1、橡 胶 磨 损 原 理张 嗣 伟 著石 油 工 业 出 版 社内 容 提 要本 书 是 作 者 在 总 结 多 年 从 事 橡 胶 摩 擦 与 磨 损 研 究 所 取 得 成 果 的 基 础 上 所 完 成 的 一 部 专 著 。 它 系 统 地 阐 述 了 橡 胶 磨 损 原 理 , 并 反 映 了 该 领 域 的 研 究 现 状 。全 书 共 分 七 章 , 内 容 涉 及 橡 胶 摩 擦 机 理 、 橡 胶 的 四 种 主 要 磨 损 形 式 磨 粒 磨 损 、 侵 蚀 ( 冲 蚀 ) 磨 损 、 疲 劳 磨 损 与 摩 擦 磨 损 的 机 理 。 重 点 介 绍 了 石 油 工 业 中
2、 常 见 的 两 种 橡 胶 磨 损 形 式 即 磨 粒 磨 损 与 侵 蚀 ( 冲 蚀 ) 磨 损 , 还 特 别 阐 述 了 橡 胶 磨 损 中 的 表 面 力 化 学 效 应 以 及 橡 胶 磨 损 理 论 研 究 的 最 新 进 展 。本 书 可 作 为 从 事 设 计 、制 造 、 研 究 和 使 用 橡 胶 材 料 与 制 品 的 工 程 技 术 人 员 的 参 考 书 , 也 可 作 为 高 等 院 校 有 关 专 业 研 究 生 或 本 科 高 年 级 学 生 的 教 学 用 书 。图 书 在 版 编 目 ( CI P) 数 据橡 胶 磨 损 原 理 / 张 嗣 伟 著 . 北
3、 京 : 石 油 工 业 出 版 社 , 1998.3ISBN 7 - 5021 - 2152 - 8 . 橡 . 张 . 橡 胶 - 磨 损 . T Q330.1中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 97 ) 第 22505 号*石 油 工 业 出 版 社 出 版(1 0 0 01 1 北 京 安 定 门 外 安 华 里 2 区 1 号 楼 )石 油 工 业 出 版 社 印 刷 厂 排 版 印 刷 新 华 书 店 北 京 发 行 所 发 行*78 7 1 0 92 毫 米 1 6 开 本 1 0 印 张 3 插 页 2 6 0 千 字 印 1 - 1 00 01 9 98
4、年 3 月 北 京 第 1 版 1 9 98 年 3 月 北 京 第 1 次 印 刷ISB N 7 - 5 0 21 - 21 5 2 - 8/ T E18 0 4定 价 : 23 . 00 元序在 所 有 材 料 中 , 橡 胶 占 有 一 个 非 常 特 殊 的 地 位 。 如 果 没 有 橡 胶 的 发 现 , 则 人 类 生 产 和 生 活 方 式 将 和 今 天 会 有 很 大 的 不 同 , 甚 至 难 以 想 象 。 这 当 然 是 由 于 橡 胶 有 很 多 特 殊 和 可 贵 的 特 性 。在 橡 胶 的 有 用 特 性 中 , 抗 磨 损 是 非 常 重 要 的 一 种 。
5、 我 们 只 要 看 一 看 汽 车 轮 胎 便 清 楚 了 。 汽 车 轮 胎 用 橡 胶 做 , 固 然 是 为 了 吸 震 , 但 更 重 要 的 是 在 路 面 条 件 下 没 有 其 它 材 料 在 抗 磨 能 力 上 能 和 橡 胶 相 比 。 但 我 们 如 果 用 木 锉 刀 来 锉 , 会 发 现 车 胎 外 层 并 不 抗 磨 。 这 是 由 于 橡 胶 磨 损 是 一 种 极 复 杂 的 现 象 , 不 同 条 件 下 的 磨 损 机 理 可 能 完 全 不 同 。 到 今 天 , 这 个 问 题 还 是 研 究 的 热 点 。本 书 作 者 张 嗣 伟 教 授 用 了
6、多 年 时 间 研 究 橡 胶 磨 损 , 在 国 际 上 发 表 过 重 要 成 果 , 是 这 方 面 开 路 人 之 一 。 本 书 主 要 是 讨 论 四 种 磨 损 形 式 的 机 理 和 磨 损 中 涉 及 的 物 理 和 化 学 问 题 , 是 在 这 重 要 领 域 中 一 部 难 得 的 专 著 。 本 书 虽 然 是 讨 论 理 论 问 题 , 但 对 于 实 际 工 作 也 会 有 很 大 影 响 , 因 为 磨 损 现 象 在 一 般 人 头 脑 中 常 过 度 地 简 化 了 。 本 书 通 过 理 论 的 阐 述 , 使 读 者 对 每 一 种 磨 损 的 实 质
