Основные закономерности трения и механизм изнашивания полимеров

Материалы на основе полимеров в большей степени, чем металлы, чувствительны к воздействию многочисленных факторов, обусловленных трением и влиянием внешней среды.

Широкие исследования изменений коэффициента трения и характера скольжения при трении пластмасс по стали и одноименных пластмасс без смазки и со смазкой полярными и неполярными маслами показывают, что смазывающая среда (граничная смазка), например неполярная жидкость (диффузионное масло), снижает общую силу трения вследствие уменьшения площади непосредственного контакта трущихся поверхностей. Однако в результате внедрения под воздействием нагрузки неровностей стальной поверхности в полимерный материал и соответствующей деформации его поверхностных слоев при скольжении на определенных участках смазка вытесняется. В этом случае, если пластмасса обладает высокой адгезией к стали, в момент образования адгезионных мостиков сила сцепления может достичь высоких значений, что приводит к скачкообразному изменению силы трения.

Если полимерный материал имеет малую адгезию к стали, то неполярная жидкость снижает общую величину силы трения в основном вследствие облегчения процесса пластического деформирования поверхностного слоя полимера микронеровностями стальной поверхности. При этом процесс трения протекает более стабильно. При смазке маслом с полярной присадкой, образующей на поверхности стали прочные ориентированные граничные слои, непосредственный контакт пластмассы и стали затрудняется, и трение происходит между граничным слоем масла на стали и поверхностью пластмассы. Возможные единичные разрывы граничного слоя с образованием адгезионных мостиков не оказывают существенного влияния на характер трения.

Для полимеров в связи с их специфическими свойствами влияние смазки на коэффициент трения менее эффективно, чем для металлов, и традиционное применение смазки часто не приводит к ожидаемым результатам.

Фрикционное взаимодействие сопровождается износом — характерным поверхностным разрушением материалов или остаточным изменением формы поверхности тела, происходящих вследствие механического контактного воздействия.

Внешние проявления износа полимерных материалов в значительной степени схожи с поверхностными явлениями, происходящими при изнашивании металлов. Это послужило основанием для многих исследователей применить к полимерам известные из опыта изучения износостойкости металлов теории и классификации. Обычно изнашивание полимерных материалов происходит вследствие сильного адгезионного взаимодействия, усталости, макросдвига, абразивного, термического и термоокислительного воздействия, коррозии, кавитации и т. д.

Происходящие в процессе фрикционного взаимодействия механическое, физическое и химическое взаимодействия контактирующих поверхностей, разрушение и рекомбинация молекул и структурных образовании приводят к изменению свойств граничных слоев и их разрушению.

Рассмотрим основные виды изнашивания полимерных материалов. Адгезионное изнашивание. При определенных сочетаниях материалов и условиях эксплуатации наблюдается износ полимерных материалов, основу механизма которого составляет фрикционный перенос. В этом случае в локальных зонах фактического контакта происходит интенсивное молекулярное (адгезионное) взаимодействие, силы которого превосходят прочность связи между отдельными элементами надмолекулярных образований или полимерных молекул, находящихся в напряженно-деформированной зоне трения. В процессе ограниченного количества актов фрикционного взаимодействия происходит поверхностное разрушение материала, продукты которого образуют «третье тело» — более или менее устойчивые участки пленки (отдельные фрагменты материалов, молекул и т. д.), которые в большинстве случаев в результате дальнейшего фрикционного воздействия диспергируются и уносятся из зоны трения. Процесс этот может многократно повторяться.

Фрикционный перенос оказывает благоприятное влияние па скорость изнашивания кристаллизующихся полимеров линейного строения, склонных к пластическому характеру деформирования. Жесткие аморфные полимеры плохо образуют слои переноса и в условиях трения без смазки интенсивно изнашиваются.

Усталостное изнашивание. В процессе многократного фрикционного деформирования происходит утомление материала в поверхностных слоях, в них образуются усталостные микротрещины, развитие которых приводит к микровыкрошиванию. материала. Процессы фрикционно-контактной усталости развиваются в зоне, соизмеримой с зоной взаимного внедрения микронеровностей взаимодействующих поверхностей. При качении с проскальзыванием (условия работы катков, роликов, зубьев звездочек цепных передач и зубчатых колес и т. д.) усталостный микроизнос может сопровождаться «питтингом» — усталостным макровыкрошиванием отдельных участков поверхности материалов на основе полимеров.

Согласно молекулярно-механической теории трения твердых тел, минимальное усталостное изнашивание реализуется при упругом характере контакта; интенсивность усталостного изнашивания при пластическом деформировании микронеровностей на несколько порядков выше. Такое соотношение сохраняется и для материалов на основе полимеров.

Абразивное изнашивание. При определенном сочетании условий фрикционного нагружения и геометрии сопряженных поверхностей напряженно-деформированное состояние достигает предельных значений, превышающих прочностные характеристики в соответствующих локальных точках взаимодействующих материалов. Происходит фрикционное разрушение материалов вследствие однократных воздействий индентора. Самым характерным проявлением абразивного изнашивания является микрорезание.

Абразивное изнашивание полимеров сопровождается трибохимическими процессами, инициируемыми в основном деструкцией.

Эрозионное изнашивание. Этот вид поверхностного разрушения материалов происходит в процессе скоростного обтекания изделия жидкой и газовой, в том числе высокотемпературной, средой (явление абляции), обычно содержащей абразивные частицы в виде песка, продуктов сгорания и т. д.

Эрозионное изнашивание наблюдается при эксплуатации водяных насосов, подводных деталей судов, лопаток дымососов и т. д.

Вообще же, характер и интенсивность изнашивания материалов на основе полимеров определяются следующими основными факторами:

• 1. Природой материалов;
• 2. Поверхностными и объемными механическими, физическими и химическими свойствами фрикционно-взаимодействующих тел;
• 3. Параметрами нагружения (величина и закон изменения нагрузки, скорость перемещения, наличие вибраций);
• 4. Макрои микрогеометрией (форма, волнистость и шероховатость) контактирующих поверхностей;
• 5. Фрикционной температурой и параметрами внешней среды (температура, атмосферное воздействие, наличие смазки и химически активных реагентов, облучение, вакуум и т. д.).

В области трения и износа материалов на основе полимеров накоплен большой опыт. Но, к сожалению, приходится еще раз констатировать, что отсутствие единых методов определяет сложность сопоставления и обобщения результатов научных работ и инженерных оценок материалов, что приводит к большим потерям времени и средств.

Полимерные материалы вследствие специфики строения проявляют в процессе фрикционного взаимодействия характерные особенности, которые нужно учитывать в методах и конструкциях трибометров, при выборе основных факторов и назначении режимов исследования, а также при создании единой международной трибометрической системы.