粒子的产生:如自由基，电子等。对于聚合物转移膜，表面极性及表面能决定膜的转移;对于在周期载荷作用下的疲劳磨损，断裂能是决定材料是否抗疲劳的主要因素;并且热塑性、弹性体及复合材料等材料磨损机理各不相同;而且大多数的磨损机理最终会导致聚合物的疲劳磨损。

二、粘着磨损

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。粘着磨损是在正常载荷的作用下，由于粘着力的形成而使聚合物转移到对偶面的现象。宏观光滑的表面，从微观尺度看总是粗糙不平的。当两个表面接触时，接触的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，这样聚合物就会转移到其对偶面一金属或聚合物上。通过以上分析可知: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，而粘着磨损的磨损质量损失与真实接触面积成正比。

对于聚合物一聚合物的滑动组，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，粘着也会发生在聚合物一金属之间。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。在这些特性中表面能又起决定性作用。转移膜的形成依赖于对偶面的表面能，通常是从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，如高密度聚乙烯(HDPE，将在对偶面形成一层薄的、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偶面形成转移膜，这说明交联聚合物具有高的抗粘着磨损特性

三、磨粒磨损

磨粒磨损在工业中存在非常广泛。据估计，工业中发生的磨损约50%是属于磨粒磨损。磨粒磨损是由于对偶表面的粗糙不平(两组分磨粒磨损)或磨粒夹在摩擦面之间(三组分磨粒磨损)或两种情况同时发生从而使摩擦面主要因为切削而引起磨损脱落的现象。磨粒磨损表面通常有多方向的划痕产生。如果两个接触面中，一个面比另一个面硬一些，那么在滑动时硬表面上的硬凸体就会在软表面上划出沟痕。由于这种沟痕很像农用犁在田地上犁出的沟，故称犁沟，这种现象称为犁沟效应。

磨粒磨损主要是犁沟和微观切削作用，聚合物硬度与大部分金属材料相比是比较低的，目前最硬的聚合物其硬度也不及低碳钢。因此，聚合物对于硬质点的切削或刻槽现象极其敏感。尤其是当硬质点有尖锐棱角时，磨粒磨损更为严重。摩擦副接触面的形成和分开过程伴随着微突体的刺入和拔出，在这一微观区域形成材料的粘着。一般来说容易产生弹性形变和各向异性的材料具有较高的摩擦系数。因此，在塑料和橡胶的摩擦学研究中，发现交联密度、球晶尺寸和分子链结构都会影响摩擦系数。同时，聚合物材料的粘弹性还受温度的影响。摩擦速率、载荷、表面形貌及粗糙度都会通过对界面粘接的影响而作用于摩擦系数产生磨粒磨损的硬颗粒的大小对聚合物的磨粒磨损有很大影响，磨粒颗粒越大，在相同的通过次数下，从聚合物表面移走的材料越多，磨损越严重。且

在初始磨损阶段，磨损率较高，因为此时磨粒尖锐且没有受到破坏，随着磨损的进行，磨粒受到破坏，磨损率降低。

当然，聚合物的磨粒磨损还与聚合物本身性质有关。对于脆性聚合物，可用一个简单的公式来确定磨损体积

Vw=kld tang /TCH(1一1)

式中，e表示微凸体的底角，Vw为磨损体积，k为常数，Z为载荷八伪滑动距离，H为硬度。可见，磨损量与tang成正比，与硬度成反比。

许多研究者牙民道了决定聚合物磨粒磨损的重要参数一断裂能。如果用s表示聚合物材料的拉伸强度，用6表示聚合物断裂前的延伸率，那么参数(S'} (}将是一个和断裂能有关的量。近似的说，参数(S'} (}越大，意味着断裂能越大。则在相同粗糙度对偶面的条件下，材料抗磨粒磨损的性能越好。

四、疲劳磨损

疲劳磨损是在循环载荷的作用下，非明显的磨损在粗糙表面积累，致使发生明显的磨损现象:在较软的材料表面形成磨损微粒并脱离下来。疲劳磨损在相当一段时间的滑动(或滚动)后才能产生。若表面相对粗糙度较大，磨粒磨损和粘着磨损较严重，材料表面没有时间导致疲劳并产生疲劳磨损。疲劳磨损较温和，其破坏性通常低于磨粒磨损与粘着磨损，一般在滚动条件下形成。在滑动条件下，疲劳磨损常与磨粒磨损和粘着磨损同时发生。疲劳磨损的重要性最早由苏联科学家发现，Kvaghels场将此进一步延伸，推导了一些疲劳磨损公式。

尽管疲劳磨损通常发生在聚合物表面，但它在某种程度上受材料体积疲劳磨损特性的影响[[47]，疲劳包括裂纹的形成及延伸，因此，它是一个断裂的过程。裂纹的扩展(生长)率与断裂硬度(Kc成反比。因此，一种具有高断裂硬度的聚合物，在磨损的过程中具有较长的疲劳周期，更加耐疲劳磨损。断裂能在抗疲劳磨损中的重要性在Eiss和Potter[4g]的工作中进一步得到证实。他们的数据表明:填加15%的聚硅氧烷弹性体，使疲劳磨损率从600}m2/K下降到90}m2/K,然而弹性模量只有少量的下降，从1.11下降到0.92GPa。耐磨性不仅与弹性模量有关，而且与断裂能有关。

五、化学磨损

化学磨损是指由于接触表面与周围环境发生化学作用而引起的磨损。当接触面与环境中的物质发生化学反应时，其产物会脱离表面，使材料产生损失。化学反应能否进行与摩擦过程产生的能量有关。虽然塑料都具有强的抗腐蚀能力，不为化学药品所侵蚀，但当一些化学药品、溶剂等进入摩擦界面，在应力反复作用下，又有热、氧等环境因素，是能够产生磨损的。在摩擦过程中，表面上真实接触区域可以产生高温，同时可能产生很高的局部应力与变形，在这些热点能发生化学反应，从而加快了磨损速度。

综上所述，聚合物材料的摩擦磨损机理错综复杂，不仅材料本身分子结构、机械性能、热性能、化学性能让材料具有不同的摩擦磨损性能，而且工况条件如负载、转速、表面粗糙度、环境温度、湿度会影响材料的摩擦磨损机理，并且由于各种复合材料的大量开发和使用，人们发现复合材料的组成、相界面的粘结度、相和相之间的相溶性都有可能改变材料的摩擦磨损特性。随着扫描电子显微镜(SEM、X射线光电子能谱(XPS>、透射电镜(TEM、原子力显微镜(AFM)等先进仪器的出现。人们对微观世界的了解有了更强有力的手段，对材料的摩擦磨损机理的研究也将越来越深入，但对摩擦磨损机理的探索仍将是一个长期的过程。