7、有 所 了 解 。 对 寻 求 更 耐 磨 的 结 构 、 方 法 和 材 料 也 将 有 所 启 迪 。雷 天 觉1996 年 12 月 4 日前 言橡 胶 是 国 民 经 济 和 人 民 生 活 中 不 可 缺 少 的 一 种 重 要 的 原 材 料 , 它 的 传 统 用 途 是 制 造 各 种 车 辆 用 轮 胎 。 然 而 , 橡 胶 做 为 一 种 高 弹 性 材 料 , 具 有 一 般 金 属 和 其 它 高 分 子 材 料 所 没 有 的 一 些 独 特 的 性 能 , 所 以 , 在 一 般 工 业 , 尤 其 是 在 石 油 工 业 中 获 得 广 泛 的 应 用 。 因
8、此 , 提 高 橡 胶 制 品 的 耐 磨 性 和 使 用 寿 命 就 成 为 人 们 十 分 关 注 的 一 个 重 要 课 题 。几 十 年 来 , 虽 然 国 内 外 不 少 学 者 和 研 究 人 员 对 橡 胶 材 料 的 磨 损 问 题 进 行 了 相 当 广 泛 地 研 究 , 但 是 , 迄 今 为 止 , 系 统 阐 述 这 一 问 题 的 专 著 却 极 为 少 见 。 1967 年 在 伦 敦 出 版 了 D. F.James 主 编 的 橡 胶 的 磨 粒 磨 损 , 但 这 是 一 本 只 涉 及 到 橡 胶 的 磨 粒 磨 损 的 论 文 集 , 随 后 , 197
9、5 年 在 莫 斯 科 出 版 了 . . 等 人 编 著 的 橡 胶 磨 耗 , 该 书 在 查 阅 了 大 量 文 献 的 基 础 上 对 橡 胶 磨 损 问 题 作 了 比 较 全 面 的 阐 述 , 但 主 要 是 针 对 轮 胎 磨 损 , 并 侧 重 于 实 际 应 用 , 而 对 橡 胶 磨 损 的 一 般 原 理 的 阐 述 过 于 简 略 , 因 而 对 提 高 各 类 橡 胶 制 品 的 耐 磨 性 的 指 导 作 用 是 很 有 限 的 。不 懂 得 橡 胶 磨 损 原 理 , 就 不 可 能 了 解 橡 胶 制 品 磨 损 失 效 的 机 制 , 从 而 也 就 不 可
10、 能 弄 清 橡 胶 耐 磨 性 能 与 其 机 械 性 能 之 间 的 关 系 , 因 而 也 就 无 法 预 测 橡 胶 制 品 在 使 用 条 件 下 的 实 际 性 能 和 使 用 寿 命 。 因 此 , 只 有 深 刻 了 解 橡 胶 的 磨 损 原 理 , 才 能 正 确 地 制 订 橡 胶 配 方 的 设 计 原 则 以 及 测 定 和 评 价 其 耐 磨 性 能 的 方 法 , 从 而 才 有 可 能 进 一 步 提 高 橡 胶 制 品 的 耐 磨 性 和 使 用 寿 命 。 从 1982 年 以 来 , 作 者 及 其 领 导 的 科 研 组 一 直 坚 持 从 事 橡 胶
11、磨 损 及 部 分 橡 胶 摩 擦 的 研 究 , 从 石 油 工 业 的 实 际 出 发 , 研 究 的 内 容 主 要 侧 重 于 橡 胶 的 磨 粒 磨 损 和 侵 蚀 磨 损 , 本 书 就 是 这 些 研 究 工 作 的 总 结 。 本 书 的 主 要 内 容 包 括 作 者 80 年 代 先 后 在 美 国 阿 克 伦 大 学 高 分 子 材 料 研 究所 A. N.Ge nt 教 授 的 高 分 子 物 理 研 究 室 、 美 国 密 执 安 大 学 机 械 工 程 与 应 用 力 学 系 K.C. Ludema 教 授 的 摩 擦 学 研 究 室 和 英 国 帝 国 理 工 学
12、 院 化 学 工 程 与 化 学 工 艺 系 B.J.Briscoe 教 授 的 微 粒 技 术 与 界 面 工 程 研 究 室 工 作 期 间 所 取 得 的 研 究 成 果 , 以 及 作 者 后 来 在 国 内 领 导 其 科 研 组 所 做 的 一 些 研 究 工 作 。 为 了 使 读 者 对 橡 胶 磨 损 原 理 以 及 近 十 几 年 来 在 此 领 域 中 所 取 得 的 进 展 有 较 全 面 的 了 解 , 本 书 在 介 绍 作 者 及 其 科 研 组 的 研 究 工 作 的 同 时 , 也 适 当 介 绍 了 一 些 国 内 外 有 关 的 主 要 的 研 究 成 果
13、 , 并 且 还 专 门 编 写 了 第 六 章 , 简 要 介 绍 作 者 没 有 专 门 研 究 过 的 另 外 两 种 橡 胶 磨 损 形 式 , 即 疲 劳 磨 损 和 橡 胶 所 特 有 的 摩 擦 磨 损 。 而 在 本 书 最 后 一 章 , 则 集 中 介 绍 了 作 者 及 其 科 研 组 最 近 几 年 在 橡 胶 磨 损 理 论 研 究 方 面 所 取 得 的 最 新 成 果 。 书 中 有 不 少 内容 是 第 一 次 公 开 发 表 。橡 胶 磨 损 原 理 作 为 高 分 子 材 料 摩 擦 学 的 一 个 学 科 分 支 , 其 学 科 体 系 还 很 不 完 善
14、 , 而 本 书 的 编 著 又 是 以 介 绍 作 者 的 研 究 成 果 为 主 , 因 此 , 限 于 作 者 的 学 识 与 水 平 , 本 书 在 取 材 和 论 述 等 方 面 肯 定 会 存 在 不 少 缺 点 和 错 误 , 恳 切 地 希 望 读 者 提 出 批 评 指 正 。作者 80 年 代 在 国 外 所 进 行 的 橡 胶 摩 擦 磨 损 的 研 究 工 作 曾 先 后 得 到 A. N.Gent 教 授 ,K.C. Ludema 教 授 和 B.J.Briscoe 教 授 的 大 力 支 持 和 热 情 帮 助 , 谨 向 他 们 致 以 衷 心 的 感 谢 。 博
15、 士 生 杨 兆 春 在 作 者 指 导 下 编 写 了 第 六 、 七 章 两 章 以 及 第 二 章 第 二 、 三 节 的 初 稿 , 并 完成 了 全 书 的 打 字 工 作 , 博 士 生 柳 琼 俊 完 成 了 部 分 章 节 插 图 的 收 集 与 整 理 以 及 数 学 公 式 与 化 学 结 构 式 的 打 字 等 工 作 , 对 此 , 作 者 深 表 谢 意 。作 者 所 完 成 的 橡 胶 磨 粒 侵 蚀 的 研 究 工 作 曾 先 后 获 得 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 和 中 国 科 学 院 兰 州 化 学 物 理 研 究 所 固 体
16、 润 滑 开 放 研 究 实 验 室 基 金 资 助 。本 书 在 石 油 工 业 出 版 社 领 导 和 编 辑 们 的 热 情 鼓 励 和 真 诚 支 持 下 才 得 以 问 世 , 特 此 致 谢 。张 嗣 伟 1996 年 10 月目 录第 一 章 绪 论 ( 1)第 一 节 研 究 橡 胶 磨 损 的 重 要 意 义 ( 1)第 二 节 橡 胶 的 基 本 特 征 ( 2)第 三 节 磨 损 的 定 义 与 基 本 特 性 ( 3)参 考 文 献 ( 8)第 二 章 橡 胶 摩 擦 (10)第 一 节 橡 胶 的 磨 合 摩 擦 (10)第 二 节 橡 胶 点 接 触 摩 擦 机 理
17、 (14)第 三 节 橡 胶 线 接 触 摩 擦 机 理 (25)参 考 文 献 (27)第 三 章 磨 粒 磨 损 (29)第 一 节 干 磨 粒 磨 损 (29)第 二 节 油 性 磨 粒 磨 损 (50)第 三 节 湿 磨 粒 磨 损 (51)参 考 文 献 (59)第 四 章 侵 蚀 磨 损 ( 冲 蚀 磨 损 ) (63)第 一 节 金 属 材 料 的 侵 蚀 磨 损 理 论 简 介 (63)第 二 节 磨 粒 侵 蚀 的 机 理 (67)第 三 节 磨 粒 侵 蚀 理 论 (74)参 考 文 献 (87)第 五 章 磨 粒 侵 蚀 的 表 面 力 化 学 效 应 (89)第 一 节
18、 概 述 (89)第 二 节 天 然 橡 胶 的 表 面 力 化 学 效 应 (90)第 三 节 丁 腈 橡 胶 的 表 面 力 化 学 效 应 ( 101)第 四 节 氟 橡 胶 的 表 面 力 化 学 效 应 ( 108)第 五 节 聚 氨 酯 的 表 面 力 化 学 效 应 ( 115)参 考 文 献 ( 127)第 六 章 疲 劳 磨 损 与 摩 擦 磨 损 ( 128)第 一 节 疲 劳 磨 损 ( 128)第 二 节 摩 擦 磨 损 ( 130)参 考 文 献 ( 133)第 七 章 橡 胶 磨 损 理 论 研 究 的 新 进 展 ( 134)第 一 节 分 形 理 论 的 应 用
19、 ( 134)第 二 节 计 算 机 在 橡 胶 磨 损 机 理 研 究 方 面 的 应 用 ( 144)第 三 节 橡 胶 磨 损 的 能 量 理 论 ( 152)参 考 文 献 ( 162)1第 一 章 绪 论第 一 节 研 究 橡 胶 磨 损 的 重 要 意 义橡 胶 是 国 民 经 济 和 国 防 工 业 以 及 人 民 生 活 中 不 可 缺 少 的 重 要 原 材 料 。 从 本 世 纪 50 年 代 以来 , 橡 胶 耗 用 量 与 国 民 生 产 总 值 之 间 就 存 在 着 密 切 而 稳 定 的 相 关 性 1 , 它 在 一 定 程 度 上 反 映 了 一 个 国 家
20、的 国 民 经 济 发 展 水 平 。 据 世 界 银 行 的 统 计 分 析 , 1960 1975 年 各 类 国 家 的橡 胶 耗 用 量 CE 与 其 国 内 生 产 总 值 G NP ( 美 元 ) 存 在 如 下 定 量 关 系 :发 达 国 家ln CE = - 3.1506 + 1.2877ln GNP ( 1 - 1)发 展 中 国 家ln CE = - 7.734 + 1.592ln G NP ( 1 - 2)中 国ln CE = - 4.415 + 1.361ln G NP ( 1 - 3)1990 年 我 国 的 橡 胶 耗 用 量 已 居 世 界 第 四 位 , 橡
21、胶 的 传 统 用 途 主 要 是 制 造 各 种 车 辆 用 轮胎 , 而 汽 车 工 业 在 许 多 国 家 都 是 国 民 经 济 的 支 柱 产 业 之 一 。作 为 一 种 高 弹 性 材 料 , 橡 胶 还 具 有 金 属 和 其 它 高 分 子 材 料 所 没 有 的 一 些 良 好 的 性 能 ( 如耐 磨 、 耐 油 等 ) , 因 而 它 不 仅 在 汽 车 工 业 , 也 在 其 它 工 业 , 尤 其 是 石 油 工 业 中 获 得 广 泛 应 用 。 70 年 代 以 来 ,橡 胶 材 料 在 各 种 车 辆 轮 胎 和 摩 擦 元 件 ( 如 密 封 件 、 活 塞
22、 环 、 水 润 滑 轴 承 以 及油 田 设 备 中 的 各 类 橡 胶 件 等 ) 的 应 用 上 始 终 保 持 不 断 增 长 的 势 头 。 因 此 , 即 使 它 们 的 耐 磨 性 和 使 用 寿 命 提 高 不 多 , 也 会 在 节 约 能 源 、 材 料 和 润 滑 剂 等 多 方 面 带 来 相 当 可 观 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 , 所 以 , 提 高 橡 胶 制 品 ( 尤 其 是 各 种 轮 胎 ) 的 使 用 寿 命 是 一 个 十 分 重 要 的 问 题 。 当 前 , 世 界 各 国 的 工 业 和 交 通 运 输 部 门 都 越 来 越 重
23、视 开 展 对 橡 胶 的 磨 损 机 理 、 抗 磨 技 术 及 其 应 用 的 研 究 ( 包 括 制 订 测 定 橡 胶 耐 磨 性 的 合 理 的 试 验 方 法 , 合 理 设 计 橡 胶 的 配 方 , 预 测 橡 胶 在 使 用 条 件 下 的 性 能 与 使 用 寿 命 等 ) 。材 料 磨 损 是 一 种 十 分 复 杂 的 现 象 , 它 不 仅 取 决 于 材 料 本 身 的 性 质 , 而 且 还 是 一 个 具 有 时 变 特 征 的 渐 进 的 微 观 动 态 过 程 , 同 时 还 受 到 它 所 在 的 摩 擦 学 系 统 ( 包 括 环 境 ) 中 多 方 面
24、 因 素 的 相 互 影 响 和 相 互 作 用 。 为 此 , 对 磨 损 的 研 究 必 然 涉 及 到 物 理 、 化 学 、 力 学 、 热 力 学 、 材 料 科 学 和 机 械 工 程 等 多 种 学 科 和 科 学 技 术 领 域 的 问 题 。 在 摩 擦 学 中 的 三 个 主 要 领 域 摩 擦 、 润 滑 和 磨 损 中 , 对 磨 损 的 研 究 起 步 最 晚 。 如 果 从 1938 年 R. Holm 首 次 提 出 区 别 表 观 接 触 与实 际 接 触 的 概 念 和 “ 两 表 面 原 子 间 相 互 作 用 , 发 生 摩 擦 和 磨 损” 的 观 点
25、以 来 , 才 不 过 50 多 年 的 历 史 , 而 真 正 从 微 观 的 角 度 进 入 实 质 性 的 深 入 研 究 , 只 是 在 60 年 代 出 现 了 电 子 显 微 镜和 各 种 先 进 的 表 面 分 析 技 术 之 后 , 距 今 仅 30 来 年 , 由 此 可 见 , 磨 损 还 是 一 个 很 不 成 熟 的 领域 , 所 以 , 早 在 1977 年 第 一 届 国 际 材 料 磨 损 会 议 上 , 就 有 人 提 出 把 磨 损 从 摩 擦 学 领 域 中 独2立 出 来 , 作 为 摩 擦 学 的 一 个 分 支 学 科 。 因 此 , 加 速 发 展
26、这 一 交 叉 学 科 领 域 , 对 科 学 技 术 的 进 步 也 具 有 重 大 的 理 论 意 义 。材 料 磨 损 原 理 是 研 究 材 料 的 磨 损 失 效 形 式 、 磨 损 的 作 用 机 制 、 磨 损 规 律 、 磨 损 状 态 的 检 测 与 监 控 以 及 抗 磨 技 术 的 一 门 科 学 与 技 术 , 也 可 称 之 为 材 料 磨 损 学 , 而 橡 胶 磨 损 原 理 则 是 这 门 科 学 与 技 术 领 域 中 的 一 个 重 要 组 成 部 分 或 主 要 分 支 。第 二 节 橡 胶 的 基 本 特 征一 、 橡 胶 的 结 构 与 特 征橡 胶
27、是 由 许 多 大 分 子 所 组 成 的 一 种 高 分 子 化 合 物 。 它 的 每 个 大 分 子 都 是 由 共 价 键 联 结 的 许 多 化 学 结 构 单 元 所 组 成 的 一 条 非 常 长 的 大 分 子 链 。 例 如 , 天 然 橡 胶 的 一 条 分 子 链 就 是 由 大 约 1000 到 5000 个 异 戊 二 烯 化 学 结 构 单 元 所 组 成 。单 个 高 分 子 链 的 结 构 有 三 种 基 本 型 式 ( 图 1 - 1 ) , 即 线 型 高 分 子 ( 直 链 型 高 分 子 ) 、 支 化 型 高 分 子 ( 支 链 型 高 分 子 ) 和
28、 交 联 型 高 分 子 ( 网 状 型 高 分 子 ) 。图 1 - 1 高 分 子 结 构 的 基 本 型 式( a ) 线 型 高 分 子 ; ( b) 支 化 型 高 分 子 ; ( c ) 交 联 型 高 分 子线 型 高 分 子 的 分 子 链 很 容 易 产 生 相 对 运 动 , 所 以 , 它 在 加 热 时 软 化 , 经 过 冷 却 后 又 可 固 化 , 这 种 性 质 称 为 热 塑 性 。 至 于 交 联 型 高 分 子 , 由 于 其 分 子 链 的 相 对 运 动 受 到 很 大 的 限 制 , 所 以 , 它 在 加 热 时 不 易 流 动 或 熔 化 , 这
29、 种 性 质 称 为 热 固 性 。与 金 属 材 料 相 比 , 橡 胶 一 般 具 有 以 下 特 征 :(1 ) 弹 性 形 变 很 大 , 而 弹 性 模 量 极 小 。 橡 胶 的 弹 性 形 变 可 达 1000 % , 而 大 多 数 高 分 子材 料 的 弹 性 形 变 大 约 只 有 1 % , 一 般 金 属 的 弹 性 形 变 则 小 于 1 % 。 橡 胶 的 弹 性 模 量 大 约 只 有钢 的 1/ 105 , 而 且 会 随 温 度 的 上 升 而 成 比 例 地 增 大 , 而 金 属 材 料 的 弹 性 模 量 却 正 相 反 。(2 ) 泊 松 比 的 数
30、值 ( 0.49 ) 比 一 般 金 属 材 料 的 更 大 , 接 近 于 液 体 的 泊 松 比 ( 0.5) , 所 以 橡 胶 在 发 生 形 变 时 , 其 体 积 几 乎 不 变 , 而 金 属 则 不 同 。(3 ) 未 交 联 的 橡 胶 的 弹 性 形 变 的 发 展 具 有 明 显 的 时 间 相 关 性 , 即 松 驰 特 性 , 而 金 属 没 有 这 种 特 性 。(4 ) 形 变 过 程 中 的 热 效 应 较 明 显 , 即 橡 胶 在 快 速 拉 伸 时 放 热 , 自 行 恢 复 时 吸 热 , 而 金 属 材 料 则 与 此 相 反 。表 1 - 1 给 出
31、 了 在 摩 擦 学 应 用 中 常 见 的 几 种 橡 胶 的 主 要 力 学 性 能 2 。3表 1 - 1 几 种 橡 胶 的 主 要 力 学 性 能材 料邵 氏 硬 度拉 伸 强 度MP a最 高 使 用 温 度玻 璃 化 转 变 温 度丁 基 橡 胶 3 0 1 00 21 1 4 9 - 7 5氯 丁 橡 胶 4 0 9 5 21 1 1 6 - 4 9丁 腈 橡 胶 2 0 9 0 21 1 4 9 - 2 2硅 橡 胶 1 0 8 5 7 3 1 6 - 1 20聚 氨 酯 1 0 1 00 34 1 1 6 -天 然 橡 胶 3 0 1 00 25 7 0 - 7 0乙 丙
32、橡 胶 3 0 9 0 10 1 2 5 - 5 8聚 丁 二 烯 3 5 9 0 10 7 0 - 8 5二 、 橡 胶 与 弹 性 体 的 概 念由 上 可 见 , 橡 胶 作 为 一 种 高 分 子 材 料 , 高 弹 性 是 其 最 显 著 的 特 征 , 因 此 , 一 般 也 将 橡 胶 称 为 弹 性 体 。天 然 橡 胶 ( 胶 乳 ) 是 第 一 个 在 工 程 上 应 用 的 弹 性 体 , 随 后 开 发 出 硫 化 橡 胶 , 这 是 一 种 热 固 性 弹 性 体 。 这 类 弹 性 体 经 一 次 性 固 化 后 , 不 能 再 次 熔 融 。 在 第 二 次 世
33、界 大 战 期 间 , 仿 照 天 然 橡 胶 发 展 了 一 系 列 可 供 工 业 应 用 的 性 能 更 广 泛 的 合 成 橡 胶 , 这 也 是 一 种 热 固 性 弹 性 体 。 50 年 代 发 展 的 聚 氨 酯 弹 性 体 以 及 后 来 发 展 的 其 它 一 些 弹 性 体 , 虽 然 也 具 有 高 弹 性 , 但 其 它 特 性 都 与 橡 胶 不 同 , 而 且 , 其 中 某 些 弹 性 体 与 热 塑 性 塑 料 和 热 固 性 塑 料 的 结 构 几 乎 一 样 , 尤 其 是 一 些 热 塑 性 弹 性 体 的 出 现 , 标 志 着 弹 性 体 加 工 工
34、 业 取 得 了 重 大 进 展 , 因 为 这 类 弹 性 体 可 以 完 全 利 用 生 产 加 工 热 塑 性 塑 料 的 多 种 技 术 , 即 可 以 重 复 熔 融 , 可 以 用 真 空 成 形 、 吹 塑 法 和 高 速 注 塑 法 等 多 种 模 塑 和 挤 塑 技 术 , 从 而 使 生 产 成 本 大 大 降 低 。因 此 , 严 格 地 说 , 不 能 把 弹 性 体 的 概 念 完 全 等 同 于 狭 义 的 橡 胶 的 概 念 , 因 为 前 者 是 指 包 括 橡 胶 在 内 的 所 有 具 有 高 弹 性 的 高 分 子 材 料 。 但 考 虑 到 习 惯 上
35、的 用 法 , 可 以 认 为 , 橡 胶 一 词 , 从 广 义 上 讲 就 是 弹 性 体 , 本 书 中 所 用 橡 胶 一 词 一 般 都 是 指 广 义 的 橡 胶 概 念 , 因 而 与 弹 性 体 一 词 通 用 。第 三 节 磨 损 的 定 义 与 基 本 特 性一 、 磨 损 的 定 义由 于 磨 损 现 象 的 复 杂 性 , 至 今 还 没 有 一 个 为 大 家 公 认 的 严 格 的 定 义 。 例 如 , 欧 洲 经 济 合 作 与 发 展 组 织 ( OECD ) 工 程 材 料 磨 损 研 究 小 组 给 “ 磨 损 ” 一 词 定 义 为 “ 相 对 运 动
36、的 工 作 表面 上 材 料 的 逐 渐 损 耗” 3 , 而 在 美 国 材 料 试 验 协 会 ( AST M ) 标 准 中 关 于 “ 磨 损 ” 的 定 义 是 : 由 于 一 个 物 体 的 表 面 与 它 相 接 触 的 物 质 间 的 相 对 运 动 而 造 成 的 固 体 表 面 的 损 伤 , 通 常 有 材 料 的 逐 渐 损 失 4 , 在 此 定 义 中 所 指 的 损 伤 , 包 括 了 没 有 材 料 损 失 的 情 况 ( 如 表 面 残 余 变 形 ) 。Peterson 将 “ 磨 损” 定 义 为“ 无 用 的 材 料 脱 落 ” 5 。 显 然 , 上
37、述 定 义 都 太 笼 统 , 而 美 国 材 料 试 验 协 会 标 准 把 没 有 材 料 损 耗 的 现 象 包 括 在 内 也 是 不 妥 当 的 , 尽 管 物 体 会 因 为 产 生 严 重 的 塑 性 变 形 而 失 效 。本 书 作 者 根 据 自 己 多 年 在 摩 擦 学 方 面 进 行 研 究 和 教 学 的 实 践 , 给 出 “ 磨 损 ” 的 定 义 如4下 : 磨 损 是 由 于 机 械 作 用 和 ( 或 ) 化 学 反 应 ( 包 括 热 化 学 、 电 化 学 和 力 化 学 等 反 应 ) 在 固 体 摩 擦 表 面 上 产 生 的 一 种 材 料 逐 渐
38、 损 耗 的 现 象 , 这 种 损 耗 主 要 表 现 为 固 体 表 面 尺 寸 和 ( 或 ) 形 状 的 改 变 。 从 本 质 上 看 , 磨 损 不 仅 是 单 一 的 机 械 作 用 的 结 果 , 而 往 往 是 伴 随 着 化 学 反 应 综 合 作 用 的 结 果 。 上 述 定 义 阐 明 了 磨 损 现 象 的 三 个 主 要 特 征 :(1 ) 磨 损 是 发 生 在 物 体 表 面 上 的 一 种 现 象 , 一 般 由 于 物 体 内 部 裂 纹 引 起 的 典 型 的 断 裂 和 疲 劳 破 坏 不 属 于 磨 损 的 范 畴 。(2 ) 磨 损 是 发 生 在
39、 物 体 摩 擦 表 面 上 的 一 种 现 象 , 即 其 接 触 表 面 必 须 有 相 对 运 动 。 单 纯 的 腐 蚀 和 橡 胶 表 面 老 化 都 是 在 静 止 表 面 上 发 生 化 学 反 应 ( 包 括 氧 化 ) 的 结 果 , 因 而 不 属 于 磨 损 的 范 畴 。(3 ) 磨 损 必 然 产 生 物 质 损 耗 ( 包 括 材 料 转 移 ) , 而 且 是 一 个 具 有 时 变 特 征 的 渐 进 的 动 态过 程 , 因 此 , 不 产 生 材 料 逐 渐 损 耗 的 单 纯 的 塑 性 变 形 不 属 于 磨 损 的 范 畴 。二 、 磨 损 的 基 本
40、 特 性磨 损 具 有 如 下 两 个 基 本 特 性 :(1 ) 磨 损 是 机 器 零 件 正 常 运 转 过 程 中 不 可 完 全 避 免 的 一 种 现 象 , 只 要 机 器 零 件 的 磨 损 量( 或 磨 损 率 ) 在 规 定 的 使 用 期 内 不 超 过 允 许 值 , 就 可 认 为 这 是 在 运 行 中 允 许 的 正 常 磨 损 现 象 。机 器 零 件 的 典 型 磨 损 过 程 一 般 可 划 分 为 以 下 三 个 阶 段 ( 图 1 - 2 ) : 磨 合 ( 跑 合 ) 阶 段 ( 图 1 - 2 , 0 t1 段 ) 。刚 刚 制 造 出 的 摩 擦
41、副 , 在 其 摩 擦 表 面 上 各 微 观 突 起 部 分 的 高 度 参 差 不 齐 , 其 顶 峰 也 较 尖 锐 , 从 而 使 其 实 际 接 触 面 积 小 。 因 此 , 必 须 在 正 式 投 入 使 用 之 前 , 逐 渐 加 载 磨 合 , 以 增 大 其 接 触 面 积 , 防 止 损 坏 配图 1 - 2 机 器 零 件 典 型 的 磨 损 曲 线行 的 稳 定 磨 损 阶 段 。 正 常 磨 损 阶 段 ( 图 1 - 2 , t1 - t2 段 ) 。合 表 面 。 在 此 阶 段 , 其 磨 损 率 在 开 始 时 增 长 较 快 , 以 后 逐 渐 减 缓 ,
42、 直 到 进 入 正 常 运在 此 阶 段 , 磨 损 率 基 本 上 保 持 不 变 , 磨 损 缓 慢 。 事 故 磨 损 阶 段 ( 图 1 - 2 , t2 - t3 段 ) 。零 件 经 过 长 期 运 行 后 , 配 合 间 隙 增 大 , 精 度 和 性 能 下 降 , 润 滑 条 件 恶 化 , 磨 损 率 急 剧 增 长 , 磨 损 加 剧 , 整 个 机 器 的 性 能 和 效 率 明 显 下 降 , 而 且 往 往 会 产 生 异 常 的 噪 音 和 振 动 , 摩 擦 副 的 温 度 上 升 , 最 后 导 致 零 件 完 全 失 效 。(2 ) 磨 损 不 仅 是 材
43、 料 本 身 固 有 特 性 的 表 现 , 更 是 摩 擦 学 系 统 特 性 的 反 映 。 磨 损 之 所 以 具 有 这 一 基 本 特 性 是 由 于 它 不 仅 取 决 于 材 料 本 身 的 固 有 特 性 ( 如 强 度 , 硬 度等 ) , 而 且 还 在 很 大 程 度 上 受 到 组 成 该 摩 擦 学 系 统 的 许 多 元 件 、 工 作 参 数 和 环 境 以 及 它 们 之间 相 互 作 用 的 各 种 关 系 与 过 程 的 影 响 , 是 一 种 十 分 复 杂 的 现 象 。 一 般 可 用 下 式 来 表 示 这 种 特 性 6 :W = f ( x ,
44、s) ( 1 - 4)5式 中 x 工 作 参 数 , 包 括 载 荷 , 相 对 运 动 的 速 度 和 形 式 以 及 时 间 等 ;s摩 擦 学 系 统 的 结 构 。s = A , P , R ( 1 - 5)式 中 A 组 成 摩 擦 学 系 统 的 各 元 素 ( 包 括 环 境 ) ;P组 成 摩 擦 学 系 统 的 各 元 素 的 性 质 ;R 组 成 摩 擦 学 系 统 的 各 元 素 之 间 的 相 互 关 系 。 同 一 种 元 件 在 不 同 的 摩 擦 学 系 统 中 会 表 现 出 不 同 程 度 甚 至 不 同 形 式 的 磨 损 , 即 使 在 同 一摩 擦 学
45、 系 统 , 不 同 的 工 况 也 会 导 致 不 同 程 度 或 不 同 形 式 的 磨 损 。 因 此 , 在 处 理 磨 损 问 题 时 , 必 须 全 面 考 虑 该 元 件 所 在 的 摩 擦 学 系 统 的 结 构 , 才 能 对 其 磨 损 现 象 做 出 准 确 的 判 断 和 正 确 的 分 析 。 有 时 , 可 以 不 改 变 工 况 , 而 仅 仅 改 变 该 摩 擦 学 系 统 的 结 构 ( 如 改 善 润 滑 条 件 或 环 境 ) , 就 可 以 使 摩 擦 副 的 一 方 或 双 方 的 磨 损 状 况 得 到 改 善 。表 征 磨 损 特 性 的 基 本
46、参 数 是 磨 损 率 , 通 常 采 用 以 下 三 种 磨 损 率 : 线 性 磨 损 率R L = h/ L ( 1 - 6) 体 积 磨 损 率RV = V/ ( L Aa ) ( 1 - 7) 重 量 磨 损 率RW = W/ ( L Aa ) = RV ( 1 - 8)在 以 上 三 式 中 , h , V , W 分 别 代 表 材 料 被 磨 损 的 厚 度 、 体 积 和 重 量 ; L 为 滑 动 距离 ; Aa 为 表 观 接 触 面 积 ; 为 被 磨 损 的 材 料 的 密 度 。在 一 般 文 献 中 , 有 时 还 可 看 到 以 下 几 个 表 征 磨 损 特
47、性 的 参 数 : 磨 损 因 数 = V/ ( N L ) = R L/ p ( 1 - 9)式 中 p正 压 力 ;N 法 向 载 荷 。 磨 损 度 ( 能 量 磨 损 率 ) = V/ ( F L ) = V/ ( f N L ) = / f (1 - 10)式 中 F摩 擦 力 ;f 摩 擦 系 数 。 耐 磨 性 系 数 ( 耐 磨 性 ) = 1/ = f/ (1 - 11)6 磨 损 系 数 5 K = W H/ N vt (1 - 12)式 中 W磨 损 量 ;H材 料 硬 度 ;v速 度 ;t时 间 。 其 它 符 号 同 前 。磨 损 系 数 表 示 磨 损 量 与 工
48、况 之 间 的 关 系 , 当 载 荷 与 速 度 为 已 知 , 并 可 求 出 一 定 工 况 下 的 磨 损 系 数 时 , 就 可 估 算 磨 损 量 , 以 预 测 摩 擦 学 系 统 的 寿 命 。 也 可 根 据 磨 损 系 数 来 确 定 磨 损 类 型 , 因 为 不 同 的 磨 损 类 型 具 有 不 同 的 磨 损 系 数 。 磨 损 速 率 ( 磨 损 强 度 )I = V/ t (1 - 13)或I = W/ t (1 - 14)此 外 , 还 采 用 相 对 耐 磨 性 的 概 念 , 即 标 准 橡 胶 的 磨 损 率 与 试 验 橡 胶 磨 损 率 之 比 (
49、% ) 。三 、 磨 损 的 分 类半 个 多 世 纪 以 来 , 许 多 学 者 从 不 同 的 角 度 提 出 了 各 种 不 同 的 分 类 方 法 , 然 而 , 到 目 前 为 止 , 还 没 有 取 得 完 全 统 一 的 认 识 , 甚 至 对 各 种 磨 损 现 象 也 都 还 没 有 完 全 为 大 家 所 公 认 的 统 一 的 名 称 和 定 义 。 这 种 状 况 说 明 磨 损 作 为 一 个 领 域 或 学 科 分 支 还 很 不 成 熟 , 对 复 杂 多 样 的 磨 损 现 象 及 其 机 理 缺 乏 深 入 的 认 识 , 甚 至 把 磨 损 现 象 ( 形 式 ) 和 磨 损 机 理 ( 本 质 ) 相 混 淆 , 因 而 在 磨 损 的 分 类 上 出 现 概 念 不 清 和 似 是 而 非 的 情 况 。
